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INGENIERIA EN PROCESOS QUIMICOS – DISEÑO DE PLANTAS

RS/NS/2011

I. OPTIMIZACIÓN DE PROCESOS

En el análisis y diseño de sistemas en ingeniería ocurren muchas veces situaciones que provocan efectos

conflictivos en cuanto a su economía o algún objetivo establecido. Por ejemplo, en el diseño de columnas de

destilación, el aumentar la razón de reflujo tiende a disminuir el costo fijo de la columna a expensa de un

mayor de servicios. Un valor óptimo de la razón de reflujo bajo un objetivo económico sería aquel que

minimizará una combinación de ambos costos.

Relación de reflujo

“Optimización es el proceso de mejora de una situación existente, equipo o sistema tal

como un proceso químico”

IMPORTANTE El punto de intercepción de las curvas de costo operacional y costo capital no es el óptimo

Para optimizar un sistema se debe establecer una función objetivo, la cual trata de maximizar algún tipo de

beneficio o salidas del sistema, o de minimizar algún tipo de costo o entrada al proceso. Relaciones adicionales

en forma de balance de materia, balance de energía, ecuaciones de diseño y estipulación de algunas variables

constituyen restricciones bajo las cuales la búsqueda se va a llevar a cabo.


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Tabla 1. Estrategias generales para la optimización de procesos químicos

Estrategias Aspectos a considerar Ejemplo

Establecer el problema de optimización

Inversión capital, costos operacionales, materias primas, valor de pérdidas del

proceso, costo del productos

Diseño de reactor donde ocurren reacciones

paralelas

Determinación de la función objetivo

Debe ser una función cuantificable con extremos máximos o mínimos. La función

objetivo más común son los costos asociados (no siempre es el caso)

Composición del producto de interés

Análisis de la función objetivo

Relaciones o modelos que permitirán la búsqueda

Ecuaciones de velocidad de reacción

Definición de las variables claves

Sensibilidad a los cambios de la función objetivo

Considerar el proceso de control de la variable seleccionada

Característica del equipo

Temperatura de reacción

II. OPTIMIZACIÓN TOPOLOGICA

Concierne al arreglo (o secuencia) y pertinencia de las operaciones unitarias de la planta de procesos.

Debe responder: Cantidad de subproductos que deben ser eliminados Equipos que pueden ser eliminados o re arreglados Métodos alternativos de separación Integración de energía

Considere la siguiente situación: Se requiere la separación de los componentes condensables del efluente (300°C y 15 bar) de un reactor donde ocurre una reacción en fase gas La separación se lleva a cabo a 25°C y 1 bar

OPCIÓN A. Enfriamiento seguido de la descompresión

Gas + Vapor

300°C y 15 bar

25°C y 1 bar

Condensado

Reciclo Gas


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OPCIÓN B. Descompresión seguido del enfriamiento

Gas + Vapor

300°C y 15 bar

25°C y 1 bar

Condensado

Reciclo Gas

¿Cual configuración permite un control adecuado del proceso?

¿Cual configuración requiere equipos con diseño especial?

Análisis:

INTEGRACIÓN DE ENERGÍA

La integración energética reduce y/o elimina requerimientos en servicios destinados al acondicionamiento de

las corrientes de proceso. Por ejemplo, alimentaciones a operaciones unitarias:


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El objetivo de la integración de energía consiste en determinar el mínimo número de intercambiadores

de calor requiriendo el mínimo en servicios de planta (medios de calentamiento o enfriamiento)

Pasos típicos para la ejecución de la integración de energía:

1. Seleccionar el mínimo acercamiento de temperatura. Esto es parte de la optimización

paramétrica, en vista que para distintos acercamientos de temperatura existirán diferentes

soluciones. El acercamiento es la mínima diferencia de temperatura que existe entre el fluido

caliente y frío de un intercambiador de calor, generalmente se encuentra entre 10-20°C.

2. Construir el diagrama de intervalo de temperatura.

3. Construir un diagrama de cascada. Determina los requerimientos mínimos de servicios de

planta y el punto de pliegue de temperatura

4. Calcular el número mínimo de intercambiadores por encima y por debajo del punto de

pliegue

5. Construir la red de intercambiadores

Considere la siguiente aplicación: En un proceso se tiene seis corrientes que requieren

calentamiento o enfriamiento

Corriente Condición ≈ m.Cp

(kW/°C) TENTRADA (°C) TSALIDA (°C)

Energía

disponible

(kW)

1 Caliente 8,0 300 150 1200

2 Caliente 2,0 150 50 200

3 Caliente 3,0 200 50 450

4 Fría 5,0 190 290 -500

5 Fría 8,0 90 190 -800

6 Fría 4,0 40 190 -600

Total -50

SOLUCIÓN:

Paso 1. Selección del acercamiento: ∆T=10°C


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Paso 2. Construcción del diagrama de temperaturas

Fluidos calientes Fluidos fríos

Corriente 1 2 3 4 5 6

Q (kW)

mCp

(kW/°C)8,0 2,0 3,0 5,0 8,0 4,0

300°C 290°C

A 300

200°C 190°C

B -50

150°C 140°C

C -350

100°C 90°C

D 50

50°C 40°C

-50

Es necesario establecer las zonas de transferencia de calor de acuerdo los niveles de temperatura de las

corrientes y al valor de acercamiento establecido. La definición de estas zonas evitará que produzcan cruces de

temperaturas en la red de intercambiadores propuesta.

Para el ejemplo se tiene cuatro zonas (A, B, C y D) donde para cada nivel de temperatura de los fluidos

calientes existe un nivel 10°C menor en los fluidos fríos

Paso 3. Diagrama de cascada

Se obtiene a partir de la energía transferida entre cada zona. La energía excedente o requerida de cada zona se

calcula por balance térmico de las corrientes involucradas considerando la diferencia de temperatura de “dicha

zona”. Por ejemplo:

Zona A

Corriente 1 tiene un excedente de energía en la zona kWCCpmQ 800)200300(1

Corriente 4 tiene requerimiento de energía en la zona kWCCpmQ 500)190290(4

Por diferencia se dispone de 300 kW de energía para trasferir a la siguiente zona


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Se

rvic

io d

e c

ale

nta

mie

nto

A

300

B

-50

C

-350

D

50

Qc=100

300

250

Se

rvic

io d

e E

nfria

mie

nto

Qf=50

Se define entonces el punto de pliegue donde la transferencia de calor entre zonas del diagrama en cascada

requiere de un servicio de planta. El criterio de no transferir energía a través de la línea de temperatura de

pliegue garantizará los requerimientos mínimos de energía y de servicios de planta.

Paso 4. Número mínimo de intercambiadores

Energía transferida por encima del punto de pliegue:

Corriente 1

1200

Corriente 2

100

Corriente 3

300

Servicio

calentamiento

100

Corriente 4

500

Corriente 5

800

Corriente 6

400

500

kW100

kW

700

kW

100

kW

300

kW

Energía transferida por debajo del punto de pliegue:

Corriente 2

100

Corriente 3

150

Servicio

enfriamiento

50

Corriente 5

200

50

kW100

kW100

kW

Temperatura de pliegue


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Considerando la transferencia de energía necesaria entre las corrientes se requiere un mínimo de de

8 intercambiadores para lograr tal fin.

Paso 5. Determinación de la red de intercambiadores

5.1 Intercambiadores por encima del punto de pliegue:

190°C

90°C

1 2 3 4 5 6

300°C

200°C

150°C

100°C

mCp 8,0 2,0 3,0 5,0 8,0 4,0

290°C

140°C

Para los niveles inferiores de temperatura pueden intercambiar energía las corrientes 2 y 3 con las corrientes 5

y 6 respectivamente.

Para ello, se requiere dos intercambiadores:

190°C

90°C

1 2 3 4 5 6

300°C

200°C

150°C

100°C

mCp 8,0 2,0 3,0 5,0 8,0 4,0

290°C

E-101E-101

102,5°C

100 kW

E-102

E-102

165°C300 kW

140°C

La corriente 2 cede toda la energía disponible a la corriente 5 elevando la temperatura de esta última desde

90°C hasta 102,5°C en el intercambiador E-101

La corriente 3 cede toda la energía disponible a la corriente 6 elevando la temperatura de esta última desde

90°C hasta 165°C en el intercambiador E-102


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190°C

90°C

1 2 3 4 5 6

300°C

200°C

150°C

100°C

mCp 8,0 2,0 3,0 5,0 8,0 4,0

290°C

E-101E-101

102,5°C

100 kW

E-102E-102

165°C

300 kWE-103

E-103

700 kW

237,5°C

140°C

De la corriente 1 se transfiere la energía disponible en la zona B para aumentar la temperatura de la corriente 5

desde 102,5°C hasta la especificación de 190°C. Esta acción se lleva a cabo en el intercambiador E-103 donde la

corriente 1 debe salir a 200°C (especificación) y por balance de energía se conoce que debe entrar a 237,5°C

(aunque de forma rigurosa la temperatura de entrada del E-103 depende de la transferencia que ocurra en la

zona A)

En el nivel de temperatura superior (zona A) la corriente 1 es la única que puede intercambiar energía con la

corriente 4. Esta transferencia se ocurre en E-104 y permite elevar la temperatura de la corriente 4 desde

190°C hasta 290°C la cual corresponde a la especificación.

190°C

90°C

1 2 3 4 5 6

300°C

200°C

150°C

100°C

mCp 8,0 2,0 3,0 5,0 8,0 4,0

E-101E-101

102,5°C

100 kW

E-102 E-102

165°C

300 kW

E-103E-103

700 kW

237,5°C

E-104

290°C

E-104

500 kW

E-105Qc=100 kW

140°C

Para la alcanzar la especificación de la corriente 6 es necesario el aporte energético a través de un servicio de

calentamiento.


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5.2 Intercambiadores por debajo del punto de pliegue:

1 2 3 4 5 6

100°C

50°C

90°C

40°C

mCp 8,0 2,0 3,0 5,0 8,0 4,0

No es posible considerar el intercambio de energía (100 kW) de la corriente 2 o 3 completamente con la

corriente 6 debido a que se generaría un cruce de temperaturas. Por tanto, la corriente seis se divide en dos

partes iguales para aumentar directamente su temperatura de 40°C hasta los 90°C que se requieren mediante

los intercambiadores E-106 y E-107.

E-106

1 2 3 4 5 6

100°C

50°C

90°C

40°C

mCp 8,0 2,0 3,0 5,0 8,0 4,0

E-106

66,7°CE-107E-107

100 kW

100 kW

Finalmente la se ajusta la especificación de la corriente 3 desde 66,7°C (salida de E-107) mediante un servicio

de enfriamiento para llevarla hasta los 40°C en el intercambiador E-108

E-106

1 2 3 4 5 6

100°C

50°C

90°C

40°C

mCp 8,0 2,0 3,0 5,0 8,0 4,0

E-106

66,7°C

E-107E-107

100 kW

100 kW

E-108

Qf=50kW


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Quedando la red de intercambiadores de la siguiente manera:

E-104

E-105

E-103

E-102

E-101

E-107

E-106

E-108

300°C

237,5°C

150°C

200°C

100°C

66,7°C

50°C

150°C

100°C

50°C

190°C290°C

90°C102,5°C190°C

165°C190°C

40°C90°C

90°c

Corriente 1 Corriente 3 Corriente 2

Co

rrien

te 4

Co

rrien

te 5

Co

rrien

te 6

Tarea. Integración térmica

Establecer la red de intercambiadores del ejemplo de clases:

Analice los beneficios económicos por año de operación para la situación planteada sin integración y la

empleando la red de e intercambiadores

Corriente Fluido Componente Flujo másico

(Kg/h)

Presión

(bar)

TENTRADA

(°C)

TSALIDA

(°C)

1 Caliente n-decano 2100 12 300 150

2 Caliente n-heptano 2180 10 150 50

3 Caliente n-heptano 3270 10 200 50

4 Fría Etilenglicol 4300 14 190 290

5 Fría Agua 3170 14 90 190

6 Fría Agua 6400 14 40 190

NOTA: CONSIDERE LA MODIFICACIÓN QUE CREA NECESARIA AL ESQUEMA PROPUESTO

PARA LOGRAR LAS ESPECIFICACIONES DE TEMPERATURA REQUERIDAS


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III. OPTIMIZACIÓN PARAMETRICA

En los cálculos de diseño de procesos químicos se tienen relaciones en forma de balance de materia, balance

de energía, ecuaciones de diseño que constituyen restricciones bajo las cuales se establece la búsqueda de

variables, características o condiciones óptimas para un objetivo determinado

“La optimización paramétrica busca establecer valores adecuados en variables claves incluidas en los

grados de libertad de un proceso donde se maximice o minimice una función objetivo”

La determinación de las variables claves es crucial para un procedimiento de optimización eficiente. Algunas de

las variables más importantes en muchos procesos químicos se mencionan a continuación:

Condiciones de operación del reactor, por ejemplo, temperatura presión, concentración de reactivos.

Conversión por paso en un reactor

Recuperación de componentes que reaccionan

Relaciones de purga en corrientes de reciclo que contienen inertes

Pureza de los productos

Relación de reflujo y recuperación de componentes en columnas de destilación

Flujos másicos de agentes de separación en columnas de absorción, extracción y despojadores.

Presión de operación de separadores

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