REGLAS HEURISTICASDEL DISEÑO DE PROCESOS QUIMICOSR E G L A S D E O R O - R U L E S O F T H U M B

Las reglas heurísticas son técnicas o procedimientos prácticose informales para resolver problemas. La fuente de las reglasheurísticas suele ser la experiencia.

En el diseño de procesos químicos hay reglas heurísticas para:

• Definir condiciones de operación (condiciones especiales)

• Definir dimensiones de equipos

1. Una heurística no garantiza una solución correcta2. Dos o más heurísticas pueden contradecirse entre sí3. Su aceptación o no depende del contexto, no se aplican ni

ofrecen decisiones absolutas

Tenga presente

Condiciones especiales[1]

PresiónOperar por fuera del rango de 1 a 10 atm

requiere una justificación

Temperatura

Problemas potenciales:• Materiales y/o aislantes especiales• Grandes requerimientos de servicios industriales• Fluidos de calentamiento y/o refrigerantes especiales• Equipos de compresión requeridos• Puede aumentar la necesidad de reciclos y/o separadores• Aumenta el riesgo de accidentes industriales

Operar por fuera del rango de 16ºC a 260ºC

requiere una justificación

Operar por encima de400ºC requiere una muy

buena justificación

Matriz de Condiciones especiales de procesos

Justificación*

* Argumentar soportándose con datos, análisis de sensibilidad, etc.

Opera a alta T y alta P favorece …

Poseen un DTLM mas bajo de lo normal por que …

• Producción a pequeña escala• Capacidad menor a 1 millón lb/año

•Reacciones lentas •Frecuente limpieza de equipos•El éxito del proceso está en el scheduling

•No se procesan fluidos•Productos estacionales (por temporadas)

•Continuo control de calidad de producto• Un equipo sirve para varias operaciones

Batch vs. Continuo

Heuristicas …

•Producción a gran escala•Plantas capacidad > 10 millones lb/año

•Reacciones rápidas•Procesos con pocos tiempos muertos

Separadores FlashVessels

Nivel Máximo de líquido[3]

• < 500 galones : nunca superar el 85%• > 500 galones : nunca superar el 90%

Orientación[3]

• < 1000 galones líquido: Tanques verticales montados sobre patas• Entre 1000 y 10 mil galones líquido: Tanques horizontales sobre concreto• > 10 mil galones líquido: Tanques verticales sobre concreto

Tiempo de retención[3] (holdup, time holding)• Horizontal: 2 a 10 minutos• Vertical: 2 a 5 minutos

Relación Altura/Diámetro[3]

•Diámetro recomendado D = 0.74V1/3

• AlturaoHorizontal: 20% del diámetrooVertical: 75% del diámetro

RULES OF THUMB

CompresoresCompressors

RULES OF THUMB

Tipo Potencia Min.[kW]

Potencia Max.[kW]

Reciprocante & Centrifuga & Axial 50 8000

Rotatoria 50 1000

Driver del compresor[1]

• Motor eléctrico (Entre 1 y 15 mil kW)• Turbina Gas (Entre 10 y 15 mil kW)• Motor combustión interna (Entre 10 y 15 mil kW)• Turbina vapor (Entre 100 y 15 mil kW)

• Si T entrada > 167ºC => Enfriar el gas antes de comprimirlo• Si P salida / P entrada > 3 => Usar múltiples etapas y enfriadores[1]

•La relación de compresión debe ser igual entre etapas (Pn/P1)1/n

Rango de Potencia en función del tipo de compresor[1]

RULES OF THUMB[1]

Ps/Pe>3N2

A)

B)

C)

(Ps1/Pe1)1/1=2.27

Si T entrada > 167ºC => Enfriar el gas antes de comprimirloSi P salida / P entrada > 3 => Usar múltiples etapas y enfriadores[1]

La relación de compresión debe ser igual entre etapas (Pn/P1)1/n

Te>167°C200°C 6/1.2 = 5

Ps/Pe<3

Ps/Pe>3Te<167°C80°C 6/1.2 = 5

Te<167°C80°C

Te<167°C80°C

(Ps2/Pe1)1/2=2.23

Ps/Pe<32.726/1.2=2.27 6/2.726=2.20

EJEMPLO 1 Diseño de un tren de compresores

RULES OF THUMB

OPCION A OPCION B OPCION C

Ahorro significativo en servicios industriales

Las reglas heurísticas suelen tener un sentido técnico, económico y de seguridad

Menos agua de enfriamientoMenos energía eléctrica

EJEMPLO 1 (continuación)

ReactoresReactors

RULES OF THUMB

• La velocidad de reacción se duplica cada 10°C• Las velocidades de reacción se deben estimar a nivel laboratorio mientras que

los tiempos de residencia a nivel piloto o industrial.

CSTRRelación L/D 1 (L es el nivel de líquido)[1]

Potencia agitador[1]: Reactor adiabático 0.1-0.3 kW/m3

Reactor no adiabático 0.3-0.9 kWm3

PFRTamaño catalizador[1]: Lecho fluidizado (0.1 mm)

Flujo Pistón (2 a 5 mm)

Conoce la cinética de reacción ?

NOSI(Más exacto) (Solo aproximación)

EJEMPLO 2 Dimensionamiento de un reactor

1. Suponga un volumen de reactor V ydefina un valor de %Nivel

2. Estime un valor de VRxn y haga convergerel reactor

3. Repita el paso 1 y 2 hasta que laconversión o composición a la salida seala deseada

4. Conocido V halle entonces L y D

Volumen reacción [m3] = F Flujo volumétrico++ [m3/h]

VRxn

+ Dato de la literatura a una escala similar a la deseada

V*%Nivel LTubo*ATubo*#Tubos

%Nivel, L y D se estiman por heurística

Aplicar una prueba y error Aplicar el concepto de Tiempo de residencia +

VRxn =f (DTubo)

VRxn = * F

V = f ( VRxn, %Nivel, L, D, # Tubos)

++ Flujo a condiciones reales

CSTR

%Nivel, L y D se estiman por heurística

[1] Turton, R.; Bailie R.; Whiting W.; Shaeiwitz J. Analysis, Synthesis and Design of Chemical Processes. 2da Edición.Prentice Hall, New York (2003)

Intercambiadores de calorHeat Exchangers

RULES OF THUMB

• ∆P ideal = 0.1 bar[1]

• Si ∆TLM > 100ºC => Aplicar integración de procesos

• Temperatura mínima de aproximación = 10ºC

• Si Area < 10 m2 => Usar intercambiador de doble tubo

• Lado de los tubos: fluido corrosivo, sucio, alta presión

• Lado de la carcasa: fluido viscoso y con tendencia a condensarse

EJEMPLO 3 Dimensionamiento de un intercambiador S&T

Hallar el Área (A) según el método de cálculo

(Más exacto)Steady State End Point ó Weigthed

Ensaye TEMA, #, L, D de los tubos y carcasa hasta que

las corrientes de salida lleguen a las condiciones de

T deseadas

Prueba y error

1. Ingresar datos entrada2. Hacer converger el equipo3. Leer el valor de UA4. Estimar un valor para U+

5. Estimar A = UA / U

+ U y Ft se estima por heurística

Heater & Cooler(Solo aproximación)

Usando el UA Aplicando Ecuación de diseño

1. Ingresar datos de entrada2. Hacer converger los dos equipos3. Leer el calor transferido Q4. Estimar TLM y Ft+

5. Estimar UA con ecuación de diseño6. Estimar un valor para U+

7. Estimar A = UA/U

Q = UA * TLM * Ft

(Solo aproximación)

A es un dato calculado por el simulador

U

U y Ft se estima por heurística

Ft

• Altura máxima: 175 ft (problemas de cimientos y viento) [3]

• Si Diámetro < 3 ft => Usar torre empacada• Relación de reflujo económica: 1.2 a 1.5 veces la mínima teórica• Espaciamiento entre platos entre 0.5 a 0.6 m• Caída de presión en cada plato es aprox. 0.1 psi

RULES OF THUMB

Columnas de SeparaciónColumns

Límites normales para L/D[1]

Diámetro L/D0.5 3.0 – 40

1.0 2.5 – 30

2.0 1.6 – 23

4.0 1.8 – 13

BombasPumps

RULES OF THUMB

Tipo Potencia Max.[kW]

Presión Max.[bar]

Reciprocante 250 1000

Desplazamiento positivo 150 300

Centrifuga 250 300

Rango de Potencia en función del tipo de bomba[1]

• Eficiencia típica entre 85 y 95%

AgitadoresAgitators

RULES OF THUMB

Fluido Potencia / flujoAceite vegetal 1 hp / 100 mil lb

Gasolina 0.3 hp / 100 bbl

Fermentaciones 3-10 hp / 1000 gal

Suspensiones 6-7 hp / 1000 gal

Emulsiones 3-10 hp/ 1000 gal

Soluciones 15-40 hp / 1000 gal

Potencia en función del tipo de fluido y cantidad de flujo[3]

Tipo de agitador ViscosidadHélice < 3000 cP

Turbina 3000 cP a 50,000 cP

Paleta 50,000 cP a 90,000 cP

Potencia en función de la viscosidad y tipo de agitador [3]

Otras RULES OF THUMB

Válvulas[1]

Grandes caídas de presión: Instalar turbina para recuperar energía

Mezcladores[1]

Mezcla de corrientes con alta diferencia de T: Aplicar integración energética

Existe heurísticas sobre:Materiales de construcciónEquipos de potenciaEquipos de almacenamientoTuberías y aislantesVentiladores y sistemas de vacíoTorres Platos / EmpacadasReactoresServicios industriales

Reactores & Tanques & Flash & VesslesComo último recurso dimensionar el equipo con el tiempo de residencia

BIBLIOGRAFIA

[3] Capítulo 12 (Materiales de Construcción)Peters, M.S. y K.D. TimmerhausPlant Design and Economics for Chemical Engineers. 4ta Edición.McGraw Hill, New York (1991)

[1] Capítulos 4 y 9 (Relaciones Heuristicas) Capítulo 5 y Apendice A (Materiales)Turton, R.; Bailie R.; Whiting W.; Shaeiwitz J.Analysis, Synthesis and Design of Chemical Processes. 2da Edición.Prentice Hall, New York (2003)

[2] Capítulo 5 (Reglas de Oro)Baasel, William D.Preliminary Chemical Engineering Plant Design. Elsevier, New York (1974)

[4] Apendice III (Materiales de construcción)Seider, Warren; Seider, J.D.; Lewin, Daniel R.Products & process design principles. 2da Edición.John Willey and Sons, New York (2003)