Sesion Teoria 02 - Diseño Conceptual - Diseño de plantas

DISEÑO DE PLANTAS DE PROCESO: Diseño Conceptual

Dr. Antonio Rodríguez Martínez

Centro de Investigación en Ingeniería y Ciencias Aplicadas

2

1. Objetivos.

2. Contenido.

3

Objetivos

• Identificar y aplicar los conceptos empleados en el Diseño Conceptual de Plantas de Proceso.

4

1. Diseño Conceptual. 0. Información inicial

1. Batch vs Continuo

2. Estructura de entradas/salidas

3. Estructura de Reciclo(s)

4. Sistemas de Separación

5. Integración de Energía

Contenido

5

Diseño:

Diseño Conceptual

Diagrama de

Flujo

Entradas Salidas

Condiciones De Operación

Dimensiones De Equipos

? ?

6

Metodología Jerárquica de Douglas.

Estrategia top-dow sin backtrack para determinar un diseño base (tiende a ignorar algunas interacciones entre niveles).

Herbert Simon (Simon 1969) mostró que los sistemas jerárquicos son más fáciles de analizar, describir entender y desarrollar que los no-jerárquicos.

Diseño Conceptual

7

Diseño Conceptual

Jerarquía ...

8


Diseño Conceptual

Decisiones Jerárquicas:

0. Información inicial

1. Batch vs Continuo

2. Estructura de entradas/salidas

3. Estructura de Reciclo(s)

4. Sistemas de Separación

5. Integración de Energía

9


Diseño Conceptual

+

Abstracción +

Detalle

10


0. Información inicial. Sobre la Reacción.

Reacciones principales:

Estequiometría, intervalos de T y P, fases, catalizadores,

conversión (X) y selectividad (S).

Reacciones secundarias:

Acumulación de subproductos en reciclos.

Distribución de productos:

Generalmente la mayoría de los experimentos alrededor de la

máxima producción, que no siempre corresponde a la

conversión óptima. e.g. Sistema A B C donde B =

producto principal y S = (B producido)/(A convertido)

Diseño Conceptual

11


0. Información inicial. Sobre la Reacción.

Balance:

S , X , reciclos vs. S , X , reciclos .

Catalizador:

Estado del catalizador (homogéneo, heterogéneo, empacado,

tipo cama, etc.), velocidad de desactivación, regeneración y

método a utilizar.

Diseño Conceptual

12


0. Información inicial. Sobre el Mercado. Volumen de Producción: Determinado por las condiciones del mercado (generalmente

incierto y variable) y por el tamaño de la planta más grande que se haya construido.

Pureza del Producto: relación Pureza vs. Precio. Reactivos (materia prima): Considerar pre-tratamiento en caso de reactivos impuros. Costo de terreno, equipo, construcción, servicios (utilities), etc. (ver

apéndice E, Douglas 1988 para estimación de costos)

Diseño Conceptual

13


0. Información inicial. Propiedades de compuestos. Propiedades físico-químicas: Peso Molecular, T de ebullición, Presión de Vapor, Cp,

Densidad, Calores de vaporización y reacción. Parámetros de ecuaciones de estado y/o métodos de

coeficientes de actividad (UNIFAC, UNIQUAC, etc.). Es mejor contar con datos experimentales, pero existen

métodos de estimación alternativos (ver por ejemplo, Reid, Prausnitz & Poling, 1987)

Flamabilidad, toxicidad, corrosividad, tendencia a

carbonizarse, polimerizarse o desactivar el catalizador.

Diseño Conceptual

14


0. Información inicial.

Douglas, 1988:

You never have the right information!

Diseño Conceptual

15



Hydrodealkylation of Toluene (HDA)

Diseño Conceptual

HDA

Tolueno Benceno

16



Hydrodealkylation of Toluene (HDA)

Reacción:

Toluene + H2 Benzene + CH4

2 Benzene Diphenyl + H2

Rango de temperatura: 1150 ºF – 3000 ºF

Presión: 500 psia

Exceso de hidrógeno: 5/1

Reacción en fase gas sin catalizador.

Diseño Conceptual

17


0. Información inicial. Hydrodealkylation of Toluene (HDA)

Diseño Conceptual

544.11

0036.01

)(

)(

xS

Toluenomoles

convertidoToluenomolesxConversión

convertidoToluenomoles

reactoraBencenomolesSadSelectivid

reactor al alimentado

reactor el en

del salida

18



Diseño Conceptual

Tolueno

alimentado

(1 mol)

Tolueno

Sin reaccionar

Tolueno

Que reaccionó

Reciclo

Benceno

producido

Difenil

producido

x mol

(1 - x) mol

Sx mol

½ (1 - S) x mol

19



Diseño Conceptual

Reactor Separador

Tolueno

alimentado

(1 mol)

Tolueno

Que reacciona

x

T = 1 - x

B = S x

D = ½ (1-S)x

Benceno = S x

Difenil = ½ (1 – S) x

Tolueno reciclado = (1 – x)

20



Diseño Conceptual

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

Conversión (x)

$/a

ño

* 1

000

21



Diseño Conceptual

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

Conversión

Sele

cti

vid

ad

22



Producción de Benceno: 265 mol/h

Pureza requerida del Benceno: 0.9997

Materia prima: Tolueno a T y P ambiente. Hidrógeno (95% H2, 5%

CH4) a 100 ºF y 550 psia

Restricciones:

H2/aromáticos 5 a la entrada del reactor (para prevenir

coking).

Temperatura a la salida del reactor < 1300 ºF (para prevenir

hydrocraking)

Enfriamiento rápido del efluente del reactor a 1150 ºF (para

prevenir coking).

Conversión (x) < 0.97 para la correlación de la distribución de

productos.

Diseño Conceptual

23


RESUMEN: Nivel 0. Información Inicial.

La información que se requiere para iniciar el Diseño Conceptual

es:

1. Las reacciones y las condiciones de reacción. Se debe

tener una correlación para la distribución de productos,

una relación entre la conversión y selectividad, información

del tipo catalizador, así como de su velocidad de

desactivación y regeneración.

2. La velocidad de producción del producto deseado, pureza

y valor del producto.

3. La disponibilidad de la materia prima y sus costos.

4. Las restricciones del proceso.

Diseño Conceptual

24


RESUMEN: Nivel 0. Información Inicial.

La información que se requiere para iniciar el Diseño Conceptual

es:

5. Datos del sitio y de otras plantas.

6. Propiedades físico-químicas de las especies químicas

involucradas.

7. Datos de costos.

Diseño Conceptual

25


1. Batch vs Continuo.

Diseño Conceptual

26



Proceso Continuo:

Diseñado para operar 24 h/día, 7 días a la semana entre

periodos de paro por mantenimiento ( 1 año).

Proceso Batch:

Operan mediante ciclos de operación,

Llenado.

Operación (mezclado, cambio de temperatura, reacción,

etc.)

Vaciado.

Limpieza.

Procesos Semibatch:

Contienen combinaciones de equipos continuos y batch.

Diseño Conceptual

27



El uso de operaciones Batch se recomienda cuando,

Flexibilidad:

a. Procesos multiproductos.

b. Poca información inicial y un proceso con alta sensitividad a

variaciones.

Volumen de Producción:

a. A veces Batch si es menor que 5,000,000 kg/año.

b. Usualmente Batch si es menor que 500,000 kg/año.

Diseño Conceptual

28



El uso de operaciones Batch se recomienda cuando,

Condiciones de Mercado:

a. Producción estacional.

b. Vida corta del producto.

c. Tiempo corto de salida al mercado.

d. El valor del producto es mucho mayor que el costo de

producirlo.

Problemas de Escalamiento:

a. Tiempos muy largos de reacción.

b. Manejo de materiales con flujos bajos.

c. Materiales que ensucian rápidamente.

Diseño Conceptual

29



Diseño Conceptual

T Reactor Separador Alimentación

Catalizador Producto

Calor

Calor

Reactor

Separador

Calor

(1) Alimentación

(2) Catalizador

Producto

30



Para realizar el diseño conceptual de un proceso continuo se debe,

1. Seleccionar las unidades de proceso necesarias.

2. Seleccionar las interconexiones entre las unidades.

3. Identificar las alternativas de proceso que necesitan ser

consideradas.

4. Listar las variables de proceso dominantes.

5. Estimar las condiciones óptimas de producción.

6. Determinar la mejor alternativa de proceso.

Para un proceso Batch se debe realizar exactamente lo mismo,

además de,

Diseño Conceptual

31



7. Determinar cuales son las unidades que serán Batch y

cuales Continuas.

8. Que etapas de proceso podrían realizarse en un solo

recipientes vs. cuales deben realizarse en recipientes

individuales.

9. Cuando es una ventaja utilizar unidades Batch en paralelo

para mejorar el desempeño de la planta.

10. Cuanto almacenamiento de intermedios se requiere y

donde deberían de colocarse.

Diseño Conceptual

32


RESUMEN: Nivel 1. Batch vs Continuo.

Los factores a favor de una operación tipo Batch son:

Velocidad de Producción.

Algunas veces Batch si la producción es menor que 5,000

Ton/año (107 lb/año).

Generalmente Batch si la producción es menor de 500


Mercado.

Producción estacional.

Tiempos de vida del producto cortos.

Problemas de escalamiento.

Tiempos de reacción muy altos.

Manejo de materiales con flujos bajos.

Materiales que ensucian rápidamente.

Diseño Conceptual

33


Tarea.

Douglas, pp 111, problemas:

4.3-1. Nota: Al menos dos procesos.

4.3-2.

4.3-3.

Diseño Conceptual

34


2. Estructura de Entradas y Salidas. Criterios.

Diseño Conceptual

35


2. Estructura de Entradas y Salidas. Criterios. Heurística: Recobrar y reciclar todos los reactivos (dado que su

costo puede ser 33-85% del costo total.

Generalmente hay dos posibilidades:

1. Reciclo Gaseoso sin Impurezas.

2. Reciclo Gaseoso con Impurezas (utilizar una purga).

Diseño Conceptual

Proceso Materias

Primas

Productos

Subproductos

Proceso Materias

Primas

Productos

Subproductos

Purga

36



Alternativas de Proceso:

“Si no se esta seguro de que una decisión de diseño es

correcta, entonces se debe listar la decisión

contraria como una alternativa de proceso”.

Diseño Conceptual

37



2.1. Purificación de las Corrientes de Entrada.

Se recomienda purificar las entradas (con pre-tratamiento) si:

La impureza no es inerte.

La impureza está presente en cantidades significativas.

La impureza envenena el catalizador.

Se recomienda procesar (sin pre-tratamiento) si:

La impureza está presente en una corriente gaseosa.

La impureza forma un azeótropo con uno de los reactivos.

Es más fácil separar la impureza del producto que de la

alimentación.

Diseño Conceptual

38



2.2. Separación o reciclo de los Subproductos reversibles.

Separar Reciclar

Costo de Reactivos

Costo del Reciclo

Ejemplo,

Tolueno + H2 Benceno + CH4

2 Benceno Difenil + H2

Diseño Conceptual

39



2.3. Separación o Reciclo de algunos de los Reactivos.

No vale la pena separar y reciclar los reactivos de bajo costo

(p.ej. Aire, agua).

En general se usa un exceso de ellos si esto favorece la

conversión de otros reactivos.

Diseño Conceptual

40



2.4. Uso de una corriente de purga en el reciclo gaseoso.

Se aconseja una corriente de purga cuando hay un reactivo

“ligero” y una impureza “ligera” (de la alimentación o generada

como subproducto).

Se define un componente “ligero” a aquel que no puede

condensarse con agua de enfriamiento a altas presiones (Teb

< -48 ºC).

Considerar, sin embargo, el uso de membranas para separar

la impureza.

Diseño Conceptual

41



2.5. Determinación de las corrientes de salida.

Heurística: Nunca separar dos corrientes que se han de mezclar.

Método (asumiendo el uso de destilación y la ausencia de

azeótropos):

a. Listar todos los componentes que salen del reactor.

b. Clasificar los componentes de acuerdo a su destino:

Venteo – subproductos gaseosos e impurezas alimentadas.

Venteo en Exceso – reactivos gaseosos no recuperados y no

reciclados.

Diseño Conceptual

42





Reciclo – reactivos, intermedios de reacción, azeótropos con

reactivos (algunas veces), subproductos reversibles (algunas

veces).

Reciclo y Purga – reactivos gaseosos más gases inertes y/o

subproductos gaseosos.

Fuel – subproducto para combustible.

Residuos (waste) – subproductos para tratamiento.

Residuos en exceso – reactivo líquido no recuperado ni

reciclado.

Diseño Conceptual

43





Producto Principal – producto de mayor valor comercial o de

interés.

Subproducto – producto no deseado.

c. Ordenar los componentes de acuerdo a su Temperatura de

Ebullición (Teb).

d. Agrupar los componentes con Teb vecinos y mismos destinos.

e. Cada grupo, excepto los reciclos, es una corriente de salida.

Diseño Conceptual

44



2.6. Selección de las Variables de Diseño.

Las más significativas son las que afectan la selectividad y las

composiciones de las corrientes de purga, p.ej.

Para reacciones complejas: conversión, relación de

alimentación, T, P.

Para reactivos en exceso: cantidad de reactivo que no se

recupera, corriente de purga.

Los balances de masa y energía y los cálculos de costos se hacen

en función de estas variables de diseño (grados de libertad).

Diseño Conceptual

45


2. Estructura de Entradas y Salidas. Ejemplos.

Suponga que se tiene 10 compuestos listados en orden de su punto

de ebullición y con la clasificación indicada. ¿Cuántas

corrientes de proceso habrá?

Componente Código Componente Código

A Waste F Producto Principal

B Waste G Reciclo

C Reciclo H Reciclo

D Fuel I Subproducto valioso

E Fuel J Fuel

Diseño Conceptual

46






Corriente:

A + B – Waste.

C – Reciclo (gas).

D + E – Combustible (gas).

F – Producto principal.

G + H – Reciclo (líquido).

I – Almacenamiento para venta.

J – Combustible (J debe separarse de D y E para recuperar

los componentes F, G, H e I, de manera que J se trata aparte)

Diseño Conceptual

47






Diseño Conceptual

Proceso F

I

D + E

A + B

G + H

C

J

48



Determine el número de corrientes de proceso de HDA.



Componente Punto de Ebullición Clasificación

Hidrógeno -253 ºC

Metano -161 ºC

Benceno 80 ºC

Tolueno 111 ºC

Difenil 253 ºC

Diseño Conceptual

Reciclo y purga

Reciclo y purga

Producto principal

Reciclo

Combustible (Fuel)

49



Determine el número de corrientes de proceso de HDA.



Diseño Conceptual

Proceso

H2, CH4 Benceno

Fuel: Difenil

Purga: H2, CH4

Tolueno

Tolueno

50


2. Estructura de Entradas y Salidas.

Tablas de Corriente. Es común reportar los balances de masa en

términos de tablas de corrientes.

Las corrientes de proceso se numeran.

Se listan la Temperatura y Presión.

Si se tiene la Entalpía y Entropía se pueden listar.

Diseño Conceptual

51



Grados de libertad = EspQuim – Rxn – Fases + 2

Grados de libertad = 5 – 2 – 2 + 2 = 3

Se pueden fijar:

Velocidad de producción del Benceno = 265 mol/h

Variables de Diseño:

Flujo de H2 de purga (FE) y Conversión (x)

Diseño Conceptual

Proceso

H2, CH4 Benceno

Fuel: Difenil

Purga: H2, CH4

Tolueno

Tolueno

1

2

3

4

5

52



S = 1 – 0.0036/(1 – x)1.544

FH2 = FE + PB(1 + S)/2S

FM = (1 – yFH)[FE + PB (1+S)/2S] / yFH

FG = FH2 + FM

Diseño Conceptual

Componente 1 2 3 4 5

H2 FH2 0 0 0 FE

CH4 FM 0 0 0 FM+ PB/S

Benceno 0 0 PB 0 0

Tolueno 0 PB/S 0 0 0

Difenil 0 0 0 PB(1-S)/2S 0

Temperatura (ºF) 100 100 100 100 100

Presión (pisa) 550 15 15 15 465

Tabla en Excel

../Semestre%20Feb-Jun%202009/Tabla%20de%20Corrientes%20de%20HDA.xls

53



Potencial Económico en el nivel 2 (PE2) es el rendimiento anual que

se obtendría suponiendo que no se paga nada de costo de

capital y costo de auxiliares (energía, agua, personal, etc.)

PE2 = Valor del Producto Principal + Valor de Subproductos con

valor – costo de Materias Primas

Para el caso del HDA,

PE2 = Valor del Benceno + Valor como combustible del Difenil +

Valor como combustible de la purga – Costo del Tolueno –

Costo del Hidrógeno

Diseño Conceptual

54




Valor del Benceno $0.85/gal = $9.04/mol

Valor del Tolueno $0.50/gal = $6.40/mol

Valor del H2 alimentado $3.00/1000ft3 = $1.14/mol

Combustible $4.0/106 BTU

Valor como combustible:

H2 $0.123 * 106 BTU/mol

CH4 $0.383 * 106 BTU/mol

Benceno $1.41 * 106 BTU/mol

Tolueno $1.68 * 106 BTU/mol

Difenil $2.88 * 106 BTU/mol

Diseño Conceptual

55




Diseño Conceptual

1000

1100

1200

1300

1400

1500

1600

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

0.1

0.3

0.5

0.7

Conversión (x)

$/h

de o

pera

ció

n

Fracción de H2

56


RESUMEN: Nivel 2.Estructuras de Entrada y Salida.

Las preguntas que se tienen que responder para determinar la

estructura de entradas salidas del proceso deberían incluir:

¿Se debe purificar la(s) corriente(s) de entrada?

¿Se debe remover o reciclar un subproducto reversible?

¿Se debe usar una corriente de gas de reciclo o purga?

¿Se debe utilizar un exceso de alguno de los reactivos?

¿Cuáles son las variables de diseño y económicas en este

nivel de análisis?

Diseño Conceptual

57



Algunas Heurísticas y guías de diseño son:

Si en la alimentación hay impurezas y no es(son) inerte(s),

removerla(s).

Si la(s) impureza(s) está(n) en grandes cantidades, removerla(s).

Si una impureza esta presente en un corriente de alimentación

gaseosa, utilice la corriente sin pre-tratamiento.

Si una impureza forma un azeótropo con un reactivo, utilice la

corriente sin pre-tratamiento.

Si una impureza en la corriente de alimentación es un inerte, pero

es fácil de separar de los productos (producto principal,

subproductos) más que de los reactivos, utilice la corriente sin

pre-tratamiento.

Diseño Conceptual

58



Algunas Heurísticas y guías de diseño son:

Si hay un reactivo “ligero” y una impureza “ligera” en la alimentación

o subproducto (componente “ligero” Teb < Teb,propileno), use un

reciclo gaseoso y una corriente de purga para esta fase de

diseño. También considera un separador de membrana.

Si el O2 del aire o el agua es un reactivo, considere el uso en

exceso de éste reactivo.

Asegúrese de que todas las impurezas y subproductos salen del

proceso!!!

Las variables de diseño significativas son aquellas que afectan la

distribución de productos y la composición de la purga de las

corrientes gaseosas.

Diseño Conceptual

59


3. Estructura de los Reciclos.

En este nivel se determina el número de sistemas de reacción y sus

interacciones mediante la corrientes de reciclo.

Adicionalmente se estudian los efectos de las variables de diseño

en el equilibrio, la estructura de los reciclos y en particular si

será necesario usar compresores (generalmente el equipo

mas caro).

Diseño Conceptual

60


3. Estructura de los Reciclos. Criterios:

Número de Sistemas de Reactores.

Usar sistemas de reactores diferentes si las reacciones se

deben llevar a cabo a temperaturas o presiones diferentes o si

se requieren diferentes catalizadores.

1) La reacción se lleva a cabo @ 1150-1300 ºF, 500 psia



Diseño Conceptual

61



Número de Sistemas de Reactores.

2) En la reacción:

Acetona Cetena + CH4

Cetena CO + ½ C2H4

Cetena + Acido acético Anhídrido acético

Diseño Conceptual

700 ºC, 1 atm

80 ºC, 1 atm

Reactor 1 Reactor 2 Acetona

Ácido acético

Acetona reciclada AAc reciclado

62



Número de Reciclos.

a) Asociar a los componentes en los reciclos con el reactor

donde reaccionan.

b) Agrupar los componentes con Teb vecinos y mismo destino

(reactor).

c) Identificar a los reciclos gaseosos (porque requieren

compresor)

d) En general los reciclos líquidos requieren de bombas, las

cuales tienen costos menores comparados con compresores,

quemadores, columnas de destilación, etc. (tener cuidado

cuando se requieran altas potencias o volumen de bombeo).

Diseño Conceptual

63




Considere los componentes y sus destinos en orden de su punto de

ebullición normal:

A. Waste – Subproducto.

B. Waste – Subproducto.

C. Reactivo – Reciclo a R1.

D. Fuel – Subproducto.

E. Fuel – Subproducto.

F. Producto principal.

G. Reactivo – Reciclo a R2.

H. Reactivo – Reciclo a R2.

I. Reactivo – Reciclo a R1.

J. Subproducto con valor comercial

Diseño Conceptual

64




Diseño Conceptual

R1 R2 Separador

A + B

D + E

F

C

G + H

I J

65




Considere los componentes y sus destinos en orden de su punto de

ebullición normal:

Componente Teb (ºF) Destino?

CO -312.6

CH4 -258.6

C2H4 -154.8

Cetena -42.1

Acetona 133.2

Ácido acético 244.3

Anhídrido acético 281.9

Diseño Conceptual

Fuel – subroducto

Fuel – subroducto

Fuel – subroducto

Reactivo inestable –conversión total

Reactivo – reciclo a R1 – líquido

Reactivo – reciclo a R2 – líquido

Producto principal

66




Diseño Conceptual

R1 R2 Separador

CO+CH4+C2H4

Anhídrido

Acético

Ácido acético

Acetona

Ácido acético reciclado

Acetona reciclada

67



Uso en exceso de uno de los reactivos.

Usar un exceso de reactivo si:

* Favorece la conversión de otro componente.

* Favorece la distribución de productos (en reacciones

competitivas).

* Favorece la dirección del equilibrio (en una reacción

reversible).

Usualmente el reactivo limitante es el reactivo más caro o el

más pesado.

Hay un valor óptimo de diseño para la cantidad de exceso (i.e.

es una variable de diseño).

Diseño Conceptual

68



Operación térmica del reactor.

Esta decisión determina si es necesario añadir un

componente adicional al proceso (a pesar de su efecto en el

sistema de separación)

Opciones:

* Operar adiabáticamente.

* Operar con calentamiento/enfriamiento directo.

* Uso de un diluyente o transporte de calor.

Diseño Conceptual

69




a) Estimar la carga térmica del reactor y el cambio adiabático

de temperatura para calcular TR,out:

Carga Térmica = (Calor de Reacción)(Velocidad de alimentación)

QR = HR(Rextent) = F Cp (TR,in – TR,out)

b) Si TR,out no es aceptable, probar con calentamiento

/enfriamiento directo. Notar que el área máxima de

transferencia de calor en un cambiador de calor es de 750

m2 (y que A = QR/ (U T)

Diseño Conceptual

70




c) Es posible moderar TR,out reciclando un producto o

subproducto, o añadiendo otro componente (en el caso del

proceso de HDA el reciclo de H2 actúa como un transporte de

calor)

Reacciones Endotérmicas.

Usar un reactor isotérmico con calentamiento directo si la

carga térmica (QH) es menor que 1750-2500 kW o con un

diluyente o transporte de calor si QH es mayor.

Diseño Conceptual

71



Reacciones Exotérmicas.

Usar un reactor adiabático si (Tout –Tin)/Tin es menor del 10-

15%.

En caso contrario usar un reactor isotérmico con

calentamiento directo si la carga térmica (Qc) es menor que

1750-2500 kW o con un diluyente o transporte de calor si Qc

es mayor.

Diseño Conceptual

72



Conversión en el equilibrio.

* Si uno de los productos se puede separar durante la

reacción, una reacción limitada por el equilibrio puede llegar a

conversiones totales.

* Uso de Diluyentes. Por ejemplo en el sistema (@ 600 ºC y

1.4 atm)

Etilbenceno Estireno + Hidrógeno

Etilbenceno Benceno + Etileno

Etilbenceno + Hidrógeno Tolueno + Metano

Se usa vapor o metano como diluyente para disminuir la

concentración de Estireno y H2.

Hay un valor óptimo de T, P, feed ratio (variables de diseño)

Diseño Conceptual

73



Uso de un compresor para un reciclo.

El uso de un compresor es necesario si los componentes a

reciclar tienen un Teb < (Teb)propileno.

Guías para el diseño de reactores:

Levenspiel, O.. Chemical Reaction Engineering. 2da. Ed., Wiley,

New York, 1972, Cap. 7 y 8.

Diseño Conceptual

75

Diseño Conceptual

76



Evaluación económica.

Diseño Conceptual

77


RESUMEN: Nivel 3. Estructura de los Reciclos.

Algunas preguntas a contestar son:

¿Cuantos sistemas de reacción (reactores) se requieren?

¿Deberían separarse algunos componentes entre los sistemas de

reacción?

¿Cuántas corrientes de reciclo se requieren?

¿Se debería utilizar exceso de un reactivo a la entrada del reactor?

¿Se requiere un compresor para un reciclo gaseoso?. ¿Qué afecto

tiene en el costo?

¿Debería operarse el reactor de forma adiabática, con

calentamiento/enfriamiento directo o con u diluyente?

¿Se logra el equilibrio de la reacción?, ¿Cómo?

¿Cómo afecta el costo del reactor al potencial económico?

Diseño Conceptual

78



Algunas Heurísticas son:

Si las reacciones se llevan a cabo a diferentes temperaturas,

presiones y/o requieren diferente catalizador, entonces utilizar

sistemas de reacción independientes para cada condición de

operación.

Los componentes a reciclar al mismo reactor con puntos de

ebullición próximos deberían ser reciclados en la misma

corriente de proceso.

Un compresor para una corriente gaseosa es requerido si el punto

de ebullición del componente es menor que la del propileno.

Si un reactivo en exceso es necesario, debe haber una cantidad

OPTIMA de exceso.

Diseño Conceptual

79




Si la temperatura, presión y/o flujo molar de un reactor son

cambiadas para lograr el equilibrio, debe haber un valor

OPTIMO para éstas variables.

Para procesos endotérmicos con una carga térmica menor a 6-8 x

106 BTU/h,, se podría utilizar un reactor isotérmico con

calentamiento directo. Para cargas de calor mayores, se

podría utilizar la adición de un diluyente o un portador de

calor.

Para reacciones exotérmicas podríamos utilizar un reactor

adiabático si la temperatura adiabática que se alcanza es

menor del 10-15% de la temperatura de la entrada.

Diseño Conceptual

80




Si la temperatura adiabática alcanzada excede el 10-15%, se

debería utilizar enfriamiento directo si la carga térmica es

menor de 6-8 x 106 BTU/h. En caso de que no, se podría

introducir un diluyente o un portador de calor.

Para reacciones únicas se pueden tener conversiones de 0.96 a

0.98 de la conversión de equilibrio.

Los reactivos “caros” (o los pesados) son comúnmente los reactivos

limitantes.

Si la constante de equilibrio de una subproducto reversible es

pequeña, recicle el subproducto reversible.

Diseño Conceptual

81




El flujo de reciclo del reactivo limitante esta dado por

F = FR(1 – x) / x

Donde FR es la cantidad de reactivo limitante necesario para la

reacción y x es la conversión.

El flujo de reciclo de otros componentes puede ser determinado por

especificación de los flujo(s) molares de entrada al reactor.

Diseño Conceptual

82


4. Sistemas de Separación.

En este nivel se determina primero la estructura general del sistema

de separación para posteriormente detallar:

El Sistema de Separación de Vapor (SRV) y/o

El Sistema de Separación de Líquido (SSL)

en caso de que sean aplicables.

Diseño Conceptual

R S

Líquido

Vapor

Prod. Principal

Subproducto

Purga

83



Existen 3 posibilidades dependiendo de la fase del efluente del

reactor (asumiendo procesos VL):

4. EGS-1. Si el efluente es L, sólo es necesario un SSL (destilación,

extracción, etc.)

Diseño Conceptual

R SSL

Reciclo Líquido

L Prod. Principal

Subproducto

84



4. EGS-2. Si el efluente es LV, enviamos la fracción líquida al SSL y

condensamos la fracción en un flash a 35 ºC.

Diseño Conceptual

R

SSL

Reciclo Líquido

L Prod. Principal

Subproducto

flash SRV V

35 ºC

L L

Reciclo Vapor

Purga

85



4. EGS-3. Si el efluente es V, enfriamos la corriente a 35 ºC (agua

de enfriamiento) para condensarla total o parcialmente. En

caso de no condensarla, tratar de usar presiones mas

elevadas y/o refrigeración.

Diseño Conceptual

R

SSL

Reciclo Líquido

Prod. Principal

Subproducto

SRV

flash

V

35 ºC

L

Reciclo Vapor

Purga

L

V

86



Cálculos aproximados para el Flash.

Diseño Conceptual

Fla

sh

V

L

F

11

11

F

VK

zx

KF

V

F

V

zy

xKy

xLV yz F

L V F

i

ii

i

ii

iii

iii

87




Si Ki >> 1 entonces V yi F zi

Si Ki << 1 entonces L xi F zi

Como primer estimado se puede escribir:

V = fi para todos los componentes donde Ki > 10

L = fi para todos los componentes donde Ki < 0.1

Diseño Conceptual

Fla

sh

V

L

F

88




Diseño Conceptual

Fla

sh

V

L

F

89



Sistemas de Recuperación de Vapor. ¿Dónde localizarlo?.

Diseño Conceptual

Fla

sh

a

c

b

90



Sistemas de Recuperación de Vapor. ¿Dónde localizarlo?

a) En la corriente de Purga (la corriente más pequeña).

Para prevenir la pérdida de componentes valiosos.

b) En la corriente del reciclo gaseoso (la segunda más pequeña).

Para evitar el reciclo de componentes indeseables para el

reactor o la reacción.

c) En la corriente de vapor del flash.

Si (a) y (b) son válidos.

d) No usar SRV si (a) y (b) no son importantes.

Diseño Conceptual

91



Sistemas de Recuperación de Vapor. ¿Qué tipo de SRV?

a) Condensación.

b) Absorción.

c) Adsorción.

d) Membranas.

e) Sistemas de reacción (e.g. Recuperación de H2S con aminas).

Diseño Conceptual

92



Relación entre los SRV y los SSL.

El SRV genera una corriente líquida a ser procesada por el

SSL.

Si la cantidad de V a la salida del flash es pequeña y si el

primer paso del SSL es destilación, se puede eliminar el flash

y el SRV y alimentar el efluente del reactor directamente a la

columna de destilación.

Diseño Conceptual

93



Relación entre los SRV y los SSL.

En el caso del uso de un absorbedor, el solvente se reciclará

del SSL al SRV.

Diseño Conceptual

SSL

Reciclo Líquido

Prod. Principal

Subproducto

SRV

flash

35 ºC

L

Reciclo Vapor

Purga

L

V

V

94



Sistemas de Separación de Líquidos:

Separación de componentes ligeros que contaminan el producto.

En orden creciente de costo:

a) Usar un flash modificado T o P.

b) Usar un condensador parcial en la columna del producto.

c) Usar una sección de pasteurización en la columna del

producto.

d) Usar una columna de estabilización antes de la columna

de producto (una columna con condensador parcial y sin

rehervidor).

Diseño Conceptual

95




Destino de los componentes ligeros.

a) Eliminar a la atmósfera o a un quemador (si tienen escaso

valor y dependiendo de si contaminan).

b) Utilizar como combustible (si son combustibles).

c) Reciclar al SRV o al flash (si tienen suficiente valor).

d) Usar una columna de estabilización antes de la columna

de producto (una columna con condensador parcial y sin

rehervidor).

Diseño Conceptual

96




Reciclar los componentes que forman azeótropos con los reactivos

o “romperlos”.

No existen heurísticas para hacer esta decisión, por lo que se

deben evaluar ambas alternativas.

Uso de Destilación.

En general la destilación es la forma más barata de separación

salvo en el caso de componentes i,j con i,j < 1.1

Diseño Conceptual

97




Secuencias de columnas de destilación simples.

Existen varias técnicas:

Enumeración total (con estimación de costos).

Heurísticas.

Branch & Bound (con estimación de costos).

Evolucionarios.

Diseño Conceptual

98




Secuencias de columnas de destilación simples - Heurísticas.

Sistema Heurístico 1:

H1.1. Eliminar componentes corrosivos primero.

H1.2. Eliminar componentes reactivos o monómeros primero.

H1.3. Separar el producto como destilado.

H1.4. Separar los reciclos como destilado, en particular si van a un

reactor.

Diseño Conceptual

99




Secuencias de columnas de destilación simples - Heurísticas.

Sistema Heurístico 2:

H2.1. Separar primero el componente más abundante.

H2.2. Separar primero el componente más ligero.

H2.3. Separación con mayor recuperación al final.

H2.4. Separación más difícil al final.

H2.5. Favorecer separaciones equimolares.

H2.6. La siguiente separación debe ser la más barata.

Diseño Conceptual

100




Secuencia de columnas de destilación simples – Interacción entre

el sistema de separación y el de reacción.

La mejor secuencia de separación depende de su corriente de

alimentación (flujo y composición) que a su vez es función del

diseño del sistema de reacción (e.g conversión).

Por esta razón es conveniente tomar también en cuenta la siguiente

heurística:

Seleccionar la secuencia que minimiza el número de columnas en un

reciclo.

Diseño Conceptual

101




Secuencia de columnas de destilación complejas.

Generalmente es posible sustituir dos columnas vecinas por una

columna compleja.

Diseño Conceptual

102

Diseño Conceptual

103

Diseño Conceptual

106




Otros tipos de separación. Todos los métodos siguientes requieren

de al menos una columna adicional para separar el

componente añadido.

Extracción: Uso de un solvente con la afinidad diferente para el

producto y la impureza, e.g. purificación de un residuo de

agua y fenol mediante acetato de etilo.

Diseño Conceptual

107

Diseño Conceptual

108



Sistemas de Separación de Líquidos: Otros tipos de separación.

Destilación extractiva: Un solvente extractivo pesado modifica el

equilibrio entre componentes, e.g. separación de propano y

propileno ( =1.06) mediante acrilonitrilo.

Diseño Conceptual

109

Diseño Conceptual

110




Destilación Azeotrópica: Adición de un componente ligero que

forma un nuevo azeótropo con uno de los componentes

originales, e.g. adición de benceno a una mezcla de etanol y

agua.

Diseño Conceptual

111

Diseño Conceptual

112




Destilación reactiva: Edición de un reactivo que reacciona con uno

de los componentes originales, e.g. Separación de m-xyleno y

p-xyleno ( =1.03) mediante la adición de cumeno ( =30).

Diseño Conceptual

113

Diseño Conceptual

114




Cristalización: Eso de la diferencia en puntos de solidificación, e.g.

separación de isómeros.

Diseño Conceptual

115

Diseño Conceptual

Metodología Jerárquica de

Douglas.

R E S U M E N

116

Diseño Conceptual




2. Estructura de entradas/salidas.

3. Estructura de Reciclo(s).


5. Integración de Energía.

117

Diseño Conceptual



1. Las reacciones y las condiciones de reacción. Se debe

tener una correlación para la distribución de productos,

una relación entre la conversión y selectividad, información

del tipo catalizador, así como de su velocidad de

desactivación y regeneración.

2. La velocidad de producción del producto deseado, pureza

y valor del producto.

3. La disponibilidad de la materia prima y sus costos.

4. Las restricciones del proceso.

5. Datos del sitio y de otras plantas.

6. Propiedades físico-químicas de las especies químicas

involucradas.

7. Datos de costos.

118

Diseño Conceptual



Los factores a favor de una operación tipo Batch son:

Velocidad de Producción.

Algunas veces Batch si la producción es menor que 5,000


Generalmente Batch si la producción es menor de 500


Mercado.

Producción estacional.

Tiempos de vida del producto cortos.

Problemas de escalamiento.

Tiempos de reacción muy altos.

Manejo de materiales con flujos bajos.

Materiales que ensucian rápidamente.

119

Diseño Conceptual



Las preguntas que se tienen que responder para determinar la

estructura de entradas salidas del proceso deberían incluir:

¿Se debe purificar la(s) corriente(s) de entrada?

¿Se debe remover o reciclar un subproducto reversible?

¿Se debe usar una corriente de gas de reciclo o purga?

¿Se debe utilizar un exceso de alguno de los reactivos?

¿Cuáles son las variables de diseño y económicas en este

nivel de análisis?

120

Diseño Conceptual



121

Diseño Conceptual



122

Diseño Conceptual



Algunas preguntas a contestar son:

¿Cuantos sistemas de reacción (reactores) se requieren?

¿Deberían separarse algunos componentes entre los sistemas de

reacción?

¿Cuántas corrientes de reciclo se requieren?

¿Se debería utilizar exceso de un reactivo a la entrada del reactor?

¿Se requiere un compresor para un reciclo gaseoso?. ¿Qué afecto

tiene en el costo?

¿Debería operarse el reactor de forma adiabática, con

calentamiento/enfriamiento directo o con u diluyente?

¿Se logra el equilibrio de la reacción?, ¿Cómo?

¿Cómo afecta el costo del reactor al potencial económico?

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Diseño Conceptual



124

Diseño Conceptual



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Diseño Conceptual



En este nivel se determina primero la estructura general del sistema

de separación para posteriormente detallar:

El Sistema de Separación de Vapor (SRV) y/o

El Sistema de Separación de Líquido (SSL)

Existen 3 posibilidades dependiendo de la fase del efluente del

reactor (asumiendo procesos VL):

EGS-1. Si el efluente es L, sólo es necesario un SSL (destilación,

extracción, etc.).

EGS-2. Si el efluente es LV, enviamos la fracción líquida al SSL y

condensamos la fracción en un flash a 35 ºC.

EGS-3. Si el efluente es V, enfriamos la corriente a 35 ºC para

condensarla total o parcialmente.

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Diseño Conceptual



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Diseño Conceptual



Sesion Teoria 02 - Diseño Conceptual - Diseño de plantas

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