1. Texas A&M University 2 MÓDULO 8 – Nível III Introducción a la Integración de Procesos.

Texas A&M University 2 MÓDULO 8 – Nível III Introducción a la Integración de Procesos

Texas A&M University 3 1.Introducción 4. Problema Propuesto-Resuelto (Open-Ended) 2.Fundamentos 3.Caso de Estudio 5. Logros Estrcutura 6. Referencias

Texas A&M University 4 TIER I

Texas A&M University 5 1. Introducción

Texas A&M University 6 Fuente : Pollution Prevention through Process Integration, M. M. El-Halwagi “Haz tu mejor esfuerzo; luego trata el resto” 1. Introducción

Texas A&M University 7 La contaminación es un problema de preocupación general que ha sido atacado de diferentes maneras, desde el control de no- contaminación, tratamiento al final de la tubería (1970’s), implementación del Reuso/Reciclo (1980’s) hasta la Integración de procesos Pollution. Este módulo se enfoca a la exposición de las herramientas de I.P. para la reducciín/eliminación de la contaminación 1. Introducción

Texas A&M University 8 ¿Qué es Integración de Procesos? “Es un enfoque holístico del diseño de procesos, modernización (retrofitting) y operación que hace énfasis en la unidad del proceso” Source : Pollution Prevention through Process Integration, M. M. El-Halwagi 1. Introducción

Texas A&M University 9 El uso de los métodos de I.P. comenzaron a principios de lo 70’s con la Tecnología Pinch (Integración de Calor) para optimizar las redes de intercambio de calor (HEN). La fuerza impulsora para la integración de masa fue inicialmente el control de contaminación; El-Halwagi y Manousiouthakis (1989) propusieron el uso de las redes de intercambio de masa (MEN) en analogía a las HEN estudiadas anteriormente. Las herramientas de I.P. pueden ser usadas en una gran variedad de industrias y con enfoques tan ampios como aquellos que involucran la distribución del producto, evaluación del ciclo de vida, etc. (actualmente existen investigaciones en éstas y otras áreas) 1. Introducción

Texas A&M University 10 2. Fundamentos

Texas A&M University 11 2.1.Enfoque holístico de la integración de procesos 2.2.Relación de la integración de procesos con el análisis de proceso 2.3.Generalidades de la integración de energía, masa y propiedades 2. Fundamentos

Texas A&M University 12 Holístico: Enfatizando la importancia del “todo” y la interdependencia de sus partes. Enfocándose a los “enteros” en lugar de analizar las partes Fuente : http://dictionary.reference.com Heurístico: De o constituido por un método educacional en el cual el aprendizaje se lleva a cabo por descubrimientos que resultan por investigaciones hechas por el estudiante 2. Fundamentos 2.1 Enfoque holístico de la Integración de Procesos

Texas A&M University 13 Uso eficiente de recursos y materias primas Uso eficiente de Energía Reucción de contaminación Eliminación de los cuellos de botella de proceso Reducción de Costos Otro problemas de operación de procesos La Integración de Procesos puede abarcar un amplio grupo de problemas de diseño como : 2. Fundamentos 2.1 Enfoque Holístico de la Integración de Procesos

Texas A&M University 14 El diseño Tradicional de procesos ha sido abarcado por los métodos heurísticos, basado en la experiencia o las preferencias corporativas, en que el equipo de operaciones unitarias es diseñado individualmente. Sin embargo se ha prestado poca atención a las relaciones con otras partes del proceso La Integración de Procesos como un enfoque holístico, examina la Gran Pintura y las relaciones entre las diferentes operaciones y equipos alternativos 2. Fundamentos 2.1 Enfoque Holístico de la Integración de Procesos

Texas A&M University 15 Para ilustrar como la Integración de Procesos (IP) puede ayudar en el diseño de procesos, un ejemplo ilustrativo es dado. Tenemos 3 opciones de reactor químico para producir un producto químico, las opciones de las que eligiremos son: Fuente : www.aiche.org/cep/ July 2001 2. Fundamentos 2.1 Enfoque Holístico de la Integración de Procesos

Texas A&M University 16 Usando un enfoque holístico, la “mejor” opción será un recipiente agitado mecánicamente que produce una eficiencia de 73.9% con un volumen de 12 m 3 ; sin embargo ¿hay alguna otra manera de mejorar el proceso? 2. Fundamentos 2.1 Enfoque Holístico de la Integración de Procesos

Texas A&M University 17 Fuente : www.aiche.org/cep/ July 2001 Dos diseños basados en la misma solución 2. Fundamentos 2.1 Enfoque Holístico de la Integración de Procesos

Texas A&M University 18 Al usar herramientas de IP la siguiente solución fue encontrada, 96.9% de eficiencia y 9.93m 3 de volumen. Dos diseños basados en esta solución son mostrados a continuación; los beneficiones de usar las herramientas de IP son evidentes. Sin embargo, un análisis profundo del resultado del problema debe ser llevado a cabo para encontrar un diseño factible basado en los descubrimientos obtenidos usando un enfoque de IP Fuente : www.aiche.org/cep/ July 2001 2. Fundamentos 2.1 Enfoque Holístico de la Integración de Procesos

Texas A&M University 19 Con la finalidad de encontrar soluciones que incluyan la relación de los efectos entre las diferentes opciones para una determinada tarea de diseño, el ingeniero debe usar la I.P. para encontrar las respuestas óptimas, por lo tanto las herramientas de I.P. deben ser incluídas en la estructura de diseño del proceso. Seider, Seader y Lewin ilustraron esto como se muestra en las siguientes diapositivas, para una descripción completa de los pasos de diseño, referido a los autores mencionados anteriormente El diseño de procesos es dinámico, estando siempre seguros de que las soluciones concordarán con las restricciones de los accionistas (administración, agencias gubernamentales, grupos ambientalistas, público en general) y del proceso mismo 2. Fundamentos 2.2. Relación de la Integración de Procesos con el Análisis del Proceso

Texas A&M University 20 Análisis del Proceso “Análisis de los elementos individuales para estudio del desempeño individual, usando modelos matemáticos y simuladores por computadora” Source : Pollution Prevention through Process Integration, M. M. El-Halwagi 2. Fundamentos 2.2. Relación de la Integración de Procesos con el Análisis del Proceso

Texas A&M University 21 Situación/Oportunidad Actual (e.g. desarrollo de una nueva tecnología, etc) Evaluación del Problema (Definir los objetivos del diseño basados en la identificación de oportunidades) Búsqueda Litetraria (Identificar todas las fuentes de información útil para el diseño del proceso, e.g. Manuales etc) Elaboración Prelimianr de la Base de datos (Datos termodinámico, Cinética, toxicidad, etc) Síntesis Preliminar de Procesos, reacciones, separaciones, cambios de operación T-P, integración de tareas Fuente : Product and Process Design Principles : Synthesis, Analysis, and Evaluation W D. Seider J. D. Seader, D.R. LewinW D. SeiderJ. D. SeaderD.R. Lewin Selección de Equipos (Evaluar diferentes opciones para el proceso dado usando simuladores de proceso, hojas de cálculo, softwares, etc) Parte I 2. Fundamentos 2.2. Relación de la Integración de Procesos con el Análisis del Proceso

Texas A&M University 22 ¿La ganancia es favorable? Sí No Fuente : Product and Process Design Principles : Synthesis, Analysis, and Evaluation W D. Seider J. D. Seader, D.R. LewinW D. SeiderJ. D. SeaderD.R. Lewin Selección de Equipos (Evaluar diferentes opciones para un proceso dado usando simuladores de proceso, hojas de cálculo, softwares, etc) Rechazo Parte I aParte IIParte IV 2. Fundamentos 2.2. Relación de la Integración de Procesos con el Análisis del Proceso

Texas A&M University 23 Fuente : Product and Process Design Principles : Synthesis, Analysis, and Evaluation W D. Seider J. D. Seader, D.R. LewinW D. SeiderJ. D. SeaderD.R. Lewin Generación del Diagrama de Flujo Integración de Procesos Prueba en Planta Piloto. Modificar Diagrama de Flujo Crear una Base de Datos Detallada Preparación de la Simulación del Modelo Integración de Calor y Energía Análisis de la Segunda Ley Tren de Síntesis de Separación Simulación Dinámica Análisis de Control del Diagrama de Flujo Síntesis Cualitativa Parte I a Parte II Parte VI ¿Todavía es prometedor el proceso? Parte III Ir a I o I a NoSí 2. Fundamentos

Texas A&M University 24 Diseño de Detalle, Escalamiento de Equipos, Estimación de Costos, Análisis de Ganancia, Optimización Parte IV ¿Es el proceso costeable? ¿Es prometedor el proceso? Evaluación de Arranque (Equipo Adicional, Simulación Dinámica) Parte I or I a Sí No Rechazo Parte III Confiabilidad y Análisis de Seguridad (HAZOP, Prueba de la Planta Piloto, etc) No Sí Reporte Escrito, Presentación Parte IV Diseño Final (P&ID, Bids etc) Construcción Arranque Operación Fuente : Product and Process Design Principles : Synthesis, Analysis, and Evaluation W D. Seider J. D. Seader, D.R. LewinW D. SeiderJ. D. SeaderD.R. Lewin 2. Fundamentos 2.2. Relación de la Integración de Procesos con el Análisis del Proceso

Texas A&M University 25 Diseñar una planta nueva, modernizar (retrofitting) una existente, requiere de varias operaciones y para cada operación se pueden elegir diferentes equipos y configuraciones. El problema principal es que el número de alternativas puede ser in-manejable. Si sólo se usan las heurísticas para el diseño, el ingeniero se arriesga a perder la solución óptima real del problema de diseño. Además, una solución de diseño para un cierto problema no se puede usar para otro diferente, ya que las restricciones son específicas de cada problema. Usando el enfoque de I.P, es posible evitar esta situación, ya que su metodología puede ser aplicada a cualquier problema. La metodología de IP está compuesta por tres componentes 2. Fundamentos 2.2. Relación de la Integración de Procesos con el Análisis del Proceso

Texas A&M University 26 Integración de Procesos Síntesis de Proceso Análisis del Proceso Optimización del Proceso Define las unidades de proceso y cómo deben ser interconetadas Análisis de los elementos del proceso para el estudio del desempeño individual Minimizar o maximizar una función deseada, para encontrar la mejor opción 2. Fundamentos 2.2. Relación de la Integración de Procesos con el Análisis del Proceso

Texas A&M University 27 Como se ha visto, el análisis del proceso es un paso dentro de la metodología de I.P. Es importante enfatizar que I.P. se enfocará a las generalidades en lugar de los detalles, y consecuentemente el diseñador puede analizar el desempeño de las soluciones para optimizar sus resultados. La siguiente gráfica ilustra el impacto de los pasos del proceso de diseño sobre el presupuesto. Desarrollo Diseño Diseño de Distribución Mecánica Construcción Arranuqe de Proceso Conceptual Detalle de la Planta de Detalle & Com. Impacto Asignación Gastado $ Elección preliminar de equipos Equipo requerido durante el diseño 2. Fundamentos 2.2. Relación de la Integración de Procesos con el Análisis del Proceso

Texas A&M University 28 Integración de Masa “Metodología sistemática que proporciona un entendimiento fundamental del flujo global de masa dentro del proceso y emplea este conocimiento holístico para identificar los objetivos (targets) de desempeño y optimizando la generación y seguimiento (routing) de especies a través del proceso” Fuente : Pollution Prevention through Process Integration, M. M. El-Halwagi 2. Fundamentos 2.3. Generalidades de la Integración de Masa, Energía y Propiedades

Texas A&M University 29 Intercambiador de Masa: Un intercambiador de masa es cualquier unidad de contacto directo de trasnferencia de masa que emplea un ASM (Agente de Separación de Masa), para remover selectivamente ciertos componentes (e.g. Contaminantes) de una fase rica (e.g. corriente de desecho). El ASM debe ser parcial o totalmente inmiscible en la fase rica Intercambiador de Masa Composición de Salida y i out Corriente Rica (Desecho), Flujo: G i Composición de Entrada y i in Corriente Pobre (ASM) Flujo: L j Composición de Entrada x j in Composición de Salida x j out Fuente : Pollution Prevention through Process Integration, M. M. El-Halwagi 2. Fundamentos 2.3. Generalidades de la Integración de Masa, Energía y Propiedades 2.3.1 Intercambiadores de Masa

Texas A&M University 30 Cuando dos fases están en contacto íntimo los solutos se distribuyen entre dos fases lo que ocaciona el agotamiento del soluto en la fase rica y el enriquecimiento de la fase pobre hasta que se alcanza el equilibrio. La diferencia en el potencial químico para el soluto es la fuerza impulsora para la transferencia de masa (diferencia de temperatura para la transferencia de calor, presión para el movimiento de un fluído, etc.) Soluto transferido a la fase pobre Fase Rica Fase Pobre 2. Fundamentos 2.3. Generalidades de la Integración de Masa, Energía y Propiedades 2.3.1 Intercambiadores de Masa

Texas A&M University 31 El Intercambio de Masa involucra las siguientes operaciones: Sólo se considerarán operaciones a contra corriente debido a su alta eficiencia Adsorción Absorción Extracción Intercambio Iónico Lixiviación Stripping 2. Fundamentos 2.3. Generalidades de la Integración de Masa, Energía y Propiedades 2.3.1. Intercambiadores de Masa

Texas A&M University 32 Adsorción: Separación del soluto de una corriente líquida o gaseosa por contacto entre la fase transportadora y pequeñas partículas sólidas porosas (adsorvente), esualmente acomodadas en un lecho empacado. El adsorbente puede ser regenerado por desorción usando un gas inerte, una corriente, etc. Fuente : Université d’Ottawa / University of Ottawa - Jules Thibault 2. Fundamentos 2.3. Generalidades de la Integración de Masa, Energía y Propiedades 2.3.1. Intercambiadores de Masa Carbón Activado Carbón Activado Carbón Activado

Texas A&M University 33 Para seleccionar una columna de adsorción el diseñador debe elegir un adrsorvente conveniente para un soluto dado mediante la información apropiada de los isoteermas como se muestra en la gráfica para un conjunto de operaciones de proceso Fuente : Université d’Ottawa / University of Ottawa - Jules Thibault 2. Fundamentos 2.3. Generalidades de la Integración de Masa, Energía y Propiedades 2.3.1. Intercambiadores de Masa

Texas A&M University 34 Absorción: Se pone en contacto un solvente líquido con un gas que contiene el soluto a ser removido, tomando ventaja de la solubilidad preferencial del líquido. La absorción en reversa es llamada como stripping (separación de un soluto de un fase líquida usando una corriente gaseosa) Fuente : Université d’Ottawa / University of Ottawa - Jules Thibault 2. Fundamentos 2.3. Generalidades de la Integración de Masa, Energía y Propiedades 2.3.1. Intercambiadores de Masa

Texas A&M University 35 Extracción Líquida: Emplea un solvente líquido para remover un soluto de otro líquido usando la solubilidad preferencial al soluto en el ASM Fuente : Université d’Ottawa / University of Ottawa - Jules Thibault 2. Fundamentos 2.3. Generalidades de la Integración de Masa, Energía y Propiedades 2.3.1. Intercambiadores de Masa Región de una fase Punto de inflexión Línea de equilibrio Región de dos fases

Texas A&M University 36 Lixiviación: Separación selectiva de algunos constituyentes dentro de un sólido mediante el contacto de un solvente líquido Solvente Sólido Mezclado Suspensión acuosa (lechada) Solución de Sobreflujo 2. Fundamentos 2.3. Generalidades de la Integración de Masa, Energía y Propiedades 2.3.1. Intecambiadores de Masa Source : University of Ottawa - Jules Thibault

Texas A&M University 37 Intercambio Iónico: Se usan resinas catiónicas/aniónicas para reemplazar los aniones indeseables de una fase líquida por iónes no peligrosos Ablandadores de agua Causante de impurezas de sarro 2. Fundamentos 2.3. Generalidades de la Integración de Masa, Energía y Propiedades 2.3.1. Intercambiadores de Masa Fuente : Université d’Ottawa / University of Ottawa - Jules Thibault

Texas A&M University 38 Se usa el intercambiador de masa para generar un contacto apropiado de la fase pobre con la rica; existen dos categorías princiapales de unidades de intercambio de masa: - Multietapas (e.g. columnas de bandejas, mezcladores, etc.), que proveen contacto íntimo seguido por la separación de fases - Diferencial (e.g. columnas empacadas, torres de rocío (spary) y unidades agitadas mecánicamente), con contacto contínuo entre las fases sin separación intermedia ni re-contacto 2. Fundamentos 2.3. Generalidades de la Integración de Masa, Energía y Propiedades 2.3.1. Intercambiadores de Masa

Texas A&M University 39 Salida de Fase Pesada Entrada de Fase pesada Entrada de Fase liviana Salida de Fase liviana Bandeja Perforada Concha Entrada de Desecho Salida de Desechos Salida de ASM Entrada de ASM Mezcladores / Asentadores Múltiples Contacto a Multietapas Columna de Bandejas 2. Fundamentos

Texas A&M University 40 Entrada de Fase pesada Entrada de Fase ligera Salida de Fase pesada Salida de Fase ligera Columna de Rocío Entrada de Fase pesada Entrada de Fase ligera Salida de Fase ligera Mezclador Mecánicamente Agitado Mezclador Salida de Fase pesada Contacto Diferencial / Continuos 2. Fundamentos

Texas A&M University 41 Equilibrio: Cuando una fase rica en un soluto se pone en contacto con una fase pobre se produce la transferencia del soluto a la fase pobre, también parte del soluto en la fase pobre se transfiere a la fase rica. Al principio la razón de soluto siendo transferido de la fase rica es meyor que la razón de transferencia de soluto de la fase pobre a la rica. Sin embargo, cuando la concentración de soluto en la fase pobre aumenta, la tranferencia hacia la fase rica tambien aumenta. Eventualmente la razón de transferencia de masa en ambas fases se hacen iguales y se alcanza el equilibrio Soluto en la fase rica Función de distribución de equilibrio Máxima composición alcanzable en la fase pobre Fuente : Pollution Prevention through Process Integration, M. M. El-Halwagi (1) 2. Fundamentos 2.3. Generalidades de la Integración de Masa, Energía y Propiedades 2.3.1. Intercambiadores de Masa

Texas A&M University 42 En aplicaciones ambientales el ingeniero encontrará, muy seguido, sistemas diluidos que pueden ser linealizados sobre un rango de operación: Casos especiales, Ley de Raoult para absorción Fuente : Pollution Prevention through Process Integration, M. M. El-Halwagi Presión parcial a T Fracción mol del soluto en gas Fracción mol del soluto en líquido (2) (3) 2. Foundation Elements 2.3. Generalidades de la Integración de Masa, Energía y Propiedades 2.3.1. Intercambiadores de Masa

Texas A&M University 43 Ley de Henry para stripping Fuente : Pollution Prevention through Process Integration, M. M. El-Halwagi Fracción mol del soluto en gas Fracción mol del soluto en stripping gas Solubilidad de la fase líquida de contaminante a temperatura T (4) (5) 2. Fundamentos 2.3. Generalidades de la Integración de Masa, Energía y Propiedades 2.3.1. Intercambiadores de Masa

Texas A&M University 44 Para extracción del solvente Composición del contaminante en desecho líquido Composición del colvente Coeficiente de Distribución Fuente : Pollution Prevention through Process Integration, M. M. El-Halwagi (6) 2. Fundamentos 2.3. Generalidades de la Integración de Masa, Energía y Propiedades 2.3.1. Intercambiadores de Masa

Texas A&M University 45 Las siguientes relaciones son usadas para dimensionar los intercambiadores de tranferencia de masa multietapas: 12NN-1 X J,0 = X j in L j X J,2 X J,N-2 X J,N-1 X J,N = X J out X J,1 y i,1 = y i out y i,N-1 y i,3 y i,2 y i,N y i,N+1 = y i in G i Balance Global de Masa: (7) Fuente : Pollution Prevention through Process Integration, M. M. El-Halwagi 2. Fundamentos

Texas A&M University 46 Rearreglando (7): (9) La eq. (8) representa la línea de operación en el diagrama McCabe- Thiele: L J / G i y i in y i out x J in x J out Etapas Teóricas 1 2 Línea de Equilibrio Línea de Operación (8) 2. Fundamentos 2.3. Generalidades de la Integración de Masa, Energía y Propiedades 2.3.1. Intercambiadores de Masa

Texas A&M University 47 Tel número de etapas para una unidad multietapa puede ser calculado con las siguientes ecuaciones, siendo NTP el número de platos teóricos (10) (11) (12) Fuente : Pollution Prevention through Process Integration, M. M. El-Halwagi 2. Fundamentos 2.3. Generalidades de la Integración de Masa, Energía y Propiedades 2.3.1. Intercambiadores de Masa

Texas A&M University 48 (13) (14) Fuente : Pollution Prevention through Process Integration, M. M. El-Halwagi 2. Fundamentos Cuando el tiempo de contacto para cada estapa no es sificiente para alcanzar el equilibrio, el número de platos actuales (NAP) puede calcularse usando la eficiencia de contacto La eficiencia de etapa puede definirse en la fase rica o pobre, para la fase rica tenemos:

Texas A&M University 49 (15) (16) (17) Basados en la fase rica Basedos en la fase pobre Fuente : Pollution Prevention through Process Integration, M. M. El-Halwagi 2. Fundamentos Para intercambiadores diferenciales (continuos) de masa, la altura se calcula usando:

Texas A&M University 50 Para intercambiadores de masa con equilibrio linear: (18) (19) Fuente : Pollution Prevention through Process Integration, M. M. El-Halwagi 2. Fundamentos

Texas A&M University 51 Para intercambiadores de masa con equilibrio linear (cont): (20) (21) 2. Fundamentos

Texas A&M University 52 (22) Para calcular el diámetro de la columna (m) tenemos: (23) Fuente : Pollution Prevention through Process Integration, M. M. El-Halwagi 2. Fundamentos

Texas A&M University 53 Para calcular el diámetro de la columna necesitamos el flujo volumétrico del aire (VFRA), máxima velocidad superficial permisible del aire (MASVA): (24) (25) Fuente : Pollution Prevention through Process Integration, M. M. El-Halwagi 2. Fundamentos Para completar el diseño de la unidad de intercambio de masa, el diseñador debe tomar en cuenta los costo que originará la unidad. El costo total anual (TAC) esta dado por:

Texas A&M University 54 Donde AOC es el costos de operación anual y AFC es el costo anual ajustado de la unidad. Usando la ecuación (8) y i in y i out x J in,max x J out x J in* JJ Línea de Equilibrio Línea de Operación El número de unidades de intercambio de masa será mayor para una pequeña , una fuerza desvaneciente. Por lo tanto, es necesario asignar una fuerza impulsora mínima entre las dos líneas Fuerza Impulsora Final Pobre del Intercambiador 2. Fundamentos

Texas A&M University 55 Tenemos : Fuente : Pollution Prevention through Process Integration, M. M. El-Halwagi 2. Fundamentos 2.3. Generalidades de la Integración de Masa, Energía y Propiedades 2.3.1. Intercambiadores de Masa (26) Usando la mínima diferencia de composición permisible,  J el diseñador puede identificar la mínima composición de salida prácticamente viable de la corriente de desecho

Texas A&M University 56 y i in y i out x J in x J out,max x J out* JJ Línea de Equilibrio Línea de Operación El número de unidades de intercambio de masa será mayor para una pequeña , una fuerza impulsora desvaneciente. Por lo tanto, es necesario asignar una fuerza impulsora mínima entre las dos líneas Fuerza Impulsora Final Rico del Intercambiador Fuente : Pollution Prevention through Process Integration, M. M. El-Halwagi Recordatorio: Composición de salida en la línea de equilibrio = número infinito de etapas 2. Fundamentos

Texas A&M University 57 Tenemos: (27) Donde,  J es la “mínima diferencia de composición permisible” y x J out,max es la mínima composición de salida prácticamente viable del ASM que satisfaga la fuerza impulsora  J Como se puede ver en (16 a 19) y (27), existe un “trade off” entre la fuerza impulsora y el costo/tamaño del equipo a ser empleado en la separación. Para ilustrar el uso de las ecuaciones anteriores veamos un ejemplo Fuente : Pollution Prevention through Process Integration, M. M. El-Halwagi 2. Fundamentos 2.3. Generalidades de la Integración de Masa, Energía y Propiedades 2.3.1. Intercambiadores de Masa

Texas A&M University 58 Ejemplo 1 Se usa aire lavado (stripping) para remover el 95% de tricoloroetileno (TCE, peso molecular = 131.4) disuelto en 200 Kg/s (3189gpm) de agua de desecho. La composición de entrada del TCE en el agua de desecho es de 100ppm. El aire (libre de TCE) es comprimido a 202.6 kPa (2 atm) y difundido en un stripper empacado. El aire con TCE que abandona el stripper es alimentado al boiler de la planta que quema casi todo el TCE. Datos Físicos: La operación de stripping (lavado) ocurre isotérmicamente a 293K y sigue la ley de Henry. La relación de equilibrio para el lavado de TCE del agua es predecida teóricamente usando: Fuente : Pollution Prevention through Process Integration, M. M. El-Halwagi 2. Fundamentos

Texas A&M University 59 Donde y i es la fracción en masa de TCE en el agua de desecho y x J es la fracción en masa del TCE en el aire. La razón aire-agua recomendada por el fabricante es: 24 m 3 Aire / m 3 agua Criterios del Dimensionamiento del Stripper: La velocidad superficial máxima permisible del agua de desecho en la columna es de 0.02m/s (aproximadamente 30 gpm/ft 2 ). La altura global de la unidad de transferencia basados en la fase líquida está dada por: HTU y = Velocidad Supericial del Agua de Desecho/K y a (28) Fuente : Pollution Prevention through Process Integration, M. M. El-Halwagi 2. Fundamentos

Texas A&M University 60 Donde k y es el coeficiente global de transferencia de la fase acuosa y a es el área superficial por unidad de volumen empacado. El valor de K y a es proporcionado por el fabricante: 0.002s -1 Información de Costos: El costo de operación para la compresión de aire es básicamente el servicio eléctrico requerido por la compresión isentrópica. La energía eléctrica requerida para comprimir el aire puede calcularse usando: Energía de Compresión (CE) (29) Fuente : Pollution Prevention through Process Integration, M. M. El-Halwagi 2. Fundamentos

Texas A&M University 61 La eficiencia isentrópica del compresor es de 60% y el costo de energía eléctrica es $0.06/kWhr. El sistema es operado 8000hr/año. El costo ajustado, $, del stripper (incluyendo instalación y auxiliares, pero excluyendo el empacado) está dad por: Costos ajustado de la columna= 4700HD 0.9 Donde H es la altura de la columna en (m) y D es el diámetro (m). El costo de empacado es $700/m 3. El costo ajustado del soplador, $, es 12000L J 0.6,donde L J es la velocidad de flujo del aire (kg/s). Asuma insignificantes otros valores y un depreciación linear a cinco años. (a) estime el tamaño de la columna, el costo ajustado y el costo de operación anual. (b) Debido al potencial error del valor del coeficiente de Henry teóricamente predicho, es necesario evaluar la sensibiidad de sus resultados a la variación del coeficiente de Henry. Fuente : Pollution Prevention through Process Integration, M. M. El-Halwagi 2. Fundamentos

Texas A&M University 62 Grafique la altura de la columna, los costos anuales ajustados y los costos de operación anual contra la desviación relativa,  del valor nominal, para 0.5  2.0. El parámetro  es definido por:  = Valor del Coeficiente de Henry/0.0063 (c) Su compañía está planeando emprender una serie de experimentos para obtener valores precisos del coeficiente de Henry que puedan ser empleados en el diseño y evaluación de costos del stripper. Basado en sus resultados, ¿Qué recomendaría sobre la realización de estos experimentos? Fuente : Pollution Prevention through Process Integration, M. M. El-Halwagi 2. Fundamentos

Texas A&M University 63 Fuente : Pollution Prevention through Process Integration, M. M. El-Halwagi Agua de Desecho G i = 200kg/s y i in = 10 -4 y i out = 5*10 -6 Aire, L J = ? x J in = 0 x J out = ? Stripper Boiler Gas Exhausto Lavado del TCE en Agua de Desecho Soplador 2. Fundamentos 2.3. Generalidades de la Integración de Masa, Energía y Propiedades

Texas A&M University 64 Solución: (a) 1. Primero debemos calcular el flujo y concentraciones de las diversas corrientes: Fuente : Pollution Prevention through Process Integration, M. M. El-Halwagi 2. Fundamentos 2.3. Generalidades de la Integración de Masa, Energía y Propiedades 2.3.1. Intercambiadores de Masa

Texas A&M University 65 Solución: Continuación Usando el balance de masa global tenemos: Fuente : Pollution Prevention through Process Integration, M. M. El-Halwagi 2. Ahora calcularemos la altura y diámetro de la columna, velocidad superficial del agua de desecho (SVWW) 2. Fundamentos 2.3. Generalidades de la Integración de Masa, Energía y Propiedades

Texas A&M University 66 Solución: Continuación Fuente : Pollution Prevention through Process Integration, M. M. El-Halwagi 2. Fundamentos 2.3. Generalidades de la Integración de Masa, Energía y Propiedades 2.3.1. Intercambiadores de Masa

Texas A&M University 67 Solución: Continuación Fuente : Pollution Prevention through Process Integration, M. M. El-Halwagi 2. Fundamentos

Texas A&M University 68 Solución: Continuación 3. Con las dimensiones del equipo podemos proceder a calcular los costos de operación y ajustados Fuente : Pollution Prevention through Process Integration, M. M. El-Halwagi 2. Fundamentos 2.3. Generalidades de la Integración de Masa, Energía y Propiedades 2.3.1. Intercambiadores de Masa

Texas A&M University 69 Solución: Continuación Costo de Operación Anual (AOC): Fuente: Pollution Prevention through Process Integration, M. M. El-Halwagi Costo de Equipo (EC): 2. Fundamentos 2.3. Generalidades de la Integración de Masa, Energía y Propiedades 2.3.1. Intercambiadores de Masa

Texas A&M University 70 Solución: (b) (c) El coeficiente de la Ley de Henry afectará el FC debido al cambio de tamaño en el sistema. Cambiando  es posible encontrar los valores del coeficiente de la Ley de Henry y usarlos para encontrar el tamaño de la columna, y luego el FC: emplearemos Excel para este procedimiento. Ya que tenemos una depreciación linear a 5 años el FC será divido entre 5 Fuente : Pollution Prevention through Process Integration, M. M. El-Halwagi Solución: Continuación Costo Ajustado (FC): 2. Fundamentos 2.3. Generalidades de la Integración de Masa, Energía y Propiedades 2.3.1. Intercambiadores de Masa

Texas A&M University 71 AlfaHenryHAFCTAC 0.50.003153.10711224214.47645449.3 0.750.0047253.16644424472.71645707.5 10.00633.22843424742.51645977.3 1.250.0078753.29327525024.73646259.5 1.50.009453.3611825320.28646555.1 1.750.0110253.43238425630.19646865 20.01263.50714925955.6647190.4 Solución: Continuación Como muestra la gráfica y Tabla 1, existe un pequeño cambio en el TAC y AFC al modificar Alfa, lo que indica que no tenemos ahorros apreciables al cambiar la altura de la columna con valores más precisos del coeficiente de la Ley de Henry. Por lo tanto, el proyecto no es necesario; ¡¡¡ahorramos a nuestra compañía bastante dinero!!! 2. Fundamentos 2.3. Generalidades de la Integración de Masa, Energía y Propiedades 2.3.1. Intercambiadores de Masa

Texas A&M University 72 2. Fundamentos 2.3. Generalidades de la Integración de Masa, Energía y Propiedades 2.3.1. Intercambiadores de Masa Un cambio muy pequeño

Texas A&M University 73 Fuente : Pollution Prevention through Process Integration, M. M. El-Halwagi Redes de Intercambio de Masa 2. Fundamentos 2.3. Generalidades de la Integración de Masa, Energía y Propiedades 2.3.1. Redes de Intecambio de Masa

Texas A&M University 74 2. Fundamentos 2.3. Generalidades de la Integración de Masa, Energía y Propiedades 2.3.1. Redes de Inetrcambio de Masa Agentes de Separación de Masa (ASM) Son corrientes pobre (Ns), L J, j = 1, 2…Ns Usados para remover contaminantes de las corrientes ricas, N R ASM de Proceso, N SP Bajo costo o casi gratis “En planta” ASM externo, N SE Deben ser traídos del exterior ASM pueden ser: Fuente : Pollution Prevention through Process Integration, M. M. El-Halwagi

Texas A&M University 75 2. Fundamentos 2.3. Generalidades de la Integración de Masa, Energía y Propiedades 2.3.1. Redes de Intercambio de Masa Las velocidades de flujo, la concentración de la corriente y la concentración deseada (target) son conocidos, G i, y S S, y i t Las composiciones de entrada de las corrientes pobres también son conocidas, x J S velocidad de flujo de las corrientes pobres, L J, se debe determinar para minimizar los costos de la red N s = N SP + N SE (28) L J  L J C J = 1, 2…N SP L J C e s la velocidad de flujo del J th ASM disponible en la planta (29) Fuente : Pollution Prevention through Process Integration, M. M. El-Halwagi

Texas A&M University 76 2. Fundamentos 2.3. Generalidades de la Integración de Masa, Energía y Propiedades 2.3.1. Redes de Intercambio de Masa Las corrientes de desecho pueden ser Dispuestos Enviados a sinks del proceso (equipos) para reciclo/reuso Cumplir con las Leyes Ambientales La composición deseada (target) es la restricción impuesta por los Sinks del proceso Fuente : Pollution Prevention through Process Integration, M. M. El-Halwagi

Texas A&M University 77 La composición deseada (target) es designada en base a las siguientes restricciones: 2. Fundamentos 2.3. Generalidades de la Integración de Masa, Energía y Propiedades 2.3.1. Redes de Intercambio de Masa Físicas (e.g. solubilidad máxima del contaminante en el ASM) Técniacs (e.g. evitar corrosión, viscosidad) Ambientales (e.g. Regulaciones EPA, OSHA ) Seguridad (e.g. alejarse de los límites de flamabilidad) Económicas (e.g. optimizar los costos de la regeneración del ASM) Fuente : Pollution Prevention through Process Integration, M. M. El-Halwagi

Texas A&M University 78 Surgirán las siguientes preguntas: 2. Fundamentos 2.3. Generalidades de la Integración de Masa, Energía y Propiedades 2.3.1. Redes de Intrercambio de Masa ¿Qué operación ME debe usarse? ¿Qué ASM debe seleccionarse? ¿Cómo relacionar el ASM con las corrientes de desecho? ¿Cuál es la confiuración óptima?

Texas A&M University 79 Las preguntas anteriores resultan en un número inmanegable de combinaciones 2. Fundamentos 2.3. Generalidades de la Integración de Masa, Energía y Propiedades 2.3.1. Redes de Intercambio de Masa Se requiere un enfoque sistemático “Enfoque de Requetimiento (Targeting)” Fuente : Pollution Prevention through Process Integration, M. M. El-Halwagi

Texas A&M University 80 Enfoque de Requerimientos “Se basa en la identificación del desempeño de los requerimientos anticipando el diseño y sin compromiso a la configuración final de la red” Fuente : Pollution Prevention through Process Integration, M. M. El-Halwagi 2. Fundamentos 2.3. Generalidades de la Integración de Masa, Energía y Propiedades 2.3.1.1. Intercambiadores de Masa

Texas A&M University 81 Source : Pollution Prevention through Process Integration, M. M. El-Halwagi Costo mínimo del ASM: Combinando los aspectos termodinámicos con datos de costos del ASM, el diseñador puede identificar el costo mínimo de la separación, sin diseñar la red Número mínimo de unidades de intercambio de masa: El objetivo es minimizar los costos fijos del sistema, al hacerlo, se puede reducir el trabajo de tubería, mantenimiento e instrumentaciónn GENERALMENTE INCOMPATIBLE 2. Fundamentos

Texas A&M University 82 U = N R + N i U = Número de unidades Ni = Número de sub-problemas de síntesis independiente en los cuales la síntesis original puede ser subdividida 2. Fundamentos 2.3. Generalidades de la Integración de Masa, Energía y Propiedades 2.3.1.1. Intercambiadores de Masa (30) En varios casos habrá sólo un problema de síntesis independiente. Para evitar la incompatibilidad de los dos requerimientos, se deben emplear técnicas que identifiquen la solución MOC y luego minimzar el número de intercambiadores que satisfacen el MOC (Costo Mínimo de Operación)

Texas A&M University 83 Para que la separación sea viable se debe de trabajar en el área de viabilidad Para relacionar las diferentes concentraciones en una escala, necesitamos la ecuación (27) y i in y i out x J in x J out,max x J out* JJ Área de viabilidad 2. Fundamentos 2.3. Generalidades de la Integración de Masa, Energía y Propiedades 2.3.1.1. Intercambiadores de Masa

Texas A&M University 84 2. Fundamentos Para minimizar los costos del ASM externo se requiere maximizar el uso del ASM de la planta 2.3. Generalidades de la Integración de Masa, Energía y Propiedades 2.3.1.1. Intercambiadores de Masa El diagrama pinch es una representación gráfica que considera las restricciones termodinámicas del sistema, calculando MR con: y x1x1 x2x2 Punto Pinch Masa Intercambiada Fuente : Pollution Prevention through Process Integration, M. M. El-Halwagi (31)

Texas A&M University 85 ¿Cómo construir un diagrama punch? 2. Fundamentos 2.3. Generalidades de la Integración de Masa, Energía y Propiedades 2.3.1.1. Intercambiadores de Masa 1.Represente cada corriente con una flecha 2.Grafique la masa intercambiada vs su composición 3.La cola de la flecha es la composición de suministro y la cabeza es la deseada 4.La pendiente es la velocidad de flujo de la corriente 5.La distancia vertical entre la cola y la cabeza representa la cantidad de contaminate transferido ( MR i ) de la corriente rica ( y i )a la corriente pobre y 1 t y 2 t y 1 s y 2 s MR i yiyi 6.Junte las flechas una encima de otra empezando con la que presenta menor composición R1R1 R2R2

Texas A&M University 86 ¿Cómo construir el diagrama pich? 2. Fundamentos 2.3. Generalidades de la Integración de Masa, Energía y Propiedades 2.3.1.1. Intercambiadores de Masa 7.Obtener el diagrama compuesto usando la “regla diagonal” 8.El eje vertical es una escala relativa, se puede mover hacia arriba o hacia abajo mientras se mantenga constante la distancia vertical 9.Aplicar el mismo procedimiento a las corrientes pobres y 1 t y 2 t y 1 s y 2 s MR i MR 2 MR 1 yiyi 10.Grafique ambas curvas compuestas es una sola gráfica, deslice la curva pobre compuesta hasta que toque la curva rica compuesta (desecho) R1R1 R2R2 Fuente : Pollution Prevention through Process Integration, M. M. El-Halwagi

Texas A&M University 87 2. Fundamentos ¿Cómo construir el diagrama pinch? 2.3. Generalidades de la Integración de Masa, Energía y Propiedades 2.3.1.1. Intercambiadores de Masa 11.Use la ecuación anterior para obtener la escala horizontal y la Ecuación 33 para calcular MS x 1 s x 1 t MS i MS 2 MS 1 yiyi x 2 s x 2 t S1S1 S2S2 (32) Fuente : Pollution Prevention through Process Integration, M. M. El-Halwagi

Texas A&M University 88 2. Fundamentos ¿Cómo construir el diagrama pinch? 2.3. Generalidades de la Integración de Masa, Energía y Propiedades 2.3.1.1. Intercambiadores de Masa x 1 yiyi x 2 Corriente Rica Compuesta Corriente Pobre Compuesta (33) Exceso de Capacidad del ASM de proceso Carga a ser removida por un ASM externo Masa Intercambiada Fuente : Pollution Prevention through Process Integration, M. M. El-Halwagi

Texas A&M University 89 2. Fundamentos ¿Cómo construir un diagrama pinch? 2.3. Generalidades de la Integración de Masa, Energía y Propiedades 2.3.1.1. Intercambiadores de Masa x 1 Masa Intercambiada yiyi x 2 Corriente Rica Compuesta Corriente Pobre Compuesta Punto Pinch Intercambio integrado de masa: Máxima cantidad de contaminante que puede ser transferido El Punto Pinch es la mínima concentración viable, es un cuello de botella, mover las curvas compuestas arriba o abajo hasta que se toquen, manteniendo la distancia vertical y las concentraciones Fuente : Pollution Prevention through Process Integration, M. M. El-Halwagi

Texas A&M University 90 Para reducir la capacidad en exceso del ASM de proceso es posible reducir la velocidad de flujo o la composición. Se debe tener cuidado al elegir la , ya que causará que la curva pobre compuesta se mueva a la derecha, aumentado la carga removida por un ASM externo 2. Fundamentos 2.3. Generalidades de la Integración de Masa, Energía y Propiedades 2.3.1.1. Intercambiadores de Masa Carga de contaminante arriba del punto pinch a ser removida (34) Fuente : Pollution Prevention through Process Integration, M. M. El-Halwagi En caso de que 2 o más ASM estén solapadas, se debe calcular la composición que cubra los requerimientos de la planta y comparar los costos para identificar el ASM que será usado en la separación

Texas A&M University 91 Para calcular el costo de la recirculación del ASM (C j ) y de la remoción del contaminante (c j r ) se hace uso de: 2.3. Generalidades de la Integración de Masa, Energía y Propiedades 2.3.1.1. Intercambiadores de Masa Costo de recuperación (35) Costo de Regeneración (36) 2. Fundamentos Fuente : Pollution Prevention through Process Integration, M. M. El-Halwagi

Texas A&M University 92 Existen casos donde no hay ASM de proceso, por lo tanto, se requiere otro enfoque para la construcción del diagrama pinch 2. Fundamentos 2.3. Generalidades de la Integración de Masa, Energí y Propiedades 2.3.1.1. Intecambiadores de Masa x 1 MR yiyi x 2 Corriente Rica Compuesta x 3 S1S1 S2S2 S3S3 1.Dibujar la curva rica compuesta como se indicó 2.Dibujar el ASM externo como las flechas S j con la composición de suministro en la cola y la requerida en la cabeza 3.Calcular el c j 4.Si la flecha S 2 cae completamente a la izquierda de S 1 y c 2 r < c 1 r entonces elimine S 1 Fuente : Pollution Prevention through Process Integration, M. M. El-Halwagi

Texas A&M University 93 2. Fundamentos 2.3. Generalidades de la Integración de Masa, Energí y Propiedades 2.3.1.1. Intercambiadores de Masa x 1 MR yiyi x 2 Corriente Rica Compuesta x 3 S1S1 S2S2 S3S3 5.Si la flecha S 3 cae completamente a la izquierda de S 2 pero c 3 r es > c 2 r entonces mantenga ambos ASM 6.Para minimizar los costos de operación de la red, se hace uso del ASM más barato cuando sea posible 7.En este caso S 2 debe usarse para remover toda la carga rica a la izquierda y la carga restante es removida por S 3 8.Calcule el flujo de S 2 y S 3 dividiendo la carga rica removida entre la diferencia de composición de los ASM 9.Construya el diagrama pinch como se muestra Fuente : Pollution Prevention through Process Integration, M. M. El-Halwagi

Texas A&M University 94 Ejemplo 2 Cierto proceso convierte llantas usadas en combustible por pirólisis. Las llantas se alimentan a un reactor a alta temperatura donde el calor rompe el contenido de hidrocarburos de las llantas obteniéndose aceites y combustibles gaseosos. Los aceites se procesan y separan para obtener combustibles para transporte. Los gases de salida del reactor son enfriados para condensar los aceites ligeros. El condensado es decantado en dos capas; orgánica y acuosa. La capa orgánica es mezclada con los productos líquidos del reactor. La capa acuosa es una corriente de agua de desecho cuto contenido orgánico debe ser reducido antes de ser descargada. El principal contaminante es un hidrocarburo pesado. Los datos para la corriente de agua de desecho se proporciona en la siguiente diapositiva. Una corriente pobre de proceso es gas para flama (una corriente gaseosa alimentada a la llama) que puede ser usada como un agente de proceso para stripping. Para prevenir la propagación de fuego de la flama se usa un sello. 2. Fundamentos 2.3. Generalidades de la Integración de Masa, Energía y Propiedades Fuente : Pollution Prevention through Process Integration, M. M. El-Halwagi

Texas A&M University 95 2. Fundamentos 2.3. Generalidades de la Integración de Masa, Energía y Propiedades 2.3.1.1. Intercambiadores de Masa Corriente DescripciónVelocidad de flujo G i kg/s Composición de suministro (ppmw) y i s Composición deseada (Target) (ppmw) Y i t R1R1 Capa acuosa del decantador 0.250050 Tabla 1 Source : Pollution Prevention through Process Integration, M. M. El-Halwagi

Texas A&M University 96 Ejemplo 2, Continuación Una corriente acuosa se pasa a través del sello para formar una zona “buffer” (amortiguamiento) entre la flama y la fuente del gas de flama. Por lo tanto, el sello pude ser usado como una columna de lavado (stripping) en la cual el gas de flama lava (strips) el contaminante orgánico del agua de desecho mientras que la corriente de agua de desecho forma una solución buffer que previene el reflujo de la flama. Se consideran tres ASM externo: un solvente de extracción S 2, un adsorbente S 3 y un agente de lavado (stripping) S 4. Los datos al equilibrio para el j“esimal” ASM y para el ASM de proceso se presentan en la siguiente diapositiva; los datos de equilibrio están dados por y i = m j x j Donde y i y x j son las fracciones masa del contaminante orgánico en el agua de desecho y el jesimal ASM respectivamente. Use el diagrama pinch para determinar el costo mínimo de operación del MEN 2. Fundamentos 2.3. Generalidades de la Integración de Masa, Energía y Propiedades Source : Pollution Prevention through Process Integration, M. M. El-Halwagi

Texas A&M University 97 2. Fundamentos 2.3. Generalidades de la Integración de Masa, Energía y Propiedades Corriente Límete superior de flujo L j c kg/s Composición de suministro (ppmw) x s J Composición deseada (ppmw) x J t mJmJ JJ C J $/kg MSA S1S1 0.152009000.5200- S2S2  30010001.01000.004 S3S3  102000.8500.030 S4S4  206000.2500.050 Tabla 2 Ejemplo 2, Continuación Fuente : Pollution Prevention through Process Integration, M. M. El-Halwagi

Texas A&M University 98 2. Fundamentos 2.3. Generalidades de la Integración de Masa, Energía y Propiedades 2.3.1.1. Intercambiadores de Masa Ejemplo 2, Continuación Condensador Decantador Separación Terminado Sello Flama Llantas Usadas Gases de Salida del Reactor Aceite ligero Agua de desecho R 1 Combustib le Gaseoso Agua A la atmósfera A agua de desecho Combustible Líquido Gas de Flama S 1 Fuente : Pollution Prevention through Process Integration, M. M. El-Halwagi Reactor de Pirólisis

Texas A&M University 99 2. Fundamentos 2.3. Generalidades de la Integración de Masa, Energía y Propiedades 2.3.1.1. Intercambiadores de Masa Solución Condensador Decantador Separación Termiando MEN Flama Llantas Usadas Gases de Salida del Reactor Aceite ligero Agua de desecho R 1 Combustible Gaseoso A la atmósfera A agua de desecho Combustible Líquido Gas de Flama, S 1 S2S2 S3S3 S4S4 Reactor de Pirólisis Fuente : Pollution Prevention through Process Integration, M. M. El-Halwagi

Texas A&M University 100 2. Fundamentos Solución, Continuación Cálculos y diagrama pinch, usando las Ecuaciones 31,32,33 y las Tablas 1 y 2 2.3. Generalidades de la Integración de Masa, Energía y Propiedades 2.3.1.1. Intercambiadores de Masa Masa Intercambiada 10 -6 y. ppmw MRy R1R1 050 90500 S1S1 0200 105550 MRy R1R1 050 90500 S1S1 90200 195550 S1S1 R1R1

Texas A&M University 101 2. Fundamentos Punto Pinch Exceso de Capacidad del ASM de Proceso Masa Integrada Intercambiada Masa a ser Removida por un ASM Externo Masa Intercambiada 10 -6 y. ppmw Nueva Composición Deseada S 1 Solución, Continuación

Texas A&M University 102 Del diagrama pinch la carga a ser removida por el ASM de proceso es 64 x 10 -6 kg/s, la capacidad en exceso es 45 x 10 -6 kg/s; tenemos que usar todo el flujo de gas de flama para remover el contaminante del agua de desecho, debido a la peligrosidad de flama que representa (no podemos desviar parte de éste directo a la flama para reducir la capacidad en exceso); del balance de masa o del diagrama pinch encontramos que la composición de salida de S 1 to es: 400 ppmw 2. Fundamentos 2.3. Generalidades de la Integración de Masa, Energí y Propiedades Solución, Continuación Ahora debemos de evaluar los diferentes ASM externos. La carga a ser removida por el ASM externo es aproximadamente 31 x 10 -6 kg/s, necesitamos checart la viabilidad termodinámica de cada ASM Fuente : Pollution Prevention through Process Integration, M. M. El-Halwagi

Texas A&M University 103 2. Fundamentos Solución, Continuación Fuente : Pollution Prevention through Process Integration, M. M. El-Halwagi Corriente Límite Superior de la velocidad de flujo L j c Kg/s Composición de suministro (ppmw) x j s Composición deseada (ppmw) x j t mjmj εjεj c j Kg/s ASM Composición de suministro (ppmw) y j s Composición deseada (ppmw) y j t

Texas A&M University 104 2. Fundamentos Masa Intercambiada 10 -6 y. ppmw Solución, Continuación S2S2 S3S3 S4S4 1000 300 200 48 60020 10

Texas A&M University 105 Cálculo del costo de cada agente de separación, usando la Ecuación 36: c 2 r = 5.714 $/kg c 3 r = 157.89 $/kg c 4 r = 86.20 $/kg Solución, Continuación 2. Fundamentos Análisis: S 2 no es un ASM viable ya que su concentración deseada (target) es mayor que la concentración deseada (target) de la corriente rica, por lo tanto no existe transferencia de masa. Se elige S 4 como ASM, su flujo es 31x10 -6 kg/s y su costo de operación annual es 31x10 - 6 x86.2x3600x24x365 = $84,270.5/yr Fuente : Pollution Prevention through Process Integration, M. M. El-Halwagi

Texas A&M University 106 La I.P. está conformada por integración de masa y energía 2. Fundamentos 2.3. Generalidades de la Integración de Masa, Energía y Propiedades 2.3.1.2. Regla de Targeting (Objetivos) Proceso Entrada de Energía Salida de Energía Entrada de Masa Salida de Masa Para lograr una buena integración de masa, se deben establecer objetivos; desde un balance de masa global: (37) Fuente : Pollution Prevention through Process Integration, M. M. El-Halwagi Entrada de Masa + Generación = Salida de Masa + Consumo

Texas A&M University 107 Para reducir la entrada de recursos nuevos y la descarga de agua de desecho se debe considerar el reciclo, mezclado, segregación y/o intercepción. Para identificar la estrategia de reciclo (directo o después de la segregación/intercepción) que tendrá un efecto neto en el sistema se efectúa el siguiente procedimiento 2.3. Generalidades de la Integración de Masa, Energía y Propiedades 2.3.1.2. Reglas de Targeting (Objetivos) 2. Fundamentos 1 2 5 3 4 Carga Limpia Carga Terminal FL k,1 FL k,2 FL k,1 TL k,1 TL k,2 TL k,3 TL k,4 Sin Reciclo

Texas A&M University 108 Identificar dónde el reciclaje de corrientes tendrá el mayor efecto neto 2.3. Generalidades de la Integración de Masa, Energía y Propiedades 2.3.1.2. Reglas de Targeting (objetivos) 2. Fundamentos 1 2 5 3 4 Carga Limpia Carga Terminal FL k,1 FL k,2 FL k,1 TL k,1 + R k,2 – R k,1 TL k,2 - R k,2 TL k,3 TL k,4 Sin efecto neto = Reciclaje Pobre + R k,1 Fuente : Pollution Prevention through Process Integration, M. M. El-Halwagi

Texas A&M University 109 2.3. Generalidades de la Integración de Masa, Energía y Propiedades 2.3.1.2. Reglas de Targeting (objetivos) 2. Fundamentos 1 2 5 3 4 Carga Limpia Carga Terminal FL k,1 – R k,2 FL k,2 – R k,1 FL k,1 TL k,1 – R k,1 TL k,2 – R k,2 TL k,3 TL k,4 Reciclaje efectivo de la Corrientes Terminales Fuente : Pollution Prevention through Process Integration, M. M. El-Halwagi

Texas A&M University 110 2.3. Generalidades de la Integración de Masa, Energía y Propiedades 2.3.1.2. Reglas de Targeting (objetivos) 2. Fundamentos 1 2 5 3 4 Carga Limpia Carga Terminal FL k,1 – R k,2 FL k,2 – R k,1 FL k,1 TL k,1 – R k,1 TL k,2 – R k,2 TL k,3 TL k,4 Reciclaje Efectivo de las Corrientes Terminales e Intermedias Fuente : Pollution Prevention through Process Integration, M. M. El-Halwagi

Texas A&M University 111 El reciclaje de las corrientes debe cumplir con las restricciones de los sinks; tales como composición y velocidad de flujo que un sink puede soportar. Para tomar ventaja de las oportunidades del reciclaje directo dentro de la planta se deben identificar usando la técnica gráfica conocida y el diagrama de mapeo fuente/destino (sink) 2.3. Generalidades de la Integración de Masa, Energía y Propiedades 2.3.1.2. Reglas de Targeting (objetivos) 2. Fundamentos Sink Fuente El reciclaje efectivo debe conectar entradas limpias con corrientes de salida Composición del Contaminante Rango de Flujo Aceptable Rango de Composición Aceptable Velocidad de Flujo de la Carga, kg/s

Texas A&M University 112 La intercección de las dos restricciones es el área donde cualquier fuente puede ser reciclada directamente al sink (destino) 2.3. Generalidades de la Integración de Masa, Energía y Propiedades 2.3.1.2. Reglas de Targeting (objetivos) 2. Fundamentos Sink Fuente La cantidad máxima a ser reciclada es el mínimo entre la entrada limpia y la carga de salida. Para reciclar b y c se usa la regla del brazo de mezclado El reciclaje directo no requiere nuevo equipo Definir la restricción del equipo a partir de datos técnicos, condiciones de operación, propiedades físicas y químicas, etc. S Composición del Contaminante Velocidad de Flujo de la Carga, kg/s a b c Fuente : Pollution Prevention through Process Integration, M. M. El-Halwagi

Texas A&M University 113 2. Fundamentos Regla del Brazo: 2.3. Generalidades de la Integración de Masa, Energía y Propiedades 2.3.1.2. Reglas de Targeting (objetivos) Composición del Contaminante Velocidad de Flujo de la Carga, kg/s Brazo c Brazo b yb ys yc Fs Fb Fc c b Fuente Mezcla Resultante Si una fuente limpia se mezcla con una contaminada, para minimizar el uso de la limpia se debe minimzar el brazo limpio (38) (39)

Texas A&M University 114 2. Fundamentos Nota: 2.3. Generalidades de la Integración de Masa, Energía y Propiedades 2.3.1.2. Reglas de Targeting (objetivos) 1.El método anterior puede simplificarse para una planta compleja ya que no todos los equipos requieren servicios limpios o corrientes de descarga de desechos. Identificaremos aquellas que apliquen al método anterior 2.La identificación de las restricciones de los equipos puede reducir las corrientes limpias y de desecho al trabajar con los requerimientos mínimos

Texas A&M University 115 2. Fundamentos El Diagrama de Composición-Intervalo (CID) 2.3. Generalidades de la Integración de Masa, Energía y Propiedades 2.3.1.3. Síntesis de la MEN, Enfoque Algebráico El diagrama pinch es una herramienta muy útil, sin embargo presenta limitantes en su exactitud, común en todos los métodos gráficos, por eso se presenta un enfoque algebraico que elimine estas limitaciones Este diagrama muestra la masa intercambiada entre las diferentes corrientes, la viaviabilidad termodinámica y el punto pinch El número de escalas es igual a Nsp + 1, donde Nsp es el número de corrientes pobres. Cada proceso se representa con una flecha vertical con la composición de suministro y deseada en la cola y cabeza respectivamente. Las líneas horizontales son los intervalos de composición cuyo número se define como: (40) Fuente : Pollution Prevention through Process Integration, M. M. El-Halwagi

Texas A&M University 116 2. Fundamentos Intervalos Corrientes de Desecho ASM de Proceso

Texas A&M University 117 Dentro de cada intervalo es posible posible transferir masa de una corriente rica a una pobre y es posible transferir masa de un intervalo a cualquier ASM que es un intervalo por debajo de éste 2. Fundamentos 2.3. Generalidades de la Integración de Masa, Energía y Propiedades 2.3.1.3. Síntesis de la MEN, Enfoque Algebráico Tabla de Cargas Intercambiables (TEL) La TEL se usa para determinar la carga de masa intercambiada dentro de cada intervalo; para la carga de la corriente de desecho es: W i,k R = G i (y k-1 – y k )(41) Y la carga intercambiable para la corriente pobre es: W j,k S = L j c (x j,k-1 – x j,k )(42)

Texas A&M University 118 2. Fundamentos Ya que una o más corrientes pasarán a través de uno o más intervalos podemos expresar la carga total de la corriente que pasa a través del intervalo k; para el desecho y las corrientes pobres que tenemos 2.3. Generalidades de la Integración de Masa, Energía y Propiedades 2.3.1.3. Síntesis de la MEN, Enfoque Algebráico (44) (43) Fuente : Pollution Prevention through Process Integration, M. M. El-Halwagi

Texas A&M University 119 2. Fundamentos Observe que la masa puede ser transferida dentro de cada intervalo de la corriente de desecho a la corriente pobre, como resultado es posible transferir masa de la corriente de desecho en un intervalo a una corriente pobre en un intervalo menor, el balance de masa resultante es: 2.3. Generalidades de la Integración de Masa, Energía y Propiedades 2.3.1.3. Síntesis de la MEN, Enfoque Algebráico (45) Fuente : Pollution Prevention through Process Integration, M. M. El-Halwagi

Texas A&M University 120 2. Fundamentos La representación gráfica es: 2.3. Generalidades de la Integración de Masa, Energía y Propiedades 2.3.1.3. Síntesis de la MEN, Enfoque Algebráico K Desecho Recuperado de las Corrientes de Desecho Masa Transferida al ASM Masa Residual del Intervalo Anterior Masa Residual al Siguiente Intervalo

Texas A&M University 121 Nota: Residuo inicial de masa para k = 0 es cero El valor más negativo del residuo de la carga de masa indica la capacidad en exceso del ASM, para reducirlo, se puede reducir el flujo o la composición del ASM, una vez que se haya hecho esto es necesario recalcular y aplicar el procedimiento previamente visto. El pinch será representado en el lugar donde el residuo de masa es cero. Este resultado será igual al dado por el diagrama pinch. Después de reducir el flujo o la concentración, la carga remanente es la carga a ser removida por un ASM externo. 2. Fundamentos 2.3. Generalidades de la Integración de Masa, Energía y Propiedades 2.3.1.3. Síntesis de la MEN, Enfoque Algebráico

Texas A&M University 122 Ejemplo 3 2. Fundamentos 2.3. Generalidades de la Integración de Masa, Energía y Propiedades 2.3.1.3. Síntesis de la MEN, Enfoque Algebráico Un ASM pobre será usado para reducir la composición de una corriente rica, los datos están dados en la tabla Calcular el número de intervalos Calcular las composiciones de cada corriente para las escalas x e y Preparar el diagrama CID Calcular la tabla TEL, usando 41, 42 Calcular el diagrama de cascada con 43,44 Corriente

Texas A&M University 123 2. Fundamentos 2.3. Generalidades de la Integración de Masa, Energía y Propiedades 2.3.1.3. Síntesis de la MEN, Enfoque Algebráico Tabla de Composición Corriente

Texas A&M University 124 2. Fundamentos 2.3. Generalidades de la Integración de Masa, Energía y Propiedades 2.3.1.3. Síntesis de la MEN, Enfoque Algebráico Tabla CID Intervalo Corrientes de Desecho ASM de Proceso

Texas A&M University 125 2. Fundamentos 2.3. Generalidades de la Integración de Masa, Energía y Propiedades 2.3.1.3. Síntesis de la MEN, Enfoque Algebráico Tabla TEL Intervalo Carga de Corriente de Desecho, Kg Contaminantes/s R 1 Carga de ASM de Proceso, Kg Contaminantes/s S 1

Texas A&M University 126 Diagrama de Cascada 2. Fundamentos 2.3. Generalidades de la Integración de Masa, Energía y Propiedades

Texas A&M University 127 La capacidad en exceso del ASM es 0.000027 kg/s de contaminante, y el flujo actual requerido para la separación es: 2. Fundamentos 2.3. Generalidades de la Integración de Masa, Energía y Propiedades 2.3.1.3. Síntesis de la MEN, Enfoque Algebráico (45)

Texas A&M University 128 Recalculando el diagrama TEL y de cascada 2. Fundamentos 2.3. Generalidades de la Integración de Masa, Energía y Propiedades 2.3.1.3. Síntesis de la MEN, Enfoque Algebráico Pinch Intervalo Carga de Corriente de Desecho, Kg Contaminantes/s R 1 Carga de ASM de Proceso, Kg Contaminantes/s S 1

Texas A&M University 129 Las concentraciones donde se localiza el punto pinch son: y = 0.00011 x = 0.0002 La cantidad que sale por el fondo del diagrama de cascada es la cantidad a ser removida por el ASM externo, 0.00001 kg/s 2. Fundamentos 2.3. Generalidades de la Integración de Masa, Energía y Propiedades 2.3.1.3. Síntesis de la MEN, Enfoque Algebráico

Texas A&M University 130 Para minimizar el número de intercambiadores de masa para obtener la solución MOC, necesitaremos descomponer el problema de diseño en dos sub- problemas, uno arriba y otro abajo del punto pinch 2. Fundamentos 2.3. Generalidades de la Integración de Masa, Energía y Propiedades 2.3.1.4. Síntesis de la MEN, con el Mínimo Número de Intercambiadores (46) Fuente : Pollution Prevention through Process Integration, M. M. El-Halwagi

Texas A&M University 131 Empezando la síntesis de los intercambiadores de masa en el punto pinch, es posible asegurarse de que las opciones no comprometerán etapas posteriores, ay que en el punto pinch todas las corrientes coinciden en la fuerza de empuje mínima . La coincidencia de corrientes se llevará a cabo en dos secciones, arriba y debajo del pinch; se deben aplicar dos criterios para segurar la viabilidad 2. Fundamentos 2.3. Generalidades de la Integración de Masa, Energía y Propiedades 2.3.1.5. Criterios de Viabilidad (47) (48) Población de Corrientes Fuente : Pollution Prevention through Process Integration, M. M. El-Halwagi

Texas A&M University 132 Si las desigualdades previas no permanecen con las corrientes/ramas ricas y pobres, entonces se requiere la separación de una o más de ellas, igualmente, la separación de corrientes debe cumplir con las siguiente desigualdades 2. Fundamentos 2.3. Generalidades de la Integración de Masa, Energía y Propiedades 2.3.1.5. Criterios de Viabilidad (48) (49) Viabilidad Termodinámica Fuente : Pollution Prevention through Process Integration, M. M. El-Halwagi

Texas A&M University 133 El siguiente ejemplo ilustrará el procedimiento para la síntesis de redes; dado un proceso con dos corrientes de desecho y dos ASM de proceso 2. Fundamentos 2.3. Generalidades de la Integración de Masa, Energía y Propiedades 2.3.1.6. Síntesis de Redes Ejemplo 4 Corriente

Texas A&M University 134 La composición para las corrientes pobres y ricas se muestran en la tabla Número de Intervalos = 7 Calcular el CID Calcular la TEL Revisar la TEL 2. Fundamentos 2.3. Generalidades de la Integración de Masa, Energía y Propiedades 2.3.1.6. Síntesis de Redes

Texas A&M University 135 CID 2. Fundamentos 2.3. Generalidades de la Integración de Masa, Energía y Propiedades 2.3.1.6. Síntesis de Redes Intervalo Corrientes de DesechoASM de Proceso

Texas A&M University 136 2. Fundamentos 2.3. Generalidades de la integración de Masa, Energía y Propiedades 2.3.1.6. Síntesis de Redes TEL Intervalo Carga de Corrientes de Desecho, Kg Contaminantes/s R 1 Carga de Corrientes de Desecho, Kg Contaminantes/s R 2 Carga de Corrientes de Desecho, Kg Contaminantes/s R 1 +R 2 Carga de ASM de Proceso, Kg Contam/s S 1 Carga de ASM de Proceso, Kg Contam/s S 2 Carga de ASM de Proceso, Kg Contam/s S 1 +S 2

Texas A&M University 137 2. Fundamentos Diagrama de Cascada

Texas A&M University 138 La carga en exceso del ASM es 0.00151kg/s; usando la Ecuación 45 y reduciendo el exceso de capacidad de S 2 tenemos un flujo de 2.925 kg/s y se puede calcular el diagrama TEL y de cascada, cuyo punto pinch en un intervalo de 4 y composiciones y, x 1, x 2 = 0.0165, 0.00725, 0.01, respectivamente 2. Fundamentos 2.3. Overview of Mass, Energy and Property Integration 2.3.1.6. Síntesis de Redes

Texas A&M University 139 2. Fundamentos TEL revisada Intervalo Carga de Corrientes de Desecho, Kg Contaminantes/s R 1 Carga de Corrientes de Desecho, Kg Contaminantes/s R 2 Carga de Corrientes de Desecho, Kg Contaminantes/s R 1 +R 2 Carga de ASM de Proceso, Kg Contam/s S 1 Carga de ASM de Proceso, Kg Contam/s S 2 Carga de ASM de Proceso, Kg Contam/s S 1 +S 2

Texas A&M University 140 Definiremos el número de intercambiadores de masa Definir los criterios de viabilidad Corrientes combinadas (encontradas, match) 2. Fundamentos 2.3. Generalidades de la Integración de Energía, Masa y Propiedades 2.3.1.6. Síntesis de Redes

Texas A&M University 141 2. Fundamentos Diagrama de Cascada revisado Punto Pinch

Texas A&M University 142 La siguiente figura será de ayuda para la revisión de los criterios de viabilidad 2. Fundamentos 2.3. Generalidades de la Integración de Masa, Energía y Propiedades 2.3.1.6. Síntesis Redes Punto Pinch R1R1 R2R2 S1S1 S2S2 G 1 = 2.5 kg/s G 2 = 1 kg/s L 1 /m 1 = 2.5 kg/s L 2 /m 2 = 1.95 kg/s

Texas A&M University 143 2. Fundamentos 2.3. Generalidades de la Integración de Masa, Energía y Propiedades 2.3.1.6. Síntesis de Redes Combinación: R 1 – S 1 R 2 – S 2

Texas A&M University 144 Cargas de Masa Intercambiada R 1 = 0.08375 kg/s S 1 = 0.03875 kg/s Masa intercambiada = 0.03875 kg/s R 2 = 0.0135 kg/s S 2 = 0.0585 kg/s Masa intercambiada = 0.0135 kg/s 2. Fundamentos 2.3. Generalidades de la Integración de Masa, Energía y Propiedades 2.3.1.6. Síntesis de Redes

Texas A&M University 145 Carga remanente de R 1 = 0.045 kg/s Capacidad en exceso de S 2 = 0.045 kg/s Observe que estos valores son iguales, ya que no hay transferencia de masa a través del pinch. Ahora precederemos a combinar intercambiadores, representados por círculos, con corrientes; la masa intercambiada aparece con círculos y la composición con flechas. La carga a ser removida por el ASM externo es 0.0155kg/s 2. Fundamentos 2.3. Generalidades de la Integración de Masa, Energía y Propiedades 2.3.1.6. Síntesis de Redes

Texas A&M University 146 2. Fundamentos 2.3. Generalidades de la integración de Masa, Energía y Propiedades 2.3.1.6. Síntesis de Redes R2R2 S1S1 S2S2 R1R1 0.03875 0.045 2.5 kg/s 0.05 0.0165 0.0135 5 kg/s 0.015 0.00725 0.045 1 kg/s 0.03 0.0165 0.01 R 2 transfiere toda tu carga S 1 es gastado S 2 puede remover la carga Capacidad de R 1 no removida por S 1 x 2 ** x 1 *

Texas A&M University 147 Para calcular la composición intermedia que sale del intercambiador R 2 – S 2, su hace un balance de materia empleando la Ecuación 37: x 2 ** = 0.01 + 0.0135/3 = 0.0145 x 1* = 0.05 - 0.045/2.5 = 0.032 2. Fundamentos 2.3. Generalidades de la Integración de Masa, Energía y Propiedades 2.3.1.6. Síntesis de Redes

Texas A&M University 148 Después de completar el diseño de la red arriba del punto pinch, procederemos a hacer lo mismo pero debajo del punto pinch 2. Fundamentos 2.3. Generalidades de la Integración de Masa, Energía y Propiedades 2.3.1.6. Síntesis de Redes Punto Pinch R1R1 R2R2 S1S1 S 3 AMS EXTERNO G 1 = 2.5 kg/s G 2 = 1 kg/s L 1 /m 1 = 2.5 kg/s

Texas A&M University 149 Revisando la viabilidad (Ec. 49) se determina que S 1 tiene que ser debidida en dos, ya que L 1 /m > G i. Existen diferentes combianciones para lograrlo, para este caso las dividiremos arbitrariamente y combinaremos corrientes 2. Fundamentos 2.3. Generalidades de la Integración de Masa, Energía y Propiedades 2.3.1.6. Síntesis de Redes Punto Pinch R1R1 R2R2 S1S1 S 3 ASM externo G 1 = 2.5 kg/s G 2 = 1 kg/s L 1 = 5 kg/s L 12 /m 1 = 0.725 kg/s L 11 /m 1 = 1.775 kg/s

Texas A&M University 150 Combinación: R 1 – S 11 R 2 – S 12 2. Fundamentos 2.3. Generalidades de la Integración de Masa, Energía y Propiedades 2.3.1.6. Síntesis de Redes Cargas de Masa Intercambiada R 1 = 0.01625 kg/s S 11 = 0.0079875 kg/s Masa intercambiada = 0.0079875 kg/s R 2 = 0.0105 kg/s S 12 = 0.0032625 kg/s Masa intercambiada = 0.0032625 kg/s

Texas A&M University 151 2. Fundamentos 2.3. Generalidades de la Integración de Masa, Energía y Propiedades 2.3.1.6. Síntesis de Redes Carga remanente de R 1 = 0.0082625 kg/s Carga remanente de R 2 = 0.0072375 kg/s Para remover la carga remanente de la corriente de desecho es necesario usar ASM externos (S 3 )

Texas A&M University 152 Punto Pinch G 1 = 2.5 kg/s G 2 = 1 kg/s L 1 = 5 kg/s 2. Fundamentos R1R1 R2R2 S1S1 S 3 ASM externo 0.0079875 0.079875 0.0032625 0.0072375 0.0082625 0.0072375 Calcular las Composiciones Intermedias. ¿Puede sugerir otra configuración para S 3 ?

Texas A&M University 153 R2R2 S1S1 S2S2 R1R1 0.03875 0.045 2.5 kg/s 0.05 0.0165 0.0135 5 kg/s 0.015 0.00725 0.045 1 kg/s 0.03 0.0165 0.01 x 2 ** x 1 * L 1 = 5 kg/s 0.0079875 0.079875 0.0032625 0.0072375 0.0082625 0.0072375 Punto Pinch Red Completa S3S3

Texas A&M University 154 Fuente : Pollution Prevention through Process Integration, M. M. El-Halwagi Redes de Intercambio de Calor 2. Fundamentos 2.3. Generalidades de la Integración de Masa, Energía y Propiedades 2.3.2. Integración de Calor

Texas A&M University 155 Cada planta requiere de tranferencia de energía de una corriente caliente a una fría; de aquí la importancia de una buena red de intercambio de calor para tener un impacto positivo en la economía y operación de cualquier proceso 2. Fundamentos 2.3. Generalidades de la Integración de Masa, Energía y Propiedades Red de Intercambio de Calor Fuente : Pollution Prevention through Process Integration, M. M. El-Halwagi Entrada de Corrites Frías Salida de Corrientes Frías Entrada de Corrientes Calientes Salida de Corrientes Calientes

Texas A&M University 156 Para definir el problema de HEN (Red de Intercambio de Calor) primero necesitamos definir lo siguiente: Un número de corrientes calientes de proceso que necesitan ser enfriadas N H y un número de corrientes de proceso que necesitan ser calentadas N C ; tenemos que sintetizar una red que logre la transferencia de calor a mínimo costo Para las corrientes calientes la capacidad calorífica se expresa como: 2. Fundamentos 2.3. Generalidades de la Integración de Masa, Energía y Propiedades (50) Para u = 1,2,…N H 2.3.2. Integración de Calor

Texas A&M University 157 Para las corrientes frías tenemos: 2. Fundamentos 2.3. Generalidades de la Integración de Masa, Energía y Propiedades (51) Para v = 1,2,…N C Un número de corrientes frías y calientes está disponible para aquellas cuya temperatura de suministro y objetivo son conocidas pero no sus flujos. Para diseñar una HEN es necesario contestar la siguiente pregunta: 2.3.2. Integración de Calor

Texas A&M University 158 ¿Qué servicios de calentamiento/enfriamiento se deben usar? ¿Cuál es la carga óptima de calor a ser removida/agregada por cada servicio? Cuál es la configuración Óptima ¿ Cómo se deben combinar las corrientes calientes con las frías? 2. Fundamentos 2.3. Generalidades de la Integración de Masa, Energía y Propiedades Fuente : Pollution Prevention through Process Integration, M. M. El-Halwagi 2.3.2. Integración de Calor

Texas A&M University 159 Para que exista transferencia de calor entre dos corrientes, la siguiente relación establecerá una correspondencia entre la temperatura de las corrientes frías y calientes: 2. Fundamentos 2.3. Generalidades de la Integración de Masa, Energía y Propiedades (52) 2.3.2. Integración de Calor

Texas A&M University 160 Un caso especial del intercambio de calor es aquél que compara el problema del calor transferido correspondiente a T, t,  T min con y i,x j y  j respectivamente, y teniendo m j, b j igual a cero 2. Fundamentos 2.3. Generalidades de la Integración de Masa, Energía y Propiedades 2.3.2. Integración de Calor

Texas A&M University 161 2. Fundamentos 2.3. Generalidades de la Integración de Masa, Energía y Propiedades HE T NOTA: El orden de los ejes X e Y usados aquí es diferente del que se usa comúnmente en la literatura. La razón es la existencia de fuertes interacciones entre masa y energía haciendo de la expresión de entalpía una función no linear de la temperatura, por lo tanto es más fácil tener la entalpía en función de la temperatura, esto es especialmente importante cuando se combina la integración de masa y energía. T H Enfoque HE vs. Th Enfoque T v. H  T min Fuente : Pollution Prevention through Process Integration, M. M. El-Halwagi 2.3.2. Integración de Calor

Texas A&M University 162 El procedimiento usado para establecer el diagrama pinch es exactamente el mismo que se usa para l aintegración de masa, colocando las temperaturas de las corrientes frías y calientes en el diagrama, empezando por su temperatura de suministro en la cola de la flecha y temperatura deseada (target) en la cabeza de la flecha. La siguiente ecuación puede ser empleada para calcular la distancia vertical o pérdida de calor por la corriente caliente Fuente : Pollution Prevention through Process Integration, M. M. El-Halwagi 2. Fundamentos 2.3. Generalidades de la Integración de Masa, Energía y Propiedades (53) 2.3.2. Integración de Calor

Texas A&M University 163 2. Fundamentos 2.3. Generalidades de la Integración de Masa, Energía y Propiedades Y para el calor ganado por la corriente fría tenemos: Para construir el diagrama pinch tenemos: (53) 2.3.2. Integración de Calor Fuente : Pollution Prevention through Process Integration, M. M. El-Halwagi

Texas A&M University 164 2. Fundamentos 2.3. Generalidades de la Integración de Masa, Energía y Propiedades T 1 t T 2 t T 1 s T 2 s T HE HH 2 HH 1 H1H1 H2H2 HE HC 2 HC 1 C1C1 C2C2 t 1 t t 2 t t 1 s t 2 s T t = T -  T min 2.3.2. Integración de Calor Fuente : Pollution Prevention through Process Integration, M. M. El-Halwagi

Texas A&M University 165 2. Fundamentos ¿Cómo construir el diagrama pinch? 2.3. Generalidades de la Integración de Masa, Energía y Propiedades Calor Intercambiado Corriente Caliente Compuesta Cold Composite Stream Punto Pinch Térmico Intercambio de Calor Integrado Fuente : Pollution Prevention through Process Integration, M. M. El-Halwagi 2.3.2. Integración de Calor T t = T -  T min Mínimo Servicio de Calor Mínimo Servicio de Enfriamiento

Texas A&M University 166 El análisis del diagrama pinch térmico es: La curva fría compuesta no puede ser desplazada más hacia abajo, de otra forma, no habría viabilidad térmica; si la curva fría compuesta se mueve hacia arriba, se obtiene menor integración de calor, por lo tanto se requieren más servicios Arriba del pinch existe un exceso de servicio de enfriamiento y debajo del pinch un exceso de servicio de calentamiento Fuente : Pollution Prevention through Process Integration, M. M. El-Halwagi 2. Fundamentos 2.3. Generalidades de la Integración de Masa, Energía y Propiedades 2.3.2. Integración de Calor

Texas A&M University 167 Se puede realizar un análisis similar al empleado para la integración de masa para aplicar el diagrama algebráico de cascada, el número de intervalos z es: 2. Fundamentos 2.3. Generalidades de la Integración de Masa, Eenrgía y Propiedades 2.3.2. Integración de Calor (54) Para elaborar la Tabla de Carga de Calor Intercambiable (TEHL) necesitamos: (55) (56) Fuente : Pollution Prevention through Process Integration, M. M. El-Halwagi

Texas A&M University 168 La carga colectiva total para las corrientes de proceso frías y calientes son: 2. Fuente 2.3. Generalidades de la Integración de Masa, Energía y Propiedades 2.3.2. Integración de Calor (57) (58) Fuente : Pollution Prevention through Process Integration, M. M. El-Halwagi

Texas A&M University 169 Como fue mencionado para la masa intercambiada, es viable tranferir calor de una corriente caliente de proceso a una fría dentro de cada intervalo de temperatura; un balance de calor alrededor de un intervalo de temperatura nos lleva a: 2. Fundamentos 2.3. Generalidades de la Integración de Masa, Energía y Propiedades 2.3.2. Integración de Calor Z Calor Añadido por la Corriente Caliente de Proceso Calor Residual del Intervalo Anterior Calor Residual al Siguiente Intervalo Calor Removido por la Corriente Fría de Proceso

Texas A&M University 170 2. Fundamentos El balance de calor es: 2.3. Generalidades de la Integración de Masa, Energía y Propiedades 2.3.2. Síntesis de la HEN, Enfoque Algebráico (59) Fuente : Pollution Prevention through Process Integration, M. M. El-Halwagi

Texas A&M University 171 La TID resultante es: 2. Fundamentos 2.3. Generalidades de la Integración de Masa, Energía y Propiedades¿ 2.3.2. Integración de Calor Intervalo Corrientes CalientesCorrientes Frías

Texas A&M University 172 Integración de Propiedades: “Funcionalidad basada en un enfoque holístico para distribuir y manipular las corrientes y unidades de procesamiento, que está basado en el rastreo, ajuste, asiganción y combinación de funcionalidades a través dle proceso” 2. Fundamentos 2.3. Generalidades de la Integración de Masa, Energía y Propiedades 2.3.3. Integración de Propiedades Fuente : Property Integration: Componentless Design Technique and Visualization Tools

Texas A&M University 173 Los componentes de los balances de masa son una parte integral del diseño de procesos. Existen varios problemas de diseño en los cuales el diseñador está interesado en un grupo de propiedades como viscosidad, corrosión, densidad, etc. La elección del solvente es un claro ejemplo en donde uno se interesa en la volatilidad, viscosidad, distribución al equilibrio, en lugar de sus constituyentes químicos. 2. Fundamentos 2.3. Generalidades de la Integración de Masa, Energía y Propiedades 2.3.3. Integración de Propiedades Fuente : Component less design of recovery and allocation systems: a functionality based approach

Texas A&M University 174 Las herramientas de visualización de propiedades están limitadas a 3 propiedades, se usa un enfoque algebráico para manejar casos más complejos. La ventaja de las herramientas de visualización está basada en el interior del proceso y cómo se puede atacar el problema de diseño. Para aplicar este método a un conjunto de propiedades necesitamos introducir el concepto de cluster (grupo) Las propiedades no se conservan, como resultado no pueden ser rastreadas entre las unidades sin el uso de blanaces de masa; este problema continuo no permite identificar cada especie química, e.g. Gasolina 2. Fundamentos 2.3. Generalidades de la Integración de Masa, Energía y Propiedades 2.3.3. Integración de Propiedades

Texas A&M University 175 Cluster “Definido como propiedades sustitutas condensadas que puede ser usadas para caracterizar la mezcla compleja y pueden ser rastreadas “mapeando” las propiedades crudas de compuestos infinitos en dominios finitos” 2. Fundamentos 2.3. Generalidades de la Interación de Masa, Energía y Propiedades 2.3.3. Integración de Propiedades Fuente : Component less design of recovery and allocation systems: a functionality based approach

Texas A&M University 176 El problema es: dado un número de corrientes de proceso N s que contienen especies químicas de interés, pueden ser usadas en varios sinks N sinks (unidades de proceso) para optimizar un objetivo deseado, e.g. minimizar el uso de recursos limpios, maximizar el uso de recursos de proceso, minimizar los costos de corrientes externas, etc. Cada sink tiene un conjunto de restricciones definidas como: 2. Fundamentos 2.3. Generalidades de la Integración de Masa, Energía y Propiedades 2.3.3. Integración de Propiedades Fuente : Component less design of recovery and allocation systems: a functionality based approach

Texas A&M University 177 Cada corriente puede ser caracterizada por propiedades crudas Nc con una regla de mezclado que caracteriza a una corriente dada 2. Fundamentos 2.3. Generalidades de la Integración de Masa, Energía y Propiedades 2.3.3. Integración de Propiedades Fuente : Component less design of recovery and allocation systems: a functionality based approach (60)

Texas A&M University 178 p i,s puede ser normalizada como: 2. Fundamentos 2.3. Generalidades de la Integración de Masa, Energía y Propiedades 2.3.3. Integración de Propiedades Un índice aumentado de propiedades (AUP) cada cada corriente s, es definido como la suma de los operadores no dimensionales de las propiedades crudas: (61) (62)

Texas A&M University 179 C i,s es el cluster para la propiedad i en la corriente s 2. Fundamentos 2.3. Generalidades de la Integración de Masa, Energía y Propiedades 2.3.3. Integración de Propiedades Para cada corriente s, la suma de los clusters debe de conservarse añadiendo una constante, e.g. unidad (63) (64)(65)

Texas A&M University 180 2. Fundamentos 2.3. Generalidades de la Integración de Masa, Energía y Propiedades 2.3.3. Integración de Propiedades El marco de trabajo para la distribución e intercepción para la integración de proiedades es: Red de Integración de Propiedades (PIN) u = 1 u = 2 u = N sinks............ Fuentes Procesadas (de vuelta al proceso) s =1 FuentesFuentes Sustitutas Sinks

Texas A&M University 181 2. Fundamentos 2.3. Generalidades de la Integración de Masa, Energía y Propiedades 2.3.3. Integración de Propiedades Considere un cluster de la corriente s a la unidad u, con tres propiedades objetivo (targeted) i, j, k; tenemos: (66) (67)

Texas A&M University 182 2. Fundamentos 2.3. Generalidades de la Integración de Masa, Energía y Propiedades 2.3.3. Integración de Propiedades Para obtener una sobre-estimación de la regipón de viabilidad, tenemos: (68) (69)

Texas A&M University 183 2. Fundamentos 2.3. Generalidades de la Integración de Masa, Energía y Propiedades 2.3.3. Integración de Propiedades (70) (73)(71) (72) Para distribuir, mezclar o interceptar corrientes es necesario identificar la región de viabilidad para los sinks, usando las siguientes relaciones:

Texas A&M University 184 2. Fundamentos 2.3. Generalidades de la Integración de Masa, Energía y Propiedades 2.3.3. Integración de Propiedades (74) Estos puntos necesitarán ser graficados en un diagrama ternario, mostrado en la siguiente diapositiva Fuente : Component less design of recovery and allocation systems: a functionality based approach

Texas A&M University 185 2. Fundamentos 2.3. Generalidades de la Integración de Masa, Energía y Propiedades 2.3.3. Integración de Propiedades ¿Cómo leer un diagrama ternario? C es establecida desde cero en la parte superior derecha hasta 100% en la parte inferior izquierda B es establecida desde cero en la parte superior izquierda hasta 100% en la parte inferior derecha A es establecida desde cero en el fondo hasta 100%superior

Texas A&M University 186 2. Fundamentos 2.3. Generalidades de la Integración de Masa, Energía y Propiedades 2.3.3. Integración de Propiedades CiCi CkCk CjCj C i,s max C j,s min C j,s max C k,s min C k,s max C j,s min Región Sobreestimada Necesitamos encontrar la verdadera estimación de la región de viabilidad (para una explicación más detallada de cómo obtener estos resultados, revise las referencias al final del módulo)

Texas A&M University 187 2. Fundamentos 2.3. Generalidades de la Integración de Masa, Energía y Propiedades 2.3.3. Integración de Propiedades CiCi CkCk CjCj Región Verdadera

Texas A&M University 188 2. Fundamentos 2.3. Generalidades de la Integración de Masa, Energía y Propiedades 2.3.3. Integración de Propiedades Para graficar estos diagramas en una hoja de cálculo, necesitamos relacionar las coordenadas ternarias en el plano X vs Y: CiCi CkCk CjCj Y X (0.866, 0.50) (1, 0) (0, 0) YsYs XsXs S C i,s

Texas A&M University 189 2. Fundamentos 2.3. Generalidades de la Integración de Masa, Energía y Propiedades 2.3.3. Integración de Propiedades (75) Las ecuaciones que relacionan X vs Y con coordenadas ternarias son: (76) Fuente : Component less design of recovery and allocation systems: a functionality based approach

Texas A&M University 190 2. Fundamentos 2.3. Generalidades de la Integración de Masa, Energía y Propiedades 2.3.3. Integración de Propiedades El siguiente paso es establecer las reglas de optimización: Relación de costos con la contribución fraccional de fuentes Considere dos fuentes s y s+1 que son mezcladas para satisfacer las restricciones de las sinks, sea x s y x s+1 la fracción de contribución de las fuentes s y s+1 a la velocidad de flujo total de la mezcla. Sea s más cara que s+1, como Cost s >Cost s+1, por lo tanto tenemos: Costo mezcla = x s (Costo s – Costo s+1 ) + Costo s+1 De la ecuación anterior podemos concluir que para minimzar el costo de la mezcla x s debe ser minimizado (77) Fuente : Component less design of recovery and allocation systems: a functionality based approach

Texas A&M University 191 2. Fundamentos 2.3. Generalidades de la Integración de Masa, Energía y Propiedades 2.3.3. Property Integration Regla No. 1 “Cuando dos fuentes (s y s+1) son mezcladas para satisfacer las restricciones de un sink con fuente s siendo más cara s+1, la minimización del Costo mezcla se alcanza sleccionando el valor menor viable de x s ” Fuente : Component less design of recovery and allocation systems: a functionality based approach

Texas A&M University 192 2. Fundamentos 2.3. Generalidades de la Integración de Masa, Energía y Propiedades 2.3.3. Integración de Propiedades Derivación de las relaciones entre los brazos mínimos cluster (  s ) y la contribución factorial mínima x s x s no puede ser visualizada en un diagrama ternario, el brazo de palanca en el diagrama de cluster ternario representa otra cantidad definida como  s, para relacionar ambas cantidades, AUP es descrita por la ecuación 62 Fuente : Component less design of recovery and allocation systems: a functionality based approach (78) (79)

Texas A&M University 193 2. Fundamentos 2.3. Generalidades de la Integración de Masa, Energía y Propiedades 2.3.3. Integración de Propiedades Rearreglando: Fuente : Component less design of recovery and allocation systems: a functionality based approach Tomando la priemara derivada: (80) (81)

Texas A&M University 194 2. Fundamentos 2.3. Generalidades de la Integración de Masa, Energía y Propiedades 2.3.3. Integración de Propiedades Rearreglando y simplificando: Fuente : Component less design of recovery and allocation systems: a functionality based approach De la regla 2 anteriormente descrita, obtiene: (82)

Texas A&M University 195 2. Fundamentos 2.3. Generalidades de la Integración de Masa, Energía y Propiedades 2.3.3. Integración de Propiedades Regla No. 2 “En un diagrama cluster ternario, la minimización del brazo del cluster de una fuente corresponde a la minimización de la contribución del flujo de esa fuente; el mínimo  s corresponde al mínimo x s ” Fuente : Component less design of recovery and allocation systems: a functionality based approach

Texas A&M University 196 2. Fundamentos 2.3. Generalidades de la Integración de Masa, Energía y Propiedades 2.3.3. Integración de Propiedades Fuente : Component less design of recovery and allocation systems: a functionality based approach Considere el caso de una fuente externa limpia F, el objetivo es minimizar su uso. Una corriente de proceso interno W que puede ser reciclada o reusada para reducir el uso de F. Se desea mezclarlas para obtener un costo mínimo de mezcla que satisfaga las restricciones del sink; la alimentación al sink está sujeta a un número de restricciones de propiedad que pueden ser “mapeadas” en un diagrama cluster, como se indica a continuación

Texas A&M University 197 2. Fundamentos 2.3. Generalidades de la Integración de Masa, Energía y Propiedades 2.3.3. Integración de Propiedades Fuente : Component less design of recovery and allocation systems: a functionality based approach CiCi CkCk CjCj W F Sink  F Óptimo c b a La distancia mínima es la única condición necesaria. Para suficiencia AUP y el flujo deben coincidir Mezclas Múltiples

Texas A&M University 198 2. Fundamentos 2.3. Generalidades de la Integración de Masa, Energía y Propiedades 2.3.3. Integración de Propiedades Fuente : Component less design of recovery and allocation systems: a functionality based approach CiCi CkCk CjCj W1W1 F Sink FF Para múltiples fuentes la línea que conecta W 1 y W 2 representa las posibles mezclas, el punto óptimo de mezclado es aquél que da el  s mínimo Mezclas Múltiples Caso de Fuentes Múltiples: W2W2

Texas A&M University 199 2. Fundamentos 2.3. Generalidades de la Integración de Masa, Energía y Propiedades 2.3.3. Integración de Propiedades Fuente : Component less design of recovery and allocation systems: a functionality based approach CiCi CkCk CjCj W F Sink Cuando la corriente de proceso W no logra el objetivo, la corriente puede ajustarse con un equipo de intercepción, e.g. separación, radiación, etc. El ajuste de propiedades cambiará el valor del cluster Ajustando propiedades W interceptada

Texas A&M University 200 2. Fundamento 2.3. Generalidades de la Integración de Masa, Energía y Propiedades 2.3.3. Integración de Propiedades Fuente : Component less design of recovery and allocation systems: a functionality based approach Para un punto de mezclado elegido y una  s deseada, el brazo limpio puede ser dibujado para determinar la ubicación deseada de la distribución de W interceptada. Además, ya que los valores AUP son conocidos para F y el punto de mezclado del sink, se puede introducir el valor objetivo de x F en la Ecuación 78 para calcular el valor deseado de AUP para W interceptada. Una vez que W inteceptada y AUP son conocidas, podemos resolver las ecuaciones de cluster en sentido contrario (final-principio) para calcular las propiedades crudas de W interceptada

Texas A&M University 201 2. Fundamentos 2.3. Generalidades de la Integración de Masa, Energía y Propiedades 2.3.3. Integración de Propiedades Fuente : Component less design of recovery and allocation systems: a functionality based approach Esta es la mínima extensión de intercepción para lograr el máximo reciclaje de W o el mínimo uso de F, ya que la intercepción adicional llevará al mismo objetivo (target) o mínimo uso pero resultará en un punto de mezclado dentro del sink y no sólo en los alrededores del sink Una vez que la tarea de intercepción está definida, se pueden usar técnicas convencionales de síntesis de proceso para desarrollar el diseño y los parámetros de operación para el sistema de intercepción. Se puede repetir el mismo procedimiento para puntos múltiples de mezclado resultando en la tarea de identificación de la ubicación de la mínima extensión de intercambio posible

Texas A&M University 202 2. Fundamentos 2.3. Generalidades de la Integración de Masa, Energía y Propiedades 2.3.3. Integración de Propiedades Fuente : Component less design of recovery and allocation systems: a functionality based approach CiCi CkCk CjCj W F Sink Localización de la mínima extensión de intercepción Identificación de la Localización

Texas A&M University 203 2. Fundamentos 2.3. Generalidades de la Integración de Masa, Energía y Propiedades 2.3.3. Integración de Propiedades Multiplicidad de Valores Óptimos de AUP Un punto cluster integrado por C 1 sink, C 2 sink, C 3 sink puede corresponder a múltiples combinaciones de propiedades que pueden dar el mismo valor de cluster. Como resultado se puede tener n Multiple, puntos dentro del dominio de viabilidad de propiedades dado un sólo valor del cluster. Se deben satisfacer tres condiciones para asegurar la viabilidad de las fuentes o mezclas de las fuentes que van hacia un sink: 1. El valor del cluster de la fuente debe estar contenido en la región de viabilidad del sink en el diagrama del cluster 2. Los valores para AUP de la fuente y del sink deben coincidir 3. A velocidad de flujo de la fuente debe caer dentro del rango aceptable de flujo de alimentación del sink Fuente : Component less design of recovery and allocation systems: a functionality based approach

Texas A&M University 204 2. Fundamentos 2.3. Generalidades de la Integración de Masa, Energía y Propiedades 2.3.3. Integración de Propiedades De la Regla No. 1, la minimización de x s minimizará el Costo Mezcla, por lo tanto, necesitamos seleccionar un AUP m (dado para las propiedades de viabilidad p 1,m, p 2,m, p 3,m ) que serán minimizadas por el por la siguiente relación entre AUP m y x s. Fuente : Component less design of recovery and allocation systems: a functionality based approach (83) (84)

Texas A&M University 205 2. Fundamentos 2.3. Generalidades de la Integración de Masa, Energía y Propiedades 2.3.3. Integración de Propiedades Minimzar xs y como resultado el costo a elegir: Fuente : Component less design of recovery and allocation systems: a functionality based approach Si ninguna mezcla coincide con el AUP elegido para el sink para el caso dado por la Ecuación 84, entonces se debe disminuir el valor de AUP del sink empezando con Argmax AUPm hasta obtener el valor más alto de AUPm dentro del rango de viabilidad de AUP que coincida con el de la mezcla; el mismo procedimiento para la Ecuación 85, aumentando el valor de AUP del sink empezando con Argmin AUPm hasta obtener el valor más alto contenido dentro del rango de viabilidad del sink que coincida con la mezcla (85) (86)

Texas A&M University 206 2. Fundamentos 2.3. Generalidades de la Integración de Masa, Energía y Propiedades 2.3.3. Integración de Propiedades Fuente : Component less design of recovery and allocation systems: a functionality based approach Actualmente se está desarrollando una investigación para diseñar herramientas que cubran los casos de 1, 2, y más propiedades. Este es un campo de investigación muy dinámico y cambiante

Texas A&M University 207 TIER II

Texas A&M University 208 El diagra de flujos del uso de llantas para combustible del proceso de una planta se muestra en el asiguiente diapositiva, el cual es una descripción más completa del Ejemplo 2. El rompimiento de las llantas se logra usando jets de agua a alta presión. Las llantas “desmenuzadas” se alimentan al proceso mientras mientras se filtra el agua gastada. La “torta” recolectada por filtración es enviada al manejo de residuos sólidos. El filtrado es mezclado con 0.20 kg/s de agua limpia para compensar las pérdidas de agua en la “torta”, 0.08 kg agua/s y las llantas “desmenuzadas” 0.12 kg agua/s. La mezcla de filtrado y agua es alimentada a la estación de alta presión para reciclaje de la unidad de rompimiento de llantas. Debido a las reacciones de pirólisis, se generan 0.08kg. 3. Caso de Estudio 3.1. Llantas para Combustible del Proceso de una Planta

Texas A&M University 209 La planta presenta dos principales fuentes de agua de desecho, el decantador (0.20 kg agua/s y el sello 0.15 kg/s). La planta ha transportado el agua de desecho para un tratamiento fuera de planta. El costo del transporte y tratamiento del agua de desecho es $0.02/kg llevando a un costo total aproximado de $129,000/año 3. Caso de Estudio 3.1. Llantas para Combustible del Proceso de una Planta

Texas A&M University 210 3. Caso de Estudio Filtración Compresión Jet de Rompimiento con Agua Reacot de Pirólisis Separación Terminado Condensador Decantador Flama Sello Agua limpia 0.20 kg/s 0 ppmw Torta Húmeda a Manejo de Sólidos 0.08 kg/s, 0 ppmw Llantas Llantas “desmenuzadas” Gases de Salida del Reactor Combustible Gaseoso Agua de desecho a tratamiento 0.20 kg/s 500 ppmw Agua limpia 0.15 kg/s 0 ppmw Combustible Ligero Gas de Flama, 0.15 kg/s 200 ppmw Agua de desecho a tratamiento, 0.15 kg/s 0 ppmw Combustible Líquido A la atmósfera Diagrama de Flujo de Llantas para Combustible del Proceso de una Planta

Texas A&M University 211 La planta desea eliminar el tratamiento fuera de sitio del agua de desecho para evitarse ese costo ($129,000/año) y cumplir con los requerimientos legales en caso de accidentes o tratamiento inadecuado del agua de desecho. Para obtener la autorización del presupuesto del capital, la planta debe seguir los siguientes criterios económicos: 3. Caso de Estudio 3.1. Llantas para Combustible del Proceso de una Planta

Texas A&M University 212 Datos Económicos Costo fijo del sistema de extracción asociado con S 2. $ = 130,000 (flujo del agua de desecho, kg/s) 0.60 Costo fijo del sistema de adsorción asociado con S 3, $ = 800,000 (flujo del agua de desecho, kg/s) 0.72 Costo fijo del sistema de lavado (stripping) asociado con S 4, $ = 280,000 (flujo de agua de desecho, kg/s) 0.66 Un complejo de biotratamiento puede manejar 0.35kg/s agua de desecho a un costo fijo de $260,000 y un costo de operación annual de $72,000/año Datos Técnicos El agua puede ser reciclada a dos sinks: el sello y el jet de agua 3. Caso de Estudio 3.1. Llantas para Combustible del Proceso de una Planta

Texas A&M University 213 Estación de compresión. Se deben satisfacer las siguientes restricciones de la velocidad de flujo y composicoón de contaminantes (orgánicos pesados) : Sello 0.10  Velocidad de Flujo del agua de alimentación (kg/s)  0.20 0  Contenido de contaminantes en el agua de alimentación (ppmw)  500 Recuperación a la estación de compresión de jet-agua 0.18  Velocidad de flujo del agua de recuperación (kg/s)  0.20 0  Contenido de contaminantes en el agua de recuperación (ppmw)  50 3. Caso de Estudio 3.1. Llantas para Combustible del Proceso de una Planta

Texas A&M University 214 Solución Empezaremos con el balance de masa general, note que 0.12 kg/s de agua se pierden en el proceso y no pueden ser reusados 3. Caso de Estudio Genreación de Agua 0.08kg/s 0.2 kg/s a la Estación de Compresión 0.15 kg/s al Sello 0.08 kg/s de la Torta Húmeda 0.15 kg/s del Sello 0.2 kg/s del Decantador 3.1. Llantas para Combustible del Proceso de una Planta

Texas A&M University 215 Solución Del balance global de masa podemos establecer los objetivos (targets) para el uso de agua limpia y la producción del agua de desecho 3. Caso de Estudio Generación de Agua 0.08kg/s 0.2 kg/s 0.15 kg/s 0.08 kg/s 0.35 kg/s Sin Agua Limpia 0.08 kg/s Agua de desecho El diagrama de fuente se muestra en la siguiente diapositiva 3.1. Llantas para Combustible del Proceso de una Planta

Texas A&M University 216 3. Caso de Estudio Sello A.D. del Decantador Estación de Compresión A.D. del Sello A.D. de la Torta Húmeda Diagrama Fuente

Texas A&M University 217 Del diagrama fuente/sink podemos observar que el agua de desecho (A.D.) del decantador puede ser aceptada sólo por el sello; la composición de salida del agua de desecho proveniente del sello es 400 ppmw (del diagrama pinch) somo lo muestra el Ejemplo 2 3. Caso de Estudio 3.1. Llantas para Combustible del Proceso de una Planta

Texas A&M University 218 Masa Intercambiada 10 -6 3. Caso de Estudio Composición del Sello 3.1. Llantas para Combustible del Proceso de una Planta Diagrama Pinch

Texas A&M University 219 Sello A. D. del Decantador Estación de Compresión A.D. del Sello A. D. de la Torta Húmeda 3. Caso de Estudio Fuente Diagrama

Texas A&M University 220 El agua de desecho proveniente del sello no puede ser reciclado directamente a la estación de compresión debido a su alta concentración de contaminantes, por lo tanto se requiere tratarla usando un ASM externo como se mostró en el Ejemplo 2; para este caso S 4 es el mejor agente de lavado (stripping), el cual disminuirá la composición a 50ppmw 3. Caso de Estudio 3.1. Llantas para Combustible del Proceso de una Planta

Texas A&M University 221 3. Caso de Estudio Sello A.D. del Decantador Estación de Compresión A.D. del Lavador (Stripper) A.D. de la Torta Húmeda A.D. del Sello 3.1. Llantas para Combustible del Proceso de una Planta Fuente Diagrama

Texas A&M University 222 3. Caso de Estudio Filtration Compression Water Jet Shredding Pyrolisis Reactor Separation Finishing Condenser Decanter Flare Seal Pot Llantas Gases de Salida del Reactor Stripper Diagrama de Flujo de Llantas para Combustible del Proceso de una Planta (Revisado) Jet de Rompimiento con Agua Reacot de Pirólisis Separación Terminado Condensador Decantador Flama Sello Torta Húmeda a Manejo de Sólidos Llantas “desmenuzadas” Combustible Gaseoso Combustible Ligero Gas de Flama Combustible Líquido A la atmósfera

Texas A&M University 223 Ahora compararemos las diferentes alternativas para tomar una decisión. Para la planta de biotratamiento tenesmos: 3. Caso de Estudio Ahorro de Costos Anulizados = $129,000/año - $72,000/año = $57,000/año Retorno = $260,000 / $57,000/año = 4.56 años Para el sistema de reciclaje/lavado: Ahorro de Costos Anualizados = $129,000/año - $84,270.5/año = $44,729.5/año Retorno = $96,791.6 / $44,729.5/año = 2.16 años Costos Fijos del Lavado = $280,000(0.2) 0.66 = $96,791.6 3.1. Llantas para Combustible del Proceso de una Planta

Texas A&M University 224 De los resultados podemos concluir que la alternativa reciclaje/lavado es la mejor opción económica y técnica. Necesitamos señalar que el agua contenida en la torta húmeda no será recuperada ni tratada 3. Caso de Estudio 3.1. Llantas para Combustible del Proceso de una Planta

Texas A&M University 225 3. Caso de Estudio 3.2. Planta de Proceso de Pulpa y Papel Las astillas son concinadas químicamente en un digestor Kraft usando licor blanco (principalmente NaOH y Na 2 S). El licor negro (licor blanco gastado) es convertido en licor blanco con un ciclo de recuperación. La pulpa “digerida” (digested) es blanqueada para obtener pulpa blanqueada (fibra I). La planta compra pulpa de otra planta (fibra II), la pulpa entonces es enviada a dos diferentes máquinas de papel (Sink I y Sink II). La máquina de papel I usa 200 tons/hr de fibra I. Una mezcla de fibra I y II (20 ton/hr y 30 ton/hr, respectivamente) es alimentada a la máquina de papel II. Debido a las interrupciones y otras alteraciones, una cierta cantidad de papel, parcial y totalmente manufacturado, es rechazado.

Texas A&M University 226 3. Caso de Estudio Se hace referencia de la fibra rechazada como fibra rota, la cual pasa a través de un “hidro-pulpador” (hydro-pulper) y un hidro-tamiz, obteniéndose dos corrientes, un sub-flujo que es quemado y un sobre-flujo que va a la planta de tratamiento de desechos. Parte de la “rota” contiene fibras que pueden ser recicladas para producir papel. Las propiedades que son importantes para el proceso son: –Material cuestionable (MC), material no deseado en la fibra –Reflectividad (R), reflectancia de un material espeso infinito comparado don un estándar –Coeficiente de absorción (k), medida de la abosrtividad de luz en las fibras 3.2. Planta de Proceso de Pulpa y Papel

Texas A&M University 227 3. Caso de Estudio Las reglas de mezclado son: 3.2. Planta de Proceso de Pulpa y Papel

Texas A&M University 228 3. Caso de Estudio Digestor Kraft Ciclo de Recuperación Química Blanqueado Máquina de Papel I Máquina de Papel II Hydro- Pulpa Hidro- Tamiz Fibra II Fibra I Rechazo Papel II Papel I Subflujo Rota (Sobreflujo) Pulpa Licor Negro Licor Blanco Astillas OM =0.085 k = 0.0013 R = 0.95 OM =0.0 k = 0.0012 R = 0.85 OM =0.0 k = 0.00065 R = 0.95 20 t/hr 30 t/hr 200 t/hr

Texas A&M University 229 3. Caso de Essudio 3.2. Planta de Proceso de Pulpa y Papel Restricciones para la Máquina de Papel I, PropiedadLímite InferiorLímite Superior Flujo Restricciones para la Máquina de Papel II, PropiedadLímite InferiorLímite Superior Flujo fracción masa

Texas A&M University 230 3. Caso de Estudio 3.2. Planta de Proceso de Pulpa y Papel Propiedades de las Fuentes de Fibra Fuente (fracción masa) Vel. de flujo Max. disponible o Rota Fibra I Fibra II

Texas A&M University 231 1.Determine la ubicación óptima de las tres fuentes, fibra I, II y “rota” para un reciclo/reuso directo sin uso de nuevo equipo 2.Para maximizar el uso de los recursos del proceso y minimizar las descargas de desecho (“rota”), ¿cómo debe cambiar el diseñador las propiedades de la “rota” para lograr un reciclaje máximo? 3. Caso de Estudio 3.2. Planta de Proceso de Pulpa y Papel

Texas A&M University 232 Solución Para traducir los datos desde un dominio de propiedades a un dominio de cluster, seleccionaremos arbitrariamente valores de referencia como: 3. Caso de Estudio 3.2. Planta de Proceso de Pulpa y Papel

Texas A&M University 233 Calcularemos los valores del cluster para las fuentes como sigue: 3. Caso de Estudio 3.2. Planta de Proceso de Pulpa y Papel Fuente Rota Fibra I Fibra II

Texas A&M University 234 3. Caso de Estudio 3.2. Planta de Proceso de Pulpa y Papel Similarmente para la Fibra I y II, obtenemos:

Texas A&M University 235 3. Caso de Estudio 3.2. Planta de Proceso de Pulpa y Papel Ahora cambiaremos los puntos ternarios a un gráfica X vs Y

Texas A&M University 236 3. Caso de Estudio 3.2. Planta de Proceso de Pulpa y Papel

Texas A&M University 237 Rota Fibra IFibra II C OM CkCk CRCR

Texas A&M University 238 Ahora ubicaremos los sinks en el diagrama usando el punto ilustrado en la diapositiva 187 3. Caso de Estudio 3.2. Planta de Proceso de Pulpa y Papel Para el Sink I:

Texas A&M University 242 3. Caso de Estudio 3.2. Planta de Proceso de Pulpa y Papel Para el Sink I, continuación:

Texas A&M University 246 Rota Fibra I Fibra II C OM CRCR CkCk Sink I

Texas A&M University 247 Similarmente, para el Sink II tenemos: 3. Caso de Estudio 3.2. Planta de Proceso de Pulpa y Papel Bajo Alto

Texas A&M University 248 Rota Fibra IFibra II Sink II C OM CRCR CkCk Sink I y Fuentes

Texas A&M University 249 Ahora identificaremos la distancia mínima para el Sink 1, que minimizará el uso de recursos limpios 3.2. Pulp and Paper Process Plant Rota Fibra I Fibra II C OM CRCR CkCk Sink I

Texas A&M University 250 (0.27, 0.85) C OM CkCk CRCR Para obtenerla longitud del brazo y obtener  s podemos medirlo en la gráfica, o: or Por Ecuación 65 y Fuentes

Texas A&M University 251 La distancia entre la mezcla y la rota es: 3. Caso de Estudio 3.2. Planta de Proceso de Pulpa y Papel La distancia total es:

Texas A&M University 252 Por lo tanto  s es: 3. Caso de Estudio 3.2. Planta de Proceso de Pulpa y Papel Usando la Ecuación 65:

Texas A&M University 253 De la Ecuación 86, AUP m óptimo = 2.035 3. Caso de Estudio 3.2. Planta de Proceso de Pulpa y Papel Por lo que x s es:

Texas A&M University 254 TIER III

Texas A&M University 255 4. Problema Propuesto-Resuelto (Open-Ended) En el siguiente diagrama de flujo se presenta una planta de etileno/etil benceno. Gas aceite es roto (cracked) con vapor en un horno de pirólisis para formar etileno, gases de bajo BTU, hexano, heptano e hidrocarburos pesados. El etileno es puesto a reaccionar con con benceno para formar etil benceno. Dos corrientes de agua de desecho se forman, una es agua de enfriamiento reciclada para enfriar la torre y la segunda es el agua de desecho de la planta de etil benceno. El contaminante principal en las dos corrientes de desecho es beceno. Éste debe ser removido del agua de desecho que será usada para enfriar la torre de enfriamiento, proveniente de la unidad de asentamiento, hasta una concentración de 180ppm antes de que ésta puede ser reciclada a la torre de enfriamiento y al boiler del tratamiento de agua de desecho. El benceno debe ser removido del agua de desecho proveniente de la unidad baja de separación hasta una composición de antes de que la corriente de agua de desecho sea enviada al biotratamiento

Texas A&M University 256 Horno de Pirólisis Boiler de Tratatamiento de Agua Torre de Enfriamiento Asentador Separación Superior Reactor Etil-benceno Separación Baja Aceite Gaseoso Vapor Agua Limpia Rechazo Agua de descho 150kg/s 1100ppm Agua Limpia Benceno Agua de desecho 70kg/s 2100ppm Descarga de Combustibles Reciclo de Agua de Enfriamiento A Biotratamiento Gases de BTU bajos Hexano 0.8kg/s 10ppmw Heptano 0.4kg/s 17ppmw Hidrocarburos Pesados Etilbenceno

Texas A&M University 257 4. Problema Propuesto-Resuelto (Open-Ended) Las corrientes de heptano y hexano serán usadas para recuperar parte del benceno, la composición final deseada de éstos es desconocida y debe ser determinada por el ingeniero, después de ser enviados al terminado y almacenamiento. Las fuerzas de trasferencia de masa  1 y  2, deben ser al menos 25,000 y 29,000ppmw respectivamente. Los datos al equilibrio para la transferencia de benceno desde el agua de desecho al hexano (1) y heptano (2) son: y = 0.012x 1 y = 0.009x 2 Donde y, x 1 y x 2 están en fracción masa. Se consideran dos ASM externos para la remoción de benceno; aire y carbón activado. El aire es comprimido a 2 atmósferas antes del lavado. Después del lavado, el benceno es separado del aire usando condensación.

Texas A&M University 258 4. Problema Propuesto-Resuelto (Open-Ended) Se puede usar la ley de Henry para predecir el equilibrio para el proceso de lavado. El carbón activado es regenerado usando vapor a una razón de 2Kg de vapor: 1Kg de benceno absorbido por el carbón. La recuperación a una razón de 1.2% de carbón activado recirculado es necesaria para compensar las perdidas debidas a regeneración y desactivación. En el rango de operación, la relación de equilibrio para la transferencia de benceno desde el agua de desecho al carbón activado puede describirse como: y = 6.8x10 -4 x 4

Texas A&M University 259 4. Problema Propuesto-Resuelto (Open-Ended) 1.Etiquetar las corrientes ricas y pobres 2.Construir el diagrama pinch, identificar la ubicación del pinch, mínima carga de benceno a ser removida por un ASM externo y la carga en exceso. Considerar los cuatro ASM para elegir y encontrar el MOC necesario para remover el benceno. Use los datos de costos de la diapositiva 97 3.Aplique el enfoque algebraico 4.Diseñe la red para la planta y dibuje el diagrama de flujo modificado 5.Comente sus resultados, ¿qué limitantes cree que presentan los métodos usados en los cálculos (si es que las hay)?, ¿a qué conclusiones puede llegar basado en sus resultados?

Texas A&M University 260 Quiero agradecer por su cooperación y su ayuda Dr. Mahmoud M. El-Halwagi Professor Texas A&M Dr. Jules Thibault Professor University of Ottawa Dr John T. Baldwin Professor Texas A&M Dr. Dustin and Georgina Harrel Texas A&M Vasiliki Kazantzi PhD student Texas A&M Qin Xiaoyun Researcher Candidate Texas A&M Daniel Grooms PhD student Texas A&M William Acevedo, Abril 2004 5. Agradecimientos

Texas A&M University 261 El-Halwagi M. Mahmoud, Pollution Prevention through Process Integration Systematic Design Tool, Academic Press, 1997 El-Halwagi M. Mahmoud, Glasgow M. Ian, Eden R. Mario, Qin Xiaoyun, Property Integration: Componentless Design Techniques and Visualization Tools, Texas A&M Kazantzi V., Harell D., Gabriel F., Qin X., El-Halwagi M.M., Property Based Integration For Sustainable Design, AIChE Annual Meeting, 2003 Seider D. Warren, Seader J.D., Lewin Daniel R., Product and Process Design Principles, Wiley International, 2004, 2 d ed Shelley, M.D. and El-Halwagi M.M., Component-less Design of Recovery and Allocation Systems: A Functionality based Clustering Approach, Computers and Chemical Engineering, 24, 2081-2091, 2000 Qin X., Gabriel F., Harell D., El-Halwagi M.M., Algebraic Techniques for Property Integration Via Componentless Design, Texas A&M Referencias

1. Texas A&M University 2 MÓDULO 8 – Nível III Introducción a la Integración de Procesos.

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