Diseño de procesos Dr Edgar Ayala Herrera EJEMPLO DE APLICACIÓN DEL METODO DE JERARQUIZACIÓN DE DOUGLAS PARA LA SINTESIS DEL PROCESO

Procedimiento de Decisión Jerárquico Procedimiento de diseño evolucionario a través de sucesivos niveles de decisión establecidos en forma jerárquica. Se parte de una solución inicial aproximada, generada sobre la base de REGLAS heurísticos. Refinamiento sucesivo del diseño inicial hacia el diseño final. Cada nivel de decisión termina con un análisis económico asociado a las variables de diseño.

Niveles Jerárquicos de Decisión (Douglas, 1985). Procesos batch versus procesos continuos. Nivel 2. Estructura de entrada-salida del proceso. Nivel 3. Estructura de reciclo del flowheet y de sistema de reactores. Nivel 4. Especificación del sistema de separación. 4a) Sistema de recuperación del vapor 4b) Sistema de recuperación de líquidos Nivel 5. Red de Intercambio energético.

Aplicación del Procedimiento de Diseño Jerárquico (Douglas) Ejemplo: Proceso de hidroalquilación de tolueno para producir benceno (Proceso HDA)

OPCIONES A CONSIDERAR PARA DECIDIR LA Estructura de entrada-salida del proceso 1. La corriente de alimentación …¿Debería purificarse antes que ingrese al proceso? 2. Un subproducto reversible … ¿Debería removerse o hacerlo recircular? 3. ¿Debería usarse un reciclo de gas con una corriente de purga? 4. Los reactantes sin convertir… ¿Deberían recuperarse o hacerlos recircular? 5. Corrientes efluentes … ¿Cuántas debería haber? 6. ¿Cuáles son las variables de diseño, y qué aspectos económicos están asociados con ellas?

Información Preliminar Proceso HDA 1- Información de la reacción: a) Reacciones: Tolueno + H2 ------> Benceno + CH4 2 Benceno <====> Difenilo + H2 b) Tº reacción > 1150ºC (veloc. reac alta) Presión en el reactor: 500 psia. c) Selectividad d) Fase gas. e) No se utilizan catalizadores.

Información Preliminar Proceso HDA 2. Flujo de producción de benceno, 265 mol/hr. 3. Pureza del benceno producido, xD = 0.9997 4. Materias primas: Tolueno puro, a Tºamb y P atm. 95% de H2 y 5% de CH4, a 550 psia y 100ºF. 5. Restricciones: H2 / aromáticos > 5 a la entrada del reactor (prevenir la coquización). Tº salida del reactor < 1300 ºF (prevenir el hidrocraqueo).

Aplicación de reglas heurísticas 1- ¿Se debe purificar la corriente de alimentación antes de que entre en el proceso? REMOVER ESPECIES O PURIFICAR COSTOS DEL PROCESO AUMENYAN

2- Un subproducto reversible ..¿Se debe remover o recircular? La decisión es económica

Información de reacciones Es importante encontrar todas las Reacciones Laterales o Secundarias del proceso, aunque se produzcan trazas de productos Se debe estudiar el concepto de Máxima Conversión versus Conversión Optima así como también la Selectividad. Numerosos procesos se han diseñado para operar en las condiciones de máxima conversión, pero normalmente esta operación no corresponde a la conversión óptima económica.

Información de reacciones

PLANTA

Decisiones de Nivel 1 : Sistemas Continuos versus Discontinuos En la primera etapa del diseño conceptual debemos decidir si para la producción deseada, se usará un proceso continuo o uno discontinuo ( Batch). Hay ciertos criterios para decidir cual es el apropiado : a. Nivel de Producción : Procesos Continuos : Producción mayor a 10 * 106 l lb/año ( 5000 tons/año ) Procesos Batch : Producción menor a 1 * 106 lb/año ( 500 tons/año ) b. Factor de Mercado : Existen productos como los fertilizantes que son estacionales ; es decir que solo se producen en la época en que se consumen ( Primavera) . Si se producen durante todo el año, se produce un inventario excesivo que produce costos extras. Algunos productos solo tienen un período de vida corto ( 2- 3 años ), tales como pigmentos orgánicos , por lo cual se prefiere un aplanta batch por su gran flexibilidad para estos productos de corta vida.

Decisiones de Nivel 1 : Sistemas Continuos versus Discontinuos c. Problemas Operacionales : Algunas reacciones son tan lentas que la única alternativa son reactores discontinuos. También es muy difícil bombear borras o pulpas con un bajo flujo sin que sedimenten y tapen o obstruyan las cañerías o equipos, por lo cual es muy difícil construir equipos para procesos continuos cuando se deben manejar bajas capacidades de borras o pulpas, y es preferible usar procesos discontinuos. En forma similar , algunos productos ensucian muy rápidamente los equipos, por lo cual las operaciones batch son las indicadas para manejar estos tipos de compuestos, debido a que se debe detener periódicamente los equipos y limpiarlos en cada una de estas operaciones. d. Operaciones Múltiples en Equipos : Otra característica única de los procesos discontinuos es que a menudo se pueden efectuar varias operaciones en un mismo equipo, mientras que en un proceso continuo se necesita un equipo para cada operación.

Procedimiento de desarrollo de Balances de Materia 1. Comenzar con el nivel de producción deseada; 2. De la estequiometría encontrar los flujos de subproductos y de los reactivos requeridos; 3. Conociendo la composición de las “impurezas” en la alimentación se calculan los flujos de entrada y salida de materiales inertes; 4. Calcular los flujos de salida de los reactivos en función del “exceso” de reactivos que no se reciclan o recuperan ( reciclo y purga o aire y agua); 5. Calcular los flujos de entrada y salida para las impurezas que entran con los reactivos.

Balances de Materia en Tablas de Flujos: Es una práctica común informar los balances de materia en forma de tablas de flujos. Es decir los flujos se numeran en un diagrama de flujo, y se prepara una tabla que entrega los flujos de cada componente que corresponde a un conjunto particular de variables de diseño. La mayor dificultad con esta práctica es que el diseñador está forzado a seleccionar valores d las variables de diseño sin conocer los valores óptimos. Por esta razón, se recomienda que la tabla de flujos entregue los valores de las variables de diseño y que las ecuaciones del balance se programen en una planilla electrónica ( Lotus, Excel, etc.) . De esta forma es muy fácil cambiar la producción y las variables de diseño y recalcular todos los flujos del proceso. Podemos usar esta misma tabla como base para calcular los costos de los flujos en función de las variables de diseño.

Decisiones de estructura de reciclo Las decisiones que se deben tomar en este nivel Tabla: Decisiones para la Estructura de Reciclo. a. ¿ Cuantos sistemas de reactores se requieren ? ; ¿ Existen sistemas de separación entre reactores ? b. ¿ Cuantos flujos de reciclos se requieren ? c. ¿ Deseamos un exceso de un reactivo a la entrada del, reactor ? d. ¿ Se requiere un compresor de gas ? ¿ Cual es su costo ? e. ¿ Debe operarse el reactor adiabaticamente, con calentamiento directo o enfriamiento, o se requiere un diluyente o portador de calor ? f. ¿ Deseamos mover la ecuación de equilibrio ? ¿ Como ? g. ¿ Como afectan los costos del reactor al potencial económico ?

Número de flujos de reciclo Se toma la lista de todos los componentes que salen del reactor ordenados por sus puntos de ebullición normal, y se indica el número del reactor y el código de destino para cada flujo de reciclo. A continuación se agrupan los componentes que tienen puntos de ebullición cercanos si tienen el mismo reactor como destino. Entonces el número de flujos de reciclos es el mismo número de grupos formados. Lo anterior está basado en la simple regla heurística: “No es conveniente separar dos componentes y a continuación volverlos a mezclar en la entrada del reactor” Debemos también distinguir entre los flujos de reciclo líquidos y gaseosos, debido a que los reciclos gaseosos requieren compresores, los cuales son costosos. Se considera un reciclo como gaseoso si hierve a menor temperatura que el propileno. Los flujos de reciclo líquidos solo requieren bombas, y en nuestro diseño preliminar no incluimos el costo de las bombas debido a que usualmente son menores comparados con compresores, hornos, columnas de destilación, etc.

PRODUCCION DE BENCENO

Diagrama de flujos de reciclos

Cálculo de Reciclo de la Hidroalquilación de Tolueno : Las decisiones que se toman para la estructura de reciclo de este 1. Se requiere solo un reactor ( las reacciones se efectúan a la misma temperatura y presión ). 2. Existen dos flujos de reciclos, uno gaseoso ( y purga ) con H2 y CH4 y un reflujo líquido de tolueno. 3. Debemos usar un razón 5/1 de hidrógeno a aromáticos a la entrada del reactor de acuerdo a las restricciones del proceso. 4. Se requiere un compresor gaseoso.

Balances de materia de reciclos

Efectos Energéticos del Reactor. Necesitamos tomar una decisión con respecto al reactor, si este operará adiabáticamente, con calentamiento o enfriamiento directo , o si se necesita un diluyente o portador de calor. Si necesitamos introducir un componente extraño como diluyente o portador de calor, entonces nuestro balances de materia del reciclo, y quizás el balance global, deben cambiar. Se debe tomar esta decisión antes de diseñar el sistema de separación, ya que este se verá afectado. Para tomar las decisiones con respecto a los efectos energéticos en el reactor, primero estimamos la carga térmica del reactor y el cambio de temperatura adiabático. a. Carga Térmica del Reactor : Par reacciones simples, sabemos que toda la alimentación fresca del reactivo limitante usualmente se convierte en el proceso ( la conversión por pasada puede ser menor de modo que habrá un flujo grande de reciclo, pero toda la alimentación fresca se convierte excepto por pequeñas pérdidas en el producto y subproductos o en la purga ).

Proceso de hidrodesalquilación de Tolueno

Proceso de Hidroalquilación de Tolueno Los flujos y capacidades calóricas de la alimentación al reactor para el caso base con x = 0,75 , y PH = 0,4 se entregan en la siguiente tabla :

Diseño y Costo de Compresor de Reciclo del proceso HDT Para nuestro caso base, tenemos p1 = 465 psia y p2 = 555 psia, T1 = 100 ° F ( 560 ° R ), además de los flujos RG = 1529 kgmol/hr = 3371 lbmol/hr , y para el valor de γ se tiene :

SISTEMA DE SEPARACION DE UN DIAGRAMA DE FLUJO Estructura General del Sistema de Separación Para determinar la estructura general del sistema de separación en un proceso, determinamos primero la fase del efluente del sistema de reactor. (Para procesos líquido-vapor, existen solo tres posibilidades : 1. Si el efluente del reactor es un líquido, suponemos que solo se necesita un sistema de separación de líquidos. Este sistema incluye las columnas de destilación, unidades de extracción, destilación azeotrópica, etc., pero normalmente no incluye los absorbedores de gas, o unidades de adsorción, etc.

Si el efluente del reactor es una mezcla bifásica 2., podemos usar el reactor como un separador de fases ( o se pone un estanque separador después del reactor ). Se envía los líquidos al sistema de separación de líquidos. Si el reactor opera sobre las temperaturas de enfriamiento con agua, se enfría el flujo de vapor del reactor a una temperatura de 100 °F (35 ° C) y se separan las fases obtenidas. Si los componentes líquidos del flash contienen principalmente reactivos (y no productos que se forman como intermedios en un esquema de reacción consecutiva), entonces reciclamos el líquido al reactor (tenemos e equivalente a un condensador de reflujo). Sin embargo, si los líquidos a baja temperatura del flash contienen mayormente productos, se envía este flujo al sistema de recuperación de líquidos. El vapor de baja temperatura del flash se envía usualmente al sistema de recuperación de vapor. Pero si el efluente del reactor contiene pequeñas cantidades de vapor, a menudo se envía el efluente del reactor directamente al sistema de recuperación de líquidos (por ejemplo un tren de destilación).

Efluente del reactor líquido

Efluente del reactor bifásico

3. Si el efluente del reactor es todo vapor, enfriamos el flujo a 100 ° F (35 ° C), (la temperatura mínima de enfriamiento con agua) y intentamos efectuar una separación de fases o condensar completamente el flujo. El líquido condensado se envía al sistema de recuperación de líquidos, y el vapor es enviado al sistema de recuperación de vapor. Si no se obtiene una separación de fases, vemos si se pude presurizar el reactor para obtener una separación de fases . (Se puede tratar de obtener una mayor presión usando solo bombas sobre la alimentación líquida, y se verifica que la presión no afecte la distribución de productos). Si no se obtiene la separación de fases, entonces consideramos la posibilidad de usar tanto alta presión como un condensador parcial refrigerado. Si no se pude obtener una separación de fases sin usar refrigeración, consideramos la posibilidad de enviar el efluente del reactor directamente al sistema de recuperación de vapor.

Efluente del reactor vapor

Separación de Mezclas de Fluidos Homogéneos Como se ha visto anteriormente, la separación de mezclas de fluidos homogéneos requiere de la creación o adición de otra fase. El método más común es la repetición de vaporizaciones y condensaciones , es decir destilación. Las tres principales ventajas de la destilación son : a. La habilidad de manejar un amplio rango de flujos. Muchas de las alternativas a la destilación solo pueden manejar bajos flujos. b. La habilidad de manejar un amplio rango de concentración en alimentaciones. Muchas de las alternativas a destilación solo pueden manejar solo alimentaciones relativamente puras. c. La habilidad de producir productos de alta pureza. Muchas de las alternativas a la destilación solo pueden lograr un separación parcial y no pueden producir productos puros.

Los principales casos en que no se puede usar destilación son los siguientes : 1. Separación de productos de bajo peso molecular. Los productos de bajo peso molecular se destilan a altas presiones para aumentar la temperatura de condensación y permitir si es posible, el uso de agua de enfriamiento o aire de enfriamiento en el condensador de la columna. Materiales de muy bajo peso molecular requieren refrigeración en el condensador. Esto aumenta considerablemente el costo de la separación, puesto que la refrigeración es muy costosa. La absorción gaseosa, la adsorción, y los separadores de gases por membranas son las alternativas más usadas en vez de destilación para la separación de materiales de bajo peso molecular. 2. Separación de productos de alto peso molecular y sensibles al calor. Los materiales de alto peso molecular son a menudo sensibles al calor y como tales son usualmente destilados bajo vacío para reducir sus temperaturas de ebullición. 3. Separación de componentes con bajas concentraciones. La destilación no es adecuada para la separación de productos que están en una baja concentración en la mezcla a alimentar. La adsorción y la absorción son medios más efectivos.

4. Separación de clases de componentes 4. Separación de clases de componentes. Si se desea separar una clase de compuestos (ej: una mezcla de aromáticos de una mezcla de alifáticos), entonces la destilación solo puede separar de acuerdo a los puntos de ebullición, no importando las clases de componentes. En una mezcla compleja donde se necesita separar los componentes por clases, esto significa separar muchos componentes innecesariamente. La extracción líquido-líquido puede ser aplicada para la separación de clases de componentes. 5. Mezclas con baja volatilidad relativa o que exhiben comportamiento azeotrópico. La forma más común de tratar con la separación de mezclas de baja volatilidad relativa y mezclas azeotópicas es usar extracción o destilación azeotrópica. La cristalización y la extracción líquido-líquido también pueden ser usadas. 6. Separación de un líquido volátil de un componente no-volátil. Esta es una operación común que se logra por medio de evaporación y secado. 7. Separación de mezclas de componentes condensables de no- condensables. Si un mezcla contiene tanto condensables como no-condensables, entonces un condensación parcialseguida por un separador de fases a menudo dan una buen separación. Esto corresponde a una etapa simple de destilación.