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Análisis, Síntesis yDiseño de ProcesosQuímicos

Diagramas de Procesos

Químicos - Secc. 0Diagramas de Flujo Esenciales para la Comprensión de Procesos

Capítulo 1

Ver archivo: Ing de ProcesosT1.ppt

Análisis de IngenieríaEconómica de Procesos

Químicos - Secc. 1Estimación de Costos de Capital

Capítulo 2

Estimar el costo de capital base de un planta de acido acrílico, usandola información dada en el Apéndice B. (2.9).

Análisis Técnico de Procesos

Químicos-Secc. 2Estructura de Diagramas de Flujo de Procesos Químicos

Capítulo 6

Para el diagrama de flujo de proceso, DFP, de ácido acrílico dado en el Ap.B, Figura B.2*, tienen lugar las reacciones siguientes:

C 3H 6 + 1.5 O 2 = C 2H 3COOH + H 2O

C 3H 6 + 2.5 O 2 = CH 3COOH + CO 2 + H 2O

C 3H 6 + 4.5 O 2 = 3CO 2 + 3H 2O

Con esta información hacer lo siguiente (6.1):a. Trazar el diagrama de bloques entrada-salida global para el procesob. De la Figura B.2, identificar todas las corrientes de proceso que entran o

abandonan el proceso que contienen químicos que no participan en lareacciones dadas.

c. Identificar todas las corrientes de servicios auxiliares en el DFP

* Turton R., Bailie, R. C., Whiting W. B., and Shaeiwitz J. A., 1998.Analysis, Synthesis and Design of Chemical Process. Prentice Hall. USA

También hacer lo siguiente (6.2):a. Preparar una tabla que contenga todas las operaciones unitarias

mostradas en los bloques apropiados del diagrama de flujo de procesosen bloques genéricos.

b. Establecer la lógica para colocar cada equipo en la tabla del inciso (a).

Químicos-Secc. 2Trayectorias de Especies Químicas en el DFP

Capítulo 7

Identificar las trayectorias químicas del reactante principal y del productopara el proceso de producción de ácido acrílico (7.1).

Identificar las corrientes principales de reciclo y bypass para el proceso deproducción de ácido acrílico (7.6).

* Turton R., Bailie, R. C., Whiting W. B., and Shaeiwitz J. A., 1998.Analysis, Synthesis and Design of Chemical Process. Prentice Hall. USA

Escribir una descripción del proceso para la producción de ácido acrílico(7.10).

Químicos-Secc. 2Comprensión de las Condiciones de Proceso

Capítulo 8

Proceso de ácido acrílico – Sección de reacción (8.1).

El ácido acrílico se produce por la oxidación catalítica de propileno con aire

C 3H 6 + 2.5 O 2 = CH 3COOH + CO 2 + H 2O

C 3H 6 + 4.5 O 2 = 3CO 2 + 3H 2O

C 3H 6 + 1.5 O 2 = C 2H 3COOH + H 2O

Junto con la reacción principal mostrada antes, también ocurren diversasreacciones de oxidación adicionales, dando origen a una variedad desubproductos, incluyendo el ácido acético.

Con la información proporcionada en el DFP de la sección de reacción delproceso de producción de ácido acrílico dado en la Figura B.2 del Ap. B.,

responder lo siguiente:a. ¿La reacción es endotérmica o exotérmica?b. ¿Por qué se alimenta vapor al reactor?c. ¿Por qué el reactor se opera a una temperatura elevada de 310 ºC?d. ¿Cuál sería el efecto de usar presión y temperatura más alta en el reactor?

Sugerencia: La información cinética para esta secuencia de reacción se

proporciona en el Ap. B.

Ácido acrílico

Ácido acético

Proceso de ácido acrílico – Separación de Productos (8.2).

La corriente que sale del reactor de ácido acrílico contiene una variedad de productos,subproductos y reactantes no usados. Con el fin de separar la fracción de

incondensables, el efluente del reactor se envía a dos absorbedores. En el primero, T-301, el efluente del reactor es apagado (quenched: “quenchado”) por una corriente derecirculación de producto frío. En el segundo absorbedor, T-302, la porción nocondensada del efluente del reactor es lavada (scrubbed) con agua para absorber loscondensables. La corriente combinada que sale del fondo de ambos absorbedores,Corriente 9, se alimenta a una torre extractora líquido-líquido, T-303, donde la porción noacuosa de la corriente se transfiere a un solvente orgánico y se envía para

procesamiento posterior.a. En el proceso de la Figura B.2, los componentes orgánicos (ácido acrílico y acético)

se absorben primero en agua y después se absorben en un solvente orgánico.Explicar por qué se usa esta secuencia de separación.

b. ¿Se pueden sugerir alternativas para está secuencia de separación? ¿Cuáles son lasconsecuencias de estos esquemas de separación alternativos, esto es, qué

condiciones de proceso podrían cambiarse y qué ahorros o costos adicionalespodrían obtenerse?

c. ¿Se ha propuesto que una porción del gas de salida, Corriente 11, sea recirculada alrector mientras que la cantidad de vapor alimentado sea reducida. Se pueden ver deantemano algunos problemas o áreas de atención especial si esto fueraimplementado?.

Proceso de ácido acrílico – Purificación de Producto (8.3).

En la purificación de los productos, se usan varias columnas de destilación.Primero, se separa el solvente orgánico que contiene los ácidos, corriente 11,

en T-304, y el solvente se recircula a la columna de extracción líquido-líquido,T-303. Los productos del fondo de T-304 contienen los ácidos orgánicos,Corriente 14, se envían a T-305 para purificación final. Finalmente, la corrienteacuosa del extractor se envía a T-306, donde una pequeña cantidad desolvente se recupera y se recircula a T-303. Las condiciones usadas para elproceso de purificación se dan en la Figura B.2 y Tabla B.4. Para la sección depurificación responder las preguntas siguientes:

a. ¿Qué condiciones de atención especial son evidentes en esta sección delDFP?

b. ¿Qué razones se pueden dar para justificar las condiciones identificadas enel inciso (a)?

c. ¿Por qué el agua que sale de T-306 se envía a la planta de tratamientos deaguas residuales?

Químicos-Secc. 2Utilizando Principios Basados en la Experiencia para Confirmar la

Adecuabilidad de un Diseño de ProcesoCapítulo 9

Proceso de ácido acrílico (9.2).

En el proceso de ácido acrílico del Ap. B.2, verificar las especificaciones dediseño para los tres equipos siguientes, respecto a la heurística apropiada, C-

301, P-305, y V-302. Comentar cualquier diferencia significativa que seencuentre.

Fin de Sección

Análisis del Desempeño del

Sistema - Secc. 3Modelos de Proceso Entrada/Salida

Capítulo 10

Proceso de ácido acrílico (10.4b).

Trazar el diagrama entrada/salida para el proceso de ácido acrílico, Figura B.2.Seleccionar dos equipos adyacentes y trazar los diagramas entrada/salida

para estos, mostrar claramente como las salidas de uno afectan la entrada alotro.

Sistema - Secc. 3Herramientas para Evaluar el Desempeño del Sistema

Capítulo 11

Proceso de ácido acrílico (pendiente).

Sistema - Secc. 3Curvas de Desempeño para Operaciones Unitarias Individuales

Capítulo 12

Proceso de ácido acrílico (Pendiente).

Sistema - Secc. 3Desempeño para Operaciones Unitarias Múltiples

Capítulo 13

Proceso de ácido acrílico – Purificación de Producto (8.3).

Sistema - Secc. 3Desempeño del Reactor

Capítulo 14

Sistema - Secc. 3Regulación de las Condiciones de Proceso

Capítulo 15

Proceso de ácido acrílico (Pendiente).

Sistema - Secc. 3Solución de Problemas y “Cuellos de Botella” en el Proceso

Capítulo 16

Fin de Sección

Síntesis y Optimización de un

DFP – Secc. 4Síntesis del DFP a partir del DFB Genérico

Capítulo 17

DFP – Secc. 4Síntesis de un Proceso usando un Simulador y Solución de Problemas con

SimuladoresCapítulo 18

Relación entre elementos computacionales básicos y entradasrequeridas para resolver un problema de simulación.

Secuencia de solución usando el simulador modular secuencial para unproceso sin reciclos

Uso de corrientes “razgadas” para resolver problemas con reciclosusando el algoritmo modular secuencial

Información requerida para niveles de simulación diferentes

Información requerida para completar una simulación de procesos.DATOS DE ENTRADA

Selección de componentes químicos.

Selección de modelos termodinámicos.Ingresar la topología del diagrama de flujo.Seleccionar las propiedades de las corrientes de alimentación.Seleccionar los parámetros de equipos.Selección de las opciones para mostrar la salidaSelección del criterio de convergencia y correr la simulación.

Manejo de Corrientes de reciclo

Diagrama de flujo a bloques, DFB, para el proceso DME mostrando(a) Una estructura con reciclo, (b) Eliminación de reciclos

Modelos termodinámicos

Propiedades físicas.Entalpía.Equilibrios de fase.

Ecuaciones de estado.Modelos de coeficientes de actividad de estado líquido.Uso de datos escasos para ajustar un modelo termodinámico.

Sistemas mas complicados.Uso de modelos termodinámicos.

Caso de estudio: Proceso de Hidrodealquilación de Tolueno.

1. Para el proceso de hidrodealquilación de tolueno, usar los datos dadosen las Tablas 18.1 y 18.2 para simular el proceso y comparar losresultados con los que se dan en el capítulo 1, Tabla 1.7. Recordar que

el número de platos reales está dado en la Tabla 1.7 y se supone unaeficiencia de 60%. (18.1)2. Para la diagrama de flujo de DME dado en el apéndice B, Figura B.1,

listar la información de entrada mínima requerida para obtener losbalances de materias y energía. Usar un simulador de procesosdisponible, simular el proceso de DME y comparar los resultados con

los que se dan en la Tabla B.2, Suponer una eficiencia de platos de70% para las dos columnas de destilación. (18.2)

3. Para la diagrama de flujo de IPA dado en el apéndice B, Figura B.3,listar la información de entrada mínima requerida para obtener losbalances de materia y energía. Usar un simulador de procesosdisponible, simular el proceso de IPA y comparar los resultados con los

que se dan en la Tabla B.6, Suponer una eficiencia de platos de 70%para las columnas T-402 y T403. (18.3)

4.- Usando los resultados del problema 1, y las Tablas 1.5 y 1.7, compararlos resultados para la simulación de la columna de recuperación debenceno, T-101, utilizando un método corto y un método riguroso. Una

manera de hacer esta comparación es usar el número de platos teóricos delmétodo corto como una entrada para el método riguroso. El método rigurosose utiliza para simular la misma separación que el método corto, esto es, lamisma pureza y recuperación en el domo. La diferencia en los métodos serefleja por la diferencia entre le reflujo requerido en ambos métodos.Comentar la diferencia para este sistema aproximadamente ideal. No esnecesario simular el diagrama de flujo completo para este problema, solousar la entrada a la columna de la Tabla 1.5. (18.4).

5. En el problema 1, simular el reactor como un reactor estequiométrico conuna conversión de 75%. Para estimar el volumen del reactor es necesariotener las expresiones cinéticas. Para la hidrodealquilación catalítica detolueno, suponer que la reacción está controlada por la cinética siguiente:

r = kC 0.5 kmol

m3 . s

k = 2.833 x 107e-17814 /T (K ) m1.5

Kmol0.5 . s

donde,

Con esta cinética, simular el reactor en la Fig.1.5 como un reactor adiabáticode lecho empacado con una inyección de un disparo frío a la entrada delsegundo lecho. La temperatura máxima en el reactor no debe exceder de655ºC, y esto ocurrirá a la salida de los dos lechos. Diseñar el sistema paraesta temperatura de salida máxima para los dos lechos empacados.

Comparar los resultados con el volumen total de catalizador dado en la tabla1.7. (18.5).

DFP – Secc. 4Optimización de Procesos

Capítulo 19

Fin de Sección

El Ingeniero Profesional, elMedio Ambiente y

Comunicaciones – Secc. 5Capítulo 20

APENDICE B.

Información para el diseño preliminar de un proceso químico.

El proceso siguiente se toma como base para ilustrar los ejemplos yproblemas señalados anteriormente. El DFP y los balances de materia yenergía son preliminares y se obtienen usando paquetes termodinámicosdisponibles en un simulador de procesos. Esto permite obtenerevaluaciones del proceso económicamente razonables, pero no seríanaceptables para el diseño final. Para que un proceso sea diseñado

apropiadamente, es necesario que los datos termodinámicos usados parala simulación sean lo mas exacto posible. Cuando los componentes son noideales, se deben colectar datos de equilibrio L-V o L-L, para los paresbinarios importantes a las condiciones usadas en el proceso. Apartir deestos datos, los coeficientes de actividad en fase líquida y/o paramétros deinteracción binaria serían calculados y usados en la simulaciones finales.

Las expresiones cinéticas dadas para las reacciones son aproximadas oficticias, entonces, solo velocidades de reacción y tamaños del reactoraproximados, se pueden estimar a partir de ellas.

Ninguna optimización se tiene en esta sección del proceso. Existen una grancantidad de opciones de mejora en todo el proceso. Hay algunos erroreselementales, que sobresalen a la vista. Un ejemplo es el uso de unintercambiador de agua de enfriamiento (E-301) para enfriar la salmuera

circulante usada para el control de la temperatura en el reactor de ácidoacrílico en la Figura B.2. LA corriente circulante está a una temperatura de250 ºC, y se debe enfriar a 200 ºC, así este calor podía ser usado paraproducir vapor de media presión o para calentar otra corriente de proceso.

Otros aspectos de diseño son mas sutiles, e incluyen relaciones de reflujo

sub-óptimo en columnas de destilación y conversiones de paso simple sub-óptimas en reactores. Se espera mejorar significativamente este diseño.

Cuando se hace estimación de costos de capital del proceso puede ocurrirque el tamaño de un equipo dado este fuera del rango en el programa de

costos CAPCOST. El programa costeara el equipo dividiéndolo en el númeroapropiado de unidades en serie o en paralelo. Esto no significa que seránecesario mas de un equipo físicamente; es preferible un estimadoconservativo de costos para equipos grandes.

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