diseño de procesos químicos

Capitulo 1. Introducción

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En este capitulo se presentan las definiciones básicas del diseño conceptual de los procesos químicos, entre otras, el diagrama de cebolla, el potencial económico, las heurísticas, los criterios y las especificaciones de diseño, etc. Entre los criterios más importantes para el diseño de procesos destacan el obtener el mayor rendimiento económico en del proceso, considerado como criterio supremo del diseño, otro es el diseño de procesos ambientalmente benignos, que cada vez cobra mayor importancia.



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Introducción El diseño de los procesos químicos es un procedimiento que aplica e integra varias técnicas de ingeniería, economía y principios científicos para crear un proceso que fabrique un producto específico. En otras palabras se trata de generar, seleccionar y ordenar una serie de operaciones que transformen las materias primas en productos. El diseño se presenta a través de varios documentos, los principales son: el diagrama del proceso y su descripción, tablas de balances de materia y energía, hojas con la descripción del tipo y dimensiones de los principales equipos, un análisis de los costos de los equipos y de operación del proceso. Cada diagrama (flowsheeting en inglés), constituye una estructura de múltiples equipos que transforman las propiedades químicas y físicas de los materiales en su paso por la planta química. Esta característica distingue a los procesos químicos de otro tipo de procesos e industrias. Más del 60 por ciento del costo del producto final esta determinado por el diseño y ese costo incluye, los materiales, los equipos así como la forma y el orden en que se usan. En este capitulo se presentan los conceptos y definiciones fundamentales del diseño básico de los procesos químicos. En general, un diseño es un plan para crear algo, un aparato, un edificio, una organización, una fabrica, etc. Hacer un plan implica poner por escrito, en forma ordenada y comprensible la disposición general de una obra, la manera de desarrollar un plan es a través de un proyecto. Un proyecto es el marco de trabajo para crear el diseño. El proyecto esta orientado por unos objetivos y se termina cuando se logran esos objetivos. Un proyecto de diseño básico de procesos consta de varios documentos, los principales son:

1. Una propuesta de proyecto que un cliente especifica, aprueba y contrata, 2. Informes de actividades de acuerdo a la propuesta y, 3. Un reporte técnico final.

El proyecto concluye con la entrega del informe técnico en el tiempo especificado en el contrato y contiene la siguiente información:

1. Las bases de diseño, 2. Los diagramas de flujo de proceso y descripción del proceso, 3. La lista de equipos y hojas de datos de los equipos, 4. Los requerimientos de servicios y diagramas de servicios 5. Los diagramas de tuberías e instrumentación, 6. El diseño preliminar de equipos principales, 7. Las especificaciones de desfogue, seguridad y control, 8. Las especificaciones de manejo de efluentes desechables y 9. Los estimados de la inversión y costo de la planta.

En general, un diseño es un plan para crear algo, un aparato, un edificio, una organización, una fabrica, etc. Se define como proceso al conjunto de acciones para que algo cambie en etapas sucesivas. Así los procesos químicos, son la secuencia de transformaciones químicas y físicas para que las materias primas se conviertan en productos con mayor valor que los materiales a partir de los que se obtienen. Las operaciones de los procesos químicos son de muy diverso índole, entre las principales se cuentan, la reacción, la destilación, calentamiento, compresión y transferencia de masa. En los procesos estas operaciones se efectúan en quipos que están conectados entre si por medio de corrientes que los vinculan. En la industria química se encuentran una gran cantidad de procesos para producir muy diversos productos, por ejemplo, plásticos, detergentes, cosméticos, cerveza, cemento, colorantes, pegamentos, etc.


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El diseño básico de los procesos químicos no es una tarea trivial ya que hay que seleccionar, dentro de una gama amplia de posibilidades, los equipos y sus características de manera eficiente que satisfagan los criterios y las especificaciones de diseño de los diferentes tipos de procesos químicos El abanico de alternativas de proceso se amplía en función de los componentes químicos del proceso. Intentar explorar todas es tedioso y por lo general innecesario; Mejor se opta por reducir la búsqueda y comparación de alternativas viables, a través de técnicas como la determinación de factibilidad económica, de análisis, y heurísticas. Las heurísticas o reglas heurísticas son guías para la toma de decisiones derivadas de la experiencia. Su utilidad radica en despejar confusiones y ayudar a la toma de decisiones. Por ejemplo, para separar los componentes de una mezcla en una secuencia de separaciones, se recomienda como regla heurística dejar para el último la separación más difícil. Otro ejemplo de regla heurística es la siguiente: elija los materiales y las reacciones que eviten o reduzcan el manejo y almacenamiento de sustancias tóxicas y corrosivas. La determinación de factibilidad económica se obtiene calculando el potencial económico (P.E.), de acuerdo a: P.E. = Ingresos por los productos y subproductos vendibles

- Gastos por los materiales que se compran - Costo de inversión en equipos - Costo de los servicios para la operación - Costo por desecho de subproductos indeseables.

Cuando se comparan varias opciones de proceso debe elegirse la que tenga mayor P.E. Es obvio que cuando el P.E. resulte menor de cero se debe buscar una fuente de materias primas más baratas o probar otras alternativas de procesos. Se toma como utilidad bruta o beneficio económico bruto al valor de P.E. en el cual no se incluyen los costos de inversión de equipos ni los de servicios para la operación. Desde el enfoque de optimización, el P.E. es la función objetivo mientras que la capacidad de la planta es una restricción. El criterio supremo del diseño es maximizar beneficios aceptando como restricciones cumplir la legalidad vigente, principalmente las exigencias de no dañar el entorno. Los costos de las sustancias químicas se pueden encontrar en la revista quincenal Chemical Marketing Reporter. 1.1 El Diseño Básico de los Procesos Las estrategias de diseño son dos: 1. Por la formulación de modelos matemáticos y su solución mediante programación matemática. La estrategia de programación matemática frecuentemente se usa como un problema de programación no lineal mixta entera, a partir de una estructura general que contenga todas las alternativas de diseño. Las variables enteras corresponden a la existencia o ausencia de los equipos en la solución. Mientras que las variables continuas son los valores de los flujos, las presiones, temperaturas, tamaño de los equipos, etc. Dos dificultades de esta estrategia son la naturaleza no lineal de las ecuaciones y la consideración simultánea de todas las alternativas posibles, lo cual conduce a un conjunto de muchas ecuaciones no lineales. 2. La segunda estrategia procede avanzando por niveles en una jerarquía de decisiones, que a partir de propuestas simples, por refinamientos sucesivos se llega al diagrama completo del proceso. La idea es descomponer el problema de diseño en subproblemas. Esta estrategia es la más empleada. Douglas


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(1988) propone una jerarquía de decisiones para sistematizar la selección de alternativas de diseño, en cinco niveles, resumida en la Tabla 1.1.

Tabla 1.1. Jerarquía de decisiones para el diseño básico de los procesos químicos El diseño de los procesos químicos pasa por tres etapas: Etapa I. Diseño conceptual. Etapa II: Diseño detallado y Etapa III. Diseño mecánico. Durante la primera etapa de diseño se procede según la jerarquía de Douglas bajo la toma de decisiones que surgen al formular juicios y tener que elegir entre varias alternativas de proceso. Se usan heurísticas como guías y métodos aproximados para la definición y dimensionamiento de los equipos. Con los resultados se determina la viabilidad económica del proyecto, si resulta de alta rentabilidad, se procede al desarrollo de la segunda etapa del diseño, la ingeniería de detalle y al cálculo riguroso de las dimensiones de los equipos y la eliminación de suposiciones que se hallan usado en la etapa del diseño básico con el objeto de simplificar los cálculos. También se enriquece el diagrama de proceso al calcular y ubicar los instrumentos y lazos de control, ahí donde se deba cumplir una especificación de diseño como una presión de salida o un flujo constante ha de colocarse una controlador. Si en esta etapa aún el proyecto de la planta resulta altamente rentable, se continúa con la tercera etapa del diseño, hacer los planos de los diseños estructurales, mecánicos, obra civil, eléctricos y de servicios así como la procura de los equipos y su construcción para su emplazamiento en el terreno que ocupara la planta. De acuerdo a la jerarquía de decisiones el diseño básico de los procesos químicos se fundamenta en el uso de un conjunto de técnicas organizadas en sistema, para la definición y estructuración de los equipos que conforman las etapas sucesivas en los que se llevan a cabo las transformaciones químicas y físicas. Involucra la síntesis de varias alternativas para crear diagramas de procesos viables. Dos actividades fundamentales del diseño de procesos son la síntesis y el análisis de los procesos. La síntesis de procesos involucra actividades en las que varias operaciones de proceso se combinan para generar un diagrama de flujo, que debe cumplir ciertos objetivos. En la síntesis de procesos se conoce lo que entra y sale del proceso pero se desconoce la estructura del proceso, es decir no se tiene la manera en que se configuran las operaciones ni los parámetros de operación. Rudd, Powers y Siirola (1973) definieron el problema de síntesis como una tarea de invención de la estructura y la determinación de las condiciones de operación del proceso. En el análisis de procesos se conoce la entrada al proceso y la configuración de las operaciones, así como los parámetros del proceso y se desea calcular la salida que se desconoce. El análisis involucra la descomposición del proceso en las operaciones constituyentes para un estudio de desempeño que puede efectuarse por simulación. Una planta química comprende las instalaciones de una empresa química dedicada específicamente a la producción. Puede haber otras instalaciones, dentro de la misma empresa, como las de almacenamiento, las oficinas de comercialización, etc. que no forman parte de la planta. El flujo de recursos que pasa por una planta química se ilustra en la Figura 1.1.

1. Decidir entre proceso continuo o intermitente. 2. Definir la estructura de entrada y salida 3. Definir la estructura de reactores y reciclo, 4. Definir la estructura del sistema de separadores y 5. Diseñar el sistema que permita la integración de energía en una red de intercambiadores de calor.


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El tamaño de las flechas en la figura 1.1, indica la cantidad de los recursos en la entrada y salida de la planta. Por ejemplo, se espera que en la planta se usen pocos recursos económicos en la compra de materias primas, en los costos de uso de servicios y otros gastos; pero que el ingreso que se obtiene por la venta de los productos sea sustancialmente mayor que los gastos.

Figura 1.1. Flujo de recursos en una planta.

1.2 Especificaciones y criterios del diseño de procesos Los criterios de diseño son los estándares para determinar la forma en que se hace el diseño. Las especificaciones de diseño son los requerimientos a cumplir bajo un acuerdo de las partes que las definen y por lo general se definen en las bases de diseño. Los principales criterios para el diseño de una planta son: que sea lo más económica posible y con el menor consumo de materiales y energía. Otro criterio es de índole ecológico, bajo el cual se cuida de no tener un impacto adverso al medio ambiente. Otros criterios como el de funcionamiento y seguridad se imponen para que la planta opere satisfactoriamente y sin riesgos de accidentes, como los casos por fallas de sobrecalentamientos o derrames. En la Figura 1.1 se indica en la salida del proceso un flujo de residuos que de alguna manera se generan en el proceso y pueden ser dañinos al medio ambiente, por ejemplo, las aguas residuales contaminadas con materiales peligrosos. Una especificación de diseño es la definición de la capacidad de la planta que es del tipo,

Diséñese un proceso para producir X toneladas anualmente de un compuesto Y. Otras especificaciones típicas son la pureza de los productos, la disponibilidad de materias primas, las conversiones de las reacciones y la distribución de los componentes en los separadores. Si en las reacciones no se especifican las conversiones ni las cantidades de los reactantes, se supone que entran al reactor en proporciones estequiométricas y justo lo necesario para producir la cantidad de producto especificado. Existe cierta flexibilidad en el cumplimiento de los criterios y las especificaciones, ya que el diseño se enriquece por niveles, se hacen consideraciones que simplifican el trabajo de diseño, por ejemplo, si no se definen las especificaciones de los separadores, entonces se consideran separaciones perfectas, esto implica que los componentes ligeros salen en la fase gas y los pesados en la fase líquida. En los destiladores a esto se le denomina cortes tajantes ya que nada de los ligeros sale con los líquidos y nada de los pesados sale con los gases. Esto implica que cada producto a separar aparece en una y solo una

Planta Química

$ $ Materias primas Productos

Energía Energía Residuos


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de las corrientes de salida. Ante la falta de especificaciones de separación en el diseño de los separadores, se toma la regla heurística que recomienda diseñar los separadores considerando que el 99% de lo que entra del componente clave ligero sale por la parte superior del separador, junto con los componentes más ligeros, mientras que por el fondo del separador se va el 99% del componente clave pesado, así como el total de los componentes más pesados. En la figura 1.2 se muestra la manera en que se consideran las especificaciones y criterios de diseño para seleccionar la mejor alternativa de diseño. Al evaluar las alternativas de diseño se usan índices de desempeño como la rentabilidad, el grado de cumplimiento de las especificaciones, seguridad, etc. Durante el desarrollo de la ingeniería de diseño, como se muestra en la figura 1.2, algunas etapas deben reconsiderarse como se indica con las flechas que reiteran en la figura. Esta reconsideración iterada de las alternativas de diseño es necesaria ya que rara vez se tiene suficiente información para producir una respuesta amplia que permita tomar una decisión única y definitiva, y mucho menos la mejor, ya que no hay solución única en los problemas de diseño por lo que se procede en aproximaciones sucesivas hacia una solución cada vez mejor. Las actividades de síntesis y análisis se alternan al iterar en este diagrama de comparación y selección de alternativas de diseño de procesos. Como ya se menciono el criterio más importante para evaluar alternativas de diseño es el valor económico, que suele expresarse en el potencial económico u otras medidas de rentabilidad de la inversión, como la tasa interna de retorno y el valor presente neto.

Figura 1.2 Procedimiento de comparación y selección de alternativas de diseño. 1.3 El Diagrama de Cebolla Los equipos principales de los procesos son los reactores, los separadores y los cambiadores de calor. De los cuales se consideran a los reactores como el corazón de los procesos y son estos los que primero se diseñan y luego los separadores, para después integrar al diseño los cambiadores al calor. Decir que los reactores son el corazón de los procesos es una metáfora. Como cualquier metáfora designa un objeto mediante otro que tiene con el primero una relación de semejanza. La estrategia jerárquica que evoluciona por niveles, se ilustra en el diagrama de cebolla, de la Figura 1.3. El diagrama de cebolla es una analogía gráfica de la jerarquía de diseño de Douglas, en la que

Determinar especificaciones

Generar alternativas de diseño

Diseño 1 Diseño 2 Diseño 3

Evaluar criterios de diseño

¿Se cumplen las especificaciones y criterios de

diseño? Iterar

Continuar con el diseño

detallado

Si No


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primero se diseñan los reactores. En la mayoría de reactores se tiene una conversión que rara vez llega al cien por ciento, por lo que a la salida de los reactores se tendrá una mezcla de reactantes y productos. Los reactantes han de separarse de los productos y reciclarse al sistema de reactores. A los reactores se alimentan los reactivos que pueden provenir de corrientes de alimentación fresca o de corrientes de recirculación o una mezcla de ambas. En algunos procesos también se mezclan a la carga de los reactores substancias diluyentes o catalizadores. Por ello después de diseñar los reactores y el sistema de reciclo ha de diseñarse el sistema de separadores, con equipos de separación como los destiladores y absorbedores. Las corrientes de entrada y salida de los reactores difícilmente tendrán las condiciones de temperatura y presión necesarias en los separadores, por lo que habrán de ajustarse esas condiciones a las necesarias. Para ello se ha de requerir el diseño de un sistema de cambiadores de calor que consiga las condiciones adecuadas para cada corriente. Por último se ha de diseñar los equipos de servicios.

Figura 1.3. Diagrama de cebolla. Las corrientes de entrada a los reactores casi siempre requieren ser acondicionadas para llevarlas a las condiciones de temperatura, presión y composición necesarias en las reacciones. Por esto en algunos procesos se tienen secciones de preparación de la alimentación. Las corrientes de salida de los reactores contendrán los productos, los reactantes no convertidos y subproductos, algunos que probablemente deban ser desechados en secciones de tratamiento de efluentes, posiblemente a la salida también se obtengan substancias inertes diluyentes así como catalizadores. Estas corrientes requieren tratamientos de separación de los productos. Así que en el orden de prioridad de diseño, después de los reactores, siguen los separadores. La mayoría de los procesos consta de una sección de preparación de las materias primas, seguida de la sección de reactores y luego una sección de purificación de los productos. La figura 1.4 ilustra esta secuencia de operaciones de los procesos químicos.


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Figura 1.4 Estructura general de un proceso químico. Puesto que los cambios químicos en las etapas del proceso van acompañados de cambios de energía, principalmente de energía térmica, entonces, el siguiente paso en la jerarquía de diseño corresponde al diseño de los intercambiadores de calor. Por último se efectúa el diseño de los equipos de servicios auxiliares que se requieran en el proceso. En cada nivel del diseño se determinan las alternativas que deben examinarse con más detalle y las que deben excluirse a la luz de razonamientos funcionales, ambientales, económicos y de seguridad. La idea es obtener procesos ecoeficientes. De estos criterios en el uso de recursos, el económico es el más importante, parece un grosero materialismo pero así ha de ser que los procesos químicos se planeen y construyan por el espíritu de ganancia. Porque la obtención de beneficios es el incentivo de la industria química y de cualquier otra industria. El enfoque de múltiple perspectiva en la solución de problemas, es una práctica eficiente y para convertirla en costumbre hay que experimentar muchas veces. Los problemas de diseño de procesos son de este tipo y se adquiere esta visión de apreciación desde diferentes ángulos al pensar en alternativas. Para el diseño este es el primer paso, pensar en alternativas, formulando preguntas y se complementa con el pensamiento analítico, a través del cual se auscultan las cosas para su entendimiento, por desmenuzamiento de sus componentes y el pensamiento de síntesis, que une y relaciona cosas para obtener nuevas cosas, es decir, pensar como elegir las partes componentes y definir la manera en que deben interconectarse para formar nuevas y diferentes estructuras. En otras palabras, la síntesis es la actividad que genera las configuraciones posibles de proceso mientras que el análisis trata con el estudio de las características de las posibles configuraciones a través de los cálculos de balances de materia y energía. Para el diseño de procesos se usa como pauta la jerarquía de Douglas o su equivalente el diagrama de cebolla, que descompone un sistema complejo en componentes de magnitud manejable. Empieza con un diseño preliminar del reactor y por etapas se enriquece, integrando más equipos al proceso. Ejemplo 1.1 Durante la segunda etapa del diseño para crear la estructura de separadores se pueden usar reglas heurísticas o un método como el de Nadgir y Liu (1983). Para ilustrar esto se propone el siguiente ejemplo. Se desea separar la siguiente mezcla, que está a 37.8 ºC y 1.72 MPa en sus componentes.

EEssppeecciieess FFrraacccciióónn mmooll VVoollaattiilliiddaadd rreellaattiivvaa,, αα A: Propano 0.05 B: i-Butano 0.15 2.0 C: n-Buteno 0.25 1.33 D: i-Pentano 0.20 2.40 E: n-Pentano 0.35 1.25

Preparación y purificación

Reacción

Separación y purificación

Tratamiento de efluentes

Productos Materias primas

Productos secundarios

Efluentes limpios


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Para una mezcla líquida de cinco componentes se tienen 14 diferentes alternativas de secuencias de separación; en la Figura 1.5 se muestran cuatro de estas posibles alternativas: los componentes a la izquierda de la diagonal son los más ligeros y salen por el domo; los componentes a la derecha son los más pesados y salen por el fondo. La idea es proponer el arreglo de equipos con el menor costo.

Las reglas heurísticas que se emplean en este caso de mezclas son las siguientes. Regla H1. Remover las especies más abundantes al principio. Regla H2. Dejar las separaciones difíciles para el final Regla H3. Si no hay separaciones difíciles, los componentes deben ser removidos de la mezcla en orden decreciente de la propiedad que facilita su separación. Regla H4. Si todo lo demás es igual, separar en partes iguales.

Figura 1.5 Cuatro de las catorce alternativas de separación de una mezcla se cinco componentes.

Al aplicar estas reglas pueden ocurrir casos en que se tienen propuestas contradictorias y se debe usar algún criterio extra, como el costo de la separación, para decidir cual es la secuencia de separación más adecuada. Por ejemplo, si el componente más abundante es el más difícil de separar se tiene un conflicto entre las reglas, esto ocurre en la mezcla presente ya que con la regla H1 se debería separar primero el componente más abundante, el pentano; al aplicar la regla H2 debe dejarse la separación más difícil para el último, que en este caso también corresponde al corte de i-pentano/n-pentano. Una forma conveniete de proponer secuencias de separadores sin usar las reglas heurísticas es la fórmula de Nadgir y Liu (1983). Que usa el Coeficiente de Facilidad de Separación, CFS.

A/BCDE

B/CDE

A B C

D/E C/DE

D

E

ABCD/E C

D

A

E

AB/CD

B

D

AB/CDE

A

B

E

C

C/DE D/E

C

AB/CDE

A

B

D

C/D

CD/E E

Alternativa 1 Alternativa 2

Alternativa 3 Alternativa 4


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CFS = f * Δ Donde: f = relación de distribución de flujos molares de los componentes en el corte D/B o B/D dependiendo del que resulte menor o igual a la unidad. D corresponde a la suma de flujos de los componentes que salen por el domo y B a la suma de los que salen por el fondo. Δ = diferencia de temperaturas de ebullición de los componentes adyacentes al corte o si se tienen datos de volatilidad relativa (α) entonces Δ = (α -1)*100. En la Tabla 1.2 se presentan los cálculos para el coeficiente de facilidad de separación

Tabla 1.2

Componente Fracción Molar

Volatilidad relativa

f Δ CFS

A: n-Propano 0.05 2.0 0.05/.95 100 5.26 B: i-Butano 0.15 1.33 0.20/.80 33 8.25 C: n-Pentano 0.25 2.40 0.45/.55 140 114.5 D: i-Pentano 0.20 1.25 0.35/.65 25 13.46 E: n-Pentano 0.35

Puesto que el mayor valor de CFS corresponde al corte ABC/DE este es el corte de la primer

columna de destilación, que corresponde al más fácil. Para proponer el siguiente corte se tienen las secuencias A/BC o AB/C se vuelve a calcular el CFS y se obtiene:

Secuencia A/BC Secuencia AB/C f 0.05/0.40 0.20/0.25 Δ 100 33 CFS 12.5 26.4

La separación cuyo corte es AB/C es la de mayor CFS, la secuencia final de separación queda:

Secuencia 1: ABC/DE, AB/C, A/B, D/E. Empleando las reglas heurísticas se puede proponer la secuencia 2: ABC/DE, A/BC, B/C, D/E. Para determinar cual de las dos secuencias es la que se debe elegir en el diseño se emplea el costo relativo de separación en función del flujo de vapores en cada columna de destilación. Una aproximación del cálculo del flujo de vapores es con la fórmula: V = D + 1.2 F/( α -1) Donde: F es el flujo de todos los componentes en la alimentación y D es el flujo en el destilado. Flujo de vapores en la secuencia 1 es: EDBACABDEABC VVVVV ////1 +++=∑


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⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡−

+++⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡−

++

+⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡−

+++++⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡−

+++++++=∑

12.1)()(

12.1)()(

12.1)()(

12.1)()(

//

//1

EDEDD

BABAA

CBCBABA

DCEDCBACBA

FFFFFF

FFFFFFFFFFFFFV

αα

αα

Al efectuar los cálculos se determina que el menor flujo de vapores corresponde a la secuencia 1, por lo que se tendrá un menor costo relativo de separación de esta secuencia. Con este ejemplo se ilustra el procedimiento de generación, comparación y selección de alternativas de la Figura 1.2. 1.4 La preocupación por el medio ambiente La mayoría de los procesos químicos en uso actualmente surgieron hace décadas, cuando no existían métodos sistemáticos para la generación de estructuras óptimas de los mismos. Por esto los procesos con muchos años en operación presentan oportunidades de mejoramiento funcional y económico, en inglés a este mejoramiento se le llama “retrofitting”. De hecho, es más común que los nuevos ingenieros encaren problemas de mejoramiento de procesos existentes que la creación de nuevos diseños. Un caso de modificación de procesos es para permitir un aumento en la capacidad de producción, esto es lo que se conoce como estudios de descuellamiento (del inglés debotlenecking). Otro caso es para detener, remediar y hasta revertir el impacto del proceso y sus productos que deterioran el medio ambiente. La preocupación por el deterioro del medio ambiente la contaminación del aire, de los ríos y los lagos es cada vez mayor, como es el efecto invernadero en el calentamiento de la atmósfera y el adelgazamiento de la capa del ozono, así como por las emisiones de líquidos y sólidos que contaminan los ríos y terrenos de cultivo; conduce a que los gobiernos locales y federales impongan normas y sanciones cada vez más severas. Aunque se cuenta con tecnologías muy avanzadas de confinación y tratamiento de residuos industriales y municipales, es preferible la aplicación de medidas de prevención de la producción y emisión de contaminantes. A través de tecnologías limpias es posible minimizar la generación de compuestos contaminantes y aumentar el uso eficiente de la energía en las plantas de los procesos químicos, en el Apéndice A se extiende esta idea de diseño de procesos que no dañen al medio ambiente. Estas técnicas son benignas al medio ambiente de múltiples formas, por ejemplo, la siguiente lista da algunas medidas preventivas, que aunque no es exhaustiva sirve de ilustración.

1. Con la propuesta y aplicación de la reducción o eliminación del consumo de materias primas contaminantes, por ejemplo buscando rutas de reacción para evitar o reducir la toxicidad de subproductos.

2. Sustitución de solventes peligrosos por solventes en base agua. 3. El uso de catalizadores y reactores que favorezcan la selectividad de los productos

deseados y minimice la generación de subproductos contaminantes. Un concepto de diseño benigno al medio ambiente es el de integración de procesos que se basa en el re-uso, reciclo y regeneración de materiales, para evitar efluentes tóxicos y peligrosos. La idea básica del diseño integrado de procesos es destinar los subproductos y residuos que ocurren en un sector del proceso a otro sector en el que pueden usarse como materias primas. O convertir un subproducto de desecho en un producto de valor.


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Proponer y comparar alternativas de diseño es la tarea fundamental en el diseño de procesos. Como en el ejemplo, la selección de alternativas se puede efectuar bajo un esquema sistematizado de decisiones razonadas. Como el siguiente.

1. Determinar si se puede reducir el contaminante en el punto de su generación. 2. Si no es posible, probar la posibilidad de reciclarlo hasta su extinción. 3. Si no es posible, tratar de purificar el contaminante si es que puede venderse y recuperar

los costos de purificación, 4. Si no es posible, Proponer un tratamiento que elimine su peligrosidad, 5. Si no es posible, enviarlo a confinamiento.

1.5 Las bases de diseño El proyecto de diseño de un proceso químico tiene por origen cubrir un requerimiento de capacidad de producción, resumido en una frase como la siguiente: Diséñese un proceso para producir X Toneladas anualmente de un compuesto Y. La capacidad de producción (toneladas anuales del producto) suele tomarse como base para efectuar los cálculos de balances de materia y energía. La capacidad de producción deseada se determina por un análisis detallado del mercado y bajo la definición de la fracción del mercado que se espera cubrir. Actualmente no es una tarea fácil hacer la estimación de la fracción del mercado a cubrir, debido a las economías de escala y la globalización. La mayoría de las plantas requieren parar la producción para hacer el mantenimiento, limpiar equipos, cambiar catalizadores, reparar instrumentos, etc. Por lo que solo se trabaja una fracción de los 365 días del año, este es el factor de servicio. Plantas que operan 8,000 hr/año tienen un factor de servicio aproximado de 91 %. Están sujetos a un análisis técnico económico de alternativas los siguientes aspectos de ingeniería.

1. La selección de la ruta de reacciones, 2. La selección del tipo de proceso a utilizar, 3. La selección de la carga de la planta, 4. El establecimiento del esquema (diagrama) de proceso, 5. La selección del tipo de los equipos, 6. El establecimiento de las condiciones de operación y 7. La integración de requerimientos de los servicios.

Esta lista resume las decisiones fundamentales del diseño, la selección de la química del proceso, la definición de la configuración del proceso, el tipo y tamaño de los equipos así como las condiciones de operación. Para proceder al diseño se parte de las especificaciones de diseño que forman un documento conocido como Bases de diseño y que contiene los antecedentes técnicos y requisitos a cumplir por el diseño. Esto incluye:

1. Generalidades, 2. La capacidad, el factor de servicio y la flexibilidad. 3. Las especificaciones de las alimentaciones y productos, 4. Las condiciones de las alimentaciones y productos en los límites de batería, 5. Información de servicios auxiliares y de proceso.


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En algunos casos además se considera: Las normas y requerimientos para el tratamiento de efluentes, condiciones de seguridad y las instalaciones requeridas de almacenamiento de materias primas y productos. En la Tabla 1.3 se presenta un ejemplo de bases de diseño con los datos de un proceso para recuperar etano y licuables a partir de gas natural. Conclusión. Diseñar un proceso es como ensamblar las piezas de un rompecabezas. Las piezas se integran poco a poco, lo cual equivale al acomodo de los equipos en el diagrama de procesos. Con las especificaciones del proceso se definen los reactores y los separadores, con el diseño hasta este nivel se deben conocer los balances de materia y energía. Después se buscan combinaciones entre las corrientes de proceso en cambiadores de calor para un óptimo aprovechamiento de la energía. Finalmente con el diseño de los cambiadores de calor se fijan las demandas de servicios de calentamiento con vapor y de enfriamiento con agua fría. Otro nombre del diseño básico de procesos es el diseño conceptual de los procesos, porque se conceptualizan como integrados por subsistemas, en donde cada uno de estos tiene una función particular, como la transformación en reactores, en separadores o cambiadores de calor. Esto permite que el diseño se desarrolle de manera incremental y que cada subsistema pueda tener sus especificaciones particulares. Los problemas de diseño de proceso no tienen una solución única, al comparar alternativas de diseño se elige como más plausible la que mejor satisface los criterios y las especificaciones de diseño. Cada nueva alternativa que supera a las demás es una aproximación al óptimo, por lo tanto, es la mejor con carácter provisional. Referencias.

1. Douglas, J.M., Conceptual Design of Chemical Processes. McGraw-Hill, Inc. 1988. 2. Nadgir, V. M. y Y. A. Liu, “Studies in Chemical Process Design and Synthesis”. AICHE J. vol.

29, no. 6, pp 926-934, Nov. 1983. 3. Rudd, D.F, G.J. Powers y J.J. Siirola. Process Synthesis. Prentice-Hall, 1973.


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Tabla 1.3 Bases de diseño de un proceso para recuperar etano y licuables a partir de gas natural.

Generalidades. Diseñar una planta para recuperar etano y licuables, a partir de gas natural previamente endulzado. Empleara procesos criogénicos. La capacidad, el factor de servicio y la flexibilidad. Producirá 150,000 ton/año con un factor de servicio de 0.9 (operara 11 meses al año y un mes se usa para mantenimiento). La planta tendrá la flexibilidad de obtener propano además de etano. Las especificaciones de las alimentaciones y productos. La carga de gas natural, endulzado, será de 500 MMPCSD a 68 °F y 14.2 psia, con la siguiente composición:

Componente % mol Metano 76.556 Etano 13.949 Propano 5.777 Isobutano 0.813 n-Butano 1.592 Isopentano 0.335 n-pentano 0.355 Hexano (+) 0.471 Bióxido de carbono 0.152 Total: 100.00

Se espera que tenga menos de 4 ppm de H2S y con H2O saturado a las condiciones de la alimentación. Las condiciones de las alimentaciones y productos en los límites de batería. Condiciones de las alimentaciones en los límites de batería: Alimentaciones Edo. Físico Presión (psia) Temperatura (°F) Forma de Max/normal/min Max/normal/min recibo Gas Dulce Gaseoso 995/960/950 104/95/86 Gasoducto Condiciones de los productos en los límites de batería. Productos Edo. Físico Presión (psia) Temperatura (°F) Forma de Max/normal/min Max/normal/min entrega Etano (+) Líquido 694/315/315 85 Gasoducto Gas residual Gas 1120/1120/1120 104/95/86 Gasoducto Información de servicios auxiliares y de proceso. Requerimientos de agua para la caldera, el proceso, potable, servicios y uso sanitario, de enfriamiento. Agua tratada de entrada al proceso: 90 °F, De retorno a torre de enfriamiento: 115°F Vapor disponible: Servicio P, psig T, °F Calidad Alta 1450 825 Sobrecalentado Media 640 655 Sobrecalentado Baja 60 308 Saturado

diseño de procesos químicos

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