instituto politecnico nacional...5.2 simulación de la red de intercambiadores de calor a una...
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INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA QUÍMICA
E INDUSTRIAS EXTRACTIVAS
DISEÑO DE LA RED DE INTERCAMBIADORES DE CALOR OPTIMA PARA EL PROCESO DE ACRILONITRILO
TESIS
QUE PARA OBTENER EL TITULO DE INGENIERO QUÍMICO INDUSTRIAL
P R E S E N T A
ANTONIO DE JESUS HUERTA BELMONTE
ASESOR: DR. ENRIQUE ARCE MEDINA
MÉXICO D.F., Diciembre 2012 v
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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA QUÍMICA EINDUSTRIAS EXTRACTIVAS
DEPARTAMENTO DE EVALUACiÓN Y SEGUIMIENTO ACADÉMICO SECRETARíA
DE EDUCACiÓN PUBLICA
T·166·12 México, D. F., 15 de noviembre del 2012.
Al C. Pasante: Boleta: Carrera: Generación: ANTONIO DE JESÚS HUERTA BELMONTE 2008320663 IQI 2007·2011 Norte 190 No. 640 Interior 2 Pensador Mexicano Venustiano Carranza México, D.F. C.P. 15510
Mediante el presente se hace de su conocimiento que este Departamento acepta que el
C. Dr. Enrique Arce Medina sea orientador en el tema que propone usted desarrollar como prueba
escrita en la opción Tesis Individual, con el titulo y contenido siguiente:
"Diseño de la red de intercambiadores de calor optima para el proceso de fabricación de acrilonitrilo".
Resumen. Introducción.
1.- Descripción del proceso SOHIO. 11.- Descripción de la simulación del proceso.
111.- Teoría del análisis Pincho IV.- Análisis de ahorro de energía para la planta de acrilonitrilo. V.- Análisis de resultados.
Conclusiones. Bibliografia. Al'lexos.
n plazo máximo de un año, a partir de esta fecha, para presentarlo a revisión por
Dr. Artu M nzo Robledo Dr. Enri Presidente de la Aca emia de Ingeniería de Procesos Profesor
Cedo
Y:2.. /' ctora Academlca
c. C. p.- Control Escolar. GATA/ams
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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA QUÍMICA EINDUSTRIAS EXTRACTIVAS
DEPARTAMENTO DE EVALUACIÓN YSEGUIMIENTO ACADÉMICO
SECRETARíA DE
EDUCACiÓN PUBLICA
México, D. F., 30 de noviembre del 2012. T·166·12
Al C. Pasante: ANTONIO DE JESÚS HUERTA BELMONTE PRESENTE
Boleta: 2008320663 .'
Carrera: IQI
Generación: 2007-2011
Los suscritos tenemos el agrado de informar a usted, que habiendo procedido a revisar el
borrador de la modalidad de titulación correspondiente, denominado:
"Diseño de la red de intercambiadores de calor optima para el proceso de fabricación de acrilonitrilo".
encontramos que el citado Trabajo de Tesis Individual, reúne los requisitos para autorizar el
Examen Profesional y PROCEDER A SU IMPRESIÓN según el caso, debiendo tomar en
consideración las indicaciones y correcciones que al respecto se le hicieron.
Atentamente
JURADO
Dr. EnlMedina Presidente
Ing. Jot' Sergio Moran Guzmán Secretario
C.c.p.- Expediente GATA/rer
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i
RECONOCIMIENTOS
Al instituto politécnico nacional por haberme dado la oportunidad de estudiar en sus aulas y compartido las técnicas que pondré al servicio de la patria.
A la ESIQIE por brindarme la educación superior, así como conocer en sus aulas a grandes profesores y compañeros
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AGRADECIMIENTOS
A mis Padres: Antonio Huerta Martínez María del Carmen Belmonte Cruz Con mucho cariño y respeto, por el apoyo brindado desde la infancia, espero con esto corresponder todo lo que me han ofrecido. Los adoro, respeto y amo ¡Muchas Gracias!
A mis Hermanas: Erika Karina Por todo el apoyo brindado en el transcurso de mi educación y como muestra de mi sincero agradecimiento
A mis maestros: Por los concejos y conocimientos llenos de buena voluntad otorgados
A mis amigos: Gracias Por las distintas formas en que alentaron y apoyaron mi deseo de lograr la superación personal.
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Titulo Página
Resumen ix
Introducción 1
1 Descripción del proceso SOHIO 5
2 Descripción de la simulación del Proceso 9
2.1 Descripción de la simulación 13
3 Teoría del análisis Pinch 15
3.1 Antecedentes del análisis Pinch 15
3.2 Análisis Pinch 15
3.3 Metodología 15
3.3.1 Extracción de datos 16
3.3.2 Curvas compuestas 17
3.3.3 El punto Pinch 19
3.3.4 Tabla problema 20
3.3.5 La gran Curva Compuesta 22
3.4 Diseño de la red de intercambiadores de calor en el diagrama de rejilla
24
3.4.1 Diagrama de rejilla 24
3.5 Costo de proceso 26
4 Análisis de ahorro de energía para la planta de acrilonitrilo
29
4.1
Secuencia de cálculos 30
INDICE
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iv
5 Análisis de resultados 37
5.1 Diseño de la red de intercambiadores 37
5.2 Descripción de la simulación 41
5.3 Análisis 43
Conclusiones 45
Bibliografía 47
Anexos 51
A1 Propiedades físicas y termodinámicas del acrilonitrilo
52
A2 Toxicología del acrilonitrilo 54
A3 Balance de materiales para el proceso SOHIO
56
A4 Tabla de propiedades físicas y constante de reactivos y productos
59
A5 Tabla de resultados del cálculo del área y costo a las diferentes diferencias mínimas de temperatura
60
A6 Secuencia de cálculo para la obtención de los coeficientes de película
64
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INDICE DE TABLAS
Titulo Página
2.1 Tabla de resultados de la simulación 12
3.1 Datos de las corrientes de proceso 17
3.2 Tabla problema a 10 °C 22
4.1 Datos de interpolación. 31
4.2 Valores de constante para el cálculo de costos 32
4.3 Resultados a diferencia mínima de 5 °C 33
4.4 Costos de servicios a diferencia mínima de 5° C 33
4.5 Costos y áreas a cada diferencia mínima de temperatura.
34
5.1 Tabla de resultados de la simulación 40
5.2 Resultados de la simulación de la red de intercambiadores de calor a una diferencia mínima de 35°C
42
5.3 Resultados de la simulación de la red de intercambiadores de calor a una diferencia mínima de 35°C
43
5.4 Resultados teóricos a una diferencia de 35°C 43
5.5 Resultados de la simulación a una diferencia de 10 °C
43
A-1.1 Propiedades físicas del acrilonitrilo 52
A-1.2 Propiedades termodinámicas 53
A-4.1 Propiedades físicas 59
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A-4.2 Tabla de constantes 59
A-5.1 Costo a diferencia mínima de 5°C 60
A-5.2 Costo de servicios a 5°C 60
A-5.3 Costo a diferencia mínima de 10°C 60
A-5.4 Costo de servicios a 10°C 60
A-5.5 Costo a diferencia mínima de 15°C 61
A-5.6 Costo de servicios a 15°C 61
A-5.7 Costo a diferencia mínima de 20°C 61
A-5.8 Costo de servicios a 20°C 61
A-5.9 Costo a diferencia mínima de 25°C 62
A-5-10 Costo de servicios a 25°C 62
A-5.11 Costo a diferencia mínima de 30°C 62
A-5.12 Costo de servicios a 30°C 62
A-5.13 Costo a diferencia mínima de 35°C 63
A-5.14 Costo de servicios a 35°C 63
A-5.15 Costo a diferencia mínima de 40°C 63
A-5.16 Costo de servicios a 40°C 63
A-6.1 Datos de las corrientes 64
A-6.2 Resultados de coeficiente de película 65
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INDICE FIGURAS
Titulo Página
1.1 Diagrama del proceso SOHIO 7
2.1 Diagrama de la simulación del proceso 11
3.1 Curva compuesta de corrientes calientes 18
3.2 Curva compuestas de corrientes calientes y frías del proceso de acrilonitrilo
19
3.3 Gran curva compuesta del proceso de acrilonitrilo a una delta de 10°C
23
3.4 Diagrama de rejilla a diferencia de 10°C 25
4.1 Curvas compuestas a diferencia de 5°C 31
4.2 Gráfica de costos contra ∆T para el proceso de acrilonitrilo
34
4.3 Gráfica de área contra ∆T para proceso de acrilonitrilo
35
5.1 Diagrama de rejilla a 35°C 37
5.2 Simulación de la red de intercambiadores de calor a una diferencia mínima de 35°C
39
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viii
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ix
RESUMEN
El acrilonitrilo fue obtenido por primera vez en Alemania en 1893, esta es la
sustancia con la cual se elaboran las fibras acrílicas. Antes de 1960 el acrilonitrilo
fue producido comercialmente por procesos basados en el óxido de etileno y el
cianuro de hidrógeno9.
A finales de los años cincuenta se usaba el proceso heterogéneo para la
producción de acrilonitrilo por medio de una reacción de oxidación selectiva de
propileno y amoniaco en fase vapor comúnmente llamada amonoxidación. Este
proceso desarrollado por Sohio (Standart Oil of Ohio) causó, debido a su bajo
costo, en 1960, el desplazamiento eventual de cualquier otro proceso de
fabricación9.
Las mejoras de producción durante los últimos sesenta años se han
dedicado en gran parte al desarrollo de varias generaciones de catalizadores cada
vez más eficientes. Otra parte importante en este proceso es el calentamiento
para llevar la materia prima a fase vapor, esto es de gran importancia ya que
actualmente los costos de los combustibles han aumentado de forma drástica.
Otro factor tomado en cuenta es la problemática ambiental ya que a mayor
quema de combustibles, mayor generación de gases de efecto invernadero lo que
contribuye a la problemática de cambios climáticos perjudiciales para la
humanidad.
Dichos incrementos repercuten en el costo de servicios haciendo que
aumente. En este proyecto se propone una red de intercambiadores de calor a
partir del gradiente mínimo de temperatura óptima obtenida por el método Pinch.
Esta red propuesta para el proceso de acrilonitrilo permitirá reducir el
consumo en los servicios de calentamiento y enfriamiento, haciendo que los
costos de producción bajen y se pueda tener una mayor utilidad para la industria y
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x
un menor daño para el medio ambiente al reducir la generación de gases de
efecto invernadero.
La tesis se divide de la siguiente manera:
En el primer capítulo se explica el proceso SOHIO para la obtención de
acrilonitrilo el cual es el proceso más utilizado en la actualidad para la fabricación
de acrilonitrilo.
En el segundo capítulo se describe la simulación del proceso realizada en el
software PRO II con el objetivo de obtener los datos de los intercambiadores de
calor para la realización del análisis Pinch.
En el tercer capítulo se trata la teoría del análisis Pinch, incluyendo la forma
de construcción de las diferentes gráficas que se necesitan en el análisis de
supertargeting.
En el cuarto capítulo se presenta el análisis Pinch del proceso de la planta
de acrilonitrilo, este análisis se realiza a partir de las diferencias mínimas de
temperatura de un rango de 5°C a 40°C en intervalos de 5°C.
En el quinto capítulo se presenta el análisis de resultados obtenidos así
como la simulación en el software PROII donde se muestra el diseño propuesto
para este proceso.
Se obtuvo una integración de energía de 1165.805
que representa un
aumento del 18.3% respecto a lo esperado en los cálculos teóricos.
Este aumento en la integración de energía también si ve reflejado en el
costo de servicios que disminuyo 7.82% del costo obtenido por el supertargeting.
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1
INTRODUCCION
Aspectos del proceso
El acrilonitrilo es una sustancia con la cual se elaboran las fibras acrílicas. Obtenido
para este fin por primera vez en Alemania en el año 18939, fue uno de los productos utilizados
por Carothers Wallace para estudiar el comportamiento de los monómeros asociados en
cadenas moleculares. En 1929 se patentó el polímero. Es extremadamente compacto y hasta
que no se descubrió el disolvente apropiado no se pudo hilar.
Antes de 1960 el acrilonitrilo fue producido comercialmente por procesos basados en el
óxido de etileno y el cianuro de hidrógeno o en el acetileno y el cianuro de hidrógeno.
El acrilonitrilo es una molécula insaturada que posee una doble ligadura carbono-
carbono junto a un grupo nitrilo, en el Anexo 1 se dan las propiedades físicas y
termodinámicas del acrilonitrilo. Hay dos puntos de gran actividad química en la molécula del
acrilonitrilo, que, por separado o juntos, pueden fácilmente reaccionar con otras sustancias:
C=C y el radical CN. El enlace etilénico del acrilonitrilo, por su relación conjugada con el
radical CN insaturado puede participar en muchas reacciones de adición que no se producen
por un simple enlace olefínico. Como consecuencia de esta tendencia aditiva el acrilonitrilo es
muy eficaz para introducir el grupo cianoetilo en compuestos que contiene átomos activos de
hidrogeno14.
Es un monómero versátil y reactivo que puede ser polimerizado bajo una amplia
variedad de condiciones y copolimerizado con una gama extensa de monómeros vinílicos. A
causa de la dificultad de disolver el homopolímero, el acrilonitrilo es por lo general
copolimerizado para alcanzar una estabilidad térmica deseable así como fluidez. Como
monómero, el acrilonitrilo contribuye a la resistencia a los solventes y ligera, la
impermeabilidad de gas, y la capacidad de orientación9.En el Anexo 2 se presentan las
características toxicológicas del acrilonitrilo.
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2
El acrilonitrilo es producido en cantidades comerciales casi exclusivamente por el
proceso de amonoxidación catalítica de propileno en fase vapor desarrollado por Sohio9.
1.1
La reacción es fuertemente exotérmica y se lleva a cabo en un lecho de catalizador con
un tiempo de contacto de 4 segundos. Los gases se introducen en el lecho a una presión de
2.5
y este se mantiene a 400 a 510°C9 por medio de un sistema de refrigeración. Los
catalizadores empleados son de óxidos de MO, Bi y Fe, de Sb y Sn, de U, Mo y Si.
El proceso comercial usa un reactor de cama fluida en el cual el propileno, el amoníaco,
y el aire se ponen en contacto con un catalizador sólido de 400°C a 510°C y 2.5
9Es un
proceso de un solo paso con una conversión aproximada al 98 % de propileno, desprendiendo
una cantidad de calor de unas 160 Kcal/mol o bien 760 KJ/mol. Se emplea aproximadamente
1.1 kilogramos de propileno por kilogramo de acrilonitrilo producido. Los subproductos útiles
del proceso son HCN (aproximadamente 0.1 kilogramos por kilogramo de acrilonitrilo), el metil
metacrilato y acetonitrilo (aproximadamente 0.03 kilogramos por kilogramo de acrilonitrilo) que
es usado principalmente en la fabricación de un solvente industrial9.
Aspectos del software utilizado
En la presente tesis se usaron diferentes herramientas que fueron de mucha ayuda
durante la elaboración de la optimización de los intercambiadores de calor estos son:
Software PRO II En este programa se hicieron las simulaciones del proceso así como
las variantes necesarias en cada una de las diferentes propuestas de optimización
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3
Software HINT12: Este programa de libre comercialización fue utilizado para la
combinación de las líneas con alta temperatura y las de baja temperatura. Este sistema utiliza
el método Pinch, nace en el departamento de ingeniería y desenvolvimiento tecnológico de la
universidad de Valladolid España.
El análisis Pinch nace en 1970 debido a la crisis de energía, con los trabajos de
Hammand y Linnhoff16 este ultimo lo llevo a una aplicación industrial. La simplicidad de esta
herramienta no fue entendida por muchos en su comienzo, sin embargo en nuestros días el
análisis pinch es sumamente importante para encarar problemas de intercambio de calor ya
que se reduce el consumo de energía.
Su campo de aplicación se ha extendido hasta la transferencia de masa gracias a los
trabajos de El-halwagi y de Manousiouthakis en 1989, esto fue gracias a que las ecuaciones
de Fourier y de Fick se pueden tornar analógas16.
El análisis Pinch busca minimizar el requerimiento energético, mediante la
implementación de una red donde las corrientes involucradas puedan llegar a un máximo de
aprovechamiento.
OBJETIVO GENERAL Diseñar la red de intercambiadores de calor a partir del gradiente de temperatura mínimo
óptimo y el costo óptimo obtenido por el análisis Pinch en el proceso de acrilonitrilo
OBJETIVOS ESPECIFICOS:
1.- Obtener mediante el método Pinch el gradiente mínimo de temperatura y el costo de
operación óptimo para el proceso de acrilonitrilo
2.- Diseñar la red de intercambiadores de calor con el gradiente mínimo de temperatura
obtenida en el método Pinch.
3.- Comprobar mediante el simulador PROll la red de intercambiadores de calor propuesta
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CAPITULO 1
DESCRIPCIÓN DEL PROCESO SOHIO
En el proceso Sohio9 se utiliza un reactor de lecho fluido de múltiples etapas, que se
debe operar a una presión en el domo de 2.5
manométrica y a una temperatura de 400°C
a 510°C.
El aire es alimentado por medio de un compresor a una presión de 2.5 kg/cm2 y
precalentado hasta 350 ºC en un intercambiador con el gas saliente del reactor. Se utiliza para
fluidizar el catalizador sólido en el interior del reactor, que dispone de diez lechos en serie,
separados por platos perforados.
El amoniaco líquido fluye al vaporizador de amoniaco donde absorbe calor del agua
(Vapor a baja presión) de una corriente lateral, después pasa a un separador de arrastre y al
sobrecalentador de amoniaco donde se espera que alcance de 200ºC.a 400°C El aire entra al
fondo del reactor y fluye a través de un distribuidor diseñado especialmente. El propileno,
amoniaco y aire se introducen en el tercero o cuarto lecho, reaccionando con gran
desprendimiento de calor, a lo largo del reactor, atravesando los sucesivos lechos de
catalizador, en los que se disponen refrigerantes que produzcan vapor de agua de alta
presión. La velocidad promedio óptima para que los gases fluyan por el reactor es de 0.53
m/s.
Parte del catalizador es arrastrada con los gases en su recorrido vertical a través de los
lechos, separándose en una serie de ciclones dispuestos en el interior del reactor que
descargan el catalizador en el primer lecho, en el que tiene lugar su regeneración.
Ocasionalmente tiene lugar reacciones indeseables de oxidación llamadas post-combustión
en la cámara recolectora de gases y en la línea de efluentes del reactor, estas reacciones son
detectadas por una elevación repentina en la temperatura de 30 ºC a 60 ºC por minuto, estos
se detiene por adición de vapor de baja presión. Debido a reacciones secundarias también se
produce acetonitrilo y HCN, además de CO2 y CO. El efluente del reactor contiene amoniaco,
propileno, oxigeno, nitrógeno, acrilonitrilo, acetonitrilo, acido cianhídrico, dióxido de carbono,
monóxido de carbono, agua y pequeñas cantidades de otros materiales las propiedades
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6
físicas y termodinámicas de todas estas sustancias se presentan en el anexo 4. Los gases
salen del reactor de 430°C y a 2 atm de presión pasan al enfriador de efluente en donde se
enfrían transfiriendo el calor al agua de repuesto de enfriamiento del reactor, los gases se
enfrían aproximadamente a 232ºC. Después de enfriados los gases se dirigen a una torre de
absorción con agua fría en contracorriente; de esta forma, se aprovecha la buena solubilidad
de los nitrilos en agua del resto de gases (N2, CO, CO2 y propileno no reaccionado). La
solución acuosa de los nitrilos se introduce en la columna splitter de acrilo/acetonitrilo
separándose, mediante destilación extractiva con agua, por la cabeza se introduce un
heteroazeótropo acrilonitrilo-agua que contiene prácticamente la totalidad de HCN. Como
residuos del proceso, se obtiene HCN, que es usado principalmente en la manufactura de
metilmetacrilato y acetonitrilo, el cual puede ser tratado para obtener un producto industrial
utilizado como disolvente.
El gas del absorbedor contiene principalmente N2, CO, CO2, el hidrocarburo sin
reaccionar es evacuado directamente o primero pasado por un incinerador para quemar los
hidrocarburos y el CO. La solución de acrilonitrilo del absorbedor es pasada a una columna de
recuperación que produce un acrilonitrilo crudo que también contiene HCN.
El efluente del fondo de la columna es pasado a una segunda columna de recuperación
para quitar el agua y producir una mezcla de acetonitrilo crudo. El acetonitrilo crudo es
incinerado o bien tratado para producir acetonitrilo calidad solvente. El acrilonitrilo calidad de
fibra acrílica (el mínimo del 99.2 % de pureza) es obtenida por el fraccionamiento de la mezcla
de acrilonitrilo crudo para quitar el HCN, el agua y los ligeros finales.
A continuación se muestra en la figura 1.1 el diagrama de este proceso.
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amoniaco
propileno
R-1
agua Gas inerte
Figura 1.1.- Diagrama del proceso SOHIO.
Como se ha observado, el proceso SOHIO es el más utilizado en la industria, por lo
cual será a este proceso el que se realice la optimización de la red de intercambiadores de
calor, en el Anexo 3 se presenta el balance de materiales, necesario para la simulación del
proceso en el software PROII
acetonitrilo
HCN Acrilonitriloagua
acrilonitrilo
impurezas
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8
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9
CAPITULO 2
DESCRIPCION DE LA SIMULACION DEL PROCESO
Para la realización de la simulación se necesito realizar previamente un balance de
materiales tomando como base de cálculo 100,000 ton/año de acrilonitrilo. Con la finalidad de
obtener los datos de alimentación de las materias primas, estos cálculos se detallan en el
Anexo 3.
En la simulación se tomo como base la descripción del proceso SOHIO así como los
parámetros de los diferentes equipos.
En la siguiente página se muestra la figura 2.1 de la simulación del proceso en el
programa PRO II y en la tabla 2.1 los resultados obtenidos en la simulación.
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Fig. 2. 1 Diagrama de la simulación del proceso SOHIO
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Tabla2. 1 Resultados de a simulación
Nombre ACRILO LIQUIDO PRODUCTOS PRODUCTOS2 S1 S10 S11 S12 S13 S3 S4 S5 S6 S8
Total flujo Molar
kg-mol / hr
224.6974836 1693.217414 1691.972651 1688.22056 1691.972651 1688.22056 408.1354981 1693.217414 224.6974836 318.1539917 408.1354981 700.7600099 318.1539917 700.7600099
Total flujo masico
kg / hr 11909.264 40165.490 42762.3790 43203.7366 42762.379 43203.736 6950.7759 40165.490 11909.264 13388.123 6950.7759 22423.479 13388.123 22423.479
Temperatura C 76.919003 23.0709355 430.0000244 231.9999939 231.9999939 19.9999939 92.0565176 39.9999939 24.9999939 149.9999939 149.9999939 109.1469104 60.2135139 350.0000244
Total Cp kcal/kg-K
0.5173956 0.8083716 0.75076055 0 0.0529911 0 0.5342904 0 0.4893657 0.5271098 1.0686888 0.2238972 0.4051376 0.4066981
Total Molar Componentes
kg-mol / hr
N2 9.52941E-31 0.415171658 17.18250493 17.18250493 17.18250493 17.18250493 0 0.415171658 9.52941E-31 0 0 0 0 0
CO 7.16052E-30 1.789359865 68.721264 68.721264 68.721264 68.721264 0 1.789359865 7.16052E-30 0 0 0 0 0
O2 2.20036E-29 1.926014423 63.83630189 63.83630189 63.83630189 63.83630189 0 1.926014423 2.20036E-29 0 0 700.7600099 0 700.7600099
CO2 6.56852E-20 12.42273075 43.06850683 43.06850683 43.06850683 43.06850683 0 12.42273075 6.56852E-20 0 0 0 0 0
PROPENE 3.19519E-13 4.722748315 6.404446692 6.404446692 6.404446692 6.404446692 0 4.722748315 3.19519E-13 318.1539917 0 0 318.1539917 0
NH3 5.25187E-18 0.000825429 8.252916293 0.000825429 8.252916293 0.000825429 408.1354981 0.000825429 5.25187E-18 0 408.1354981 0 0 0
HCN 0.224694421 122.4558521 132.1929883 132.1929883 132.1929883 132.1929883 0 122.4558521 0.224694421 0 0 0 0 0
ACRN 223.7955938 224.6095412 224.6167087 224.6167087 224.6167087 224.6167087 0 224.6095412 223.7955938 0 0 0 0 0
ACEN 0.6771954 8.7078748 8.70787483 8.70787483 8.7078748 8.7078748 0 8.7078748 0.6771954 0 0 0 0 0
H2O 8.903E-12 1316.1673 1118.98913 1118.98913 1118.9891 1118.9891 0 1316.1673 8.903E-12 0 0 0 0 0
AMSULFA 0 0 0 4.12604543 0 4.1260454 0 0 0 0 0 0 0 0
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2.1Descripcion de la simulación
El aire, propileno y amoniaco pasan por los compresores C1, C2, C3
respetivamente, como se muestra en la figura 2.1, para aumentar su presión a 2.5
Kg/cm2, a continuación pasan por intercambiadores de calor E1, E2, E3 en donde
el propileno y el amoniaco llegan a la temperatura de 150°C y el aire alcanza
350°C. Después el propileno y el amoniaco pasan al mezclador M1 donde se
mezclaran antes de entrar a un primer reactor de conversión R1,el aire entra por
separado a dicho reactor, en este reactor se llevan a cabo la reacciones de
formación del producto principal, así como reacciones secundarias.
Salen del reactor en la línea Productos con una temperatura de 430°C, esta
línea entra a un intercambiador de calor E4 donde bajara su temperatura a 232°C
para poder entrar al segundo reactor R2 donde se neutralizara todo el amoniaco
que no reacciono en el primer reactor. Esto se logra con acido sulfúrico que se
alimenta el reactor a través de la línea S2 obteniendo como producto sulfato de
amonio, a continuación se pasa a un intercambiador E5 donde baja su
temperatura a 20°C para poder pasar a un separador de sólidos SC1 donde el
sulfato de amonio es retirado de la línea.
A continuación el acrilonitrilo junto con los productos secundarios y los
reactivos que no reaccionaron entran a una torre de absorción T1 donde se usa
agua, el liquido del fondo del absorbedor entran a un intercambiador de calor E6
donde sube su temperatura de 23°C a 40 °C.
Al salir del intercambiador entra una torre de destilación SCD1 en donde
aprovechando el punto azeotropico se separa el acetonitrilo junto con el agua en el
fondo saliendo de la línea ACETO y en el domo la mezcla de ácido cianhídrico y el
acrilonitrilo en la línea de ACRILO-HCN, esta mezcla pasa a una segunda torre de
destilación T2 donde por el fondo se obtiene el acrilonitrilo y por el domo el ácido
-
14
cianhídrico, en la línea de ACRILO pasa por un intercambiador de calor E7 para
bajar su temperatura de 76°C a 25 °C, y así entrar al almacenaje.
En conclusión en la simulación se tuvo aproximadamente las 100,000
ton/año esto ya que se perdió producto durante las destilaciones, con esta
simulación se pueden obtener los calores y flujos que entran a los diferentes
intercambiadores de calor que nos servirán para la realización de análisis pinch.
-
15
CAPITULO 3
TEORÍA DE ANÁLISIS PINCH
3.1 Antecedentes de análisis Pinch.
El análisis pinch nace en la década de los 70´s, gracias a los trabajos de
Hammad y Linnhoft16 siendo este último en llevarlo a la aplicación en la industria
bajo el nombre de tecnología pinch a inicios de los años 80´s, esta herramienta se
propago desde la Escuela de Ingeniería Química de la universidad de Manchester
(UMIST) del Reino Unido, genero controversias al principio debido a que no era
entendida, sin embargo el pasar de los años el análisis pinch se trasformo en una
herramienta de uso ingenieril en el diseño de redes de trasferencia de calor.
3.2 Análisis Pinch1
El análisis pinch trata de minimizar el requerimiento energético de los
procesos, donde la energía disponible es aprovechada con un balance de energía
arreglando las corrientes calientes y las corrientes frías para así alcanzar el
objetivo de máximo aprovechamiento energético.
Este análisis permite entender el proceso químico como el sistema de
corrientes con suficiente energía (corrientes calientes) y otras con la necesidad de
energía (corrientes frías).
3.3 Metodología
Se basa en la primera y segunda ley de la termodinámica donde la parte
primordial para realizar el análisis es la construcción de las curvas compuestas,
estas curvas son necesarias para poder predecir la localización del punto de
pliegue o punto Pinch, así como los objetivos o targets del método que son los
requerimientos mínimos de calentamiento y enfriamiento.
-
16
3.3.1 EXTRACCION DE DATOS1, 6,7
Los datos necesarios para la realización del análisis pinch se obtienen de la
descripción de los procesos cuando estos están en fase de desarrollo, también se
pueden obtener de un software de simulación de procesos, cuando el proceso
está ya en funcionamiento y se necesita para una optimización del mismo, estos
datos se pueden tomar de reporte de balances de energía y materiales5.
Lo primero es la identificación de los procesos de calentamiento y
enfriamiento involucrados en el proceso, esto significa las corrientes que tienen un
sobrante de energía a la cual las llamaremos corrientes calientes y aquellas que
tienen un déficit de energía recibirán el nombre de corrientes frías.
Otro dato necesario para el análisis son las temperaturas de suministro. Se
obtienen de las salidas de los diferentes equipos y las temperaturas objetivo son
aquellas que requiere llegar la línea para poder entrar al siguiente equipo. Un dato
importante son los Cp o capacidad calorífica, este dato ayuda a entender que
tanta dificultad presentara la corriente para subir la temperatura, y se toma de las
simulaciones hechas para el proceso.
El calor necesario para alcanzar la temperatura objetivo juega un papel
importante en el análisis pinch ya que de él se generaran las diferentes gráficas
necesarias. Este dato se obtiene de los balances de energía del proceso.
Un parámetro importante en el diseño de redes de cambiadores de calor es
la especificación del acercamiento mínimo entre temperaturas de las corrientes
calientes y frías, este es el valor del gradiente T mínimo representado por .
Para la explicación de las herramientas necesarias en el análisis Pinch se
utilizaran los datos de la simulación y se utilizara un gradiente de temperatura de
10 °C para la realización de las gráficas que se describirán más adelante. En la
tabla 3.1 se dan los datos de las corrientes frías y calientes del proceso que se
obtienen de la tabla de resultados de la simulación de la tabla 2.1.
-
17
Tabla 3.1 datos de las corrientes del proceso
corriente tipo F*Cp(Kcal/s*°C) T entrada(°C) T salida(°C)
Productos1 caliente 4.02 430 232
Productos2 caliente 21.326 232 20
Acrilo caliente 1.663 76 25
Propileo fría 1.147 60 150
Amoniaco fría 3.987 92 150
Aire fría 2.81 109 350
liquido fría 9.116 23 40
3.3.2 CURVAS COMPUESTAS6,7
Es la representación de las corrientes en un diagrama de temperatura
contra entalpia donde se muestran los perfiles de disponibilidad de calor en el
proceso y las demandas de calor que se requiere.
La creación de la curva compuesta de las corrientes calientes se realiza con
la adicción de los cambios de la entalpia en los respectivos intervalos de
temperatura, esto es cuando se tienen dos o más corrientes. Un ejemplo se
encuentra en la figura 3.1para las corrientes calientes de la tabla 3.1 que se
muestra a continuación.
-
18
Fig. 3. 1 Curva compuesta de corrientes calientes
En el ejemplo podemos ver que del intervalo de temperatura al ir
segmentado por intervalos se puede observar que en un mismo intervalo se
pueden encontrar hasta tres corrientes, para la realización de la curva compuesta
de las corrientes frías se realiza de forma similar, al colocarlas en la misma grafica
obtendremos lo siguiente.
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000
Tem
pe
ratu
ra (
°C)
Calor (Kcal/s)
Curva Compuesta caliente
curva caliente
-
19
Fig. 3. 2 Curva compuestas de corrientes calientes y frías del proceso de acrilonitrilo
En la figura 3.2 se puede observar las curvas compuestas de las corrientes
frías y calientes que se generaron a partir de los datos del simulador PRO II, con
estas curvas se pueden obtener datos de suma importancia. En la parte de la
izquierda en la zona no solapada de las curvas, se obtiene la energía de
enfriamiento necesario y en la parte de la derecha la energía de calentamiento que
se necesita para el proceso y la obtención del punto de pliegue o Pinch
3.3.3 EL PUNTO PINCH
Es el punto en el que las curvas se encuentran separadas por el en el
eje de temperaturas.
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000
Tem
pe
ratu
ra (
°C)
Calor (Kcal/s)
Curvas Compuestas
curva caliente
curva fria
-
20
Existen tres reglas que son importantes de tomar en cuenta para la
optimización del proceso estas son1:
1.-No trasferir calor a través del punto Pinch.
2.- No enfriar por encima del punto Pinch.
3.- No calentar por debajo del punto Pinch.
3.3.4 TABLA PROBLEMA7
La tabla problema resulta de gran utilidad cuando se necesita obtener los
objetivos de energía, ya que si se utiliza las curvas compuestas para la obtención
de los objetivos consumiría mucho tiempo, la finalidad de esta tabla es reducir el
tiempo de los cálculos, este algoritmo se desglosa en tres partes.
1.-convertir las temperaturas de proceso en intervalos de aumento o
decremento de acuerdo con la delta de temperatura mínima esto dependiendo si
la corriente es fría o caliente utilizando las siguientes ecuaciones.
(3.1)
(3.2)
La ecuación 3.1 es utilizada cuando la corriente es caliente y la 3.2 cuando
es fría, esto con la finalidad de tener intervalos con la asignación de la ∆Tmin con la
que se desea trabajar, por consiguiente al trabajar diferentes ∆Tmin se podrá
observar como las curvas compuestas se alejan o se acercan horizontalmente y
así cambiando los servicios mínimos requeridos.
-
21
Estos intervalos que se obtienen son clasificados y colocados de mayor a
menor, los puntos que se duplican son eliminados
2.- Realizar el balance energía entre los intervalos de temperatura esto se
logra con la siguiente ecuación:
(3.3)
En donde ∆Hi es el cambio de entalpia del intervalo i y la ∆Ti es la diferencia
de temperaturas en dicho intervalo.
Cuando las corrientes frías dominan a las calientes existe un déficit de
energía por lo que la ∆H es positiva, si por el contrario las corrientes calientes
dominan a las frías existe un exceso de energía y la ∆H se vuelve negativa.
3.- Al tener los intervalos de temperatura con su respectivo delta de entalpia
se procede a acomodar las temperaturas de mayor a menor en un diagrama de
cascada, basándonos en la segunda ley de la termodinámica, se puede transferir
por el gradiente de temperatura, así que se procede a sumar las cantidades de ∆H
hasta encontrar un déficit, después con este déficit se rehace la cascada
comenzando con dicho valor, en donde se encuentra un valor cero ese es el
intervalo en donde se encuentra el punto pinch.
En la tabla 3.2 se muestra la tabla problema para los datos del proceso
obtenidos con el simulador se puede observar que se trata de un problema de
umbral al estar el punto pinch en una en la parte superior de la grafica.
Con esta tabla se obtiene también la cascada de calor que es la corrección
de la sumatoria con el valor más pequeño o negativo.
-
22
Tabla 3. 2 Tabla problema a 10 °C
no inter Orden sum fcp hot
sum fcp cold
∆H sumatoria Corrección
0 425 0 0 0 0 281.4
1 355 4.02 0 281.4 281.4 562.8
2 227 4.02 2.81 154.88 436.28 717.68
3 227 25.346 2.81 0 436.28 717.68
4 155 21.326 2.81 1333.152 1769.432 2050.832
5 155 21.326 7.944 0 1769.432 2050.832
6 114 21.326 7.944 548.662 2318.094 2599.494
7 97 21.326 5.134 275.264 2593.358 2874.758
8 71 21.326 1.147 524.654 3118.012 3399.412
9 65 22.989 1.147 131.052 3249.064 3530.464
10 45 22.989 0 459.78 3708.844 3990.244
11 28 22.989 9.116 235.841 3944.685 4226.085
12 20 22.989 0 183.912 4128.597 4409.997
13 15 21.326 0 106.63 4235.227 4516.627
La columna de corrección en este caso no es necesaria, se coloco para la
realización de las curvas compuesta y la gran curva.
3.3.5 LA GRAN CURVA COMPUESTA7
Es una representación grafica del flujo neto de calor contra los intervalos de
temperatura, los datos que se necesitan se encuentran en la tabla problema, esta
grafica indica cual es el calor neto de calefacción y enfriamiento además que
proporciona el intervalo en el que se encuentra el punto pinch, esta representación
ayuda a comprender y visualizar de una forma más fácil la ubicación del punto
Pinch.
Con la siguiente ecuación se puede obtener los intervalos de temperatura y
entalpia que se necesita para graficar
-
23
(3.4)
Con los segmentos obtenidos con la ecuación anterior se obtiene la siguiente
gráfica.
Fig. 3. 3 Gran curva compuesta a una diferencia mínima de 10°C
NUMERO DE INTERCAMBIADORES DE CALOR6
Con los datos obtenidos hasta este punto se prosigue en la obtención del
número de intercambiadores de calor, esto es que el punto pinch divide el
problema en dos que es arriba del pinch y debajo del pinch, para obtener un
aproximado del número de unidades que se utilizaran se usa las siguientes
formulas.
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
0 1000 2000 3000 4000 5000
Tem
pe
ratu
ra (
°C)
Calor (Kcal/s)
gran curva compuesta
gran curva compuesta
-
24
(3.5)
Para calcular las unidades arriba y abajo tenemos la siguiente formula.
(3.6)
Donde NE es el número de intercambiadores Ns el número de corrientes y
número de servicios es NU
3.4 DISEÑO DE LA RED DE CAMBIADORES DE CALOR EN EL
DIAGRAMA DE REJILLA.
Ya que se tienen los datos estimados de calor, de intercambiadores se
prosigue con el diseño de la red de intercambiadores de calor, para esto se
utilizara el diagrama de rejilla, existe unas reglas heurísticas que se utilizan
durante el diseño de la red.
Hasta este momento se explico todo el análisis y la obtención de los objetivos en
el método Pinch, en la siguiente parte se sintetizara los datos obtenidos para la
obtención del diseño de la red de intercambiadores óptima.
3.4.1 DIAGRAMA DE REJILLA4
El diagrama de rejilla es una representación que se utiliza en la tecnología
pinch para realizar el diseño de la red de intercambiadores de calor, los pasos a
seguir para la realización de este diagrama son:
1.-Las corrientes calientes (las que tienen un exceso de energía) se dibujan
en la parte superior de izquierda a derecha.
-
25
2.- Las corrientes frías (las que tienen un déficit de energía) se dibujan en la
parte inferior de derecha a izquierda
3.- Los intercambiadores de calor son representados por una línea vertical
que une a una corriente caliente y una corriente fría con un circulo en cada línea,
el calor que intercambian se escribe en la parte de abajo del circulo
4.-Las temperaturas se pueden colocar al comienzo y al final de la línea de
cada corriente, al inicio de las corrientes se coloca el FCP que es la multiplicación
del flujo y la capacidad calorífica de cada línea, el calor se coloca a un costado de
cada línea tal como se muestra en la figura 3.4
Fig. 3. 4 Diagrama de rejilla a diferencia de 10°C
-
26
3.5 COSTOS DE PROCESO
En los costos de proceso se dividen en dos grandes rublos los cuales son
los costos de capital y los costos variables, el costo de capital es aquel que se
obtiene de las curvas compuestas que son divididas en segmentos verticales
llamadas intervalo de entalpias, con esto se puede obtener el cambio de entalpia
del intervalo y las temperaturas que conforman el intervalo para que usando la
ecuación de diseño se pueda obtener el área mínima, dicha ecuación es la
siguiente6
(3.7)
Donde A es el área del intercambiador, U es el coeficiente global de
trasferencia de calor y la ∆ es la diferencia logarítmica media de temperatura
en el intervalo.
Al obtener estas áreas podemos obtener los costos de cada intercambiador
basándonos en la siguiente ecuación2
(3.8)
En donde a, b y c son constantes basadas en el tipo de material del
intercambiador.
Para la obtención del costo de la red tenemos que obtener las unidades
mínimas de intercambio, se puede usar una simplificación del teorema general de
redes de Euler que se puede expresar de la siguiente manera.6
(3.9)
-
27
Donde N es el número de corrientes de proceso y las Umin es número
mínimo de intercambiadores
Para la obtención del costo de capital se necesita del área mínima de
trasferencia así como el número de unidades de trasferencia de calor, en este
caso cada autor marca diferentes parámetros.6
(3.10)
En donde Amin, es el área mínima de los intercambiadores, Nmin es el
numero de intercambiadores mínimos y las letras a, b y c son constante que
depende del tipo de material que se utilizara para los intercambiadores.
En este capítulo se realizo un marco teórico sobre la tecnología del análisis
pinch, su metodología y la obtención de la diferente información necesaria para la
optimización de las redes de calor en el proceso.
-
28
-
29
CAPITULO 4
ANÁLISIS DE AHORRO DE ENERGÍA PARA LA PLANTA DE
ACRILONITRILO
Con los datos obtenidos del simulador PRO II se realizaron las gráficas de
curvas compuestas con una diferencia de temperatura desde 5 hasta 40 °C como
se explico en el capitulo anterior, se obtuvo la identificación del tipo de problema
del que se trata que es un problema de umbral en otras palabras un problema sin
punto Pinch, también se obtuvieron los calores de enfriamiento para cada
diferencia de temperatura.
El procedimiento que se describe a continuación se conoce como
supertargeting. Las gráficas proporcionan los datos necesarios para el cálculo del
área total que tendrá la red de intercambiadores de calor, sin la necesidad de
saber cuál será su distribución exacta, para comenzar se divide en segmentos
verticales de entalpia, despejando de la ecuación 3.7 el área (A) se obtiene la
siguiente expresión.
(4.1)
Donde es la diferencia media logarítmica de las temperaturas de cada
segmento y se calcula de la siguiente forma.
(4.2)
Donde las letras mayúsculas son las temperaturas de la corriente caliente y
las minúsculas de la corriente fría de entrada y salida del cambiador de calor.
-
30
U es la unidad global de trasferencia de calor, y se calcula con la siguiente
ecuación.16
(4.3)
Los coeficientes de película de trasferencia de calor (hc y hf) se obtienen de
las características de cada fluido.
Para la obtención de las temperaturas intermedias de dos puntos en cada
una de las curvas, se obtiene por interpolación con la siguiente formula
(4.4)
Se utilizara como ejemplo los datos de la diferencia de 5 °C, las tablas de
resultado de cada diferencia mínima de temperatura se encuentran en el Anexo 5.
4.1. Secuencia de cálculos
Teniendo los segmentos en la grafica se extraen los datos de temperatura y
calor de los puntos para que por medio de una interpolación se encuentren las
temperaturas faltantes.
-
31
Fig.4 1 Curvas compuestas a diferencia mínima de 5°C
Estos puntos corresponden a la curva de corrientes frías de la figura 4.1,
para encontrar la temperatura intermedia se utiliza el calor del punto de la curva de
corrientes calientes que es el último valor en la columna de calor en la tabla 4.1 y
el cálculo se realiza con la ecuación 4.4 de la siguiente manera.
Tabla 4.1 Datos de interpolación
Punto T (Y) Q(X)
1 350 5703.85
2 150 5141.385
3 Y 5401.885
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000
tem
pe
ratu
ra (
°C)
Calor (Kcal/s)
curva compuesta caliente
1
3
2
-
32
Las interpolaciones se realizan en cada segmento de la gráfica, después de
tener todas las temperaturas se continúa con el cálculo de la diferencia media
logarítmica utilizando la ecuación 4.2 se tiene que:
A continuación se realiza el cálculo del coeficiente global de trasferencia de
calor, para realizarlo se extraen del simulador los valores de Cp, conductividad
térmica (K), viscosidad (μ) y el gasto másico, con estos valores se calcularan el
numero de Reynolds, el número de Prandtl y el número de Nusselt necesarios
para obtener los coeficientes de película de la corriente fría y la caliente, estos
cálculos se explican en el Anexo 6
Con el coeficiente global, la diferencia media logarítmica y el calor del
segmento se procede al cálculo del área usando la ecuación 4.1 queda de la
siguiente forma:
Se continúa con el cálculo del costo, utilizando la ecuación 3.8 y tomando
los siguientes valores para las constantes2.
Tabla 4.2 Valores de las constantes para el cálculo de costos2
constante Valor
A 16000 USD
B 3200 USD/m2
C 0.7
Sustituyendo los valores en la ecuación se tiene que:
-
33
Repitiendo el procedimiento se obtiene la siguiente tabla de resultados
Tabla 4.3 Resultados a diferencia mínima de 5°C
segmento T1 T2 t1 t2 ∆Tml Q 1/U A(m2) C($)
1 430 365 242.6 150 200.884096 261.3 1.657 2.15534285 21477.8664 2 365 284 150 109 194.314311 325.7 3.2565 5.45838362 26497.7159 3 284 262.5 109 92 172.740231 87.27 3.2508 1.64233493 20528.6962 4 262.5 253.3 92 60 181.661597 36.7 3.2238 0.65128493 18370.2257 5 253.3 232 40 30 207.598746 85.774 3.1214 1.28967525 19823.7213 6 232 228.8 30 23 203.894098 69.198 25.01 8.48794543 30299.2014
Total 865.942 19.684967 136997.427
Como se observa en la tabla 4.3 al sumar cada uno de los costos de cada
segmento se obtiene el costo de capital, la fila resaltada son los datos que se
utilizaron para ejemplificar la secuencia de cálculos.
Se prosigue con el cálculo de los costos de servicios, en estos se utilizara
una constante de 50 $/KW*año para enfriamiento y calentamiento se utiliza la
ecuación siguiente.
(4.5)
Los valores de requerimientos de servicio se obtienen con el programa
HINT. Utilizando la ecuación 4.5 se obtienen los siguientes resultados
Tabla 4. 4 Costo de servicios a diferencia mínima de 5°C
Servicio Q(Kcal/s) C($/año)
Calentamiento. 301.5 63,073.7879
Enfriamiento 4536.727 949,083.107
Con estos datos se grafica costo contra ∆T y área contra ∆T, se utiliza el
costo total que es la suma de los costos de servicios y el costo de capital de la red,
realizando los cálculos para cada diferencia de temperatura se obtienen los
siguientes datos.
-
34
Tabla 4. 5 Costos y Áreas a cada diferencia mínima de temperatura
∆T C A
5 1,149,154.32 19.6869
10 1,143,747.82 22.3852
15 1,138,189.45 25.1805
20 1,132,399.02 28.0256
25 1126258.7 30.9264
30 1125029.27 34.915
35 1121781.1 39.701
40 1123996.53 45.293
Se grafican los puntos y se obtienen las siguientes graficas
Fig.4.2 Gráfica costo contra ∆T para el proceso de acrilonitrilo
Se observa que se obtiene el costo total mínimo para un valor de de 35°C
1,100,000.00
1,150,000.00
1,200,000.00
0 10 20 30 40 50
Co
sto
($
/añ
o)
diferencia de temperatura (°C)
∆T vs C
-
35
Fig.4.3 Gráfica de área contra ∆T para el proceso de acrilonitrilo
Cabe mencionar que se recomienda utilizar este método para cada proceso para
obtener la diferencia mínima de temperatura y a partir de ella realizar el diseño
correspondiente.
0
10
20
30
40
50
0 10 20 30 40 50
Are
a (m
2)
diferencia de temperatura (°C)
∆T vs A
-
36
-
37
CAPITULO 5
ANALISÍS DE RESULTADOS
Observando los resultados obtenidos se encontró que la diferencia mínima
de temperatura es de 35 °C con este valor se procede a realizar el diseño de la
red de intercambiadores de calor así como de la simulación en el software PRO II
5.1 Diseño de la red de intercambiadores.
Con la diferencia mínima de temperatura óptima obtenida con el análisis
Pinch, se procede a realizar el diseño de la red de intercambiadores de calor, se
realizo el diagrama de rejilla como se explico en el capítulo 3, este diagrama se
utilizara como referencia al momento de la realización de la simulación.
A continuación en la figura 5.1 se muestra el diagrama de rejilla a una
diferencia mínima de temperatura de 35 °C.
Fig.5.1 Diagrama de rejilla a 35 °C
-
38
-
39
2
3
1
5 6
4
7
Fig.5. 2 Simulación de la red de intercambiadores de calor a una diferencia mínima de35°C
-
40
Tabla5. 1 Tabla de resultados de la simulación
Nombre ACRILO LIQUIDO PRODUCTOS S1 S10 S11 S12 S13 S14 S15 S16 S17 S18 S19 S20 S3 S4 S5 S6 S8
Total Molar (Kmol)
224.6974982 1693.217389 1691.972651 1691.972651 1688.22056 408.1354981 1693.217389 224.6974982 1691.972651 844.1102797 844.1102797 844.1102797 844.1102797 1688.22056 1688.22056 318.1539917 408.1354981 700.7600099 318.1539917 700.7600099
T.(°C) 76.9190042 23.0709504 430.0000244 84.165378 20.0000268 92.0565176 40.000771 24.9999939 84.8631702 231.9999939 231.9999939 88.7066969 105.9685935 88.6033989 89.4864326 255.0620582 373.9599854 109.1469104 60.2135139 349.9984488
Cp(Kcal/Kg°C)
0.5173956 0.808371694 0.750760553 0 0 0.534290436 0 0.489365742 0 0 0 0 0 0 0 0.527109868 1.068688799 0.223897282 0.405137641 0.40669811
N2 9.52932E-31 0.415171536 17.18250493 17.18250493 17.18250493 0 0.415171536 9.52932E-31 17.18250493 8.591252465 8.591252465 8.591252465 8.591252465 17.18250493 17.18250493 0 0 0 0 0
CO 7.16046E-30 1.789359327 68.721264 68.721264 68.721264 0 1.789359327 7.16046E-30 68.721264 34.360632 34.360632 34.360632 34.360632 68.721264 68.721264 0 0 0 0 0
O2 2.20035E-29 1.926013814 63.83630189 63.83630189 63.83630189 0 1.926013814 2.20035E-29 63.83630189 31.91815094 31.91815094 31.91815094 31.91815094 63.83630189 63.83630189 0 0 700.7600099 0 700.7600099
CO2 6.56872E-20 12.422726 43.06850683 43.06850683 43.06850683 0 12.422726 6.56872E-20 43.06850683 21.53425342 21.53425342 21.53425342 21.53425342 43.06850683 43.06850683 0 0 0 0 0
PROPENE 3.1953E-13 4.722747448 6.404446692 6.404446692 6.404446692 0 4.722747448 3.1953E-13 6.404446692 3.202223346 3.202223346 3.202223346 3.202223346 6.404446692 6.404446692 318.1539917 0 0 318.1539917 0
NH3 5.25218E-18 0.000825429 8.252916293 8.252916293 0.000825429 408.1354981 0.000825429 5.25218E-18 8.252916293 0.000412714 0.000412714 0.000412714 0.000412714 0.000825429 0.000825429 0 408.1354981 0 0 0
HCN 0.224691428 122.4558364 132.1929883 132.1929883 132.1929883 0 122.4558364 0.224691428 132.1929883 66.09649417 66.09649417 66.09649417 66.09649417 132.1929883 132.1929883 0 0 0 0 0
ACRN 223.7956193 224.609541 224.6167087 224.6167087 224.6167087 0 224.609541 223.7956193 224.6167087 112.3083544 112.3083544 112.3083544 112.3083544 224.6167087 224.6167087 0 0 0 0 0
ACEN 0.677187427 8.707874836 8.707874836 8.707874836 8.707874836 0 8.707874836 0.677187427 8.707874836 4.353937416 4.353937416 4.353937416 4.353937416 8.707874836 8.707874836 0 0 0 0 0
H2O 8.90334E-12 1316.167293 1118.989138 1118.989138 1118.989138 0 1316.167293 8.90334E-12 1118.989138 559.4945692 559.4945692 559.4945692 559.4945692 1118.99 1118.99 0 0 0 0 0
AMSULFAT 0 0 0 0 4.12605 0 0 0 0 2.06302 2.06302 2.06302 2.06302 4.12604 4.12604 0 0 0 0 0
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41
Con este diagrama de rejilla que se muestra en la figura 5.1 se procede a
realizar la simulación en el software PRO II. En la figura 5.2 se muestra la
simulación de la red de intercambiadores de calor a una diferencia mínima de 35
°C que a continuación se explica, la tabla de balance de materiales se muestra en
la tabla 5.1.
5.2 Descripción de la Simulación
Como se muestra en la figura 5.2 el aire, propileno y amoniaco pasan por
los compresores C1, C2, C3 respetivamente para aumentar su presión a 2.5
Kg/cm2. A continuación pasan por intercambiadores de calor E1, E2, E3 en donde
el propileno alcanza una temperatura de 255°C y el amoniaco llegan a 373°C y el
aire alcanza 350°C. Después el propileno y el amoniaco pasan al mixer M1 donde
se mezclaran antes de entrar a un primer reactor de conversión R1-Acrilo, el aire
entra por separado a dicho reactor. En este reactor se llevan a cabo las
reacciones de formación del producto principal, así como reacciones secundarias.
Salen del reactor en la línea Productos con una temperatura de 430°C. Esta
línea intercambia calor en el equipo E3, después entra al intercambiador E4 donde
bajara su temperatura a 232°C para poder entrar al segundo reactor R1 donde se
neutralizara todo el amoniaco que no reacciono en el primer reactor. Esto se logra
con acido sulfúrico que se alimenta el reactor a través de la línea S2 obteniendo
como producto sulfato de amonio, a continuación se pasa a un separador SP1 del
cual la línea se divide en dos, estas líneas intercambian calor con los equipos E1 y
E2 al salir de los equipos se mezclan en M2 para entrar al intercambiador de calor
E6, al salir del equipo entra al intercambiador E5 donde baja su temperatura a
20°C para poder pasar a un separador de sólidos SC1 donde el sulfato de amonio
es retirado de la línea.
A continuación el acrilonitrilo junto con los productos secundarios y los
reactivos que no reaccionaron entran a una torre de absorción T1 donde con agua
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42
se retiran los gases de la línea, el liquido entran a un intercambiador de calor E6
donde sube su temperatura de 23°C a 40 °C.
Al salir de intercambiador entra una torre de destilación SCD1 en donde
aprovechando el punto azeotropico se separa el acetonitrilo junto con el agua en el
fondo saliendo de la línea ACETO y en el domo la mezcla de acido cianhídrico y el
acrilonitrilo en la línea de ACRILO-HCN. Esta mezcla pasa a una segunda torre de
destilación T2 donde por el fondo se obtiene el acrilonitrilo y por el domo el acido
cianhídrico, en la línea de ACRILO pasa por un intercambiador de calor E7 para
bajar su temperatura de 76°C a 25 °C, y así entrar al almacenaje. En la tabla 5.1
se muestran los resultados de la simulación descrita con anterioridad
Tabla5.2 Resultados de la simulación de la red de intercambiadores de calor
intercambiador Corriente caliente Corriente fría Q(Kcal/s)
T entr.(°C) T sal.(°C) T entr.(°C) T sal.(°C)
1 430 84.86 109.14 350 676.805
2 232 105.96 60.21 255 102.972
3 232 88.7 92 373.9 231.055
4 89.5 88.6 23.07 40 154.9722
En la tabla 5.2 se puede observar las temperaturas de entrada y salida de
cada una de las corrientes calientes y frías en cada uno de los intercambiadores,
en la tabla no se muestran los intercambiadores 5, 6, 7 ya que estos forman parte
-
43
del servicio de enfriamiento, en la siguiente tabla se muestra el calor integrado, el
calor de enfriamiento y el calor de calentamiento de la simulación.
Tabla5. 3 Resultados de la simulación de la red de intercambiadores a una diferencia
mínima de 35°C
Q integrado (Kcal/s) Q enfriamiento (Kcal/s) Q Calentamiento(Kcal/s)
1165.805 4237.333 0
5.3 Análisis
Con los resultados obtenidos en la simulación se comparan con los
resultados teóricos del capítulo 4 así como con la simulación a una diferencia
mínima de 10 °C, en la tabla 5.4 se muestran los calores de integración,
enfriamiento y calentamiento obtenidos de forma teórica y en la tabla 5.5 los
obtenidos en la simulación a una diferencia mínima de 10°C.
Tabla5. 4 Resultados teóricos a una diferencia de temperatura de 35 °C
Q integrado (Kcal/s) Q enfriamiento (Kcal/s) Q Calentamiento(Kcal/s)
985.758 4416.127 180.9
Tabla5. 5 Resultados de la simulación a una diferencia de 10 °C
Q integrado (Kcal/s) Q enfriamiento (Kcal/s) Q Calentamiento(Kcal/s)
968.86 4502.5833 0
-
44
Como se puede observar en las tablas anteriores en las simulaciones no se
necesita el calor de calentamiento, a comparación con los resultados teóricos, esto
es bueno ya que los costos de servicios disminuirían de forma considerable,
debido al aprovechamiento integrado de calor entre las corrientes del proceso.
En los resultados teóricos a una diferencia mínima de 35 °C se puede
comprobar que el calor de integración es menor a los resultados obtenidos en la
simulación a dicha temperatura, otra diferencia entre el cálculo teórico y la
simulación es que en el teórico se hace uso de gráficas con una aproximación
sujeta a pequeños errores.
Un punto que se tiene que resaltar es el aumento de la temperatura de
salida de las corrientes de dos de los reactivos, el propileno que entra en el
intercambiador número dos pasa de 150 °C a 255 °C y el amoniaco que entra en
al intercambiador tres pasa de 150°C a 375°C, estos aumentos en la temperatura
son permitidos ya que en la bibliografía se manejan en ambos reactivos un
intervalo de temperaturas que van de 200 °C a 400°C, por lo cual ambas
temperaturas entran en dicho rango9,.
Después de realizar el análisis de resultados en este capítulo se pudo
constatar que la diferencia mínima de temperatura óptima para el proceso de
acrilonitrilo es de 35°C ya que se utiliza la mayor cantidad de calor que se genera
en la reacción y el costo de la red de intercambiadores es el más bajo.
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CONCLUSIONES
La elaboración del acrilonitrilo por el proceso SOHIO en donde las
reacciones involucradas en dicho proceso son extremadamente exotérmicas esta
energía no es aprovechada en ninguna parte del proceso, por otro lado las
condiciones a las cuales deben entrar los reactivos en fase vapor genera que los
servicios de calentamiento aumenten en un 50%, con esto se decidió proponer
apoyados por la tecnología Pinch una red de intercambiadores de calor para el
aprovechamiento de la energía.
Primero se realizo un análisis preliminar con ayuda del software HINT, con
el cual se encontraron los parámetros donde se encontraba el punto de mayor
aprovechamiento de energía en el proceso, con esta información se realizo con
ayuda de las herramientas de la tecnología Pinch el método de supertargeting,
dando como resultado una diferencia mínima de temperatura de 35 °C.
Con los resultados obtenidos en el supertargeting se realizó la simulación
del proceso SOHIO en el software PRO II, en esta simulación se realizaron las
modificaciones para la red de intercambiadores de calor, dando como resultado
una integración de energía de 1165.805
que representa un aumento del 18.3%
respecto a lo esperado en los cálculos teóricos.
Este aumento en la integración de energía también se ve reflejado en el
costo de servicios que disminuyo 7.82% del costo obtenido por el supertargeting.
Con esta propuesta además del aprovechamiento de energía, también se
obtuvo una disminución del costo de servicios, esto sin perder de vista que el
producto principal se sigue obteniendo con la misma calidad.
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47
BIBLIOGRAFIA
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50
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http://es.scribd.com/doc/23258837/A-06%20el%20día%2016/10/11
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51
ANEXOS
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52
Anexo 1.
Propiedades Físicas y Termodinámicas del Acrilonitrilo.
El acrilonitrilo es una molécula insaturada que posee una doble ligadura
carbono-carbono junto a un grupo nitrilo. Es una molécula que presenta polaridad debido a la presencia del heteroátomo de nitrógeno. Hay una atracción de los electrones hacia el átomo de nitrógeno electronegativo, como se representa por las estructuras de resonancia siguientes:
A1.1
El acrilonitrilo es incoloro, de olor penetrante, miscible en una gran cantidad de solventes orgánicos. Es un compuesto muy volátil, tóxico e inflamable, que forma mezclas explosivas cuando se pone en contacto con el aire. Es miscible en una amplia gama de solventes orgánicos, incluyendo la acetona, el benceno, el tetracloruro de carbono, dietil éter, el acetato de etilo, el éter de petróleo, el tolueno, algunos querosenos, y el metanol.
A-1.1 Propiedades físicas del acrilonitrilo
Propiedades Valor
Punto de Ebullición (°C) 77.3
Punto de Fusión (°C) -83.5
Densidad @ 20°C (g/cm3) 0.806
Volatilidad @ 78°C (%) >99
Presión de Vapor @ 20°C (KPa) 11.5
Densidad de Vapor (aire=1) 1.8
Solubilidad en Agua @ 20°C (%Agua) 7.3
pH (Solución acuosa 5%) 6.0 – 7.5
Valores Críticos
Temperatura (°C) 246
Presión (MPa) 3.54
Volumen (cm3/g) 3.798
Índice de Refracción (n25D) 1.3888
Constante Dieléctrica (33.5 MHz) 38
Potencial de Ionización (eV) 10.75
Refractibilidad Molar (D line) 15.67
Tensión Superficial @ 25°C (mN/m ó dyn/cm) 26.6
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53
A-1.2 Propiedades termodinámicas
Propiedad Valor
Punto de Flasheo (°C) 0
Temperatura de Autoignición 481
Limites de flamabilidad en aire
Más Bajo 3.0
Más Alto 17.0
Energía Libre de Formación ΔG°g @ 25°C (KJ/mol) 195
Entalpia de formación en fase gaseosa ΔH°g 180
Entalpia de formación en fase liquida ΔH°l 147
Calor de Combustión líquido @ 25°C (KJ/mol) 1761.5
Calor de Vaporización @ 25°C (KJ/mol) 32.65
Capacidad Calorífica Liquido (KJ/Kg K) 2.09
Capacidad Calorífica (KJ/Kg K)del Gas @ 50°C (101.3 KPa)
1.204
Calor Molar de Fusión (KJ/mol) 6.61
Entropía, S, Gas @ 25°C (101.3 Kpa), KJ/mol K 274
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54
Anexo 2.
Toxicología del Acrilonitrilo.
Acrilonitrilo.
El acrilonitrilo es absorbido rápidamente y distribuido extensamente en
todas partes del cuerpo después de la exposición por la inhalación, el contacto de la piel o la ingestión. Sin embargo, hay poco potencial para la acumulación significativa en cualquier órgano ya que el compuesto es rápidamente excretado en la orina.
La toxicidad aguda de acrilonitrilo es relativamente alta, con LC50 de cuatro
horas en animales de laboratorio en los límites de 300 a 900 mg/m3 y LD50 de 25 a 186 mg/kg. Los signos de toxicidad aguda observada en animales incluyen la irritación de vías respiratorias y dos fases de neurotoxicidad, el primero caracterizado por signos compatibles con el sobre estimulación y en el segundo que comienza la disfunción CNS, pareciéndose al envenenamiento de cianuro. En los casos de intoxicación aguda humana, efectos sobre la característica de sistema nervioso central de envenenamiento de cianuro y efectos sobre el hígado, manifestado como los niveles de enzima aumentados en la sangre, han sido observados. Es un severo irritante a la piel, ojos, vías respiratorias y membranas mucosas.
El acrilonitrilo polimerizará violentamente en ausencia del oxígeno de ser
iniciado por el calor, la luz, la presión, el peróxido, o ácidos fuertes y bases. Es inestable en la presencia de bromo, amoníaco, aminas, y cobre y sus aleaciones o de cobre.
Además el acrilonitrilo es combustible y se enciende fácilmente,
produciendo productos de combustión tóxicos como el cianuro de hidrógeno, óxidos de nitrógeno, y el monóxido de carbono. Esto forma mezclas explosivas con el aire y debe ser manejado en áreas bien ventiladas y guardado lejos de cualquier fuente de ignición, ya que el vapor puede extenderse a fuentes de ignición distantes y destellar atrás.
Debido a las características mencionadas, existen algunas consideración
que debe tomarse en cuenta al momento de trabajar, producir o almacenar acrilonitrilo; algunas de ella son las siguientes:
1.- El acrilonitrilo es un líquido inflamable y tóxico. Por lo que deberá
evitarse todo riesgo que pueda producir incendio, ingestión, inhalación y contacto con la piel. Sus vapores son más pesados que el aire y mezclados con el (3 a 17%) son explosivos.
-
55
Cuando no está controlado, o cuando se contamina con álcalis fuertes, se polimeriza en forma rápida, ocasionando que la presión del recipiente que lo contiene aumente en forma considerable, llegando en ocasiones a explotar violentamente.
2.-Los incendios de acrilonitrilo pueden atacarse con agua, siempre que
esta se use en forma de niebla. El mejor agente extintor para este compuesto es la espuma mecánica; sin embargo, por ser el acrilonitrilo un solvente polar, la espuma deberá de ser del tipo alcohol. Los conatos de incendio pueden sofocarse con el empleo de extinguidores de bióxido de carbono o bien de polvo químico seco, no alcalino. Cuando el acrilonitrilo se quema con deficiencia de oxigeno puede producirse gases cianhídricos.
3.-Aun cuando el acrilonitrilo se almacena inhibido, sus vapores pierden
inhibición formando polímeros que tienden a aprovechar taponamientos en los venteos y a restadores de flama de los tanques de almacenamiento.
4.- En aquellos lugares en que se almacene, produzca o use acrilonitrilo es
necesario una adecuada ventilación ya sea natural o forzada por medios mecánicos, los ventiladores deben ser de material no ferroso y el rotor no debe producir chispas.
5.- En las instalaciones que usen el acrilonitrilo, deberán evitarse hasta
donde sea posible el uso de cobre o sus aleaciones, ya que tiende a contaminarlo.
-
56
Anexo 3
Balance de Materiales para el Proceso Sohio.
Reacciones Involucradas: Base de cálculo: 100,000 Ton/año
hr
kg
horas
dia
dias
año
Ton
kg
año
Ton7612.11094)
24
1()
350
1()
1
1000(000,100
Relaciones:
1.1 Kg propileno/Kg acrilonitrilo 0.1 Kg de HCN/ kg acrilonitrilo 0.03 Kg de metilmetacrilato/Kg acrilonitrilo Conversión de 98% de propileno Exceso de aire de 10% con respecto al estequiométrico
2333263 32
3HNHCNHOHC
22323263 32
5COOHNHCNHOHC
OHHCNNHOHC 23263 6333
OHCOCOOHC 22263 322
7
OHNNHO 22322
3
2
1
4
3
hr
oKgpropilen
triloKgacriloni
oKgpropilen
hr
triloKgacriloni2381.13095)
1
1.1(619.11904
hr
KgHCN
triloKgacriloni
KgHCN
hr
triloKgacriloni4761.1190)
1
1.0(619.11904
-
57
Convirtiendo a Moles: relaciones estequiométricas con las reacciones:
Calculo de lo Alimentado en el Reactor
C3H6 O2 NH3 C3H3N C2H3N HCN H2O CO CO2 N2 R-1 224.618 337.02 224.618 224.618 -------- --------- 673.854 ------- --------- ---
R-2 8.7108 21.777 8.7108 ---------- 8.7108 --------- 26.1324 ----- 8.7109 ---
R-3 44.091 132.273 132.273 ---------- --------- 132.273 264.546 -------- ------- --
R-4 34.3712 120.299 --------- ---------- --------- --------- 103.1136 68.742 34.3712 --
R-5 --------- 25.7784 34.3712 ---------- --------- --------- 51.5568 -------- --------- 17.1856
N Total
311.791 637.0547 399.9728 224.618 8.7108 132.273 1119.2028 68.742 43.0821 17.1856
hr
acrilatoKgmetilmet
triloKgacriloni
acrilatoKgmetilmet
hr
triloKgacriloni142.357)
1
03.0(619.11904
hr
nitriloKmolacrilo
triloKgacriloni
Kmol
hr
triloKgacriloni618.224)
53
1(619.11904
hr
KmolHCN
KgHCN
Kmol
hr
KgHCN091.44)
27
1(4619.1190
hr
HKmolC
HKmolC
Kmol
hr
HkgC 63
63
63 791.311)42
1(2381.13095
hr
NHKmolC
NHKmolC
Kmol
hr
NHkgC 32
32
32 7108.8)41
1(1428.357
hr
KmolHCn 154.318
98.0
791.31163
0
hr
KmolNHn 1355.408
98.0
9728.3993
0
-
58
Calculo que no Reacciona de los Reactivos Convirtiendo en flujo másico de todas las corrientes de entradas y salidas se tiene que: Entradas Salidas
C3H6 13362.468 Kg/h C3H3N 11904.762 Kg/h
O2 22424.32544 Kg/h C2H3N 357.142 Kg/h
NH3 6938.3036 Kg/h HCN 3571.371 Kg/h
CO 1924.776 Kg/h
CO2 1895.608 Kg/h
N2 481.1968 Kg/h
H2O 20145.65 Kg/h
O2 2038.57504Kg/h
C3H6 267.246 Kg/h
NH3 138.76 Kg/h
Total 48,725.097Kg/h Total 48,725.096Kg/h
Con esto se comprueba que la masa de entrada al proceso es igual al de salida.
hr
Kmol
hr
KmolOn 7601.700)10.1(0547.6372
0
hr
KmolHnC 363.6791.311154.31863
hr
KmolnO 7054.630547.6377601.7002
hr
KmolnNH 3307.179728.3991355.4083
-
59
Anexo 4.
Tablas de Propiedades Físicas y Constantes de los Reactivos y Productos.
A-4. 1 Propiedades Físicas
Compuesto PM
(Kg/Kgmol)
Punto de Ebullición
(K)
Punto de
Fusión (K)
Tc (K)
Pc (Kpa)
Vc (m³/Kmol)
ΔHf (J/mol)
ΔGf (J/mol)
Acetaldehído 44.05 293.6 150.2 461 55.5 0.157
Acetileno 26.04 188.7 192 308.3 61.39 0.113 227 209
Agua (l) 18.015 373.15 273.15 647.3 22.09 0.0568 -
258.84 237.192
Ac. Cianhídrico
Ac. Clorhídrico 36.47 188.1 159 324.7 83.09 0.081
Ac. Sulfúrico 98.07 610 283.5 925 50.66 0.3 -
907.51 -741.99
Amoniaco 17.03 239.7 195.4 405.7 11.28 0.0725 -45.9 -16
CO2 44.01 194.6 216.6 304.2 73.82 0.094
Glicerol 92 563 291 -577.9
CO 28.01 81.7 68.1 132.9 34.99 0.0931
N2 28 77.4 63.1 126.1 33.94 0.0901 0 0
O2 32 90.2 54.4 154.6 50.43 0.0734 0 0
Propano 44.1 231.1 85.5 369.8 42.49 0.2029
Propileno 42.08 225.4 87.9 364.8 46.13 0.181 20.41 62.15
A-4. 2 Tabla de constantes
Compuesto Constantes de Cp (cal/K) Constantes de Antoine
(Kpa)
A x10-3*B x10-6*C x10-5*D a b C
Acetaldehído 1.693 17.978 -6.158
Acetileno 6.132 1.952 -1.299 14.83 1837 -8.45
Agua (l) 3.47 1.45 0.121 16.54 3985 -39
Ac. Cianhídrico 4.736 1.359 0.725
Ac. Clorhídrico 3.156 0.623 0.151
Ac. Sulfúrico
Amoniaco 3.578 3.02 -0.186 15.49 2363 -22.62
CO2 5.457 1.045 15.38 1956 -2.11
CO 3.376 0.557 -0.031 13.87 770 1.64
N2 13.45 658 -2.85
O2 3.639 0.506 0.227 13.68 2555 -36.255
Propano 1.213 28.785 -8.824 13.71 1873 -25.1
Propileno 1.637 22.706 -6.915 13.88 1875 -22.91
-
60
Anexo 5
Tablas de resultados del cálculo de área y costo a las diferencias mínimas de temperatura.
A-5. 1 Costo a diferencia mínima de 5°C
A-5. 2 costo de servicios 5°C
A-5. 3 Costo a diferencia mínima de 10°C
Segmento T1 T2 t1 t2 ∆Tml Q 1/U A(m2) C($)
1 430 360.2 249.85 150 194.788836 280.6 1.657 2.38696534 21883.588 2 360.2 280 150 109 189.926252 325.7 3.2565 5.5844942 26666.9109 3 280 257.5 109 92 168.235016 87.278 3.2508 1.68647009 20613.5478 4 257.5 248.3 92 60 176.654844 36.7 3.2238 0.66974365 18417.052 5 248.3 232 40 32.8 203.716126 65.68 3.1214 1.00636879 19214.2525 6 232 227.8 32.8 23 201.987062 89.29 25.01 11.055871 33205.411 Total 885.248 22.3899131 140000.762
A-5. 4Costo de servicios a 10°C
Servicio Qkcal C($)
calent. 281.4 58868.8687
enfria. 4516.627 944878.188
Segmento T1 T2 t1 t2 ∆Tml Q 1/U A(m2) C($)
1 430 365 242.6 150 200.884096 261.3 1.657 2.15534285 21477.8664
2 365 284 150 109 194.314311 325.7 3.2565 5.45838362 26497.7159
3 284 262.5 109 92 172.740231 87.27 3.2508 1.64233493 20528.6962
4 262.5 253.3 92 60 181.661597 36.7 3.2238 0.65128493 18370.2257
5 253.3 232 40 30 207.598746 85.774 3.1214 1.28967525 19823.7213
6 232 228.8 30 23 203.894098 69.198 25.01 8.48794543 30299.2014
Total 865.942 19.684967 136997.427
servicio Q(Kcal) C($)
calent. 301.5 63,073.7879
enfria. 4536.727 949,083.107
-
61
A-5. 5 Costo a diferencia mínima de 15°C
Segmento T1 T2 t1 t2 ∆Tml Q 1/U A(m2) C($)
1 430 355.2 257 150 188.642195 300.7 1.657 2.64129614 22315.7066
2 355.2 274.17 150 109 184.461659 325.7 3.2565 5.7499323 26887.1421
3 274.17 252.5 109 92 162.823838 87.278 3.2508 1.7425171 20720.3469
4 252.5 243.3 92 60 171.647697 36.706 3.2238 0.68939348 18466.4766
5 243.3 232 40 35 200.133474 45.574 3.1214 0.71079905 18519.8388
6 232 226.87 35 23 200.415376 109.398 25.01 13.6518666 35942.7206
Total 905.356 25.1858047 142852.232
A-5. 6costos de servicios a 15°C
servicio Q(Kcal) C($)
calent. 261.3 54663.9495
enfria. 4496.527 940673.269
A-5. 7Costo a diferencia mínima 20°C
A-5. 8costos de servicios a 20°C
Servicio Q(Kcal) C($)
calent. 241.2 50459.0304
enfria. 4476.427 936468.349
Segmento T1 T2 t1 t2 ∆Tml Q 1/U A(m2) C($)
1 430 350.2 264.16 150 182.481172 320.8 1.657 2.91298875 22763.7437
2 350.2 269.17 150 109 179.441455 325.7 3.2565 5.9107972 27099.4694 3 269.17 247.46 109 92 157.803285 87.278 3.2508 1.79795574 20824.9773
4 247.46 238.33 92 60 166.633512 36.706 3.2238 0.71013808 18518.1984 5 238.33 232 40 37.2 196.559717 25.474 3.1214 0.40453123 17698.3078
6 232 225.92 37.2 23 198.832367 129.498 25.01 16.2888217 38566.9438 Total 925.456 28.0252328 145471.641
-
62
A-5. 9 Costo a diferencia mínima a 25°C
Segmento T1 T2 t1 t2 ∆Tml Q 1/U A(m2) C($)
1 430 345.2 271.3 150 176.320797 340.9 1.657 3.20365669 23229.3984 2 345.2 264.17 150 109 174.420086 325.7 3.2565 6.08096277 27322.1947 3 264.17 242.5 109 92 152.823108 87.278 3.2508 1.85654726 20934.5117 4 242.5 233.3 92 60 161.632073 36.706 3.2238 0.73211214 18572.4936 5 233.3 232 40 39.37 192.964806 5.374 3.1214 0.08692986 16578.853 6 232 224.98 39.37 23 197.268071 149.598 25.01 18.9663029 41103.7069 Total 945.556 30.9265116 147741.158
A-5. 10 costos de servicios a 25°C
servicio Q(Kcal) C($)
calent. 221.1 46254.1112
enfria. 4456.327 932263.43
A-5. 11 Costo a diferencia mínima de 30 °C
Segmento T1 T2 t1 t2 ∆Tml Q 1/U A(m2) C($)
1 430 340.2 278.5 150 170.116975 361 1.657 3.51626873 23716.2701 2 340.2 259.17 150 109 169.397448 325.7 3.2565 6.26126345 27556.1551 3 259.17 237.5 109 92 147.822706 87.278 3.2508 1.91934873 21050.7713 4 237.5 232 92 72.83 152.23272 21.978 3.2238 0.46542344 17873.4571 5 232 231.3 72.83 60 165.160767 14.726 33.565 2.99270945 22892.7919 6 231.3 224.05 40 23 196.134612 154.942 25.01 19.7573462 41832.1173 Total 965.624 34.91236 154921.563
A-5. 12 costos de servicios a 30°C
servicio Q(Kcal) C($)
calent. 201 42049.192
enfria. 4436.227 928058.511
-
63
A-5. 13 Costo a diferencia mínima de 35°C
segmento T1 T2 t1 t2 ∆Tml Q 1/U A(m2) C($)
1 430 335.2 285.6 150 163.954785 381.1 1.657 3.85156615 24224.2467 2 335.2 254.2 150 109 164.389718 325.704 3.2565 6.45207672 27801.5661 3 254.2 232.5 109 92 142.837113 87.278 3.2508 1.98634177 21173.5394 4 232.5 232 92 90.36 141.069232 1.878 3.2238 0.0429172 16353.1766 5 232 230.4 90.36 40 164.819659 34.826 33.565 7.09220426 28609.4703 6 230.4 223.1 40 23 195.209835 154.972 25.01 19.8547871 41921.2322 Total 985.758 39.2798932 160083.231
A-5. 14 costos de servicios a 35 °C
servicio Q(Kcal) C($)
calent. 180.9 37844.2728
enfria. 4416.127 923853.592
A-5. 15 Costo a diferencia mínima 40°C
Segmento T1 T2 t1 t2 ∆Tml Q 1/U A(m2) C($)
1 430 330.2 292.77 150 157.740753 401.2 1.657 4.21443658 24759.2646 2 330.2 249.2 150 109 159.364219 325.7 3.2565 6.65545914 28060.7577 3 249.2 232 109 95.5 138.341754 69.06 3.2508 1.62279458 20490.9111 4 232 231.5 95.5 92 137.994565 18.222 36.739 4.85133641 25666.1371 5 231.5 229.4 92 60 153.966427 36.704 33.56 8.00035609 29719.1278 6 229.4 222.15 40 23 194.234217 154.972 25.01 19.9545157 42012.3035 Total 1005.858 45.2988985 170708.502
A-5. 16 costos de servicios a 40°C
Servicio Q(Kcal) C($)
calent. 160.8 33639.3536
enfria. 4396.027 919648.673
-
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Anexo 6
Secuencia de cálculo para la obtención de los coeficientes de película. En este anexo se explican los pasos para la obtención de los coeficientes, lo primero que debemos hacer es la extracción de datos del simulador de cada corriente.
A-6. 1 datos de corrientes
Corriente Tipo Cp (Kcal/Kg°C)
k(kcal/hr-m-°C) μ (cp) G(Kg/hr)
Aire Fría 2.81 0.0357 0.0321 2243.4785
Amoniaco Fría 3.987 0.0317 0.01365 6950.7754
Propileno Fría 1.47 0.2305 0.