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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 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

  • 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

  • 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

  • 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

  • ii

    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.

  • iii

    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

  • 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

  • v

    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

  • vi

    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

  • vii

    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

  • viii

  • 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

  • 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.

  • 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.

  • 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

  • 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

  • 4

  • 5

    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

  • 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.

  • 7

    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

  • 8

  • 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.

  • 10

  • 11

    Fig. 2. 1 Diagrama de la simulación del proceso SOHIO

  • 12

    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

  • 13

    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

  • 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

  • 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.

  • 45

    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.

  • 46

  • 47

    BIBLIOGRAFIA

  • 48

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    http://www.iie.org.mx/publica/boljul96/aplitec.htm%20el%20día%2015/10/11http://redalyc.uaemex.mx/pdf/342/34202802.pdf%20el%20día%2016/10/11http://redalyc.uaemex.mx/pdf/342/34202802.pdf%20el%20día%2016/10/11http://lorien.ncl.ac.uk/ming/Dept/design/pinch.pdf%20el%20día%2016/10/11http://www.cea-ifac.es/actividades/jornadas/XXIV/documentos/incon/193.pdf%20el%20dia%2016/10/11http://www.cea-ifac.es/actividades/jornadas/XXIV/documentos/incon/193.pdf%20el%20dia%2016/10/11

  • 49

    9. Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology Vol. 1.5 ª ed. Hoboken, NJ: Wiley-Interscience, 2007. P397-414. recuperadohttp://go.galegroup.com/ps/retrieve.do?inPS=true&prodId=GVRL&userGroupName=esiqie&docId=GALE%7CCX2846900045&contentSegment=&searchId=R1&tabID=T003&resultListType=RESULT_LIST&currentPosition=1 el día 02/06/12

    10. LINNHOF March introduction to pinch technology, Targeting House Gadbrook Park Northwich, Cheshire CW9 7UZ, England, recuperado de http://www.ou.edu/class/che-design/a-design/Introduction%20to%20Pinch%20Technology-LinhoffMarch.pdf el dia 23/10/11

    11. LINNHOFF B., Hindmarsh E., the Pinch design Method for Heat Exchanger Networks, chemical engineering science, Vol 38, N° 5, pp. 745-763 recuperado de http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/0009250983801857 el dia 16/10/11

    12. MARTIN Ángel, Mato Fidel, Hint: educational software for heat exchanger network design with the pinch method, sciencieDirect, Vol 3 pp.e6-e14 recuperado de http://www.eng.auth.gr/~chemtech/foititika/energeia/mar08_martin_hint%20program.pdf el día 16/10/11

    13. MEJIA Suarez D.A., Zamora Mata J.M., síntesis de diseños alternativos en la reconfiguración de redes de intercambiadores de calor, en Revista Mexicana de Ingeniería Química, Vol. 9, N°1, 2010, pp.99-123 recuperado de http://redalyc.uaemex.mx/pdf/620/62016243012.pdf el día 16/10/11

    14. MORENO Molina Marcos, La petroquímica y el proceso para la producción de acrilonitrilo, ingeniería química petrolera, instituto politécnico nacional, México D.F., 1992, pp. 150

    15. ORDOÑEZ Pérez José Eric, Estudio de la fabricación de acrilonitrilo y fibra acrílica, ingeniería química petrolera, instituto politécnico nacional, México D.F., 1978, pp. 95

    http://go.galegroup.com/ps/retrieve.do?inPS=true&prodId=GVRL&userGroupName=esiqie&docId=GALE%7CCX2846900045&contentSegment=&searchId=R1&tabID=T003&resultListType=RESULT_LIST&currentPosition=1http://go.galegroup.com/ps/retrieve.do?inPS=true&prodId=GVRL&userGroupName=esiqie&docId=GALE%7CCX2846900045&contentSegment=&searchId=R1&tabID=T003&resultListType=RESULT_LIST&currentPosition=1http://go.galegroup.com/ps/retrieve.do?inPS=true&prodId=GVRL&userGroupName=esiqie&docId=GALE%7CCX2846900045&contentSegment=&searchId=R1&tabID=T003&resultListType=RESULT_LIST&currentPosition=1http://go.galegroup.com/ps/retrieve.do?inPS=true&prodId=GVRL&userGroupName=esiqie&docId=GALE%7CCX2846900045&contentSegment=&searchId=R1&tabID=T003&resultListType=RESULT_LIST&currentPosition=1http://www.ou.edu/class/che-design/a-design/Introduction%20to%20Pinch%20Technology-LinhoffMarch.pdfhttp://www.ou.edu/class/che-design/a-design/Introduction%20to%20Pinch%20Technology-LinhoffMarch.pdfhttp://www.sciencedirect.com/science/article/pii/0009250983801857%20el%20dia%2016/10/11http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/0009250983801857%20el%20dia%2016/10/11http://www.eng.auth.gr/~chemtech/foititika/energeia/mar08_martin_hint%20program.pdfhttp://www.eng.auth.gr/~chemtech/foititika/energeia/mar08_martin_hint%20program.pdfhttp://redalyc.uaemex.mx/pdf/620/62016243012.pdf%20el%20día%2016/10/11

  • 50

    16. PALOMINO Infante Alfredo, análisis Pinch y su contribución a la integración de procesos, revista sociedad química de Perú, volumen 70, N°3 recuperado de http://es.scribd.com/doc/23258837/A-06 el día 16/10/11

    17. PERRY H. Robert et al, manual del ingeniero químico, Mc Graw Hill, séptima edición volumen1,Madrid, España, 2006.

    http://es.scribd.com/doc/23258837/A-06%20el%20día%2016/10/11

  • 51

    ANEXOS

  • 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

  • 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

  • 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

  • 64

    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.