Capítulo 5 - Introducción Al Diseño Conceptual de Procesos Químicos

 

CAPITULO V INTRODUCCION AL DISEÑO CONCEPTUAL DE PROCESOS QUIMICOS 5.1 Introducción En este capitulo se introducen los conceptos básicos acerca de las decisiones que deben confrontar los Ingenieros Químicos y las etapas envueltas en el desarrollo de un diseño de un proc proces eso. o. Se de debe be po pone nerr es espe peci cial al én énfa fasi siss en la creci crecien ente te impo importa rtanc ncia ia de la  protección al medio ambiente y de asegurar la operación confiable y segura de los  procesos. También se debe enfatizar el rol del computador debido a que este es utilizado cada vez en mayor número de diseños rigurosos y aproximados.

5.2.-Sistema Jerarquizado para la Sintesis de Procesos Químicos Es posible efectuar la Síntesis o el Diseño de un nuevo Proceso por medio de una metodo met odolog logía ía sistem sistemati atizad zadaa que que permit permitaa en forma forma simple simple identi identifica ficarr los posibl posibles es  problemas de contaminación y de producción de residuos peligrosos en las etapas del desarrollo del proceso. Este procedimiento pone el énfasis en las decisiones que se deben tomar para llevar a cabo el diseño. Si las decisiones se cambian, entonces se generan alternativas de procesos. Algunas de estas decisiones afectan las alimentaciones y los producto productoss del proces proceso o lo cual cual incide incide en alguno algunoss casos casos produc producien iendo do efecto efectoss adversos sobre el ambiente y los seres humanos. Por lo tanto si es posible efectuar  decisiones en las etapas iniciales de un diseño que no produzcan problemas ambientales,  podremos de esta forma desarrollar “ procesos tecnológicamente limpios “.  No existe hasta el momento un conocimiento extendido del concepto de “Tecnología

Limpia “ o “ Producción Producción Limpia” ( Clean Technology Technology or Cleaner Production ). De ac acue uerd rdo o a la de defin finici ición ón de dell Pr Prog ogram ramaa de la lass Naci Nacion ones es Unid Unidas as pa para ra el Medi Medio o Ambi Am bien ente te PNUMA PNUMA ( Cleane Cleanerr Produc Producti tion on Progr Program am : UNEP UNEP [ Unit United ed Natio Nations ns Envi En viro ronm nmen entt Pr Prog ogra ramm mme] e] ), la Redu Reducc cció ión n de Resi Residu duos os,, la Prev Preven enci ción ón de la Contaminación , la Minimización de Desechos y las Tecnologías Limpias son terminos utilizados mundialmente para describir las Estrategias de Protección Ambiental. El uso de Tecnol Tecnologí ogías as Limpia Limpiass o de Producci Producción ón Limpia signific significaa “ La aplicación contin con tinua ua de una estra estrateg tegia ia ambien ambiental tal integ integrad rada a y prev prevent entiva iva a los proc proces esos os y  productos de modode de de Producción, reducir reducir los riesgos riesg os para los seres se res humanos human os y la el conservación ambiente”. de Para los Procesos la Producción Limpia incluye materias primas y energía, la eliminación de materias primas tóxicas y la reducción de la cantidad y toxicidad de todas las emisiones y desechos antes de que estos abandonen el proceso.

Para los productos la estrategia se focaliza en la reducción de los impactos a lo largo de todo el ciclo de vida del producto, desde la extracción de las materias primas hasta la última disposición del producto. La estrategia de Producción Limpia se logra por medio de la aplicación de nuevas tecnologías , del mejoramiento de las existentes o por el simple cambio de actitudes. El uso uso de Tecn Tecnol olog ogía íass Limp Limpia iass es dife difere rent ntee a lo trad tradic icio iona nall , de debi bido do a qu quee el  pensamiento actual sobre los impactos ambientales se focaliza sobre que hacer con los

 

desechos y emisiones despues que han sido creadas. La meta de una Producción Limpia es en primer lugar “ No Generar “ residuos o desechos . La gran importancia de la Producción Limpia estriba en que a corto o largo plazo es el medio más efectivo y de menor costo para operar los procesos y desarrollar y producir  nuevos productos. productos. Los costos producidos producidos por los desechos y las las emisiones además del impacto negativo ambiental puede ser evitado aplicando los conceptos de Tecnologías Limpias desde el comienzo. El Diseño Conceptual permite utilizar de una manera simple un procedimiento para identificar potenciales problemas de contaminación y para identificar alternativas de  procesos que pueden ser utilizadas para eliminar estos problemas En los países desarrollados las agencias reguladores ( EPA , UNEP, etc) y las industria, ap apar arec ecen en como como rece recept ptiv ivas as a una una oper operac ació ión n más más pr proa oact ctiv ivaa ha haci ciaa ca camb mbio ioss por  por  Tecnol Tec nolog ogías ías Límpia Límpias. s. Esto Esto signif significa ica un desarr desarrollo ollo acelera acelerado do de proced procedimi imient entos os sistemáticos sistem áticos para el Diseño Diseño de Tecnolo Tecnologías gías ambientalmen ambientalmente te compatibles. compatibles. Se debe vo volv lver er a lo bá bási sico co y efect efectua uarr ca camb mbio ioss in insti stitu tucio ciona nale less qu quee af afect ecten en el Dise Diseño ño en Ingeniería, la Investigación y la Educación. El análisis económico tradicional de los procesos muestra que las plantas más seguras y menos contaminantes son menos eficientes en términos de energía o materias primas. De echo, las plantas químicas han sido diseñadas en el pasado principalmente para maximizar la confiabilidad, la calidad del producto, y la rentabilidad. Temas tales como “ emisiones crónicas “, “ manejo de productos tóxicos “, y “ seguridad “, a menudo han sido tratados como factores secundarios. En la actualidad , las plantas que son más seguras, y que no generan desechos tóxicos , han probado ser a la larga menos costosas de construir y de operar. El Di Dise seño ño Conc Concep eptu tual al , de desar sarro roll llaa un dise diseño ño po porr medi medio o de un unaa se serie rie de ni nive vele less  jerarquizados. donde se van agregando detalles adicionales en cada nivel. Las decisiones requeridas a cada nivel para desarrollar el Diagrama de Flujos, se identifican claramente, y si estas decisiones se cambian, se identifican todas las alternativas de  procesos en cada nivel. Se efectúa un análisis económico en cada etapa, de modo de terminar tempranamente con los diseños no adecuados. Algunas de las decisiones hechas en cada nivel pueden cambiar los flujos que entran o sale salen n de dell proc proces eso. o. En algu alguno noss ca caso soss es esto toss flujo flujoss pu pued eden en causa causarr pr prob oble lema mass de contaminación, y por lo tanto si podemos tomar decisiones que no introduzcan flujos de salida en el Diagramacumplido de Flujo con que provoquen impactos adversos ende el desechos medio ambiente, entonces habremos nuestra meta de minimización . Debe reconocerse recono cerse sin embargo embargo que el “ proceso más limpio limpio “ no siempre será el proceso “más económico”. Por ejemplo, una una de las las decisiones al nivel de Entrada-Salida del proceso ( nivel 2) , es si se debe recuperar y reciclar o recuperar y remover de un proceso los subproductos formados por reacciones reversibles secundarias, es decir reacciones del tipo :

A + B -----------

Producto

A + producto ====== ======= = Sub-produ Sub-producto cto donde la segunda reacción es reversible , pero la primero no lo es. Si el subproducto se remueve del proceso, se agrega un nuevo producto, mientras si es reciclado no se

 

obtiene un subproducto. La remoción del subproducto aumenta el costo de la materia  prima , debido a las pérdidas por selectividad de las materias primas más caras en subproductos menos valiosos. Más aún, si el subproducto es un material de desecho , se debe enviar enviar a un sistema sistema de tratamiento tratamiento o de disposición disposición , de modo que tiene un valor  negativo ( es decir debemos pagar para que este subproducto sea removido del proceso). En forma alternativa, si reciclamos el subproducto y dejamos que se concentre hasta su nivel de equilibrio ( de modo que el subproducto se descomponga a la misma velocidad que se forma ) , entonces los costos de reciclo del proceso aumentarán ( aunque no habrá hab rá pérdid pérdidaa por select selectivi ividad dad)) . Por lo tanto, tanto, el reciclo reciclo de subpro subproduc ductos tos siempr siempree conducirá condu cirá a un proceso proceso más “ limpio “ , aunque puede puede no ser el menos costoso. costoso. La sens sensib ibili ilida dad d de los los co costo stoss to tota tale less de dell dise diseño ño a lo loss co cost stos os de trata tratami mien ento to de la contaminación deben también ser considerados, debido a que los costos de tratamiento está aumentando rápidamente. Se pueden identificar una serie de problemas de minimización de residuos de este tipo en el diseño de nuevos procesos. Una manera eficiente de identificar estos problemas es a través del procedimiento jerarquizado planteado por J.M. Douglas en su texto “ Conceptual Design of Chemical Processes “, ( Douglas , 1988), y que reexaminado consta de los siguientes niveles :

Tabla 5.1 . Procedimiento Jerarquizado para Síntesis de Procesos. Nivel 11.. Información d dee En Entrada : Tipo d dee P Pro rob blema Ni Nivvel 2. Estru struct ctu ura de E En ntr traada da-S -Saali lida da de dell D Dia iagr graama de Flu Flujo jo Nivel 33.. Estrutura de de R Reeciclo d del el Diagrama d dee F Fllujo Nivel 44.. Especificac cación de del S Siistem tema d dee S Seeparación Nivel 4a. Estructura General : Separación de Fases Ni Nivvel 4b. Sistem stemaa de de R Rec ecup uper eraaci ción ón de Vap Vapor ores es Ni Nivvel 4c. Sist stem emaa de Recup ecuper eraaci ción ón de Líq íqui uid dos Ni Nivvel 4d. Sist stem emaa de de R Rec ecup uper eraaci ción ón de Só Sóli lido doss Nivel 5. Integración Energética Nivel 6. Evaluación de Alternativas Nivel 7. Flexibilidad y Control Nivel 8. Seguridad Considerando Casos Bases, se pueden identificar problemas de contaminación en cada uno dealgunos los niveles. La estructura estructura general que se usa para representar representar una planta planta se muestra muestra en la Figura 1.  Normalmente se supone que se recuperan y reciclan todos los reactivos ( excepto para reactivos gaseosos , donde se usan un reciclo gaseoso y una purga ) los productos intermedios, y los sub-productos producidos por reacciones secundarias reversibles, y que se remueven remueven todos los otros otros sub-productos sub-productos e impurezas impurezas de la alimentación. alimentación. Los sub-productos se clasifican por su destino . es decir, los sub-productos valiosos se venden, los combustibles se recupera el valor combustible, los sub-productos acuosos se envían envía n a tratamiento, tratamiento, los residuos residuos sólidos-org sólidos-orgánico ánicoss se envían a incineración, incineración, y los residuos sólidos se envían a vertederos.

Figura 5.1. Estructura General de un Diagrama de Flujo Reciclo Gaseoso

Purga o Venteo

 

   

SISTEMA DE SEPARACIO N

Producto

Alimentación

REACTOR 

Sub-Productos

Reciclos Líquidos En el nivel 1 se entrega la información de entrada , que incluye la reacción química y la alimentación. En el nivel 2 se consideran solamente la alimentación los productos y sub-productos que entran y dejan el proceso , de manera de tener una idea de la diferencia entre el valor de los productos y el costo de las materias primas en función de las las va vari riab able less de dise diseño ño qu quee af afect ectan an la distr distrib ibuc ució ión n de dell pr prod oduc ucto to ( co conv nver ersió sión, n, temperatura y presión del reactor, razon molar de reactivos a la entrada del reactor), así como también la composición del reactivo en el flujo de purga. En este nivel se identifican las decisiones que se deben tomar, y que alternativas se  pueden tomar. En el nivel 3 se consideran los flujos de reciclos del reactor , y las decisiones que afectan estos flujos, de manera de estimar el flujo de salida del reactor. Conocidos el flujo del reactor y el destino de cada uno de sus componentes se pude diseñar el sistema de separación que corresponde al nivel 4. Si no consideramos la contaminaci conta minación ón térmica térmica correspondi correspondiente ente al nivel 5, entonces entonces tenemos una completa completa descripción de todos los flujos que puden causar problemas de contaminación. Por lo tanto solo necesitamos considerar los niveles 1 a 4 para un análisis de minimización de residuos o un análisis de tecnologías límpias.

5.3 Información Básica en Diseño Conceptual a.. 

Informac Información ión de Entrada : Tipo de Problema Problem a

La información requerida para iniciar el primer diseño se entrega en la Tabla I. Es importante impo rtante indicar que en este nivel es muy importante importante tener información información relativa a la

 

seguridad seguri dad,, toxici toxicidad dad e impact impacto o ambien ambiental tal de todos todos los compon component entes es que estarán estarán  presentes. Se debe notar también que toda la información descrita en la tabla a menudo no está disponible disponible para efectuar efectuar el diseño, diseño, y que se trabaja con los datos disponibles disponibles y  posteriormente se usan los resultados para justificar obtener datos adicionales.

Tabla I 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7 8. 9.

10. 10.

: Informac Información ión Básica

Las R Rea eacc ccio ione ness y ssu us C Coond ndic icio ione ness de de O Ope pera raci ción ón.. La Producción d deel P Pro rod duct ctoo P Prrincip ipaal Pureza del P Prroducto : P Pre reccio vvss Pureza Materias Primas y/o Pureza vs Precio Info nform rmac ació ión n ssoobre Ve Velo loci cid dad de Reacc eacció ión ny Velocidad de Desactivación del Catalizador Restricciones del Proceso Datos de Planta, Servicios Datos de Propiedades Físicas de los Compuestos Informacion sobre : - Seguridad - Toxicidad - Impacto Ambiental Da Dato toss C Cos osto toss d dee Su Sub-P b-Pro rodu ducto ctos, s, Equ Equip ipos os,, Serv Servic icio ioss

1. Información sobre las Reacciones Químicas La información acerca de los proceso y reacciones se encuentran en la literatura y  principalmente en las patentes. Si el proceso es nuevo se deben contratar personal especializado para efectuar la investigación para conocer las reacciones , temperatura,  presión, etc. La Información necesaria usualmente es :

o

Estequiomet etrría de todas las Reacciones

o

Ra Rang ngoo d dee T Tem emp pera eratu tura rass y Pr Pres esio ione ness de de llas as Rea Reaccio ccione ness

o o

Las Fases del S Siistema de Reacción In Info form rmac ació ión nd dee la Dist Distri ribu buci ción ón de Prod Produc ucto toss vs Conv Conver ersi sión ón

o

Co Conv nver ersi sión ón vs Ve Velo loci cida dad d Espa Espaci cial al o Ti Tiem empo po de Resi Reside denc ncia ia

o

Estad stadoo d del el C Caata tali liza zad dor : Desac esacti tiva vaci ción ón y Reg Regen ener erac ació ión n

Es import important antee encont encontrar rar todas todas las Reacci Reaccione oness Lateral Laterales es o Secun Secundar darias ias del proces proceso, o, aunque se produzcan trazas de productos productos Se debe estudiar el concepto de Máxima Conversión  versus Conv Conversió ersión n Optima así como también la Selectividad

 

 Numerosos procesos se han diseñado para operar en las condiciones de máxima conversión, pero normalmente esta operación no corresponde a la conversión óptima económica. Supongamo Supo ngamoss la reacción hipotética hipotética :

A

B

C

Moles de B Producidos Selectividad Selecti vidad = ------------------------------------Moles de A Convertidos Ejemplo de Selectividad de reacciones : Hidroalquilación de Tolueno para producir Benceno

T + H2 

B + C1

  2B

D + H2

a) Reactor Tolueno no reaccionado

(1-x)

Reciclo

Tolueno x

Sx

 

Benceno Producido

Tolueno Reaccionado ½ ( 1-S -S)) x

Difen fenilo ilo Pro rod duc uciido

b) Planta  

Tolueno , x

Tolueno 1 mol

Tolueno = 1-x Benceno = S x

  Re Reactor

Benceno = S x

Separador  Difenilo = ½ ( 1-S ) x

Difenilo = ½ ( 1-S ) x

Reciclo de Tolueno = 1-x

2. Nivel de Producción y Producto Principal Es menos costosa la producción a gran escala ya que las materias primas y servicios tienen un menor costo en grandes plantas. El máximo tamaño de una planta esta fijado por el máximo tamaño de los equipos que se puedan construir o transportar.

3. Pureza del Producto

 

 Normalmente la pureza del producto es fijada por consideraciones de mercado.

4. Materias Primas  Normalmente en el laboratorio se trabaja con productos químicos puros, pero en el proceso real las materias primas contienen impurezas, por lo tanto se debe caracterizar las materias primas para determinar si se deben remover o no antes de entrar al proceso.

5. Velocidad de Reacción y Desactivación del Catalizador : El catalizador se va gastando y en la mayoría de las plantas, cada 2-3 años se debe detener el  proceso para cambiar el catalizador o regenerarlo.

6. Restricciones del Proceso Existen restricciones para tamaño y tipos de equipos , rango rangoss de temperatura ( rango de explosividad, descomposición, polimerización, para la seguridad y la productividad).

7. Datos de Planta y Servicios Se deben tener información sobre todos los tipos tipos de servicio s disponibles en la planta o en plantas anexas a la nuavea construcción. o

o

Servicios - Suministro de Combustible - Niveles de Presión de Vapor  - Temperaturas de Agua de Refrigeración - Niveles de Refrigerantes - Potencia Eléctrica Sistemas de Tratamiento

8. Propiedades Físicas de los Productos y Materias Primas o Pesos Moleculares o Puntos de Ebullición o Presiones de vapor  o Calores Específicos o Calores de Vaporización o Calores de Reacción o o Densidades Coeficientesde delíquidos Fugacidad

9. Información sobre : o o o

Seguridad Toxicidad Impacto Ambiental

10. Datos de C Costos ostos o o o

Equipos ( Guthrie, Aspen, etc.) Sub-Productos Servicios

Ejemplo de Información Básica : Hidrodealquilación de Tolueno

 

1. Reacciones : 1. Tolueno + Hidrógeno = Benceno + Metano 2. 2 Benceno = Difenilo + Hidrógeno Condiciones de Operación: Temperatura del reactor : Presión del Reactor :

Mayor a 1150 ° F ( 621 ° C) 500 psia. ( 34 atm. )

Selectividad y Conversión : Moles de Benceno a la salida del Reactor Selctividad Selcti vidad = ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------- = S Moles de Tolueno Convertidos Moles de Tolueno convertido en Reactor  Conversión Conv ersión = ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------- = X Moles de Tolueno alimentados al Reactor  Segun el Químico : 0,0036 S = 1 - -------------------- ; X   0,97  

[ 1- X ]0,5442

Fase gaseosa , Sin Catalizador ( Reacción Homogenea )

2. Nivel de Producción : 80.000 Tons/año = 265 lbmol /hr = 120 kmol/hr de Benceno 3. Pureza del Producto : Benceno con 99,97 % molar de pureza. 4. Materias Primas : Tolueno puro a condiciones ambientes; Hidrógeno con 95 % H 2 , 5 % CH4 a 550 psia , 100 ° F. ( 37 atm, 38 ° C ) 5. Restr estric icci cioone ness : En ent entra rada da del del rea react ctor or H2/a /aro romá máti tico co   5 ( pa para ra pr prev even enir  ir  coquificación); Temperatura de salida reactor  1300 ° F ( para prevenir hidrocaqueo) ; enfriamiento rápido ( quenching ) del efluente del reactor a 1150 ° F ( para prevenir  coquificado ) ; X  0,97 para la disribución de productos. Efectu ctuar ar analsi analsiis is de toxicid toxicidad, ad, seguri seguridad dad,, impact impacto o 6. Otros ros datos de planta : Efe

ambiental, etc.

5.4 Decisiones de Nivel 1 : Sistemas Continuos vversus ersus Disco Discontinuos ntinuos En la primer primeraa etapa etapa del diseño diseño concep conceptua tuall debemo debemoss decidi decidirr si para para la produc producció ción n deseada, se usará un proceso continuo o uno discontinuo ( Batch). Hay ciertos criterios para decidir cual es el apropiado :

a. Nivel de Producción :

 

Procesos Continuos : Producción mayor a 10 * 10 6 l lb/año ( 5000 tons/año ) Procesos Batch : Producción menor a 1 * 10 106 lb/año ( 500 tons/año )

b. Factor de Mercado : Existen productosa como los fertilizantes que son estacionales ; es decir que solo se  producen en la epoca en que se consumen ( Primavera) . Si se producen durante todo el año, se produce un inventario excesivo que produce costos extras. extras . Algunos productos solo tienen un periódo de vida corto ( 2- 3 años ) , tales como  pigmentos orgánicos , por lo cual se prefiere un aplanta batch por su grán flexibilidad  para estos productos de corta vida.

c. Problemas Operacionales : Algunas reacciones son tan lentas que la única alternativa son reactores discontinuos. También es muy dificil bomberar borras o pulpas con un bajo flujo sin que sedimenten y tapen o obstruyan las cañerías o equipos, por lo cual es muy dificil construir equipos  para procesos continuos cuando se deben manejar bajas capacidades de borras o pulpas, y es preferible usar procesos discontinuos. En forma similar , algunos productos ensucian muy rapidamente los equipos, por lo cual las operaciones batch son las indicadas para manejar estos tipos de compuestos, debido a que se debe detener periodicamente los equipos y limpiarlos en cada una de estas operaciones.

d. Operaciones Múltiples en Equipos : Otra caract Otra caracterís erístic ticaa unica unica de los proces procesos os discon discontin tinuo uoses ses que a menudo menudo se pueden pueden efectuar varias operaciones en un mismo equipo, mientras que en un proceso continuo se necesita un equipo para cada operación. Por ejemplo

 

a) Sistema Continuo :

Catalizador Alim. Calor

Reactor  

b) Sistema

Separador

Producto

Calor Discontinuo :

Productos

 

Alimentación Catalizador

|

Reactor Calor Separador

Calor