Diseño de Procesos en Ingeniería Química Enrique Aguilar Rodriguez

Diseflo de procesos en ingenieria quimica

Diseno de procesos en ingenieria quimica Enrique Aguilar Rodriguez

1NS11lUT8 MUlCANO ilL P£TULEO

INSTITUTO POLlTECNICO NACIONAL

Mexico

Coedici6n:

Instituto Mexicano del Petr61eo

Instituto Politecnico Nacional

Gerente de Comunicacion Social y Relaciones Publicas: Paulino Sabugal Femandez Responsable del programa editorial: Rene Anaya Sarmiento Cuidado de la ediclon: Beatriz Gonzalez Barcenas Diseno de portada y edicion: Omar Montoya Hemandez Fotografia de portada: Pedro Espindola Serrano

Director de Publicaciones: Arturo Salcido Beltran Division editorial: Hector Bello Rios Procesos edltoriales: Manuel Toral Azuela

Diseno de procesos en ingenieria quimica

D. R. © 2007, Instituto Mexicano del Petr61eo Eje Central Lazaro Cardenas Norte 152 Col. San Bartolo Atepehuacan Delegaci6n Gustavo A. Madero, 07730 Mexico, D.F.

ISBN 968-489-037-0

FIPN-2007-113

Todos los derechos reservados. Queda prohibida la reproducci6n total 0 parcial de esta obra por cualquier medio 0 procedimiento, comprendidos la reprografia y el tratamiento informativo, la fotocopia 0 la grabaci6n, sin la previa autorizaci6n por escrito del Instituto Mexicano del Petr61eo y el Instituto Politecnico Nacional.

"Impreso y hecho en Mexico/Printed and made in Mexico"

Este libro esta dedicado a los j6venes ingenieros quimicos, quienes con sus sueiios al hombro y su trabajo diario, habran de hacer uso de nuestra disciplina para que este mundo sea mas digno y justa para la vida humana .

.Para Carmen, impulso de vida y refugio seguro. Para Joan Manuel Serrat, sutil inspiraci6n y delicada poesia.

Si desedis aprender de las Jormas de las casas, empezad par el detalle, y s610 pasiis de un detalle a otro cuando haydis fijado el primero firmemente en la memoria y os haydis Jamiliarizado bien can il.

Leonardo da Vinci

Contenido

Contenido

Contenido

15

A manera de prologo 1

Los conceptos de proceso y de diseiio de procesos 1.1 Introducci6n. 1.2 El proceso. 1.3 Arquitectura conceptual de un proceso. 1.4 El disefio de procesos.

19

2

Sintesis de esquemas de proceso 2.1 Modelos de construcci6n y sintesis de esquemas de proceso. 2.2 Grados de libertad. 2.3 Variables para una corriente. 2.4 Grados de libertad para una unidad de proceso. 2.5 Grados de libertad en un diagrama de flujo. 2.6. Diagramas de flujo de proceso (DFP).

29

3

Dilemas de las variables de proceso y reglas heuristicas 3.1 Los gradientes y resistencias de los procesos. 3.2 El dilema universal en ingenieria de procesos. 3.3 Reglas heuristic as en disefio de proceso.

63

4

Seleccion del sistema de reaccion 4.1 Las fronteras naturales de una reacci6n quimica. 4.2 Efecto de las variables de proceso en el equilibrio quimico. 4.3 Criterios para determinar el comportamiento de reactores. 4.4 Tipos de sistemas reaccionantes. 4.5 Determinaci6n de la conversi6n del reactor 4.6 Selecci6n del tipo de reactor. 4.7 Fase de la reacci6n. 4.8 Esquemas de intercambio de calor en reactores.

83

5

Seleccion del esquema de separacion 5.1 Separaci6n de mezclas heterogeneas. 5.2 Separaci6n de mezclas homogeneas. 5.3 Variables de diseno en destilaci6n. 5.4 Otras opciones de separaci6n de mezclas homogeneas.

105

6

Seleccion del esquema de intercambio termico 6.1 La relaci6n temperatura-ental pia de un fluido. 6.2 La integraci6n termica de procesos. 6.3 Representaci6n de mallas de la red de intercambio termico. 6.4 Construcci6n de las curvas compuestas. 6.5 La Tabla problema. 6.6 La curva gran compuesta. 6.7 El punto de pliegue y su significado. 6.8 Disefio de la red sobre el punto de pliegue. 6.9 Disefio de la red por

121

-13-

Diserio de Procesos en ingenieria Quimica

debajo del punto de pliegue. 6.10 Diseflo integral de la red de intercambio de calor. 7

Filosofia operacional 7.1 Variables de operaci6n y control de proceso. 7.2 Operaciones anormales. 7.3 Procedimientos de operaci6n especial. 7.4 Requerimientos de control analitico del proceso. 7.5 La ejecuci6n de la corrida de pnteba (test run). 7.6 La ejecuci6n de una auditoria operativa.

145

8

Estimacion del costo y la rentabilidad de los procesos 8.1 El objetivo. 8.2 Estimaci6n de costos. 8.3 Costos de capital anualizados. 8.4 Valor presente neto (VPN). 8.5 Tasa interna de retorno (TIR).

173

9. Caso de estudio: licuefaccion del gas natural 9.1 Planteamiento del problema. 9.2 Trabajo te6rieo de eompresi6n. 9.3 Proeesos de lieuefaeci6n. 9.4 Expansi6n de JouleThompson (ciclos de Linde). 9.5 Ciclos de Linde a alta presi6n. 9.6 Cicio de Linde de alta presi6n con doble expansi6n de gas. 9.7 Cicio de Linde simple con preenfriamiento de la earga con refrigerante. 9.8 Cidos de lieuelacci6n con generaci6n de trabajo de expansion. 9.9 Cic10s de licuefaecion en easeada de refrigeraci6n. 9.10 Conclusiones

191

P. Problemas de aplicacion P. Capitulo 1. P. Capitulo 2. P. Capitulo 3. P. Capitulo 4. P. Capitulo 5. P. Capitulo 6. P. Capitulo 7. P. Capitulo 8

225

Siglas y abreviaturas. indice de figuras. tndice de tablas

245

-14-

A manera de pr61ogo

A manera de pr61ogo

L

a ingenieria de procesos integra y aplica la filosofia y el conocimiento de la ingenieria quimica. Como tal, no es una disciplina exacta pero tampoco se basa en el empirismo; conserva ese fino equilibrio entre el conocimiento racional y la intuici6n; entre la experiencia y la innovaci6n; entre el metodo y la idea surgida de la nada; entre la pureza del conocimiento y la objetividad del beneficio econ6mico. Es ademas de cankter universal, es decir, no esta restringida a un ambito social 0 econ6mico; su objetivo ultimo es establecer esquemas de proceso y condiciones de operaci6n que resulten en plantas qufmicas que operen en forma 6ptima desde un punto de vista econ6mico. Por 10 anterior, el dominio de esta disciplina requiere de un largo proceso de maduraci6n, que va desde la asimilaci6n de las bases fundamentales de la ingenieria qufmica, pasando por los principios de conservaci6n, del equilibrio termodinamico, de la cinetica de los procesos y de los elementos econ6micos asociados, hasta llegar a un conocimiento integral para comprender la interrelaci6n entre las variables tecnicas y econ6micas que determinan el comportamiento y desempeno de un proceso. EI conocimiento, la intuici6n y aun la emoci6n se entrelazan para que el ingeniero de proceso encuentre, de entre muchas opciones, las mas factibles, operables y econ6micas, que conduzcan a procesos y soluciones 6ptimas. En la ultima decada, la disciplina ha evolucionado considerablemente, principal mente por las facilidades de calculo asociados al desarrollo y aplicaci6n de software, que permite realizar las actividades de analisis, sintesis y optimizaci6n, con mayor rapidez y exactitud. Pero las decisiones conceptuales y filos6ficas que eshln atras de las grandes innovaciones, que aportan el mayor beneficio econ6mico al diseno y que son las que distinguen a los buenos ingenieros de proceso, siguen basadas en su dominio del conocimiento, su intuici6n, su imaginaci6n y sus sensatas concepciones e ideas. He tenido en mente las consideraciones anteriores para escribir este libro de diseno de procesos. Me ha animado tambien recordar los obstaculos naturales que encontre al iniciarme en este campo, como la falta de informaci6n ordenada y orientada a la aplicaci6n, pero sobre todo de documentos en donde los aspectos conceptuales y filos6ficos fueran establecidos y discutidos con claridad y profundidad. Encontre, entre lineas de diversos textos y en la interacci6n con mis colegas, conceptos que me fueron formando, pero este fue un proceso azaroso y muchas veces lento.

-17-

Diseno de procesos en ingenieria quimica

Este texto busca dar prioridad a la discusi6n conceptual y a la asimilaci6n de las bases que soportan la disciplina, sacrificando en algl.lna medida tanto la aplicaci6n "mecanica", importante pero no formativa, como la elaboraci6n y aplicaci6n detallada de model os matematicos y algoritmos, que por su importancia son motivo de un curso de mayor especializaci6n en el area. Para ilustrar la aplicaci6n de diversos temas que se tocan a 10 largo del texto, he incluido un capitulo final con un caso de estudio que ha sido llevado a la practica industrial en forma exitosa. Una buena parte del material presentado es resultado de las discusiones sostenidas y compartidas con colegas, ingenieros de proceso en el Instituto Mexicano del Petr61eo, a quienes reconozco su profesionalismo y entrega a esta disciplina, que alli se sembr6, £loreci6 y ha dado frutos notables para la industria petrolera nacional. Los capitulos 2 y 7 contienen parte del material que para prop6sitos de capacitaci6n se elabor6 con algunos colegas del instituto. A 10 largo de la elaboraci6n de este libro he tenido en mente a los j6venes ingenieros que se inician en el area, con la intenci6n de mantener e incrementar ese interes inicial por la especialidad de disefio de procesos. Finalmente, agradezco a mis alumnos de licenciatura y posgrado del Instituto Politecnico Nacional y de la Universidad Aut6noma MetropolitanaAzcapotzalco, muchos de ellos hoy brillantes tecn610gos e ingenieros de proceso, porque a traves de su entusiasmo, ingenuidad y entrega me han impulsado a intentar ser maestro, oficio de la construcci6n, del tejer y destejer, del que siempre seremos aprendices.

Enrique Aguilar Rodriguez Ciudad de Mexico.

-18-

1 Los conceptos de proceso y de diserio de procesos

Nada se edifica sobre fa piedra, todo sobre fa arena, pero nuestro deber es edificar como si fuera piedra fa arena. Jorge Luis Borges

Los conceptos de proceso y de diseno de procesos

1.1 Introducci6n

Una caracteristica distintiva del ser humano es su capacidad de transformar los elementos que se presentan en la naturaleza, con el objeto de asegurar su supervivencia, mitigar las condiciones naturales adversas que 10 rodean y lograr mayor confort en su vida diaria. Esta caracteristica de nuestra especie ha dado lugar tanto al descubrimiento de principios que rigen el comportamiento de la materia, como al desarrollo de equipos y herramientas que han permitido realizar procesos de transformaci6n en forma cada vez mas precisa, y con un uso mas eficiente de recursos materiales y econ6micos. Un proceso de transformaci6n fisicoquimica es un sistema que permite modificar en su composici6n 0 condiciones de estado (presi6n, temperatura y tipo de fase) a una 0 varias sustancias, para dar lugar a uno 0 mas productos generalmente de mayor valor. Para lograr 10 anterior los procesos requieren tres elementos basicos: (1) equipos, (2) energia y (3) quimicos, aditivos y catalizadores. Los equipos son aquellos elementos en donde fisicamente fluyen, se almacenan 0 se transforman las sustancias presentes a 10 largo del proceso (tanques separadores, compresores, reactores, cambiadores de calor, torres de destilaci6n, etcetera). La energia que el sistema intercambia con el exterior permite a las sustancias que se procesan modificar su contenido energetico y, con ello, sus propiedades fisicoquimicas, con el fin de tener el potencial necesario para realizar las transformaciones deseadas. Por 10 general hay dos formas de energia que de manera mayoritaria se transfieren en los procesos fisicoquimicos: el calor y el trabajo meccinico. Otras formas de energia tambien se intercambian, pero su importancia relativa es menor que las anteriores. Finalmente, los quimicos, aditivos y catalizadores desempenan funciones especificas para promover 0 inhibir algunas de las transformaciones que se efectuan a 10 largo del proceso, con el prop6sito de mejorar su desempeno global. Ejemplo de estos elementos son los inhibidores de la corrosi6n y los desemulsificantes. 1.2 EI proceso

Con la perspectiva anterior, un proceso fisicoquimico puede esquematizarse como se muestra en la figura 1.1. -21-

Diserio de procesos en ingenieria quimica

Energia Quimicos, aditiYos y calalUadOfH

D

D

Produclo5

Equipos

D

D Energla

Figura 1.1 Elementos de un proceso fislcoqulmlco.

Desde el punto de vista econ6mico, un proceso de transformaci6n fisicoquimica tiene como objetivo obtener productos de mayor valor agregado a partir de materias primas de menor valor relativo, para 10 eual se requiere realizar una inversi6n inicial en equipos de proceso, as! como asignar recursos econ6micos para la operaci6n por los conceptos de consumo de energia, quimicos, aditivos y catalizadores. El concepto de proceso como un sistema que consume y produce valor econ6mico se presenta en la figura 1.2.

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[I I

$ Operaci6n

• Equipo

S Matelias primas

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$ Quimicos, aditivo.

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> > > >

Proceso

Figura 1.2 EI proceso como sistema econ6mlco.

-22-

S Produc:tos

Los conceptos de proceso y de diserio de procesos

1.3 Arquitectura conceptual de un proceso

Independientemente de su complejidad y diversidad, todo proceso fisicoquimico contiene dentro de si cuatro elementos que se integran en una arquitectura fija, como se muestra en la figura 1.3.

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Corrientea de recircwacion

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..

AeondiCionamiento de mateo.. prima.

1.

.

Raaeeion quimiea

f-+

5eparaCion de productos

~l Produetos ,

Figura 1.3 Arqultectura conceptual de un proceso.

EI primer bloque tiene como proposito acondidonar las materias primas para que el proceso de reacdon que Ie sigue se lleve a cabo en forma mas efidente. Asi, por ejemplo, en algunos casos es necesario limitar el contenido de alg(m componente que pudiera inhibir el comportamiento del catalizador en la reacdon, 0 por el contrario se requiere agregar alg(m compuesto que promueva 0 inhiba algunas de las reacdones presentes en el proceso; tambien en este bloque las materias primas se llevan a las condidones termodinamicas (presion, temperatura, fase) que mejor se ajustan a las necesidades de la etapa de reacdon. El segundo bloque es el proceso de transformadon quimica, conformado general mente por un reactor qui'mico acondidonado para llevar a cabo la transferenda de masa y energia asodadas, de la manera mas efidente posible. Debido a que ninguna reacdon quimica es totalmente selectiva hacia el producto que se desea en el proceso, el efluente del sistema de reacdon estara constituido siempre por: (a) el producto deseado, (b) subproductos de la reacdon, (c) materias primas que no reacdonan y (d) componentes inertes a la reacdon. Lo anterior hace necesario integrar el tercer bloque del proceso inmediatamente despues del sistema de reacdon, para llevar a cabo la separacion de los productos contenidos en el efluente del reactor; obtener la cantidad y calidad de los productos de interes, principalmente el producto principal; y algunos subproductos que tienen tambien valor comercial y economico.

-23-

Diseno de procesos en ingenieria quimica

Las materias primas y algunos componentes inertes, ya aislados durante la etapa de separacion de productos son generalmente reciclados para su reprocesamiento, 10 cual da lugar al cuarto elemento del proceso, conformado por la(s) corriente(s) de recirculacion, que dependiendo de su cantidad y composicion se integran al proceso en diferentes puntos. En las cuatro etapas se tienen presentes intercambios de energia con el exterior, con el fin de incorporar el potencial energetico requerido para que la preparacion de materias primas, la reaccion, la separacion de productos y el reprocesamiento de las corrientes de recirculacion se Heven a cabo apropiadamente. De la discusion anterior se desprende que un proceso puede ser considerado como un gran sistema, cuyo proposito fundamental es la transformacion de sustancias en otras de mayor utilidad y valor agregado. Este sistema contiene dentro de sf pequefias celulas conformadas por los equipos de proceso, que tienen "vida propia" al procesar sustancias e intercambiar energia con el exterior, con una funcion univocamente determinada, por ejemplo aumentar la presion de la sustancia, llevar a cabo una reaccion, purificar un producto, etcetera. Asf, un proceso puede pensarse como un sistema cuya topologia la conforman equipos de proceso interconectados mediante corrientes (C) en las que fluyen diversas sustancias, que ademas reciben 0 ceden energia en forma de calor (Q) 0 trabajo (W); adicionalmente, pueden recibir 0 contener catalizadores (CAT), qufmicos (QUIM) 0 aditivos (AD). Una topologia tipica de un proceso fisicoqufmico se ilustra en la figura 1.4.

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Figura 1.4 Topologla de un proceso.

-24-

Los conceptos de proceso y de diserio de procesos

1.4 EI diseno de procesos

El disefio de procesos tiene como proposito definir una topologia de procesamiento con la que, manteniendo criterios de rentabilidad economica, sea posible transformar materias primas en productos con especificaciones previamente establecidas. El problema y las preguntas por responder mediante el disefio de procesos pueden ilustrarse como se muestra en la figura 1.5. 't ......................................................, •..........................................,

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Figura 2. 11 Versl6n revisada del dlagrama de fa figura 2.10.

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Diserio de procesos en ingenieria quimica

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Sintesis de esquemas de proceso

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-49-

Diserio de procesos en ingenieria quimica

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Inhibe Favorece

No afecta No afecta

Lln < 0

Favorece Inhibe

4.2.3 Efecto de Ja introducci6n de un gas inerte a/a reacci6n

Al introducir un gas inerte en una mezcla reaccionante se tiene siempre un efecto de diluci6n de todos los componentes que intervienen en la reaccion, por 10 que disminuye su concentracion. La constante de equilibrio Kp puede representarse como: Kp

=

..11cY 11:.00 nA anB f3

-88-

Selecci6n del sistema de reacci6n

Donde: nl

= num. de moles del inerte.

11T

= 11A + 11B + nC + 11D + 111.

(Notar que nT involucra tambien a los inertes) A ciertas condiciones constantes de P y T, se tiene Kp que la influencia de inertes se puede resumir asi:

= constante, por 10

&1< 0

nT disminuye

Aumenta

Disminuye

Se desfavorece

8n= 0

nT no cambia

1

No varia

No influye

&1> 0

nT aumenta

Disminuye

Aumenta

Se favorece

Es decir, la dilucion de un sistema reaccionante con un gas inerte corresponde a un incremento en el numero total de moles (nT) y como se puede apreciar el efecto producido es semejante a una disminucion de la presion del sistema. Si el numero total de moles gaseosos de la reaccion no varia (.111 = 0 ), la conversion de equilibrio no se ve afectada por la presencia de inertes. 4.2.4 Efecto de Ja presencia de reactantes

0

productos

En general, la presencia de una sustancia en la mezcla inicial inhibe 0 disminuye su formacion en la reaccion, por ejemplo en la reaccion: A + B ~ C, si la mezcla inicial contiene huellas de C, la conversion sera menor que si solo se alimentan A y B. En sintesis, la tabla 4.1 establece el efecto de las variables de proceso en la conversion al equilibrio de una reaccion quimica.

-89-

Diserio de procesos en ingenieria quimica

Tabla 4.1 Efecto de variables de proceso en la conversi6n al equilibrio.

inerte$

Presencia de uctos.ert rttaci6n

--------

---------

Disminuye

Aumenta

-------

-------

Disminuye

&1>0

--------

Disminuye

Aumenta

Disminuye

&1=0

--------

No afecta

No afecta

Disminuye

&1 nI' < nIl

la selectividad aumenta si la conversi6n au menta. la selectividad disminuye si la conversi6n aumenta.

En el primer caso se permiten conversiones altas, del orden de 95% en reacciones irreversibles y de 95% de la conversi6n al equilibrio para las reversibles. En el segundo caso se requieren conversiones relativamente bajas, del orden de 50% en reacci6n irreversible y de 50% de la conversi6n al equilibrio para las reversibles. El valor de la conversi6n final se ajustara al final del disefio para buscar un 6ptimo global del sistema reactor-separador.

-95-

Diseflo de procesos en ingenieria quimica

4.5.3 Reacciones multiples en serie con subproductos

Considerar el sistema de reacci6n: nl' A~P

donde

'1

= k1 CA' (13) n2

p~s

donde

'2

=

k2

Cpo

Donde: CA Y Cp son las concentraciones molares de reactante A y producto P, respectivamente. Se observa que la selectividad hacia el producto P se logra a altas concentraciones de A pero bajas concentraciones de dicho producto P,Io cual se presenta si hay una baja conversi6n del reactante A. Se concluye que para reacciones en serie se tendra una baja selectividad al producto principal P si se presenta una alta conversi6n de reactantes. Un criterio general es no tener conversiones mayores que 50% en reacciones irreversibles ni mayores que 50% de la conversi6n al equilibrio para las reversibles. En la tabla 4.2 se resumen los criterios para establecer la conversi6n en un reactor quimico. Tabla 4.2 Conversiones sugeridas en reactores qurmicos. Tipo de sistema

Reacci6n irreversible

Simple

95%

95% de la conversi6n del equilibrio

Multiple en paralelo Con subproductos (n2 > nt)

95%

95% de la conversi6n de equilibrio

Multiple en paralelo con subproductos (n2 < nt)

50%

50% de la conversi6n de equilibrio

Multiple en serie con subproductos

50%

50% de la conversi6n de equilibrio

Reacci6n reversible

Selecci6n del sistema de reacci6n

4.6 Seleccion del tipo de reactor

Existen tres modelos ideales de geometrias en las que se llevan a cabo reacciones qufmicas. La primera es el reactor por lotes (batch), el cua1 es un recipiente en e1 que se cargan los reactantes a1 inicio de 1a operaci6n y se mezc1an durante un intervalo de tiempo, despues del cua1 se descargan. Aunque la concentraci6n cambia con el tiempo, debido a que la reacci6n se encuentra en proceso, siempre se tiene una concentraci6n uniforme debido a1 mezc1ado (figura 4.4). t=O

t fm..,1

Aiimenlaci60 ~

A_--fdj=j

Il~--~~-cJ.-~ - -.- 1--+ I::::~"::.-~--.d - - -- I lL--.....

I

Productos

Reactor por lotes (Batch)

..

Productos

Reactor agitado continuo

Alimenlaci a2 en las ecuaciones (11) y (12) ... se favoreee la reaeci6n principal de formaci6n del producto a altas eoneentraciones de reactantes y si al < a2 sueede 10 eontrario, por 10 que: Si

n2

< nl seleecionar reactores batch

Si

n2

> nl seleccionar reactor agitado continuo.

0

de flujo tapon.

Si en el sistema reaecionante se tiene mas de un reactante, el am1lisis es diferente. Considerar el siguiente easo: nl

A+B7 P

donde'l = kl CA

A+B7S

donde

nil

CB n2

'2 =

k2 CA

nl2

CB

En este easo el objetivo es minimizar la formaci6n de subproducto, 10 eual se logra aillevar a su minimo valor a la relaci6n (r2/rl)' expresada como: nr1l1 (r2l"1) = (k:lk1) CA

Selecci6n del sistema de reacci6n

Por 10 que el criterio de selecci6n sera: • Si se desea mantener bajas las concentraciones de reactantes CA y CB, seleccionar el reactor agitado. • Si se desea mantener altas las concentraciones de reactantes CA y CB, seleccionar el reactor batch 0 el de flujo tap6n. • Si se desea mantener la concentraci6n de A alta y la de B baja, se debera alimentar este ultimo reactante en forma continua a medida que la reacci6n avance. 4.6.3 Reacciones multiples en serie con subproductos

Para el sistema representado por la ecuaci6n (13) se tiene una baja selectividad del producto principal en el reactor agitado continuo, ya que una cantidad importante del reactante 0 el producto principal sale del reactor antes de lograrse la conversi6n esperada. Para este tipo de reacciones se seleccionanl entonces un reactor batch 0 de flujo tap6n. 4.6.4 Reacciones mixtas en paralelo yen serie con subproductos

Para sistemas reaccionantes que presentan reacciones en serie y paralelo, por ejemplo el caso: nl ' A~P

donde'l

A~S

donde '2 = k2 CA'

= kl CA • n2'

n3

P

~

S

donde

'3 = k3

Cp .

Para la formaci6n del subproducto 5 a partir del reactante A, se obtiene una alta selectividad al producto P bajo las siguientes condiciones: ./ Si

til > n2! seleccionar reactor batch 0 de flujo tap6n .

./ Si

nl

< n2! seleccionar tanque agitado.

-99-

Diseno de procesos en ingenieria quimica Para inhibir la reacci6n de formaci6n del subproducto S en la reacci6n en serie, se requiere un reactor de flujo tap6n, por 10 que para el sistema integral: seleccionar reactor batch

0

flujo tap6n.

hay varias opciones ...

La reacci6n en paralelo del subproducto requerinl un tanque agitado, pero la reacci6n en paralelo requerira lIno de flujo tap6n, por 10 que ante este dilema un sistema hibrido puede lograr un 6ptimo de selectividad del producto. Este sistema puede lograrse mediante (figura 4.5): a) Una serie de reactores agitados. b) Un reactor de flujo tap6n con recirculaci6n. c) Una combinaci6n en serle de un reactor agitado y uno de flujo tap6n. Opci6n a) Reactores agitados en selie

L-

Produclos

OpciOn b) Reactor de f1ujo tapOn con recirculaci6n

A1imentaci6nJf)~,--______3L~ Productos Opci6n c) Reactorftujo tapOn y tanque agitado

_, I

l

A1imentaci6n~===============6-J.... t·~~~. p_ Opci6n c) Reactor de lanque agitado y flujo tap6n

Productos Figura 4.5 Esquema para reacclones mlxtas.

-100-

Seleccion del sistema de reaccion

El arreglo 6ptimo (mayor selectividad al producto) dependera de cada sistema particular y s610 se podra definir en la etapa de calculo del tamafio de equipo integral reactorjseparador y del costa asodado. Una tabla resumen para la selecd6n del tipo de reactor, en funci6n de las caracteristicas del sistema reaccionante, se muestra en la figura 4.6. A+B-)P Sistema 00 reacci6n

Re1aci6n cinetica

A+B-)S

r, =k, (C.),"

r, = k, {C,.)'" (Cs )''''

f2= k2 (CAl""

Reiaci6n a minimizar

Figura 4.6 Selecci6n del tlpo de reactor.

4.7 Fase de /a reacci6n

Si es posible optar por realizar la reacd6n ya sea a fase Hquida 0 vapor, generalmente se prefiere la primera, ya que en esta se tiene mayor concentracion CA de los reactantes y por 10 tanto mayor velocidad de reaccion,10 que se traduce en menor tamai10 (volumen) del reactor para una conversion dada. Sin embargo, en sistemas en los que interviene un catalizador solido, el efecto del tipo de fase tambien debe evaluarse en terminos de la trans ferenda de masa (difusi6n) de los reactantes y productosen el s6lido. En ge-101-

Diserio de procesos en ingenieria quimica

nera!, las velocidades de transferencia de masa son mucho mayores para gases que para Hquidos, por 10 que la selecci6n de la fase puede representar frecuentemente un dilema entre los factares cineticos y los de transferencia de masa y es necesario establecer cuM es el controlante, para definir la mejor opci6n. Si controla la cinetica, se prefiere la fase Hquida; si controla la transferencia de masa, se opta por la fase vapor. En muchos casos el tipo de fase queda determinado por las condiciones de reacci6n previamente establecidas e impuestas por alguna raz6n. Por ejemplo, si la temperatura de reacci6n es mayor que la temperatura crftica de algun componente, este estara presente s610 en fase vapor. En la mayoria de los casos, la fase en la que se realiza la reacci6n queda impuesta por criterios previamente determinados; si no es el caso, se prefiere la fase Hquida.

4.8 Esquemas de intercambio de calor enreactores Generalmente se hace necesario transferir calor entre el reactor y el exterior. Si el sistema es de naturaleza exotermica, es necesario extraer calor para mantener la temperatura 10 suficientemente baja para favorecer el equilibrio hacia productos, y evitar tanto el deterioro del catalizador como la descomposici6n de compuestos susceptibles a la temperatura (por ejemplo, en el caso de hidrocarburos, hay formaci6n de carb6n que causa taponarnientos y fatiga en el material del equipo). Si la reacci6n es endotermica, es necesario surninistrar el calor requerido para evitar descensos de temperatura que eventual mente causen el" apagado" de la reacci6n por no contar con la energia de activaci6n necesaria. 5610 en algunos casos excepcionales no se requiere intercambiar calor, 10 cual da lugar a una operaci6n adiabatica, generalmente no deseable, entre otras razones porque disrninuye la conversi6n limite de equilibrio. Existen diversos esquemas de procesarniento para intercambiar calor, cuya selecci6n depende del tipo de reactor y la demanda de carga terrnica por surninistrar. En general, se prefiere el intercambio de calor indirecto (sin contacto entre el sistema reaccionante y el medio transportador de calor), ya que se evita la contarninaci6n" del sistema reaccionante con otros compuestos, salvo si algun reactante se utiliza para este prop6sito. II

Para los reactores de tanque agitado es practica comtin transferir calor a traves de carnisas de enfriamiento/ calentamiento, serpentines colocados den-102-

Selecci6n del sistema de reacci6n

tro del tanque 0 con cambiadores de calor externos al tanque, como se muestra en la figura 4.7.

MeIliOCle

enfrMliElfllO ,I

caien1amiento, --1>

"'~--T-/

.

-+-1--::--=:-.- -=---

'-

r J'IlIduda~

-~-

T .

f'rndudCl!!

(;8mjSAI de mlerc.mbio

Figura 4.7lntercamblo de calor en reactores agitados.

Los reactores tubulares (con 0 sin catalizador empacado) pueden intercambiar calor de diversos modos. Si estan configurados en un haz de tubos (reactores), entonces se enfrian/ calientan con un esquema de cambiador de tuhos (reactores intemos) y envolvente; en este se hace circular el medio transportador de calor. Este esquema tiene las limitaciones naturales de dicho arreglo en cuanto al bajo flux de calor que puede manejar. Si hay una alta demanda de velocidad de transferencia de calor (flux) por el flujo procesado 0 por un alto calor de reacci6n, entonces se utilizan homos, en los cuales los tubos (reactores) se colocan dentro de la caja radiante y reciben calor a traves de la radiaci6n que se produce por la combusti6n del combustible dentro de la caja.

-103-

Diseno de procesos en ingenieria quimica

Tambi€m es posible suministrar/ extraer calor en diferentes etapas del reactor, ya sea con serpentines por los que circula un medio acarreador de calor 0 mediante la introducci6n de un reactante en puntos intermedios del reactor. En este ultimo caso se da un fen6meno llamado "enfriamiento subito" (en caso de extracci6n de calor). Los cuatro modos de intercambio de calor se muestran en la figura 4.8.

P,ooocto

Homo .1tc«1or

Figura 4.8 Intercambio de calor en reactores de ftujo tap6n.

-104-

5 Selecci6n del esquema de separaci6n

Nada ni nadie puede impedir que sufran, que las agujas avancen en el reloj, que decidan por elios, que se equivoquen, que crezcan y que un dia nos digan adios. Joan Manuel Serrat

Selecci6"n del esquema de separaci6n

Una vez establecido el tipo de reactor y sus condiciones de operacion, es necesario definir el tipo de proceso de separaci6n que mejor se ajuste a las caracteristicas del efluente del reactor y a la especificaci6n de productos por separar. En algunas ocasiones tambien es necesario definir un proceso de separacion antes de la reaccion, que normalmente se orienta a dar la especificacion en cuanto a concentracion de los compuestos que se introducen al sistema de reaccion. En forma generica, para que se lleve a cabo la separaci6n de una mezcla es necesario contar con dos elementos funcionales: el equipo en el que se deposita la mezcla por separar y un agente promotor de la separaci6n, qde puede ser energia y una sustancia que se adiciona al sistema para promover la separacion. EI esquema conceptual de esta idea se muestra en la figura 5.1.

Agente de separacion (masa 0 energia)

-

... Mezcla

por separar

~

Equiposde

separaci6n

Productos

..

separados

~

Figura 5.1 Esquema conceptual de los procesos de separacl6n.

Existe una clara diferencia entre los procesos de separaci6n disponibles, que depend en del tipo de mezcla por separar, ya sea que esta sea homogenea 0 heterogenea. Si la mezcla es heterogenea (contiene dos 0 mas fases), pueden encontrarse cinco casos posibles: (1) vapor-liquido, (2) liquido-liquido, (3) solido-liquido, (4) solido-vapor y (5) solido-solido. En cualesquiera de estos casos, la separacion se efectua teniendo como gradiente 0 propiedad de separacion la diferencia de densidades entre las fases presentes. -107-

Diserio de procesos en ingenierfa qufmica

Cualquier tipo de equipo se disefia para aprovechar esta propiedad y hacer uso de fuerzas gravitatorias 0 centrffugas para lograr la separaci6n. El disefio particular en cad a caso depende del tipo de mezcla por separar y sus propiedades fisicas. Si la mezcla que se busca separar es homogenea, es decir, se presenta una sola fase a las condiciones de operaci6n, la separaci6n de componentes s610 es posible mediante la generaci6n 0 adici6n de otra fase al sistema. As!, por ejemplo, si se quieren separar los componentes de un gas, es posible hacer10 condensando parte de el y por 10 tanto concentrando los componentes mas pesados de la mezcla en la fase Ifquida. Una altemativa para separar esa mezcla gaseosa serfa tambien agregar un solvente Ifquido capaz de absorber selectivamente algunos de los componentes de la mezcla, y separarlo del gas al incorporarlo allfquido. El esquema conceptual para separar tanto mezclas homogeneas como heterogeneas se muestra en la figura 5.2 Energia

Fase 1

Equip de

Mezda

separackin (heterogeneas)

Fase2

Mezels ----1~

Equipo de separadon (homog9neas)

Fase 1 Fa~2

Fuerza

centrifuga Fuerza

Materia

grav~at()(ia

Figura 5.2

~emplos

de separacl6n de mezclas heterogeneas y homogeneas.

Como criterio general, si en un proceso se requiere efectuar tanto separaciones heterogeneas como homogeneas debe realizarse primero la separaci6n heterogenea, ya que esta es siempre mas facil por el equipo, la energia requerida y la complejidad del disefio; despues se debe realizar la separaci6n homogenea.

5. 1 Separacion de mezc/as heterogeneas Como se indic6 anteriormente, las mezclas heterogeneas se separan por la diferencia de densidades entre las fases presentes y, por 10 tanto, hac en -108-

Selecci6n del esquema de separaci6n

uso de fuerzas gravitatorias 0 centrifugas. Los metod os principales de separaci6n de mezclas heterogeneas son: • • • •

Asentamiento y sedimentaci6n. Flotaci6n. Centrifugaci6n. Filtraci6n.

5. 1. 1 Asentamiento y sedimentaci6n

Estos procesos se realizan siempre en un recipiente cerrado, en el cual permanecen el tiempo suficiente para que las fuerzas gravitatorias actuen y permitan que la fase mas pesada (particulas s6lidas 0 Hquidas) desciendan y que al mismo tiempo la fase ligera (liquido 0 gas) ascienda; de tal manera que puedan obtenerse dos corrientes de salida que contengan a cad a una de las fases por separado. Si la mezcla esta formada por Hquido y vapor (L-V), esta se introduce a un recipiente vertical en el que la velocidad del vapor que ascienda sea menor que la velocidad de asentamiento de la fase liquida, para evitar el arrastre de liquido en el vapor. Si la mezcla esta formada par dos liquid os inmiscibles (L-L) generalmente se utiliza un recipiente horizontal 0 decantador, en el cualla velocidad horizontal del fluido debe ser 10 suficientemente pequena para permitir que las gotas de la fase pesada se asienten en la parte inferior del recipiente y las de la fase ligera asciendan, una vez que se produce la coalescencia de particulas en la interfase. Para mejorar la coalescencia suelen utilizarse mamparas horizontales que reducen los efectos de turbulencia par el flujo dentro del recipiente. En las mezclas heterogeneas formadas por fluido y s6lidos (F-S) tambien se utilizan camaras de asentamiento por graved ad, en las cuales permanecen el tiempo suficiente para permitir la caida de los s6lidos hacia el fondo del recipiente y, simultaneamente, ex traer el fluido purificado par la parte superior del recipiente. Para las mezclas que contienen particulas s6lidas suspendidas en un liquido, el asentamiento por gravedad puede mejorar sustancialmente cuando se agregan agentes floculantes que promueven la agregaci6n del s6lido en particulas de mayor tamano y por 10 tanto de mayar densidad, 10 que provoca una mayor facilidad para la separaci6n. -109-

Diserio de procesos en ingenieria qufmica

Los esquemas para los tres tipos de separacion por asentamiento y sedimentacion se muestran en la figura 5.3. Vapor

...

liquido

-~}'"~ ~->~t8 L ... L

~'~~::1'-:~' -.~

ss: _-_~_-_-o.::

_~~.:--

Alimenta~

l..£!uido

__

.a' -"""'

Llquido

pesado Liquido

Mezclas Jiquido - vapor

Mezclas liqUido-Liquido

Mezclas fluido-s6lido

Agura 5.3 Procesos de asentamlento de mezclas heter~neas. 5. 1.2 F/otacion

El proceso de flotacion se basa tambien en el aprovechamiento de las fuerzas gravitatorias que acruan sobre las fases involucradas, pero que ademas aprovechan la diferencia en las propiedades superficiales de las particulas. Generalmente, se provoca una corriente de burbujas de gas en el seno de un Hquido, a las cuales se adhieren particulas solidas que ascienden junto con dichas burbujas, 10 que da como resultado una concentracion del solido en la superficie. Este proceso se utiliza tambien para separar mezclas solido-solido (5-5), ya que cada uno de elIos presenta diferente grado de "adherencia" a la superficie de una burbuja de gas. En este caso, la mezcla se dispersa en un medio de flotacion, usualmente agua, por 10 que al realizarse el proceso de burbujeo una fase 86lida "flota" preferentemente en la superficie, con 10 que es posible colectar esta fase mediante un procedimiento mecaruco. Para incrementar la diferencia en las propiedades superficiales de los solidos, generalmente se agregan sustancias quimicas al sistema, como los modificadores de pH; los detergentes, que provocan la formacion de espuma que ayuda a la separacion; 0 los agentes hidrofobicos, que hacen que uno de los solidos disminuya su tendencia a incorporarse a las burbujas de gas. 5.1.3

Centrifugacion

En este proceso se usa primordial mente una fuerza centrifuga generada de forma mecaruca, que se utiliza cuando la separacion mediante fuerzas gravitatorias es demasiado lenta, ya sea porque la diferencia de densidades -110-

Selecci6n del esquema de separaci6n

entre fases es muy pequefia 0 porque el tamafio de las particulas es tambien demasiado pequefia, 10 que requeriria dimensiones de equipo demasiado grandes y no econ6micas. El principio de los separadores centrifugos consiste en que al hacer girar un fluido alrededor de un eje, la fuerza centrifuga es mayor sobre las particulas de mayor densidad, por 10 que estas adquieren mayor velocidad y hacen que se ubiquen en las paredes del equipo en donde se realiza el proceso de centrifugaci6n. El equipo mas simple para llevar a cabo este proceso es el separador cicl6nico, mostrado en la figura 5.4, en el cual la mezcla por separar se introduce en la parte superior del cono, 10 que genera una corriente espiral descendente. Despues, cuando el fluido llega al fondo del con~, se produce una corriente espiral ascendente que contiene s6lo el fluido mas ligero, ya que las particulas s6lidas se separan hacia las paredes, a 10 largo del cono, y finalmente caen por la parte inferior. Para mezclas Hquido-liquido 0 liquido-s6lido se tienen equipos centrifugos mas complejos, para inducir mejor la separaci6n de fases.

Fluid"

1

Figura 5.4 Esquema del separador cicl6nlco.

-111-

Diserio de procesos en ingenieria quimica

5.1.4 Filtracion

Este proceso se utiliza para eliminar partfculas s61idas contenidas en un liquido 0 en un gas, ya que al hacer pasar la mezcla a traves de un medio poroso este retiene a las partfculas 0 permite el paso del fluido ya purificado. Existen diversos disefios de equipo de filtraci6n que depend en de la forma en que se retiene y elimina el s6lido del sistema, asi como diversos equipos comerciales para este prop6sito.

5.2 Separacion de mezclas homogeneas Como se mencion6 anteriormente, para separar una mezcla homogenea es necesario generar 0 adicionar otra fase al sistema. Se ha encontrado que cuando las volatilidades relativas de los componentes de una mezcla son suficientemente diferentes, puede aprovecharse esta propiedad para efectuar la separaci6n mediante el contacto de una fase liquida con una fase vapor, ya que al coexistir ambas hay una tendencia al equilibrio en el cual siempre se concentran los componentes mas volatiles en el vapor y los mas pesados en el liquido. Si esta operaci6n se realiza repetidamente sobre un fluido, es decir, si se efecrua de manera repetida la vaporizaci6n y Ia condensaci6n de fases, se produce el proceso de separaci6n mas comun que es la destilaci6n. Este proceso es el que mas se utiliza en la industria quimica, debido a que presenta ventajas sustantivas sobre otros procesos, por el conocimiento que se tiene de su disefio y operaci6n, asi como por su economia. 5.2.1 Destilacion

Las ventajas que deslacan de la destilaci6n sobre otras opciones de separaci6n, son las siguientes: • Su capacidad para procesar gran des flujos, 10 cual sucede debido a que es un proceso continuo que se lleva a cabo en una columna de platos 0 empaques, y cuyas dimensiones (altura y diametro) se ajustan a las capacidades requeridas, as! como a la pureza deseada de productos. Otros procesos altemativos a la destilaci6n, que podrian tener ventajas de otra naturaleza, tienen general mente la limitaci6n de capacidad de procesamiento, que las elimina como altemativa a la destilaci6n . • Su capacidad para obtener productos de muy alta pureza, 10 cual depende principalmente del numero de platos 0 cantidad de empaques que se instalen en la columna, y que ademas puedan ajustarse -112-

Selecci6n del esquema de separaci6n

durante la operaci6n por cambios en el reflujo. Otras opciones que compiten con la destilaci6n no permiten lograr las altas concentraciones que esta operaci6n puede obtener. • Su capacidad para procesar cargas que presentan variaciones significativas en su composici6n con respecto al diseno, y que pueden ser absorbid as al hacer ajustes a las condiciones de operaci6n, como el reflujo y las cargas tt~rmicas en condensador y rehervidor. Esta caracteristica Ie da una ventaja de flexibilidad que no presentan otros procesos altemativos. • La accesibilidad que se tiene para la adquisici6n de equipo de destilaci6n de linea (columnas, platos, empaques, etcetera), la gran variedad de fabricantes y la posibilidad de predecir el comportamiento de sus componentes, precisamente por contar con una detallada evaluaci6n del comportamiento y desempeno de sus componentes por parte de los fabricantes. Esta caracteristica hace tambien que el diseno sea relativamente simple y confiable, y la adquisici6n y procura del equipo oportuna. Estas caracteristicas Ie dan a la destilaci6n ellugar primordial que tiene como proceso de separaci6n preferido. Sin embargo, es muy importante senalar quiza la (mica desventaja de esta operaci6n, pero que tiene efectos significativos en el consumo de energia que requiere. Debido a que el principio de la destilaci6n es generar vapor (suministrar calor latente) para despues condensarlo (extraer calor latente) en cada plato de la columna, se tiene una operaci6n inherentemente ineficiente desde el punto de vista termodinamico. En Otras palabras, la cantidad de energia que se sumihistra para lograr la separaci6n es mucho mayor que la que se requiere unicamente para separar la mezcla en sus componentes puros. As!, la destilaci6n ofrece una eficiencia termodinamica en su consumo de energia de alrededor de 5%, la cual, si se establecen esquemas de integraci6n energetica, como redes de intercambio de calor (ver Capitulo 6), en el mejor de los casos puede llegar a ser de 10%. En terminos de energia esto significa que de 100 calorias consumidas para generar la energia necesaria en la columna de destilaci6n, s610 de 5 a 10 calorias se utilizan para la separaci6n. -113-

Diserio de procesos en ingenieria qufmica

5.3 Variables de diserio en destilaci6n

Las variables de disefio que deben especificarse en destilaci6n son: • Presi6n de operaci6n. • Reflujo. • Condici6n termica de la alimentaci6n. La presi6n de operaci6n es una variable de alto impacto en la economia del proceso, ya que determina la~ condiciones termicas a las que operani el sistema y en consecuencia las caracteristicas del material y el espesor de la columna. Entre mayor sea la presi6n de operaci6n se tendra mayor temperatura, mayor espesor y un material mas costoso para soportar esas condiciones. Por 10 tanto, una primera regIa para esta variable es que si no hay limitaciones, como las que se describen lfneas abajo, se debe buscar que la destilaci6n se efectue a presi6n atmosferica. En la mayoria de los casos no es posible lograr esta condici6n, ya que general mente se opera la columna a altas presiones. Conceptualmente, a altas presiones se tienen diversos efectos, algunos positivos y otros negativos sobre la operaci6n, entre los que destacan: ~

El calor latente de vaporizaci6n disminuye, por 10 que hay menores requerimientos de carga termica en el condensador yen el rehervidor.

~

La densidad del vapor aumenta por 10 que disminuye el volumen manejado, 10 que se traduce en un menor diametro de la columna.

X Las volatilidades relativas disminuyen, por 10 que la separaci6n se hace mas dificil y se requieren mas platos 0 reflujo para lograr la especificaci6n deseada de productos.

x El perfil de temperaturas a 10 largo de la columna se incrementa, y se tiene generalmente el punto mas caliente en el rehervidor, 10 cual puede provocar eventual mente problemas de descomposici6n termica de las mezclas que se vaporizan en esa secci6n y causan ensuciamiento, que entorpece la transferencia de calor.

-114-

Selecci6n del esquema de separaci6n

Generalmente el factor que mayor impacto tiene en la economia del proceso es el tipo de medio de enfriamiento que se utiliza en el condensador; por ello, como regIa generalla operacion mas economica se logra cuando se utiliza agua de enfriamiento. Una vez establecida esta condicion, se fija la presion de operacion de la torre, en forma tal que el producto de domos tenga una temperatura de saturacion (burbuja) alrededor de looe mayor que la temperatura del agua de enfriamiento 0, en su defecto, se selecciona la presion atmosferica si la condicion anterior se logra solo a condiciones de vado. La figura 5.5 ilustra esquematicamente el criterio para establecer la presion de operacion de la columna. .

Vapor saturado

T

=T

StiRS

1------, T = 58 °C

=TAE "'20"C

Uquido salurado

Destifado

Figura 5.5 Determlnacl6n de Ia presi6n de operacl6n de una columna de destilacl6n.

Existen dos excepciones al criterio anteriormente descrito, una de ell as cuando para cumplir con una temperatura de domos lOoe mayor que la del agua de enfriamiento, se requieren presiones de operacion demasiado altas que hacen impractico utilizar agua de enfriamiento porque aumenta tanto la dificultad de separacion como los riesgos en la operacion. Esto es frecuente cuando el producto de domos contiene componentes de muy alta volatilidad relativa, como los hidrocarburos ligeros y el hidrogeno. En este caso, se utiliza como medio de enfriamiento un refrigerante que permita tener temperaturas y presiones mas razonables en la columna. -115-

Diseno de procesos en ingenieria quimica

Esta operaci6n es maS costosa por los requerimientos de energia asociados al cicIo de refrigeraci6n que requiere el refrigerante utilizado. La segunda excepci6n se presenta cuando a la presi6n fijada por el criterio anterior se alcanza una temperatura tal en el rehervidor, con la cual el material procesado tiene una alta descomposici6n por efectos termicos, 10 que sucede frecuentemente cuando se procesan compuestos de alto peso molecular 0 alimentos. En este caso, se fijara la presi6n en forma tal que no se alcancen ciertos niveles de temperatura, previamente determinados, por las propiedades de las sustancias que se procesan. Generalmente se requerira operar a vado, con el consecuente aumento en el costa de energia asociado al mantenimiento de esas condiciones de operaci6n. En cuanto a la segunda variable de disefio por determinar, el reflujo, debe considerarse que es una variable en conflicto, ya que si el reflujo es alto, disminuye el numero de platos (ventaja), pero hay mayor demanda de energia para producir este reflujo (desventaja). Lo contrario sucede si el reflujo disminuye. Dado que el costa total del proceso tiene como componentes el costa de la energia y el cos to del equipo, se tiene un comportamiento de este en funci6n del reflujo, como se muestra en la figura 5.6. Costo $ Costo lotal

Energia termica

Equipo ______--~----- (altura de la columna)

+

L-_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _

R

opt

Reflujo ( R)

,.1.2R

mIn

Figura 5.6 Determlnacl6n del reflujo 6ptimo en destJlacl6n.

-116-

Selecci6n del esquema de separaci6n

Como puede observarse, invariablemente se encuentra un solo valor del reflujo que logra obtener un costa total minimo. Generalmente este valor se situa alrededor de 20% sobre el valor del reflujo minimo. De esta manera, la regIa heuristic a para fijar el reflujo es R = 1.2 Rmin . Naturalmente para cad a caso particular existira un valor optimo espedfico. La tercera variable de disefio que debe fijarse es la condicion t€~rmica de la alimentacion, la cual tiene menor impacto sobre la economia del proceso. Generalmente, si la alimentacion se encuentra en fase vapor (saturada 0 sobrecalentada) se tendra un mayor numero de platos en la seccion de rectificacion pero menos platos en la seccion de agotamiento, con 10 que se mantiene aproximadamente igual el numero total de platos de la torre que si la alimentacion se encontrara en fase liquida. Por su parte, la alimentacion en fase vapor tambien requiere mayor carga termica para enfriamiento en el condensador y, por el contrario, menor carga termica para calentamiento en el rehervidor. Puede verse entonces que la condicion termica de la alimentacion tiene siempre efectos positiv~s y negativos que tienden final mente a neutralizarse, por 10 que, como ya se indico, su efecto es de menor importancia que las otras variables de disefio.

5.4 Otras opciones de separaci6n de mezclas homogeneas Existen algunas caracteristicas de ciertas mezclas homogeneas que no permiten utilizar la destilacion como proceso de separacion, en cuyo caso es necesario elegir otra opcion que permita la separacion deseada en forma economica. 5.4.1 Separaci6n de mezclas de alto peso molecular sensibles a la temperatura

Como ya se menciono, compuestos de alto peso molecular tienden a descomponerse con mayor facilidad con la temperatura, por 10 que deberan separarse por destilacion al vado 0 por procesos de extraccion liquidoliquido, que general mente se efectuan a bajas temperaturas. 5.4.2 Separacion de mezclas que contienen compuestos muy volatiles

Ya se explico que compuestos muy volatiles requieren altas presiones para condensarse con agua de enfriamiento; la utilizaci6n de refrigerante como medio enfriante en la destilacion es generalmente muy costosa, por 10 que de manera regular se opta por la absorcion, la adsorcion 0 la sepa-117-

Diserio de procesos en ingenieria quimica

racion con membranas. La mejor seleccion depend era del flujo de material por procesar y las concentraciones de los compuestos de interes tanto en carga como en productos. 5.4.3 Separaci6n de componentes con baja concentraci6n en la mezc/a por separar

Para este tipo de mezclas la destilacion es extremadamente consumidora de energia, porque requiere vaporizar y condensar toda la mezcla por separar; y es solo de interes una fraccion muy pequefta que contiene al componente. En este caso las opciones de separacion son la absorcion 0 la adsorcion. 5.4.4 Separaci6n de componentes con puntos de ebullici6n muy cercanos

Existen mezclas en que se requiere separar compuestos que tienen practicamente la misma volatilidad relativa (por ejemplo isomeros). La separacion por destilacion representaria una gran cantidad de platos y un alto consumo de energia, por 10 que se recomienda la extraccion con solventes que tengan una mayor solubilidad hacia uno de los componentes, por la diferencia en la estructura quimica de su molecula. 5.4.5 Mezc/as con a/tas temperaturas de ebullici6n

Si se opta por la destilaci6n, se tiene una alta severidad termica a 10 largo de la columna, 10 cual requiere la utilizacion de materiales especiales que no son economicos; por 10 tanto, se tiene como opcion la separacion a trayes de la destilacion extractiva, en la cual se introduce un componente al sistema (solvente) que altera las volatilidades relativas y facilita la separaci6n de la mezcla. Sin embargo, se requiere una separacion adicional para la regeneracion del solvente. 5.4.6 Mezc/as que presentan comportamiento azeotr6pico

Existen mezclas que presentan un azeotropo a concentraciones menores que las requeridas por la separacion, 10 que establece una limitacion termodinamica para lograr la pureza deseada por destilacion. En este caso se tienen como opciones la destilacion extractiva en la que se introduce un componente que altera las condiciones del azeotropo, la extraccion liquido-liquido 0 la cristalizacion. Adicionalmente a los casos antes mencionados existen otros criterios que determinan la seleccion del sistema de separaci6n, entre los que se encuentran:

-118-

Seleccion del esquema de separacion

Aspectos de ingenieria y diseiio. Un factor que determina fundamentalmente la seleccion del proceso de separacion es que este sea suficientemente conocido, que se cuente con equipo que pueda ser adquirido en el mercado y que haya sido diseftado y construido bajo estandares bien conocidos. En la mayoria de los casos es mas economico adoptar un proceso de separacion comercial, que utilizar uno poco conocido y que todavia requiere desarrollo y pruebas. Operabilidad. Algunas veces el criterio de seleccion entre divers os procesos de separacion es la operabilidad del equipo, que toma en cuenta la flexibilidad para manejar diversas cargas y condiciones de operacion, asi como la facilidad de la operacion y del sistema de control asociado. Tambien debe considerarse la operabilidad de los fluidos manejados, ya que general mente se prefiere el manejo de fases liquidas y gaseosas que de solidos 0 lodos. Seguridad. Los aspectos de seguridad y riesgo pueden ser los elementos que determinen la seleccion del proceso, por 10 que en caso de operaciones no convencionales y poco conocidas deberan realizarse estudios de riesgo y analisis de fallas, para establecer el riesgo inherente a la operacion del proceso. Aspectos ambientales. Actualmente, a toda operacion de separacion debe asociarse un estudio de impacto ambiental, el cual en muchas ocasiones es determinante para seleccionar el proceso. En caso de un fuerte impacto ambiental debera considerarse en el analisis economico la inclusion del equipo para el tratamiento y disposicion de efluentes.

-119~

6 Selecci6n del esquema de intercambio termico

Todo me estti pemlitido, pero no todo es provechoso. San Pablo

Selecci6n del esquema de intercambio termico

6. 1 La relaci6n temperatura-entalpia de un fluido

La ental pia de un fluido se obtiene de la ecuaci6n:

H

f

f

T dT

(1)

= Ho + CP ( T - TO>

(2)

dH=mCp

HO

To

Es decir: H

Donde:

= Entalpia del fluido (KW). = Entalpia de referenda del fluido (KW). = Cap acid ad calorifica (KW/kg Qq. m = Masa del fluido.

H Ho Cp

CP = Cp x m (KWrq.

La ecuaci6n (2) considera que la Cp es constante en el intervalo de temperatura en que se evaluani la entalpia. Esta ecuaci6n establece una relaci6n lineal temperatura-entalpia, que puede representarse como se muestra en la figura 6.1.a. T T

Tp

•. -------- .••••.••••••.••••.

............... .

H

H.

H

Figura 6.1.a Relacl6n temperatura-entalpla de un flu/do.

-123-

Diseno de procesos en ingenieria qulmica

Si se aplica la ecuaci6n (2) para un fluido a dos condiciones de temperatura diferentes (Tl Y T2), entonces la diferencia de entalpias entre ambas temperaturas representa el calor que debe darse al fluido para lograr ese cambio de temperatura; esta dada por:

(3) El valor de MI no depende del estado de referencia, por 10 que la linea que representa el comportamiento H vs T puede desplazarse "horizontalmente" sin afectar los valores de MI, como se muestra en la figura 6.1.h.

rA;;~~-~:=S mantie'::"-:~)

Temperalunl

('C)

~ relaci60 ,\H I AT

-- ----

100

=CP

../

-------~.

- - - - - - - • - ••••••• -

AT=80

- - - - - - - - - - -.- - - - - - . - -

20

- -

--

-

--

-

·· ···

-. •

.1.H=40 L.-_......L_ _ _ _ _ _ _' - -_ _

500

540

~_------

__

600

560

+

H Enlalpi8 ( KWIk.g)

Figura 6.I.b Relacl6n entalpia-temperatura de un fluldo.

6.2 La integraci6n termica de procesos Una vez establecidos los esquemas de reacci6n Y separaci6n, de acuerdo con el"Modelo de cebolla" planteado en el Capitulo 2, es necesario definir la estructura bajo la cual se realizara la transferencia de energia termica al proceso. En primera instancia es necesario definir cuales corrientes calientes" del proceso intercambiaran calor con cuales corrientes "frias" del mismo, en el entendido de que las corrientes calientes" son todas aquellas que requieren disminuir su temperatura antes de salir a limites

II

II

-124-

Selecci6n del esquema de intercambio termico

de bateria. Hecha esta definicion, solo resta introducir nuevo equipo de intercambio para dar la energia no intercambiada entre corrientes, mediante servicios auxiliares (agua de enfriamiento, vapor, combustible). La mayor integracion del proceso, mediante el intercambio de calor entre corrientes frias y calientes, permite disminuir el requerimiento de energia externa, con el consecuente impacto en su economia. Para ilustrar el concepto de integracion termica se debe considerar el esquema presentado en la figura 6.2, en la que se tiene una corriente "fria" de alimentacion a un reactor, la cua! debe ser calentada de su temperatura de entrada a la planta (50°C) hasta la temperatura de reacci6n (200°C). La corriente "caliente" efluente del reactor, que sale a 200°C, debe ser enfriada hasta BO°C. En la figura 6.3 se muestra el arreglo que se te:rydria sin integracion termica entre corrientes, calentando la carga con vapor y enfriando el efluente con agua de enfriamiento, respectivamente. Se muestra la grMica que relaciona la temperatura T de la corriente vs su entalpia (H), en la que se puede apreciar la carga termica requerida por cada corriente de proceso. Oar calor

Garga

@50'C

Produclos

Reactar

200' C

@200'C

1---+

@80'C

200'C

+

Eltmtnar

cal",

Figura 6.2 Requerirnlentos de calor en un proceso.

Una altemativa al esquema de proceso presentado en la figura 6.2 es intercambiar calor entre la corriente de carga "rna" y el efluente "caliente" del reactor, como se muestra en la figura 6.4; la cantidad de calor que se puede intercambiar depende del llamado "acercamiento minima de temperatura" (LiTmin) que se permita en el intercambiador, al cual se Ie llama punto de pliegue 0 pinch point. Si para este ejemplo se considera un LiTmin de 20°C, las curvas H vs T de cada corriente se desplazan "horizontalmente" hasta que se tiene un acercamiento "vertical" equivalente a los 20°C propuesto. Se observa que en este esquema disminuyen los requerimientos de calor adicionales, tanto para calentar la carga como para enfriar el efluente. Este ahorro de energia es resultado de la integracion termica propuesta. -125-

Diserio de procesos en ingenieria quimica

CO CP frio

:

H

Pliegue

T

~

~:

CP caliente < CP frio

caliente------:} .----

CP caliente> CP frio

'------'---_ H

No factible

: A

T

-------.:.'

Frio

H

. mIn CP caliente'" CP frio No 'adible

Figura 6. 13 Reglas del CP para eI dlsefJo de Ia red.

Para el intercambio de calor entre las corrientes 3 y 9, si se establece una carga termica de 8.5 MW se eliminara la corriente 9 y se lograra una temperatura para la corriente 3 de 173.6°C. Para el intercambio entre las corrientes 5 y 6 no se puede aplicar la regIa anterior, pues al definir una carga termica de 2.0 MW se obtendria una temperatura de la corriente fria de 170°C, 10 que no Ie permitiria recibir calor de la corriente 3 pues violaria el L1Tmin = 20°C, Ycomo es la (mica corriente que queda para recibir calor, se requerira servicio auxiliar externo de enfriamiento. Por 10 tanto, no hay carga termica para este intercambio y se seleccionaran las siguientes corrientes por intercambiar para completar el analisis, es decir, las corrientes 3 y 6 Y las corrientes 5 y 6, respectivamente. Se obtiene entonces una temperatura fria de 155°C (175°C - 200 q del intercambio 3-6, con 10 que es posible calcular las cargas termicas restantes y las tem-140-

Selecci6n del esquema de intercambio termico

peraturas logradas del intercambio de calor. Los requerimientos de calor de las corrientes 7 y 8 se obtienen de servicios externos calientes (vapor de alta presi6n) disponibles a la temperatura de condensaci6n de 255°C. 6.9 Disena de la red par debaja del punta de pliegue

La figura 6.14 muestra la malla para las corrientes por debajo del punto de pliegue. Se mantiene el criterio de disenar "lejos" del punto de pliegue. Para seleccionar las corrientes que intercambian calor, si se aplica la regIa de las CP abajo del pliegue (CP h ?: CPc) no es posible el intercambio con la corriente b, por 10 que es necesario separar las corrientes frias y calientes para asegurar que se cumpla la regIa de las CPo La manera de determinar cmiles corrientes se separan y que relaci6n de separaci6n utilizar, se define por elllamado "procedimiento de separaci6n de corrientes", que se muestra en la figura 6.14.

··i:!., ----,v ----'~ ,,

I

Cargl

CP

(Mwrq

termioa (mw)

0.043

2.15

!1.006

0.3

0.02 0.125

t-', 1-.

!I !1'50'

0.0164

100·

Q]~14,~i-------GD--'-00-"------------------------4-0'

Ii

~QQ~------------------~~ ~

r-I'H'I-I_50_"- - - - - - l l - - - - - - - - - - (V 132'@ 2 ..2

4.75

0.31

rll-+'"'-'--____---lI ______ @ ____ I--___6::,1=..2'__-{ 5

, i, ::

0.68

i! i! ·.

0.05

Disen,r "Iejos" del pli_gue

5.75

cp= 0.032@ __..:;62;;;,; . 8;.,.'__I--__I--_@

i! !I

~CP_=_0_.01_8______ ~ __~______~ 2.07

:130' 0.36

1.53

1.15

1~~i

IDS"

!I~'-----------------(V ----------------.-19-.1

I,

0.36

:

,!

EJ pllegue

!! !!

Figura 6.14 Malia de intercambio de calor abaJo del punta de pliegue.

-141-

~

Diserio de procesos en ingenieria quimica

Aplicando este procedimiento al ejemplo, se observa que se debe separar la corriente £ria 6 en dos corrientes. Para determinar la relaci6n de separaci6n se construye una tabla de CP, de la forma siguiente:

Tabla de CP

Corriente 1 . 0.043 Corriente 5 Corriente 4

0.025 0.02

0.032, /0.05 0.018"""'0.0164

Corriente 6 Corriente 9

En este caso, la relaci6n de separaci6n de la corriente 6 es la misma reI aci6n de las CP de las dos corrientes calientes con que se hani el intercambio de calor (corrientes 1 y 4). EI intercambio entre las corrientes 1 y 6 (ramal 1) presenta una carga termica de 2.15 MW que elimina la corriente 1 y logra un enfriamiento de 62.8°C en el ramal 1 de la corriente 6. Para el ramal 2 de la corriente 6 con la 5 se tiene una carga termica de 2.07 MW, con 10 que se Iogra un enfriamiento de Ia corriente caliente 5 hasta 67.2°C. EI ultimo intercambio se da entre las corrientes 4 y 9 Y se obtiene una carga termica de 0.36 MW, que elimina a la corriente 9 y logra enfriar a la corriente 4 hasta 132°C. Una vez establecidos todos los intercambios en el pliegue, s610 queda pendiente la corriente fria del ramal 1 de la corriente 6. Esta corriente intercambia calor con la corriente 4 con una carga termica de 1.53 MW, con 10 que se elimina el ramal frio. Ya que todas las corrientes frias se han eliminado, s610 resta colocar enfriadores extremos para las corrientes calientes 2, 4 Y 5.

6. 10 Diseflo integral de la red de intercambio de calor Con la estrategia anterior, ya es posible establecer la red integral de intercambio de calor, la cual se representa en el diagrama de mall as de la figura 6.15 y en forma de diagrama de flujo de proceso en la figura 6.16.

-142-

Selecci6n del esquema de intercambio termico

~

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~10~~r-

175" 3

______________~~

~

1SOO :

·. · ..

• lW

4

~--+----1--~2~~:~:~1~5~~~--~6~~r----r--~~-{ 62.8"

1450

~

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__________- J

2.07

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~ II

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O~

: EI piiague

Figura 6.15 Representaci6n a mallas de la red Integral de Intercambio de calor.

La red integrada se genera al reunir los resultados parciales obtenidos del disef\.o arriba y abajo del punto de pliegue.

-143-

Diserio de procesos en ingenieria quimica

15O"C

GenooaciOO de vapo< de baja p"i

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