Lisis de Procesos Químicos

Análisis de Procesos Químicos

Bibliografía: a nd Design • Turton, R., Bailie, R. A nalysis, Synth esis and . Prentice Hall, PTR, 1998. of Chem ical Proc P roc esses  De sign • Seider, W., Seader, J., Lewin, D. Process Design Princip les. le s. Synth esis, A nalysis and Evaluation. Johe

Wiley & Sons, INC., 1998. • Murphy, R. I nt ro du cc ión ió n a los pr oc esos qu ím ico s. Pr in c ip io s , an áli s is y s ín tes is . McGraw Hill, 2007.

• CONTENIDOS.

1. Diag Diagra rama mass de pro proce ceso soss  – BFD, PFD, P&ID.

2. Estruc Estructur tura a de de los los proce procesos sos quími químicos cos.. 3. Técnic Técnicas as y estr estrate ategi gias as para para el análi análisis sis de de procesos químicos. 4. Estu Estud dio de de ca casos. sos.

• La comprensión de un sistema de

procesos químico se facilita con una correcta lectura e interpretación de los diagramas de procesos. • Los distintos tipos de diagramas muestran

diferentes niveles de complejidad e información.

Tipos de diagramas de procesos Tipo de Diagrama

Información que suministra

Entradas-Salidas

Materias primas. Reacciones estequiométricas. Productos.

Bloques (BFD)

Lo anterior más: .- Balance de materia. .- Principales unidades del proceso. .- Especificaciones de desempeño de las unidades de proceso.

Flujo de Proceso (PFD)

Todo lo anterior más: .- Especificaciones de principales equipos de proceso. .- Balance de energía. .- Condiciones de proceso.

Ejemplos de diagramas Entradas-Salidas. 1.

Obtención de benceno por hidrogenación del tolueno: Hidrógeno

Tolueno

2.

C 6 H 5CH 3

  H 2  C 6 H 6  CH 4

Metano Benceno

Síntesis de amoníaco:

350 ton CH4 / día 795 ton H2 O / día 825 ton N2 / día

Proceso de Síntesis del Amoníaco

1000 ton NH3 / día 970 ton CO2/ día

Diagramas Entradas-Salidas • Todas las operaciones físicas y químicas involucradas en el proceso se representan con

un único bloque. flechas para representar las entradas y salidas de materiales.

• Se utilizan

Materias primas entran por la izquierda y los productos salen por la derecha. • Pueden mostrarse velocidades de flujo o cantidad de las materias primas y productos.

Ejemplo de Diagrama de Bloque (BFD) Gases 2.610 Kg/hr Tolueno 10.000 Kg/hr Hidrógeno 820 Kg/hr

   R    O    T    C    A    E    R

SEPARADOR DE GASES

Conversion de Tolueno 75%

   E    D    O    R   N    O    E    D   C    A   N    R   E    A   B    P    E    S

Benceno 8.210 Kg/hr

Diagrama Entrada-Salida correspondiente… Hidrógeno

Tolueno

C 6 H 5CH 3

  H 2  C 6 H 6  CH 4

Metano

Benceno

Convenciones para los diagramas de bloques. • Cada operación o unidad de proceso se representa por un

bloque. • Existen sólo

• • •

• •

cuatro tipo de unidades de proceso

que se representan en los diagramas de bloque: Mezcladores, Reactores, Divisores y Separadores. Las corrientes de flujo principal se representan por líneas flechadas en la dirección del flujo. Los flujos van de izquierda a derecha en el diagrama. Las corrientes gaseosas se incluyen en la parte superior del diagrama, y los líquidos y sólidos hacia la parte inferior, separados por densidades. Si las líneas se cruzan las horizontales se mantienen y las verticales se cortan. Se incluye la información crítica para entender el proceso.

Ejemplo de Diagrama de Flujo de Proceso (PFD)    S

Gases

gases de combustión

16

   E  Diagrama    L    B 19    A R-101 E-104 T-101    S 8 13 hps 6    N TK-101 E-101 cw V-101    E E-103 2 C-101A/B    P 17    S 4 Tolueno    I 10    D 12 1 V-102    N lps    I H-101 E-105 18    S cw 7 15    O P-101A/B mps    T E-102 air fg 3 cw Benceno    N 14 9    E Hidrógeno 5 V-103 E-106    M    E P-102A/B 11    L    E  Descriptor de los equipo s    STK-101 P-101A/B E-101 H-101 R-101 C-101A/B E-102 V-101 V-103 E  –103 E-106 T-101 V-102 P-102A/B E-105  Almacén Bomba Precalen Horno Reactor Compresor Enfriador Separador Separador Calentador Rehervidor Torre de Tambor Bomba Enfriador    E Tolueno Tolueno Alim Alim Gas Reciclo Salida HP LP Entrada Benceno Benceno Reflujo Reflujo Producto    R Reactor Torre    T  Tabla con especificaciones de las c orrientes 

En los Diagramas de Flujo de Procesos… • Se representan TODOS los equipos

de proceso

identificados por su número respectivo. • Se numeran TODAS las corrientes de proceso incluyendo una descripción de sus condiciones (temperatura, presión), flujos y composición química mediante una TABLA adjunta . • Se representan TODAS las corrientes de servicios (vapor, aire, refrigerantes, aceites de calefacción, etc) utilizados en cada equipo de proceso. • Se deben señalar los lazos de control básicos para asegurar la estabilidad de las condiciones de proceso.

Diagramas PDF

1.1.- Identificación de equipos

XX-YZZ A/B Ejemplo:  P-101 A/B Identifica una bomba 

Indica que la bomba está ubicada en el área 1 de la planta.

Indicador de unidades paralelas 

Número asignado al equipo  Área asignada en la planta Identificador del tipo de equipo

P-101 A/B P-101 A/B Indica que la bomba es la número 01 de las “n” existentes en la planta



P-101 A/B Existencia de dos bombas idénticas, una de reemplazo (backup)

Códigos e imagen por tipo de equipo

Diagramas PDF

1.2.- Identificación de corrientes en los FPD

Símbolos para identificación de corrientes

Diagramas PDF

1.2.1.- Información para corrientes de proceso En algunos casos, también ...  – Fracciones molares de los componente.  – Fracciones másicas de los componentes.  – Flujo volumétrico.  – Propiedades físicas (densidad, viscosidad, etc)  – Datos termodinámicos (calor específico, entalpía, etc.)  – Nombre de la corriente

Como mínimo:  –  –  –  –  –  –

Número de la corriente. Temperatura. Presión. Fracción de vapor. Flujo total másico. Flujo molar total.

 – Flujo molar por componente. Corriente

Temperatura (ºC) Presión (bar) Fracción de vapor Flujo Másico (ton/hr) Flujo Molar (kmol/hr) Composición molar (kmol/hr) Hidrogeno Metano Bemceno Tolueno

1

2

3

4

5

6

7

8

9

25 1.90 0.0 10.0 108.7

59 25.8 0.0 13.3 144.2

25 25.5 1.0 0.82 301.0

225 25.2 1.0 20.5 1204.4

41 25.5 1.0 6.41 758.8

600 25.0 1.0 20.5 1204.4

41 25.2 1.0 0.36 42.6

38 23.9 1.0 9.2 1100.8

654 24.0 1.0 20.9 1247.0

0.0 0.0 0.0 108.7

0.0 0.0 1.0 143.2

286.0 15.0 0.0 0.0

735.4 317.3 7.6 144.0

449.4 302.2 6.6 0.7

735.4 317.3 7.6 144.0

25.2 16.95 0.37 0.04

651.9 438.3 9.55 1.05

652.4 442.3 116.0 36.0

Gases

gases de combustión

16

19

R-101

hps

TK-101

E-101

2

T-101

8

6

V-101 C-101A/B

17

E-103

cw

4

Tolueno

10

1

P-101A/B

Hidrógeno

9

5

E-105 15

mps

E-102

fg

V-103

E-106

cw Benceno 14

P-102A/B

11

Corriente

Temperatura (ºC) Presión (bar) Fracción de vapor Flujo Másico (ton/hr) Flujo Molar (kmol/hr) Composición molar (kmol/hr) Hidrogeno Metano Benceno Tolueno

V-102

18

cw

7

air

12

lps

H-101 3

E-104

13

10

11

12

13

14

15

90 2.6 0.0 11.6 142.2

147 2.8 0.0 3.27 35.7

112 3.3 0.0 14.0 185.2

112 2.5 0.0 22.7 290.7

112 3.3 0.0 22.7 290.7

38 2.3 0.0 8.21 105.6

0.02 0.88 106.3 35.0

0.0 0.0 1.1 34.6

0.0 0.0 184.3 0.88

0.02 0.88 289.5 1.22

0.0 0.0 289.5 1.22

0.0 0.0 105.2 0.4

16

17

18

19

38 2.50 1.0 2.61 304.6

38 2.80 1.0 0.07 4.06

38 2.90 0.0 11.5 142.2

112 2.50 1.0 0.01 0.90

178.0 123.2 2.85 0.31

0.67 3.1 0.3 0.0

0.02 0.88 106.3 35.0

0.02 0.88 0.0 0.0

Diagramas PDF

1.2.2.- Identificación de corrientes de servicios • • • • • • • • • • • • • • •

lps mps hps htm cw wr rw rb cs ss el ng fg fo fw

Vapor de baja presión 3 - 5 barg (sat) [145°C] Vapor de media presión 10 - 15 barg (sat) [190°C] Vapor de alta presión 40 - 50 barg (sat) [260°C] Medio de transferencia de calor hasta 400°C Agua de enfriamiento 30°C retorna 45°C Agua de río 25°C retorna 15°C Refrigerante -45°C retorna 0°C Agua de desechos químicos con alto DQO Agua de desechos sanitarios con alto DBO Energía eléctrica 220, 440 o 660 V Gas natural Gas combustible Aceite combustible Agua para sistemas contra incendios

Diagramas PDF

2.1.- Información complementaria para equipos Tipo de Equipo

Suministre la siguiente información.

Intercambiadores de Calor

Tipo (gas-gas; gas-líquido; condensador; evaporador).  Area. Temperatura y presión de las corrientes. Número de carcazas y pasos de tubo. Materiales de construcción (tubos y carcazas) Altura y Diámetro. Orientación. Temperatura y presión. Materiales de construcción

Recipientes y Estanques

Columnas

Bombas

Calderas

Tipo. Tamaño (altura, diámetro). Presión y temperatura. Número y tipo de platos o empaque. Materiales de construcción. Flujo. Presión de descarga. Temperatura. Diferencia de presión. Potencia en el eje. Tipo de impulsores. Material de construcción. Tipo. Presión en los tubos. Combustible. Material de construcción. Potencia nominal.

Compresores

Flujo a la entrada. Temperatura y presión. Tipo. Potencia en el eje. Materiales de construcción.

Otros

Toda la información crítica.

EJEMPLO 1: PDF obtención de Benceno por hidrodesalquilación de tolueno

Temperatura (°C) Presión (bar) Fracción de vapor Flujo másico (ton/h) Flujo molar (kmol/h) Componentes (Flujo molar kmol/h) Hidrogeno Acetona Alcohol isopropílico

1 25 1.01 0.0 2.40 51.9

2 32 2.3 0.0 2.67 57.8

3 350 1.91 1.0 2.67 92.6

4 357 3.0 0.0 35.1 --

5 20 1.63 1.0 0.34 39.7

6 27 1.63 0.0 0.46 21.1

7 33 1.50 1.0 0.24 38.6

8 25 2.0 0.0 0.36 20.0

9 22 1.63 0.0 2.79 74.0

10 61 1.5 0.0 4.22 72.5

11 61 1.5 0.0 1.88 32.3

12 90 1.4 0.0 0.92 41.7

13 83 1.2 0.0 8.23 177

14 83 1.2 0.0 0.27 5.88

15 109 1.4 0.0 0.65 35.8

16 33 1.2 1.0 0.24 38.6

--34.8

-0.16 38.6

34.7 34.9 3.86

----

34.7 4.4 0.12

0.00 1.93 0.10

34.7 2.51 0.02

----

0.00 32.4 3.84

-72.4 0.05

-32.3 0.02

-0.16 3.82

-4.82 115

-0.16 3.82

----

34.7 2.51 0.02

PDF obtención de ACETONA a partir de alcohol isopropílico

EJEMPLO 2: Temperatura (°C) Presión (bar) Fracción de vapor Flujo másico (ton/h) Flujo molar (kmol/h) Componentes (Flujo molar kmol/h) Hidrogeno Acetona Alcohol isopropílico

1 25 1.01 0.0 2.40 51.9

2 32 2.3 0.0 2.67 57.8

3 350 1.91 1.0 2.67 92.6

4 357 3.0 0.0 35.1 --

5 20 1.63 1.0 0.34 39.7

6 27 1.63 0.0 0.46 21.1

7 33 1.50 1.0 0.24 38.6

8 25 2.0 0.0 0.36 20.0

9 22 1.63 0.0 2.79 74.0

10 61 1.5 0.0 4.22 72.5

11 61 1.5 0.0 1.88 32.3

12 90 1.4 0.0 0.92 41.7

13 83 1.2 0.0 8.23 177

14 83 1.2 0.0 0.27 5.88

15 109 1.4 0.0 0.65 35.8

16 33 1.2 1.0 0.24 38.6

--34.8

-0.16 38.6

34.7 34.9 3.86

----

34.7 4.4 0.12

0.00 1.93 0.10

34.7 2.51 0.02

----

0.00 32.4 3.84

-72.4 0.05

-32.3 0.02

-0.16 3.82

-4.82 115

-0.16 3.82

----

34.7 2.51 0.02

Ejemplo de P&ID

En los diagrama P&ID se muestra  Además de lo correspondiente a los PFD... Equipos: Mostrar equipos de respaldo, unidades paralelas, detalles principales de cada uno.

Tuberías: Diámetros, espesor de pared (schedule), material de construcción, aislantes (tpo y espesor).

Instrumentos: Indicadores, registradores, controladores y tipos. Tuberías y/o cableado de los instrumentos.

Servicios: Entradas y salidas de las corrientes (aire, vapor, etc). Salidas de las corrientes a las plantas de tratamiento de efluentes.

Ejemplo de Diagrama Isométrico

Para el análisis de procesos químicos Con base en la estructura general de sistemas de proceso químico, y la correcta lectura del DFP se recomienda: seguir el camino de los reactivos y productos, identificar

puntos de mezcla y división de corrientes, identificar corrientes de bypass, corrientes de purga y lazos de reciclo.

Estructura general de un sistema de Cambios a proceso químico condiciones que permitan la separación

Reciclo Producto

 Alimentación Preparación de la alimentación para la reacción

Zona de Reacción

Preparación para la separación

Zona de separación Sub-Producto

 Ajuste a condiciones exigidas por la reacción

Tratamiento Condiciones definidas por cinética y termodinámica de la reacción

de efluentes

Seguimiento del camino de las especies Sólo en los reactores se transforman las materias primas en productos. Dirección del análisis

Sistema de Reacción

Dirección del análisis

Cam in o d e lo s q u ím ic o s REA CTIVOS Y PRODUCTOS  Gases gases de combustión

19

Reactantes

R-101

hps

TK-101

16

13

6

E-101

V-101

2

17

C-101A/B

4

Tolueno

E-104

T-101

8

cw

E-103 10

1

12

V-102

lps

H-101 7

P-101A/B air

3

Hidrógeno

E-105

18

cw

15

mps

E-102

fg

cw 14

9 5

V-103

E-106 11

Sistema de Reacción

Benceno

P-102A/B

Productos

Identificación de puntos de mezcla y división de corrientes. Puntos de mezcla

gases de combustión

Puntos de división de corrientes R-101 hps

6 E-101

2 C-101A/B

4

Tolueno

1

TK-101

H-101 P-101A/B Hidrógeno

3

7 air

cw

fg 9

5

En el reciclo y preparación para la reacción.

Identificación de puntos de mezcla y derivación. 16

Gases 19

R-101

E-104

T-101

8

13

6

cw

V-101

E-103

17

C-101A/B 10

12

V-102

lps

E-105

18

cw

7

15

mps

E-102

cw 14

9

V-103

E-106 11

Puntos de mezcla

Benceno

P-102A/B

En el Sistema de Separación

Identificación de reciclos, bypass y purgas. Purga

Gases

gases de combustión

16

19

R-101 hps

TK-101

13

6

E-101

Bypass

2

V-101 17

C-101A/B

4

Tolueno

E-104

T-101

8

cw

E-103 10

1

12

V-102

lps

H-101 P-101A/B 3

Hidrógeno

7

air

E-105

18

cw

15

mps

E-102

fg

cw 14

9 5

Reciclo de hidrogeno

V-103

E-106 11

P-102A/B

Reciclo de tolueno

Benceno

Secc io nes d el sistema de pro ce so pa ra la ob tenc ión de ben cen o a p artir del to lu eno . TK-101 P-101A/B E-101 H-101 R-101  Almacén Bomba Precalen Horno Reactor Tolueno Tolueno Alim Alim

C-101A/B Compresor Gas Reciclo

E-102 V-101 V-103 E  –103 E-106 Enfriador Separador Separador Calentador Rehervidor Salida HP LP Entrada Benceno Reactor Torre

T-101 V-102 Torre de Tambor Benceno Reflujo

P-102A/B E-105 Bomba Enfriador Reflujo Producto

16

19

R-101 hps

TK-101

T-101

8

13

6

E-101

V-101

2

17

C-101A/B

4

cw

E-103 10

1

E-104

12

V-102

lps

H-101 P-101A/B 3

7

air

E-105

18

cw

15

mps

E-102

fg

cw 14

9 5

V-103

E-106 11

P-102A/B

Siempre

se debe justificar…

• Operar fuera del intervalo de presiones de

1 a 10 bar. • Operar fuera del intervalo de temperatura entre 40°C y 260°C.  – lps  – mps

Vapor de baja presión Vapor de media presión

3 - 5 barg (sat) [145°C] 10 - 15 barg (sat) [190 °C]

 – hps

Vapor de alta presión

40 - 50 barg (sat) [260 °C]

• Operar por encima de los 400 °C.

• Condiciones especiales de Presión Condiciones

Justificación

Penalidad

de Operación P > 10

REACTOR

atm

Favorece la conversión

Equipos especiales

en fase gaseosa (aumenta concentración) Mantener fase líquida

Requerimientos de Compresores

SEPARADOR Obtener fase líquida para equilibrio (L-V o L-L ) P 200ºC REACTOR Servicios especiales Favorece la conversión (endotérmica) Incrementa velocidad de la reacción T > 400ºC materiales especiales Mantener fase gaseosa Mejora selectividad SEPARADOR Obtener fase gaseosa para equilibrio L-V T < 40ºC

REACTOR Refrigerantes especiales Favorece la conversión (exotérmica) Mantener fase líquida Materiales especiales Mejora selectividad SEPARADOR Obtener fase líquida para equilibrio L-V o L – L Obtener fase sólida para critalización

• Inertes o Productos en la alimentación Condición de Operación Inertes

Justificación 



Diluyentes para el control de la velocidad de la reacción Inhibidores de caminos indeseados de la reacción

Penalidad 





Reactivo en Exceso





Producto presente en la alimentación

 

Incrementa la conversión del reactivo limitante Inhibidor de caminos indeseados de la reacción



Diluyente de la reacción Inhibidor de camimos indeseados





 

Equipos de separación  para su remoción Reactores de mayor  tamaño Decrece la conversión Requerimientos de reciclo Mayor costo de materia  primas Mayor tamaño de reactor  Mayor flujo de reciclo Decrece la conversión

• Alimentación no estequiométrica

Estudio de casos Obtención de benceno por hidrodesalquilación del tolueno Actividades para la CLASE PRÁCTICA: La figura 1 muestra el diagrama de flujo del proceso de obtención de benceno por hidrodesalquilación del tolueno, según la reacción: CH3C6H5 + H2  C6H6 + CH4 Basado en la información que pueda extraer de dicho diagrama, responda a cada uno de los siguientes planteamientos: 1. Elabore una tabla o lista de equipos que forman parte de cada una de las diferentes etapas del proceso (preparación para la reacción, reacción, preparación para la separación, separación, etc.). 2. Indique el camino de los reactivos (tolueno e hidrógeno) y del producto (benceno), señalando las corrientes que lo conforman. 3. Identifique todos los puntos de mezcla y derivación señalando para cada uno de ellos los lazos involucrados (equipos y corrientes). 4. Determine la composición másica de la corriente que se mezcla con la corriente 2 para proporcionar la alimentación al evaporador E-101 5. Identifique los reciclos en el proceso, indicando las corrientes y equipos involucrados. 6. Determine la conversión global del proceso y la conversión por pasos en el reactor. 7. ¿Indique si existe o no benceno a la entrada del reactor? ¿Qué información del PDF le permite sustentar su respuesta? En caso de una respuesta afirmativa, determine la fracción molar y másica de benceno en la alimentación al reactor. 8. ¿Qué fracción de la corrientes 8 se recircula en el proceso? 9. Construya el diagrama de bloque del proceso y señale sobre él el balance de masa correspondiente.

PDF obtención de Benceno por hidrodesalquilación de tolueno

Temperatura (°C) Presión (bar) Fracción de vapor Flujo másico (ton/h) Flujo molar (kmol/h) Componentes (Flujo molar kmol/h) Hidrogeno Acetona Alcohol isopropílico Agua

1 25 1.01 0.0 2.40 51.9

2 32 2.3 0.0 2.67 57.8

3 350 1.91 1.0 2.67 92.6

4 357 3.0 0.0 35.1 --

5 20 1.63 1.0 0.34 39.7

6 27 1.63 0.0 0.46 21.1

7 33 1.50 1.0 0.24 38.6

8 25 2.0 0.0 0.36 20.0

9 22 1.63 0.0 2.79 74.0

10 61 1.5 0.0 4.22 72.5

11 61 1.5 0.0 1.88 32.3

12 90 1.4 0.0 0.92 41.7

13 83 1.2 0.0 8.23 177

14 83 1.2 0.0 0.27 5.88

15 109 1.4 0.0 0.65 35.8

16 33 1.2 1.0 0.24 38.6

--34.8 17.1

-0.16 38.6 19.0

34.7 34.9 3.86 19.0

-----

34.7 4.4 0.12 0.40

0.00 1.93 0.10 19.1

34.7 2.51 0.02 1.29

---20.0

0.00 32.4 3.84 37.8

-72.4 0.05 --

-32.3 0.02 --

-0.16 3.82 37.8

-4.82 115 57.2

-0.16 3.82 1.90

---35.8

34.7 2.51 0.02 1.29

Continuando el estudio de caso • Observe el diagrama de flujo de la figura 2 (PFD

hidrodesalquilación del tolueno). Repita sobre él las actividades realizadas sobre el diagrama de la figura 1. • Establezca correspondencia entre la numeración de las

corrientes de este diagrama y el analizado en la figura 1 • ¿Qué argumentos podría proponer para justificar la

corriente 16? ¿Podría eliminarse esta corriente sin comprometer la funcionalidad del proceso?

PFD hidrodesalquilación del tolueno

Otras actividades relacionadas con el estudio de caso Observe el diagrama de flujo presentado en la figura 3 (obtención de benceno por hidrodesalquilación del tolueno) y con base en él realice las siguientes actividades: 1. Identifique el tipo de diagrama y comente sobre la aplicación de normas en su elaboración. 2. Identifique las entradas y salidas de materias primas, productos, subproductos y/o efluentes. Seguidamente identifique las líneas principales de proceso, indicando el camino de las especies; sustente su análisis con localización de especies. 3. Identifique las diferentes etapas del proceso y labore una lista de los equipos mayores que forman parte de cada una de ellas. 4. Elabore una breve descripción del proceso. 5. Identifique los puntos de mezcla y de división. 6. Diga si existen corrientes de reciclos, purgas, bypass. Identifique dichas corrientes y justifíquelas en términos de la descripción del proceso. 7. Indique la función operacional de cada uno de los equipos mayores asociados a cada etapa o sección del proceso

Hidrodesalquilación del tolueno para producción de benceno Hidrógeno

Tolueno

Metano

Benceno

Hidrodesalquilación del tolueno para producción de benceno.

Camino de reactivos Hidrógeno

C-1 E-1 E-10 F-1 Tolueno

TK P-1 E-1 E-10 F-1

punto de mezcla

Hidrodesalquilación del tolueno para producción de benceno.

Camino de productos Hidrógeno

Tolueno

E-10 E-1 E-2 D-1 E-3 T-1 E-3 T-2 E-6 D-3 P-3 E-11

Metano

bifurcación de corrientes

Benceno

Hidrodesalquilación del tolueno para producción de benceno. Lazos de reciclo

Tolueno Purga de tolueno

Purga de hidrógeno

punto de mezcla bifurcación de corriente

Desechos

Hidrodesalquilación del tolueno para producción de benceno Hidrógeno

Tolueno

Metano

punto de mezcla bifurcación de corriente

Desechos

Benceno

También… • Compare el diagrama de flujo presentado en la figura 3

con el mostrado en la figura 4. Resalte las principales semejanzas y diferencias, luego comente sobre la conveniencia de cada arreglo. • Compare los diagramas de las figuras 3 y 4 con el

presentado en la figura 1, destacando las principales semejanzas y diferencias entre ellos. • Repita sobre el diagrama de la figura 4 las actividades

realizadas sobre los diagramas anteriores.

Hidrodesalquilación del tolueno para producción de benceno.

Hidrodesalquilación del tolueno para producción de benceno.

Camino de los reactivos Hidrógeno

C-1 E-10 F-1

Tolueno

TK P-1 E-1 F-1

Punto de mezcla

Hidrodesalquilación del tolueno para producción de benceno.

Camino de productos

Camino de productos E-5 E-7 E-3 E-10 E-1 E-2 D-1 E-3 T-1 P-5 T-2 E-6 D-3 P-3 E-11

Metano

Benceno

bifurcación de corriente

Hidrodesalquilación del tolueno para producción de benceno .

Lazos de reciclo Hidrógeno

Tolueno

Bay passt Metano

punto de mezcla bifurcación de corriente

Benceno

CONCLUSIONES: EN LOS EJEMPLOS ANTERIORES OBSERVAMOS…

camino de reactivos y de productos establece los límites de la zona de reacción.

• El trazado del

• El camino

de los reactivos está relacionado con la zona de preparación para la reacción.

• Los equipos

excluidos del camino de los reactivos y de los productos están vinculados con zona de reciclo o servicios.

• Las corrientes de

de reciclo.

purga están relacionadas con los lazos

Otro estudio de casos Obtención de acetona a partir del alcohol isopropílico. En la figura adjunta se muestra el diagrama de flujo de proceso (DFP) para la producción de acetona a partir del alcohol isopropílico según la reacción:

(CH3)2CHOH

(CH3)2CO + H2

El alcohol empleado en la reacción está disponible en solución acuosa al 60% en peso y para la acetona obtenida como producto se exige una pureza mínima del 90%. Por razones de seguridad no está permitida la entrada de hidrógeno  y éste debe ser removido de los productos de reacción tan al reactor  y pronto como sea posible.

Con base en la información suministrada proceda a efectuar una correcta lectura e interpretación del DFP siguiendo el camino de los reactivos y de los productos, luego responda a cada uno de los planteamientos formulados.

DFP acetona a partir de alcohol isopropílico

(CH3)2CHOH Temperatura (°C) Presión (bar) Fracción de vapor Flujo másico (ton/h) Flujo molar (kmol/h) Componentes (Flujo molar kmol/h) Hidrogeno Acetona Alcohol isopropílico

(CH3)2CO + H2 1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

25 1.01 0.0 2.40 51.9

32 2.3 0.0 2.67 57.8

350 1.91 1.0 2.67 92.6

357 3.0 0.0 35.1 --

20 1.63 1.0 0.34 39.7

27 1.63 0.0 0.46 21.1

33 1.50 1.0 0.24 38.6

25 2.0 0.0 0.36 20.0

22 1.63 0.0 2.79 74.0

61 1.5 0.0 4.22 72.5

61 1.5 0.0 1.88 32.3

90 1.4 0.0 0.92 41.7

83 1.2 0.0 8.23 177

83 1.2 0.0 0.27 5.88

109 1.4 0.0 0.65 35.8

33 1.2 1.0 0.24 38.6

--34.8

-0.16 38.6

34.7 34.9 3.86

----

34.7 4.4 0.12

0.00 1.93 0.10

34.7 2.51 0.02

----

0.00 32.4 3.84

-72.4 0.05

-32.3 0.02

-0.16 3.82

-4.82 115

-0.16 3.82

----

34.7 2.51 0.02

Camino de los REACTIVOS y caminos de los PRODUCTOS

(CH3)2CHOH Temperatura (°C) Presión (bar) Fracción de vapor Flujo másico (ton/h) Flujo molar (kmol/h) Componentes (Flujo molar kmol/h) Hidrogeno Acetona Alcohol isopropílico

(CH3)2CO + H2 1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

25 1.01 0.0 2.40 51.9

32 2.3 0.0 2.67 57.8

350 1.91 1.0 2.67 92.6

357 3.0 0.0 35.1 --

20 1.63 1.0 0.34 39.7

27 1.63 0.0 0.46 21.1

33 1.50 1.0 0.24 38.6

25 2.0 0.0 0.36 20.0

22 1.63 0.0 2.79 74.0

61 1.5 0.0 4.22 72.5

61 1.5 0.0 1.88 32.3

90 1.4 0.0 0.92 41.7

83 1.2 0.0 8.23 177

83 1.2 0.0 0.27 5.88

109 1.4 0.0 0.65 35.8

33 1.2 1.0 0.24 38.6

--34.8

-0.16 38.6

34.7 34.9 3.86

----

34.7 4.4 0.12

0.00 1.93 0.10

34.7 2.51 0.02

----

0.00 32.4 3.84

-72.4 0.05

-32.3 0.02

-0.16 3.82

-4.82 115

-0.16 3.82

----

34.7 2.51 0.02

RECUERDE: Estructura general de un sistema de proceso químico

Reciclo Producto Preparación de la alimentación para la reacción

 Alimentación

Zona de Reacción

Preparación para la separación

Zona de separación Sub-Producto  A tratamiento

1. Complete la Tabla indicando los códigos de los equipos que conforman cada una de las secciones del proceso. Zona Preparación para la reacción Reacción Preparación para la separación Separación Reciclo

Equipo s qu e la integran (Escrib a sólo el código ) V-401

P-401 A/B

E-401

R-401

P-402 A/B

H-401

E-402 V-402

T-401

P-404 A/B

E-403 T-402 T-403

E-404 E-405 E-406 E-407

V-403 P-403 A/B V-404 P-405 A/B

Seguidamente se muestran las distintas zonas coloreadas según su correspondencia con la estructura general de un sistema de proceso químico.

RECUERDE: Estructura general de un sistema de proceso químico

Reciclo Producto Preparación de la alimentación para la reacción

 Alimentación

Zona de Reacción

Preparación para la separación

Zona de separación Sub-Producto  A tratamiento

2. Diga si existe corriente de purga o bypass en el DFP. En caso afirmativo calcule el flujo de dichas corrientes.

• No hay presencia de corrientes de bypass • El reactivo se introduce disuelto en agua, la que actúa

como un inerte, por lo tanto, debe existir  una purga para eliminar dicho inerte (agua) en cantidad similar a la introducida. También se debe tener en cuenta que para el producto (acetona) sólo se exige una pureza del 90%, por lo que puede arrastrar parte del inerte introducido. Para verificar esta hipótesis se puede seguir el siguiente procedimiento:

“Purga”

Cantidad de agua a purgar = Cantidad de agua como inerte en la alimentación  = mH2O1 = 17,1 t/h  Agua eliminada en corriente 15 = 35,8 t/h  Agua introducida en corriente 8 = 20,0 t/h  Agua eliminada en 15 y no introducida en 8 = 15,8 t/h  Agua eliminada con productos = Agua en corriente 16 = 1,29 t/h Cantidad de agua purgada = (15,8 + 1,29) t/h = 17,1 t/h Se verifica la eliminación de agua inerte como una corriente de purga

3. ¿Que función cumplen los equipos P-402 A/B y H-401 en el proceso? Un ingeniero propone suprimir estos equipos reemplazándolos por un recuperador de calor a la salida del reactor R-401 para aproveche el calor de la corriente 3. ¿Apoyaría Ud. esta propuesta? Justifique adecuadamente su respuesta. La bomba P-402 A/B hace circular un fluido que sale del sistema de calentamiento del reactor a 357°C y lo lleva al horno H-401 para calentarlo hasta 407°C; esto permite inferir que la reacción es

endotérmica con alta energía de activación.

Cabe destacar que la corriente 4 NO ES FLUIDO DE PROCESO; es una corriente de servicio, muy probablemente constituida por una sal inorgánica fundida y no un aceite orgánico, pues estos podrían sufrir craqueo a temperaturas mayores a 350°C. Esta configuración permite afirma que la zona de reacción está integrada no sólo por el reactor R-401, sino también por la bomba P-402 A/B y el horno H-401.

La propuesta de sustituir el

sistema de calentamiento del reactor por un recuperador de calor a la salida del reactor es inadecuada, ya que al tratarse de una reacción endotérmica, la temperatura de salida del reactor (corriente 3) sería mucho más baja si no se suministra calor al reactor.

ZONA DE REACCIÓN

Si se supone la capacidad calorífica del fluido de calentamiento, (para una sal fundida puede tomarse 0,25 kcal/kg °C) , es posible estimar el calor de la reacción, según se muestra a continuación: 



Q  m CpT  

H R 

Sustituyendo valores numéricos: Q = 35.100 (kg/h) 0,25 (kcal/kg °C) (407 – 357)°C 437.500 kcal/h Esta cantidad de calor no podría ser suplida por la corriente 3, (verifíquelo) por lo que no se apoya la propuesta.

4. Uno de sus compañeros de curso le comenta que él piensa que el agua alimentada al proceso sólo se utiliza para atrapar por solubilidad los vapores de acetona arrastrados en la corriente gaseosa que abandona el V-402. ¿Qué balance de masa propondría Ud. realizar para verificar la hipótesis del su compañero? Realice dicho balance y diga si está Ud. de acuerdo con esta idea. Para verificar la hipótesis, determinamos la fracción de acetona contenida en la corriente 5 que se arrastra a la corriente 6. Fracción acetona recuperada = m AC6 / m AC5 1,93 / 4,4 = 43,9% Por lo que efectivamente SE RECUPERA ACETONA, sin embargo vale la pena evaluar la cantidad de acetona recuperada en relación a la producción total.

Esto puede estimarse a partir de la cantidad de acetona en la corriente 9 que proviene de la corriente 6. m Acetona6 / m Acetona9 = 1,93 / 32,4 = 5,95% Pero la T-401 también recupera alcohol isopropílico no convertido:  Alcohol recuperado = m Alc6 / m Alc5 (0,10/0,12)*100 = 83,3% Pero el alcohol recuperado es muy poco en relación al contenido en la corriente 9. m Alc6 / m Alc9 = (0,10/3,84)*100 = 2,6%

SEPARACIÓN DE GASES

la función principal de la T-401 es recuperar acetona, para aumentar el rendimiento del proceso. Se puede por tanto afirmar que

5. Se propone eliminar el equipo E-403 y aumentar el área del intercambiador E-402 para manejar la carga térmica del E-403. ¿Apoyaría Ud. esta propuesta? Justifique adecuadamente su respuesta.

• No se apoya la

propuesta dada las diferencias en el tipo de servicio de cada intercambiador. El servicio “agua fría” (cw) utilizado en el E -402 no permitiría alcanzar la temperatura de 20 °C requerida a

la entrada del V-402 y si se sustituye el servicio por “agua refrigerada” (rw) se sub-utilizaría los servicios con el consecuente incremento de los costos de operación.

6. Construya el diagrama Entrada-Salida y el diagrama de bloque para este proceso • Diagrama Entrada-Salida  Alcohol Isopropílico

(CH3)2CHOH

Hidrógeno

(CH3)2CO + H2

 Acetona

• Diagrama de Bloque a) Si consideran alimentación de alcohol puro Hidrógeno  Alcohol Isopropílico

REACTOR

SEPARADOR DE GASES

 Acetona SEPARADOR DE LÍQUIDOS

Reciclo del alcohol no convertido

b) Si considera alcohol al 60%

Purga para eliminación del agua inerte

Debe incluir corriente de purga para eliminar el agua antes del reciclo.