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DISEÑO DE PLANTAS DE PROCESO: Diseño Conceptual
Dr. Antonio Rodríguez Martínez
Centro de Investigación en Ingeniería y Ciencias Aplicadas
2
1. Objetivos.
2. Contenido.
3
Objetivos
• Identificar y aplicar los conceptos empleados en el Diseño Conceptual de Plantas de Proceso.
4
1. Diseño Conceptual. 0. Información inicial
1. Batch vs Continuo
2. Estructura de entradas/salidas
3. Estructura de Reciclo(s)
4. Sistemas de Separación
5. Integración de Energía
Contenido
5
Diseño:
Diseño Conceptual
Diagrama de
Flujo
Entradas Salidas
Condiciones De Operación
Dimensiones De Equipos
? ?
6
Metodología Jerárquica de Douglas.
Estrategia top-dow sin backtrack para determinar un diseño base (tiende a ignorar algunas interacciones entre niveles).
Herbert Simon (Simon 1969) mostró que los sistemas jerárquicos son más fáciles de analizar, describir entender y desarrollar que los no-jerárquicos.
Diseño Conceptual
7
Diseño Conceptual
Jerarquía ...
8
Metodología Jerárquica de Douglas.
Diseño Conceptual
Decisiones Jerárquicas:
0. Información inicial
1. Batch vs Continuo
2. Estructura de entradas/salidas
3. Estructura de Reciclo(s)
4. Sistemas de Separación
5. Integración de Energía
9
Metodología Jerárquica de Douglas.
Diseño Conceptual
+
Abstracción +
Detalle
10
Metodología Jerárquica de Douglas.
0. Información inicial. Sobre la Reacción.
Reacciones principales:
Estequiometría, intervalos de T y P, fases, catalizadores,
conversión (X) y selectividad (S).
Reacciones secundarias:
Acumulación de subproductos en reciclos.
Distribución de productos:
Generalmente la mayoría de los experimentos alrededor de la
máxima producción, que no siempre corresponde a la
conversión óptima. e.g. Sistema A B C donde B =
producto principal y S = (B producido)/(A convertido)
Diseño Conceptual
11
Metodología Jerárquica de Douglas.
0. Información inicial. Sobre la Reacción.
Balance:
S , X , reciclos vs. S , X , reciclos .
Catalizador:
Estado del catalizador (homogéneo, heterogéneo, empacado,
tipo cama, etc.), velocidad de desactivación, regeneración y
método a utilizar.
Diseño Conceptual
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Metodología Jerárquica de Douglas.
0. Información inicial. Sobre el Mercado. Volumen de Producción: Determinado por las condiciones del mercado (generalmente
incierto y variable) y por el tamaño de la planta más grande que se haya construido.
Pureza del Producto: relación Pureza vs. Precio. Reactivos (materia prima): Considerar pre-tratamiento en caso de reactivos impuros. Costo de terreno, equipo, construcción, servicios (utilities), etc. (ver
apéndice E, Douglas 1988 para estimación de costos)
Diseño Conceptual
13
Metodología Jerárquica de Douglas.
0. Información inicial. Propiedades de compuestos. Propiedades físico-químicas: Peso Molecular, T de ebullición, Presión de Vapor, Cp,
Densidad, Calores de vaporización y reacción. Parámetros de ecuaciones de estado y/o métodos de
coeficientes de actividad (UNIFAC, UNIQUAC, etc.). Es mejor contar con datos experimentales, pero existen
métodos de estimación alternativos (ver por ejemplo, Reid, Prausnitz & Poling, 1987)
Flamabilidad, toxicidad, corrosividad, tendencia a
carbonizarse, polimerizarse o desactivar el catalizador.
Diseño Conceptual
14
Metodología Jerárquica de Douglas.
0. Información inicial.
Douglas, 1988:
You never have the right information!
Diseño Conceptual
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Metodología Jerárquica de Douglas.
0. Información inicial.
Hydrodealkylation of Toluene (HDA)
Diseño Conceptual
HDA
Tolueno Benceno
16
Metodología Jerárquica de Douglas.
0. Información inicial.
Hydrodealkylation of Toluene (HDA)
Reacción:
Toluene + H2 Benzene + CH4
2 Benzene Diphenyl + H2
Rango de temperatura: 1150 ºF – 3000 ºF
Presión: 500 psia
Exceso de hidrógeno: 5/1
Reacción en fase gas sin catalizador.
Diseño Conceptual
17
Metodología Jerárquica de Douglas.
0. Información inicial. Hydrodealkylation of Toluene (HDA)
Diseño Conceptual
544.11
0036.01
)(
)(
xS
Toluenomoles
convertidoToluenomolesxConversión
convertidoToluenomoles
reactoraBencenomolesSadSelectivid
reactor al alimentado
reactor el en
del salida
18
Metodología Jerárquica de Douglas.
0. Información inicial. Hydrodealkylation of Toluene (HDA)
Diseño Conceptual
Tolueno
alimentado
(1 mol)
Tolueno
Sin reaccionar
Tolueno
Que reaccionó
Reciclo
Benceno
producido
Difenil
producido
x mol
(1 - x) mol
Sx mol
½ (1 - S) x mol
19
Metodología Jerárquica de Douglas.
0. Información inicial. Hydrodealkylation of Toluene (HDA)
Diseño Conceptual
Reactor Separador
Tolueno
alimentado
(1 mol)
Tolueno
Que reacciona
x
T = 1 - x
B = S x
D = ½ (1-S)x
Benceno = S x
Difenil = ½ (1 – S) x
Tolueno reciclado = (1 – x)
20
Metodología Jerárquica de Douglas.
0. Información inicial. Hydrodealkylation of Toluene (HDA)
Diseño Conceptual
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
Conversión (x)
$/a
ño
* 1
000
21
Metodología Jerárquica de Douglas.
0. Información inicial. Hydrodealkylation of Toluene (HDA)
Diseño Conceptual
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
Conversión
Sele
cti
vid
ad
22
Metodología Jerárquica de Douglas.
0. Información inicial. Hydrodealkylation of Toluene (HDA)
Producción de Benceno: 265 mol/h
Pureza requerida del Benceno: 0.9997
Materia prima: Tolueno a T y P ambiente. Hidrógeno (95% H2, 5%
CH4) a 100 ºF y 550 psia
Restricciones:
H2/aromáticos 5 a la entrada del reactor (para prevenir
coking).
Temperatura a la salida del reactor < 1300 ºF (para prevenir
hydrocraking)
Enfriamiento rápido del efluente del reactor a 1150 ºF (para
prevenir coking).
Conversión (x) < 0.97 para la correlación de la distribución de
productos.
Diseño Conceptual
23
Metodología Jerárquica de Douglas.
RESUMEN: Nivel 0. Información Inicial.
La información que se requiere para iniciar el Diseño Conceptual
es:
1. Las reacciones y las condiciones de reacción. Se debe
tener una correlación para la distribución de productos,
una relación entre la conversión y selectividad, información
del tipo catalizador, así como de su velocidad de
desactivación y regeneración.
2. La velocidad de producción del producto deseado, pureza
y valor del producto.
3. La disponibilidad de la materia prima y sus costos.
4. Las restricciones del proceso.
Diseño Conceptual
24
Metodología Jerárquica de Douglas.
RESUMEN: Nivel 0. Información Inicial.
La información que se requiere para iniciar el Diseño Conceptual
es:
5. Datos del sitio y de otras plantas.
6. Propiedades físico-químicas de las especies químicas
involucradas.
7. Datos de costos.
Diseño Conceptual
25
Metodología Jerárquica de Douglas.
1. Batch vs Continuo.
Diseño Conceptual
26
Metodología Jerárquica de Douglas.
1. Batch vs Continuo.
Proceso Continuo:
Diseñado para operar 24 h/día, 7 días a la semana entre
periodos de paro por mantenimiento ( 1 año).
Proceso Batch:
Operan mediante ciclos de operación,
Llenado.
Operación (mezclado, cambio de temperatura, reacción,
etc.)
Vaciado.
Limpieza.
Procesos Semibatch:
Contienen combinaciones de equipos continuos y batch.
Diseño Conceptual
27
Metodología Jerárquica de Douglas.
1. Batch vs Continuo.
El uso de operaciones Batch se recomienda cuando,
Flexibilidad:
a. Procesos multiproductos.
b. Poca información inicial y un proceso con alta sensitividad a
variaciones.
Volumen de Producción:
a. A veces Batch si es menor que 5,000,000 kg/año.
b. Usualmente Batch si es menor que 500,000 kg/año.
Diseño Conceptual
28
Metodología Jerárquica de Douglas.
1. Batch vs Continuo.
El uso de operaciones Batch se recomienda cuando,
Condiciones de Mercado:
a. Producción estacional.
b. Vida corta del producto.
c. Tiempo corto de salida al mercado.
d. El valor del producto es mucho mayor que el costo de
producirlo.
Problemas de Escalamiento:
a. Tiempos muy largos de reacción.
b. Manejo de materiales con flujos bajos.
c. Materiales que ensucian rápidamente.
Diseño Conceptual
29
Metodología Jerárquica de Douglas.
1. Batch vs Continuo.
Diseño Conceptual
T Reactor Separador Alimentación
Catalizador Producto
Calor
Calor
Reactor
Separador
Calor
(1) Alimentación
(2) Catalizador
Producto
30
Metodología Jerárquica de Douglas.
1. Batch vs Continuo.
Para realizar el diseño conceptual de un proceso continuo se debe,
1. Seleccionar las unidades de proceso necesarias.
2. Seleccionar las interconexiones entre las unidades.
3. Identificar las alternativas de proceso que necesitan ser
consideradas.
4. Listar las variables de proceso dominantes.
5. Estimar las condiciones óptimas de producción.
6. Determinar la mejor alternativa de proceso.
Para un proceso Batch se debe realizar exactamente lo mismo,
además de,
Diseño Conceptual
31
Metodología Jerárquica de Douglas.
1. Batch vs Continuo.
7. Determinar cuales son las unidades que serán Batch y
cuales Continuas.
8. Que etapas de proceso podrían realizarse en un solo
recipientes vs. cuales deben realizarse en recipientes
individuales.
9. Cuando es una ventaja utilizar unidades Batch en paralelo
para mejorar el desempeño de la planta.
10. Cuanto almacenamiento de intermedios se requiere y
donde deberían de colocarse.
Diseño Conceptual
32
Metodología Jerárquica de Douglas.
RESUMEN: Nivel 1. Batch vs Continuo.
Los factores a favor de una operación tipo Batch son:
Velocidad de Producción.
Algunas veces Batch si la producción es menor que 5,000
Ton/año (107 lb/año).
Generalmente Batch si la producción es menor de 500
Ton/año (106 lb/año).
Mercado.
Producción estacional.
Tiempos de vida del producto cortos.
Problemas de escalamiento.
Tiempos de reacción muy altos.
Manejo de materiales con flujos bajos.
Materiales que ensucian rápidamente.
Diseño Conceptual
33
Metodología Jerárquica de Douglas.
Tarea.
Douglas, pp 111, problemas:
4.3-1. Nota: Al menos dos procesos.
4.3-2.
4.3-3.
Diseño Conceptual
34
Metodología Jerárquica de Douglas.
2. Estructura de Entradas y Salidas. Criterios.
Diseño Conceptual
35
Metodología Jerárquica de Douglas.
2. Estructura de Entradas y Salidas. Criterios. Heurística: Recobrar y reciclar todos los reactivos (dado que su
costo puede ser 33-85% del costo total.
Generalmente hay dos posibilidades:
1. Reciclo Gaseoso sin Impurezas.
2. Reciclo Gaseoso con Impurezas (utilizar una purga).
Diseño Conceptual
Proceso Materias
Primas
Productos
Subproductos
Proceso Materias
Primas
Productos
Subproductos
Purga
36
Metodología Jerárquica de Douglas.
2. Estructura de Entradas y Salidas. Criterios.
Alternativas de Proceso:
“Si no se esta seguro de que una decisión de diseño es
correcta, entonces se debe listar la decisión
contraria como una alternativa de proceso”.
Diseño Conceptual
37
Metodología Jerárquica de Douglas.
2. Estructura de Entradas y Salidas. Criterios.
2.1. Purificación de las Corrientes de Entrada.
Se recomienda purificar las entradas (con pre-tratamiento) si:
La impureza no es inerte.
La impureza está presente en cantidades significativas.
La impureza envenena el catalizador.
Se recomienda procesar (sin pre-tratamiento) si:
La impureza está presente en una corriente gaseosa.
La impureza forma un azeótropo con uno de los reactivos.
Es más fácil separar la impureza del producto que de la
alimentación.
Diseño Conceptual
38
Metodología Jerárquica de Douglas.
2. Estructura de Entradas y Salidas. Criterios.
2.2. Separación o reciclo de los Subproductos reversibles.
Separar Reciclar
Costo de Reactivos
Costo del Reciclo
Ejemplo,
Tolueno + H2 Benceno + CH4
2 Benceno Difenil + H2
Diseño Conceptual
39
Metodología Jerárquica de Douglas.
2. Estructura de Entradas y Salidas. Criterios.
2.3. Separación o Reciclo de algunos de los Reactivos.
No vale la pena separar y reciclar los reactivos de bajo costo
(p.ej. Aire, agua).
En general se usa un exceso de ellos si esto favorece la
conversión de otros reactivos.
Diseño Conceptual
40
Metodología Jerárquica de Douglas.
2. Estructura de Entradas y Salidas. Criterios.
2.4. Uso de una corriente de purga en el reciclo gaseoso.
Se aconseja una corriente de purga cuando hay un reactivo
“ligero” y una impureza “ligera” (de la alimentación o generada
como subproducto).
Se define un componente “ligero” a aquel que no puede
condensarse con agua de enfriamiento a altas presiones (Teb
< -48 ºC).
Considerar, sin embargo, el uso de membranas para separar
la impureza.
Diseño Conceptual
41
Metodología Jerárquica de Douglas.
2. Estructura de Entradas y Salidas. Criterios.
2.5. Determinación de las corrientes de salida.
Heurística: Nunca separar dos corrientes que se han de mezclar.
Método (asumiendo el uso de destilación y la ausencia de
azeótropos):
a. Listar todos los componentes que salen del reactor.
b. Clasificar los componentes de acuerdo a su destino:
Venteo – subproductos gaseosos e impurezas alimentadas.
Venteo en Exceso – reactivos gaseosos no recuperados y no
reciclados.
Diseño Conceptual
42
Metodología Jerárquica de Douglas.
2. Estructura de Entradas y Salidas. Criterios.
2.5. Determinación de las corrientes de salida.
b. Clasificar los componentes de acuerdo a su destino:
Reciclo – reactivos, intermedios de reacción, azeótropos con
reactivos (algunas veces), subproductos reversibles (algunas
veces).
Reciclo y Purga – reactivos gaseosos más gases inertes y/o
subproductos gaseosos.
Fuel – subproducto para combustible.
Residuos (waste) – subproductos para tratamiento.
Residuos en exceso – reactivo líquido no recuperado ni
reciclado.
Diseño Conceptual
43
Metodología Jerárquica de Douglas.
2. Estructura de Entradas y Salidas. Criterios.
2.5. Determinación de las corrientes de salida.
b. Clasificar los componentes de acuerdo a su destino:
Producto Principal – producto de mayor valor comercial o de
interés.
Subproducto – producto no deseado.
c. Ordenar los componentes de acuerdo a su Temperatura de
Ebullición (Teb).
d. Agrupar los componentes con Teb vecinos y mismos destinos.
e. Cada grupo, excepto los reciclos, es una corriente de salida.
Diseño Conceptual
44
Metodología Jerárquica de Douglas.
2. Estructura de Entradas y Salidas. Criterios.
2.6. Selección de las Variables de Diseño.
Las más significativas son las que afectan la selectividad y las
composiciones de las corrientes de purga, p.ej.
Para reacciones complejas: conversión, relación de
alimentación, T, P.
Para reactivos en exceso: cantidad de reactivo que no se
recupera, corriente de purga.
Los balances de masa y energía y los cálculos de costos se hacen
en función de estas variables de diseño (grados de libertad).
Diseño Conceptual
45
Metodología Jerárquica de Douglas.
2. Estructura de Entradas y Salidas. Ejemplos.
Suponga que se tiene 10 compuestos listados en orden de su punto
de ebullición y con la clasificación indicada. ¿Cuántas
corrientes de proceso habrá?
Componente Código Componente Código
A Waste F Producto Principal
B Waste G Reciclo
C Reciclo H Reciclo
D Fuel I Subproducto valioso
E Fuel J Fuel
Diseño Conceptual
46
Metodología Jerárquica de Douglas.
2. Estructura de Entradas y Salidas. Ejemplos.
Suponga que se tiene 10 compuestos listados en orden de su punto
de ebullición y con la clasificación indicada. ¿Cuántas
corrientes de proceso habrá?
Corriente:
A + B – Waste.
C – Reciclo (gas).
D + E – Combustible (gas).
F – Producto principal.
G + H – Reciclo (líquido).
I – Almacenamiento para venta.
J – Combustible (J debe separarse de D y E para recuperar
los componentes F, G, H e I, de manera que J se trata aparte)
Diseño Conceptual
47
Metodología Jerárquica de Douglas.
2. Estructura de Entradas y Salidas. Ejemplos.
Suponga que se tiene 10 compuestos listados en orden de su punto
de ebullición y con la clasificación indicada. ¿Cuántas
corrientes de proceso habrá?
Diseño Conceptual
Proceso F
I
D + E
A + B
G + H
C
J
48
Metodología Jerárquica de Douglas.
2. Estructura de Entradas y Salidas. Ejemplos.
Determine el número de corrientes de proceso de HDA.
Toluene + H2 Benzene + CH4
2 Benzene Diphenyl + H2
Componente Punto de Ebullición Clasificación
Hidrógeno -253 ºC
Metano -161 ºC
Benceno 80 ºC
Tolueno 111 ºC
Difenil 253 ºC
Diseño Conceptual
Reciclo y purga
Reciclo y purga
Producto principal
Reciclo
Combustible (Fuel)
49
Metodología Jerárquica de Douglas.
2. Estructura de Entradas y Salidas. Ejemplos.
Determine el número de corrientes de proceso de HDA.
Toluene + H2 Benzene + CH4
2 Benzene Diphenyl + H2
Diseño Conceptual
Proceso
H2, CH4 Benceno
Fuel: Difenil
Purga: H2, CH4
Tolueno
Tolueno
50
Metodología Jerárquica de Douglas.
2. Estructura de Entradas y Salidas.
Tablas de Corriente. Es común reportar los balances de masa en
términos de tablas de corrientes.
Las corrientes de proceso se numeran.
Se listan la Temperatura y Presión.
Si se tiene la Entalpía y Entropía se pueden listar.
Diseño Conceptual
51
Metodología Jerárquica de Douglas.
2. Estructura de Entradas y Salidas.
Grados de libertad = EspQuim – Rxn – Fases + 2
Grados de libertad = 5 – 2 – 2 + 2 = 3
Se pueden fijar:
Velocidad de producción del Benceno = 265 mol/h
Variables de Diseño:
Flujo de H2 de purga (FE) y Conversión (x)
Diseño Conceptual
Proceso
H2, CH4 Benceno
Fuel: Difenil
Purga: H2, CH4
Tolueno
Tolueno
1
2
3
4
5
52
Metodología Jerárquica de Douglas.
2. Estructura de Entradas y Salidas.
S = 1 – 0.0036/(1 – x)1.544
FH2 = FE + PB(1 + S)/2S
FM = (1 – yFH)[FE + PB (1+S)/2S] / yFH
FG = FH2 + FM
Diseño Conceptual
Componente 1 2 3 4 5
H2 FH2 0 0 0 FE
CH4 FM 0 0 0 FM+ PB/S
Benceno 0 0 PB 0 0
Tolueno 0 PB/S 0 0 0
Difenil 0 0 0 PB(1-S)/2S 0
Temperatura (ºF) 100 100 100 100 100
Presión (pisa) 550 15 15 15 465
Tabla en Excel
53
Metodología Jerárquica de Douglas.
2. Estructura de Entradas y Salidas.
Potencial Económico en el nivel 2 (PE2) es el rendimiento anual que
se obtendría suponiendo que no se paga nada de costo de
capital y costo de auxiliares (energía, agua, personal, etc.)
PE2 = Valor del Producto Principal + Valor de Subproductos con
valor – costo de Materias Primas
Para el caso del HDA,
PE2 = Valor del Benceno + Valor como combustible del Difenil +
Valor como combustible de la purga – Costo del Tolueno –
Costo del Hidrógeno
Diseño Conceptual
54
Metodología Jerárquica de Douglas.
2. Estructura de Entradas y Salidas.
Para el caso del HDA,
Valor del Benceno $0.85/gal = $9.04/mol
Valor del Tolueno $0.50/gal = $6.40/mol
Valor del H2 alimentado $3.00/1000ft3 = $1.14/mol
Combustible $4.0/106 BTU
Valor como combustible:
H2 $0.123 * 106 BTU/mol
CH4 $0.383 * 106 BTU/mol
Benceno $1.41 * 106 BTU/mol
Tolueno $1.68 * 106 BTU/mol
Difenil $2.88 * 106 BTU/mol
Diseño Conceptual
55
Metodología Jerárquica de Douglas.
2. Estructura de Entradas y Salidas.
Para el caso del HDA,
Diseño Conceptual
1000
1100
1200
1300
1400
1500
1600
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
0.1
0.3
0.5
0.7
Conversión (x)
$/h
de o
pera
ció
n
Fracción de H2
56
Metodología Jerárquica de Douglas.
RESUMEN: Nivel 2.Estructuras de Entrada y Salida.
Las preguntas que se tienen que responder para determinar la
estructura de entradas salidas del proceso deberían incluir:
¿Se debe purificar la(s) corriente(s) de entrada?
¿Se debe remover o reciclar un subproducto reversible?
¿Se debe usar una corriente de gas de reciclo o purga?
¿Se debe utilizar un exceso de alguno de los reactivos?
¿Cuáles son las variables de diseño y económicas en este
nivel de análisis?
Diseño Conceptual
57
Metodología Jerárquica de Douglas.
RESUMEN: Nivel 2.Estructuras de Entrada y Salida.
Algunas Heurísticas y guías de diseño son:
Si en la alimentación hay impurezas y no es(son) inerte(s),
removerla(s).
Si la(s) impureza(s) está(n) en grandes cantidades, removerla(s).
Si una impureza esta presente en un corriente de alimentación
gaseosa, utilice la corriente sin pre-tratamiento.
Si una impureza forma un azeótropo con un reactivo, utilice la
corriente sin pre-tratamiento.
Si una impureza en la corriente de alimentación es un inerte, pero
es fácil de separar de los productos (producto principal,
subproductos) más que de los reactivos, utilice la corriente sin
pre-tratamiento.
Diseño Conceptual
58
Metodología Jerárquica de Douglas.
RESUMEN: Nivel 2.Estructuras de Entrada y Salida.
Algunas Heurísticas y guías de diseño son:
Si hay un reactivo “ligero” y una impureza “ligera” en la alimentación
o subproducto (componente “ligero” Teb < Teb,propileno), use un
reciclo gaseoso y una corriente de purga para esta fase de
diseño. También considera un separador de membrana.
Si el O2 del aire o el agua es un reactivo, considere el uso en
exceso de éste reactivo.
Asegúrese de que todas las impurezas y subproductos salen del
proceso!!!
Las variables de diseño significativas son aquellas que afectan la
distribución de productos y la composición de la purga de las
corrientes gaseosas.
Diseño Conceptual
59
Metodología Jerárquica de Douglas.
3. Estructura de los Reciclos.
En este nivel se determina el número de sistemas de reacción y sus
interacciones mediante la corrientes de reciclo.
Adicionalmente se estudian los efectos de las variables de diseño
en el equilibrio, la estructura de los reciclos y en particular si
será necesario usar compresores (generalmente el equipo
mas caro).
Diseño Conceptual
60
Metodología Jerárquica de Douglas.
3. Estructura de los Reciclos. Criterios:
Número de Sistemas de Reactores.
Usar sistemas de reactores diferentes si las reacciones se
deben llevar a cabo a temperaturas o presiones diferentes o si
se requieren diferentes catalizadores.
1) La reacción se lleva a cabo @ 1150-1300 ºF, 500 psia
Toluene + H2 Benzene + CH4
2 Benzene Diphenyl + H2
Diseño Conceptual
61
Metodología Jerárquica de Douglas.
3. Estructura de los Reciclos. Criterios:
Número de Sistemas de Reactores.
2) En la reacción:
Acetona Cetena + CH4
Cetena CO + ½ C2H4
Cetena + Acido acético Anhídrido acético
Diseño Conceptual
700 ºC, 1 atm
80 ºC, 1 atm
Reactor 1 Reactor 2 Acetona
Ácido acético
Acetona reciclada AAc reciclado
62
Metodología Jerárquica de Douglas.
3. Estructura de los Reciclos. Criterios:
Número de Reciclos.
a) Asociar a los componentes en los reciclos con el reactor
donde reaccionan.
b) Agrupar los componentes con Teb vecinos y mismo destino
(reactor).
c) Identificar a los reciclos gaseosos (porque requieren
compresor)
d) En general los reciclos líquidos requieren de bombas, las
cuales tienen costos menores comparados con compresores,
quemadores, columnas de destilación, etc. (tener cuidado
cuando se requieran altas potencias o volumen de bombeo).
Diseño Conceptual
63
Metodología Jerárquica de Douglas.
3. Estructura de los Reciclos. Criterios:
Número de Reciclos.
Considere los componentes y sus destinos en orden de su punto de
ebullición normal:
A. Waste – Subproducto.
B. Waste – Subproducto.
C. Reactivo – Reciclo a R1.
D. Fuel – Subproducto.
E. Fuel – Subproducto.
F. Producto principal.
G. Reactivo – Reciclo a R2.
H. Reactivo – Reciclo a R2.
I. Reactivo – Reciclo a R1.
J. Subproducto con valor comercial
Diseño Conceptual
64
Metodología Jerárquica de Douglas.
3. Estructura de los Reciclos. Criterios:
Número de Reciclos.
Diseño Conceptual
R1 R2 Separador
A + B
D + E
F
C
G + H
I J
65
Metodología Jerárquica de Douglas.
3. Estructura de los Reciclos. Criterios:
Número de Reciclos.
Considere los componentes y sus destinos en orden de su punto de
ebullición normal:
Componente Teb (ºF) Destino?
CO -312.6
CH4 -258.6
C2H4 -154.8
Cetena -42.1
Acetona 133.2
Ácido acético 244.3
Anhídrido acético 281.9
Diseño Conceptual
Fuel – subroducto
Fuel – subroducto
Fuel – subroducto
Reactivo inestable –conversión total
Reactivo – reciclo a R1 – líquido
Reactivo – reciclo a R2 – líquido
Producto principal
66
Metodología Jerárquica de Douglas.
3. Estructura de los Reciclos. Criterios:
Número de Reciclos.
Diseño Conceptual
R1 R2 Separador
CO+CH4+C2H4
Anhídrido
Acético
Ácido acético
Acetona
Ácido acético reciclado
Acetona reciclada
67
Metodología Jerárquica de Douglas.
3. Estructura de los Reciclos. Criterios:
Uso en exceso de uno de los reactivos.
Usar un exceso de reactivo si:
* Favorece la conversión de otro componente.
* Favorece la distribución de productos (en reacciones
competitivas).
* Favorece la dirección del equilibrio (en una reacción
reversible).
Usualmente el reactivo limitante es el reactivo más caro o el
más pesado.
Hay un valor óptimo de diseño para la cantidad de exceso (i.e.
es una variable de diseño).
Diseño Conceptual
68
Metodología Jerárquica de Douglas.
3. Estructura de los Reciclos. Criterios:
Operación térmica del reactor.
Esta decisión determina si es necesario añadir un
componente adicional al proceso (a pesar de su efecto en el
sistema de separación)
Opciones:
* Operar adiabáticamente.
* Operar con calentamiento/enfriamiento directo.
* Uso de un diluyente o transporte de calor.
Diseño Conceptual
69
Metodología Jerárquica de Douglas.
3. Estructura de los Reciclos. Criterios:
Operación térmica del reactor.
a) Estimar la carga térmica del reactor y el cambio adiabático
de temperatura para calcular TR,out:
Carga Térmica = (Calor de Reacción)(Velocidad de alimentación)
QR = HR(Rextent) = F Cp (TR,in – TR,out)
b) Si TR,out no es aceptable, probar con calentamiento
/enfriamiento directo. Notar que el área máxima de
transferencia de calor en un cambiador de calor es de 750
m2 (y que A = QR/ (U T)
Diseño Conceptual
70
Metodología Jerárquica de Douglas.
3. Estructura de los Reciclos. Criterios:
Operación térmica del reactor.
c) Es posible moderar TR,out reciclando un producto o
subproducto, o añadiendo otro componente (en el caso del
proceso de HDA el reciclo de H2 actúa como un transporte de
calor)
Reacciones Endotérmicas.
Usar un reactor isotérmico con calentamiento directo si la
carga térmica (QH) es menor que 1750-2500 kW o con un
diluyente o transporte de calor si QH es mayor.
Diseño Conceptual
71
Metodología Jerárquica de Douglas.
3. Estructura de los Reciclos. Criterios:
Reacciones Exotérmicas.
Usar un reactor adiabático si (Tout –Tin)/Tin es menor del 10-
15%.
En caso contrario usar un reactor isotérmico con
calentamiento directo si la carga térmica (Qc) es menor que
1750-2500 kW o con un diluyente o transporte de calor si Qc
es mayor.
Diseño Conceptual
72
Metodología Jerárquica de Douglas.
3. Estructura de los Reciclos. Criterios:
Conversión en el equilibrio.
* Si uno de los productos se puede separar durante la
reacción, una reacción limitada por el equilibrio puede llegar a
conversiones totales.
* Uso de Diluyentes. Por ejemplo en el sistema (@ 600 ºC y
1.4 atm)
Etilbenceno Estireno + Hidrógeno
Etilbenceno Benceno + Etileno
Etilbenceno + Hidrógeno Tolueno + Metano
Se usa vapor o metano como diluyente para disminuir la
concentración de Estireno y H2.
Hay un valor óptimo de T, P, feed ratio (variables de diseño)
Diseño Conceptual
73
Metodología Jerárquica de Douglas.
3. Estructura de los Reciclos. Criterios:
Uso de un compresor para un reciclo.
El uso de un compresor es necesario si los componentes a
reciclar tienen un Teb < (Teb)propileno.
Guías para el diseño de reactores:
Levenspiel, O.. Chemical Reaction Engineering. 2da. Ed., Wiley,
New York, 1972, Cap. 7 y 8.
Diseño Conceptual
74
75
Diseño Conceptual
76
Metodología Jerárquica de Douglas.
3. Estructura de los Reciclos. Criterios:
Evaluación económica.
Diseño Conceptual
77
Metodología Jerárquica de Douglas.
RESUMEN: Nivel 3. Estructura de los Reciclos.
Algunas preguntas a contestar son:
¿Cuantos sistemas de reacción (reactores) se requieren?
¿Deberían separarse algunos componentes entre los sistemas de
reacción?
¿Cuántas corrientes de reciclo se requieren?
¿Se debería utilizar exceso de un reactivo a la entrada del reactor?
¿Se requiere un compresor para un reciclo gaseoso?. ¿Qué afecto
tiene en el costo?
¿Debería operarse el reactor de forma adiabática, con
calentamiento/enfriamiento directo o con u diluyente?
¿Se logra el equilibrio de la reacción?, ¿Cómo?
¿Cómo afecta el costo del reactor al potencial económico?
Diseño Conceptual
78
Metodología Jerárquica de Douglas.
RESUMEN: Nivel 3. Estructura de los Reciclos.
Algunas Heurísticas son:
Si las reacciones se llevan a cabo a diferentes temperaturas,
presiones y/o requieren diferente catalizador, entonces utilizar
sistemas de reacción independientes para cada condición de
operación.
Los componentes a reciclar al mismo reactor con puntos de
ebullición próximos deberían ser reciclados en la misma
corriente de proceso.
Un compresor para una corriente gaseosa es requerido si el punto
de ebullición del componente es menor que la del propileno.
Si un reactivo en exceso es necesario, debe haber una cantidad
OPTIMA de exceso.
Diseño Conceptual
79
Metodología Jerárquica de Douglas.
RESUMEN: Nivel 3. Estructura de los Reciclos.
Algunas Heurísticas son:
Si la temperatura, presión y/o flujo molar de un reactor son
cambiadas para lograr el equilibrio, debe haber un valor
OPTIMO para éstas variables.
Para procesos endotérmicos con una carga térmica menor a 6-8 x
106 BTU/h,, se podría utilizar un reactor isotérmico con
calentamiento directo. Para cargas de calor mayores, se
podría utilizar la adición de un diluyente o un portador de
calor.
Para reacciones exotérmicas podríamos utilizar un reactor
adiabático si la temperatura adiabática que se alcanza es
menor del 10-15% de la temperatura de la entrada.
Diseño Conceptual
80
Metodología Jerárquica de Douglas.
RESUMEN: Nivel 3. Estructura de los Reciclos.
Algunas Heurísticas son:
Si la temperatura adiabática alcanzada excede el 10-15%, se
debería utilizar enfriamiento directo si la carga térmica es
menor de 6-8 x 106 BTU/h. En caso de que no, se podría
introducir un diluyente o un portador de calor.
Para reacciones únicas se pueden tener conversiones de 0.96 a
0.98 de la conversión de equilibrio.
Los reactivos “caros” (o los pesados) son comúnmente los reactivos
limitantes.
Si la constante de equilibrio de una subproducto reversible es
pequeña, recicle el subproducto reversible.
Diseño Conceptual
81
Metodología Jerárquica de Douglas.
RESUMEN: Nivel 3. Estructura de los Reciclos.
Algunas Heurísticas son:
El flujo de reciclo del reactivo limitante esta dado por
F = FR(1 – x) / x
Donde FR es la cantidad de reactivo limitante necesario para la
reacción y x es la conversión.
El flujo de reciclo de otros componentes puede ser determinado por
especificación de los flujo(s) molares de entrada al reactor.
Diseño Conceptual
82
Metodología Jerárquica de Douglas.
4. Sistemas de Separación.
En este nivel se determina primero la estructura general del sistema
de separación para posteriormente detallar:
El Sistema de Separación de Vapor (SRV) y/o
El Sistema de Separación de Líquido (SSL)
en caso de que sean aplicables.
Diseño Conceptual
R S
Líquido
Vapor
Prod. Principal
Subproducto
Purga
83
Metodología Jerárquica de Douglas.
4. Sistemas de Separación.
Existen 3 posibilidades dependiendo de la fase del efluente del
reactor (asumiendo procesos VL):
4. EGS-1. Si el efluente es L, sólo es necesario un SSL (destilación,
extracción, etc.)
Diseño Conceptual
R SSL
Reciclo Líquido
L Prod. Principal
Subproducto
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Metodología Jerárquica de Douglas.
4. Sistemas de Separación.
4. EGS-2. Si el efluente es LV, enviamos la fracción líquida al SSL y
condensamos la fracción en un flash a 35 ºC.
Diseño Conceptual
R
SSL
Reciclo Líquido
L Prod. Principal
Subproducto
flash SRV V
35 ºC
L L
Reciclo Vapor
Purga
85
Metodología Jerárquica de Douglas.
4. Sistemas de Separación.
4. EGS-3. Si el efluente es V, enfriamos la corriente a 35 ºC (agua
de enfriamiento) para condensarla total o parcialmente. En
caso de no condensarla, tratar de usar presiones mas
elevadas y/o refrigeración.
Diseño Conceptual
R
SSL
Reciclo Líquido
Prod. Principal
Subproducto
SRV
flash
V
35 ºC
L
Reciclo Vapor
Purga
L
V
86
Metodología Jerárquica de Douglas.
4. Sistemas de Separación.
Cálculos aproximados para el Flash.
Diseño Conceptual
Fla
sh
V
L
F
11
11
F
VK
zx
KF
V
F
V
zy
xKy
xLV yz F
L V F
i
ii
i
ii
iii
iii
87
Metodología Jerárquica de Douglas.
4. Sistemas de Separación.
Cálculos aproximados para el Flash.
Si Ki >> 1 entonces V yi F zi
Si Ki << 1 entonces L xi F zi
Como primer estimado se puede escribir:
V = fi para todos los componentes donde Ki > 10
L = fi para todos los componentes donde Ki < 0.1
Diseño Conceptual
Fla
sh
V
L
F
88
Metodología Jerárquica de Douglas.
4. Sistemas de Separación.
Cálculos aproximados para el Flash.
Diseño Conceptual
Fla
sh
V
L
F
89
Metodología Jerárquica de Douglas.
4. Sistemas de Separación.
Sistemas de Recuperación de Vapor. ¿Dónde localizarlo?.
Diseño Conceptual
Fla
sh
a
c
b
90
Metodología Jerárquica de Douglas.
4. Sistemas de Separación.
Sistemas de Recuperación de Vapor. ¿Dónde localizarlo?
a) En la corriente de Purga (la corriente más pequeña).
Para prevenir la pérdida de componentes valiosos.
b) En la corriente del reciclo gaseoso (la segunda más pequeña).
Para evitar el reciclo de componentes indeseables para el
reactor o la reacción.
c) En la corriente de vapor del flash.
Si (a) y (b) son válidos.
d) No usar SRV si (a) y (b) no son importantes.
Diseño Conceptual
91
Metodología Jerárquica de Douglas.
4. Sistemas de Separación.
Sistemas de Recuperación de Vapor. ¿Qué tipo de SRV?
a) Condensación.
b) Absorción.
c) Adsorción.
d) Membranas.
e) Sistemas de reacción (e.g. Recuperación de H2S con aminas).
Diseño Conceptual
92
Metodología Jerárquica de Douglas.
4. Sistemas de Separación.
Relación entre los SRV y los SSL.
El SRV genera una corriente líquida a ser procesada por el
SSL.
Si la cantidad de V a la salida del flash es pequeña y si el
primer paso del SSL es destilación, se puede eliminar el flash
y el SRV y alimentar el efluente del reactor directamente a la
columna de destilación.
Diseño Conceptual
93
Metodología Jerárquica de Douglas.
4. Sistemas de Separación.
Relación entre los SRV y los SSL.
En el caso del uso de un absorbedor, el solvente se reciclará
del SSL al SRV.
Diseño Conceptual
SSL
Reciclo Líquido
Prod. Principal
Subproducto
SRV
flash
35 ºC
L
Reciclo Vapor
Purga
L
V
V
94
Metodología Jerárquica de Douglas.
4. Sistemas de Separación.
Sistemas de Separación de Líquidos:
Separación de componentes ligeros que contaminan el producto.
En orden creciente de costo:
a) Usar un flash modificado T o P.
b) Usar un condensador parcial en la columna del producto.
c) Usar una sección de pasteurización en la columna del
producto.
d) Usar una columna de estabilización antes de la columna
de producto (una columna con condensador parcial y sin
rehervidor).
Diseño Conceptual
95
Metodología Jerárquica de Douglas.
4. Sistemas de Separación.
Sistemas de Separación de Líquidos:
Destino de los componentes ligeros.
a) Eliminar a la atmósfera o a un quemador (si tienen escaso
valor y dependiendo de si contaminan).
b) Utilizar como combustible (si son combustibles).
c) Reciclar al SRV o al flash (si tienen suficiente valor).
d) Usar una columna de estabilización antes de la columna
de producto (una columna con condensador parcial y sin
rehervidor).
Diseño Conceptual
96
Metodología Jerárquica de Douglas.
4. Sistemas de Separación.
Sistemas de Separación de Líquidos:
Reciclar los componentes que forman azeótropos con los reactivos
o “romperlos”.
No existen heurísticas para hacer esta decisión, por lo que se
deben evaluar ambas alternativas.
Uso de Destilación.
En general la destilación es la forma más barata de separación
salvo en el caso de componentes i,j con i,j < 1.1
Diseño Conceptual
97
Metodología Jerárquica de Douglas.
4. Sistemas de Separación.
Sistemas de Separación de Líquidos:
Secuencias de columnas de destilación simples.
Existen varias técnicas:
Enumeración total (con estimación de costos).
Heurísticas.
Branch & Bound (con estimación de costos).
Evolucionarios.
Diseño Conceptual
98
Metodología Jerárquica de Douglas.
4. Sistemas de Separación.
Sistemas de Separación de Líquidos:
Secuencias de columnas de destilación simples - Heurísticas.
Sistema Heurístico 1:
H1.1. Eliminar componentes corrosivos primero.
H1.2. Eliminar componentes reactivos o monómeros primero.
H1.3. Separar el producto como destilado.
H1.4. Separar los reciclos como destilado, en particular si van a un
reactor.
Diseño Conceptual
99
Metodología Jerárquica de Douglas.
4. Sistemas de Separación.
Sistemas de Separación de Líquidos:
Secuencias de columnas de destilación simples - Heurísticas.
Sistema Heurístico 2:
H2.1. Separar primero el componente más abundante.
H2.2. Separar primero el componente más ligero.
H2.3. Separación con mayor recuperación al final.
H2.4. Separación más difícil al final.
H2.5. Favorecer separaciones equimolares.
H2.6. La siguiente separación debe ser la más barata.
Diseño Conceptual
100
Metodología Jerárquica de Douglas.
4. Sistemas de Separación.
Sistemas de Separación de Líquidos:
Secuencia de columnas de destilación simples – Interacción entre
el sistema de separación y el de reacción.
La mejor secuencia de separación depende de su corriente de
alimentación (flujo y composición) que a su vez es función del
diseño del sistema de reacción (e.g conversión).
Por esta razón es conveniente tomar también en cuenta la siguiente
heurística:
Seleccionar la secuencia que minimiza el número de columnas en un
reciclo.
Diseño Conceptual
101
Metodología Jerárquica de Douglas.
4. Sistemas de Separación.
Sistemas de Separación de Líquidos:
Secuencia de columnas de destilación complejas.
Generalmente es posible sustituir dos columnas vecinas por una
columna compleja.
Diseño Conceptual
102
Diseño Conceptual
103
Diseño Conceptual
104
105
106
Metodología Jerárquica de Douglas.
4. Sistemas de Separación.
Sistemas de Separación de Líquidos:
Otros tipos de separación. Todos los métodos siguientes requieren
de al menos una columna adicional para separar el
componente añadido.
Extracción: Uso de un solvente con la afinidad diferente para el
producto y la impureza, e.g. purificación de un residuo de
agua y fenol mediante acetato de etilo.
Diseño Conceptual
107
Diseño Conceptual
108
Metodología Jerárquica de Douglas.
4. Sistemas de Separación.
Sistemas de Separación de Líquidos: Otros tipos de separación.
Destilación extractiva: Un solvente extractivo pesado modifica el
equilibrio entre componentes, e.g. separación de propano y
propileno ( =1.06) mediante acrilonitrilo.
Diseño Conceptual
109
Diseño Conceptual
110
Metodología Jerárquica de Douglas.
4. Sistemas de Separación.
Sistemas de Separación de Líquidos: Otros tipos de separación.
Destilación Azeotrópica: Adición de un componente ligero que
forma un nuevo azeótropo con uno de los componentes
originales, e.g. adición de benceno a una mezcla de etanol y
agua.
Diseño Conceptual
111
Diseño Conceptual
112
Metodología Jerárquica de Douglas.
4. Sistemas de Separación.
Sistemas de Separación de Líquidos: Otros tipos de separación.
Destilación reactiva: Edición de un reactivo que reacciona con uno
de los componentes originales, e.g. Separación de m-xyleno y
p-xyleno ( =1.03) mediante la adición de cumeno ( =30).
Diseño Conceptual
113
Diseño Conceptual
114
Metodología Jerárquica de Douglas.
4. Sistemas de Separación.
Sistemas de Separación de Líquidos: Otros tipos de separación.
Cristalización: Eso de la diferencia en puntos de solidificación, e.g.
separación de isómeros.
Diseño Conceptual
115
Diseño Conceptual
Metodología Jerárquica de
Douglas.
R E S U M E N
116
Diseño Conceptual
Metodología Jerárquica de Douglas.
0. Información inicial.
1. Batch vs Continuo.
2. Estructura de entradas/salidas.
3. Estructura de Reciclo(s).
4. Sistemas de Separación.
5. Integración de Energía.
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Diseño Conceptual
Metodología Jerárquica de Douglas.
0. Información inicial.
1. Las reacciones y las condiciones de reacción. Se debe
tener una correlación para la distribución de productos,
una relación entre la conversión y selectividad, información
del tipo catalizador, así como de su velocidad de
desactivación y regeneración.
2. La velocidad de producción del producto deseado, pureza
y valor del producto.
3. La disponibilidad de la materia prima y sus costos.
4. Las restricciones del proceso.
5. Datos del sitio y de otras plantas.
6. Propiedades físico-químicas de las especies químicas
involucradas.
7. Datos de costos.
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Diseño Conceptual
Metodología Jerárquica de Douglas.
1. Batch vs Continuo.
Los factores a favor de una operación tipo Batch son:
Velocidad de Producción.
Algunas veces Batch si la producción es menor que 5,000
Ton/año (107 lb/año).
Generalmente Batch si la producción es menor de 500
Ton/año (106 lb/año).
Mercado.
Producción estacional.
Tiempos de vida del producto cortos.
Problemas de escalamiento.
Tiempos de reacción muy altos.
Manejo de materiales con flujos bajos.
Materiales que ensucian rápidamente.
119
Diseño Conceptual
Metodología Jerárquica de Douglas.
2. Estructura de entradas/salidas.
Las preguntas que se tienen que responder para determinar la
estructura de entradas salidas del proceso deberían incluir:
¿Se debe purificar la(s) corriente(s) de entrada?
¿Se debe remover o reciclar un subproducto reversible?
¿Se debe usar una corriente de gas de reciclo o purga?
¿Se debe utilizar un exceso de alguno de los reactivos?
¿Cuáles son las variables de diseño y económicas en este
nivel de análisis?
120
Diseño Conceptual
Metodología Jerárquica de Douglas.
2. Estructura de entradas/salidas.
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Diseño Conceptual
Metodología Jerárquica de Douglas.
2. Estructura de entradas/salidas.
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Diseño Conceptual
Metodología Jerárquica de Douglas.
3. Estructura de Reciclo(s).
Algunas preguntas a contestar son:
¿Cuantos sistemas de reacción (reactores) se requieren?
¿Deberían separarse algunos componentes entre los sistemas de
reacción?
¿Cuántas corrientes de reciclo se requieren?
¿Se debería utilizar exceso de un reactivo a la entrada del reactor?
¿Se requiere un compresor para un reciclo gaseoso?. ¿Qué afecto
tiene en el costo?
¿Debería operarse el reactor de forma adiabática, con
calentamiento/enfriamiento directo o con u diluyente?
¿Se logra el equilibrio de la reacción?, ¿Cómo?
¿Cómo afecta el costo del reactor al potencial económico?
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Diseño Conceptual
Metodología Jerárquica de Douglas.
3. Estructura de Reciclo(s).
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Diseño Conceptual
Metodología Jerárquica de Douglas.
3. Estructura de Reciclo(s).
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Diseño Conceptual
Metodología Jerárquica de Douglas.
4. Sistemas de Separación.
En este nivel se determina primero la estructura general del sistema
de separación para posteriormente detallar:
El Sistema de Separación de Vapor (SRV) y/o
El Sistema de Separación de Líquido (SSL)
Existen 3 posibilidades dependiendo de la fase del efluente del
reactor (asumiendo procesos VL):
EGS-1. Si el efluente es L, sólo es necesario un SSL (destilación,
extracción, etc.).
EGS-2. Si el efluente es LV, enviamos la fracción líquida al SSL y
condensamos la fracción en un flash a 35 ºC.
EGS-3. Si el efluente es V, enfriamos la corriente a 35 ºC para
condensarla total o parcialmente.
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Diseño Conceptual
Metodología Jerárquica de Douglas.
4. Sistemas de Separación.
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Diseño Conceptual
Metodología Jerárquica de Douglas.
4. Sistemas de Separación.
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