ART-DOUGLAS en español

7/24/2019 ART-DOUGLAS en espaol

1/20

UN PROCEDIMIENTO DE DECISIN JERRQUICA PARA LA SNTESIS DEPROCESO

Un nuevo procedimiento para la sntesis de diagramas de fujo de procesos y diseosdel caso base se ha desarrollado. El procedimiento es de naturaleza evolutiva yprocede a travs de una jerarqua de niveles de decisin donde se aade m!s de

estructura "na al diagrama de fujo en cada nivel de decisin. #a heurstica se utilizanpara obtener algunos de los elementos estructurales de la hoja de fujo y otrosheurstica se utilizan para hacer algunas de las decisiones requeridas en los distintosniveles de decisin. En muchos casos no hay heurstica est!n disponibles por lo quese generan alternativas de proceso. #a porcin de an!lisis del procedimiento tiene un$uerte en$oque en las compensaciones econmicas que est!n asociados con lasvariables de diseo signi"cativas

ALCANCE

El diseo del proceso se establece que la columna vertebral de la industria del petrleoy qumicos% es tambin el curso de culminacin en el plan de estudios de pregrado deingeniera qumica. &in embargo no e'iste un procedimiento paso a paso disponible en

la literatura que se puede utilizar para desarrollar una hoja de fujo de proceso o undiseo de caso base. (dem!s la lgica y)o el orden en que se toman las decisionespara el desarrollo de una hoja de fujo primero no se han discutido previamente en laliteratura.

CONCLUSIONES Y SIGNIFICADO

&e presenta un procedimiento de sntesis ) an!lisis para el desarrollo de las hojasprimera de fujo y diseos del caso base. El procedimiento se describe en trminos deuna jerarqua de decisiones en los que en cada nivel de decisin m!s estructura "nase aade a una hoja de fujo de bloques del proceso. En muchos casos ya seapublicada anteriormente heurstica o algunos nuevos heurstica se puede utilizar paraguiar las decisiones pero en muchas otras situaciones no heursticas son disponibles.

Es posible identi"car las compensaciones econmicas asociadas a las decisionesacerca de las variables de diseo pero se requiere un en$oque de estudio de caso paraevaluar las alternativas de proceso. #a sntesis ) an!lisis no lleva necesariamente al*mejor* diseo pero se debe ser +til en el desarrollo de diseos *razonables*.

INTRODUCCIN

El problema de traducir el descubrimiento de un qumico de una nueva reaccin en undiagrama de fujo del proceso y un diseo de caso base es siempre underde"ned. ,or lotanto es necesario introducir numerosos supuestos con el "n de obtener un problemabien planteado. Estas suposiciones se pueden dividir en tres categoras-

. &upuestos que "jan las partes de la hoja de fujo de proceso./. &upuestos que "jan algunas de las variables de diseo.0. &upuestos que "jan las cone'iones para el medio ambiente.

&i cambiamos los supuestos que "jan partes de la hoja de fujo de proceso generamosalternativas de proceso. ,ara la mayora de los procesos que podemos generar m!s deun milln de hojas de fujo de esta manera. &i cambiamos los supuestos que "janalgunas de las variables de diseo generamos problemas de optimizacin. 1esterbergha sugerido que hay cerca de 2 ti /2 variables de optimizacin por hoja de fujo. &icambiamos los supuestos que "jan las cone'iones con el medio ambiente generamos


2/20

operabilidad del proceso y los problemas de control. 3ormalmente no consideramosestos problemas hasta despus de haber desarrollado un diseo de caso base 4es decirsi un proceso tiene pocas posibilidades de ser rentables no se preocupan por laoperabilidad o control5.6espus de una e'tensa serie de conversaciones con los diseadores industrialesparece haber consenso en que los principales errores en los diseos e'istentes $ueron

causados por la "jacin de la hoja de fujo demasiado temprano en el desarrollo de unproceso. En otras palabras alguien se da cuenta de que haba un mejor proceso. Enotras palabras alguien se da cuenta de que haba una alternativa mejor procesocuando era demasiado tarde para hacer cambios en el proyecto de"nitivo. ,or endehay una necesidad de tener mejores herramientas disponibles que pueden serutilizados para generar y alternativas de proceso pantalla.

TRABAJO PREVIO

7a habido dos intentos importantes para desarrollar programas de diseo asistido porordenador que generaran hojas de fujo de proceso- (86E& 4&iirola et al 9:% &iirola y;udd 9:% ,o(#?(@(; 4Aahelec y Aotard 9::5. (mbos programas

est!n diseados para generar diagramas de fujo de procesos para plantasmultiproducto. &eleccionan las mejores materias primas a utilizar y el mejor conjuntode reacciones para el proceso de una serie de alternativas. ,or lo tanto los programasse centran en el problema de la asignacin de especies. &in embargo en su $ormaactual ni programa incluye algoritmos para calcular los tamaos y costos de equipo ypor lo tanto no producen un diseo de caso base.El alcance de nuestro procedimiento es mucho m!s modesto. &lo se consideranplantas de un solo producto con un conjunto espec"co de las materias primas y uncamino de reaccin especi"cado. (s el problema de asignacin de especies se puederesolver utilizando heursticas simples. El en$oque principal de nuestro procedimientoes en el desarrollo de un diseo de caso base razonable las compensacioneseconmicas signi"cativas comerciales que se asocian con este diseo y algunas

alternativas de proceso que deben ser evaluados.

PROPSITO DE LA INVESTIGACIN

Un propsito principal de esta investigacin $ue identi"car donde la heurstica dediseo est!n desaparecidos as como para proporcionar de"niciones mejoradas deproblemas de sntesis para piezas del diseo en general. ,or ejemplo en la actualidadno parecen e'istir alguna heurstica disponible para ayudar a decidir si la absorcinadsorcin o condensacin deben ser elegidas como un sistema de recuperacin devapor. 6el mismo modo la investigacin actual sobre la seleccin de secuencias deseparacin se basa en el planteamiento del problema- 6ada una sola alimentacinBcu!l es la mejor seleccin de unidades separadas de cali"cacin para obtener el

conjunto necesario de productos purosC3uestro procedimiento indica que en muchos procesos debe haber m+ltiples corrientesde alimentacin que requieren separacin y que normalmente la especi"cacin decomposiciones de productos depende de las interacciones con el proceso. ,or lo tantoesperamos que el procedimiento proporcionar! un punto $ocal para la de"nicin denuevos problemas de investigacin en el diseo.

Un subproducto valioso de la investigacin debe ser un marco conceptual mejoradopara la enseanza del diseo del proceso. En la actualidad la mayora de los


3/20

estudiantes universitarios est!n e'puestos a un solo caso de estudio para quedesarrollen ninguna intuicin o e'periencia con las decisiones necesarias para eldesarrollo de otros tipos de diagramas de fujo. #a sntesis proDprocedimiento debepermitir ampliar este !mbito.

SNTESIS DEL PROCESO: UN NUEVO ENFOQUE

El procedimiento de sntesis proceso se descompone el problema de diseo en unajerarqua de decisiones como sigue-3ivel 8- lotes vs. continua3ivel /- Estructura de entradaDsalida de la hoja de fujo3ivel 0- Estructura de reciclaje de la hoja de fujo y consideraciones ;eactor3ivel - &istema de &eparacin Especi"cacin3ivel a- sistema de recuperacin de vapor3ivel b- sistema de recuperacin de lquido3ivel F- 8ntercambiador de calor de redEl proceso completo se considera siempre en cada nivel de decisin pero de estructura"na adicional se agrega a la hoja de fujo a medida que avancemos a los niveles de

decisin posteriores. #as tcnicas y heursticas de sntesis de nuevo desarrollo sonutilizadas por el diseador siempre que e'istan como gua en la toma de lasdecisiones necesarias. Aediante la acumulacin de las decisiones tomadas por eldiseador para los casos en que no e'isten heursticas o donde el diseador anula laheurstica podemos desarrollar una lista de alternativas de procesos que deben serconsiderados.Gada nivel de la toma termina en un an!lisis econmico. #a e'periencia indica quemenos del uno por ciento de las ideas para los nuevos diseos son cada vezcomercializado y por lo tanto es muy deseable para descartar proyectos pobresr!pidamente. 6el mismo modo las decisiones a nivel posteriores son guiadas por elan!lisis econmico de las decisiones a nivel de principios.El procedimiento de sntesis se describe en detalle a continuacin. En la actualidad el

procedimiento se limita a procesos continuos con $ases vapor y lquida.

LA INFORMACIN DE ENTRADA

#a in$ormacin de entrada necesaria para desarrollar un diagrama de fujo del procesoy un diseo de caso base es-

(. ;eaccionesl. #a estequiometra la temperatura y la presin de cada reaccin./. Una correlacin de distribucin del producto $rente a la conversin 4y temperatura5.0. El catalizador para cada reaccin 4en la actualidad el programa no se encargar! dela desactivacin del catalizador5.. #a condicin de $ase deseada de cada etapa de reaccin.

>. ,roductosl. Helocidad de produccin deseada y la pureza del producto./. ,recio del producto o el precio vs. pureza.0. Halor de todos los productos como productos qumicos o combustibles.G. Aaterias ,rimasl. Gomposicin la temperatura y la presin de todos los fujos de materias primas./. #os precios de todos los fujos de materias primas o el precio vs. pureza.


4/20

6. #imitacionesl. #mites y las consideraciones de seguridad de e'plosivos./. #os lmites de coque polimerizacin o descomposicin lmites etc.E. ,lanta y datos del &itiol. UtilidadesDcombustible niveles de vapor agua de en$riamiento re$rigeracin/. instalaciones de eliminacin de residuos y los costes.

HDA EJEMPLO: HIDRODESALQUILACIN DE TOLUENO AL BENCENO

Gon el "n de ilustrar el procedimiento consideramos un proceso continuo para laproduccin de benceno por la hidrodesalquilacin 476(5 de tolueno. #as reacciones deinters son-

#a presin del reactor deseado es 0F2 I3 )m/4F22 psia5 y la temperatura de entradadel reactor debe ser superior a J9FKL 4F2KM5 con el "n de obtener una velocidad de

reaccin su"cientemente grande. #a selectividad 4benceno producido en la salida delreactor dividido por el tolueno convertido en el reactor5 viene dada por la salida delreactor debe mantenerse por debajo de 9.:J2 L 40222 M5 para prevenir las reaccionesde hidrocraqueo.

#a tasa de produccin deseada del benceno es /NF Igmol)hr con una pureza ' 6 O29999. Una corriente de tolueno puro est! disponible en condiciones ambientales yuna corriente de hidrgeno que contiene 9FP de 7/y FP de G7est! disponible a0KL 422KM5 y 0:92 I3)m/ 4FF2 psia5. #a relacin de hidrgenoDaDarom!ticos en laentrada del reactor debe ser superior a F y el efuente del reactor debe ser inactivadar!pidamente a J9FKL 4F2KM5 para evitar as"'ia.

LEVEL 1: BATCH VS. CONTINUOUS

6ado que los procesos por lotes son dependientes del tiempo que tienen unaestructura di$erente y muy di$erentes alternativas de plantas contin+as.

El procedimiento en su $orma actual se limita a los procesos continuos.

LEVEL 2: ENTRADA-SALIDA ESTRUCTURA DE LA HOJA DE FLUJO

6ado que los costos de las materias primas est!n a menudo en el rango de 0F a JFPde los costos de procesamiento totales 4Qrumer 9N:5 nos centramos nuestraatencin inicial sobre las variables de diseo que podran a$ectar estos gastos

corriente.

#as decisiones que tomamos son-

l. B7ay que puri"car las corrientes de las materias primas antes de la trans$ormacin oprocesar las impurezas de alimentacinC/. BGu!ntas corrientes de producto habr!C0. BEs necesario un reciclaje de gas y una corriente de purgaC BGu!les son los costosasociados con una purgaC. BEn caso reversible subproductos recuperarse o reciclarse a la e'tincinC


5/20

F. BGu!les son los costos asociados con las prdidas de selectividad para reaccionescomplejasC&i las impurezas reaccionan es pre$erible eliminarlos antes del procesamiento. &i lasimpurezas son inertes est!n presentes en cantidades bastante grandes pero sepueden separar $!cilmente por destilacin es pre$erible eliminarlos antes delprocesamiento. 3o parece haber ninguna heurstica disponible para cuanti"car la

cantidad. 6el mismo modo no parece haber ninguna heurstica para decidir si es mejorutilizar la destilacin azeotrpica u otras tcnicas de separacin complejas paraeliminar las impurezas. &i una impureza en una corriente de alimentacin es tambinun componente de producto en una o m!s reacciones considerar la posibilidad de lacorriente de alimentacin en el proceso en el punto era que la impureza se recupera yse retira. &i una corriente reactante de $ase gas contiene impurezas ligeras 4es decirque hierven a temperaturas m!s bajas que de propileno5 proceso de las impurezas.

Estas heursticas se basan en la pr!ctica industrial convencional pero no parece que sehan publicado. Es evidente que sera deseable desarrollar heurstica cuantitativos paracada uno de los diversos casos.

HEURSTICA PARA EL NMERO DE CORRIENTES DE PRODUCTO

En primer lugar suponemos que el efuente del reactor contendr! todos loscomponentes en las corrientes de alimentacin y todos los componentes en cada etapade reaccin 4a menos que un componente es conocido por ser inestable de maneraque reaccione completamente5. &i uno o m!s de estos componentes en el efuente delreactor es altamente corrosivo o podra polimerizar o desDcomponer para indeseablepor productos y si podemos $orzar esta reaccin para completar la conversin con el"n de eliminar este tipo de componente noDdeseable que eliminarlo de la lista.&iguiente clasi"camos todos los componentes en el efuente del reactor de la siguientemanera-

;eactivo- recicle;eaccin intermedia- recicle

&ubproducto ;eversible- o bien de reciclaje o de salida(zetropo con reactivo- o bien reciclar azetropo o romper azetropo y reciclarreactante,roducto primario- salida&ubproducto valioso- salida&ubproducto del combustible- salida&ubproducto de residuos- salida(hora ordenamos los componentes de sus puntos de ebullicin normales y agruparvecina componentes del mismo tipo.

El n+mero de corrientes de producto se supone que es el n+mero de bultos.

Este an!lisis est! basado en la heurstica que la destilacin es normalmente la

separacin menos costosa y que sera un desperdicio para separar dos componentes yluego darles un trato idntico por ejemplo a los dos enviar a un suministro decombustible o al tratamiento de residuos.

HEURSTICA PARA RECICLAR Y PURGA

&i un reactivo y o bien una impureza de alimentacin o un subproducto de la reaccintanto hierven a una temperatura in$erior a propileno 4DJ2G DFF2M5 se supone que serequiere un reciclo de gas y una corriente de purga. Esta heurstica se basa en parte enel hecho de que el propileno se puede condensar con agua de re$rigeracin a alta


6/20

presin de modo que todos los materiales menos vol!tiles que el propileno se puedenrecuperar por destilacin 4o alg+n otro dispositivo de separacin del lquido5 utilizandoslo agua de re$rigeracin. ,or supuesto en las plantas de etileno separamos etano apartir de etileno por destilacin utilizando condensadores re$rigerados y que incluso elo'geno separado del nitrgeno por destilacin. &in embargo para la mayora de losprocesos el costo de la recuperacin de reactivos gaseosos 4que normalmente son

mucho menos costosos que los org!nicos5 de impurezas gaseosas es tan grande que esm!s barato para descartar algunas de la sustancia reaccionante en una corriente depurga. Rtra alternativa sin embargo es utilizar un sistema de membrana para separarlos componentes gaseosos.

SALDOS Y COSTOS DE FLUJO DE MATERIALES

#a di"cultad de resolver los balances de materia totales o una tasa de produccin "jade un componente deseado depende del tipo de proceso como se muestra acontinuacin. En nuestro an!lisis inicial suponemos recuperacin completa de todoslos materiales valiosos a menos que haya un reciclado de gas y la corriente de purga.En otras palabras todos los compuestos que reaccionan no convertidos est!ncompletamente recuperados y reciclados. ,or lo tanto slo hay dos hojas de fujo de

inters la Migura .

M. estructura de entradaDsalida deldiagrama de fujo

;eaccin individual. &i hay una sola reaccin sin recirculacin de gas de purga y

siempre es una cuestin simple para calcular las materias primas necesarias ysubproducto fuye de la estequiometra. 4?enga en cuenta que todos los componentesque reaccionan no convertidos salen del reactor se recicla a la e'tincin.5 Una vez quese han determinado las velocidades de alimentacin de los reactivos los fujos deimpurezas pueden ser calculados a partir de las composiciones de alimentacinconocidos. 6espus se han calculado los fujos es una cuestin simple para calcular loscostos de transmisin.

;eciclaje de gas y purga. &i hay un reciclado de gas y una corriente de purga parareacciones simples o complejos alguno de los reactivos gaseosos se descarta. ,ara elc!lculo de los balances de materia en general es necesario especi"car la cantidad o lacomposicin del reactivo en la corriente de purga. Gomposiciones de reactivos grandesen la corriente de purga corresponden a los altos costos de las materias primas.

,or otro lado si inertes pueden acumularse en la corriente de recirculacin de gas demanera que la composicin de purga de reactivo es pequea habr! grandes fujos derecirculacin de gas y grandes costos de reciclaje de gas.

,or lo tanto siempre hay una composicin ptima de purga de los reactantes% pordesgracia no hay una regla de oro para ayudar a adivinar este valor.

En la etapa de diseo preliminar trazamos el valor corriente neto vs. la composicin depurga donde


7/20

C!"#$! "# V!%&' N#(&) P&(#$*+!% E*&$,+*&)V!%&' "#% '&"/*(&0 P&' !%&'"# '&"/*(&- C&(& "# M!(#'+! P'+! 33 456

3ormalmente no es un valor de la composicin de purga reactivo por encima del cuallos costes netos de fujo se vuelven negativos es decir el valor de la materia primadesechada se vuelve tan grande que el proceso nunca ser! rentable. 6e este modo se

determina la gama de composiciones de purga de reactivo donde es posible operacinpotencialmente rentable.

#a recuperacin o reciclaje de subproductos reversibles. &i un subproducto reversibletiene una pequea concentracin a la salida del reactor normalmente es mejor reciclareste componente. Este en$oque ahorra prdidas de selectividad y por lo generalrequiere una unidad menos separacin.

&in embargo no parece haber ninguna heurstica cuantitativa que ayuda a "jar lacomposicin. (lgunos procesos se han comercializado utilizando los dos sistemas esdecir la recuperacin y la eliminacin.

;eacciones complejas- ,ara el c!lculo de los balances de materia generales para lasreacciones de complejos es necesario especi"car la distribucin del producto. ,ara un

gran n+mero de procesos la distribucin del producto puede ser correlacionado contrala conversin 4en algunos casos la temperatura del reactor es importante5. #ae'periencia tambin indica que la $ormacin de subproductos y las materias primasnecesarias tanto aumentar r!pidamente a medida que la conversin aumenta. ,or lotanto el valor corriente neto Ec. disminuye y normalmente se hace igual a cero enalg+n conversin "nito. ,or supuesto a conversiones muy bajas donde las prdidas deselectividad por lo general se acercan a cero habr! una muy grande de reciclaje dereactante no convertido.

,or lo tanto habr! una conversin ptima que se "ja por la economa del proceso esdecir la prdida de selectividad y el costo reactor equilibrada contra el costo dereciclaje. &e espera que esta conversin ptima a ser in$erior a la conversin

correspondiente al rendimiento m!'imo. 3ormalmente hay una cantidad signi"cativade la $ormacin de subproductos en el rendimiento m!'imo y por lo tanto sitrabajamos a pequeas $ormaciones de subproductos y reciclar la cantidad

incremental de reactivo que reducir los costos totales de procesamiento.6esa$ortunadamente no hay heurstica que nos ayudan a estimar la conversinptima. ,or lo tanto en las etapas iniciales de diseo gra"camos el potencialeconmico vs. conversin con el "n de encontrar la regin en la operacinpotencialmente rentable podra ser posible.

ALGUNAS DECISIONES DE NIVEL 2 PARA EL EJEMPLO HDA

,uesto que la impureza metano en la corriente de alimentacin de hidrgeno tambinse produce por la reaccin primaria no parece haber ning+n incentivo para puri"car la


8/20

corriente de alimentacin. 6esde el reciclaje de di$enil a la e'tincin ha sido patentadopor otra empresa evaluaremos la alternativa proceso de recuperacin del di$enil.6esde ambos hidrgeno 4un reactante5 y metano 4ambos una impureza dealimentacin y un combustible por producto5 son m!s ligeros que de propilenosuponemos que vamos a necesitar un reciclaje de gas y una corriente de purga 4unaseparacin de membrana de hidrgeno a partir de metano o$rece otra alternativa

proceso de5.

Glasi"cacin de efuente del reactor. #a clasi"cacin del efuente del reactor se muestraen la ?abla l. 7ay dos corrientes de producto lquido 4benceno y $enilo5 y una corrientede purga que contiene 7/y G7. El diagrama de fujo se muestra en la Migura /.

>alances generales de materiales. &i asumimos ninguna prdida de materiales valiosos4en lugar de la regla de oro de m!s de 99P de recuperacin5 el tolueno convertido enel reactor ser! igual a la tasa de alimentacin $resca tolueno. Entonces para una tasade produccin de ,> benceno encontramos a partir de la estequiometra que la tasa dealimentacin $resca tolueno MM? es

y la produccin de di$enilo ,6 es-

El hidrgeno que entra en la corriente de gas au'iliar 2.9F MQ ser! igual al importeneto de hidrgeno consumido por la reaccin 4,>)&5SD 4D&5)/T adem!s de la cantidadque se pierde en la purga =,7,Q% por ende

Un equilibrio similar puede hacerse para el metano

,or lo tanto la MQfujo de gas de maquillaje y el fujo purga est!n dadas por

( partir de estas e'presiones y la Ec. 0 vemos que la conversacin x y lacomposicin de hidrgeno de la corriente purga =,7 deben especi"carse para elc!lculo de los caudales.


9/20

M. / hoja de fujo de bloques para el

proceso de benceno

M. 0 potencial econmico en el nivel / vs composicin conversin y purga

Costos corriente y el potencial econmico. 6e"nimos el potencial econmico en el nivel/ E,/ es

EP2 ) !%&' "# 7#$*#$& - *&(& "# (&%/#$& - C&(& "# !8/+%%!9# H2

0 V!%&' "#% *&7/(+7%# "# "+#$+% 0 !%&' "#% *&7/(+7%# "# /';! 4116

,or lo tanto podemos trazar el potencial econmico como se muestra en la "gura 0

LA DISCUSIN DEL LEVEL. 2 DECISIONES

#a idea de calcular los valores de productoDm!sDmenos subproductos costes de lasmaterias primas al comienzo de un problema de diseo se ha discutido previamentepor ;udd et al. 49:05 Ayers y &eider 49:N5 y otros. 7emos e'tendido esta idea a losprocesos donde hay una recirculacin de gas y una corriente de purga y parareacciones complejas. ,ara estos dos casos que se presentan com+nmente en lapr!ctica los balances de materia en general dependen de la composicin de purga dereactivo y ) o la conversin y por lo tanto nos trazan los resultados para encontrar laregin donde es posible la operacin rentable.

LEVEL


10/20

componentes valiosos que son menos vol!tiles que los de propileno. #as decisiones quetomamos en el nivel 0 son-

l. BGu!ntos reactores se requierenC &i se utilizan varios reactores que se alimentancorrientes y corrientes de recirculacin est!n asociados con cada reactor y es ciertaseparacin requerida entre la reaccin

/. BGu!ntas corrientes de reciclaje hayC0. Bqueremos usar un e'ceso de un reactivo en la entrada del reactorC. B&e requiere un compresor de recirculacin de gasC BGmo $unciona el compresora$ecta el potencial econmicoCF. &i el reactor de ser operado adiab!ticamente con calentamiento directo oen$riamiento o necesitamos un portador diluyente o calorCN. &i la reaccin se limita equilibrio queremos desplazar el equilibrio usando un e'cesode composicin la temperatura o la presinC:. BGmo los costes de reactores a$ectan el potencial econmicoC

F. 5 '#*+*%! #('/*(! "# =&9! "# >/9&

HEURSTICA PARA REACTORES MLTIPLES

&i algunas de las etapas de reaccin se llevan a cabo a muy di$erentes temperaturas opresiones o si di$erentes catalizadores se utilizan para di$erentes etapas de reaccin acontinuacin se utilizan di$erentes reactores para estos pasos. ,uesto que sabemos la

temperatura la presin y el catalizador asociado con cada etapa de reaccin de lain$ormacin de entrada asociamos etapas de reaccin con n+meros de reactores.

HEURSTICA DE ALIMENTACIN DEL REACTOR ARROYOS

Una vez que hemos asociado a cada etapa de reaccin con un reactor n+meropodemos identi"car los componentes de la reaccin con un n+mero reactor. #uego nosalimentamos los fujos de materias primas en el primer reactor en la serie donde elcomponente reaccionar est! presente.

HEURSTICA PARA EL NMERO Y DESTINOS DE CORRIENTES DERECIRCULACIN

En las decisiones de nivel / se identi"caron todos los componentes que se pueden

reciclar. (hora identi"camos el reactor n+mero en cada una de las especies de reciclajeaparece por primera vez como un componente reaccionar.

7emos ordenado previamente todos los componentes en el efuente del reactor por suspuntos de ebullicin normales. (hora agrupamos componentes de reciclaje vecinos quetienen el mismo destino reactor. El n+mero de corrientes de reciclaje ser! el n+mero degrumos% sera un desperdicio para separar dos componentes y devolverlos en el mismoreactor.


11/20

ESPECIFICACIN DE LA ESTRUCTURA DEL REACTOR

6espus de haber identi"cado la alimentacin y reciclar fujos asociados a cada reactorn+mero podemos aadir estructura m!s "na para el bloque de sistema reactor en lahoja de fujo que se muestra en la Migura . Un ejemplo de este tipo se muestra en laMigura F. 3ecesitamos identi"car esta estructura "na antes de desarrollar los balances

de materiales reciclados.SALDOS DE RECICLAJE DE MATERIALES

El c!lculo de los balances de materiales de reciclaje depende del tipo de sistemaconsiderado.

Reacciones individuales- reactivo limitante. ,ara las reacciones individuales debemosespeci"car la conversin reactor del reactivo limitante con el "n de calcular el fujo dereciclaje del reactivo limitante. 7ay una conversin ptima que implica un compromisoentre grandes costos reactor a altas conversiones y grandes costos de reciclaje aconversiones bajas. Una primera suposicin razonable parece ser la de elegir unaconversin de 9NP para reacciones irreversibles y 9JP de equilibrio para lasreacciones reversibles.

Reacciones individuales- no reciclar. Gabe sealar que e'iste una conversin ptimapara las reacciones individuales incluso si no hay reciclaje.

,ara este caso hay un equilibrio entre los costos de reactores 4que aumentan5 y loscostos de las materias primas 4que disminuye5 a medida que aumenta la conversin.En estas situaciones la conversin ptima a menudo supera el 99P.

Mltiples reactivos- reacciones simples o complejos. #as relaciones estequiomtricas dereactivos dan las velocidades de reaccin m!s altas y m!s pequeos vol+menes dereactor pero en muchos casos es deseable operar con una cantidad en e'ceso de unreactivo en la entrada del reactor. ,or ejemplo un e'ceso de un componente se puedeutilizar para desplazar la conversin de equilibrio para obligar a otro componente para

acercarse a la conversin completa para reducir la $ormacin de coque etc. Guantomayor sea la cantidad de e'ceso utilizado el mayor bene"cio obtenido pero la m!sgrande es el costo ser! para recuperar y reciclar el e'ceso de componente. &iemprehabr! una cantidad ptima del e'ceso pero esta optimizacin normalmente es ver ydi$cil de cuanti"car porque los datos de coque por ejemplo no est!n disponibles. Esuna pr!ctica com+n para basar primero diseos sobre el e'ceso relacin utilizada en ellaboratorio o planta piloto.

;eacciones complejas. &e encontr que era necesario para especi"car la conversin delreactivo limitante para reacciones complejas con el "n de ser capaces de calcular losbalances de materia totales. Utilizamos este mismo valor para estimar los fujos dereciclaje del reactivo limitante.


12/20

M. F &8&?EA( ;E(G?R;

GAS RECICLAJE COMPRESOR

#os compresores son una de las piezas m!s caras del equipo de procesamiento% ,or lotanto deseamos estimar sus e$ectos sobre los costos totales de procesamientoprimeros en nuestro an!lisis de diseo. 6ado que el fujo de recirculacin de gas puededepender de la composicin de purga 4si tenemos una corriente de purga5 o laconversin trazamos el e$ecto de estas variables en los costos. Es decir restamos el

costo anual de energa y el costo de capital anualizado del compresor del potencialeconmico dado por la Ec. .

3ormalmente se obtiene una ptima 4como una $uncin de la composicin de purga yconversin5 de este procedimiento porque el reciclaje fujos convertirse ver y grandecomo la composicin de conversin o de purga de la sustancia reaccionante seconvierte ver y pequea. Este no es el ptimo verdadero sin embargo porque nohemos incluido todos los costos de reciclaje.

&in embargo podemos usar estos resultados para restringir a+n m!s la regin dondese encuentra el diseo ptimo 4los valores a la izquierda de la m!'ima puede serbajado de mayor consideracin ya que la verdadera ptima ser! a un nivel m!s bajo ydesplazado hacia la derecha5

REACTOR EFECTOS DEL CALOR

Una vez estimados los fujos de reciclaje podemos calcular el aumento de temperaturaadiab!tica. El calor total generado en cada reactor depende de la distribucin delproducto y el calor generado por las di$erentes etapas de reaccin y esta generacinde calor 4consumo5 se calienta 4se en$ra5 los productos. ,rogramas de diseo asistidopor ordenadores convencionales hacen de este c!lculo simple una vez que los fujoshan sido corregidos.

6esde pre$erimos llevar a rangos de caudal a travs de nuestro an!lisis preliminarrepresentamos gr!"camente el aumento de temperatura adiab!tica o la temperaturade salida del reactor como una $uncin de las variables de diseo. &i hay una limitacin

de la temperatura debido a reacciones secundarias en el reactor salida este gr!"cotiende a limitar a+n m!s la gama de las variables de diseo en los que es deseableoperar.

&i el aumento de la temperatura adiab!tica 4cada5 no es razonable entonces seeval+a la posibilidad de utilizar la cale$accin directa 4re$rigeracin5 para obtener uncambio de temperatura razonable. #a posibilidad de calentamiento directo4en$riamiento5 depende del calor total generado 4consumido5 y la relacin de super"ciea volumen del reactor. En muchos casos es necesario utilizar un portador de calor


13/20

4diluyente5 para modi"car el cambio de temperatura adiab!tica. ,re$erimos utilizar unmayor reciclaje de cualquiera de los reactivos o productos como portador de calor yaque con este mtodo no es necesario aadir otra unidad de separacin para recuperary reciclar un componente ajeno. &i introducimos un componente e'trao como unportador de calor 4diluyente5 queremos elegir uno que es $!cil de recuperar tal comovapor.

M. N

EQUILIBRIO LIMITACIONES

&iempre que escribimos nuestros balances globales en trminos de tasas de fujo decomponentes siempre podemos obtener soluciones simples en cuanto a la conversincomposicin de purga o de fujo o la relacin molar de los reactivos. &in embargo lasconversiones que elegimos arbitrariamente podran superar los valores de equilibrio.#as conversiones de equilibrio pondr!n restricciones adicionales sobre las curvas decostos y limitar!n a+n m!s la gama de las variables de diseo.,or supuesto podemos cambiar la conversin de equilibrio mediante el uso de une'ceso de un reactivo cambiando la temperatura del reactor o el cambio de la presindel reactor. ,or ejemplo en el caso de reacciones e'otrmicas reversibles es deseable

dividir el reactor en tres o m!s camas adiab!ticas y utilizar intercambiadores deen$riamiento 4o disparo en $ro5 para ajustar los cambios de temperatura en estascamas.

COSTOS DE REACTORES

En este punto del an!lisis que tenemos toda la in$ormacin que necesitamos para sercapaz de disear un reactor. &omos $undamentalmente a o$recer un diseo razonablem!s que el diseo ptimo porque nuestro an!lisis del sistema de separacin podracambiar los fujos de reciclaje. Una vez que se calcula el tamao del reactor y el costorestamos el costo anualizado del potencial econmico. Esperamos que el valor m!'imoen cada curva disminuye en magnitud y desplazar a la derecha.

ALGUNOS DEL NIVEL < DECISIONES PARA EL EJEMPLO HDA

6ado que ambas reacciones tienen lugar a la misma temperatura y presin se utilizaun solo reactor. 6ado que el 7/ y G7 son una recirculacin de gas que est! separadade la de reciclaje tolueno lquido en la ?abla 8 por el producto benceno debemos utilizardos corrientes de reciclo. ,or lo tanto la hoja de fujo es como se muestra en la MiguraN. #a in$ormacin de entrada requiere que 7/ ) arom!ticos O F en la entrada del


14/20

reactor. Gomo nos estamos recuperando el di$enil en lugar de permitir que se acumulea su nivel de equilibrio descuidamos e$ectos de equilibrio.

Aaterial de reciclaje vez m!s asumiendo la recuperacin completa de todos losmateriales valiosos el tolueno alimentado al reactor M? ser! la suma del tolueno sinconvertir M? 48 D '5 y el alimento $resco tolueno es decir

Este mismo resultado se obtuvo para cada proceso.

El fujo de gas de reciclo ;Q se "ja por la relacin 7/)arom!ticos

Este resultado muestra claramente que el fujo de gas de reciclado se convierte enilimitada como dejamos inertes se acumulan en la corriente de gas reciclado 4es decirse apro'ima a cero5 y que los costos de fujo de gas de reciclo y el compresordisminuye a medida que la tasa de gas de maquillaje y materia prima costosaumentan.Utilizando los resultados dados anteriormente podemos calcular $!cilmente todos losotros fujos de proceso.

#os e$ectos del calor del reactor. (hora que hemos estimado todos los fujos deproceso podemos "jar la temperatura de entrada del reactor a J9F2L 4F2 M5 ycalcular la temperatura de salida del reactor para el caso de la operacin adiab!ticacomo una $uncin de la conversin y la composicin de purga de hidrgeno vase laMigura :4;E(G?R; E8? ?EA,E;(?U;E5. #os resultados indican que un reactoradiab!tico debe ser aceptable siempre que la composicin de la conversin y de purgade hidrgeno satis$ace las e'presiones 'V2.J =,7V 2.N. ,odramos de"nir estos lmitescon m!s cuidado si es necesario.

,otencial econmico revisado. &i calculamos el costo anualizado compresor y el costode la energa para el compresor as como el costo anualizado de un reactor adiab!tico


15/20

como $unciones de conversin y la composicin de purga de hidrgeno y luegorestamos estos costos del potencial econmico en el 3ivel / obtenemos unaestimacin revisada del potencial econmico para el 3ivel 0 decisiones E,0-

EP


16/20

Una vez estimados todos los fujos de procesos podemos realizar un c!lculo fash de lacorriente efuente del reactor en la "gura .

3osotros usamos la heurstica a continuacin para las tres alternativas.

l. &i la corriente efuente del reactor es un lquido suponemos que podemos separar lamezcla en slo un sistema de separacin de lquidos la "gura 9. El sistema de

separacin de lquido puede contener destilacin e'traccin destilacin azeotrpicaetc. pero no hay corrientes de vapor de salida de cualquier las unidades.

/. &i el efuente del reactor es una mezcla de dos $ases a la temperatura y presin delreactor que la $ase de divisin en la corriente la Migura 2.

#a corriente de lquido que sale del divisor de $ase va al sistema de recuperacin delquido. Estamos en$riamos el efuente de vapor del reactor a la temperatura del aguade re$rigeracin y la $ase de divisin de nuevo. &i el lquido que sale de este fashtemperatura baja es principalmente reactivo de ese reactor que recircular al reactor4de modo que tenemos el equivalente de un condensador de refujo5. ,or otro lado si ellquido que sale el fash temperatura baja no es principalmente un reactivo de esereactor lo enviamos al sistema de recuperacin de lquido. El vapor de fash desde el

tambor de fash baja temperatura se enva a un sistema de recuperacin de vapor.

0. &i el efuente del reactor es todo vapor se en$ra la corriente de en$riamientotemperatura del agua e intentar una separacin de $ases ver Migura . &i no seproduce una separacin de $ases tratamos de presurizar el efuente del reactor y ) o eluso de re$rigeracin para lograr una $raccin de $ase

4,lantas de etileno requieren ambos5. En los casos donde se necesita una alta presinla posibilidad de presurizar el sistema de reactor debe ser considerado. El lquido defash se enva a un sistema de recuperacin de lquido y el vapor fash se enva a unsistema de recuperacin de vapor. 4En caso de que el vapor fash y el componentelquido m!s ligero se reciclan en el mismo reactor se considera la posibilidad de operarel tambor de e'pansin s+bita a una temperatura m!s alta.5


17/20

DECISIONES NIVEL 5A: SISTEMA DE RECUPERACIN DE VAPORES

En ambas "guras 2 y slo hay una corriente que entra en el sistema derecuperacin de vapor. ?ambin a partir de los c!lculos de fash sabemos que losfujos de componentes en esta corriente. #as decisiones que tomamos en este nivelson-

l. #a posicin de la corriente del sistema de recuperacin de vapor.

/. El tipo de sistema de recuperacin de vapor.

#ocalizacin del sistema de recuperacin de vapor. 7ay cuatro posibilidades-

a. &i la corriente de vapor de fash contiene una cantidad signi"cativa 4en comparacincon el potencial econmico5 de los componentes valiosos que se perderan en la purgaponer el sistema de recuperacin de vapor en la corriente de purga. 4#a corriente depurga normalmente tiene el caudal m!s bajo.5

b. &i la corriente de vapor de fash contiene componentes que $alta el catalizador omolesta la operatividad del reactor poner el sistema de recuperacin de vapor en lacorriente de recirculacin de gas. 4#a corriente de recirculacin de gas normalmentetiene el caudal segundo m!s pequeo.5

c. &i tanto ( y > anteriores se producen poner el sistema de recuperacin de vapor en

la corriente de vapor fash 4la velocidad de fujo m!s grande5.

d. &i ni a ni b es signi"cativo no incluya un sistema de vapor de recuperarse.

cabe sealar que a menos que se elige c y el sistema de recuperacin de vapor est!diseado para lograr altas recuperaciones tanto los balances globales y el reciclaje delmaterial cambiar! un poco. ,or lo tanto a menudo se requiere una etapa de iteracinen el an!lisis.

?ipo de sistema de recuperacin de vapor. 7ay cuatro grandes posibilidades-


18/20

a. #a presin de condensacin de alta y ) o la temperatura baja.

b. (bsorcinDutilizar un componente e'istente como un disolvente si es posible.

c. #a adsorcinDregeneracin del lecho de adsorcin a$ectar! el sistema derecuperacin de lquido.

d. ,rocesos de separacin de membrana.

Gada uno de stos 4e'cepto separacin de membrana5 tiene una o m!s corrientes quese alimenta al sistema de recuperacin de lquido% es decir una separacin vaportambin requiere una separacin lquido. (dem!s el proceso de absorcin 4y por logeneral un sistema de adsorcin5 requiere una corriente de disolvente que se recirculadesde el sistema de separacin de lquido% es decir un bucle adicional de reciclaje seintroduce en el proceso.

Mair 49N95 ha publicado una heurstica que la adsorcin es generalmente la alternativam!s barata si la concentracin de soluto es de menos de FP.

&in embargo dado que la absorcin es mucho m!s ampliamente practicada de

adsorcin en la industria del petrleo hay un equilibrio entre la incertidumbre dediseo y coste real. En algunos casos parece como si todos los ,rocesos de tienenapro'imadamente el mismo costo. En resumen parece que no hay heurstica queproporcionan una decisin clara entre estas alternativas.

DECISIONES NIVEL 5B: SISTEMA DE SEPARACIN DE LQUIDOS

#as decisiones que tomamos en este nivel son-

l. BWu separaciones se pueden hacer por destilacinC

/. BWu secuencia de columnas de destilacin se debe utilizarC

0.. BGmo se deben quitar los e'tremos de luzC

. En caso de que los productos "nales ligeros ventilarse a la atms$era enviado alcombustible o reciclados en el sistema de recuperacin de vaporC

F. BGmo podemos lograr las otras separacionesC

Rrdenamos los componentes de sus puntos de ebullicin normales 4o el punto deebullicin azeotropos5 y determinamos las volatilidades relativas. Gada vez que un L. nos agrupamos los componentes y luego buscamos una secuencia de destilacinpara separar la lista revisada de los componentes. 6espus de haber establecido unasecuencia de destilacin consideramos maneras de separar los componentesagrupados. #as alternativas disponibles son-

a. #a destilacin azeotrpica

b. #a destilacin e'tractiva

c. #a destilacin reactiva

d. E'traccin seguido de destilacin

e. cristalizacin


19/20

el no aparece como si muchos heurstica est!n disponibles para decidir entre estasalternativas o para la seleccin de agentes de arrastre.

LU@ TERMINA ELIMINACION

En muchos casos habr! algunos recortes ligeros disueltos en el lquido que sale de untambor de evaporacin una corriente condensada o el disolvente dejando unabsorbedor de gas. &i estas $racciones ligeras contaminar!n una corriente de productoo deben ser removidos por alguna otra razn las alternativas disponibles son-

a. #a cada de la presin y de la $ase de divisin en la corriente.

b. Utilice una seccin de pasteurizacin en la parte superior de la primera columna.

c. Utilice una columna estabilizadora.

#a alternativa adecuada a elegir depende de la cantidad de luz que termina presente ylas volatilidades relativas de la luz termina en comparacin con el siguientecomponente m!s ligero en nuestra lista. Enviamos generalmente los productos "nales

ligeros para un suministro de combustible pero si cantidades signi"cativas de

materiales valiosos dejan con la luz termina corriente reciclamos esta corriente atravs del sistema de recuperacin de vapores. Un fujo de reciclaje de este tipoobviamente introduce otro bucle de reciclado en el proceso.

&ecuencia de columnas de destilacin

#a seleccin de una secuencia de columnas de destilacin ha recibido considerableatencin en la literatura en los +ltimos aos% una revisin completa ha sido publicadapor 3ishida et al. 49J5. &in embargo la mayor parte de esta investigacin se ha

basado en una +nica alimentacin que entra en la secuencia de separacin mientrasque las "guras 8R y 88 indican que a menudo esperan tener m+ltiples $uentes.

6el mismo modo la heurstica se desarrollaron bas!ndose en la suposicin de quesiempre productos puro deseado. &i un componente es un reactivo que se reciclaentonces no siempre es necesario para que sea puro.

(dem!s dado que la conversin ptima depende de un equilibrio entre la suma de lasprdidas del reactor y selectividad equilibrada contra los costos de reciclaje podramosproponer una nueva heurstica que siempre es deseable minimizar el n+mero decolumnas de destilacin en un bucle de reciclado lquido.

(lgunas de las heursticas m!s com+nmente aceptados para las columnas desecuenciacin son-

a. ;ecuperar el componente m!s ligero primero.

b. ;ecuperar el componente m!s abundante en primer lugar.

c. 7acer las divisiones m!s diXciles.

d. Mavorecer splits equimolares.

3o es de e'traar que estas heursticas pueden ser contradictorios.


20/20

E3 E&?( 7eurstica dependen de la volatilidad relativa mientras heurstica > y 6dependen de la composicin del alimento. &i el orden de los argumentos de magnitudse utiliza para simpli"car las ecuaciones de costos y una solucin apro'imada demontes bajas ecuacin se utiliza para calcular los fujos de vapor un criteriocuantitativo puede ser desarrollada 4Aalone et al.5.

Documents

ART-DOUGLAS en español