CAPITULO III
Diseo de Plantas Industriales Seleccin y Diseo de
ProcesosCaptulo1
SELECCIN Y DISEO DE PROCESOS QUIMICOS INDUSTRIALES
PROCESOS UNITARIOSOPERACIONES UNIARIASDIAGRAMAS DE FLUJODIAGRAMA
DE BLOQUESBALANCE DE MATERIALESBALANCE DE ENERGIA
1.1 DEFINICIONESProcesos qumicosUn proceso qumico es un conjunto
de operaciones qumicas y/o fsicas ordenadas a la transformacin de
unas materias iniciales en productos finales diferentes. Un
producto es diferente de otro cuando tenga distinta composicin, est
en un estado distinto o hayan cambiado sus condiciones.En la
descripcin general de cualquier proceso qumico existen diferentes
operaciones involucradas. Unas llevan inherentes diversas
reacciones qumicas. En cambio otros pasos son meramente fsicos, es
decir, sin reacciones qumicas presentes. Podemos decir que
cualquier proceso qumico que se pueda disear consta de una serie de
operaciones fsicas y qumicas. Cada una de estas operaciones es una
operacin unitaria dentro del proceso global.Operaciones unitariasEs
cada una de las acciones necesarias de transporte, adecuacin y/o
transformacin de las materias implicadas en un proceso qumico.Si
tomamos como ejemplo una planta depuradora de aguas residuales,
esquematizada en la Fig. 1.2, podemos observar como el proceso
global consta de una mezcla tanto de procesos qumicos (oxidacin de
materia orgnica) como fsicos (decantacin de fangos). Tambin podemos
identificar las distintas acciones llevadas a cabo para el
transporte adecuacin y transformacin de las sustancias implicadas
en el proceso.En general un proceso qumico puede descomponerse en
la secuencia de diagramas de bloques de la Fig. 1.3. En el caso
prctico mencionado anteriormente podramos establecer fcilmente
relaciones entre las operaciones llevadas a cabo con su
correspondiente bloque. Los procesos qumicos en general y cada
operacin unitaria en particular tienen como objetivo el modificar
las condiciones de una determinada cantidad de materia en forma ms
til a nuestros fines. Este cambio puede realizarse por tres
caminos: Modificando su masa o composicin (separacin de fases,
mezcla, reaccin qumica). Modificando el nivel o calidad de la
energa que posee (enfriamiento, vaporizacin, aumento de presin,
...). Modificando sus condiciones de movimiento (aumentando o
disminuyendo su velocidad o su direccin).Los tres cambios
mencionados anteriormente son los nicos cambios posibles que un
cuerpo puede experimentar. Un cuerpo est definido cuando estn
especificadas: cantidad de materia y composicin. energa total
(interna, elctrica, magntica, potencial, cintica). las componentes
de velocidad de que est animado.Este hecho experimental tiene su
expresin matemtica en tres leyes de conservacin: ley de conservacin
de la materia. ley de conservacin de la energa. ley de conservacin
de la cantidad de movimiento.Las operaciones unitarias se
clasifican de acuerdo con la propiedad (materia, energa, cantidad
de movimiento) que se transfiera en la operacin y sea la ms
relevante en la misma. Asi por ejemplo, una reaccin qumica es la
operacin unitaria que tiene por objeto distribuir de forma distinta
los tomos de unas molculas (compuestos reactantes) para formar
otras nuevas (productos). El lugar fsico donde se llevan a cabo las
reacciones qumicas se denominan REACTORES QUMICOS.
Clasificacin de las operaciones unitarias. Las operaciones
unitarias son de naturaleza fsica. Se pueden dividir en 5 grandes
grupos:a. Flujo de fluidos.b. Transmisin de calor.c. Mezclado.d.
Separacin: Destilacin, extraccin, absorcin, adsorcin, evaporacin,
cristaliza-cin, humidificacin, secado, filtracin y centrifugacin.e.
Manejo de slidos: Compresin, molienda, tamizado y fluidizacin. No
hay una clara divisin entre algunas operaciones. El funcionamiento
de un evaporador continuo requiere de conocimientos sobre flujo de
fluidos, transferencia de calor; as mismo la cristalizacin, como en
la obtencin del hidrosulfito, puede ocurrir en la evaporacin,
etc.
Modelo matemtico de la operacin unitaria qumicaTericamente se
considera el diseo de reactores desde un punto de vista cualitativo
y de las consideraciones a tener en cuenta en su diseo. Sin embargo
en la prctica tenemos que cuantificar una seria de variables del
proceso como son: caudales. temperaturas (necesaria para superar
por ejemplo la energa de activacin de reaccin). presin de operacin,
Con toda esta informacin se podr entonces decidir: las dimensiones
del equipo. materiales de construccin. necesidad de calefaccin,
refrigeracin, compresin, etc.El clculo de estas variables se
realiza basndose en las 3 leyes generales: conservacin de materia,
conservacin de energa, y conservacin de la cantidad de movimiento.
En forma general estas ecuaciones se representan mediante la
ecuacin siguiente: Las ecuaciones que relacionan variables del
sistema son: Las ecuaciones de estado de las sustancias del
sistema. Las leyes de equilibrio fsico o qumico (relaciones entre
fases, constantes de equilibrio qumico, etc.), aplicables cuando el
sistema est en equilibrio. Las leyes cinticas o de velocidad,
aplicables cuando el sistema no est en equilibrio.El conjunto de
todas estas ecuaciones constituye el MODELO MATEMATICO del sistema.
La resolucin del mismo permitir conocer los valores de todas las
variables del sistema que intervienen, y as poder especificar con
detalle los equipos en los que se podr llevar a cabo el proceso
qumico. Adems de todas estas consideraciones necesitaremos: Anlisis
de costos (materiales de construccin, corrosin, requerimientos de
agua y energa, y mantenimiento). Instrumentacin y mtodos de control
(sistema manual, utilizacin de computadoras). Condiciones de
mercado (relaciones precio-volumen de los reactantes y
productos).En general, todos los equipos - excepto el reactor - son
utilizados para producir cambios fsicos: calentamiento, compresin,
molienda, separacin, etc. Las operaciones fsicas realizadas para
producir estos cambios, tales como transmisin de calor, flujo de
fluidos, destilacin, etc., son llamadas Operaciones Unitarias.Los
cambios qumicos que ocurren en el reactor o reacciones qumicas
(oxidacin, Nitra-cin, polimerizacin, reduccin, esterificacin, etc),
se conocen como Procesos Unitarios.La solucin de casi cualquier
problema de ingeniera qumica, que involucre una operacin o un
proceso unitario incluye los siguientes pasos:a. Realizar el
balance de materia para calcular las masas de reactivos y
productos. b. Realizar el balance de energa para encontrar todas
las interacciones energticas del proceso, fundamentalmente calor y
trabajo. c. Calcular las velocidades de reaccin y de transferencia
de masa, de lo cual se ocupan la cintica qumica y los fenmenos de
transporte.
1.2 Operaciones unitarias qumicas
Una operacin unitaria puede definirse como un rea del proceso o
un equipo donde se incorporan materiales, insumos o materias primas
y ocurren cambios fsicos determinados, son actividades bsicas que
forman parte del proceso. Por ejemplo, la produccin de pulpa o el
descortezado en una fbrica de papel, o la destilacin en un proceso
de elaboracin de productos qumicos.Sera prcticamente imposible
estudiar el nmero casi infinito de procesos qumicos que se llevan a
cabo en la industria diariamente, si no hubiera un punto en comn a
todos ellos. Afortunadamente, esta conexin existe. Cualquier
proceso que se pueda disear consta de una serie de operaciones
fsicas y qumicas que, en algunos casos son especficas del proceso
considerado, pero en otros, son operaciones comunes e iguales para
varios procesos. Generalmente un proceso puede descomponerse en la
siguiente secuencia:
1.- Materias Primas2.- Operaciones fsicas de acondicionamiento
3.- Reacciones qumicas4.- Operaciones fsicas de separacin5.-
Productos
Cada una de estas operaciones es una operacin unitaria. Este
concepto fue introducido en 1915 por el profesor Little, del
Massachussets Institute of. Technology (M.I.T). La definicin dada
entonces, fue la siguiente: "... todo proceso qumico conducido en
cualquier escala puede descomponerse en una serie ordenada llamado
OPERACIONES UNITARIAS, como pulverizacin, secado, cristalizacin,
filtracin, evaporacin, destilacin.... El nmero de estas operaciones
bsicas no es muy grande, y generalmente slo unas cuantas de ellas
intervienen en un proceso determinado."
La IndustriaLneas de ProduccinProceso que al combinarse dan
origen a:Operaciones Unitarias Mecnicas: Filtracin,
Tamizado.Operaciones Unitarias Fsicas: Destilacin y
Cristalizacin.Operaciones Unitarias Qumicas: si trasmiten calor y
energa.PolimerizacinCombustin
TIPO DE OPERACIONES UNITARIAS
Operaciones unitarias fsicas. Operaciones unitarias qumicas.
Operaciones unitarias fsicas De transferencia de materia. De
transferencia de energa. De transferencia simultnea de materia y
energa. De transferencia de cantidad de movimiento.
Complementarias.En todas las operaciones unitarias hay en comn el
concepto de fuerza impulsora. La cantidad de la propiedad
transferida por unidad de tiempo y superficie es igual a la fuerza
impulsora partido de la resistencia. Analizamos la fuerza impulsora
para los tres tipos de propiedades.Materia: la fuerza impulsora es
igual a las diferencias de concentraciones, presiones... en el seno
del fluido que estemos estudiando.Energa: la fuerza impulsora se da
cuando existe una diferencia de temperaturas en el seno de la
masa.Cantidad de movimiento: la fuerza impulsora es la diferencia
de velocidades que existe entre dos zonas del fluido.
Operaciones unitarias qumicasTiene por objetivo distribuir de
una forma distinta los tomos de una molcula para dar otra, es
decir, el paso de los reactivos a los productos. Se da en los
reactores qumicos; para el diseo de estos se deben estudiar las
siguientes caractersticas:- Asegurarnos que los reactivos fluyan
totalmente para conseguir la mezcla deseada.- Proporcionar el
tiempo de contacto necesario entre las sustancias y el catalizador
(si lo hay) hasta lograr la extensin deseada de la reaccin.-
Permitir que se adquieran las condiciones de presin, temperatura y
composicin de modo que la reaccin tenga lugar en el modo y la
velocidad deseadas, para lo cual hay que atender a los aspectos
termodinmicos y cinticos de la reaccin.
Algunas de las operaciones unitarias qumicas son:
COMBUSTIN es el proceso de oxidacin rpida de una sustancia,
acompaado de un aumento de calor y frecuentemente de luz. En el
caso de los combustibles comunes, el proceso consiste en una
combinacin qumica con el oxgeno de la atmsfera que lleva a la
formacin de dixido de carbono, monxido de carbono y agua, junto con
otros productos como dixido de azufre, que proceden de los
componentes menores del combustible.
HIDRATACION.- Cuando un cuerpo seco (anhdrido), absorbe agua,
aunque sea en forma de humedad, se dice que este cuerpo est
hidratado o que ha sufrido el fenmeno de hidratacin.
OXIDACION.- Es la operacin de introducir oxgeno en un cuerpo de
manera que forme parte de su constitucin ntima, tal sera el agua
(H20) agregar un tomo de oxgeno y formar agua oxigenada ( H202 )
tambin Llamada perxido de hidrgeno 0 dixido de hidrgeno. La
combustin es Tambin un proceso tpico de oxidacin pues toma el
oxgeno del aire para quemar el carbono.
REDUCCION.- Consiste en separar oxigeno de un cuerpo para que
este resulte puro. En la metalurgia del hierro, por ejemplo se
reduce el mineral formado por xidos y al eliminarse el oxgeno queda
el metal puro. Un cuerpo reductor es el carbono; as tenemos que el
carbono en caliente con ayuda de la flama reduce el xido de plomo,
de cobre, etc. al estado de plomo y cobre puro.
SAPONIFICACION: Cuando una sustancia grasa es tratada en
caliente por medio de una leja fuertemente alcalina, se transforma
en jabn ( la saponificacin.).
HIDROGENACION, reaccin que implica la combinacin de hidrgeno con
ciertos compuestos orgnicos no saturados, especialmente con los
hidrocarburos. Por ejemplo, al hidrogenar el eteno (C2H4) se
obtiene etano (C2H6). La hidrogenacin se usa tambin con molculas ms
complicadas, obtenindose gran variedad de productos sintticos
importantes en el laboratorio y en la industria.La reaccin de
hidrogenacin se aplica a escala industrial en numerosos procesos,
como la hidrogenacin de los aceites vegetales para producir
numerosas grasas comestibles, por ejemplo la margarina El proceso
de hidrogenacin se aplica tambin en la produccin de gasolina
sinttica.
CRAQUEO O CRACKING, proceso qumico por el cual un compuesto
qumico, normalmente orgnico, se descompone o fracciona en
compuestos ms simples. El craqueo se realiza ya sea por la
aplicacin de calor y alta presin, mediante el proceso conocido como
craqueo trmico, o bien por el craqueo cataltico, que es la
combinacin de calor y una catlisis. En las refineras modernas,
primero se separa el petrleo por destilacin fraccionada. A
continuacin, casi todas las fracciones ms pesadas son sometidas a
craqueo. En el proceso siempre se forma hidrgeno y carbono.
FERMENTACIN proceso en el que ocurren cambios qumicos en las
sustancias orgnicas producidos por la accin de enzimas Ilamadas
fermentos, producidas por organismos diminutos tales como el moho,
las bacterias y la levadura. Por ejemplo, la lactasa, un fermento
producido por una bacteria que se encuentra generalmente en la
leche, hace que sta se agrie, transformando la lactosa (azcar de la
leche) en cido lctico. El tipo de fermentacin ms importante es la
fermentacin alcohlica, en donde la accin de la simaza segregada por
la levadura convierte los azcares simples, como la glucosa y la
fructosa, en alcohol etlico y dixido de carbono. Hay otros tipos de
fermentacin que se producen de forma natural, como la formacin de
cido butanoico cuando la mantequilla se vuelve rancia, y de cido
etanoico (actico) cuando el vino se convierte en vinagre.
POLIMERIZACIN. es el proceso que se realiza al unir varias
molculas ms pequeas (monmeros) en otras ms grandes Polmeros. El
nmero de unidades que se repiten en una molcula grande se llama
grado de polimerizacin. Los materiales con un grado elevado de
polimerizacin se denominan altos polmeros. Los homopolmeros son
polmeros con un solo tipo de unidad que se repite. En los
copolmeros se repiten varias unidades distintas. La mayora de las
sustancias orgnicas presentes en la materia viva, como las
protenas, la madera, la quitina, el caucho y las resinas, son
polmeros; tambin lo son muchos materiales sintticos como los
plsticos, las fibras, los adhesivos, el vidrio y la porcelana.
1.3 Procesos unitarios qumicos.Un proceso unitario es aquel que
requiere de una o ms operaciones, en las que ocurren
transformaciones qumicas. Los procesos unitarios estn clasificados
de acuerdo con el tipo de reaccin qumica involucrada. En 1945, en
su texto "The Chemical Process Industries" el profesor R. Shreve
clasific los principales procesos unitarios como sigue:a. Combustin
b. Oxidacin c. Neutralizacin d. Formacin de silicatos e.
Caustizacin f. Electrlisis g. Doble descomposicin h. Calcinacin i.
Nitracin j. Esterificacin k. Reduccin l. Amonlisis m. Halogenacin
n. Sulfonacin o. Hidrlisis p. Hidrogenacin q. Alquilacin r. Reaccin
de Friede-Crafts s. Condensacin t. Polimerizacin u. Fermentacin v.
Diasotizacin y acoplamiento w. Pirlisis x. Aromatizacin y.
Isomerizacin Los cuales presentan semejanzas y disparidades entre
s, pero las similitudes son aparentes y no se pueden tratar de una
manera genrica como se hace con las operaciones unitarias.
1.4 Diagramas de flujo. Se utilizan en ingeniera qumica para
representar en forma esquemtica y simblica los diferentes procesos
industriales, las etapas que los integran, los equipos que las
constituyen y las corrientes de materiales que los
interrelacionan.En esencia, son dibujos formados por lneas y
smbolos que ayudan a entender cmo se realiza el flujo de materia o
energa en un proceso o en un equipo. Los smbolos representan las
unidades de equipo de proceso y se escogen desde el punto de vista
de la claridad y simplicidad, y generalmente guardan cierto
parecido con el equipo que representan; las lneas que se conectan a
dichas unidades sealan tubos o ductos a travs de los cuales se
transfieren materiales. Estas lneas se denominan, generalmente,
corrientes y estn caracterizados por variables como la razn de
flujo del material, la composicin, la temperatura, la presin,
etc.Hay varias clases de diagramas de flujo que son utilizados para
diferentes propsitos, su nomenclatura no est estandarizada y las
compaas y libros utilizan los ms convenientes a sus fines.La
primera etapa para solucionar un problema de ingeniera qumica es su
traduccin a un diagrama de flujo donde se simbolizan las
caractersticas ms importantes del problema, que es una condicin
casi indispensable en la realizacin de los balances de materia y
energa de un proceso o de una planta. Algunos de los diferentes
tipos de diagramas de flujo son: Diagramas de bloques de proceso
Diagrama de flujo de proceso. Diagramas de instrumentacin y
tuberas.
1.5 Diagrama de bloques de processo (DBP)Son los ms simples y en
ellos se representa el proceso o alguna de sus partes por medio de
bloques o rectngulos con flechas que indican las corrientes de
entrada y salida. Dentro del rectngulo se coloca la indicacin del
proceso o equipo que representa y las lneas sealan la direccin que
sigue el proceso. Ver seccin (1) Conceptualization and Analisys of
Chemical Process.
3.6 Diagrama de flujo de proceso (DFP). Son una representacin ms
cercana a la realidad. En ellos se representan los diferentes
equipos, comnmente empleados en la industria, por medio de smbolos
que conservan, en cierto modo, su apariencia fsica. Se muestra la
interrelacin entre los diferentes equipos por medio de lneas de
unin. Las propiedades fsicas, las cantidades, las temperaturas y
las presiones de los materiales son parte importante de estos
diagramas.Estos valores se pueden indicar de tres maneras:
Colocando los datos sobre cada corriente. Identificando la
corriente con un nmero o letra que se refiere a una lista adjunta.
Adjuntando los datos en una hoja de tabulacin. Los diagramas
simblicos son los ms utilizados en la ingeniera qumica debido a
que: Ayudan al diseo y acomodamiento de la planta, Dan una idea
clara del proceso, Facilitan el dimensionamiento del equipo, Sirven
como medio de instruccin del personal relacionado con el proceso,
Ayudan a la realizacin de los balances de materia y energa. Los
smbolos, utilizados en estos diagramas de flujo y que representan
los equipos, han sido estandarizados por el uso, y recopilados por
la Asociacin Americana de Estndares. La Figura 3.1 muestra alguno
de los smbolos ms usados para representar esquemtica-mente los
diferentes equipos y accesorios que forman parte de una planta
qumica.
Figura 3.1. Smbolos usados para representar equipos
En la seccin (1) Conceptualization and Analisys of Chemical
Process se explica con mas detalle el diseo de los diagramas de
flujo o Flowsheet.
1.7 Seleccin de un proceso
As como suelen existir varios caminos para llegar a un destino,
tambin existen varios procesos para obtener un producto. De manera
que cuando queremos sintetizar un determinado producto qumico, en
muchos casos nos encontramos que existen varias formas o procesos
para hacer el producto que deseamos. A cada proceso le corresponde
una patente diferente. El problema que se presenta ahora es decidir
cual de ellos aplicar, y bajo sta premisa, queremos seleccionar el
mejor; por lo tanto ese es el objetivo, seleccionar el proceso mas
adecuado o talvez el que mejor se adecue a nuestros
requerimientos.La aparicin de nuevos procesos obedece al desarrollo
tecnolgico de la industria qumica que responde a las pretensiones
de reducir costos por consumo de energa y a mejorar la calidad para
ser ms competitivos, y en resumen a las exigencias de los
consumidores. As por ejemplo, la tecnologa actual para la
fabricacin de jabn podra sufrir cambios positivos en su formulacin
para el da de maana. Debido a la complejidad y diversidad de los
procesos qumicos, un estudio extenso proporciona un enfoque
poderoso muy til para el diseo de nuevos procesos de manufactura.
Existen varios mtodos para seleccionar el proceso mas adecuado.
Veamos cual puede ser mas conveniente para nosotros, teniendo en
cuenta que se va a desarrollar un proyecto de diseo de una planta
industrial. Es importante tener en cuenta la calidad, pureza,
concentracin, entre otras caractersticas, que son de importancia
para el fabricante. Con todos los procesos existentes para elaborar
un mismo producto no siempre se obtiene la misma calidad.Para tener
acceso a los procesos existentes y a sus respectivas patentes, se
recomienda visitar a travs de Internet las siguientes
publicaciones: Industrial & Engineering Chemistry Industrial
& Engineering Chemistry Process Design and Development
Engineering Chemistry Products Journal of Chemical and Engineering
Chemical and Engineering News.
METODOS PARA SELECCIONAR UN PROCESO
a. METODO DE CRITERIO TECNICOTiene en cuenta tres factores:
ComplejidadDisponibilidad de informacinCalidad de producto.
b. METODO DE CRITERIO ECONOMICOTiene en cuenta lo siguiente:Tasa
Interna de Retorno ms alta.Para obtener ste dato es necesario tener
el estudio econmico del proyecto, por lo que para un proyecto de
diseo no es aplicable.
c. METODO DE CRITERIO E INVERSIONES RELATIVAS
Este mtodo tambin tiene que ver con el estudio econmico del
proyecto, por lo que no es posible aplicarlo para proyectos de
diseo de plantas industriales.
De los mtodos descritos, el que mas se adecua al proyecto de
diseo de plantas industriales es el Mtodo de Criterio Tcnico.
Para la seleccin de un proceso utilizando el mtodo de criterio
tcnico se recomienda una evaluacin cuantitativa de los factores
tcnicos a travs de un anlisis y ponderacin de los factores de
calidad, complejidad y disponibilidad de informacin. Un ejemplo, se
muestra en la siguiente tabla.FATORESV.PProceso 1Proceso 2Proceso
3Proceso 4
Calidad1081066
Complejidad55444
Disp. Informacin43411
16181111
De la evaluacin realizada a cuatro procesos y que se muestra en
la tabla se observa que el proceso 2 sera el seleccionado por tener
el mas alto puntaje de evaluacin debido a mejor calidad que ofrece
el proceso, mayor disponibilidad de informacin, y poca
complejidad.
1.8 Desarrollo del procesoEl desarrollo de un proceso consiste
en la recoleccin de datos del proceso, como por ejemplo las
variables de operacin como son la temperatura y presin a las que se
trabaja en ciertas operaciones., analizar la informacin como por
ejemplo la variacin de la conversin en funcin a la variacin de la
temperatura, y la organizacin de la informacin de los sistemas que
ha de permitir mas adelante llevar a cabo el diseo del proceso. Se
requiere de datos referidos mayormente a: Materia prima:Cantidad
necesaria, disponibilidad, fuente de abastecimiento, propiedades
fsico-qumicas, entre otros. Producto:Caractersticas,
especificaciones de calidad y de mercado, propiedades
fisico-qumicas, pureza, etc. Insumos:Disponibilidad, Propiedades
fsicas, pureza, calidad, etc.
As tambin es necesario contar con la informacin de Procesos de
manufactura, sistemas, condiciones de operacin, rendimiento,
equipos, patentes, calidad del producto, entre otros. Esta
informacin es analizada, y se aprovecha lo que se requiere para el
proyecto.Luego es necesario organizar los datos y la informacin
obtenida, de manera que quede expedita para llevar a cabo el diseo
del proceso.
FUENTES DE INFORMACION
Para adquirir datos e informacin sobre los procesos que nos
interesan, se recomienda revisar libros, enciclopedias, manuales,
revistas, y enlaces en Internet, como por ejemplo:
1. Textos, Libros, Enciclopedias:a. Manual del Ingeniero
Qumico.- Perry & Chiltonb. Tecnologa de la Industria Qumica.-
Kirk Othmerc. Chemical Engineering Design Project.- Martin Ray
& Jhonstond. Chemical Process and Design Handbook.- James
Speitght
2. Revistasa. Chemical Engineeringb. Hidrocarbon Processingc.
Food & Technologyd. Ingenieria Quimicae. Alimentos Procesadosf.
Tecnologa del Plsticog. Industria Papelerah. Aindustria de
Alimentos
3. Internet (Revistas y libros virtuales)1.9 Diseo del
proceso
El diseo del proceso en cuanto es un conjunto de tcnicas que
permiten crear un proceso de manufactura. En la mayora de los casos
las patentes de un proceso presentan una descripcin resumida del
proceso y un diagrama de flujo donde intervienen los principales
equipos del proceso. As tambin, casi no se mencionan todas las
variables de operacin, y tampoco ciertos sistemas auxiliares del
proceso, en tal sentido, la tarea de completar el verdadero
proceso, es un trabajo de diseo a cargo de un experto que en ste
caso resulta ser un ingeniero qumico.
1.9.1 Diseo del proceso bajo enfoque sostenibleEl compromiso de
la industria qumica con el cuidado del ambiente es cada da mayor en
la medida que los procesos qumicos industriales son una de las
causas ms significativas en la contaminacin ambiental. En tal
sentido, es compromiso tambin de los ingenieros que disean los
procesos, e hacerlos cada vez ms limpios, utilizando tecnologas
limpias para hacer de ellos sostenibles en el tiempo.Bajo esta
premisa, el diseo de los procesos se har bajo un enfoque
sistemtico, jerrquico y sostenible. (Chemical Process Design por
Dimian A.& Costin S.)El enfoque sistemtico es una metodologa de
diseo que consiste de una combinacin de etapas de anlisis y
sntesis. El Anlisis est dedicado al conocimiento de los elementos
de un sistema, como por ejemplo, la investigacin de las propiedades
fsicas de las especies y mezclas, y el estudio de los elementos que
caracterizan el funcionamiento de los reactores y operaciones de la
unidad, o la evaluacin de la rentabilidad. La sntesis comprende
actividades que tienen como objetivo determinar la arquitectura del
sistema, como la seleccin de componentes adecuados, su organizacin
en el marco de una estructura, as como con el estudio de las
conexiones e interacciones.Las herramientas con las que cuenta hoy
la ingeniera qumica para el diseo del proceso son tres:
a. Desarrollo del proceso: Aqu la informacin obtenida es terica
y viene de las fuentes bibliogrficas. Los resultados estn sujetos a
verificacin y por lo tanto son poco confiables. Una ventaja es que
el mtodo es barato.b. Simulacin: Se basa e modelamiento matemtico
(anlisis del proceso). El anlisis puede ser determinstico o
estadstico. Actualmente la tecnologa de la computacin e informtica
nos provee de software y hardware, y con la computadora podemos
simular un proceso qumico, obteniendo resultados vlidos. A
diferencia del mtodo anterior, ste es mas costoso.Algunos software
conocidos para simular procesos son: Chemcad, Hysys, Aspen,
LookOut. Todos estos programas operan en ambiente Windows.c.
Experimentacin: Consiste en someter al proceso a ensayos en una
planta piloto o laboratorio. Los resultados obtenidos son valederos
e inapelables.
Un buen diseo utiliza las tres herramientas para complementar y
optimizar la adquisicin de la data de informacin.
El diseo de un proceso siguiendo la secuencia para un proceso
sostenible comprende:
a. Enfoque sistemtico (segn Dimian & Costin)
Consiste en explicar de manera detallada y concisa como se va a
desarrollar el diseo del proceso durante el desarrollo del
proyecto. Este enfoque abarca varios acpites, por lo tanto, se debe
explicar en qu consiste cada uno, los cuales deben desarrollarse en
su oportunidad desde un punto de vista sistmico. Estos acpites
son:
Enfoque jerrquico Anlisis Pinch Mapa de residuos Optimizacin de
super estructura Anlisis de controlabilidad.DISEO DEL PROCESO BAJO
ENFOQUE JERARQUICO
Atendiendo al modelo de Douglas (Analysis, Synthesis and Desing
of Chemical Processes por Turton, R) y de Dimian & Costin
(Chemical Process Design), se ha sintetizado el enfoque jerrquico
como sigue:
1. Definir si el proceso es batch o continuo2. Diseo del
diagrama conceptual del proceso (mapa nube)3. Desarrollo de la
estructura de entradas y salidas del proceso.4. Identificacin la
estructura de reciclos del proceso5. Definicin del Sistema de
separacin del proceso. Identificar los subsistemas de separacin del
proceso. Identificar sistemas de separacin y recuperacin de gases y
vapores. Identificar sistemas de recuperacin de slidos de las
soluciones. Identificar sistemas de separacin de productos de una
mezcla de lquidos. Sistema de separacin de producto de slidos.
Combine the separation systems and study interactions.6.
Identificacin de los sistemas de transferencia de calor: Aplicacin
de tecnologa Pinch para uso ptimo de calor y ahorro de energa.
Diseo de sistema de ahorro de agua (sistema para reciclo de agua).
Diseo de sistema de ahorro de solventes (sistema para reciclo de
solvente). 7. Sistema de Seguridad y salud ocupacional. Aplicacin
de las normas OSHAS 18001.8. Estudio de control ambiental.
Aplicacin de normas IS0 14001 -2009. Gestin de la calidad en el
proceso. Aplicacin de normas IS0 9001-2008
Una forma mejorada de la jerarquizacin propuesta por Douglas es
por niveles de la siguiente manera:
Nivel 1: Cintica qumica y termodinmica del proceso
Este nivel trata del anlisis de los conocimientos fundamentales
necesarios para realizar el proceso de diseo conceptual. Una
descripcin detallada de la cintica qumica es esencial para el diseo
del reactor qumico. Se basa en el anlisis a las variables que
conducen a la determinacin de la velocidad de reaccin. Enfoca la
cantidad de reactante que se convierte por unidad de tiempo, por
cantidad unitaria de una variable en referencia y en el sistema
donde reacciona.Aqu se identifican las restricciones establecidas
por el equilibrio qumico o para la cintica qumica.a. Propiedades
fsico qumicas de los componentes del proceso.b. Condiciones del
procesoc. Rendimiento totald. Rendimientos parcialese. Reactivo
limitantef. Grado de conversin de los reactantesg. Razn de los
reactantes.
Termodinmica del proceso y equilibrio termodinmico:Aplica las
leyes termodinmicas en el proceso y el comportamiento de las
variables: P, V, T. El sistema tiene un estado identificado y
reproducible, cuando todas sus propiedades son fijas, por lo tanto
las propiedades del sistema quedan determinadas y fijas por su
estado. Hay ciertas propiedades que se detectan con instrumentos de
medicin. Por ejemplo: temperatura con termmetro y presin con
manmetro.Cuando un sistema abandona su estado de equilibrio, sufre
un proceso mediante el cual varan sus propiedades hasta llegar a un
nuevo estado de equilibrio. Durante dicho proceso el sistema
interacta con el entorno intercambiando energa en forma de calor y
trabajo, produciendo en el sistema o en el entorno ciertos
cambios.Cuando estos procesos se invierten para recorrer en sentido
opuesto la misma trayectoria sin necesidad de un trabajo adicional
al que produjo el proceso directo se dice que son reversibles, caso
contrario seran irreversibles.El tipo de sistema que se encuentra
con mayor frecuencia en aplicaciones de la Ingeniera Qumica es
aquel para el que las variables que se pueden medir (Presin,
volumen, temperatura y composicin), las que no necesariamente deben
ser independientes. Estos sistemas estn constituidos por fluidos,
lquidos o gases y se denominan sistemas PVT.
NIVEL 2: Estructura de Entradas y Salidas: Diagrama de flujo del
Proceso
Esta etapa establece el marco del balance de materiales global
delimitada por las materias primas en la entrada, y los productos,
subproductos y residuos en la salida. As tambin la decisin de diseo
clave respecto al rendimiento del sistema de reaccin. La descripcin
detallada del proceso se resume a travs de un grfico que presenta
los equipos que intervienen en el proceso, las corrientes de flujo,
tuberas y accesorios, representados por smbolos, denominado
Diagrama de flujo del proceso (DFP). En la seccin (1)
Conceptualization and Analisys of Chemical Process se explica con
ms detalle el diseo de los diagramas de flujo.A este grfico suele
acompaarse un diagrama que resume solamente los procesos que
realizan transferencia de masa, denominado Diagrama de Bloques del
Proceso (DBP).Un diagrama de bloques es un conjunto de boques que
representan las operaciones del proceso que realizan una
transferencia de masa. Permiten realizar el Balance de Materiales
en el proceso. Ver seccin(1).
Balance de Materiales
En general para proceso con o sin reaccin qumica:
todo referido a un diferencial de tiempo dt. Los trminos
Generacin y Consumo se refieren a ganancias y prdidas por reaccin
qumica. Si no hubiera reaccin qumica: Acumulacin = Entradas
SalidasSi no hay acumulacin ni reaccin qumica: Entradas =
Salidas.El Balance de materiales se realiza en todos los equipos
donde ocurre una transferencia de masa, calculando equipo por
equipo, tal como el ejemplo que se muestra en la pgina 119-135 del
Capitulo 7: Mass and Energy Balances del libro CHEMICAL ENGINEERING
DESIGN.Adjunto al diagrama de bloques se debe anotar la base de
datos para los clculos. Como por ejemplo:
Capacidad de Planta20 000 tn/ao
Tiempo de operacin8000 hr/ao
Unidad de clculo2.5 tn/hr
Balance de Energa
Se realiza en el reactor y en todos los sistemas que realizan
transferencia de calor. Los resultados del balance se presentan en
un cuadro resumen como se muestra en la Tabla 2.1. En el apndice
del informe se desarrollan los clculos del Balance de Materiales y
Energa. El Balance de Energa se realiza en todos los equipos con
transferencia de calor y los clculos se muestran en el apndice de
manera similar al balance de materia (pag.119-135 Chemical
Engineering Design). Un ejemplo se muestra en la tabla 1.1.
TABLA 1.1EJEMPLO DE BALANCE DE ENERGA DEL PROCESO DE PRODUCCIN
DESULFATO DE SODIO POR EL MTODO MANNHEIM
EQUIPOSCORRIENTESFLUJOKg/Hr.TEMPERATURACALORQ Kcal/Hr.
ENTRADASALIDA
REACTOR(R 1)Agua, H2SO4, NaCl2243.0225 C35 C+6056.2
VaporSaturado (60 psi)11.91144.84 C144.84 C-6056.2
EVAPORADOR(E - 1)(al vacio)Agua, sulfato de sodio, HCl2243.0235
C65 C+26579.9
VaporSaturado (70 psi)52.7150.51 C150.51 C-26579.9
ENFRIADOR (ENF 1)HCl al 20%339.7165 C30 C-7013.82
Agua de enfriamiento467.5925 C40 C+7013.82
CRISTALIZADOR(CRIS - 2)SO4Na + agua3022.7055 C90 C+55859.5
VaporSaturado (80 psi)111.59155.57 C155.57 C-55859.5
ENFRIADOR( ENF 2)SO4Na + agua1865.6290 C40 C-44495.04
Agua de enfriamiento2966.3425 C40 C+44495.04
NIVEL 3: Reactor, separacin y reciclaje
Este nivel se refiere a los elementos clave que definen la
arquitectura de procesos, a saber, el reactor qumico interactuar
con los separadores a travs de reciclajes. El nfasis est puesto en
el diseo del reactor, y consideracin cuantitativa de Reacciones
secundarias y la formacin de impurezas. Otra caracterstica es el
anlisis inicial de los problemas de integracin de calor en relacin
con el reactor qumico, son las reacciones exotrmicas con respecto a
(1) la estabilidad del sistema de reaccin qumica frente a la
retroalimentacin de los materiales y la energa, y (2) el uso ptimo
de la energa para cubrir las necesidades propias y la exportacin de
los excedentes. Por otro lado, las reacciones endotrmicas se ven
limitados por la disponibilidad de servicios pblicos, as como por
los dispositivos costosos para la generacin de calor y
electricidad. Si el Nivel 3 se resuelve correctamente, el
desarrollo flowsheet debe seguir una pista casi secuencial que
consiste en la sntesis de los subsistemas y la resolucin de
integracin de problemas locales. En resumen, el ahorro de energa
puede traer algunas modificaciones con respecto al sistema de
separacin, pero sin afectar ni el diseo de reactores qumicos ni la
estructura de reciclajes.
NIVEL 4. Sistemas de separacinA diferencia del procedimiento de
Douglas, la sntesis del sistema de separacin hace uso de una tarea
- metodologa para resolver los subsistemas de separacin de gases,
lquidos y slidos. El enfoque consiste en identificar la tarea
separacin por medio de procesos u operaciones unitarias. El ranking
de las tcnicas de separacin se basa en la identificacin de una
propiedad caracterstica entre los componentes de una mezcla.
Nivel 5: Integracin Energtica. Este nivel implica un amplio
espectro de actividades de diseo para hacer frente a la minimizacin
del uso de energa y materiales. Estos se pueden clasificar de la
siguiente manera:
Anlisis Pinch para optimizar el consumo de energa. Diseo del
sistema o red de transferencia de calor. Minimizar consumo de agua:
diseo de un sistema eficiente para reciclar agua. Minimizar consumo
de disolvente: diseo de un sistema eficiente para el reciclaje de
disolventes.
Todas estas estrategias debern ser contempladas en el diseo del
proceso y mostradas en el diagrama de flujo de procesos (DFP).
Los niveles 6, 7, 8 y 9 se tratarn en captulos posteriores.
EJEMPLO DE BALANCE DE MATERIALES EN UN BLOQUE
Sea el bloque R-1, con las corrientes A, B y C (entradas) y D, E
(salidas):
R-1ABCDECorriente A: (kg/hr) Agua: 502.56 Az. Reductores:
1400.00Sust.no ferment.: 610.23TOTAL 2512.79
Corriente B: (kg/hr) Agua: 2194.94 TOTAL 2194.94 Corriente C:
(kg/hr) Agua: 0.015 Acido sulfrico: 0.598TOTAL 0.613
Corriente D: (kg/hr) Impurezas: 0.613 TOTAL 0.613
Corriente E: (kg/hr) Segn el diagrama: Agua: 2697.5 A + B + C =
D + EAz. Reductores: 1400.00 2512.79 + 2194.94 + 0.613 = 0.613 +
4707.73 Sust.no ferment.: 610.23 4708.343 = 4708.343TOTAL
4707.73
EJEMPLO DE CALCULOS PARA BALANCE DE ENERGIA
En enfriador de acido clorhdrico al 20%:Como se trata de
intercambio de calor sensible, aplicamos: Q = m.cp.TCalor que
pierde el acido: Q = 339.71 kg x 0.5899 x -35C = -7013.82
kcal/hrMasa de agua necesaria: m = Q /(cp. T) = 7013.82/(1.0 x 15C)
= 467.59 kg/hrAqu el agua absorbe el calor, es decir: Q = 7013.82
Kcal/hr
Notas Si la corriente que interviene en la transferencia de
calor es una mezcla de dos o ms componentes, el calor especfico
sera el de la mezcla, que resulta de la sumatoria de los productos
de la capacidad calorfica de cada componente multiplicado por su
composicin en la mezcla. Si en la transferencia de calor hay cambio
de fase, se aplica: Q = m., siendo el calor latente de vaporizacin.
Antes de discutir las etapas involucradas en el diseo conceptual de
un proceso, habra que hacer notar que la decisin ms importante en
la evolucin de un proceso es escoger que sntesis qumica o ruta debe
ser investigada para producir el producto deseado. La identificacin
de procesos qumicos alternativos Douglas y Dimian & Costin
propusieron un modelo jerrquico para el diseo conceptual del
proceso. En este contexto, el diseo del proceso sigue una serie de
etapas y decisiones. El orden en el cual esas decisiones se
realizan da lugar a la jerarqua del diseo del proceso.1. Decidir si
el proceso es batch o contino.2. Identificar la estructura de
entradas y salidas del proceso.3. Identificar y definir la
estructura del reciclo del proceso.4. Identificar y disear la
estructura general del sistema de separacin.5. Identificar y disear
la red de transferencia de calor o sistema de recuperacin de energa
del proceso.
64Msc. Pedro Angeles Chero