Tabla : Costos Totales de Procesos de Refrigeración
Nivel 6. Evaluación de Alternativas Nivel 7 Flexibilidad y Control
Nivel 8. Seguridad
Considerando algunos Casos Bases, se pueden identificar problemas de contaminación en cada uno de los niveles.
La estructura general que se usa para representar una planta se muestra en la Figura 1. Normalmente se supone que se recuperan y reciclan todos los reactivos ( excepto para reactivos gaseosos , donde se usan un reciclo gaseoso y una purga ) los productos intermedios, y los sub-productos producidos por reacciones secundarias reversibles, y que se remueven todos los otros sub-productos e impurezas de la alimentación. Los sub-productos se clasifican por su destino . es decir, los sub-productos valiosos se venden, los combustibles se recupera el valor combustible, los sub-productos acuosos se envían a tratamiento, los residuos sólidos-orgánicos se envían a incineración, y los residuos sólidos se envían a vertederos.
Figura 5.1. Estructura General de un Diagrama de Flujo
Reciclo Gaseoso Purga o Venteo
Producto
Sub-Productos
Reciclos Líquidos
En el nivel 1 se entrega la información de entrada , que incluye la reacción química y la alimentación. En el nivel 2 se consideran solamente la alimentación los productos y sub-productos que entran y dejan el proceso , de manera de tener una idea de la diferencia entre el valor de los productos y el costo de las materias primas en función de las variables de diseño que afectan la distribución del producto ( conversión, temperatura y presión del reactor, razon molar de reactivos a la entrada del reactor), así como también la composición del reactivo en el flujo de purga.
En este nivel se identifican las decisiones que se deben tomar, y que alternativas se pueden tomar. En el nivel 3 se consideran los flujos de reciclos del reactor , y las decisiones que afectan estos flujos, de manera de estimar el flujo de salida del reactor. Conocidos el flujo del reactor y el destino de cada uno de sus componentes se pude diseñar el sistema de separación que corresponde al nivel 4. Si no consideramos la contaminación térmica correspondiente al nivel 5, entonces tenemos una completa descripción de todos los flujos que puden causar problemas de contaminación. Por lo tanto solo necesitamos considerar los niveles 1 a 4 para un análisis de minimización de residuos o un análisis de tecnologías límpias.
5.3 Información Básica en Diseño Conceptual a.. Información de Entrada : Tipo de Problema
La información requerida para iniciar el primer diseño se entrega en la Tabla I. Es importante indicar que en este nivel es muy importante tener información relativa a la seguridad, toxicidad e impacto ambiental de todos los componentes que estarán presentes. Se debe notar también que toda la información descrita en la tabla a menudo no está disponible para efectuar el diseño, y que se trabaja con los datos disponibles y posteriormente se usan los resultados para justificar obtener datos adicionales.
Tabla I : Información Básica Alimentación REACTOR
SISTEMA DE SEPARACIO
1. Las Reacciones y sus Condiciones de Operación. 2. La Producción del Producto Principal
3. Pureza del Producto : Precio vs Pureza 4. Materias Primas y/o Pureza vs Precio 5. Información sobre Velocidad de Reacción y
Velocidad de Desactivación del Catalizador 6. Restricciones del Proceso
7 Datos de Planta, Servicios
8. Datos de Propiedades Físicas de los Compuestos 9. Información sobre :
- Seguridad
- Toxicidad
- Impacto Ambiental 10. Datos Costos de Sub-Productos, Equipos, Servicios
1. Información sobre las Reacciones Químicas
La información acerca de los proceso y reacciones se encuentran en la literatura y principalmente en las patentes. Si el proceso es nuevo se deben contratar personal especializado para efectuar la investigación para conocer las reacciones , temperatura, presión, etc.
La Información necesaria usualmente es :
o Estequiometría de todas las Reacciones
o Rango de Temperaturas y Presiones de las Reacciones o Las Fases del Sistema de Reacción
o Información de la Distribución de Productos vs Conversión o Conversión v/s Velocidad Espacial o Tiempo de Residencia o Estado del Catalizador : Desactivación y Regeneración
Es importante encontrar todas las Reacciones Laterales o Secundarias del proceso, aunque se produzcan trazas de productos
Se debe estudiar el concepto de Máxima Conversión versus Conversión Optima así como también la Selectividad
Numerosos procesos se han diseñado para operar en las condiciones de máxima conversión, pero normalmente esta operación no corresponde a la conversión óptima económica.
Supongamos la reacción hipotética : A B C
Moles de B Producidos Selectividad = --- Moles de A Convertidos
Ejemplo de Selectividad de reacciones : Hidroalquilación de Tolueno para producir Benceno
T + H
2B + C
12 B
D + H
2 a) ReactorTolueno Reciclo
(1-x)
no reaccionado
Tolueno
x
S x
Benceno Producido
Tolueno
Reaccionado
½ ( 1-S) x Difenilo Producido
b) PlantaTolueno Tolueno = 1-x Benceno = S x Tolueno , x 1 mol Benceno = S x
Reactor Separador
Difenilo = ½ ( 1-S ) x Difenilo = ½ ( 1-S ) x
Reciclo de Tolueno = 1-x
Es menos costosa la producción a gran escala ya que las materias primas y servicios tienen un menor costo en grandes plantas.
El máximo tamaño de una planta esta fijado por el máximo tamaño de los equipos que se puedan construir o transportar.
3. Pureza del Producto
Normalmente la pureza del producto es fijada por consideraciones de mercado.
4. Materias Primas
Normalmente en el laboratorio se trabaja con productos químicos puros, pero en el proceso real las materias primas contienen impurezas, por lo tanto se debe caracterizar las materias primas para determinar si se deben remover o no antes de entrar al proceso.
5. Velocidad de Reacción y Desactivación del Catalizador :
El catalizador se va gastando y en la mayoría de las plantas, cada 2-3 años se debe detener el proceso para cambiar el catalizador o regenerarlo.
6. Restricciones del Proceso
Existen restricciones para tamaño y tipos de equipos , rangos de temperatura ( rango de explosividad, descomposición, polimerización, para la seguridad y la productividad).
7. Datos de Planta y Servicios
Se deben tener información sobre todos los tipos de servicio s disponibles en la planta o en plantas anexas a la nueva construcción.
o Servicios
- Suministro de Combustible - Niveles de Presión de Vapor
- Temperaturas de Agua de Refrigeración - Niveles de Refrigerantes
- Potencia Eléctrica o Sistemas de Tratamiento
8. Propiedades Físicas de los Productos y Materias Primas
o Pesos Moleculares o Puntos de Ebullición o Presiones de vapor o Calores Específicos o Calores de Vaporización o Calores de Reacción o Densidades de líquidos o Coeficientes de Fugacidad 9. Información sobre :
o Seguridad o Toxicidad
o Impacto Ambiental
10. Datos de Costos
o Equipos ( Guthrie, Aspen, etc.) o Sub-Productos
o Servicios
Ejemplo de Información Básica : Hidrodealquilación de Tolueno 1. Reacciones :
1. Tolueno + Hidrógeno = Benceno + Metano 2. 2 Benceno = Difenilo + Hidrógeno
Condiciones de Operación:
Temperatura del reactor : Mayor a 1150 ° F ( 621 ° C) Presión del Reactor : 500 psia. ( 34 atm. )
Selectividad y Conversión :
Moles de Benceno a la salida del Reactor Selectividad = --- = S Moles de Tolueno Convertidos
Moles de Tolueno convertido en Reactor Conversión = --- = X
Moles de Tolueno alimentados al Reactor
Según el Químico :
0,0036
S = 1 - --- ; X < 0,97 [ 1- X ]0,5442
Fase gaseosa , Sin Catalizador ( Reacción Homogénea )
2. Nivel de Producción : 80.000 Tons/año = 265 lbmol /hr = 120 kmol/hr de Benceno 3. Pureza del Producto : Benceno con 99,97 % molar de pureza.
4. Materias Primas : Tolueno puro a condiciones ambientes; Hidrógeno con 95 % H2 ,
5 % CH4 a 550 psia , 100 ° F. ( 37 atm, 38 ° C )
5. Restricciones : En entrada del reactor H2/aromático > 5 ( para prevenir
; enfriamiento rápido ( quenching ) del efluente del reactor a 1150 ° F ( para prevenir coquificado ) ; X < 0,97 para la distribución de productos.
6. Otros datos de planta : Efectuar análisis de toxicidad, seguridad, impacto ambiental,
etc.
5.4 Decisiones de Nivel 1 : Sistemas Continuos versus Discontinuos
En la primera etapa del diseño conceptual debemos decidir si para la producción deseada, se usará un proceso continuo o uno discontinuo ( Batch).
Hay ciertos criterios para decidir cual es el apropiado :
a. Nivel de Producción :
Procesos Continuos : Producción mayor a 10 * 106 l lb/año ( 5000 tons/año ) Procesos Batch : Producción menor a 1 * 106 lb/año ( 500 tons/año )
b. Factor de Mercado :
Existen productos como los fertilizantes que son estacionales ; es decir que solo se producen en la época en que se consumen ( Primavera) . Si se producen durante todo el año, se produce un inventario excesivo que produce costos extras.
Algunos productos solo tienen un período de vida corto ( 2- 3 años ), tales como pigmentos orgánicos , por lo cual se prefiere un aplanta batch por su gran flexibilidad para estos productos de corta vida.
c. Problemas Operacionales :
Algunas reacciones son tan lentas que la única alternativa son reactores discontinuos. También es muy difícil bombear borras o pulpas con un bajo flujo sin que sedimenten y tapen o obstruyan las cañerías o equipos, por lo cual es muy difícil construir equipos para procesos continuos cuando se deben manejar bajas capacidades de borras o pulpas, y es preferible usar procesos discontinuos.
En forma similar , algunos productos ensucian muy rápidamente los equipos, por lo cual las operaciones batch son las indicadas para manejar estos tipos de compuestos, debido a que se debe detener periódicamente los equipos y limpiarlos en cada una de estas operaciones.
d. Operaciones Múltiples en Equipos :
Otra característica única de los procesos discontinuos es que a menudo se pueden efectuar varias operaciones en un mismo equipo, mientras que en un proceso continuo se necesita un equipo para cada operación.
a) Sistema Continuo :