Evolución de un proceso más verde
Mezclador 1 Reactor 1 Separador 1 Separador 2 Mezclador 2 Reactor
Dgen,2 D9 A8-Acons,2 0 A7 A8 EO8-EOcons,2 0 EO6 EO8 EO4 EO6 EOgen,1 EO4 N5 N11 N4 N5 N3 N4 N2 N3 O3-Ocons,1 0 O2 O3 E5 E10 E4 E5 E3-Econs,1 E4 E1 E10 E3
Se han propuesto sistemáticamente 24 ecuaciones que describen el diagrama de flujo de bloques de la figura 2.15, y se tienen 18 variables de corriente más 6 variables del sistema. (¡Cuéntelas! ¿Por qué se tienen 24 variables en total cuando el análisis DOF enlista sólo 20?) Se empezará con los balances del reactor 2 y se trabajará siste- máticamente en las ecuaciones restantes (o se utilizará un programa de cómputo para solución de ecuaciones). Los resultados se resumen con el diagrama de flujo en la fi- gura 2.15.
Compare la corriente 1 de la figura 2.15 con la corriente 1 de la figura 2.14. Con el nuevo proceso mejorado, la materia prima se utiliza mucho mejor. ¿Cómo? Median- te el reciclaje del etileno no reaccionado del reactor 1 hacia el mezclador 1, se está ase- gurando que todo el etileno sea consumido en el futuro por la reacción y no salga del proceso.
El diagrama de flujo de bloques está tomando forma. A estas alturas el diagrama actúa como un trampolín para preguntas posteriores. Por ejemplo, usted se podría pre- guntar: ¿qué tan fácil es separar etileno de nitrógeno? Con un poco de investigación, es posible saber que la separación de etileno del nitrógeno no es económica. Una vez más, se regresa a la tabla elaborada. Es necesario sacar al nitrógeno del proceso, mien- tras se sigue reciclando el etileno. Sin embargo, no se desea pagar por separar el nitró- geno del oxígeno (como se analizó antes) o por separar el nitrógeno del etileno. ¿Es posible lograr todo esto?
Aconsumido, 2 EOconsumido, 2 1 2 Dgenerada, 2 EOconsumido,2 1 2 Econsumido,1 0.25E3
He aquí una solución intermedia: purgar parte de la corriente de nitrógeno/etile- no, y reciclar el resto. Lo cual se logra reemplazando el separador 2 con el divisor 1. Una parte del etileno sale con la purga de corriente, pero otra parte es reciclada.
Para proceder con los cálculos de flujo de proceso para este último diseño, prime- ro es necesario especificar la fracción de corriente de etileno/nitrógeno alimentada ha- cia el divisor y que se recicla hacia el mezclador 1. (Esto se podría demostrar mediante un análisis DOF.) Se proporciona una especificación de desempeño del sistema para el divisor 1: que un 80% de la alimentación al divisor 1 se recicla hacia el mezclador 1. Entonces se podría continuar para completar los cálculos de flujo de proceso median- te una estrategia similar a la ilustrada antes. Se omitirán los detalles, y simplemente se resumen los resultados en la figura 2.16.
Compare la figura 2.16 con la figura 2.15. Al instalar el divisor 1, se ha ahorrado el costo de construcción y operación de un separador 2 costoso. (Un divisor puede ser tan simple como una válvula de control de tres vías.) Pero esto tiene un precio; se es- tán desperdiciando 1 200 kgmol de etileno/h, una materia prima por la que ya se ha pa- gado. Y se ha aumentado el flujo a través del reactor 1, lo cual incrementará su tamaño y su costo. ¿Qué alternativa es mejor? No se sabrá sino hasta completar un análisis más detallado del costo del equipo y de las materias primas. Pero se ha dado un buen paso al plantear las mejores alternativas.
Sección 2.6 Cálculos de flujo de proceso con unidades múltiples de proceso 135
Flujo
Corriente Divisor 1
Mezclador 1 Separador 1 Mezclador 2
Etileno Nitrógeno Oxígeno Óxido de etileno Amoniaco Detanoloamina
• Los procesos químicos se representan esquemáticamente mediante tres tipos de diagramas de flujo:
• Diagramas de entradas-salidas • Diagramas de flujo de bloques • Diagramas de flujo de proceso
Los diagramas difieren en el nivel de detalle, en la cantidad de información nece- saria para generarlos, y en el costo para producirlos.
• Los diagramas de flujo de bloques contienen cuatro unidades de proceso básicas:
mezcladores, reactores, separadores y divisores. Cada unidad de proceso repre-
senta operaciones en las que la materia sufre cambios físicos y/o químicos. El dia- grama de flujo de bloques muestra cómo las corrientes de proceso conectan las unidades del proceso mediante la transferencia de materia entre las unidades. • La operación del proceso se clasifica de acuerdo con la manera en que se llevan a
cabo la entrada y la salida de las corrientes. En los procesos por lotes, todas las corrientes de entrada ingresan a la vez a la unidad de proceso y todas las corrien- tes de salida se remueven a la vez de la unidad de proceso en algún momento pos- terior. En los procesos de flujo continuo, las corrientes de entrada fluyen de manera continua hacia dentro de la unidad de proceso y las corrientes de salida fluyen constantemente hacia fuera de la unidad. Los procesos semicontinuos son una combinación de por lotes y flujo continuo.
• Los procesos en estado estacionario o régimen permanente son independientes del tiempo: las variables de proceso no cambian con el tiempo. En los procesos en estado no estacionario, o régimen transiente, una o más variables de proceso cambian con el tiempo. Los procesos por lotes y semicontinuos, por su naturale- za, están en estado no estacionario. Los procesos de flujo continuo operan en las condiciones del estado estacionario, excepto durante el arranque y el paro. • Una base de cálculo es una velocidad de flujo o cantidad que indica el tamaño de
un proceso. Un sistema es un volumen especificado con límites bien definidos. Las corrientes son las entradas y salidas del sistema. Una variable de corriente describe la cantidad o velocidad del flujo de un material en una corriente, mien- tras que una variable del sistema describe el cambio ocurrido en una cantidad in- cluida dentro de un sistema. Las especificaciones de la composición de corriente proporcionan información sobre la composición de una corriente de proceso. Las
especificaciones del desempeño de sistema describen de manera cuantitativa
hasta qué punto los cambios físicos y/o químicos ocurren dentro del sistema. • La ecuación de balance de materia es
Entrada salida generación consumo acumulación
La ecuación de balance de materia se escribe para un componente y en torno a un sistema. Un componente puede ser un elemento, un compuesto o un material com- puesto.
• Los “10 pasos fáciles” son un enfoque sistemático que, si se sigue, llevará a la rea- lización exitosa de cálculos de flujo de proceso. Los pasos son:
(1) Trace un diagrama de flujo (2) Elija un sistema
(3) Elija los componentes y defina las variables de corriente (4) Convierta las unidades
(5) Defina una base de cálculo (6) Defina las variables del sistema
(7) Enliste las especificaciones de la composición de las corrientes y del desem- peño del sistema
(8) Escriba las ecuaciones de balance de materia (9) Resuelva
(10) Verifique
• Análisis de grado de libertad (DOF) es un método sistemático para determinar si un problema de cálculo de flujos de proceso está completamente especificado. Para completar un análisis DOF:
(1) Trace y etiquete un diagrama de flujo.
(2) Cuente el número de variables sumando el número de variables de corriente y el número de reacciones químicas.
(3) Cuente el número de ecuaciones sumando el número de flujos, la composi- ción de corriente y las especificaciones del desempeño del sistema con el nú- mero de ecuaciones de balance de materia.
(4) Calcule el DOF como el número de variables menos el número de ecuacio- nes. Si DOF 0, el problema está completamente especificado. Si DOF > 0, el problema no está especificado por completo. Si DOF < 0, el problema es- tá sobreespecificado.
Resumen 137