DISEÑO DE PROCESOS QUÍMICOS E INTEGRACIÓN Robin Smith
CAPÍTULO 1: LA NATURALEZA DE DISEÑO DE PROCESOS QUÍMICOS E INTEGRACIÓN 1.1 PRODUCTOS QUÍMICOS
Los productos químicos son esenciales para los estándares de vida modernos. Casi todos los aspectos de la vida cotidiana están soportados por los productos químicos de una manera u otra. Sin embargo, la sociedad tiende a tomar estos productos por sentado, a pesar de una alta calidad de vida depende fundamentalmente de ellos. Al considerar el diseño de procesos para la fabricación de productos químicos, el mercado en el que se venden fundamentalmente influye en los objetivos y prioridades en el diseño. Los productos químicos se pueden dividir en tres clases clase s amplias: 1. Productos químicos básicos o mayor: Estos se producen en grandes volúmenes y comprados en la base de la composición química, la pureza y el precio. Ejemplos son el ácido sulfúrico, nitrógeno, oxígeno, etileno y cloro. 2. Productos químicos finos: Estos se producen en pequeños volúmenes y comprados en la base de la composición química, la pureza y el precio. Ejemplos son el óxido de chloropropylene (utilizado para la fabricación de resinas epoxi, resinas de intercambio de iones y otros productos), dimetil formamida (se usa, por ejemplo, como un medio disolvente de reacción, y el intermedio en la fabricación de productos farmacéuticos), ácido n-butírico ( utilizado en bebidas, aromas, fragancias y otros productos) y el polvo de titanato de bario (utilizado para la fabricación de condensadores electrónicos). 3. Especialidad o el efecto o productos químicos funcionales: Soncomprado a causa de su efecto (o función), en lugarque su composición química. Ejemplos son los productos farmacéuticos,pesticidas, colorantes, perfumes y aromatizantes. Debido a que los productos químicos de los productos básicos y bien tienden a ser adquiridos sobre la base de su composición química por sí sola, que son indiferenciadas. Por ejemplo, no hay nada que elegir entre benceno 99,9% hecha por un fabricante y que de otro fabricante, además del precio y problemas de entrega. Por otra parte, los productos químicos de especialidad tienden a ser adquiridos sobre la base de su efecto o la función y se diferencian por lo tanto. Por ejemplo, los productos farmacéuticos competitivos se diferencian de acuerdo con la eficacia del producto, en lugar de la composición química. Un adhesivo se adquiere sobre la base
de su capacidad para pegar cosas juntos, en lugar de su composición química y así sucesivamente. Sin embargo, indiferenciado y diferenciado debería considerarse como términos relativos en lugar de absolutos de los productos químicos. En la práctica, los productos químicos no tienden a ser completamente indiferenciadas o diferenciadas completamente. Productos de materias primas y de química fina podría tener especificaciones de impureza, así como las especificaciones de pureza. Los rastros de impurezas puede, en algunos casos, dar alguna diferenciación entre diferentes fabricantes de materias primas y productos químicos finos. Por ejemplo, 99,9% de ácido acrílico puede ser considerado como un producto indiferenciado. Sin embargo, las trazas de impurezas, en concentraciones de unas pocas partes por millón, puede interferir con algunas de las reacciones en las que se utiliza y puede tener implicaciones importantes para algunos de sus usos. Tales impurezas pueden diferir entre diferentes procesos de fabricación. No todos los productos de especialidad son diferenciados. Por ejemplo, los productos farmacéuticos, como la aspirina (ácido acetilsalicílico) son indiferenciadas. Los distintos fabricantes pueden producir aspirina y no hay nada que elegir entre estos productos, excepto el precio y la diferenciación creada a través de la comercialización del producto. Escala de producción también difiere entre las tres clases de productos químicos. Productos químicos finos y de especialidad tienden a producirse en volúmenes menos de 1000 t · año-1. Por otra parte, los productos químicos materias primas tienden a ser producidos en cantidades mucho mayores que este. Sin embargo, la distinción no es tan clara otra vez. Los polímeros son productos diferenciados, ya que se compran sobre la base de sus propiedades mecánicas, pero pueden ser producidos en cantidades significativamente mayores que 1000 t · Y-1. Cuando un nuevo producto químico se desarrolló por primera vez, a menudo puede ser protegida por una patente en los primeros años de la explotación comercial. Para que un producto p roducto sea elegible para ser patentado, tiene que ser nuevo, útil y no evidente. Si la protección por patente puede obtener, de forma eficaz da al productor un monopolio para la explotación comercial del producto hasta que expire la patente. La protección mediante patente tiene una duración de 20 años desde la fecha de presentación de la patente. Una vez que la patente expira, los competidores pueden participar, y la fabricación del producto. Si los competidores no pueden esperar hasta que expire la patente, entonces alternativos productos de la competencia debe ser desarrollado. Otra forma de proteger una ventaja competitiva para un nuevo producto, es protegerlo por el secreto. La fórmula de la Coca-Cola se ha mantenido en secreto durante más de 100 años. Potencialmente, no hay límite de tiempo para dicha protección. Sin embargo, para la protección mediante el secreto para ser viable, los competidores no debe ser capaz de reproducir el producto del análisis químico. Esto es probable que sea el caso sólo para ciertas clases de productos de especialidad y alimentos para los que las propiedades del producto dependen tanto de la composición química y el método de fabricación. La Figura 1.1 ilustra la vida del producto diferente ciclos1, 2. La tendencia general es que cuando un nuevo producto se introduce en el mercado, las ventas crecen lentamente hasta que el mercado se establece y luego más rápidamente una vez que el mercado está establecido. Si existe protección de patentes, a continuación, los competidores no podrán explotar comercialmente el mismo producto hasta que expire la patente, cuando los competidores pueden producir el mismo producto y ganar cuota de d e mercado. mercado . Se espera que los productos produ ctos de la competencia co mpetencia hará que las ventas para disminuir más tarde en el ciclo de vida del producto hasta que las ventas a ser tan baja que una empresa empres a se espera que retirarse del mercado. En la Figura 1,1, el Producto A parece
ser un producto pobre que tiene una vida corta con bajo volumen de ventas. Puede ser que no puede competir bien con otros productos de la competencia, y los productos alternativos rápidamente obligar a la compañía de ese negocio. Sin embargo, un bajo volumen de ventas no es el criterio principal para retirarse del mercado. Puede ser que un producto con bajo volumen encuentra un nicho de mercado y se puede vender por un valor alto. Por otro lado, si se compite con otros productos con funciones similares en el mismo sector del mercado, que mantiene tanto el precio de venta y el volumen bajo, entonces parecería prudente retirarse del mercado. El producto B en la Figura 1,1 parece ser un mejor producto, mostrando un ciclo de vida más largo y un mayor volumen de ventas. Esto tiene la protección de patentes, pero las ventas disminuyen rápidamente después de la protección de patentes se pierde, lo que lleva a la pérdida de mercado por la competencia. Producto C en la Figura 1,1 es un producto aún mejor. Esto muestra el volumen de ventas alto con la vida del producto extendido a través de la reformulación del producto 1. Finalmente, F inalmente, producto D en la figura 1,1 muestra un ciclo de vida del producto pro ducto que es típico de los productos químicos de los productos básicos. Productos químicos básicos tienden a no presentar el mismo tipo de ciclo de vida como productos químicos finos y de especialidad. En los primeros años de la explotación comercial, el volumen de ventas crece rápidamente hasta un volumen alto, pero entonces no disminuye y entra en un periodo de madurez de crecimiento lento, o, en algunos casos excepcionales, declinación lenta. Esto se debe a productos químicos básicos tienden a tener una amplia gama de usos. A pesar de que la competencia pudiera pud iera quitar algunos usos finales, los nuevos usos finales se introdujo, dando lugar a un ciclo de vida extendido. Las diferentes clases de productos químicos tienen mucho valor añadido diferente (la diferencia entre el precio de venta del producto y el coste de compra de las materias primas). Productos químicos básicos tienden a tener un bajo valor añadido, mientras que los productos químicos finos y de especialidad tienden a tener un alto valor añadido. Productos químicos básicos tienden a ser producidos en grandes volúmenes con bajo valor agregado, mientras que los productos químicos finos y de especialidad tienden a producirse en pequeños volúmenes con un alto valor añadido. Debido a esto, cuando se diseña un proceso para un producto químico, por lo general es importante para mantener los costos de operación tan bajas como sea posible. El coste de capital del proceso tiende a ser alto en relación a un proceso para productos químicos finos o de la especialidad debido a la escala de producción. Al diseñar un proceso para los productos químicos de especialidad, prioridad tiende a dar al producto, en lugar de para el proceso. Esto se debe a la función única del producto debe ser protegido. El proceso es probable que sea pequeña pequeñ a escala y los costos de operación tienden a ser menos importante que con los procesos químicos de los productos básicos. El costo de capital del proceso será baja en relación con los procesos químicos de los productos básicos debido a la escala. El tiempo para comercializar el producto también es probable que sea importante con productos químicos especiales, especialmente si existe una protección de patente. Si este es el caso, entonces todo lo que acorta el tiempo de la investigación básica, a través de pruebas de productos, estudios de planta piloto, el proceso de diseño, la construcción de la planta para la fabricación de productos tendrán una influencia importante en la rentabilidad global del proyecto. Todo esto significa que las prioridades en el proceso de diseño pueden diferir significativamente, dependiendo de si el proceso está siendo diseñado para la fabricación de un producto, química fina o especialidad. En productos químicos q uímicos básicos, no es probable que sea la
innovación de productos relativamente pequeño, pero la innovación de procesos intensivos. Además, el equipo será diseñado para un paso de proceso específico. Por otra parte, la fabricación de productos químicos finos y de especialidad puede implicar:
Vender en un mercado con bajo volumen. Producto de corto ciclo de vida. Una demanda de un corto período de tiempo en el mercado, y por lo tanto, menos tiempo hay disponible para el desarrollo del proceso, con el producto y procedimiento de desarrollo de procesos simultáneamente.
Debido a esto, la fabricación de productos químicos finos y de especialidad se suele llevar a cabo en un equipo de usos múltiples, tal vez con diferentes productos químicos que se fabrican en el mismo equipo en diferentes momentos durante el año. La vida útil del equipo podría exceder en gran medida la vida del producto. El desarrollo de productos farmacéuticos es tal que productos de alta calidad debe ser fabricado durante el desarrollo del proceso para permitir estudios de seguridad y clínico que se llevó a cabo antes de producción a escala completa. Producción farmacéutica representa un caso extremo del diseño del proceso en el que la producción marco regulador controlando hace difícil realizar cambios de proceso, incluso durante la fase de desarrollo. Incluso si las mejoras significativas en los procesos para la industria farmacéutica puede ser sugerido, podría no ser viable para su aplicación, ya que tales cambios podrían impedir o retrasar el proceso de obtener la licencia para la producción. 1.2 FORMULACIÓN DEL PROBLEMA DE DISEÑO
Antes de que un diseño de proceso se puede iniciar, el problema de diseño se deben formular. Formulación del problema de diseño requiere una especificación del producto. Si un producto químico bien definido se va a fabricar, a continuación, la especificación del producto puede parecer sencillo (por ejemplo, una especificación de purificar). Sin embargo, si un producto especial se ha de fabricar, es que las propiedades funcionales que son importantes, en lugar de las propiedades químicas, lo que podría requerir una etapa de diseño del producto con el fin de especificar la Product3. La declaración inicial del problema de diseño es a menudo mal definido. Por ejemplo, el equipo de diseño se podría pedir a expandir la capacidad de producción de una planta existente que produce un producto químico que es un precursor de un producto de polímero, que también es producido por la empresa. Esto resulta de un incremento incr emento en la demanda del producto polímero y de la planta que produce el precursor actualmente está operando a su máxima capacidad. El diseñador también se podría dar una especificación para la expansión. Por ejemplo, el departamento de marketing puede evaluar que el mercado podría ampliarse en un 30% durante un período de dos años, lo que justificaría un aumento del 30% en el proceso de precursor. Sin embargo, la proyección pro yección de un 30% puede estar equivocado. equivocado . El entorno económico puede cambiar, lo que lleva al aumento previsto es demasiado grande o demasiado pequeño. También podría ser posible vender el precursor de polímero en el mercado a otros fabricantes del polímero y justificar una expansión aún mayor que 30%. Si el precursor de polímero puede ser vendido en el mercado, es el grado de pureza actual de la empresa adecuada para el mercado? Tal vez el mercado exige una pureza superior a lo que es actualmente la especificación
compañía. Tal vez la especificación actual es aceptable, pero si la especificación se puede mejorar, el producto podría ser vendido por un valor más alto y / o en un volumen mayor. Una opción podría ser la de no aumentar la producción del precursor de polímero de 30%, pero en lugar de comprarlo en el mercado. Si se compran en el mercado, es probable que sea hasta las especificaciones de la compañía, o lo necesitará alguna purificación antes de que sea adecuado para el proceso de polímero de la empresa? ¿Qué tan confiable será la fuente del mercado ser? Todas estas incertidumbres se relacionan más con la oferta del mercado y la demanda que a los problemas específicos de los procesos proces os de diseño. Un examen más detenido del diseño del proceso actual podría conducir a la conclusión de que la capacidad puede ser ampliada en un 10% con una inversión de capital muy modesto. Un aumento adicional de 20% requeriría una inversión significativa de capital, pero una expansión de 30% se requiere una inversión de capital muy grande. Esto abre nuevas posibilidades. Si la planta se ampliará en un 10% y una fuente del mercado identificado para el equilibrio? Si la planta se amplió a 20% de manera similar? simi lar? Si una expansión real en el mercado se anticipa y la expansión y el 30% sería muy caro, ¿por qué no ser más agresivos y en lugar de ampliar el proceso existente, construir un proceso completamente nuevo? Si un proceso nuevo se va a construir, entonces lo que debe ser la tecnología de proceso? Nueva tecnología de proceso podría haber sido desarrollado desde la planta original fue construida que permite que el mismo producto a ser fabricado fabr icado a un costo mucho menor. menor . Si un proceso nuevo que se construirá, dónde debe ser construido? Podría tener más sentido para construirla en otro país que permitiría reducir los costos operativos y el producto podría ser enviado de nuevo a ser alimentado al proceso existente de polímero. Al mismo tiempo, esto podría estimular el desarrollo de nuevos mercados en otros países, en cuyo caso, ¿cuál debe ser la capacidad de la nueva planta? De todas estas opciones, el equipo de diseño debe formular una serie de opciones de diseño posibles. Así, desde desd e el inicial mal definido def inido problema, el equipo de diseño dise ño debe crear cr ear una serie se rie de opciones muy específicos y estos deben compararse a continuación sobre la base de un conjunto común de supuestos con respecto a, por ejemplo, precios de las materias primas y los precios de los productos. Después de haber especificado una opción, esto le da al equipo de diseño de un problema bien definido en que los métodos de la ingeniería y el análisis económico se puede aplicar. Al examinar una opción de diseño, el equipo de diseño debe comenzar por examinar el problema al más alto nivel, en términos de su viabilidad con el mínimo detalle para asegurar la opción de diseño vale progressing4. ¿Hay una gran diferencia entre el valor del producto y el coste de las materias primas? Si la viabilidad global parece atractiva, a continuación, más detalles se puede añadir, la opción reevaluado detalle, más añadido, y así sucesivamente. Subproductos podría desempeñar un papel especialmente importante en la economía. Podría ser que el actual proceso produce algunos subproductos que se pueden vender en pequeñas cantidades para el mercado. Sin embargo, cuando el proceso se expande, puede haber limitaciones del mercado para la nueva escala de la producción. Si los subproductos no se puede vender, ¿cómo afecta esto a la economía? Si la opción de diseño parece ser técnica y económicamente factible, entonces detalle adicional puede ser considerado. Los balances de materia y energía pueden ser formuladas para dar una mejor definición para el funcionamiento interno del proceso y diseño de un proceso más detallado puede ser desarrollados. Los cálculos de diseño para este se resolverán, normalmente a una alto nivel de precisión. Sin embargo, un alto nivel de precisión normalmente no se puede justificar en términos de la operación de la planta después de que se ha construido. La planta casi
nunca funciona precisamente en sus caudales de diseño originales, temperaturas, presiones y composiciones. Esto podría deberse a que las materias primas son un poco diferente de lo que se supone en el diseño. Las propiedades físicas asumidas en los cálculos podría haber sido errónea de alguna manera, o funcionamiento a las condiciones de diseño originales podría crear problemas de corrosión o contaminación, o tal vez la planta no puede ser controlada adecuadamente en las condiciones originales, y así sucesivamente, para una multitud de otras posibles razones. La instrumentación de la planta no será capaz de medir las velocidades de flujo, temperaturas, presiones y composiciones con la mayor precisión de los cálculos realizados. Alta precisión puede ser requerido para ciertas partes específicas del diseño. Por ejemplo, el precursor de polímero p olímero puede necesitar ciertas impurezas que ser s er muy mu y estrechamente estr echamente controlada, tal vez hasta el nivel de partes por millón. Puede ser que algún contaminante en una corriente de desecho puede ser excepcionalmente dañino para el ambiente y debe estar muy bien definida en los cálculos de diseño. A pesar de que un alto nivel de precisión no se puede justificar en muchos casos en términos de la operación de la planta, los cálculos de diseño normalmente se lleva a cabo a una razonablemente alto nivel de precisión. El valor de precisión de los cálculos de diseño es que la consistencia de los cálculos pueden ser revisadas para permitir errores o suposiciones pobres para ser identificados. También T ambién permite per mite que las opciones de diseño diseñ o para par a ser comparados en una un a válida de igual a igual base. Debido a todas las incertidumbres en la realización de un diseño, las especificaciones se aumenta a menudo más allá de las indicadas con los cálculos de diseño y la planta está sobredimensionado, o de contingencia, se añade, mediante la aplicación de factores de seguridad para el diseño. Por ejemplo, el diseñador puede calcular el número de placas de destilación necesarias para una separación por destilación utilizando cálculos elaborados con un alto grado de precisión, sólo para añadir un arbitrario adicional 10% para el número de placas para la contingencia. Esto permite la alimentación a la unidad no está exactamente como se especifica, los errores en las propiedades físicas, condiciones alteradas en la planta, los requisitos de control, y así sucesivamente. Si contingencia demasiado poco, se añade, la planta no podría funcionar. Si contingencia se añade demasiado, la planta no sólo será innecesariamente costoso, pero sobrediseño demasiado puede hacer que la planta difícil de operar y llevar a una planta podría menos eficiente. Por ejemplo, la diseñador puede calcular el tamaño de un intercambiador de calor y luego añadir en una gran contingencia y significativamente sobredimensionar el intercambiador de calor. Las velocidades de fluido más bajas encontradas por el intercambiador de calor de gran tamaño puede hacer que tenga un rendimiento más pobre y a estropear más fácilmente que un intercambiador de calor más pequeño. Por lo tanto, un equilibrio debe establecerse entre los diferentes riesgos. En resumen, el problema original que representa para procesar los equipos de diseño es a menudo mal definido, a pesar de que puede parecer que estar bien definidos en la especificación de diseño original. La equipo de diseño debe formular una serie de opciones de diseño posibles para ser examinados por los métodos de la ingeniería y el análisis económico. Estas opciones de diseño se formulan en problemas de diseño muy específicos. Algunas opciones de diseño pueden ser eliminadas a principios de alto nivel argumentos o cálculos simples. Otras requieren un examen más detallado. De esta manera, el equipo de diseño convierte el problema mal definido en una bien definida para el análisis. Para permitir las incertidumbres no cuantificables muchos, sobrediseño se utiliza. Demasiado poco sobredimensionado podría dar lugar a que la planta no
funciona. Demasiado sobrediseño conducirá a la planta llegará innecesariamente caro, y difícil de operar y tal vez menos eficaz. Un equilibrio debe establecerse entre los diferentes riesgos. Tenga en cuenta las características básicas del diseño de procesos químicos ahora. 1.3 DISEÑO DEL PROCESO QUÍMICO Y LA INTEGRACIÓN
En un proceso químico, la transformación de materias primas en los productos químicos deseados por lo general no se puede lograr en un solo paso. En su lugar, la transformación general se divide en un número de pasos que proporcionan transformaciones intermedias. Éstos se llevan a cabo a través de reacción, separación, mezcla, calentamiento, enfriamiento, presión de cambio, la reducción de tamaño de partícula o la ampliación. Una vez que los pasos individuales se han seleccionado, deben ser interconectados para llevar a cabo la transformación global (Figura 1.2a). Por lo tanto, la síntesis de un proceso químico implica dos actividades generales. En primer lugar, los pasos individuales de transformación se seleccionan. En segundo lugar, estas transformaciones individuales están interconectadas para formar un proceso completo que logra la transformación global requerida. Un diagrama de flujo es una representación esquemática de los pasos del proceso con sus interconexiones. Una vez que la estructura del diagrama de flujo se ha definido, una simulación del proceso puede llevarse a cabo. Una simulación es un modelo matemático del proceso que intenta predecir cómo se comportaría el proceso si se construyeron (Figura 1.2b). Después de haber creado un modelo del proceso, los caudales, composiciones, temperaturas y presiones de los piensos puede ser asumida. El modelo de simulación predice entonces los caudales, composiciones, temperaturas y presiones de los productos. También permite que los elementos individuales de los equipos en el proceso de ser de tamaño y predice, por ejemplo, la cantidad de materia prima esté en uso o la cantidad de energía se consume. El rendimiento del diseño, entonces se puede evaluar. Hay muchas facetas en la evaluación del desempeño. Buen desempeño económico es un primer criterio obvio, pero ciertamente no es el único. ún ico. Procesos químicos se diseñarán como parte de una actividad industrial sostenible que conserva la capacidad de los ecosistemas para sostener la vida y la actividad industrial en el futuro. Actividad industrial sostenible debe satisfacer las necesidades del presente sin comprometer las necesidades de las generaciones futuras. Para el diseño de los procesos químicos, esto significa que los procesos deben utilizar materias primas tan eficientemente como es económico y factible, tanto para prevenir la producción de residuos que puede ser dañino para el ambiente y para preservar las reservas de materias primas tanto como sea posible. Los procesos deben utilizar el mínimo de energía es económico y práctico, tanto para evitar la acumulación de dióxido de carbono en la atmósfera por la quema de combustibles fósiles y para preservar las reservas de combustibles fósiles. El agua también deben ser consumidos en cantidades sostenibles que no causan deterioro en la calidad de la fuente de agua y la cantidad a largo plazo de la reservas. Las emisiones acuosas y atmosférico no debe ser ambientalmente dañinas y desechos sólidos en vertederos debe ser evitado. El proceso también debe cumplir con la salud necesaria y los criterios de seguridad. Puesta en marcha, parada de emergencia y la facilidad de control son otros factores importantes. La flexibilidad, es decir, la capacidad para operar en diferentes condiciones, tales como diferencias de materia prima y especificaciones del producto, puede ser importante. Disponibilidad, es decir, el número de horas de funcionamiento por años, también puede ser de importancia crítica. La
incertidumbre en el diseño, por ejemplo, como resultado de los datos de diseño pobre, o la incertidumbre en los datos económicos, podría orientar el diseño alejado de ciertas opciones. Algunos de estos factores, como el rendimiento económico, puede cuantificarse sin dificultad, mientras que otros, como la seguridad, muchas veces no se puede. La evaluación de los factores que no son fáciles de cuantificar, los intangibles, requiere que el juicio del equipo de diseño. Una vez que el funcionamiento básico del diseño ha sido evaluado, se pueden realizar cambios para mejorar el rendimiento, el proceso está optimizado. Estos cambios pueden implicar la síntesis de estructuras alternativas, es decir, la optimización estructural. Así, el proceso es simulado y evaluado de nuevo, y así sucesivamente, la optimización de la estructura. Alternativamente, cada estructura puede ser sometida a la optimización de parámetros mediante el cambio de las condiciones de funcionamiento dentro de esa estructura. 1.4 LA JERARQUÍA DE DISEÑO DE PROCESOS QUÍMICOS Y LA INTEGRACIÓN
Considere el proceso ilustrado en la Figura 1,35. El proceso requiere un reactor para transformar la alimentación en producto (Figura 1.3a). Por desgracia, no todo el FEED reacciona. También, parte de la alimentación reacciona para formar SUBPRODUCTO en lugar del producto deseado. Un sistema de separación se requiere para aislar el producto en la pureza requerida. La figura 1.3b muestra un sistema de separación posible que consta de dos columnas de destilación. La alimentación sin reaccionar en la figura 1.3b se recicla, y el producto y subproducto se eliminan del proceso. La figura 1.3b muestra un diagrama de flujo donde se proporciona toda la calefacción y la refrigeración por utilidades externas (vapor y agua de refrigeración en este caso). Este diagrama de flujo es probablemente demasiado ineficiente en su uso de energía, y el calor sería recuperar. Por lo tanto, la integración de calor se lleva a cabo para intercambiar calor entre las corrientes que deben ser enfriados y los que necesitan ser calentados. Figura 1,45 muestra dos posibles diseños para la red de intercambiador de calor, pero muchos otros arreglos de integración de calor son posibles. Los diagramas de flujo se muestra en la Figura 1.4 presentan el diseño del reactor mismo. Podría ser útil para explorar los cambios en el diseño del reactor. Por ejemplo, el tamaño del reactor se podría aumentar para aumentar la cantidad de alimento que reacciona. Ahora, no sólo hay FEED mucho menos en el efluente del reactor, pero también más producto y subproducto. subprodu cto. Sin embargo, el aumento de subproducto subprodu cto es mayor que el aumento en el producto. Así, aunque el reactor tiene los mismos tres componentes en su efluente del reactor como en la figura 1.3a, hay menos alimento, más producto y subproducto significativamente más. Este cambio en el diseño del reactor genera una tarea diferente para el sistema de separación, y es posible que un sistema de separación diferente de la mostrada en las figuras 1,3 y 1,4 es el momento adecuado. La figura 1.5 muestra una posible alternativa. Esto también utiliza dos columnas de destilación, pero las separaciones se llevan a cabo en un orden diferente. La figura 1.5 muestra un diagrama de flujo sin integración de calor para el reactor diferente y sistema de separación. Al igual que antes, esto es probablemente muy ineficiente en el uso de energía, calor y sistemas de integración pueden ser exploradas. Figura 1,65 muestra dos de los diagramas de flujo de posibles muchas. Diferentes diagramas de flujo completo puede ser evaluada por simulación y cálculo de costes. Sobre esta base, el diagrama de flujo en la Figura 1.4b puede ser más prometedor que los diagramas de flujo de las Figuras 1.4a, 1.6a y b. Sin embargo, la mejor diagrama de flujo no se
puede identificar sin primero la optimización de las condiciones de funcionamiento de cada uno. El diagrama de flujo en la figura 1.6b podría tener un mayor margen para la mejora de que en la figura 1.4b, y así sucesivamente. Así, la complejidad del proceso de síntesis química es doble. Primero, ¿todas las estructuras posibles pueden identificar? Se puede considerar que todas las opciones estructurales se pueden encontrar por inspección, por lo menos todos los que son significativos. El hecho de que incluso los procesos establecidos desde hace tiempo siguen siendo mejorada es una demostración de lo difícil que es esto. En segundo lugar, cada estructura puede ser optimizada para una comparación válida? Cuando la optimización de la estructura, puede haber muchas maneras en que se puede realizar cada tarea individual y muchos modos en los que las tareas individuales se pueden interconectar. Esto significa que las condiciones de funcionamiento de una multitud de opciones estructurales deben ser simulados y optimizado. A primera vista, esto parece ser un problema abrumadoramente ab rumadoramente compleja. Es útil en el desarrollo de una metodología de si hay una imagen más clara de la naturaleza del problema. Si el proceso requiere un reactor, esto es, cuando el diseño comienza. Esto es probable que sea el único lugar en el proceso en el que las materias primas se convierten en productos. El diseño del reactor elegido produce una mezcla de materias primas que no han reaccionado, productos y subproductos que deben separar. Material de alimentación sin reaccionar se recicla. El diseño del reactor dicta la separación y el problema de reciclaje. Así, el diseño de la separación y sistema de reciclaje sigue el diseño del reactor. El reactor y la separación y diseños de reciclaje del sistema en conjunto definen el proceso de calefacción y refrigeración. Por lo tanto, el intercambiador de calor de diseño de red que viene después. Esas funciones de calentamiento y enfriamiento que no pueden ser satisfechas por la recuperación de calor, determinan la necesidad de calentamiento externo y utilidades de enfriamiento (calentamiento del horno, el uso de vapor de agua, la generación de vapor, agua de enfriamiento, refrigeración o aire de refrigeración). Así, la selección de utilidad y diseño sigue el diseño del sistema de recuperación de calor. La selección y el diseño de las utilidades se hace más compleja por el hecho de que el proceso lo más probable es operar dentro del contexto de un sitio que comprende un número de diferentes procesos que están todos conectados a un sistema de suministro común. El proceso y el sistema de utilidad tanto se necesita agua, por ejemplo, para la generación de vapor, y también se producen efluentes acuosos que tendrán que ser llevados a una calidad adecuada para la descarga. Así, el diseño del agua y el sistema acuoso de tratamiento de efluentes viene al final. Una vez más, el sistema de tratamiento de agua y efluentes deben ser considerados a nivel de sitio, así como el nivel de proceso. Esta jerarquía puede ser representado simbólicamente por las capas de la "diagrama de cebolla" que se muestra en la Figura 1,76. El diagrama pone de relieve la naturaleza secuencial, o jerárquico, del diseño del proceso. Otras formas de representar la jerarquía también han sido sugeridas. Algunos procesos no requieren un reactor, por ejemplo, sólo algunos procesos implican la separación. Aquí, el diseño comienza con el sistema de separación y se mueve hacia fuera a la red de intercambiador de calor, utilidades y así sucesivamente. Sin embargo, la jerarquía básica mismo se impone. La síntesis de la estructura correcta y la optimización de los parámetros en el diseño de la reacción y los sistemas de separación son a menudo las tareas más importantes del diseño del proceso. Por lo general, hay muchas opciones, y es imposible evaluar plenamente a menos que
un diseño completo se proporciona a las "capas exteriores de la cebolla". Por ejemplo, no es posible evaluar que es mejor, el esquema básico de la figura 1.3b o que a partir de la Figura F igura 1,5, sin evaluar completamente todos los diseños posibles, tales como los mostrados en las figuras 1.4a y b y las figuras 1.6a y b, todos completos, incluyendo servicios públicos. Tal búsqueda completa es normalmente demasiado tiempo para ser práctico. Más tarde, un enfoque en el que se presentarán algunas decisiones tempranas (es decir, decisiones relativas reactor y las opciones de separación) se puede evaluar sin un diseño completo para las "capas superiores". 1.5 LOS PROCESOS CONTINUOS Y POR LOTES
Al considerar los procesos en figuras 1.3 a 1.5, la suposición implícita de que se hizo funcionar de forma continua los procesos. Sin embargo, no todos los procesos de funcionar de forma continua. En un proceso discontinuo, los principales pasos operar de forma discontinua. En contraste con un proceso continuo, un proceso por lotes no entrega su producto continuamente, pero en cantidades discretas. Esto significa que el calor, la masa, temperatura, concentración y otras propiedades varían con el tiempo. En la práctica, la mayoría de los procesos discontinuos se componen de una serie s erie de pasos de d e proceso por lotes y semicontinuos. Un paso semicontinuo funciona continuamente con periódicos arranques y paradas. Considere el proceso simple que se muestra en la figura 1,8. El material de alimentación se retira de almacenamiento mediante una bomba. El material de alimentación se precalienta en un intercambiador de calor antes de ser alimentada a un reactor discontinuo. Una vez que el reactor está lleno, un calentamiento adicional tiene lugar en el interior del reactor pasando vapor de agua en la camisa del reactor, antes de la reacción. Durante las últimas etapas de la reacción, el agua de refrigeración se aplica a la camisa del reactor. Una vez que se completa la reacción, el producto del reactor se extrae mediante una bomba. El producto del reactor se enfría en un intercambiador de calor antes de ir a almacenamiento. Los dos primeros pasos, de bombeo para el llenado del reactor y el precalentamiento de alimentación son ambos semicontinuo. El calentamiento en el interior del reactor, la reacción en sí y la refrigeración utilizando la camisa del reactor son todas lote. El bombeo para vaciar el reactor y la etapa de producto de refrigeración son de nuevo semicontinuo. La jerarquía en el diseño de proceso por lotes no es diferente de la de los procesos continuos y la jerarquía se ilustra en la Figura 1,7 prevalece para procesos por lotes también. Sin embargo, la dimensión de tiempo trae limitaciones que no presentan un problema en el diseño de los procesos continuos. Por ejemplo, la recuperación de calor puede ser considerado para el proceso en la figura 1,8. El efluente del reactor (que requiere refrigeración) podría ser utilizado para precalentar la alimentación de entrada al reactor (que requiere la calefacción). Desafortunadamente, incluso si el efluente del reactor está a una temperatura lo suficientemente alta para permitir esto, el reactor de alimentación y vaciado de tener lugar en diferentes momentos, lo que significa que este no será posible sin una cierta manera de almacenar el calor. Tal almacenamiento de calor es posible, pero por lo general poco rentable, sobre todo para los pequeños procesos. Si un proceso por lotes fabrica sólo un único producto, entonces el equipo puede ser diseñada y optimizada opt imizada para ese producto. La naturaleza natur aleza dinámica del proceso plantea desafíos adicionales para el diseño y optimización. Puede ser que la optimización de las llamadas para las variaciones en las condiciones durante el proceso por lotes a través del tiempo, de
acuerdo con algún perfil. Por ejemplo, la temperatura en un reactor discontinuo que tenga que ser aumentado o disminuido a medida que avanza por lotes. Multiproducto procesos por lotes, con un número de diferentes productos fabricados en el mismo equipo, presentan desafíos aún más grandes para el diseño y optimization7. Diferentes productos exigirán diferentes diseños, diferentes condiciones de funcionamiento y, tal vez, trayectorias diferentes para las condiciones de funcionamiento a través del tiempo. El diseño de equipos para plantas multiproducto por lo tanto requerirá un compromiso que se hizo a través de los requisitos de un número de productos diferentes. Cuanto más flexible es el equipo y la configuración del equipo, más será capaz de adaptarse a los requisitos óptimos de cada producto. Procesos por lotes:
Son económicos para pequeños volúmenes; Son flexibles para acomodar los cambios en la formulación del producto; Son flexibles en el cambio de la tasa de producción cambiando el número de lotes realizados en cualquier período de tiempo; Permitir el uso de equipo multiuso estandarizado para la producción de una variedad de productos de la misma planta; Es mejor si el equipo necesita una limpieza periódica debido a la suciedad o las necesidades de esterilización regular; Son susceptibles de dirigir ampliación del laboratorio y Permiten la identificación del producto. Cada lote de producto se puede identificar claramente en términos de cuando se fabricó, las alimentaciones involucrados y las condiciones de procesamiento. Esto es particularmente importante en las industrias tales como productos farmacéuticos y alimenticios. Si surge un problema con un lote determinado, entonces todos los productos de dicho lote puede ser identificado y retirado del mercado. De lo contrario, todos los productos disponibles en el mercado tienen que ser retiradas.
Uno de los principales problemas con el procesamiento por lotes por lotes es batchtoconformidad. Los cambios menores a la operación puede significar ligeros cambios en el producto de lote a lote. Productos Produ ctos químicos finos y de especialidad suelen fabricarse en procesos por lotes. Sin embargo, estos productos a menudo tienen tolerancias muy estrechas para las impurezas en el producto final y la variación de la demanda de lote a lote se reduce al mínimo. Procesos por lotes se analizan con más detalle en el capítulo 14. 1.6 NUEVOS DISEÑOS Y MODERNIZACIÓN
Hay dos situaciones que pueden surgir en el proceso de diseño. El primero está en el diseño de nuevas instalaciones o el diseño de las bases. En la segunda, el diseño se lleva a cabo para modificar una planta existente en remodelación o renovación. La motivación para modernizar una planta existente podría ser, por ejemplo, para aumentar la capacidad, para permitir la alimentación diferente o especificaciones de los productos, reducir los costes operativos, mejorar la seguridad o reducir las emisiones medioambientales. Una de las motivaciones más comunes es aumentar la capacidad. Al llevar a cabo una reconversión, cualquiera que sea la motivación, es deseable intentar hacer el mayor uso más eficaz posible de los equipos existentes. El problema
básico con esto es que el diseño del equipo existente podría no ser ideal para la nueva función que va a ser puesto a. Por otro lado, si el equipo se reutiliza, se evitará la innecesaria inversión en nuevo equipo, aunque no es ideal para el nuevo trabajo. Al llevar a cabo una reconversión, las conexiones entre los elementos de equipamiento se pueden reconfigurar, reco nfigurar, tal vez se agrega un equipo nuevo cuando sea s ea necesario. necesa rio. Alternativamente, si el equipo existente difiere significativamente de lo que se requiere en la modificación, a continuación, además de reconfigurar las conexiones entre el equipo, el propio equipo se puede modificar. Por lo general, menos las modificaciones tanto las conexiones y el equipo, mejor. Las situaciones de proyecto más sencillos son los de diseño Grassroot ya que tiene la mayor libertad para elegir las opciones de diseño y el tamaño de los equipos. En reequipamiento, el diseño debe tratar de trabajar dentro de las limitaciones de los equipos existentes. Debido a esto, el objetivo final del diseño de adaptación no está siempre clara. Por ejemplo, un objetivo de diseño puede ser dada para incrementar la capacidad de una planta en un 50%. En el límite de la capacidad existente de la planta, al menos un elemento del equipo debe ser a su máxima capacidad. La mayoría de los elementos del equipo son propensos a estar por debajo de su capacidad máxima. Las diferencias en la capacidad no utilizada de los diferentes equipos en el diseño actual nace de errores en los datos originales de diseño, prestaciones diferentes de diseño (o contingencia) en el diseño original, los cambios en el funcionamiento de la planta en relación con el diseño original, y así sucesivamente. Un elemento del equipo en su capacidad máxima es el cuello de botella para evitar una mayor capacidad. Por lo tanto, para superar el cuello de botella o debottleneck, el elemento de equipo se modifica, o reemplazados con los nuevos equipos con mayor capacidad, o un nuevo elemento se coloca en paralelo o en serie con el elemento existente, o las conexiones entre los equipos existentes se reconfiguran, o una combinación de todas estas acciones se toman medidas. Como la capacidad de la planta se incrementa, los diferentes equipos se alcanzan su capacidad máxima. Por lo tanto, habrá umbrales en la capacidad de la planta, creado por los límites en los diferentes equipos. Todos los equipos con capacidad menor que el umbral se debe modificar de alguna manera, o reconfigurar la planta, para superar el umbral. Para superar cada umbral requiere inversión de capital. Puesto que la capacidad se incrementa desde el límite existente, en última instancia, es probable que sea prohibitivo para la inversión a superar uno de los umbrales de diseño. Esto es probable que se convierta el límite de diseño, en comparación con el cometido inicial de un aumento del 50% en capacidad en el ejemplo. 1.7 MÉTODOS DE DISEÑO DE PROCESOS QUÍMICOS Y LA INTEGRACIÓN
En términos generales, hay dos enfoques para el diseño de procesos químicos e integración: 1. Construcción de una estructura irreducible: El primer enfoque sigue la "lógica cebolla", a partir del diseño por la elección de un reactor y luego se mueve hacia fuera mediante la adición de una separación y sistema de reciclaje, y así sucesivamente. En cada capa, se deben tomar decisiones sobre la base de la información disponible en ese momento. La capacidad de mirar hacia el futuro para el diseño completo puede llevar a decisiones diferentes. Desafortunadamente, esto no es posible, y, en cambio, las decisiones deben basarse en una imagen incompleta.
Este enfoque de la creación del diseño consiste en hacer una serie de buenas decisiones locales. Esto podría basarse en el uso de heurísticas o reglas generales desarrolladas a partir de la experiencia en un enfoque más sistemático. Equipo E quipo se añade solamente si se puede justificar económicamente sobre la base de la información disponible, si bien una imagen incompleta. Esto mantiene la estructura irreductible y características que son técnica o económicamente redundante no están incluidos. Hay dos desventajas de este enfoque: a) Las decisiones son posibles diferentes en cada etapa del diseño. Para asegurarse de que las mejores decisiones se han tomado, las otras opciones deben ser evaluadas. Sin embargo, cada opción no se puede evaluar correctamente sin completar el diseño de esa opción y la optimización de las condiciones de funcionamiento. Esto significa que muchos de los diseños debe ser completado y optimizado con el fin de encontrar el mejor. b) Dispositivos y evaluar las opciones de muchos no da ninguna garantía de encontrar finalmente el mejor diseño posible, ya que la búsqueda no es exhaustiva. Además, puede ocurrir interacciones complejas entre diferentes partes de un diagrama de flujo. El esfuerzo para mantener el sistema sencillo y no añadir características en las primeras etapas de diseño puede resultar en falta el beneficio de las interacciones entre las diferentes partes del diagrama de flujo en un sistema más complejo. La principal ventaja de este enfoque es que el equipo de diseño puede mantener el control de las decisiones básicas e interactuar como el diseño desarrolla. Al permanecer en el control de las decisiones básicas, los intangibles del diseño pueden ser incluidos en la toma de decisiones. 2. Creación y optimización de una superestructura. En este enfoque, una estructura reducible, conocida como una superestructura, se crea por primera vez que ha incorporado en su interior todas las opciones de procesos viables y factibles todas las interconexiones que son candidatos para una estructura de diseño óptimo. Inicialmente, características redundantes están incorporados en la superestructura. Como ejemplo, consideremos la figura 1,98. Esto muestra una estructura posible de un procedimiento para la fabricación de benceno a partir de la reacción entre hidrógeno y tolueno. En la Figura 1,9, el hidrógeno entra en el proceso con una pequeña cantidad de metano como una impureza. Así, en la figura 1,9, la opción de la purificación de la alimentación de hidrógeno con una membrana o de pasar directamente al proceso está incrustado. El hidrógeno y el tolueno se mezclan y se precalienta a la temperatura de reacción. Sólo un horno se ha considerado factible en este caso debido a la alta temperatura requerida. Entonces, las dos opciones alternativas del reactor, reactores isotérmica y adiabática, están incrustados, y así sucesivamente. Características redundantes se han incluido en un esfuerzo para asegurar que todas las características que podrían ser parte de una solución óptima se han incluido. El problema de diseño se siguiente formula como un modelo matemático. Algunas de las características de diseño son continuas, que describe el funcionamiento de cada unidad (por ejemplo, tasa de flujo, composición, temperatura y presión), su tamaño (por ejemplo, volumen, área de transferencia de calor, etc), así como los costes o beneficios asociados con las unidades. Otras características son discretas (por ejemplo, una conexión en el
diagrama de flujo se incluye o no, un separador de membrana se incluye o no). Una vez que el problema se formula matemáticamente, su solución se lleva a cabo mediante la aplicación de un algoritmo de optimización. La función objetivo está maximizada o minimizada (por ejemplo ganancia se maximiza o minimiza el costo) en una optimización estructural y parámetros. La optimización justifica la existencia de características estructurales y elimina las características de la estructura que no se puede justificar económicamente. De esta manera, la estructura se reduce en complejidad. Al mismo tiempo, las condiciones de funcionamiento y tamaños de equipos también están optimizados. En efecto, la decisión de hacer discreto aspectos de diseño del proceso se sustituyen por un discreto / continuo optimización. Por lo tanto, la estructura inicial en la Figura 1,9 está optimizado para reducir la estructura para el diseño final que se muestra en la Figura 1,108. En la Figura 1,10, el separador de membrana en la alimentación de hidrógeno se ha eliminado mediante la optimización, así como el reactor isotérmico y muchas otras características de la estructura inicial mostrada en la figura 1,9. Hay una serie de dificultades asociadas con este enfoque: a) El enfoque no podrá encontrar la estructura óptima si la estructura inicial no tiene la estructura óptima incorporado en algún lugar dentro de él. Cuantas más opciones incluidas, más probable será que la estructura óptima se ha incluido. b) Si las operaciones unitarias individuales se representan con precisión, el modelo matemático resultante será extremadamente grande y la función objetivo que debe ser optimizado será extremadamente irregular. El perfil de la función objetivo puede ser como el terreno en una serie de montañas con muchos picos y valles. Si la función objetivo debe maximizarse (por ejemplo, maximizar beneficios), cada pico en la sierra representa un óptimo local en la función objetivo. El pico más alto representa el óptimo global. Optimización hay que buscar alrededor de las montañas en una espesa niebla para encontrar el pico más alto, sin el beneficio de un mapa y una brújula sólo decir la dirección y un altímetro para mostrar la altura. Al llegar a la parte superior de cualquier pico, no hay forma de saber si es el pico más alto a causa de la niebla. Todos los picos se debe buscar para encontrar la más alta. Hay grietas caer en esa podría ser imposible salir de. Tales problemas se pueden superar en un número de maneras. La primera manera es cambiando el modelo de tal manera que el espacio de la solución se vuelve más regular, por lo que la optimización más simple. Esto a menudo significa simplificar el modelo matemático. Una segunda manera es mediante la repetición de la búsqueda muchas veces, pero a partir de cada nueva búsqueda desde una ubicación inicial diferente. Una tercera forma de explota transformaciones matemáticas y técnicas de delimitación de algunas formas de expresión matemática para permitir el óptimo global se encuentra. Una cuarta manera es por lo que permite la optimización para buscar en el espacio de la solución en una serie de movimientos discretos que inicialmente permiten la posibilidad de ir cuesta abajo, lejos de un punto óptimo, así como hacia arriba. A medida que la búsqueda, la capacidad capaci dad del algoritmo para mover descenso debe ser gradualmente quitado. Estos problemas se tratan con más detalle en el capítulo 3. c) El mayor inconveniente de este enfoque es que el ingeniero de diseño se retira de la toma de decisiones. Por lo tanto, los muchos intangibles en el diseño, como la
seguridad y el diseño, que son difíciles de incluir en la formulación matemática, no puede tenerse en cuenta satisfactoriamente. Por otra parte, este enfoque tiene una serie de ventajas. Muchos diferentes opciones de diseño se puede considerar al mismo tiempo. El múltiplo complejos intercambios que suele aparecer en el diseño de procesos químicos pueden ser manejados por este enfoque. Además, el procedimiento de diseño puede ser automatizado y es capaz de producir diseños de manera rápida y eficiente. En resumen, los dos enfoques generales para el diseño del proceso químico de la construcción de una estructura irreducible y crear y optimizar una superestructura tienen ventajas y desventajas. Sin embargo, lo que se utiliza en la práctica, no hay substituto para la comprensión del problema. Este texto se concentra en el desarrollo de una comprensión de los conceptos necesarios en cada etapa del diseño. Tal comprensión es una parte vital del diseño de procesos químicos y de integración, independencia del enfoque adoptado. 1.8 CONTROL DE PROCESOS
Una vez que la configuración del proceso básico ha sido fijado, un sistema de control debe ser añadido. El sistema de control compensa la influencia de perturbaciones externas tales como cambios en el caudal de alimentación, condiciones de alimento, costos de alimentación, la demanda del producto, especificaciones de producto, precios de productos, la temperatura ambiente y así sucesivamente. Garantizar la operación segura es la tarea más importante de un sistema de control. Esto se consigue mediante el control de las condiciones del proceso y mantener dentro de límites seguros de operación. Mientras se mantiene el funcionamiento dentro de límites seguros de operación, el sistema de control debería optimizar el rendimiento de los procesos bajo la influencia influenc ia de las perturbaciones externas. Esto implica el mantenimiento de las especificaciones del producto, cumplimiento de los objetivos de producción y haciendo un uso eficiente de las materias primas y servicios públicos. Un mecanismo de control, se indica que hace cambios en el proceso con el fin de neutralizar los efectos negativos de las perturbaciones. A fin de lograr esto, los instrumentos deben ser instalados para medir el desempeño operacional de la planta. Estas variables medidas podrían incluir temperatura, presión, caudal, composición, nivel, pH, densidad y tamaño de partícula. Las medidas primarias puede p uede ser s er hecho h echo para p ara representar r epresentar directamente los objetivos de de control (por ejemplo, la medición de la composición que tiene que ser controlada). Si los objetivos de control no son medibles, entonces las mediciones de otras variables secundarias se debe hacer y estas mediciones secundarias relacionadas con el objetivo de control. Después de haber medido las variables que necesitan ser controladas, otras variables necesitan ser manipuladas a fin de lograr los objetivos de control. Un sistema de control es entonces diseñado, que responde a las variaciones en las variables medidas y manipula variables para controlar el proceso. Después de haber diseñado una configuración de proceso para un proceso continuo y de haber optimizado para obtener algún objetivo (por ejemplo, maximizar la ganancia) en estado estable, es la influencia del sistema de control que puedan hacer que el proceso previamente optimizado para ser ahora no óptima? Incluso para un proceso continuo, el proceso es siempre
probable que se mueve desde un estado a otro en respuesta respues ta a la influencia de las perturbaciones y objetivos de control. En el diseño de estado estacionario y la optimización de los procesos continuos, estos diferentes estados se puede permitir al considerar los casos de operación múltiple. Cada caso de funcionamiento se supone que opera para una cierta proporción del año. La contribución del caso de funcionamiento a la general de estado estacionario diseño y optimización se pondera de acuerdo a la proporción de tiempo en que la planta opera en ese estado. Si bien esta toma en cuenta en alguna operación en diferentes condiciones, no tiene en cuenta la dinámica de transición de un estado a otro. Son estos estados transitorios probables que tengan una influencia significativa en la optimalidad? Si los estados transitorios fuera a tener un efecto significativo sobre el rendimiento del proceso global en términos de la función objetivo se ha optimizado, a continuación, el diseño del proceso y el diseño del sistema de control tendría que llevarse a cabo simultáneamente. Diseño simultánea del proceso y el sistema de control presenta un problema muy complejo. Es interesante observar que en el estado de equilibrio de optimización para procesos continuos se ha comparado con la optimización simultánea del proceso y sistema de control, los dos diseños de procesos se han encontrado para ser casi identical10-12. La práctica industrial es diseñar primero y optimizar la configuración del proceso (teniendo en cuenta los múltiples estados, si es necesario) y luego añadir el sistema de control. Sin embargo, no hay garantía de que las decisiones de diseño efectuados sobre la base de condiciones de estado estacionario no dará lugar a problemas de control una vez que la dinámica del proceso se consideran. Por ejemplo, un elemento del equipo podría ser de gran tamaño para la contingencia, debido a la incertidumbre en los datos de diseño o futuras perspectivas Debottlenecking, basado en estado estacionario consideraciones. Una vez que la dinámica del proceso son considerados, este equipo de gran tamaño podría hacer que el proceso difícil de controlar, debido a la gran inventario de materiales de proceso en el equipo de gran tamaño. El método de control de proceso debe adoptar un enfoque que considera el control de todo el proceso, en lugar de sólo el control de los pasos de proceso individuales en aislamiento. Este texto se concentrará en el diseño y la optimización de la configuración del proceso y no se tratarán con el control del proceso. El control del proceso exige experiencia en diferentes técnicas y quedará en manos de otras fuentes de información. Por lo tanto, el texto se describe cómo desarrollar un diagrama de flujo o diagrama de flujo del proceso, pero no va a dar el paso final de la adición de las tuberías de instrumentación, control y auxiliares y las válvulas necesarias para el diseño final de ingeniería en el diagrama de tuberías e instrumentación (P & ID). Procesos por lotes son, por su propia naturaleza, siempre en un estado transitorio. Esto requiere la dinámica del proceso a ser optimizados, y se considerará en el capítulo 14. Sin embargo, los sistemas de control necesarios para poner en práctica este no será considerada. 1.9 LA NATURALEZA DE DISEÑO DE PROCESOS QUÍMICOS E INTEGRACIÓN RESUMEN
Los productos químicos se pueden dividir en tres grandes categorías: materias primas, productos químicos finos y de especialidad. Productos químicos básicos se fabrican en grandes
volúmenes con poco valor agregado. Productos químicos finos y de especialidad tienden a ser fabricados en volúmenes bajos con un alto valor añadido. Las prioridades en el diseño de los procesos para la fabricación de las tres clases de productos químicos será ser á diferente. El problema planteado diseño original al equipo de diseño a menudo es mal definido, incluso si aparece en la superficie a ser bien definidos. El equipo de diseño debe formular bien definidas las opciones de diseño de la original bien definida problema, y estos deben ser comparados sobre la base de criterios uniformes. El diseño puede ser nuevo o una adaptación de un proceso existente. Si el diseño es una adaptación, a continuación, uno de los objetivos debería ser maximizar la utilización del equipo existente, incluso si no se adapta perfectamente a su nuevo propósito. Operaciones de procesos continuos y por lotes puede ser utilizado. Procesos por lotes se prefieren generalmente para la producción de d e productos químicos pequeña escala y especialidad. Al desarrollar un diseño de proceso químico, hay dos problemas básicos:
¿Pueden todas las posibles estructuras pueden identificar? Puede ser optimizado cada estructura de tal manera que todas las estructuras se pueden comparar de forma válida?
Diseño comienza en el reactor, debido a que es probable que sea el único lugar en el proceso en el que las materias primas se convierten en los productos químicos deseados. El diseño del reactor dicta la separación y el problema de reciclaje. Juntos, el diseño del reactor y la separación y reciclaje de dictar la calefacción y de refrigeración para los derechos de la red de intercambiador de calor. Las funciones que no pueden ser satisfechas por recuperación de calor dictan la necesidad de calentamiento externo y los servicios públicos de refrigeración. El proceso y el sistema de utilidad tanto tienen una demanda de agua y crear efluentes acuosos, dando lugar al sistema de agua. Esta jerarquía es representada por las capas en el "diagrama de cebolla", figura 1,7. Tanto continua y diseño de proceso por lotes seguir esta jerarquía, aunque la dimensión de tiempo en procesos por lotes trae limitaciones adicionales en el diseño del proceso. Hay dos enfoques generales para el diseño de procesos químicos:
La creación de una estructura irreductible; Crear y optimizar una estructura super. Ambos enfoques tienen ventajas y desventajas.
