ANÁLISIS Y DISEÑO DE PROCESOS QUÍMICOS HEURÍSTICAS PARA LA SÍNTESIS DEL PROCESO Por: Ing. M.Sc. Gastón Rioja Cárdenas
INTRODUCCIÓN ❖Recordando
las operaciones del proceso en la síntesis del proceso:
Reacción química (para eliminar diferencias en el tipo molecular)
Mezclar y reciclar (para distribuir los productos químicos)
Separación (para (para eliminar diferencias diferencias en la composición) composición)
Temperatura, Temperatura , presión y cambio de fase
Integración de tareas (para combinar tareas en operaciones unitarias)
Este apartado trata de las reglas heurísticas aceleran En ingeniería, una heurística es un método que basado en la selección y el posicionamiento de las operaciones de la experiencia que puede utilizarse como ayuda para procesamiento a medida que se ensamblan los flujos. reso re solv lver er pr pro obl blem emas as de di dise señ ño, de desd sde e ca calc lcu ula larr lo los s Estas reglas se basan en la experiencia y la retención en recursos necesarios hasta planear gen general eral, , pero pero debe deben n ser ser en prob probad adas as (por (plas or condiciones ejemp jemplo lo,, por por de op oper erac ació ión n) para deralo los s egur sist si stem emas as. Medi Me dian ante te uso onera de simu simula laci ción ón) pa aseg as urar ar que qu e. se apli ap liqu quen en elde us mane ma ra específica. heu he urí ríst stic icas as,, es pos osib ible le re reso solv lver er má más s rá rápi pida dame men nte problemas conocidos o similares a otros conocidos.
Objetivos instruccionales Cuando haya terminado de estudiar esta unidad, debe: ❖ Comprender
la importancia de seleccionar caminos de reacción que no impliquen productos químicos tóxicos o peligrosos, y cuando sea inevitable, reducir su presencia acortando los tiempos de residencia en las las unid unidad ades es de proc proces eso o y evit evitan ando do su alma almace cena nami mien ento to en grandes cantidades.
❖ Ser
capaz de distribuir los productos químicos en un diagrama de flujo del proceso, para tener en cuenta la presencia de especies inertes, para purgar especies que de otro modo se acumularían hasta concentraciones inaceptables, para lograr una alta selectividad a los productos deseados.
❖ Ser
capa capaz z de apli aplica carr heur heurís ísti tica cas s en la sele selecc cció ión n de proc proces esos os de separación para separar líquidos, vapores y mezclas vapor-líquido. vapor-líquido.
Distribui buirr ❖ Distri
los produc productos tos químic químicos os,, utiliz utilizand ando o exces exceso o de reacti reactivos vos,, dilu diluye yent ntes es iner inerte tes, s, y disp dispar aros os en frío frío,, para para elim elimin inar ar los los calo calore res s exotérmicos de la reacción.
❖
Compren prend der las las vent entaja ajas de bom bombear ear un líqu líquid ido o en luga lugarr de comprimir un vapor.
Materias primas y Reacciones químicas Heur ísti ca 1: ❖
Seleccione materias primas y reacciones químicas para evitar o reducir el manejo y almacenamiento de productos químicos peligrosos y tóxicos. . Ejemplo: Fabricación de etilenglicol (EG).
❖
Dado que ambas reacciones son altamente exotérmicas, necesitan ser controladas cuidadosamente. Pero un derrame de agua en un tanque de almacenamiento de óxido de etileno podría conducir a un accidente similar al incidente de Bhopal. A menudo, estos procesos están diseñados con dos etapas de reacción, con almacenamiento del intermedio, para permitir una producción continua, incluso cuando los problemas de mantenimiento cierran la primera operación de reacción.
Alternativas al proceso EG de dos pasos Utilice
cloro y Sosa cáustica en una sola etapa de reacción, para evitar el intermedio:
A
medida que se forma óxido de etileno, se hace reaccionar con dióxido de carbono para formar carbonato de etileno, un intermedio mucho menos activo que se puede almacenar de forma segura e hidrolizada, para formar el producto etilenglicol, según sea necesario:
Distribución de productos químicos Heurística 2: Use un exceso de un reactivo químico en una operación de reacción para consumir completamente un segundo reactivo químico valioso, tóxico o peligroso (basado en MSDSs). Ejemplo: Considere el uso de exceso de etileno en la producción de DCE
Distribución de productos químicos (Cont) ❖ Heurística 3:
Cuando
Ejemplo:
se requieren productos casi puros, eliminar las especies inertes antes de las operaciones de reacción, cuando las separaciones se logran fácilmente, y cuando el catalizador es afectado negativamente por el inerte. No haga esto cuando se debe eliminar un calor exotérmico grande de reacción.
Distribución de productos químicos (Cont) Necesidad de decidir si se deben eliminar los inertes antes de la reacción...
o después de la reacción ... …
Claramente, la facilidad y el costo de las separaciones deben ser evaluados. Esto puede lograrse examinando las propiedades físicas sobre las que se basan las separaciones, e implica el uso de la simulación
Distribución de productos químicos (Cont) Heuríst ic a 4:
Introducir corrientes de purga de líquido o vapor para proporcionar salidas para especies que –
–
Entren en el proceso como impurezas en la alimentación Producidos por reacciones secundarias irreversibles
Cuando estas especies están en trazas y / o son difíciles de separar de las otras sustancias químicas. Ejemplo : Bucle de síntesis del NH3
Nota: La selección del caudal de purga depende de la economía!
Distribución de productos químicos (Cont) Heuríst ic a 5:
No purgue especies o especies valiosas que sean tóxicas y peligrosas, incluso en pequeñas concentraciones. –
–
Añada separadores para recuperar especies valiosas. Agregue reactores para eliminar las especies tóxicas y peligrosas.
Ejemplo : Convertidor catalítico en el sistema de escape del coche.
Distribución de productos químicos (Cont) Heuríst ic a 6:
Los subproductos que se producen en reacciones reversibles, en pequeñas cantidades, normalmente no se recuperan en los separadores o se purgan. En su lugar, generalmente se reciclan a la extinción.
A menudo se producen pequeñas cantidades de productos químicos en las reacciones secundarias. Cuando la reacción se produce de forma irreversible, se deben purgar pequeñas cantidades de subproductos, de lo contrario se acumularán en el proceso continuamente hasta que se cierre el proceso. Sin embargo, cuando la reacción transcurre de manera reversible, es posible conseguir una conversión de equilibrio en el estado estacionario reciclando las especies de producto sin retirarlas del proceso. Al hacerlo, a menudo se dice que los subproductos no deseados se reciclan hasta la extinción.
Distribución de productos químicos (Cont) Heuríst ic a 7:
Para reacciones en serie o paralelas, ajustar la temperatura, presión y catalizador para obtener altos rendimientos de los productos deseados. En la distribución inicial de los productos químicos, supongamos que estas condiciones pueden ser satisfechas - obtenga datos cinéticos y compruebe esta suposición antes de desarrollar un diseño de caso base.
Ejemplo : Fabricación de cloruro de alilo.
Ejemplo : Fabricación de cloruro de alilo.(Cont.)
Datos Cinéticos HR
ko
1
Btu/lbmole -4,800
lbmole/ hr ft3atm2 206,000
2
-79,200
11.7
3,430
3
-91,800
4.6 x 108
21,300
Reacción
E/R (oR)
13,600
4 0 E 0 6 . 9
4 0 E 0 7 . 9
4 0 E 0 8 . 9
4 0 E 0 9 . 9
3 0 E 0 0 . 1
3 0 E 1 0 . 1
3 0 E 2 0 . 1
-0.4
-0.8 ) k ( n l
-1.2
ln(k1) ln(k2)
-1.6
1/T (980
ln(k3)
Qué gama de temperaturas de funcionamiento favorece la producción de cloruro de alilo?
Distribución de productos químicos (Cont) Heuríst ic a 8:
Para reacciones reversibles, especialmente, considere llevarlas a cabo en un dispositivo de separación capaz de eliminar los productos, y por lo tanto, impulsar las reacciones hacia la derecha. Tales operaciones de separación de reacción conducen a distribuciones muy diferentes de productos químicos.
Ejemplo : Fabricación de acetato de metilo mediante destilación reactiva.
Convencionalmente, esto requeriría la siguiente reacción:
MeOH + HOAc
MeOAc + H2O
Seguido por la separación de productos usando una secuencia de torres de separación.
Fabricación de acetato de metilo mediante destilación reactiva
MeOAc HOAc Zona de Reacción MeOH
H2O
MeOH + HOAc
MeOAc + H2O
SEPARACIÓN Heuríst ic a 9:
Mezclas líquidas separadas mediante destilación, destilación mejorada, extracción líquido-líquido, cristalización y / o adsorción.
Seleccione entre destilación, destilación mejorada, torres de extracción, extracción líquidolíquido, etc
SEPARACIÓN (Cont.) Heur ísti ca 10:
Ref: Douglas (1988)
Intentar enfriar los productos del reactor usando agua de refrigeración
Intente condensar las mezclas de vapor con agua de enfriamiento. A continuación, utilice Heurística 9. Seleccione entre condensación parcial, destilación criogénica, absorción, adsorción, separación de membrana, etc..
Seleccione entre destilación, destilación mejorada, torres de extracción, extracción líquidolíquido, etc.
SEPARACIÓN (Cont.) Heur ísti ca 11:
Mezclas de vapor separadas usando condensación parcial, destilación criogénica, absorción, adsorción y separación de membrana.
Ref: Douglas (1988)
Combinación de los dos flujos anteriores
Separaciones que implican partículas sólidas La cristalización se produce en tres modos: Solución de cristalización (se aplica principalmente a los productos químicos inorgánicos), a una temperatura muy por debajo del punto de fusión de los cristales. Precipitación, se refiere al caso en que un producto de dos soluciones que reaccionan es un sólido de baja solubilidad. La cristalización en fusión (se aplica principalmente a los productos químicos orgánicos), a una temperatura en el intervalo del punto de fusión de los cristales.
Heurística 12: Cristalizar productos químicos inorgánicos de una
solución acuosa concentrada por enfriamiento cuando la solubilidad disminuye significativamente con la disminución de la temperatura. Utilice cristalización por evaporación cuando la solubilidad no cambia significativamente con la temperatura.
Separaciones que implican partículas sólidas
Heurística 13:Las tasas de crecimiento y los tamaños de cristales se controlan por sobresaturación, S=C/C sat , generalmente en el rango 1.02
Eliminación y Adición de Calor a Reactores Aunque la transferencia de calor en los reactores es mejor discutida en el contexto de la integración de calor y potencia, se trata aquí porque muchos métodos que tratan con la transferencia de calor en los reactores también afectan a la distribución de los productos químicos. En primer lugar se tratan los reactores exotérmicos. Heurística 21:Para eliminar un calor altamente exotérmico de reacción, considere el uso de exceso de reactivo, un diluyente inerte, y disparos en frío. Estos afectan la distribución de los productos químicos y deben insertarse temprano en la síntesis del proceso. Heurística 22:Para calentamientos menos exotérmicos de reacción, haga circular el líquido del reactor a un enfriador externo, o utilice un recipiente con camisa o serpentines de enfriamiento. Además, considere el uso de intercoolers.
Transferencia de calor en reactores (Cont.) Heurística: 21: Para eliminar un calor altamente exotérmico de reacción, considere el uso de …
Reactivo en exceso
diluyente inerte
Disparos frios.
Transferencia de calor en reactores (Cont.) Heurística 22:Para calentamientos menos exotérmicos de reacción, haga circular el líquido del reactor a un enfriador externo, o utilice un recipiente con camisa o serpentines de enfriamiento. Además, considere el uso de intercoolers.
Transferencia de calor en reactores (Cont.) Ejemplo: Diseño de TVA para convertidores de síntesis de NH3
Transferencia de calor en reactores (Cont.) Reactores Endotermicos: Se tratan de manera similar: Heurística 23: Para controlar la temperatura de un calor altamente endotérmico de reacción, considere el uso de exceso de reactivo un diluyente inerte, y disparos en caliente. Estos afectan la distribución de los productos químicos y deben insertarse temprano en la síntesis del proceso. Heurística 24: Para calentamientos menos endotérmicos de reacción, haga circular el líquido del reactor a un calentador externo, o utilice un recipiente con camisa o serpentines de calentamiento. Además, considere el uso de intercambiadores.
Intercambiadores de Calor y Hornos Heurística 26: Aproximación a la temperatura mínima casi óptima: 10 F o menos para temperaturas por debajo de la temperatura ambiente. 20 F para temperaturas superiores a la ambiente hasta 300 F. 50 F para altas temperaturas. 250 a 350 ºF en un horno. °
°
°
°
Heurística 27: Cuando se usa agua de enfriamiento para enfriar o condensar una corriente de proceso, asuma una temperatura de entrada de agua de 90 ºF y una temperatura máxima de salida de agua de 120 ºF.
Intercambiadores de Calor y Hornos (Cont.) Heurística 28: Hervir un líquido puro o una mezcla líquida de punto de ebullición cercano en un intercambiador de calor separado, utilizando una fuerza de impulsión máxima de temperatura global de 45 ºF para asegurar la ebullición nucleada y evitar la ebullición indeseable de la película. Heurística 31: Calcule las caídas de presión del intercambiador de calor como: 1,5 psi para ebullición y condensación. 3 psi para un gas. 5 psi para un líquido de baja viscosidad. 7-9 psi para un líquido de alta viscosidad. 20 psi para un fluido de proceso que pasa a través de un horno.
Bombeo y Compresión Heurística 34:Utilice un ventilador para elevar la presión del gas de la presión atmosférica a una altura de 1,47 psig. Utilice un ventilador o compresor para elevar la presión del gas hasta 30 psig. Utilice un compresor o un sistema de compresor escalonado para alcanzar presiones mayores de 30 psig. Heuristic 37: Para cabezales de hasta 3200 pies y caudales en el rango de 10 a 5000 gpm, use una bomba centrífuga. Para cabezas altos de hasta 20000 pies y flujo de hasta 500 gpm, utilice una bomba alternativa.
Bombeo y Compresión (Cont.) Heurística 43: Para aumentar la presión de una corriente, bombee un líquido en lugar de comprimir un gas; A menos que se necesite refrigeración. Dado que el trabajo realizado por bombeo o compresiones es dado por: W
P2
V d P
P1
Se deduce que es más eficiente bombear un líquido que comprimir un gas. Por lo tanto, es casi siempre preferible condensar un vapor, bombearlo y vaporizarlo, en lugar de comprimirlo. Excepción: si la condensación requiere refrigeración.
Heurística de Diseño de Procesos - Resumen Hemos cubierto 25 heurísticas de diseño, lo que le permite:
Comprender la importancia de seleccionar caminos de reacción que no impliquen productos químicos tóxicos o peligrosos, o reducir su presencia acortando los tiempos de residencia en las unidades de proceso y evitando su almacenamiento en grandes cantidades.
Ser
capaz de distribuir los productos químicos en un diagrama de flujo del proceso, para tener en cuenta la presencia de especies inertes, para purgar especies que de otro modo se acumularían hasta concentraciones inaceptables, para lograr una alta selectividad a los productos deseados.
Ser
capaz de aplicar heurísticas en la selección de procesos de separación para separar líquidos, vapores y mezclas vapor-líquido.
Ser
capaz de distribuir los productos químicos para eliminar las calidades exotérmicas de reacción.
Comprender las ventajas de bombear un líquido en lugar de comprimir un vapor.
