REGLAS HEURISTICAS EN INGENIERIA QUIMICA Son conocimientos empíricos (extraídos de la experiencia profesional) que nos dan rápidamente una primera aproximación sin cálculos extensos.se utilizan con frecuencia en las primeras etapas del diseño. Algunos pueden tener sustento técnico –matemático. Muchas veces constituyen el secreto de la empresa (y también del profesional) HEURÍSTICAS PARA EQUIPOS • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • •
transportadores de sólidos particulados. torres de enfriamiento la cristalización a partir solución desintegración destilación y absorción de gases secado de sólidos evaporadores extracción líquido-líquido filtración fluidización de partículas con gases intercambiadores de calor aislamiento mezcla y agitación ampliación de partículas tamaño tuberías bombas reactores refrigeración tamaño de separación de partículas servicios: especificaciones comunes buques (batería) buques (presión) buques (tanques de almacenamiento)
COMPRESORES Y BOMBAS DE VACÍO Ventiladores (fans): elevan la presión en un 3% Sopladores (blowers): hasta 40 psig Compresores: para mayores presiones Bombas de vacio: ◦ Piston reciprocante: vacio hasta 1torr ◦ Pistón rotatorio: hasta 0.0001 ◦ Ejectores de vapor 1 etapa: hasta 100 torr. 3 etapas hasta 1 torr. 5 etapas hasta 0.005 torr
TRANSPORTADORES DE PARTÍCULAS SÓLIDAS De tornillo: materiales abrasivos o pegajosos. Inclinación de 20º. Distancia hasta 150 pies. Con un D = 20 pulg. Manejan 1000 – 3000 pie·/hr a velocidades de 40 a 60 rpm. De faja: Alta capacidad, largas distancias. Inclinación hasta 30º. Con 24 pulg. Manejan unos 3000 pie3/hr a velocidades de 600ft/min DESTILACIÓN Y ABSORCIÓN La destilación usualmente es el medio más económico para separar líquidos. La presión de la columna frecuentemente la fija la temperatura del medio condensante disponible ( 100 -120 F si se utiliza agua de enfriamiento). Secuencia de columnas: a) primero las separaciones más fáciles ( menos platos). La más difícil al final. b) Si las volatilidades relativas o la concentración de la alimentación no varían mucho; separar los componentes uno a uno como producto de cabeza. La razón de reflujo económico es aproximadamente 1.2 veces el Rm El número económico de platos es casi el doble del Nm. INTERCAMBIADORES DE CALOR: Como base de cálculo tome flujo a contracorriente para un intercambiador de tubos y cámara. En los tubos: fluidos corrosivos, que dejan depósitos ( escaling, fouling) En la cámara: fluidos viscosos y condensantes. Tubos estándar: De = ¾ pulg. 16 pie de longitud. Espaciamiento triangular 1 pulg. En una cámara D = 1 pie se tiene 100 pie2. D = 2, 200 pie2. D = 3 pie, 1100 pie2. Coeficientes de Transferencia de calor: Agua-liquido:, condensadores: 150 BTU/(hr.pie2.ºF) Líquido a gas, gas a gas: 5 BTU/(hr.pie2.ºF)
REACTORES: La cinética de reacción debe determinarse en el laboratorio. El tiempo de residencia y distribución de producto en planta piloto. Catalizador: o.1 mm en lechos fluidizados. 1 mm en lechos de lodos. 2 – 5 mmm en lechos fijos. Potencia en un CSTR: 0.5 -1.5 HP/1000 gal.
HEURÍSTICA PARA PROCESO DE SÍNTESIS Recordando las operaciones del proceso de síntesis de procesos: ♣ ♣ ♣ ♣ ♣
La reacción química (para eliminar las diferencias en el tipo molecular) La mezcla y el reciclaje (para distribuir los productos químicos) Separación (para eliminar las diferencias en la composición) Temperatura, presión y cambio de fase La integración de tareas (para combinar las tareas en operaciones unitarias)
Esta conferencia trata de las reglas heurísticas que agilicen la selección y colocación de los tratamientos como diagramas de flujo se montan. Estas reglas se basan en la experiencia y espera en general, pero deben ser probados (por ejemplo, mediante la simulación) para garantizar que se aplican en la aplicación específica. Más adelante, en la sección B, veremos cómo se utilizan los métodos algorítmicos para mejorar las decisiones de diseño. Al terminar, Comprender la importancia de la selección de caminos de reacción que no implican los productos químicos tóxicos o peligrosos, y cuando es inevitable, para reducir su presencia al acortar los tiempos de permanencia en las unidades de proceso y evitar su almacenamiento en grandes cantidades. Ser capaz de distribuir los productos químicos en un diagrama de flujo de proceso, para dar cuenta de la presencia de especies inertes, para purgar las especies que de otro modo construir hasta concentraciones inaceptables, para lograr una alta selectividad a los productos deseados. Ser capaz de aplicar la heurística en la selección de los procesos de separación de líquidos separados, vapores y mezclas de vapor-líquido. Ser capaces de distribuir los productos químicos, mediante el uso de exceso de reactivos, diluyentes inertes, y los tiros calientes, para eliminar los calores de la reacción exotérmica. Comprender las ventajas de bombeo de un líquido en lugar de la compresión de un vapor.
MATERIAS PRIMAS Y QUÍMICOS REACCIONES: Heurística 1: Seleccionar las materias primas y las reacciones químicas para evitar, o reducir, la manipulación y almacenamiento de productos químicos peligrosos y tóxicos. Ejemplo: Fabricación de etilenglicol (EG).
O 1 C2H4 + -2 O2 → CH2 - CH2
(R.1)
Puesto que ambas reacciones son altamente exotérmicas, que deben ser controlados cuidadosamente. Sin embargo, un derrame de agua en un tanque de almacenamiento de etileno-óxido podría dar lugar a un accidente similar al del incidente de Bhopal. A menudo, estos procesos están diseñados con dos etapas de reacción, con el almacenamiento de la sustancia intermedia, que permita una producción continua, incluso cuando los problemas de mantenimiento cerraron la primera operación de reacción. ALTERNATIVAS AL PROCESO EG TWO-STEP Utilice cloro y sosa cáustica en una sola etapa de reacción, para evitar el intermedio:
Como está formado de etileno-óxido, hacerlo reaccionar con dióxido de carbono para formar carbonato de etileno-, un intermedio mucho menos activo que se puede almacenar de forma segura y se hidroliza, para formar el producto de etileno-glicol, según sea necesario.
DISTRIBUCIÓN DE PRODUCTOS QUÍMICOS Heurística 2: Usar un exceso de un reactivo químico en una operación de reacción para consumir completamente un segundo valiosa, tóxicos, peligrosos o reactivo químico. Ejemplo: Considere el uso de etileno en exceso en la producción de DCE
DISEÑO Y ANÁLISIS II - (c) Daniel R. Lewin Heurística 3: Cuando se requieren productos casi puros, eliminar las especies inertes antes de las operaciones de reacción, cuando las separaciones se llevan a cabo fácilmente, o cuando el catalizador se ve afectado negativamente por la inerte No hagas esto, cuando un gran calor exotérmico de la reacción debe ser eliminado. Ejemplo:
DISEÑO Y ANÁLISIS II - (c) Daniel R. Lewin Necesidad de decidir si se debe quitar de inertes antes de la reacción:
O después de la reacción:
Claramente, la facilidad y el coste de las separaciones deben ser evaluados. Esto se puede lograr mediante el examen de las propiedades físicas en que se basan las separaciones, e implica el uso de la simulación. Heurística 4: Dar a conocer las corrientes de purga de líquido o de vapor para proporcionar salidas para las especies que entrar en el proceso como impurezas en la alimentación producido por reacciones secundarias irreversibles cuando estas especies son en cantidades de trazas y / o son difíciles de separar de los otros productos químicos. Ejemplo: NH3 Síntesis Loop
Nota: La selección del caudal de purga depende de la economía. Heurística 5: No purgar valiosas especies o especies que son tóxicos y peligrosos, incluso en pequeñas concentraciones. Añadir separadores para recuperar especies valiosas. Añadir reactores para eliminar especies tóxicas y peligrosas. Ejemplo: Catalizador en el sistema de escape de los automóviles
Heurística 6: Los subproductos que se producen en las reacciones reversibles, en pequeñas cantidades, son por lo general no se ha recuperado en los separadores o purgados. En lugar de ello, por lo general se reciclan a la extinción. A menudo, las pequeñas cantidades de productos químicos se producen en las reacciones secundarias. Cuando la reacción se desarrolla de forma irreversible, pequeñas cantidades de subproductos deben ser purgados, de lo contrario la acumulación en el proceso continua hasta que el proceso debe cerrarse. Cuando, sin embargo, la reacción transcurre de forma reversible, se hace posible lograr una conversión de equilibrio en estado estacionario por el reciclado de las especies de productos sin necesidad de sacarlos del proceso. Al hacerlo, a menudo se dice que los subproductos no deseados se reciclan a la extinción. Heurística 7: Para competir serie o en paralelo reacciones, ajustar la temperatura, la presión, y el catalizador para obtener altos rendimientos de los productos deseados. En la distribución inicial de los productos químicos, se supone que estas condiciones pueden ser satisfechas - obtener datos cinéticos y comprobar esta hipótesis antes de desarrollar un diseño de caso base. Ejemplo: Fabricación de alil-cloruro.
Heurística 8: Para las reacciones reversibles, especialmente, considerar la realización de ellos en un dispositivo de separación capaz de eliminar los productos, y por lo tanto, conducir las reacciones a la derecha. Tales operaciones reacción-separación conducen a diferentes distribuciones de los productos químicos. Ejemplo: Fabricación de acetato de etilo usando destilación reactiva. Convencionalmente, esto exigiría reacción:
Seguido de la separación de los productos que utilizan una secuencia de torres de separación. Heurística 9: Separar mezclas líquidas utilizando destilación y desbroce torres y extractores líquido-líquido, entre operaciones similares.
Heurística 10: Intentar condensar mezclas de vapor con agua de refrigeración. A continuación, utilice heurístico 9.
Heurística 11: Mezclas de vapor separados utilizando condensadores parciales, destilación criogénica, torres de absorción, adsorbentes y / o dispositivos de membrana.
Combinación de los dos diagramas de flujos anteriores
TRANSFERENCIA DE CALOR EN LOS REACTORES: Aunque la transferencia de calor en los reactores se discute mejor en el contexto de calor y la integración de la energía (ver Conferencias de 6 - 8), se trata aquí porque muchos métodos que se ocupan de la transferencia de calor en los reactores también afectan a la distribución de productos químicos. Trata primero son reactores exotérmicos. Heurística 12: Para eliminar un calor altamente exotérmico de la reacción, considere el uso de un exceso de reactivo, un diluyente inerte, y los tiros calientes. Estos afectan a la distribución de productos químicos y se deben insertar en la síntesis temprana del proceso. Heurística 13: Para calienta menos de la reacción exotérmica, circular el fluido del reactor hasta un enfriador externo, o utilizar un recipiente con camisa o serpentines de enfriamiento. También, considere el uso de intercoolers. Heurística 12: Para eliminar un calor altamente exotérmico de la reacción, considere el uso de:
Heurística 13: Para calienta menos de la reacción exotérmica, circular el fluido del reactor hasta un enfriador externo, o utilizar un recipiente con camisa o serpentines de enfriamiento. También, considere el uso de intercoolers.
TRANSFERENCIA DE CALOR EN LOS REACTORES: Ejemplo: Diseño TVA para Convertidores de síntesis de NH3
Heurística 14: Para el control de la temperatura para un calor altamente endotérmica de la reacción, considere el uso de un exceso de reactivo un
diluyente inerte, y los tiros calientes. Estos afectan a la distribución de productos químicos y se deben insertar en la síntesis temprana del proceso. Heurística 15: Para calienta menos endotérmicos de reacción, circular el fluido del reactor para un calentador externo o utilice un vaso o calefacción encamisados bobinas. También, considere el uso de interheaters. Heurística 16: Para aumentar la presión de una corriente, bombear un líquido en lugar de comprimir un gas; es decir, condensar un vapor, siempre y cuando no se necesita refrigeración (y de compresión), antes de bombear.Puesto que el trabajo realizado por bombeo o compresiones viene dada por:
De ello se desprende que es más eficiente para bombear un líquido que para comprimir un gas. Por lo tanto, es casi siempre preferible para condensar un vapor, bombearla, y vaporizar que, en lugar de comprimirlo. Excepción: si la condensación requiere refrigeración.
LA HEURÍSTICA DE DISEÑO DE PROCESOS – RESUMEN •
Comprender la importancia de la selección de caminos de reacción que no implican los productos químicos tóxicos o peligrosos, o reducen su presencia al acortar los tiempos de permanencia en las unidades de proceso y evitar su almacenamiento en grandes cantidades.
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Ser capaz de distribuir los productos químicos en un diagrama de flujo de proceso, para dar cuenta de la presencia de especies inertes, para purgar
las especies que de otro modo construir hasta concentraciones inaceptables, para lograr una alta selectividad a los productos deseados. •
Ser capaz de aplicar la heurística en la selección de los procesos de separación de líquidos separados, vapores y mezclas de vapor-líquido.
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Ser capaces de distribuir los productos químicos para eliminar los calores de la reacción exotérmica.
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Comprender las ventajas de bombeo de un líquido en lugar de la compresión de un vapor.
