Síntesis de Procesos

La Síntesis de Procesos Industriales

CAPITULO

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LA SÍNTESIS DE PROCESOS INDUSTRIALES Este capítulo se inicia con una revisión bibliográfica de los avances en la síntesis de procesos industriales y luego se presenta una metodología desarrollada por el autor para la creación o estructuración de procesos y su posterior evaluación para seleccionar una estructura promisoria. Posteriormente se aplica esta esta metodología a un caso concreto. concreto.

6.1 CONCEPTOS BÁSICOS Tradicionalmente el diseño de plantas industriales y de sistemas de proceso ha sido guiado por la experiencia del diseñador y por analogías con plantas similares. Hoy en día, la síntesis de procesos enfrenta el gran reto de diseñar sistemas industriales con métodos formales que van reduciendo el arte de diseñar . La síntesis de procesos genera un conjunto de diseños alternativos llamados estructuras de proceso, y selecciona entre ellos a los más promisorios conforme a objetivos pre-establecidos. Las estructuras de proceso se caracterizan caracteriz an por: (1) el tipo de unidades operacionales involucradas, (2) el modo de interconexión de estas unidades, y (3) los valores de las variables de diseño para cada una de las unidades operacionales. La síntesis de procesos es, pues, un instrumento fundamental para generar el diseño óptimo de los procesos. procesos. En los últimos años se han logrado importantes importantes avances avances en este campo. campo. Se presentan a continuación, las contribuciones más significativas en este campo y su potencialidad. La síntesis de procesos (SP) es la disciplina que sistemáticamente sistemáticamente integra las diferentes etapas en el diseño, con el objeto de lograr el estado óptimo de un sistema de proceso dado. Una ruta lógica para la resolución de problemas de SP consta de las siguientes fases: definición del problema, selección de un sistema de valores, síntesis del sistema, análisis del sistema, optimización y evaluación [Umeda, 1983]

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Diseño y Evaluación de Procesos

Miranda & Medina

La definición del problema es el estudio de las necesidades satisfechas por el sistema y su entorno. Una definición definición completa completa del del problema requiere un modelamiento modelamiento matemático del mismo. Para la formulación de modelos matemáticos de los sistemas de proceso consúltese el capítulo 2. El sistema de valores consiste de un conjunto de objetivos a ser satisfechos y la relación entre los mismos. El sistema de valores provee los criterios para seleccionar la mejor solución. Los objetivos más comunes son: economía del proceso, controlabilidad, confiabilidad, seguridad e impacto ambiental. ambiental. Para satisfacer satisfacer estos estos objetivos múltiples, y la posibilidad de conflicto entre ellos, se debe determinar la secuencia del proceso de decisión. La síntesis de sistemas es la etapa inventiva: las entradas y salidas del sistema son conocidas y se debe formular un conjunto de estructuras de proceso alternativas que satisfagan el sistema de valores propuesto. El análisis de sistemas verifica el desempeño de cada una de las estructuras generadas fijando las entradas entradas a dichas dichas estructuras y determinando las salidas salidas correspondientes. correspondientes. La etapa de análisis tiene como meta reducir r educir el número de estructuras de proceso generadas. generadas. La optimización de procesos determinará el mejor diseño y las mejores condiciones de operación para un proceso industrial dado, en concordancia con el sistema de valores seleccionado seleccionado [Kafarov, p.135]. La optimización puede ser estática estática (en estado estacionario) estacionario) ó dinámica (para definir el sistema de control). control). A la fecha la optimización optimización estática es es la más aplicada en SP (para métodos de optimización consúltese a Martin S. Ray Chemical Engineering Design Project: A Case Study Approach [1998]. La etapa de evaluación analiza las consecuencias del proceso de optimización y combina estos resultados de acuerdo a las reglas prescritas en el sistema de valores. Todas las etapas pertenecientes a la ruta lógica de resolución de problemas en SP, descritas anteriormente, están en permanente interacción. En particular, es importante reconocer la interrelación entre la síntesis, el análisis y la optimización. La SP inventa un conjunto de estructuras de proceso alternativas. Es deseable seleccionar la mejor estructura de proceso o configuración que satisfaga un sistema de valores preestablecido. La síntesis de un sistema sistema operacional operacional óptimo involucra involucra decisiones decisiones en dos dos diferentes espacios: (1) El espacio de las alternativas estructurales definido por la topología y la naturaleza de las unidades unidades interactuantes, interactuantes, y (2) el espacio de diseños alternativos alternativos para las unidades operacionales que componen el sistema. La topología se refiere a la interconexión o relación entre las distintas unidades operacionales de modo que configuren una estructura de proceso. proceso. Durante la etapa del diseño básico, básico, es común generar un número enorme de estructuras de proceso alternativas usando todas las combinaciones combinaciones posibles entre las unidades del proceso. proceso. Westerberg [1980], establece establece que una formulación apropiada del problema de síntesis debe incluir todas las alternativas interesantes, pero debe excluir aquellas aquellas no atractivas. atractivas. Es un problema problema complejo complejo determinar métodos confiables que permitan seleccionar entre ellos el más adecuado para cada problema.

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6.2 LA SINTESIS DE PROCESOS COMO UN PROBLEMA DE MAPEO Stephanopoulos [1981], formaliza la SP como un problema de mapeo, sentando así bases sólidas para la sistematización de los métodos de SP, puesto que provee criterios para descomponer descomponer los problemas de SP sin comprometer la validez de los resultados. Dado un conjunto de condiciones de entrada (tales como flujos, composición, temperatura, presión y otros indicadores de estado), este puede ser mapeado a un conjunto de condiciones de salida deseado deseado por medio de una función de transformación. transformación. Los mapeos sucesivos que definen totalmente el proceso se conducirán sólo por ciertos estados permisibles definidos por un conjunto de unidades operacionales permisibles (reactores, separadores, mezcladores, etc.), y de las interacciones entre las mismas. Es evidente que la funci6n de transformación final será la(s) estructura(s) que proceso que produce(n) el esperado conjunto de salida a partir del conjunto de condiciones de entrada.

Considerar el mapeo N, es decir: Mi:

E entrada  E salida

Donde E entrada y E salida son los espacios de las entradas disponibles (materias primas, energía, etc.) y de las salidas deseadas, respectivamente. respectivamente. Cada mapeo es caracterizado por:

Mi  ( Ui, Ti)

siendo Ui el conjunto de unidades operacionales y, T i, representa la topología de este conjunto de unidades, es decir, las interconexiones entre ellas. Un mapeo dado intenta reconciliar las diferencias entre las entradas disponibles y las salidas deseadas mediante la introducción de operadores permisibles. En la Tabla 6.1 se presentan estos operadores.

Tabla 6.1.- Operadores en el Mapeo de Procesos

DIFERENCIAS

OPERADORES

En las especies químicas

Reactores

En las composiciones

Separadores

En las cantidades

Mezcladores y Bifurcadores Bifurcado res

En las presiones

Bombas, Compresores y Válvulas

En las temperaturas

Intercambiadores Intercambiadores de Calor

En las entalpías

Indicadores de Fase

Cada uno de los operadores pertenece a un espacio discreto distinto. Puesto que el mapeo

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conforme es dado por las relaciones entre un conjunto particular de operadores, se puede formular el siguiente principio de descomposición: descomposición: La construcción inductiva de un mapeo conforme usando operadores de espacios disjuntos, puede proceder en distintos niveles independientemente del orden en que sean considerados.

Este principio es válido si y sólo si se permite que la estructura de interconexión T i, que actúa como la interfase entre dos niveles distintos, cambie totalmente [Stephanopoulos, 1981]. Tomando éste principio como base, el problema de SP ha sido descompuesto por diversos autores (Mahalec & Motard, 1977; Rudd, Powers and Siirola, 1971; Umeda, Shindo & Ichikawa, 1974; etc.), en una serie de sub-problemas de síntesis, tales como los siguientes: síntesis de rutas de reacción, síntesis de redes de reactores, síntesis de ubicaci6n de especies, síntesis de redes de separación, y síntesis de redes de intercambio de energía.     

Para problemas de dinámica de procesos, deben ser considerados considerados otros dos sub-problemas: síntesis de estructuras de control de procesos, y síntesis de sistemas de seguridad.  

6.3 LOS SUB-PROBLEMAS DE SP La Asignación de Especies intenta concordar las entradas y salidas de especies o componentes del sistema y también a su su interior, generando para ello un conjunto de estructuras de proceso preliminares, con el criterio de minimizar el costo de las mismas. Trabajos pioneros en este campo han sido hechos por Siiola, Powers y Rudd [1971], y Mahalec y Motard (1977). Johns y Romero [1979], han creado creado un generador de diagramas diagramas de flujo aplicando programación dinámica y técnicas de ramificación restringida. Friedler, Blicke Gyenes y Tarjan [1981], reportan la generación de estructuras tecnológicas representadas representadas por petrigrafos. Lu y Motard [1985], [1985], usan un enfoque enfoque heurístico y evolucionario para la generación de estructuras de proceso, haciendo uso de programación lineal y principios de inteligencia inteligencia artificial. Una limitación importante del trabajo desarrollado hasta hasta la fecha es que no existen métodos confiables que permitan permitan reducir el espacio de búsqueda entre las estructuras de proceso alternativas sin comprometer la eliminación de estructuras atractivas.

La Síntesis de Rutas de Reacción intenta encontrar una una secuencia de reacciones que que puede ser usada para alcanzar una molécula producto a partir de ciertas materias primas; ello, minimizando el costo del proceso resultante y reduciendo el número de etapas de reacción a un mínimo. Calusara Calusara y Volanski Volanski [1986] representan las rutas de reacción en en forma matricial teniendo como elementos las estructuras químicas y las reacciones. Rotstein, Resasco y Stephanopoulos Stephanopoulos [1982], proponen un procedimiento para la creación y evaluación de rutas de reacción, analizando la energía libre de Gibbs y la temperatura. Stephanopoulos y Townsend [1985], sugieren que el espacio de búsqueda para las rutas de reacción está conformado por: el cambio en la energía libre de Gibbs, el calor de reacción, la estequiometría, la temperatura, la presión, la cinética y el costo de los reactivos.

La Síntesis de Redes de Reactores procura obtener una configuración óptima de los reactores, definiendo el tipo de reactores, su número y su interconexión.

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Los objetivos son minimizar el costo y maximizar el rendimiento. Nishida et. al. destaca que muy poco ha sido hecho en este campo. Conti y Paterson [1985] proponen un procedimiento heurístico para sintetizar las redes de reactores asociadas a sistemas de separación. El trabajo recién está empezando en este campo.

La Síntesis de Secuencias de Separación determina el proceso de menor costo capaz de separar un producto producto especificado especificado de un conjunto de de corrientes de alimentación. alimentación. Queda por estudiar el problema de la transformación de diversas mezclas de alimentación en un conjunto diferente de mezclas producto producto [Nishida et. al., 1981]. Un área de creciente interés es la síntesis de secuencias de destilación con integración calórica; la meta es encontrar secuencias secuencias de destilación minimizando el consumo energético mediante el acoplamiento de ebullidores y condensadore condensadoress de las columnas. columnas. Andrecovich y Westerberg [1985], usan usan la programación lineal de enteros mezclados para la formulación de este problema; en tanto Shankar [1985], usa un procedimiento heurístico. Aún falta mucho por desarrollar.

La Síntesis de Redes de Transferencia de Energía consiste en configurar un sistema de costo mínimo que recupere la energía usando operaciones tales como intercambio de calor, expansión, compresión compresión y refrigeración. Linhoff y Townsend [1982] y Papoulis y Grossmann Grossmann [1983 a,b] han contribuido de modo importante en este campo.

La Síntesis de Redes de Intercambio de Calor es un sub-problema de síntesis de redes de transferencia de energía. Persigue configurar una red de intercambiadores de calor que minimice el consumo de energía energía y el costo de capital de la instalación. instalación. Este sub-problema es el único que ha alcanzado madurez y ha sido aplicado exitosamente, debido al profundo conocimiento de los principios principios que que lo rigen: la segunda segunda ley de de la termodinámica. Se distinguen tres etapas fundamentales en esta síntesis: pre-análisis para definir metas y limitaciones; invención de la red; red; y, evolución. Las metas típicas son: consumo consumo mínimo de servicios (vapor, agua, agua, refrigerantes, refrigerantes, etc.) y mínimo número de intercambiadores. intercambiadores. La invención de la red tiene una representación apropiada y reglas de diseño [Linhoff y Turner, 1981]. Los principios principios de análisis análisis termodinámico en los que que se basa la configuración de redes de intercambiadores han sido aplicados a secuencias de destilación [Linhoff y Vredeland, 1984; Borland y Hindmarsh, 1984].

La Síntesis de Sistemas de Control desarrolla una estructura de control seleccionando y apareando variables controlables y manipulables para satisfacer los objetivos del control [Stephanopoulos, 1984]. Como objetivos se se tienen la minimización minimización de errores en el estado estacionario, la rapidez de la respuesta, la suavización de la respuesta, el grado de interacción entre los ciclos de control y el rango de operabilidad.

La Síntesis de Sistemas de Seguridad intenta definir una estructura de elementos mensurables y de variables manipulables de modo que el sistema permanezca alejado de regiones de peligrosidad en la operación.

6.4 ESTRATEGIAS GENERALES PARA PARA LA SP Existe una gran variedad variedad de estrategias empleadas empleadas en síntesis de procesos; procesos; sin embargo, como Takamatsu [1983] [1983] enfatiza, ellas ellas no han sido evaluadas evaluadas organizadamente organizadamente de modo modo que puedan ser aplicadas práctica y directamente. Clasificaremos, a nuestro juicio, las estrategias de SP en generales generales y especificas, con objeto de analizarlas consistentemente consistentemente y definir su importancia y alcances en SP.

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La SP como un Problema de Optimización No Lineal Multi-objetivo de Enteros Mezclados. La SP intenta construir una estructura de proceso que convierta determinadas materias primas en productos deseados. Se deben deben satisfacer para ello ello diversos diversos objetivos, objetivos, y por tanto, tanto, es preciso formular un sistema de valores. Puesto que muchas estructuras de proceso son generadas durante la síntesis, se debe implementar la optimización de las mismas pan reducir el número de alternativas. La topología topología de interconexión interconexión de las unidades unidades se puede tratar como un problema de programación de enteros, en tanto que la optimización de las unidades operacionales operacionales es un problema problema de optimización no lineal. Así se genera un problema de objetivos múltiples de programación no lineal de enteros mezclados [Grossmann y Santibanez, 1980]. Sin embargo, la resolución de un problema tal no es viable con las técnicas disponibles en la actualidad. En consecuencia consecuencia 1 es necesario introducir algunas simplificaciones. Simplificaciones comunes en el procedimiento de optimización.

1)



Asume un sistema de valores simplificado



Usa sólo las variables de diseño más importantes



Estima el rango de variación de cada variable de diseño



Trabaja sólo con algunos valores discretos de las variables.

Simplificación del sistema de valores .- Se asume alguno de los siguientes criterios: 





Considera una función objetivo dominante coma la única y expresa otros objetivos como restricciones. Construye una escala compuesta para la función objetivo, asignando pesos para los diversos objetivos. Descompone Descompone el diseño de procesos en una serie de sub-problemas; cada sub-problema debe satisfacer satisfacer un objetivo y luego se integraran los resultados. resultados.

Uso de

las diversas variables de diseño más

importantes .

2)

No existe un procedimiento confiable que permita definir las variables de diseño más importantes. Fisher, Doherty y Mahalone [1985], intentan una clasificación de variables con objeto de definir cuales cuales podrían podrían ser más significativas. significativas. Fisher et. et. al. [1985], desarrolla desarrolla un procedimiento de análisis económico para definir la importancia de cada variable en una estructura de proceso.

3)

Estimación del rango de variación de las variables . Este rango se podría determinar a partir de restricciones del problema, tales como especificaciones de calidad de los productos, límites de seguridad y factibilidad en variables como temperatura y presión, o restricciones de seguridad respecto a materiales peligrosos [Umeda, 1983].

4)

Asume valores discretos de las variables . En simulación de procesos procesos es muy frecuente usar algunos valores discretos de las variables más importantes en rangos pre-establecidos para proceder a la optimización. Por ejemplo, Floquet, Piboleau y flomenech flomenech [1985], usan valores discretos de las variables de diseño en la síntesis preliminar de reactores y separadores.

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Estrategias de Búsqueda


Las estrategias de búsqueda empleadas en SP se pueden clasificar por los siguientes descriptores. 1) Número de alternativas estructurales a considerar: todas las alternativas un sub-conjunto de alternativas 2) Grado de completitud se trabaja sólo con sistemas completamente sintetizados se trabaja con configuraciones parcialmente desarrolladas 3) Metodología usada métodos algorítmicos métodos heurísticos métodos híbridos  

 

  

1. Número de alternativas estructurales . Más conveniente conveniente es trabajar trabajar sólo con con un subconjunto de alternativas. Existen tres modos de reducir el espacio de alternativas estructurales: usando la ramificación restringida, usando heurísticas o usando un enfoque evolucionario evolucionario combinado combinado con cualquiera de las otras dos técnicas. técnicas. El término heurístico se refiere a reglas empíricas, ya sea inducidas de la experiencia o producto de análisis teóricos simplificados. 2. Grado de Completitud . Parece ser más conveniente trabajar con métodos evolucionarios que inicialmente consideran estructuras de proceso simples y progresivamente generan estructuras más detalladas. 3. Metodología. Es preciso preciso sopesar sopesar la rigurosidad y confiabilidad de los métodos algorítmicos respecto respecto a la facilidad de uso de los métodos métodos heurísticos. heurísticos. Los métodos algorítmicos más usados en SP son: técnicas de programación matemática, técnicas en búsqueda no lineal y técnicas de optimización multi-nivel.

6.5 ESTRATEGIAS ESPECIFICAS EN SP SP como un Problema de un Solo Objetivo Grossmann [1985] formula la síntesis de estructuras de proceso integradas -conformadas por sistemas de servicios, redes de recuperación de calor y sistemas de proceso-, como un problema de optimización de programación lineal de enteros mezclados de objetivo único. Esta es una técnica de multi-nivel en tanto permite evaluar diversas estructuras de proceso simultáneamente. simultáneamente. La principal restricción a este enfoque es que sólo puede evaluar problemas relativamente pequeños y la optimalidad se garantiza sólo para las estructuras que han sido incluidas en la formulación del problema y no para todas las posibles estructuras.

Uso de Heurísticas y Metas Termodinámicas Para lidiar con el problema de síntesis es conveniente complementar los métodos algorítmicos con heurísticas y metas termodinámicas. Las metas termodinámicas pueden contribuir a eliminar estructuras estructuras de proceso proceso energéticamente energéticamente ineficientes. Las reglas heurísticas permitirían identificar identificar estructuras de proceso proceso deficientes. deficientes. Así los métodos 7


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algorítmicos consideran en su análisis sólo las estructuras más promisorias. Umeda [1983], recomienda también el uso del análisis de exergía para determinar límites a unidades del proceso. Umeda, Stephanopoulos y Takamatsu reconocen a los métodos evolucionarios como los más apropiados para la SP.

Uso de Heurísticas y Planeación Jerárquica Jerárquica Lu y Notard [1985] y Douglas [1985], emplean un procedimiento evolucionario basado en la aplicación de heurísticas heurísticas y orientado por la planeación planeación jerárquica. Es decir, decir, las decisiones en en la configuración de estructuras de proceso son jerarquizadas; por ejemplo, se deberá definir la estructura entrada-salida de las corrientes de la planta antes de establecer el sistema de reciclo a la configuración de los reactores. reactores.

Integración de la Estructura de Reactores y Separadores Douglas, Malone y Doherty [1985], establecen que la selección de un sistema de separación está asociado a la determinación de los flujos de proceso óptimos. Conti y Paterson [1985], demuestran que los reactores deben diseñarse paralelamente con el resto de unidades y no como entes aislados.

Uso del Análisis Termodinámico Termodinámico El uso del análisis termodinámico ha sido extendido a la optimización de procesos completos. completos. Linhoff y Vredeveld [1984], proponen el concepto del punto de estrangulamiento para optimizar procesos teniendo como objetivo la minimización del consumo energético. Boland y Hindmarsh (1984), indican haber encontrado un procedimiento para la síntesis energética total. Ellos dividen el sistema en tres sub-sistemas: sub-sistemas: sistema de energía, energía, sistema de destilación y sistema de base. base. Cada sub-sistema es representado representado y optimizado por diagramas diagramas entalpía- temperatura.

Desarrollo de Bases Analíticas y Sistemas Expertos Stephanopoulos propone ordenar el desarrollo de SP mediante la generación de nuevas bases analíticas que permitan guiar la selección de estructuras de proceso y establecer metas alcanzables para los procesos. procesos. Asimismo, señala la necesidad necesidad de sistematizar el conocimiento adquirido vía la elaboración elaboración de sistemas expertos. expertos. Los sistemas sistemas expertos expertos están conformados por un conjunto de reglas de producción y un mecanismo de inferencia que ejecuta tales reglas. reglas. La primera generación de sistemas sistemas expertos ya está está desarrollada.

6.6 RESUMEN SOBRE SP 1.

La síntesis de plantas industriales de procesamiento físico-químico, o partes de las mismas, es una tarea enormemente compleja. La síntesis síntesis de de procesos procesos se formula como un problema multi-objetivo de programación no-lineal de enteros enteros mezclados. mezclados.

2.

Actualmente, los problemas de síntesis de procesos son simplificados, de preferencia de alguna de las siguientes maneras: se asume un sistema de valores simplificado o se 8


usan sólo las variables de diseño más importantes. Es común descomponer la SP como: asignación de especies, síntesis de rutas de reacción, síntesis de redes de reactores, síntesis de redes de separación, síntesis de redes redes de intercambio de energía, síntesis de estructuras de control y síntesis de estructuras de seguridad. seguridad. Aun queda por definir cómo se articulan los resultados resultados de los diversos sub-problemas para garantizar la optimalidad de la síntesis. 3.

De los sub-problemas de síntesis se ha logrado madurar en la síntesis de redes de intercambio de energía; en los demás, queda mucho por trabajar.

4.

La generación de estructuras de proceso alternativas puede ser tratada como un procedimiento evolucionario, orientado por reglas heurísticas para seleccionar estructuras de proceso alternativas. Sin embargo, estas heurísticas no son confiables, por lo que un problema importante en SP es formular métodos apropiados para seleccionar estructuras alternativas.

5.

Dos elementos de gran importancia en la SP que no han sido suficientemente desarrollados son: la representación de los procesos y la definición de restricciones apropiadas que permitan reducir acertadamente el espacio de búsqueda.

6.7 SELECCIÓN DE DE ESTRUCTURAS DE PROCESO ALTERNATIVAS Como se desprende desprende de la revision de la literatura los métodos métodos algorítmicos son los más confiables para los problemas de síntesis. síntesis. Sin embargo, embargo, debido debido a las restricciones restricciones computacionales existentes, a la fecha estos métodos pueden tratar sólo un número reducido de estructuras de de proceso alternativas. alternativas. Por ello, es necesario necesario contar con con un procedimiento heurístico que permita una primera selección de estructuras de proceso competitivas.

Douglas [1985] propone un procedimiento heurístico y jerárquico para evaluar un diseño básico. Conti & Paterson [1985] desarrollan desarrollan un método método para diseñar en conjunto sistemas de reacción y separación en simultáneo. Ningún autor a la fecha desarrolla procedimientos procedimientos sistemáticos que permiten la evaluación de estructuras de proceso alternativas para un sistema determinado. Por esto, en la próxima sección sección se propone un procedimiento heurístico heurístico evolucionario que cumple esta tarea de evaluación evaluación preliminar entre diseños diseños alternativos.

Principios Rectores Para formular un procedimiento heurístico evolucionario se definen los siguientes principios: 1.

El método de selección de Estructuras de Proceso Alternativas se concibe como un problema de optimización. optimización. La optimización optimización tiene un objetivo único: maximizar el el beneficio de la estructura estructura de proceso. El beneficio está definido por el valor neto neto de productos (VNP), menos menos el costo de energía (CE) y menos la inversión de capital capital (IK). Es decir:

BENEFICIO = VNP – CE – IK

(6.1)

El VNP es igual al valor de los productos menos el costo de las materias primas e insumos.

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2.

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La optimización para seleccionar estructuras de proceso alternativas es desarrollada en términos de las variables independientes independientes del balance balance de materiales. materiales. Estas variables independientes condicionan todos los flujos del proceso y, en consecuencia, tienen incidencia directa en en el VNP. Para determinadas condiciones condiciones inherentes al proceso proceso en estudio -como límites en temperatura, valores críticos o recomendados de operación, etc.- los flujos del proceso en buena medida afectan el tamaño de las unidades operacionales operacionales y, por esto, condicionan la inversión de capital. capital. Los estudios estudios presentados por Conti y Paterson [1985], Fisher, Doherty y Douglas [1985], así como Floquet, Pibouleau y Doménech [1985], demuestran que las variables más importantes en la optimización de un proceso, son las variables independientes del balance de materiales tales como conversión, selectividad y composición de las corrientes de reciclo.

3.

El espacio de búsqueda óptimo está limitado por el máximo valor neto de productos (máx. VNP), el mínimo costo de energía (min. CE ) y la mínima inversión de capital (min. IK). Este principio se deriva del análisis de la ecuación (6.1).

4.

El procedimiento es evolucionario. evolucionario. El principio de evolución evolución puede ser entendido de dos maneras: (a) inicialmente sólo los elementos principales de las alternativas de proceso son considerados en la evaluación; posteriormente, se agrega mayor detalle a las estructuras de proceso competitivas con objeto de afinar la evaluación. (b) Las decisiones tomadas durante el procedimiento de selección gradualmente se van complejizando. El carácter evolucionario evolucionario del método método permite que las decisiones decisiones se tomen en forma secuencial.

5.

Se satisface el principio de descomposición , pues realizando modificaciones estructurales a un determinado proceso en diversas etapas se permiten cambios en la topología, si fuese preciso, en cada etapa de la evolución.

6.

Se aplica el principio de planeación jerárquica, el cual establece que las decisiones correspondientes correspondientes al proceso de evaluación, deben ser ser categorizadas categorizadas en diferentes niveles de importancia.

7.

Se asigna una importancia inicial mayor al desarrollo del balance de materiales y a la definición de los valores valores de las variables independientes independientes que lo especifican. especifican. Por ello, las variables que sólo tienen efecto sobre el consumo de energía, tienen una importancia secundaria secundaria en las etapas iniciales del método.

8.

Se emplea el principio de retro monitoreo, lo que significa que las decisiones tomadas en una etapa dada del proceso de evolución serán revisadas posteriormente para determinar su validez.

Suposiciones en el Desarrollo del Método Se asumen dos suposiciones básicas en el desarrollo del procedimiento heurístico evolucionario. 1. En las etapas iniciales del diseño los cambios estructurales, es decir, aquellos que afectan la topología del sistema, tienen mayor impacto en la función de optimización que las modificaciones modificaciones paramétricas paramétricas de las variables de diseño. diseño. Por modificaciones modificaciones paramétricas se entiende al cambio de valores en las variables de diseño, por ejemplo modificar la temperatura de operación. Entonces, las modificaciones modificaciones estructurales tienen mayor importancia que el afinamiento de las l as variables de diseño.

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2. Este procedimiento asume que el análisis de una estructura de proceso ( llamada estructura de referencia ), perteneciente a un conjunto de estructuras de proceso alternativas, provee criterios para operar modificaciones topológicas en esta estructura de proceso, con objeto de alcanzar el óptimo de la función objetivo. Estas características de la estructura de referencia y el proceso para su selección se describen en el primer paso del procedimiento presentado en la próxima sección.

Características Generales del Procedimiento Heurístico Evolucionario 1. El método integra algunas de las reglas r eglas heurísticas existentes, organizándolas organizándolas en un proceso evolucionario. evolucionario. También el método emplea algunas algunas técnicas probadas probadas para la resolución de sub-problemas de síntesis, como la integración de redes de calor. 2. Cada uno de los pasos pasos en este procedimiento tiene tiene sus propias metas. Por ello, en cada paso se satisface sólo parte del espacio global de búsqueda. 3. Este método no es adecuado para generar estructuras de proceso, sino para evaluar estructuras alternativas. alternativas. Por esto, se requiere contar contar con por lo menos una estructura de proceso como punto de partida para aplicar el método. 4. El procedimiento entonces se puede aplicar a la evaluación de una sola estructura de proceso o a un conjunto de estas. 5. Como información de entrada se debe conocer la cinética y los esquemas de reacción, en caso de que se reporten reacciones r eacciones químicas químicas en el sistema bajo estudio. 6. La reducción inicial del espacio de búsqueda se efectúa mediante la identificación de límites o restricciones inherentes inherentes al proceso en estudio. Estos límites se pueden pueden referir a consideraciones de seguridad, restricciones en los servicios disponibles, características de los materiales, capacidad de producción, etc. 7. Se requiere de la selección de una estructura de proceso, que sirva de referencia, para evaluar la influencia de las principales variables del proceso con objeto de orientar la búsqueda hacia las condiciones óptimas. 8. Se emplean modelos económicos simplificados para cada unidad operacional. También, en un inicio se pueden usar métodos de diseño simplificados para cada una de las operaciones operaciones unitarias. Los modelos pueden pueden ser refinados posteriormente posteriormente en las próximas etapas del procedimiento. 9. Se evalúan equipos alternativos para alcanzar una determinada meta en el proceso. Por ejemplo, para la separación de dos componentes se podrían evaluar las operaciones de absorción y destilación.

6.8 EL PROCEDIMIENTO PROCEDIMIENTO HEURÍSTICO HEURÍSTICO EVOLUCIONARIO EVOLUCIONARIO 1. Selección de Estructura de Referencia Como se indicó en la sección anterior para iniciar el método se deberá contar con por lo menos una estructura de proceso. proceso. Si se tienen varias varias estructuras de proceso alternativas, alternativas, entonces será preciso seleccionar de entre ellas a una estructura de proceso, que se llamará la estructura de referencia . Entonces, el procedimiento para para seleccionar esta esta estructura de de referencia se resume en las siguientes etapas:

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a) Representar las Estructuras de Proceso (EP) sólo por operadores materiales, eliminando de la representación unidades tales como bombas, compresores, transportadores de sólidos e intercambiadores de calor. Los operadores operadores materiales son: reactores reactores químicos, separadores, separadores, mezcladores mezcladores y bifurcadores. bifurcadores. Los bifurcadores bifurcadores son unidades que dividen el flujo de una corriente, sin afectar su composición; en cambio, los separadores separadores cambian la composición composición de las corrientes. Por ejemplo, destiladores, absorbedores y extractores son separadores. separadores. b) Agrupar las EP por Equivalencia Material (EM). Equivalencia material significa significa para las unidades de proceso, que realizan las mismas metas independientemente del número de unidades. unidades. Por ejemplo, una columna columna de destilación compleja compleja puede hacer el mismo trabajo que tres columnas de destilación simples. c) Seleccionar Seleccionar de cada grupo de estructuras de proceso que poseen Equivalencia Material una EP de acuerdo a los siguientes criterios: 





Grado de desarrollo : seleccionar aquella estructura que cumpla mayor número de metas. Por ejemplo, si una estructura de proceso proceso recircula un sub-producto sub-producto tiene un grado de desarrollo menor que una estructura alternativa que separa tal subproducto. El separar el sub-producto aumenta aumenta una meta más a la estructura. estructura. Simplicidad de unidades operacionales operacionales : se seleccionan las unidades por el número de metas cumplidas, de menor a mayor. Las unidades se consideran más simples si cumplen menos metas. metas. Por ejemplo una columna de de destilación que separa separa de una mezcla de ABCD componentes el componente A, y la otra corriente contiene una mezcla de los componentes componentes BCD, cumple una una sola meta. En cambio, si se se tiene una columna de destilación que posibilita cortes laterales, se podrán separar los componentes A (por el tope), B (corte lateral) y CD (por el el fondo). Esta columna cumple una meta más que la primera. Grado de interacción : señala la información que se transmite de una unidad a otra. Se prefieren las estructuras con mayor grado de interacción. Por ejemplo, las corrientes de reciclo o de ciclo hacia delante son la causa de la interacción de procesos. Entonces se prefieren estructura estructura de proceso que tengan estos ciclos, ciclos, para así evaluar su efecto sobre la función objetivo.

d) Ranquear las EP EP conforme a los criterios criterios establecidos en el numeral numeral anterior. Si hay dudas, seleccionar seleccionar aquellas que tengan tengan mayor valor neto de productos. productos. El cómputo del máximo VNP se detalla detalla en los pasos pasos 4 y 5. 5. Si el proceso de selección culmina con más de una EP, entonces ejecute los pasos 2 a 5 con todas las alternativas seleccionadas, seleccionadas, hasta el cálculo del máximo VNP. e) Seleccione la primera Estructura de Proceso de las alternativas ranqueadas. Esta será considerada la Estructura de Referencia. Referencia. Use esta estructura de referencia para ejecutar los siguientes pasos:

2. Identificación de Límites de Operación Se identifican límites de seguridad y restricciones específicas inherentes al proceso. Po ejemplo, condiciones de explosión de materiales peligrosos, condiciones riesgosas para la operación de materiales corrosivos o tóxicos, restricciones en los efluentes del proceso, para ajustarse a las disposiciones legales, valores máximos de temperatura y presión en la

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operación de unidades, restricciones en los servicios disponibles, límites en la capacidad de almacenamiento de materiales, etc. 3.

Definición de las Variables Fundamentales Fundamentales Se formulan las ecuaciones del balance de materiales en términos de las Variables Fundamentales. Hay que identificar las variables que condicionan el flujo de materiales (por ejemplo, conversión y selectividad en reactores, relación de flujos en separadores, etc.). También hay que seleccionar los Operadores Fundamentales . Las unidades o equipos a los cuales se asocian las variables fundamentales se les llama los Operadores Fundamentales. Por ejemplo, si la conversión es una variable fundamental, el reactor donde se realiza esta conversión conversión será considerado considerado un equipo fundamental. fundamental. Estos son los equipos que condicionan los flujos y concentraciones, tales como reactores, separadores, mezcladores y bifurcadores.

4.

Identificación de Límites para las Variables Fundamentales Estos límites se fijan en términos del Valor Neto de Productos, es decir, cuando el VNP ya no es rentable. Supongamos que se tiene un sistema de proceso proceso compuesto por un reactor y un sistema sistema de separación. Se evaluará evaluará el VNP para diversos diversos valores de conversión. conversión. Se encontrará un límite de conversión conversión para el cual el VNP ya no es es rentable. Evidentemente, Evidentemente, durante el diseño del proceso, nunca la conversión deberá tener valores próximos a este límite. Dado que las ecuaciones ecuaciones del balance de de materiales se formulan en términos de las variables fundamentales, cambiando los valores correspondientes a estas variables se obtienen nuevos valores para el VNP.

5.

Maximización del VNP Para maximizar el valor del VNP es necesario modificar los valores de las variables fundamentales. Esta tarea es sencilla sencilla si se cuentan con con pocas variables variables fundamentales. fundamentales. Pero cuando el número de variables fundamentales aumenta se requerirán técnicas de optimización para alcanzar la convergencia en el máximo.

6.

Formulación de Módulo de Simulación Hasta el paso 5 sólo se han empleado las ecuaciones del balance de materiales basados en los operadores materiales. Este paso implica desarrollar los módulos de diseño para cada unidad operacional así como sus correspondientes modelos de costo, para establecer la incidencia también en los costos de energía del proceso. Ahora se deberán considerar tanto los operadores materiales (reactores, separadores, mezcladores y bifurcadores), así como los operadores no materiales (bombas, compresores, otros equipos de transporte de materiales, intercambiadores de calor, etc.). Este modelo incluirá balances de materia y energía, dimensionamiento de equipos y modelos de costos para cada una de las principales unidades operacionales. Para establecer los valores de las variables de diseño de las unidades operacionales, se cuentan con reglas heurísticas publicadas por Happel y Jordan [1965], Douglas[1988] y Biegler et. al. [1997]. Para definir la presión de operación operación de columnas columnas de destilación, se se recomienda el procedimiento propuesto por Henley & Seader [1981, p.432]. La conversión inicial del reactor se puede fijar para alcanzar máxima selectividad [Conti y Paterson, 1985].

7. Ejecución de Estudios Paramétricos 13


Miranda & Medina

a) Cambiar valores de variables fundamentales y evaluar su efecto sobre el VNP, el costo de energía (CE), el costo de capital (CK) y el beneficio (BEN). Como una primera aproximación realizar estos estudios paramétricos considerando los valores máximo, mínimo y medio para cada variable. variable. Así se determinará la sensibilidad del BEN, BEN, de cada uno de sus componentes, componentes, con respecto a las variables variables fundamentales. fundamentales. b) Determinar la sensibilidad de las Unidades Operacionales (UO) fundamentales respecto a estos cambios. Con los cambios realizados en en el numeral numeral anterior, identificar su efecto sobre la perfomancia de las principales unidades operacionales. Se deberán evaluar los siguientes aspectos: (a) rango de estabilidad de las unidades; (b) violación de límites identificados en el paso 4; (c) cambios en VNP; (d) cambios en costo de energía; (e) cambios en costo de capital; y, cambios en el beneficio, BEN. El análisis anterior, permitirá establecer la incidencia en cada una de las metas: VNP, CE e IK de tal modo que se tengan elementos suficientes suficientes para sugerir sugerir modificaciones topológicas. Este análisis análisis también ayuda ayuda a afinar también los valores de las variables fundamentales. c) Evaluar cada una de las Unidades Operacionales indicando lo siguiente: 

límites operacionales,



comportamiento en la simulación (si presenta inestabilidad en la simulación),









si metas de la unidad son indispensables para el proceso, por ejemplo si la unidad recupera un sub-producto que puede ser recirculado, la meta de separación no es indispensable, si la Unidad Operacional se puede fusionar a otra, si meta de Unidad Operacional se puede cumplir mejor descomponiéndola en dos Unidades; por ejemplo, en algunas reacciones químicas se logran mejores rendimientos si opera en dos unidades a condiciones distintas o si entre dos unidades se dispone un intercambiador de calor, sensibilidad en VNP, CE e IK respecto a cambios en las variables fundamentales.

Este análisis debe proveer elementos para modificaciones estructurales.

8.

Cálculo del Consumo Mínimo de Servicios Usar técnica de Linhoff y Hindmarsh [1983], [ 1983], para determinar el consumo mínimo de agua de refrigeración y vapor usando los valores de las variables fundamentales que muestran un beneficio mayor. mayor. Este resultado será comparado luego luego con que se obtiene en el paso 10.

9.

Modificaciones Topológicas a) Listar las UO que no cumplen metas indispensables y ensayar ensayar en el siguiente orden las modificaciones topológicas: topológicas: eliminarlas, fusionarlas con otras unidades, reemplazarlas por otro tipo de unidades. Al efectuar cada una de las modificaciones topológicas sugeridas evaluar si el efecto sobre las metas ha sido positivo. b) Listar OU que pueden ser reemplazadas por otro tipo de unidad, a pesar de cumplir meta necesaria. Las razones que podrían justificar un cambio tal son: 

rango de operación muy estrecho

14

La Síntesis de Procesos Industriales 

violación de límites y restricciones



alta sensibilidad a los cambios en las variables fundamentales



el costo de operación de la nueva unidad puede ser menor



se podría reducir el uso de servicios tales como refrigerantes o fluidos térmicos que no son usados por otras unidades.

c) Listar UO que cumplen meta necesaria, pero que podrían ser fusionadas a otras unidades, sin comprometer las metas económicas del diseño. Ejecutar la fusión de unidades y evaluar sus efectos mediante la simulación. d) Agregar una UO si se prevee que ello podría beneficiar la función objetivo. Evaluar los resultados mediante la simulación. Es precisa una evaluación cuidadosa de los cambios topológicos si estos afectan los ciclos del diseño. Por ello, cada vez que una unidad operacional es cambiada y se introducen nuevos servicios en la planta, entonces se debe ir al paso 10. 10. Beneficios En Costo de

Energía por Modificaciones Topológicas

Calcular el consumo mínimo de servicios para cada modificación topológica. Comparar los resultados obtenidos obtenidos con aquellos del paso 8. Si la nueva topología no ofrece ventajas ventajas en el consumo de energía, evaluar muy cuidadosamente la justificación de las modificaciones estructurales. 11. Repetir 9 y 10 si fuese necesario 12. Integración Calórica De La EP Esta integración calórica implica determinar las corrientes que intercambian calor entre sí y definir el número de intercambiadores de calor, teniendo como objetivo el consumo mínimo de servicios tales como agua de refrigeración refri geración y vapor. 13. Registro De evaluación.

Metas: VNP, CE, IK, y BEN, para la estructura de proceso sujeta a

14. Evaluación de Estructura de

Proceso Alternativa

Evaluar la próxima estructura de proceso alternativa del paso 1. Si durante la ejecución del paso 9 ha sido generada una estructura similar, tomar la siguiente estructura de proceso del paso 1. Repetir este paso. 15. Determinación de Límites y Variables Fundamentales para nueva EP . Repetir los pasos 2 y 3 para la nueva EP.

16. Evaluación de la Nueva Estructura de Proceso Evaluar la nueva EP usando la información del paso 7.c, si las variables fundamentales de la estructura de referencia y de de la nueva nueva estructura estructura son iguales. En caso contrario, repetir repetir los pasos 5 a 13. 17.

Ranquear el Conjunto Final de EP Alternativas Alt ernativas

Realizar este ranqueo de las diversas EP alternativas en en función del beneficio. Registrar también los valores de VNP, EC e IK.

15


Miranda & Medina

Estas alternativas constituyen el conjunto final de estructuras de proceso alternativas a las cuales se pueden aplicar métodos algorítmicos para encontrar las condiciones óptimas para el proceso en estudio. En la Figura 6.1 se presenta el diagrama de flujo del procedimiento heurístico evolucionario propuesto.

Figura 6.1.- Procedimiento Heurístico Evolucionario

6.9 EJEMPLO: HIDRODEALQUILAC HIDRODEALQUILACIÓN IÓN DEL TOLUENO TOLUENO Planteamiento del Problema Se trata de seleccionar una estructura de proceso competitiva para producir 265 kmoles de 1 benceno por hora mediante el proceso de hidrodealquilación térmica del tolueno . La pureza del benceno producto producto será de 99,99 %. Las reacciones químicas químicas de interés son: CH 3(C 6 6 H 6 6) + ½ H 2  C 6 6 H 6 6 + CH 4

(6.2)

2 C 6 6 H 6 6  (C 6 6 H 5)2 + H 2

(6.3)

La reacción (6.2) es irreversible, en tanto la reacción (6.3) es de equilibrio y transforma el benceno a difenilo, el cual es un sub-producto no deseado. deseado. En la Figura 6.2 se presenta presenta un diagrama de flujo del del proceso. A continuación se procede procede a aplicar el método propuesto propuesto en la sección anterior. Figura 6.2 Diagrama de Flujo para la Producción Producción de Benceno Benceno

1. Selección de la Estructura Es tructura de Referencia La Figura 6.3 presenta 5 estructuras estructuras de proceso proceso alternativas para el el proceso dado. dado. Allí se presentan sólo los operadores materiales (reactores, separadores, mezcladores y bifurcadores). Es decir, se ha satisfecho la etapa 1.a del procedimiento.

Figura 6.3.- Cinco Estructuras de Proceso Alternativas

Las cinco EP tienen en común un reactor y un separador de fases (F1). Estas unidades ejecutan las mismas mismas metas en todas las EP. EP. Más aún, en las estructuras estructuras 6.3 a, b y c muestran que el bifurcador S1 ejecutan las las mismas tareas en las tres estructuras. La única diferencia entre las estructuras a y b es el número de columnas de destilación; sin embargo, estas columnas cumplen en ambos diagramas las mismas metas. Vale decir, la eliminación de incondensables incondensables (corriente Fuel) y la recuperación recuperación de benceno benceno y difenilo. El tolueno que no ha reaccionado es recirculado al reactor. reactor. Es decir, las alternativas alternativas (a) y (b) tienen equivalencia material.

1

Los datos para este problema han sido tomados del Concurso Estudiantil del American Institute of Chemical Engineers, 1967.

16


La alternativa © difiere difiere de la (a) y de la (b) debido a que que el difenilo es recirculado. recirculado. Las alternativas (c) y (d) tienen equivalencia en el tren de destilación, pero el ciclo del gas es distinto, dado que que en la EP (d), (d), no se purga purga la mezcla gaseosa. gaseosa. Las alternativas alternativas (d) y (e) tienen las mismas metas en el ciclo gaseoso, gaseoso, pero difieren en las metas metas del ciclo líquido. En resumen, se definen cuatro grupos de EP con equivalencia material: Grupo 1: EP (a) y EP (b) Grupo 2: EP (c) Grupo 3: EP (d) Grupo 4: EP (e) Siguiendo el paso 1.c del procedimiento propuesto, se debe seleccionar una EP por cada grupo de equivalencia equivalencia material. En el grupo 1 se selecciona la EP (a), dado que la columna columna de destilación de la EP (b) tiene un corte lateral y en consecuencia consecuencia no es una unidad simple. simple. Por ello, las EP seleccionadas son: Grupo 1: EP (a) Grupo 2: EP (c) Grupo 3: EP (d) Grupo 4: EP (e) Ranqueando las alternativas anteriores por la simplicidad de las unidades operacionales, el grado de interacción entre unidades y el desarrollo de la topología se tiene el siguiente análisis: la EP © y la EP (d) recirculan el difenilo, por lo que su grado de desarrollo no es tan bueno como el el presentado por las alternativas alternativas (a) y (e). La alternativa (e) tiene un mayor valor para el VNP, dado que no tiene tiene una corriente de purga. purga. Entonces las EP se ordenan ordenan así: Alternativa 1: EP (e) Alternativa 2: EP (a) Alternativa 3: EP (d) Alternativa 4: EP (c) Para definir la estructura de referencia, correspondería a la EP (e); sin embargo, en el presente caso se seleccionará la EP(a), por las siguientes razones: 





El separador de fases S1, mostrado en las EP (d) y (e) podría ser un separador de membrana o un un separador flash refrigerado refrigerado que opere a muy baja temperatura. temperatura. Los costos asociados con este separador flash podrían ser muy elevados. De otro lado, la tecnología de separación por membrana a nivel comercial todavía no está consolidada. Se desea comparar los resultados obtenidos con el estudio conducido por Douglas [1985].

En consecuencia se seleccionará la EP (a), las alternativas (e), (c) y (d) se ranquean a continuación.

2. Determinación de Límites y Restricciones a) En el reactor: relación relación molar de hidrógeno hidrógeno respecto a aromáticos aromáticos 5/1. Presión de operación: 3450 kPa; temperatura de operación entre 895 y 980 K.

17


Miranda & Medina

b) En intercambiadores de calor: máxima temperatura 895 K. c) En columna de estabilización C1, relación molar de destilado a fondos para el metano de 50000 y para el benceno de 0,005. d) Pérdidas de tolueno serán inferiores al 1 % de la alimentación neta. e) En la corriente de reciclo de tolueno, el contenido máximo de benceno será de 4 % molar. El contenido de difenilo será inferior al 25 25 % molar del producido. producido. f) Los reebullidores de las columnas de destilación tendrán una carga máxima de 12000 BTU/h/ft2. g) En el horno el coeficiente global de transferencia de calor será de 16000 BTU/h/ft2, así como la caída de presión máxima sería de 70 psi.

3. Identificación de Variables Fundamentales y Operadores Fundamentales Fundamentales En este paso se formulan las ecuaciones del balance de materiales en términos del número mínimo de variables independientes. Las ecuaciones del balance de materiales de interés son las siguientes: S = 1,0 – 0,0036 / (1 - X)

1,544

(6.4)

F tol tol = Bz / S

(6.5)

Di = Bz (1-S) / 2S

(6.6)

Hyd = Bz [1- (1 - y H2) (1-S) / 2] / [0,95 - y H2]

(6.7)

Purg = Hyd + Bz [(1-S) / 2S]

(6.8)

Rgas = [(5Bz / SX) – 0,95 Hyd] / y H2

(6.9)

Tol = Ftol / X

(6.10)

Siendo X :

conversión

S:

selectividad

y H2:

concentración concentración de hidrógeno en el reciclo gaseoso

F tol tol

flujo molar de alimentación de tolueno

Bz.

flujo molar de benceno producto

Purg

flujo molar de la corriente de purga

Rgas: flujo molar del reciclo gaseoso Hyd :

flujo molar de hidrógeno

Tol:

flujo molar de tolueno a la entrada del reactor

Di:

flujo molar de difenilo producido

Como puede apreciarse del conjunto de ecuaciones ecuaciones del balance de materiales, la conversión es una variable independiente, pues determina la selectividad y todos los flujos del balance de materiales. La concentración concentración de hidrógeno hidrógeno del reciclo gaseoso y H2 está asociada al flujo de la corriente de purga Purg, y ésta es la segunda variable independiente del balance de materiales.

18


Los operadores fundamentales vienen a ser el reactor (donde la variable fundamental es la conversión) y el separador S1, donde tiene ti ene lugar la purga gaseosa (la variable fundamental es la concentración de hidrógeno).

4. Límites para la Variables Fundamentales Para el cálculo del valor neto de productos como función de las variables fundamentales ( X y y H2), es necesario emplear las ecuaciones ecuaciones (6.4 a 6.10). Para cada corriente de entrada o salida, asignar el valor correspondiente. correspondiente. Los costos para el benceno, benceno, tolueno, difenilo, hidrógeno y la corriente de purga se presentan en la tabla siguiente. Tabla 6.2 Costos de los Materiales Materiales del Proceso Proceso

MATERIAL

UNIDAD

Tolueno

m

3

174,37

Benceno

m

3

282,69

Difenilo

m

3

66,05

Hidrógeno

m

3

0,07

Fuel (combustible)

10 BTU NHV

6

PRECIO

1,65

Referencia. Referencia.- Chemical Marketing Reporter.

Mediante un sencillo programa en computador, que también puede ser implementado en hoja de cálculo, se obtienen los resultados para el VNP en términos de las l as variables independientes del balance de materiales. Los resultados resultados indican que para un valor de X superior a 0,75, 0,75, VNP decrece bruscamente, por lo que este es un límite superior; el límite inferior correspondiente correspondiente se fija en 0,4. De otro lado, el valor de la concentración concentración de hidrógeno hidrógeno en el reciclo influencia de modo notable el VNP. Los límites identificados para para esta variable son 0,40 y 0,80 respectivamente.

5. Maximización del VNP El VNP máximo resulta ser 10,4 millones de dólares correspondiente a y H2 = 0,4 y X = 0,1.

6. Formulación del Modelo de Simulación Se requiere la siguiente información para formular el modelo de simulación de procesos: 

precios de productos, sub-productos y materias primas



precios de servicios: energía eléctrica, combustible y agua de refrigeración



Modelo de costo para cada unidad operacional



condiciones de operación para cada una de los equipos principales

El balance de materiales y de energía, así como el dimensionamiento de las columnas de destilación y algunos otros equipos se han realizado con un simulador comercial.

7.

Estudios Paramétricos Paramétricos

Tomando en cuenta los límites especificados en el paso (4) se procede a evaluar varias combinaciones combinaciones de valores de las variables fundamentales, con el módulo de simulación.

8. Influencia de las Variables Fundamentales

19


Miranda & Medina

Del análisis correspondiente se concluyó lo siguiente: 

La variable fundamental y H2 determina casi totalmente las metas económicas.



La variable X determina principalmente el costo de energía



El costo de energía es más sensible que el costo de capital a los cambios en las variables fundamentales



Se ratifica que los límites operacionales para X son de 0,40 a 0,75



Se ratifica que los límites operacionales para y H2 son de 0,40 a 0,60.

En la evaluación del reactor destacan los siguientes aspectos: 







Límites operacionales: presión 3450 kPa, temperatura de alimentación 895 K, y máxima temperatura de salida 980 K. Comportamiento en la simulación estable. La meta de producción de benceno es indispensable, en tanto que la meta de producción de difenilo difenil o es prescindible, prescindi ble, es más, no es deseada. la producción de difenilo aumenta a mayores ma yores temperaturas. Efecto en el reactor reactor de las variables fundamentales. fundamentales. Cuando se reduce reduce el valor de y H2 entonces el volumen del reactor decrece notablemente y en consecuencia su costo de adquisición. Asimismo, a una conversión conversión de 0,5 0,5 el volumen del reactor reactor es mínimo. Cuando el valor de aumenta hasta 0,8 y X hasta 0,75 entonces la temperatura de salida del del reactor alcanza alcanza el el límite de 980 K. De otro lado, el costo costo del reactor no influencia de modo importante el beneficio total del proyecto, es más constituye sólo un 1,7 %.

El análisis de las columnas de destilación lleva a las siguientes conclusiones: 





Respecto a los límites operacionales. operacionales. El proceso tiene tres columnas, C1 es la columna de estabilización que sirve para remover los incondensables, C2 es la columna empleada para separar el benceno y C3 es usada para separar el difenilo. En las columnas de destilación es deseable que el condensador opere con agua de refrigeración, disponible a 300 K, y el reebullidor opere con vapor a una temperatura máxima de 500 500 K. Para ello, las presiones de operación de las columnas han sido fijadas en los siguientes valores: C1 a 1100 kPa, C2 a 170 kPa y C3 también a 170 kPa. Para la operación del reebullidor de C3 se requeriría un fluido térmico, pues opera a 550 K. Esto se puede evitar realizando realizando una integración calórica calórica cuidadosa. El comportamiento en la simulación muestra que la columna C1 tiene un estrecho rango de estabilidad. estabilidad. Métodos abreviados abreviados como el de Fenske-Underwood Fenske-Underwood y Gilligand, fallan en la convergencia. convergencia. Se logró estabilidad para una columna columna de 15 platos a una temperatura de alimentación alimentación de 410 K con un modelo modelo riguroso de cálculo. El cálculo de C3 también ofreció dificultades con métodos abreviados, probablemente a que la separación entre tolueno y difenilo es dificultosa por la proximidad en sus temperaturas de ebullición. ebullición. Las especificaciones especificaciones para esta columna columna fueron: fracción molar de difenilo en el destilado 0,0005 y fracción molar de tolueno en fondos 0,01. La columna C3 no realiza una meta estrictamente necesaria en tanto el difenilo podría ser recirculado.

20

La Síntesis de Procesos Industriales 



La fusión de C2 y C3 podría realizarse en tanto operan a la misma presión. Además C3 es una columna pequeña, dando un argumento adicional a la fusión de estas dos columnas. La influencia de las variables fundamentales sobre el comportamiento de las columnas y las las metas económicas es significativo. significativo. El ciclo líquido está está determinado determinado principalmente por por X. La columna C1 C1 no tiene influencia influencia importante sobre CE o IK. La columna C2 es la más cara y alcanza hasta 13 % de los costos de energía. La columna C3 es la más sensible a los cambios en X, representando un valor de 22 % de los costos de energía.

Las unidades unidades del ciclo gaseoso, gaseoso, vale vale decir, el bifurcador, compresor compresor y horno H1, son altamente dependientes del flujo de la corriente de reciclo, el que es determinado por y H2. Es importante mencionar que la meta de S1 no es indispensable, puesto que se podría introducir un separador para recuperar el hidrógeno en lugar de purgar parte de él.

9. Cálculo de Servicios Mínimos para la Estructura de Referencia Los resultados son: servicio frío, vale decir, agua de refrigeración equivalente a 7790 MJ/h. Servicio caliente, vapor, vapor, equivalente a 16261 MJ/h. Temperatura de estrangulamiento estrangulamiento es de 405 K.

10. Modificación de la Topología de la Estructura de Referencia A partir del análisis paramétrico se desprenden las posibles modificaciones siguientes: 



Es deseable tener una corriente gaseosa de alta y H2 por lo que sería conveniente poder separar el hidrógeno en lugar de purgarlo. Por ello las alternativas (d) y (e) son recomendadas. La columna C3 no cumple una meta estrictamente necesaria, por lo que se recomienda eliminarla, más aún aún si se sabe que representa el 22 % del costo costo total de energía. energía. El diagrama correspondiente sería el de la estructura (a). Notar también que en esta EP (a) sólo se ha considerado considerado un horno horno H1, lo que reduce reduce los costos de de instalación. La simulación de esta nueva EP revela que los costos de energía se ha reducido en 12,5 %, pero el costo de capital sólo en 1,2 % debido al aumento de tamaño en otras unidades. Se alcanza una mejora mejora sustancial en la economía economía del proceso si se reduce reduce la relación hidrógeno/aromáticos de 4,92 a 4,20.

11. Ventajas Energéticas en Modificaciones Topológicas Al realizar los cálculos correspondientes correspondientes resulta que se obtiene una reducción del 41,1 41,1 % en el consumo de vapor vapor y un aumento del 15,5 % en el agua agua de refrigeración. De hecho este panorama es muy alentador, justificando plenamente la modificación topológica de eliminar C3.

12. Integración Calórica Calórica de la EP Modificada El ahorro de energía obtenido por la integración calórica es enorme, además del ahorro en la inversión de capital al reducir la l a capacidad del horno H1. En la Tabla siguiente se presentan los resultados generales de dicha integración Tabla 6.3.- Resultados de la Integración Calórica

Variables Fundamentales Fundamentales X = 0,75; y H2= 0,40 Valores dados en millones de dólares por año

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Miranda & Medina

ESTRUCTURA

VNP

IK

CE

BEN

Referencia

8,995

1,692

8,291

-0,989

Modificada

9,718

1,672

7,261

0,785

Modificada con 9,718 Integra. Calórica

1,118

1,823

6,777

Fuente.- El autor.

Es evidente la conveniencia de eliminar la columna C3 y de integrar calóricamente la planta. La ventaja de fusionar los hornos H1 y H2 no es evidente en los cálculos debido a la simplicidad de los modelos económicos empleados; sin embargo, esto implica también una reducción de capital. La Estructura de Proceso con integración calórica calórica se muestra en en la Figura siguiente. siguiente. Es evidente que el método formulado permite reducir el espacio de búsqueda para la optimización y que provee criterios para la evaluación y selección de un conjunto de EP alternativas. Figura 6.4.- Estructura de Proceso Final

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Síntesis de Procesos

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