Unidad 2 Heuristicas

Unidad 2: Heurísticas AUTOR: PABLO V. V. TUZA , D. S C.

Materias prima y productos químicos Heurís Heu rístic tica a 1: Seleccione materias primas y reacciones químicas a evitar o reducir la manipulación y el almace alm acenam namien iento to de sus sustan tancia ciass pel peligr igrosa osass y pr produ oducto ctoss quí quími micos cos tó tóxic xicos os

Ejemplo: Producción de etilenoglicol

Primera etapa de la reacción Segunda etapa de la reacción

Prim Primer era a etap etapa a de la reacc eacció ión n Segu Segund nda a eta etapa de la reacc eacció ión n El óxido de etileno, que es un producto tóxico, se puede almacenar. Debido a que es un producto tóxico, debe de evitarse este medio de producción Alter Alterna nati tiva vass par para soluc solucio iona narr el probl problema ema 1. No almacenar el óxido de etileno 2. Utiliz iliza ar una sol sola etapa de reacción, con cloro oro y NaOH

En la medi medida da que que se forma orma el óxido xido de etil etilen eno o, hace hacerl rlo o reacc eaccio iona narr con con CO2 CO2 par para form formar ar carb carbon onat ato o de etil etilen eno o, que que es meno menoss reac reacti tivo vo que que el dió dióxido xido de carb carbon ono. o.

El carb carbon onat ato o de etil etilen eno o se pued puede e alma almace cena narr de forma orma segu segurra y se pued puede e hidr hidrol oliz izar ar de forma orma segu segurra par para

Heurística 2: Use un exceso de un reactante químico en una operación de reacción para consumir completamente un reactivo químico valioso, tóxico o peligroso. Las MSDS indicarán qué sustan sus tancia ciass quí químic micas as son tó tóxic xicas as y pel pelig igro rosas sas.. Después de que las operac aciiones de reacción se colocan en un diagrama de flujo, las fuentes de prod pr oduc ucto toss qu quím ímic icos os se di dist stri ribu buye yen n la lass co corr rrie ient ntes es de al alim imen enta taci ción ón a la lass op oper erac acio ione ness de re reac acci ción ón y loss pr lo prod oduc ucto toss de dell pr proc oces eso. o. En es esta ta di dist stri ribu buci ción ón,, la lass de deci cisi sion ones es se ha hace cen n co con n re resp spec ecto to a (1) El us uso o de un rea eact ctiv ivo o qu quím ímic ico o en exce ceso so en un una a op oper erac ació ión n de re reac acci ción ón,, (2) La pr pres esen enci cia a de in iner erte tess en la lass co corr rrie ient ntes es de al alim imen enta taci ción ón,, y (3) El ma mane nejo jo de su subp bpro rodu duct ctos os no de dese sead ados os ge gene nera rado doss en re reac acci cion ones es se secu cund ndar aria iass

Para ara reac reacci cion ones es exot exotér érmi mica cas, s, el exce exceso so de prod produc ucto to quím químic ico o a menu menudo do cump cumple le la func funció ión n de abso absorb rber er el calo calorr de reac reacci ción ón y de ese modo modo mant manten ener er temp temper erat atur uras as más más mode moderradas adas También se usa un exceso de un reactivo químico para aumentar la conversión del otro reactivo (lim (limit itan ante te)) cuan cuando do el grad grado o de reac reacci ción ón está está limit limitad ado o por por el equi equili libr brio io

Heurística 3 Cuando se requieren productos casi puros, eliminar especies inertes antes de las operaciones de reacción cuando las separaciones se logran fácilmente fácilmente y cuando el catalizador se ve afectado adversamente por el inerte, pero no eliminar las especies inertes cuando tiene que ser removido una gran cantidad de calor de reacción exotérmico. exotérmico. La facilidad y el costo de las separaciones tiene que ser evaluada La facilidad de la separación puede ser determinada por examinación de las propiedades físicas sobre las cuales están basadas las separaciones. Cuando se considere a la destilación, se usan estimados de las volatilid volatilidades ades relativas. Cuando las mezclas son ideales , la volatilidad relativa  , es la razón de las presiones de vapor ∝ = se tienen mezclas que no son ideales se necesitarán los coeficientes coeficientes de actividad ∝ =



  

 

. Si

Heurística 3 Cuando las volatilidades relativas difieren significativamente de 1, se anticipa una separación fácil y barata Similarmente, cuando se considera a la cristalización, se examinan las diferencias en los puntos de congelación Para separaciones con membranas membranas densas, las permeabilidad permeabilidades es de las especies puras son estimadas como el producto producto entre la solubilidad solubilidad de la molecula que se está separando y la difusividad a través de la membrana Otras consideraciones consideraciones son los tamaños de los reactores y los separadores. Cuando las separaciones son pospuestas se requieren reactores reactores de gran dimensión Para reacciones exotérmicas las especies inertes absorben una cantidad del calor generado, consecuentemente disminuyen la temperatura de salida del reactor

Heur He uris isti ticca 4 Introducir corrientes de purga para proporcionar salidas para especies que ingresan al proceso como impurezas en la alimentación o se forman en reacciones secundarias irreversibles, cuando estas especies están en cantidades pequeñas y / o son difícil de separar de otros productos químicos. Las especies más l igeras se van en las corrientes de purga de vapor, y las especies más pesadas salen en las la s corrientes de purga líquida. En un proceso continuo con reciclo las especies en cantidades en nivel traza son introduzidas como impurezas en la alimentación o formadas en reaccione secundarias irreversibles se acumulan Porque las reacciones o las separaciones de especies en baja concentración es usualmente costosa, cuando las especies no son tóxicas y tiene poco impacto al medio ambiente se usan las corrientes de purga Las purgas también son usadas p ara remover especies presentes en grandes cantidades y cuando la separación de esas especies es difícil Ejemplo: separación de CH4 y Ar del proceso de producción de NH3 Procesos alternativos a la purga para compuestos en cantidades en nivel traza en fase de vapor son la adsorción, absorción, destilación criogénica y permeación de gas con una membrana, los cuales pueden ser muy caros En el caso del CH4 y Ar del proceso de producción del NH3, el CH4 y el Ar son purgados de la corriente de reciclo en fase de vapor. Otros procesos involucran impurezas impurezas pesadas que son purgadas en corrientes en fase líquida

Heurística 5 No purgue especies valiosas o especies que son tóxicas y peligrosas peligrosas,, incluso en pequeñas concentraciones concentracio nes (ver las MSDS) Agregue separadores para recuperar recuperar a las especies valiosas. Agregue reactores para eliminar, de ser posible, especies tóxicas y especies peligrosas En algunas situaciones, la recuperación de las especies traza de residuos es una alternativa importante a la purga, por ejemplo, una corriente acuosa contiene cantidades traza de metales raros, como ocurre con catalizadores impregnados en soportes cerámicos o químicos orgánicos o inorgánicos en corrientes acuosas que tienen que ser converti convertidos dos en una forma aceptable desde un punto de vista ambiental, o la conversión catalítica de hidrocarburos o CO en el escape de los motores a combustión, o la conversión catalítica de CO y NOx en CO2 y N2, respectivamente

Heurística 6 Subproductos que se producen en reacciones reversibles, en pequeñas cantidades, por lo Subproductos general no se recuperan en separadores ni tampoco son purgados. En cambio, por lo general son reciclados a la extinción. Cuando los subproductos se generan a partir de reacciones reversibles, reversibles, es posible alcanzar la conversión en el equilibrio en estado estacionario reciclando las especies del producto sin removerlas remover las del proceso, lo cual se denomina reciclo a extinción. El reciclo a extinción es mas efectivo efectiv o cuando la conversión conversión en equilibrio de la reacción secundária es limitada por una constante de equilibrio químico con valor pequeño a la temperatura y presión del reactor

Heurística 7 Para reacciones competitivas, tanto en serie como en paralelo, ajustar la temperatura, presión y catalizador catalizad or para obtener altos rendimientos de los productos deseados. En el distribució distribución n inicial de productos químicos, suponga que estos las condiciones pueden ser satisfechas. Antes de desarrollar un diseño de caso base, obtener datos cinéticos y verificar esta suposición.

(/ ) > 1 y

A menudo, las selectividades adecuadas no pueden se conseguidas solamente ajustando la temperatura y la presión de las reacciones. También se consigue con el uso de un catalizador que permitan que las reacciones deseadas procedan rápidamente rápidamente a bajas temperaturas temperaturas para reducir las velocidades de reacción secundarias. Para este propósito, muchas operaciones de reacción exitosas utilizan zeolitas cristalinas, que son catalizadores selectivos muy eficientes por su forma forma De hecho, es posible sintetizar estructuras de zeolita en las cuales las cavidades no permiten el paso de moléculas reactivas para la ocurrencia de reacciones secundarias migren a los sitios de activos. Otros catalizadores de uso común implican los metales raros; por ejemplo, platino, paladio y rodio

Heurística 8 Para las reacciones reversibles, especialmente, considere conducirlas en un dispositivo de separación capaz de eliminar los productos y, y, por lo tanto tanto,, dirigir las reacciones hacia la derecha. Tales operaciones de separación de reacción conducen a distribuciones de productos químicos muy diferentes. La destilación reactiva permite llevar a cabo operaciones de reacción y separación al mismo tiempo. Esta operación se aplica para las siguient siguiente e condiciones (i) Cuando la reacción química es rever reversible sible (ii) Cuando hay diferencias significativas entre las volatilidades relativas entre los reactivos y los productos.

Cuando una reacción química reversible se lleva a cabo en un reactor y los productos se separan en una columna de destilación, es usado en exceso un reactivo químico de la aliment alimentación ación para desplazar la reacción hacia la derecha. Ademas, cuando la reacción química reversible ocurre en fase gaseosa, la presión se aumenta o se disminuye si la suma de los coeficient coeficientes es estequiométricos estequiométricos es negativ negativa a o positiva, respectivamente

Un ejemplo de la aplicación de la destilación reactiva reactiva es la obtención de acetato acetato de metilo a partir de metanol y ácido acético que también genera agua.

   +    ⇌   +   En ese caso los productos químicos son retirados de la zona de reacción en corrientes de vapor y líquido, lo cual desplaza la reacción hacia la derecha sin la necesidad de colocar un reactivo químico en exceso o cambiar el valor de la presión. Debido a que el metanol es más volátil que el ácido acético, este es introducido en el fondo de la zona de reacción y se concentra en la fase de vapor donde entra en contacto con ácido acético, que se alimenta en la parte superior de la zona de reacción y se concentra en la fase líquida. A medida que se forma el acetato de metilo, se concentra en la fase de vapor y deja la torre en el destilado casi puro. El producto producto acuoso se concentra en la fase líquida y se elimina de la torre en una corriente de fondos casi pura.

Destilación reactiva

Conversión Conver sión óptima óptima La conversión óptima no puede ser siempre una conversión completa. La conversión óptima estará dada por un balance entre el alto costo del reactor en altas conversiones y el alto costo del separador en bajos valores de la conversión. De esa forma la conversión optima puede ser menor que el 100 % D

A     )    s    e    r    a     l     ó    D     (    o    t    s    o    C

Costo Total Costo del reactor

Costo del separador

Sistema de reactor

Bajo

Alto

El costo del reactor incluye el costo del equipo y el costo del catalizador, mientras que el costo del separador incluye el costo del equipo y el costo de la energía necesaria para llevar a cabo la separación (Luyben, 2011) El hecho de trabajar con un valor de conversión menor al 100 % en un reactor no implica que no se aprovechará toda la materia prima, de la misma forma como ocurre para una conversión con el 100 %. La materia prima que no reaccionó se separará en el separador y se recirculará al proceso. Es decir, el reciclo posibilita trabajar en conversiones menores al 100 % aprovechando toda la materia prima.

Heurística 9 Separar mezclas líquidas usando destilación, stripping, destilación mejorada (extractiva, azeotrópica, reactiva), extracción líquido-líquido, cristalización y / o adsorción.

Heurística 10 Intente condensar o condensar parcialmente las mezclas de vapor con agua de refrigeración o un refrigerante. Luego, usa Heurística 9.

Heurística 11 Separar mezclas de vapor usando condensación parcial, destilación criogénica, absorción, adsorción, separación de membrana y/o desublimación.

La destilación es favorecida en producción en gran escala con grandes rendimientos Las separaciones de membrana y adsorción son las alternativas cuando los rendimientos disminuyen Cuando los productos productos de una reacción se encuentren encuentren en en la fase líquida, se recomienda recomienda que se inserte un sistema de separación de líquidos en el diagrama de flujo, como se muestra en la siguiente Figura, Figura, con los producto productoss químicos sin reaccionar recuperados en una fase líquida y reciclados para la operación de reacción.

Para los productos de reacción en la fase de vapor, intentar condensarlos parcialmente con agua de refrigeración o un refrigerante. El agua de enfriamient enfriamiento o puede enfriar los productos de reacción típicamente hasta 35 °C, como se muestra en la siguiente Figura. Figura. Sin embargo, en climas cálidos, se puede enfriar en una temperatura de hasta por lo menos 45 °C.

El objetivo habitual es obtener una fase líquida, que sea más fácil de separar, separar, sin usar refrigeración, lo que implica un paso de compresión costoso. Cuando se produce una condensación parcial se inserta un sistema de separación de líquidos, con una purga de líquido añadida cuando es necesario para eliminar restos de inertes que se concentran en el líquido y no se separan fácilmente.

La fase de vapor se envía a un sistema de recuperación de vapor, que implica una o más de las siguientes separaciones: condensación parcial (a presiones elevadas y temperaturas temperaturas criogénicas), destilación criogénica, absorción, adsorción, separación de membrana y desublimación. Los productos químicos químicos que no han reaccionado se reciclan a la sección del reactor y se eliminan los productos de vapor. Se agrega una purga de vapor cuando sea necesario para eliminar los inertes que se concentran en el vapor y no se separan fácilmente. Cualquier líquido producido producido en el sistema de recuperación de vapor se envía al sistema de recuperación de líquidos para la recuperación del producto y el reciclaje de los productos químicos que no han reaccionado.

Cuando el efluente del reactor está en fase vapor y líquido, se combinan los diagramas de flujo anteriores, como se muestra en la siguiente Figura

Un sistema de separación para los tres diagramas de flujo implica varias heurísticas. En primer lugar, ciertos dispositivos de separación, como los separadores de membrana, no se consideran para la separación de líquidos. En segundo lugar, para lograr una condensación parcial, inicialmente se utiliza agua de refrigeración, en lugar de compresión y refrigeración. Ademas, se supone que las separaciones de líquidos son prefer preferidas. idas. Se intenta condensar parcialmente los productos de vapor, pero no se intenta vaporizar los productos líquidos Cabe resaltar que las heurísticas heurísticas mencionadas no siempre guian a los mejores diseños de separación, desde un punto de vista económico

Separaciones que involucran partículas sólidas Al separar producto productoss químicos inorgánicos, especialmente especialmente en una solución acuosa, la corriente a menudo se enfría o se evapora parcialmente parcialmente para recuperar sólidos por cristaliz cristalización, ación, seguido de filtración o centrifugación, y luego se seca. A menudo, los lodos se concentran por decantación, centrifugación centrifugación o filtración, antes del secado. Otros dispositivos para la eliminación de partículas sólidas de gases y líquidos son ciclones e hidroclones, respectivament respectivamente. e.

La cristalización ocurre en tres modos diferentes. La cristalización en solución se aplica principalmente a productos químicos inorgánicos, que se cristalizan a partir de un disolvente, a menudo agua, con una temperatura muy por debajo del punto de fusión de los cristales. La precipitación es una cristalización en solución rápida que produce grandes cantidades cantidades de cristales muy pequeños. Por lo general, se refiere al caso en el que un producto de dos soluciones que reaccionan es un sólido de baja solubilidad, por ejemplo, la precipitación de cloruro de plata insoluble cuando se mezclan soluciones acuosas de nitrat nitrato o de plata y cloruro de sodio. En la cristalización en fusión, dos o más productos químicos de puntos de fusión comparables se separan a una temper temperatura atura de funcionamiento en el rango de los puntos de fusión. Cabe resaltar que la recuperació recuperación n mediante cualquier modo de cristalización puede estar limitada por una composición eutéctica. eutéctica.

Heurística 12 Cristalizar los productos químicos inorgánicos de una solución acuosa concentrada por enfriamiento enfriamient o cuando la solubilidad disminuye disminuye de manera significativa con la disminución de la temperatura. Mantenga la solución como máximo 1 a 2 °F por debajo de la temperatura de saturación a la concentr concentración ación prevaleciente prevaleciente (concentr (concentración ación de la solución). Use la cristaliz cristalización ación por evaporación, en lugar de enfriamiento, enfriamiento, cuando la solubilidad no cambia de manera significativa con la temperatura.

Heurística 13 Las velocidades de crecimiento de los cristales son aproximadamente aproximadamente las mismas en todas las direcciones, pero los cristales nunca son esferas. Las velocidades de crecimiento de los cristales y tamaños se controlan limitando el grado de supersaturación,  = /, donde C es la concentración, generalmente en el rango de 1,02 <  < 1,05 . Las velocidades de crecimiento están influidas en gran medida por la presencia de impurezas y de ciertos aditivos específicos que varían de un caso a otro.

Heurística 14 Separar los productos químicos orgánicos mediante cristalización en fusión con enfriamiento, usando cristalización en suspensión, seguido de remoción de cristales mediante sedimentación, filtración o centrifugación. Alternativamente, utilice la cristalización en capas en una superficie fría, con fragmentación o fusión para remover los cristales. Si la masa fundida forma una solución sólida, en lugar de una solución eutéctica, utilice pasos repetidos de fusión y congelación, denominados denominados cristalización por fusión fraccionada o fusión por zonas para obtener productos cristalinos casi puros.

Antes de la cristalización, es común emplear la evaporación para concentrar una solución, particularmente particularment e una solución acuosa de productos químicos inorgánicos. inorgánicos. Debido al costo relativamente alto de la evaporación del agua, con su gran calor de vaporización, las siguientes heurísticas son útiles para minimizar el costo.

Heurística 15 Usando evaporadores múltiples (llamados efectos) en serie, el calor latente de la evaporación del agua se recupera y se reutiliza. Con un solo evaporado evaporadorr, la proporción de la cantidad de agua evaporada a la cantidad de vapor externo suministrado para causar la evaporación es típicamente 0.8. Para dos efectos, la relación se convierte en 1.6; para tres efectos 2.4, y así en adelante. La magnitud de la elevación del punto de ebullición causada por los compuest compuestos os inorgánicos disueltos es un factor de control para seleccionar el número óptimo de efectos. La elevación a menudo está en el rango de 3 a 10 °F entre el punto de ebullición de la solución y el punto de ebullición del agua pura. Cuando el punto de ebullición es pequeño, se obtiene un costo de evaporación mínimo con 8 a 10 efectos. Cuando el aumento del punto de ebullición es apreciable, la cantidad óptima de efectos es pequeña, 6 o menos. Si es necesario, aumente las presiones de vapor entre etapas con steam-jet (chorros de vapor) o compresores mecánicos.

Heurística 16 Al emplear múltiples efectos, los flujos de líquido y vapor pueden estar en la misma dirección o en direcciones diferentes. Use la alimentación directa, donde tanto el líquido como el vapor fluyen en la misma dirección, para un pequeño número de efectos, particularmente particularmente cuando la alimentación del líquido está caliente. Use alimentación contracorriente, donde el líquido fluye en una dirección opuesta a los flujos de vapor, para alimentación fría y/o una gran cantidad de efectos. Para una alimentación directa, las bombas de líquido intermedias no son necesarias, mientras que si son necesarias para una alimentación en contracorriente. contracorriente.

Heurística 16 Cristalización en solución produce un lodo de cristales y un líquido madre, que es parcialmen Cristalización parcialmente te separado por filtración o centrifugación en una torta húmeda y un líquido madre. Filtración Filtración a través de un medio filtrante de tejido poroso o metal puede ser llevada a cabo por gravedad, vacío o presión . La centrifugación puede utilizar un equipo con recipiente con poros o sin poros con un medio filtrante. Factores importantes en la selección del equipo incluyen: (i) el contenido de humedad en la torta, (ii) el contenido de sólidos en el licor madre, (iii) fragilidad de los cristales, (iv) tamaño de partícula del cristal, (v) Necesidad para el lavado de los cristales para remplazar el líquido madre madre con agua pura, y (vi) velocidad velocidad de filtración. filtración. La velocidad de filtración es determinada por medición de la velocidad de aumento del grosor de la torta usando un test de filtro delgado en vacío de laboratorio en pequeña escala (small-scale laboratory vacuum leaf filter test) test) con los siguientes criterios: rápido, 0,1 a 10 cm/s; medio, medio, de 0,1 a 10 cm/min; lento, 0,1 a 10 cm/h

Heurística 17 Cuando los cristales son frágiles, o cuando se requiere un lavado efectivo efectivo o se desea un licor madre transparente, transparente, usar: horizontal pan filtration filtration alimentad alimentado o en la parte superior para lodos que se filtran a un ritmo rápido; filtración con tambor giratorio giratorio al vacío para lodos que se filtran a una velocidad moderada; y filtración con presión para lodos que se filtran a un ritmo lento. Pan filtration (Sutherland, 2008; “The Tilting Pan Filter,” n.d.)

Filtro rotatorio (Sutherland, 2008)

Heurística 18 Cuando se requiere tortas de bajo contenido de humedad usar (i) Si los sólidos están en el líquido madre madre utilizar la un solid-bowl centrifuge. Si Si es requerido un lavado efectivo, usar filtración centrífuga

Solid-bow Solid-bowll centrifuge centrifuge(“Centrifuges (“Centrifuges Explained,” Explained,” n.d.)

Las tortas húmedas de las operaciones de filtración o centrifugación se envían a los secadores para eliminar la humedad restante. Existen secadores secadores comerciales para tortas tortas húmedas, pastas, placas, películas, películas, slurries (lodos) y líquidos. El calor para el secado se puede suministrar a partir de un gas caliente en contacto directo con la alimentación húmeda o se puede suministrar indirectamente a través de una pared. Dependiendo del grosor de la aliment alimentación ación y el grado de agitación, los tiempos de secado pueden variar de segundos a horas. Las siguientes heurísticas son útiles para hacer una selección preliminar de equipos de secado:

Heurística 19 Para material granular, de flujo libre o no, de tamaños de partícula de 3 a 15 mm, use secadores continuos de bandeja y cinta con calor directo. Para material granular, de flujo libre que no son sensibles al calor, use un secador cilíndrico rotatorio inclinado, donde el calor puede ser suministrado directamente de un gas caliente o indirectamente de tubos, llevando vapor, que fluye a lo largo de la secadora y está ubicado en uno o dos anillos concéntricos y ubicados justo dentro de la carcasa giratoria giratoria de la secadora. Para Para partículas pequeñas, de flujo libre, de 1 a 3 mm de diámetro, cuando sea posible un secado rápido, use un secador de transporte neumático con calor directo. Para partículas muy pequeñas de flujo libre de menos de 1 mm de diámetro diámetro,, use un secador de lecho fluidizado con calor directo. directo.

Heurística 20 Para pastas y suspensiones de sólidos finos, use un secador de tambor con calor indirecto. Para Para un lodo que se puede bombear o un líquido, use un secador por aspersión con calor directo.

Remoción de calor de reacciones exotérmicas Dada una operación de reacción exotérmica, exotérmica, una etapa inicial importante es comparar la temperatura tempera tura de reacción adiabática que es la máxima temperatura temperatura que se puede alcanzar en ausencia de transferencia de calor, lo cual puede ser realizado con cualquiera de los simuladores de proceso

Heurística 21 Para eliminar un calor de reacción altamente exotérmico, considere el uso de un exceso de reactivo,, un diluyente inerte o cold shots. Estos afectan la distribución de productos reactivo productos químicos y deberían insertarse al inicio de la síntesis del proceso

Estra Estrateg tegia ia de remo remoció ción n de calor calor Cold Cold shot shot Coolin Cooling g or Heat Heat shot shot Heatin Heating g

Heurística 22 Para calores de reacción menos exotérmicos, circule el fluido del reactor a un enfriador externo, o use un reci re cipi pien ente te en enca cami misad sado o o se serp rpen enti tine ness de en enfr friam iamie ient nto. o. Ade Ademá más, s, co cons nsid ider ere e el us uso o de in inte terc rcool ooler erss en entr tre e et etap apas as de reacción reacc ión adiabát adiabáticas. icas. Para lo Par logr grar ar te temp mper erat atur uras as má máss ba baja jas, s, so son n po posi sibl bles es va vari rias as al alte tern rnat ativ ivas as,, co come menz nzan ando do co con n aq aque uell llas as qu que e af afec ecta tan n la distrib dist ribuci ución ón de los pro produc ductos tos quí químic micos os 1. Para absorber calor, usar un reactante en exceso, el cual es separado del proceso en una operación de sepa se para raci ción ón co con n un una a co corr rrie ient nte e de pr proc oces eso o fr fría ía o un una a ut util ilid idad ad fr fría ía.. Es Este te es esqu quem ema a es mo most stra rado do en la Fi Figu gura ra (a (a)) 2. Usar un inerte dil ilu uyente. Por ejemplo en la manufactu turra de metan ano ol, donde el CO y el H2 reac acccio ion nan en un lech le cho o fl flui uidi dizzad ado o qu que e co cont ntie iene ne el ca cata tali lizzad ador or.. En el pr proc oces eso o Ma Marrat atho hon n Oi Oil, l, un una a gr gran an co corr rrie ient nte e de ac acei eite te in iner erte te es cir ircculado a través del reactor, enfria iad da, y nuevamente recirculada al reactor. Notar que lo loss diluyentes, por ejem ej emplo plo lo loss ace aceit ites, es, co con n ca capa paci cida dade dess ca calor lorífi ífica cass el elev evad adas as son fa favo vore resci scida dass pa para ra ma mant nten ener er te temp mper erat atur uras as baj bajas as co con n veloc ve locid idad ades es de re recir circu culac lació ión n baj bajas as.. El uso de ace aceit ite e in iner erte te im impl plic ica a el he hech cho o de qu que e se es está tá in intr trod oduc ucie iend ndo o un nu nuev evo o eleme ele ment nto, o, lo cu cual al es un una a de desv sven enta taja ja,, pu pues esto to qu que e no pu pued ede e se serr co comp mple leta tame ment nte e re remo movi vida da de dell pr prod oduc ucto to de desea seado do.. El calo ca lorr de dell ac acei eite te in iner erte te es re remo movi vido do en el se sepa parrad ador or po porr in intter erca camb mbio io de ca calo lorr co con n un una a co corr rrie ient nte e fr fría ía de dell pr proc oces eso oo una un a ut util ilid idad ad fr fría ía.. Es Este te es esqu quem ema a es mo most stra rado do en la Fi Figu gurra (b (b))

Propiedades del aceite inerte para la producción de metanol (Lee, 1990)

3. Usar cold shots (Figura (c)). En esta alternativa, alternativa, uno de los reactivos reactivos se enfría con el otro reactivo. Este último se distribuye entre varias operaciones de reacción adiabáticas en serie. En cada etapa, A adicional reacciona con B hasta que se consume por completo en la última etapa. Las siguientes dos alternativas no afectan la distribución de químicos y son consideradas para reacciones moderadamente exotérmicas, después en la síntesis del proceso, que es durante la integración integr ación de calor y de potencia cuando son consideradas oportunidades para intercambio de calor entre corrientes de temperatura baja y alta

4. Operación adiabática. En este caso, el calor se elimina de la operación de reacción de una de las siguientes maneras. Se utiliza una camisa de refrigeración o se instalan serpentines a través de las cuales (para los dos casos) se hace circular una corriente de proceso en frío o una utilidad de frío. En algunos casos, la reacción ocurre en tubos llenos de catalizador, rodeados de refrigerante o intercalados con tubos que transportan una corriente de refrigerante, que a menudo es la corriente de alimentación del reactor, como se ilustra para el reactor de amoníaco. Aquí, la transferencia de calor de la especie reaccionante en el lecho de catalizador precalienta los reactivos, N2 e H2, que fluyen en los tubos de enfriamient enfriamiento, o, con el haz de tubos diseñado para proporcionar la transferencia transferencia de calor adecuada así como la reacción. Se observa que para los reactores de síntesis de amoniaco de gran capacidad, el diseño óptimo generalmente requiere una serie de lechos adiabáticos empaquetados con catalizador, con enfriamiento alcanzado usando cold shots. La mayoría de los reactores reactores comerciales comerciales de amoniaco usan una combinación de estos dos dispositivos de enfriamiento. Otra alternativa alternativa más es hacer circular una porción de la mezcla de reacción a través de un intercam intercambiador biador de calor externo en el que se elimina el calor de reacción, como se muestra muestra en la Figura d

Reactor tubular de NH3

5. Uso de intercoolers. Como se muestra en la (e), la operación de reacción se divide en varias etapas adiabáticas, con calor eliminado por intercambiadores intercambiadores de calor colocados entre cada etapa. Aquí, también, el calor se transfie transfiere re a las corrientes de proceso en frío que requieren calefacción o a las utilidades frías. En todas estas alternativ alternativas, as, el equipo de diseño selecciona niveles aceptables de temperatura temperatura y velocidades de flujo de los fluidos de recirculación. Estos generalmente generalmen te están limitados por las velocidades de reacción y especialmente por la necesidad de evitar aumento de la temperatura o el deterioro del catalizador, de los materiales de construcción y los niveles de temperatura de las corrientes y utilidades de proceso en frío disponibles, como el agua de refriger refrigeración. ación. Es común asignar temperaturas sobre la base de estos factores al principio de la síntesis del proceso. Sin embargo, a medida que se perfeccionan las estrategias de optimización, los niveles de temperatura varían dentro de los límites.

Heurística 23 Para controlar la temperatura para un calor de reacción altamente endotérmico, considere el uso de un exceso de reactivo, un diluyente inerte o inyecciones calientes. Estos afectan la distribución de los productos químicos y deben insertarse al inicio en la síntesis del proceso

Heurística 24 Para calores de reacción menos endotérmicos, circule el fluido del reactor a un calentador externo, o use un recipiente encamisado o serpentines de calentamiento. Además, considere el uso de intercalentadore intercalentadoress entre las etapas de reacción adiabática adiabática Cuando se utiliza un exceso de un reactivo, la disminución en la temperatura del efluente varía inversamente con el grado de exceso. De forma similar, cuando se agrega un diluyente inerte, la temperatura del efluente se reduce inversamente a la cantidad de diluyente. Por ejemplo, cuando el etilbenceno se piroliza para producir estireno. estireno. Se agrega vapor sobrecalentado sobrecalentado para proporcionar el calor de la reacción y mantener la temperatura de reacción elevada. Por supuesto, la adición de vapor aumenta significativamente el volumen del reactor y los costos de operación e instalació instalación. n.

Intercambiadores de calor y hornos Métodos de intercambio de calor 1. Intercamb ambio de calor entre dos fluidos de proceso usando un intercambiador de calor de doble tubo tubo,, cor coraza aza y tubo tubo o comp compac acto to.. 2. Inte Interrcamb cambio io de calo calorr entr entre e un flui fluido do de proc proces eso o y una una util utilid idad ad,, como como agua agua de refr refrig iger erac ació ión n o vapor apor,, usan usando do un int interca ercamb mbia iado dorr de calo calorr de dobl doble e tubo tubo,, cor coraza aza y tubo tubos, s, enfr enfria iado do por por aire aire o comp compac actto. 3. Calentamiento de un fluido de proceso en alta temperatura usando calor de los productos de la comb combus usti tión ón en un horn horno o (tam (tambi bién én llam llamad ado o fire fired d heat heater er ). 4. Intercambio de calor dentro de un react actor o separador, en lugar de en un dispositivo externo de int interca ercamb mbio io de calo calorr, como como un int interca ercamb mbia iado dorr de calo calorr de cor coraza aza y tubo tuboss o un horn horno. o. 5. Inte Interc rcam ambi bio o dire direct cto o de calo calorr mezc mezcla land ndo o las las dos dos corr corrie ient ntes es 6. Inte Interc rcam ambi bio o de calo calorr que que invo involu lucr cra a part partíc ícul ulas as sóli sólida das. s.

Heurística 25 A menos que se requiera como parte del diseño del separador o reactor, proporcione el intercambio intercam bio de calor necesario para calentar o enfriar corrientes de fluido de proceso, con o sin utilidades, en un intercambiador de calor de carcasa y tubos externo que utilice un flujo a contracorriente. Sin embargo, si una corriente de proceso requiere un calentamiento superior a 750 °F, use un horno en el caso en el que el fluido del proceso no presente descomposición.

Las estimaciones preliminares de las temperaturas de salida de l as corrientes que fluyen a través de un intercambiador intercambiador de calor pueden realizarse con las siguientes heurísticas.

Heurística 26 Los enfoques mínimo óptimo de temperatura en los intercambiadores de calor dependen del nivel de temperatura de la siguiente manera: 10 °F o menos para temperaturas inferiores a la temperatura ambiente. 20 °F para temperaturas por encima de la temperatura ambiente hasta 300 °F. 50 °F para altas temperaturas. 250 a 350 °F en un horno para la temperatura temperatura del gas de combustión por encima de la temperatura de entrada del fluido del proceso.

Heurística 27 Al usar agua de refrigeración refrigeración para enfriar o condensar una corriente de proceso, suponga una temperatura de entrada de agua de 90 °F (desde una torre de enfriamiento) y una temperatura máxima de salida de agua de 120 °F. Al enfriar y condensar un gas, tanto el calor sensible como latente latente pueden eliminarse en un único intercambiador de calor. Sin embargo, debido a los muchos regímenes de flujo bifásico que pueden ocurrir al hervir un fluido, es mejor proporcionar proporcionar tres intercambiadores intercambiadores de calor separados cuando se cambia un líquido subenfriado a un gas sobrecalentado, especialmente especialmente cuando la diferencia entre el punto de ebullición y el punto de rocío es pequeña. El primer intercambiador precalienta el líquido al punto de ebullición, el segundo hierve el líquido y el tercero sobrecalienta el vapor.

Heurística 28 Hierva un líquido puro o una mezc m ezcla la en estado líquido hasta ha sta un punto cercano al punto de ebullición, en un intercambiador interc ambiador de calor separado, usando una fuerza conductora de la temperatura temperatura global máxima de 45 °F para asegurar asegur ar nucleat nucleate e boili boiling ng (ev (evapor aporación ación con con elevados elevados valore valoress de transferencia transferencia de calor debido a la elevada turbulencia) y evitar film film boiling (evaporaci (evaporación ón con bajos valores valores de transferencia transf erencia de calor debido a que la misma se da a trav través és de conducción)

Cuando una de las dos corrientes se enfría y se condensa, el e l enfoque mínimo de temperatura en un intercambiador de calor de flujo en contracorriente contrac orriente puede ocurrir en el interior del equipo, es decir, decir, no ocurrirá en uno de los dos extremos. Si se supone que el enfoque de temperatura temperatur a mínima ocurre en uno de los dos extremos del intercambiador de calor, calor, dentro del mismo puede ocurrir un valor menor de enfoque de temperatura mínimo o un cruce de temperatura temperatur a que viole v iole la segunda ley de la termodinámica. Para evitar esta situación, se debe de be aplicar la siguiente heurística:

Heurística 29 Al enfriar y condensar una corriente en un intercambi intercambiador ador de calor calor,, se debe realizar un análisis de zona para asegurarse de que la diferencia de temperatura temperatura entre la corriente caliente y fría sea igual o mayor que el enfoque mínimo de temperatura temperatura a lo largo del intercambiador intercambi ador de calor calor.. El análisis de la zona se realiza dividiendo el intercambiador de calor en varios segmentos y aplicando un balance de energía a cada segmento se gmento para determinar las temperaturas temperaturas de entrada y salida del flujo correspondientes para el segmento, teniendo en cuenta cualquier cambio de fase

Heurística 30 Típicamente, un hidrocarburo produce una temperatura de llama adiabática de aproximadamente 3500 °F cuando se usa la cantidad estequiométrica de aire. Sin embargo embargo,, use aire en exceso para lograr una combustión completa y obtenga una temperatura máxima de gases de combustión de 2000 °F. Establezca la temperatura del gas en la chimenea en 650 a 950 °F para evitar la condensación de componentes corrosivos del gas de combustión

Heurística 31 Estime las caídas de presión del intercambiador de calor de la siguiente manera: 1,5 psi para hervir y condensar 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 trav través és de un horno

Los intercambiadores de calor no deben usarse para enfriar y/o condensar corrientes de proceso con temperaturas temperaturas superiores a 1150 °F. En su lugar, use la siguiente heurística para el intercambio de calor directo

Heurística 32 Enfrie una corriente Enfrie corriente de proceso proceso muy calient caliente e a por lo menos 1150 °F antes de enviarlo a un interc intercambiador ambiador de calor para un enfriamiento o condensación adicional. El enfriamiento se obtiene a partir de la mezcla entre entre el fluido en alta temperatura temperatur a y el fluido proveniente de un separador que se alimenta con la corriente en alta temperatura. temperatura. Alternativamente, Alternativamen te, si la corriente de proceso contiene vapor de agua, el agua líquida puede ser un fluido de enfriamiento efectivo efectiv o (mezclar el la corriente con vapor con agua fria).

Proceso de hidrodealquilación de tolueno

Heurística 33 Si es posible, caliente o enfríe una corriente de partículas sólidas por contact contacto o directo con un gas caliente o gas frío, respectivamente, respectivament e, usando un horno rotatorio rotatorio,, un lecho fluidiza fluid izado, do, multi multiple ple hearth o un tran transport sportador ador neumático/flash. De lo contrario, use un transportador en espiral con camisa.

Multiple Multiple hearth hearth furnace furnace (Evans (Evans & De Jonge, Jonge, 2016; 2016; Industrial mineral process equipment Company, Company, 2018)

Simulación del movimiento de las partículas en un multiple hearth hearth furnance furnance (Synerge (Synergetics tics Consulting Consulting Engineer Engineers, s, 2016)

Secador transportador transportador de tornillo con camisa para circulación circulación de vapor (Arora & Shinde, 2007; Wang et al., 2017)

Incremento Incremento de la l a presión Gases: para aumentar la presión, la consideración más importante es el estado de fase (vapor, (vapor, líquido o sólido) de la corriente

Heurística 34 Use un ventilador para elevar la presión del gas desde la presión atmosférica hasta un calibre de agua de hasta 40 pulgadas (10.1 kPa o 1.47 psig). Use un soplador o compresor para elevar la presión del gas hasta un máximo de 206 kPa o 30 psig. Use un compresor o un sistema de compresor por etapas para alcanzar presiones superiores a 206 kPa o 30 psig.

Para aumentar la presión Gases Para aumentar la presión, la consideración más importante es el estado de fase (vapor, líquido o sólido) de la corriente corriente.. Si la corriente es un gas, se aplica la siguiente heurística heurística para determinar si se debe usar un ventilador, soplador o compresor.

Heurística 34 Use un ventilador para elevar la presión del gas desde la presión atmosférica hasta 40 pulgadas manométricas de agua (10,1 kPa o 1,47 psig). Use un soplador o compresor para elevar la presión del gas hasta un máximo de 206 kPa o 30 psig. Use un compresor o un sistema de compresor por etapas para alcanzar presiones superiores a 206 kPa o 30 psig.

Al aumentar la presión del gas en una sola etapa de compresión adiabática reversible, reversible, estimar la temperatura temperatura de salida y el requerimiento de potencia con la siguiente heurística

Heurística 35 Estime la potencia teórica adiabática (THp) para comprimir un gas de la siguient siguiente e ecuación SCFM: pies cúbicos estándar de gas por minuto a 60 °F y 1 atm (379 SCF/lbmol)  : Temperatura de entrada del gas en °  y  presiones absolutas de salida y de entrada =(k-1)/k, con k = razón de calor específico del gas,  / THp: Hp/millón de pies cúbicos estándar/dia Estimar la temperatura de salida teórica,  , para una compresión de gas de la siguiente ecuación:

Cuando se usa un compresor, la temperatura de salida teórica del gas no debe exceder aproximadamente aproximadamente 375 °F, el límite impuesto por la mayoría de los fabricantes de compresores. compresores. Esto corresponde a una relación de compresión de 4 para k= 1,4 y  =375 °F. Cuando la temperatur temperatura a del gas de salida excede el límite, no se puede usar una sola etapa de compresión de gas. En cambio, se debe emplear un sistema de compresión de varias etapas, con intercoolers intercoolers entre cada etapa. etapa. Cada intercooler intercooler enfría el gas de vuelta a aproximadamente aproximadamente 100 °F. °F. La siguiente heurística es útil para estimar el número de etapas, N, requeridas y las presiones entre etapas.

Heurística 36 Estime el número de etapas de compresión de gas, N, de la siguiente tabla, que asume una relación de calor específico de 1.4 y una relación de compresión máxima de 4 para cada etapa

Las Las pres presio ione ness ópti óptima mass entr entre e etap etapas as corr corres espo pond nden en a igua iguale less pote potenc ncia iass (Hp) (Hp) par para cada cada comp compre reso sorr. Por lo tant tanto o, basá basánd ndos ose e en la ecua ecuaci ción ón ante anteri rior or para para el comp compre reso sorr teór teóric ico o Hp, Hp, esti estime me las pres presio ione ness entr entre e etap etapas as util utiliz izan ando do apro aproxi xima mada dame ment nte e la mism misma a rela relaci ción ón de compr ompres esió ión n par para cada cada etap etapa a con con una una caíd caída a de pres presió ión n del del int interc ercooler oler de 2 psi o 15 kPa. kPa.

Por ejemplo, un gas gas de alimentación a 100 °F y 30 psia esta yendo a ser comprimido comprimido a 569 psia. De la tabla anterior, anterior, con una relación de compresión general de 569/30 = 19, se obtiene un sistema de 3 etapas. Para relaciones de compresión iguales, la relación de compresión para cada etapa de un sistema de 3 etapas es igual a 19/3 , que es igual a 2,7. Las presiones de etapa estimadas son las siguientes (teniendo en cuenta una caída de presión igual a 2 psi para para cada intercooler intercooler y las tuberías):

Al comprimir un gas, la corriente que ingresa no tiene que contener líquido, y la corriente que sale debe estar por encima de su punto de rocío para no dañar el compresor. Para eliminar cualquier gota de líquido arrastrado arrastrado del gas que i ngresa, un tambor vertical extraíble equipado con una almohadilla se coloca antes de la entrada del gas en el compresor. Para evitar la condensación en el compresor, especialmente cuando el gas entrante está cerca de su punto de rocío, también debe agregarse un intercambiador de calor antes de la entrada del compresor para proporcionar un precalentamiento suficiente para garantizar que el gas saliente esté muy por encima de su punto de rocío.

Liquidos: Se utilizará una bomba si la presión de un líquido está yendo a ser incrementada

Heurística 37 Para cabezas (incrementos (incrementos de presión) de hasta 3200 pies y velocidades de flujo en el rango de 10 a 5000 gpm, use una bomba centrífuga. Para Para cabezas altas de hasta 20000 pies y velocidades de flujo de hasta 500 gpm, use una bomba recíprocante. recíprocante. Menos comunes son las bombas axiales para cabezas de hasta hasta 40 pies para velocidades de flujo en el rango de 20 a 100000 gpm y bombas rotativas rotativas para cabezas de hasta 3000 pies para velocidades de flujo en el rango de 1 a 1500 gpm. Para agua líquida, con una densidad de 62,4 lb/ft 3, cabezas de 3000 y 20000 pies corresponden a incrementos de presión a través de la bomba de 1300 y 8680 psi, respectivamente Al bombear un líquido desde una operación a una presión, P 1, a una operación posterior a una presión más alta, P2, el aumento de presión en la bomba debe ser mayor que P 2 para superar la caída de presión de la tubería, la caída de presión de l a válvula de control, y posibles aumentos en la elevación (energía potencial). Para conseguir ese objetivo, usar la siguiente Heurística.

Heurística 38 Para el flujo de líquido, suponga suponga una caída de presión en la tubería de 2 psi/100 pies de tubería y una caída de presión de la válvula de control control de al menos 10 psi. Por cada incremento incremento de elevación igual a 10 pies, suponga una caída de presión de 4 psi.

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105500 lb/h

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P1= 1,5 atm P2= 26 atm Caída de presión por el cambio de temperatura temperatura (90 °C a 242 °C y luego a 500 °C) y 1 cambio de fase = 10 psi Caida de presión en la línea + caída de presión en la valvula de control: control: 15 psi Caída de presión por cambio en la elevación a 20 ft: 8 psi Incremento adicional de presión: (10+15+8) psi = 33 psi = 2,3 atm Cambio de presión requerido: 26-1,5+2,3 =26,8 atm ρ= 78 lb/ft3=10,4 lb/gal Cabeza requerida o cambio de presión requerido: 26,8 atm (14,7 psi/atm)(144 pulgada2/ft2)(1 ft3 /78 lb)= 730 ft Flujo volumétrico= ((158300+105500)lb/h)(1 gal/10,4 lb)(1 h/60 min) Flujo volumétrico = 422 gpm Por tanto seleccionar bomba centrífuga

Heurística 39 Estime la potencia teórica (THp) para bombear un líquido a partir de:

Para el ejemplo anterior

THp = 422 (26,8)(14,7 (26,8)(14,7)/1,7 )/1,714 14 =97 Hp

Decremento de la presión La presión de una corriente de gas o líquido puede reducirse a presión ambiente o a un valor mayor a la presión ambiente con una sola válvula de mariposa o dos o más de tales válvulas en serie. La expansión adiabática de un gas a través de una válvula se acompaña de una disminución en la temperatura del gas.

A la salida de la valvula la temperatura temperatura es al menos la misma que la temperatura temperatura de entrada entrada

En la reducción de presión de un líquido o un gas no se recupera energía energía en forma de trabajo de eje a partir del fluido. Sin embargo, para el caso de una corriente gaseosa, si se emplea un dispositivo tipo turbina se puede recuperar el trabajo de eje desde el fluido. Dispositivo tipo turbina = expansor = Turbina de expansión = Turbo Turbo expansor Para un líquido, el dispositivo tipo turbina se denomina turbina recuperadora de potencia

Heurística 40 Considere el uso de un expansor para reducir la presión de un gas o una turbina de recuperación de presión para reducir la presión de un líquido cuando se pueden recuperar más de 20 Hp y 150 Hp, respectivamente.

Heurística 41 Considerar la potencia adiabática adiabática teórica (THp) para expandir un gas a partir de :

Heurística 42 Estimar la potencia teórica (THp) para reducir la presión de un líquido a partir de

¿Se puede remplazar a la valvula por una turbina turbina recuperadora de presión? Flujo volumétrico=422 gpm Decremento de la presión= (26-12) atm (14,7 psi/atm) = 206 psi THp=422(206)/1,174 =51 Hp Debido a que 51 Hp es menor que 150 Hp se selecciona a la valvula

Válvula

Válvula

Se puede usar una turbina expansora expansora para decrementar la presión desde 26 atm hasta 12 atm, hasta la temperatura temperatura del gas de 170 °C Flujo másico= (58300 + 100000+105500)/60=4,397 lb/min Peso molecular promedio=61,9 Flujo molar=71 lbmol/min SCFM (ft3 estándar por minuto a 60 °F y 1 atm) es (71 lbmol/min)(0,791 ft3/0,0022 lbmol)(288,71 K/273,15 K )=26900 SCFM Asumir k=1,2 a=(1,2-1)/1,2=0,167 Razón de descompresión= 12/26=0,462 T1=797 °R THp=1910 Hp Consecuentemente, usar un expansor Temperatura de salida del expansor=797(0,462)1/0,167 Temperatura de salida del expansor=701 °R

Bombear un líquido o comprimir un gas Casi siempre es mucho menos costoso bombear un líquido en lugar de comprimir un vapor. Esto se debe a que la potencia requerida para aumentar la presión de una corriente que fluye es

donde V es el flujo volumétrico, que normalmente es mucho menos para las corrientes en estado líquido, generalmente dos órdenes de magnitud menos. Por lo tanto, es común instalar bombas que tengan aproximadamente aproximadamente 10 Hp, mientras que los compresores comparables requieren aproximadamente aproximadamente 1000 Hp y son mucho más caros de comprar e instalar. Por estas razones, si la corriente de baja presión es un vapor y el estado de fase es también vapor a la presión más alta, casi siempre es preferible condensar el vapor, bombearlo y revaporizarlo, en lugar de comprimirlo, como se ilustra en la siguiente Figura.

Bombear un líquido o comprimir un gas Bombear un líquido

Comprimir el vapor

La excepción a esta heurística es cuando se requiere refrigeración refrigeración para la condensación, que implica una compresión extensiva del fluido de trabajo. Si la corriente de baja presión es líquida y la corriente de alta presión es un vapor, vapor, es preferible aumentar la presión primero con una bomba y luego vaporizar el líquido, en lugar de vaporizar el líquido y luego comprimirlo.

Heurística 43 Para aumentar la presión de una corriente, bombee un líquido en lugar de comprimir un gas, a menos que se necesite refrigeración. refrigeración.

Vacío Cuando se requieren presiones de proceso inferiores a la presión ambiente, se requieren dispositivos dispositiv os y consideracion consideraciones es especiales. La operación de vacío es más común en operaciones de cristalización, destilación, secado, evaporación y pervaporacion. Vacío dentro del equipo causa infiltración del aire a presión ambiente. Se usa un sistema de vacío para eliminar este aire  junto con cualquier vapor vapor asociado en la corriente corriente de proceso que que pasa a través través del equipo. Para procesos continuos, el vacío está predominantemente en el rango de 1 a 760 torr (0,13 a 101,3 kPa). En este rango, es común usar una bomba de vacío, que comprime el gas desde el vacío (presión de succión) hasta la presión ambiental, o un sistema eyector de chorro, que usa un flujo de agua a presión o vapor para mezclar y extraer el gas para crear el vacío. Para diseñar el sistema de vacío, es necesario estimar la infiltración de aire, determinar la cantidad total de gas (infiltración (infiltración más vapor asociado) que se eliminará, y seleccionar un sistema apropiado para el nivel de vacío requerido.

Heurística 44 Estimar la infiltración de aire por:

donde w es igual a lb/h de infiltración de aire, V está en ft 3 de volumen del equipo bajo vacío y k es igual a 0,2 para presiones mayores de 90 torr, 0,15 para presiones entre 21 y 89 torr, 0,10 para presiones entre 3,1 y 20 torr, y 0,051 para presiones entre 1 y 3 torr.

Heurística 45 Para reducir la cantidad de gas enviada al sistema de vacío si su temperatura es mayor a 100 °F, agregue un condensador usando agua de enfriamiento antes del sistema de vacío. El gas que sale del condensador estará a la temperatura temperatura de punto de rocío de 100 °F a la presión de vacío.

Heurística 46 Para presiones de hasta 10 torr y velocidades de flujo de gas de hasta 10000 pies3/min en la entrada al sistema de vacío, use una bomba de vacío de anillo líquido. Para presiones de hasta 2 torr y velocidades de flujo de gas de hasta 1000000 pies3/min en la entrada al sistema de vacío, use un sistema eyector de chorro de vapor (una etapa para 100 a 760 torr, dos etapas para 15 a 100 torr y tres etapas para 2 y 15 torr). Incluir un condensador de contacto directo entre etapas.

Transportando solidos granulares El movimiento de corrientes de sólidos granulares horizontal y/o verticalmente se logra con transportadores transportad ores y elevadores. Al seleccionar el tipo de equipo, consideraciones importantes importantes son adherencia, abrasividad, tamaño de partícula y densidad de las partículas sólidas.

Heurística 48 Si las partículas sólidas son pequeñas en tamaño, bajas en densidad de partículas y no son pegajosas o abrasivas, utilice transporte neumático neumático con aire a 1 a 7 pies3/pies3 de sólidos y 35 a 120 pies/s de velocidad de aire para distancias de hasta 400 ft. De lo contrario, para sólidos pegajosos y/o abrasivos abrasivos de cualquier tamaño y densidad, utilice un transportador de tornillo y/o elevador de para distancias de hasta 150 pies. Para partículas sólidas de cualquier tamaño y forma, y no pegajosas, pegajosas, use una cinta transportadora, transportadora, con una una inclinación de hasta 30° si es necesario, para largas distancias de hasta una milla o más.

Cambiar la presión de sólidos granulares Los procesos continuos con frecuencia implican sólidos granulares, granulares, ya sea solos, suspendidos en un líquido o fluidizados fluidizados en un gas. En muchos casos, las corrientes corrientes que contienen contienen los sólidos se encuentran a presión ambiental y son movidas con facilidad por transportadores y elevadores. Sin embargo, en algunos casos, puede requerirse presión elevada o vacío. Si se procesan partículas sólidas solas, se colocan en una tolva cerrada donde la presión se ajusta a la presión requerida. Los sólidos se transportan bajo presión o vacío. Para una suspensión, los sólidos se colocan en una tolva, desde la cual se descargan en un líquido a presión ambiente. La suspensión resultante resultante se bombea a la presión deseada. Una mezcla de partículas sólidas en una corriente gaseosa se forma descargando partículas sólidas de una tolva, a través de una válvula rotativa (también denominada válvula giratoria de bloqueo de aire), en una corriente de gas a presión elevada. Para presiones de descarga de hasta 15 psig, se usa una válvula rotativa estándar.. Para presiones de descarga en el rango de 15 psig a casi 100 psig, están disponibles estándar válvulas rotativas de alto rendimiento. Las válvulas rotatorias deben diseñarse cuidadosamente para minimizar o evitar fugas de gas, evitar la obstrucción de sólidos en la válvula (bridging) y evitar el desgaste de las paletas en la válvula.

Cambiar el tamaño de partícula de los solidos y el tamaño de separación de las partículas Con frecuencia es necesario cambiar el tamaño de partícula de los sólidos para cumplir con las especificaciones del producto o cambiar la velocidad de reacción o la velocidad del secado. Métodos para lograr cambios en el tamaño de partícula, discutidos en detalle en Chemical Process Pro cess Equi Equipmen pmentt- Selec Selection tion and Desig Design n por S.M. Wal Walas as (1988 (1988)) y en en Perry's Perry's Chem Chemical ical Engin Engineer eerss 'Handbook, 8 Edición (Green y Perry, 2008), incluyen trituración, molienda y desintegración para reducir el tamaño de partícula; compresión, extrusión extrusión y aglomeración para aumentar el tamaño de partícula; y dispositiv dispositivos os de separación de partículas para obtener un rango estrecho de tamaño de partícula. Las triturador trituradoras as y molinos se utilizan con separadores de material sólido (screens) en circuitos cerrados, donde el material de gran tamaño se recicla. El grado de molienda está determinada principalmente por el grado de dureza, el cual está determinado por la escala de Mohs, que varía de 1 para el material más blando a 10 para el más duro. La escala de Mohs se muestra a continuación:

Los materiales con una escala de Mohs de 1 a 3 se consideran blandos e incluyen grafito, grafito, muchos plásticos, asfalto, asfalto, azufre, muchas sales inorgánicas, mármol y carbón de antracita. La dureza intermedia intermedia se extiende desde una escala de Mohs de 4 a 6 e incluye piedra caliza, amianto y vidrio. Los materiales materiales duros se caracterizan por una escala de Mohs de 7 a 10 e incluyen arena, granito y esmeril. Las siguientes heurísticas se aplican a la reducción del tamaño de partícula. El tamaño de pequeñas partículas es comúnment comúnmente e establecido en términos del tamaño de malla del tamiz de acuerdo con el siguiente estándar de EE. UU (ASTM EII), donde no se proporcionan todos los tamaños de malla:

Heurística 49 Trituración de sólidos gruesos. Use una trituradora de mandíbula para reducir el tamaño de masas de materiales duros, abrasivos y / o pegajosos de 4 pulgadas a 3 pies de diámetro a partículas delgadas de 1 a 4 pulgadas de tamaño. Usar una trituradora giratoria para reducir los materiales deshilachados de 8 pulgadas a 6 pies de tamaño a partículas redondeadas de 1 a 10 pulgadas de diámetro. Use una trituradora de cono para reducir materiales menos duros y menos pegajosos de 2 pulgadas a 1 pie de diámetro a partículas de 0,2 pulgadas (4 mallas) a 2 pulgadas de diámetro.

Heurística 50 Molienda a sólidos finos. Use un molino de barras para reducir partículas de dureza intermedia intermedia de hasta 20 mm a partículas en el intervalo de 10 a 35 mesh. Use un molino de bolas para reducir partículas de dureza baja a intermedia de 1 a 10 mm de tamaño a partículas muy pequeñas de menos de 140 mesh.

Heurística 51 Aumento del tamaño de partícula. Utilice la compresión con máquinas de compresión rotativa para convertir polvos y gránulos en tabletas de hasta 1,5 pulgadas de diámetro. Use extrusoras con cuchillas para hacer pellets y wafers wafers a partir de pastas y materiales derretidos. derretidos. Use compactadores compactador es de rodillo para producir hojas de materiale materialess finament finamente e divididos; las hojas se cortan en cualquier forma deseada. Use granulador granuladores es giratorios de tambor y granulador granuladores es de discos rotatorios con aglutinantes para producir partículas en el rango de tamaño de 2 a 25 mm.

Heurística 52 Separación de tamaños de partículas. Use un par de barras paralelas con vibración vibración,, inclinadas y separadas para eliminar partículas grandes de más de 2 pulgadas de diámetro diámetro.. Use una rejilla perforada cilíndrica cilíndrica giratoria para eliminar partículas de tamaño intermedio intermedio en el rango de tamaño de 0,25 a 1,5 pulgadas de diámetro. Utilice rejillas tejidas planas inclinadas (norma estadounidense) estadounid ense) que se hacen vibrar, vibrar, sacudir o impactar con bolas para separar partículas pequeñas en el rango de tamaño de 3 a 80 mallas. Use un clasificador de aire para separar partículas finas más pequeñas que la malla 80.

Remoción de partículas de gases y líquidos Las partículas finas se eliminan de las suspensiones diluidas en gases y líquidos de forma más eficiente mediant mediante e el uso de fuerza centrífuga en ciclones e hidroclones hidroclones,, respectivamente. respectivamente.

Heurística 53 Use un ciclon para eliminar eliminar,, de un gas, gotas o partículas sólidas de diámetro de hasta 10 micras (0,01 mm). Use un hidrociclón para eliminar, eliminar, de un líquido líquido,, gotas de líquido insolubles o partículas sólidas de diámetro de hasta 0,005 mm. Sin embargo, embargo, pequeñas cantidades de líquido arrastradas comúnmente se eliminan de los gases mediante tambores verticales de eliminación (knock-out) equipados con almohadillas de malla para ayudar a unir las gotitas más pequeñas.

Consideraciones para aplicar al diagrama de flujo a.Para aumentar la eficiencia de la segunda ley y reducir el consumo de energía, evite, si es posible, la mezcla de corrientes de diferente temperatura, temperatura, presión o composición. b. Para un nuevo proceso, determine cómo se diferencia de un proceso convencional similar e identifique las ventajas y desventajas del nuevo proceso, realizando cambios donde se descubran desventajas. c. Para un nuevo proceso, determine la velocidad de producción máxima y el rendimiento, y busque oportunidades para aumentar la velocidad de producción y el rendimiento. Luego, calcule las eficiencias teóricas aplicando el análisis de trabajo perdido d. Examine cuidadosamente la hoja de flujo del proceso, buscando formas de eliminar el equipo por combinación, reorganización o reemplazo de los pasos del proceso. e. Realice evaluaciones económicas preliminares a diferentes velocidades de producción y tamaños de planta correspondientes utilizando métodos de escalamiento simple, señalando que lo que no es económico en un tamaño pequeño puede ser económico en un tamaño grande y viceversa.

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