Unidad 1

UNIDAD TEMÁTICA I
INTRODUCCION AL DISEÑO DE PROCESOS QUIMICOS. INGENIERIA DE
PROCESOS. BREVES NOCIONES
I.1 INTRODUCCION
Existen en la actualidad distintos tipos de modelos y diferentes herramientas
informáticas para implementarlos. Así, para el diseño de equipos específicos o bien
para la resolución de balances de materia y energía, por lo general, es suficiente aplicar
procedimientos analíticos o numéricos apropiados para la resolución de sistemas de
ecuaciones, ya sean algebraicas o diferenciales. Sin embargo, también sabemos que,
cuando el problema es crear un proceso o diagrama de flujo para obtener ciertos
productos a partir de determinadas materias primas (diseño del proceso), el
conocimiento y el tipo de modelos a utilizar, son sustancialmente distintos. Ello se debe
a que en esta tarea se deben tomar decisiones y se debe seleccionar una alternativa
entre cientos de ellas.
Todo este cúmulo de conocimientos sobre modelado matemático, sistemas de
representación basados en la teoría de sistemas, administración y gestión de datos,
razonamiento simbólico, métodos numéricos, y avances en el campo informático; ha
generado en las últimas décadas una nueva disciplina dentro de la Ingeniería Química y
particularmente dentro de lo que tradicionalmente conocíamos como Ingeniería de
Procesos (Conjunto de actividades dedicadas al: Diseño, Control y Operación de
Procesos).
En un principio denominada Diseño de Procesos Asistido por Computadora ya que su
aplicación solo abordaba los cálculos básicos de procesos, actualmente ha
evolucionado su aplicación a la mayoría de las actividades dentro de la Ingeniería de
Proceso. Surge así la hoy denominada Ingeniería de Sistemas de Procesos ó
Process System Engineering que puede definirse como “El conjunto de
conocimientos en la Ingeniería Química que aborda el modelado y desarrollo
sistemático de herramientas y métodos de solución para Síntesis, Análisis y
Evaluación del: Diseño de Procesos, Control de Procesos y Operación de
Procesos”.
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El objetivo de esta unidad es introducir al lector en los principales conceptos de la
metodología de diseño de un proceso, desde la generación de su diagrama de flujo
(flow-sheet) y estructura. Esto es importante, ya que no resulta apropiado simular a
optimizar un proceso si paralelamente no nos cuestionamos acerca de la génesis del
mismo o de las reglas que permiten en una forma sistemática, crear y evaluar diferentes
alternativas para el diseño, de forma de poder decidir entre ellas de una manera
adecuada.
La síntesis de procesos es una de las tareas más complejas y exigentes confrontada
por el ingeniero químico. Desde un punto de vista pragmático, el uso de técnicas de
síntesis de procesos se introdujo lentamente como consecuencia de las condiciones
cambiantes en la producción industrial y el surgimiento de tremendos avances
productivos y tecnológicos. En este punto, conviene aclarar que la mayoría de los
procesos químicos en uso en la actualidad surgieron hace mucho tiempo, cuando no
existían métodos sistemáticos para la generación de las estructuras óptimas de los
mismos (camino de reacción, redes de intercambio, sistemas integrados, trenes de
separación, etc.). Resulta lógico pensar, por lo tanto, que estas innovaciones se fueron
dando parcialmente, paso a paso, con el transcurso del tiempo. Desde este punto de
vista, resulta ilustrativo el análisis de la evolución de las tecnologías utilizadas en los
distintos procesos químicos (Rotstein y Stephanopoulos, 1979). En efecto, dado que en
todo proceso químico existe la transformación fisicoquímica de materias primas en los
productos deseados, se puede calcular el trabajo mínimo asociado (calculado
termodinámicamente como un proceso ideal o reversible). Por lo tanto, se dispone de al
menos un elemento de comparación, punto de referencia ideal u objetivo a alcanzar.
Dicha magnitud sirve para comparar el consumo real de cualquier alternativa con
respecto al trabajo mínimo. En este contexto, es interesante observar la evolución de
diferentes procesos pertenecientes a diversos campos (no sólo a la industria química)
que, mediante la incorporación de nuevos métodos y tecnología en el diseño, han
avanzado hacia alternativas más interesantes y próximas a la óptima.
Planteo Correcto de un Problema de Diseño de Proceso
Teniendo en cuenta que el diseño de un nuevo proceso o el mejoramiento de uno
existente generalmente comienza a partir de una decisión tomada por una entidad
(Empresa, Gobierno, Consultora, Oficina de Ingeniería de Proceso, etc) cuyo nivel de
conocimiento tecnológico es por lo general escaso o simplemente nulo, y generalmente
esta fundado en ideas fuerza de tipo económico o social, resulta esperable que en una
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primera instancia el problema aparezca como algo difuso o vago, sin demasiados
elementos e información sobre lo que finalmente hay que hacer, como hacerlo y que
objetivos se deben alcanzar.
En este contexto es de suma importancia tomar un determinado tiempo a fin de
poder transformar esa idea u objetivo difuso en un problema de diseño
correctamente planteado. Para ello resulta conveniente seguir cuatro etapas que son:
Establecer Objetivos. Es imprescindible definir claramente los objetivos que se
persiguen. Esto puede hacerse mediante distintas técnicas de dinámica de grupos
(lluvia o tormenta de ideas –brainstorming-). Entre los objetivos posibles, podemos
mencionar: Obtener rentabilidad, Maximizar la rentabilidad, Minimizar costos de
inversión y operación, Asegurar que el diseño cumpla con los estándares de seguridad,
Obtener un diseño controlable, Maximizar la flexibilidad del diseño a fluctuaciones en la
alimentación, Adecuar el diseño a las condiciones locales, Crear un diseño que no
contamine. Etc. Como se observa muchos son objetivos y otros son restricciones
además de ser conflictivos entre ellos.
Proponer Formas de Evaluar el Diseño. Para ello puede recurrirse a diversas
técnicas de evaluación económica (Valor Actual Neto, Tasa Interna de Retorno,
Relación Costo – Beneficio, Potencial Económico, etc) que permitan evaluar y comparar
las alternativas generadas para el diseño. Ello es importante por que nos acota la
información de diseño preliminar que tendremos que generar en función del método de
evaluación a utilizar.
Identificar Puntos de Partida. Es importante aunque muchas veces resulte obvio
definir el punto desde el cual comenzamos a abordar nuestro problema. Antecedentes,
diseños previos, Información disponible, etc. Ello nos permitirá dimensionar y acotar el
trabajo a realizar y los tiempos necesarios para su realización.
Identificar el Espacio de Alternativas. Esta es posiblemente la etapa mas compleja y
consumidora de tiempo, ya que muchas veces resulta casi imposible poder dimensionar
o aproximar el numero de alternativas que podría tener nuestro problema. Sin embargo
es necesario dedicar el tiempo suficiente para evitar luego sorpresas desagradables.
Una aproximación típica es desarrollar primero un caso base o diseño base , y a partir
de las decisiones que hemos tenido que tomar para definir el caso base, podríamos
estimar el numero de decisiones alternativas a cada una de las definiciones realizadas.
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Así podremos tener una idea aproximada de nuestro espacio de soluciones. Esta es
una de las razones que justifican el desarrollo de un caso base
Resulta complejo plantear en función de un esquema formal, la actividad de diseño en
la Ingenieria de Procesos. En primer lugar y en forma simplificada, se podría afirmar que
un proceso químico esta vinculado al tratamiento de materiales, mediante
transformaciones fisicoquímicas y/o biológicas, o procesos de separación física. En
forma genérica, se denomina proceso a la unidad o sistema estructural de
transformación por medio del cual los materiales que ingresan se transforman en
los productos deseados. Esta unidad o sistema estructural esta compuesto por
módulos (equipos a operaciones unitarias), encargados de realizar tareas
especificas (separación, calentamiento, reacción química, etc). Los equipos están
conectados entre sí por medio de las corrientes que los vinculan, con el objeto de
satisfacer la(s) tarea(s) especificada(s) de la mejor manera posible. Para utilizar
un lenguaje común, se adopta un simbolismo esquemático que permite visualizar
la topología (esquema estructural del proceso), que constituye el diagrama de
flujo flowsheet.
Sin embargo, este poco puede aportar a menos que se especifiquen condiciones de
operación (temperaturas, presiones, etc.) y las propiedades asociadas a las corrientes.
Existen, por lo tanto, dos grandes grupos de variables que deben ser diferenciadas. En
este contexto, llamamos variables estructurales a aquellas que están íntimamente
ligadas a la estructura del flowsheet, es decir, que especifican la presencia de los
distintos equipos y su diagrama de interconexiones. Por otro lado, están las variables
de operación que representan condiciones operativas (temperatura, caudal, presión,
etc.), y ciertas características funcionales de los equipos, como ser áreas, numero de
etapas, etc., por lo general identificadas como parámetros de diseño.
De hecho, existen numerosas variantes para el armado del diagrama de flujo de un
proceso determinado, como así también, numerosas posibilidades para la asignación ó
especificación de las variables de operación y parámetros de equipo. El diseñador
deberá optar por algún conjunto de ellas, de manera tal de optimizar la estructura
resultante en función de los distintos aspectos funcionales a considerar en la operación
de plantas químicas. Nótese que cualitativamente, este problema no es distinto al que
enfrenta un arquitecto al diseñar un edificio para ciertos fines, o un ingeniero eléctrico al
diseñar un circuito para determinado objetivo.
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Por consiguiente, la tarea de diseño lleva implícita la necesidad de seleccionar dentro
de un espacio de posibilidades, aquellas alternativas que en base a un criterio
predeterminado, cumplan con los objetivos deseados. En la búsqueda de lograr un
planteo formal del problema de diseño, conviene plantear una función objetivo
adecuada a ser optimizada. En este punto, conviene explorar los objetivos que se
esperan de un proceso químico en general.
Es bien sabido que toda actividad productiva de bienes o servicios se encuentra
permanentemente sujeta a un marco de referencia en función del cual se evalúa su
factibilidad. Sin pretender analizar los distintos enfoques para cuantificar los beneficios
de un proyecto (privado, social, micro-económico, macro-económico, etc.), el marco
económico constituye la fuente cuyo veredicto resulta inevitable de contemplar en toda
actividad de Ingenieria. Por lo tanto, costos de operación, inversión, tasa de retorno,
etc., son criterios que generalmente se tienen en cuenta en la función objetivo a
optimizar.
Ahora bien, no es el factor económico el único componente que define la
operabilidad de un proceso químico. En efecto, existen una serie de aspectos que
necesariamente deben ser contemplados, como por ejemplo, flexibilidad que se refiere
a la capacidad estructural y operativa del proceso para mantenerse funcionando con la
mejor performance cuando las condiciones operativas corresponden a un rango de
condiciones de diseño, o controlabilidad, confiabilidad, impacto ambiental, etc.
Consecuentemente, el problema a resolver es multi-objetivo (Takama y Umeda, 1980).
Estos problemas se caracterizan por no poseer una única solución. En efecto, se arriba
a un conjunto mínimo de soluciones no dominadas. Por lo tanto, decidir entre las
mismas, lleva implícito subjetivamente la preferencia del diseñador respecto de los
objetivos. Si bien todos los objetivos de diseño son importantes, merece destacarse que
el de impacto ambiental ha incrementado significativamente su importancia en las
últimas décadas. En el próximo ítem analizaremos en detalle algunos aspectos referidos
al impacto ambiental de un diseño:
I.1.1
PROTECCIÓN DEL MEDIAMBIENTE
Grandes inversiones han sido realizadas por las industrias del proceso químicas en los
últimos años, a fin de eliminar fuentes de polución. Esto ha aumentado los costos de
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fabricación qué, a su vez, se ha transmitido a los consumidores a través de los costos
de productos. Dado que a la mayoría de los productores de los países desarrollados se
les exige cumplir con las regulaciones medioambientales, se ha producido un aumento
considerable de los costos de los productos. Por otro lado, los productos provenientes
de otros países donde no se aplican regulaciones ambientales estrictas ingresan al
mercado a menor precio, y como consecuencia se ha perdido competitividad.
Este hecho ha generado una creciente presión de los países desarrollados para que se
generalice la aplicación de estrictas normas de control ambiental, en todos los países
productores de productos químicos. Por otra parte la creciente toma de conciencia de
las sociedades sobre la necesidad de preservar el ambiente de la contaminación
también ha generado presión sobre los productores y sobre las administraciones
gubernamentales. Como consecuencia de ello hoy en día se discuten en foros
internacionales la necesidad de uniformar y exigir la aplicación pareja de normas y
regulaciones sobre contaminación ambiental. Por un lado en lo concerniente a la
remoción de contaminantes en efluentes sólidos líquidos y gases y más recientemente
en la minimización de efluentes contaminantes a través de la generación de tecnologías
limpias. Es justamente este ultimo ítem el que esta estrechamente ligado a la síntesis y
diseño preliminar de procesos, ya que en esta instancia se toman las decisiones que
afectan casi al 80 % de los costos futuros de operación e inversión de las plantas de
proceso.
Se discuten a continuación algunos problemas medioambientales, estrechamente
relacionadas al diseño y operación de procesos químicos. Luego se analizan algunos
factores medioambientales que se deben tener en cuenta en el diseño de procesos.
Problemas Medioambientales
Al riesgo de excluir muchos aspectos claves de los problemas medioambientales, a
continuación se puntualizan aquellos que se considera estrechamente relacionados al
diseño y operación de procesos químicos.
Quemado de Combustibles Fósiles para Generación de Potencia y Transporte
Dado que los combustibles fósiles son las fuentes predominantes de potencia, sus
productos de combustión son una fuente primaria de diversos contaminantes, sobre
todo en los centros urbanos de naciones industrializadas. Más específicamente, los
efluentes gaseosos de los quemadores y chimeneas contienen concentraciones
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considerables de SO2, óxidos de nitrógeno (NOx), CO, CO2, hollín, ceniza, e
hidrocarburos no-quemados. Éstos, a su vez, producen muchos problemas
medioambientales, incluyendo la lluvia ácida (principalmente concentrada en H2SO4),
humo y nieblas (concentrados en NOx), la acumulación del llamado gas de invernadero
(CO2), compuestos tóxicos volátiles (por ejemplo, formaldehído, fenol), y gases
orgánicos (ej., CO), qué reacciona con NOx, sobre todo en los días calientes de verano,
alterando el nivel de O3. A medida que los impactos adversos de contaminantes en los
animales, vida de la planta, y humanos van descubriéndose por científicos e ingenieros,
se buscan los métodos para reducir significativamente sus niveles. En algunos casos,
esto se realiza por alguno de los diversos métodos, como separar las fuentes (por
ejemplo, compuestos de azufre) de hidrocarburos o combustibles; ajustando los
procesos de combustión (ej., reduciendo la temperatura y tiempo de residencia de la
llama para producir menos NOx); separando hollín, ceniza, y los compuestos nocivos
de los gases efluentes; reaccionando los gases efluentes en los convertidores
catalíticos; o a través del uso de algas para consumir (a través de la fotosíntesis) las
grandes cantidades de CO2 en gases efluentes (una técnica recientemente propuesta y
actualmente en estudio). Como regla del arte (heurístico), debe notarse que el costo de
limpiar los productos de la combustión es aproximadamente un orden de magnitud
menos del costo de eliminar contaminantes del combustible. Este es un heurístico
importante, sobre todo cuando diseñamos procesos que son consumidores intensivos
de energía, y requieren cantidades grandes de combustible.
Manejo de Residuos Tóxicos
En las industrias químicas y plantas nucleares de potencia, se producen cantidades
grandes de residuos tóxicos anualmente, principalmente en corrientes de agua
residuales o de desecho, que en 1988 sumaron el 97% del total de residuos producidos.
Mientras una porción pequeña se incinera (en el orden del 3% en los 80s), el volumen
principal, se deposita sobre o debajo de la tierra, con una variedad de métodos
introducidos durante el último siglo. Desde la década de los 1960s, muchos de los sitios
de entierro han puesto en peligro la salud de las personas que residen en los
alrededores, y mas grave aun, han contaminado las napas freáticas y sistemas de
suministro de agua de grandes regiones y hasta de países en su totalidad. Un ejemplo
de ello es la contaminación producida por la industria de materiales electrónicos en los
arroyos y napas del Silicon Valley en California EEUU.
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Esto nos muestra la necesidad de prever desde su concepción, procesos que no
contaminen, o en su defecto dotarlos de las instalaciones necesarias para el tratamiento
de sus efluentes tóxicos, particularmente aquellos líquidos que se vuelcan en arroyos y
cursos de agua..
Químicos Bio-acumulados
Probablemente los casos mas conocidos de químicos bio-acumulados, que se han
descubierto en la tierra y en las plantas los insecticidas como el DDT (1,1 bis clorofenil
(4- 2,2,2 tricloroetano; (C16 H9 Cl5) y los solventes PCBs (bifenilos policlorados). El
DDT se roció en grandes cantidades utilizando aviones que volaban a baja altura para
matar insectos y pestes a lo largo de los años cincuenta. Desgraciadamente, aunque
eficaz por proteger cosechas, bosques, y la vida de las plantas, sus efectos tóxicos en
los pájaros, los animales, y humanos era considerable. Debido a ello, fueron prohibidos
por la EPA (EEUU) en 1972. Su efecto, sin embargo, permanecerá durante algún
tiempo debido a su bio-acumulación en la tierra y en las plantas.
Minerales y Metales Tóxicos
En esta categoría, los cambios mayores han tenido lugar desde la década de 1960,
como respuesta al descubrimiento de los efectos tóxicos de plomo, mercurio, cadmio, y
asbesto en los animales y humanos. Después del envenenamiento por plomo
(acompañado por daño cerebral, desfiguración, y parálisis) se relacionó la ingestión de
este metal por niños, con las pinturas basadas en compuestos de plomo (sobre todo en
edificios más viejos que no se mantienen bien), Como consecuencia de ello, la EPA
prohibió dicho metal en las pinturas así como en los combustibles. En el combustible,
tetraetil-plomo se había usado como un elevador de octano a lo largo del mundo. Se
reemplazó como consecuencia por el metil-terbutil-éter (MTBE), que también debería
reemplazarse debido a informes que dan cuenta de su potencial peligrosidad para
contaminar las napas subterráneas de agua. El Mercurio, que ha sido el soporte
principal de manómetros en los laboratorios de todo el mundo, también ha mostrado ser
sumamente tóxico. con efectos desastrosos sobre la salud debido a exposición
accidental. Periódicamente son informados en distintos foros casos de envenenamiento
por este metal. En el caso del asbesto, sus efectos tóxicos han sido conocidos desde la
década del 40, y aún hoy sigue siendo una preocupación en todos los edificios
construidos antes. Gradualmente, cuando estos edificios van renovándose, las
planchas de aislamiento de amianto están siendo reemplazadas por materiales no
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tóxicos. Aquí también, las causas más frecuentes de envenenamiento por asbesto son
a menudo asociadas con los edificios más viejos que no se han mantenido
adecuadamente.
En resumen
En la medida que los efectos adversos de éstos y otros químicos se entiende mejor, los
ingenieros químicos están siendo inducidos u obligados a satisfacer regulaciones
medioambientales más estrictas. En muchos casos, estas regulaciones se imponen
incluso antes de estar seguros de los efectos tóxicos, hasta que existan datos
suficientes que confirmen su toxicidad. Por estas razones, las compañías químicas
están reexaminando sus procesos existentes cuidadosamente y están evaluando si las
plantas a implementar a futuro, son no contaminantes, o al menos cumplen con la
regulaciones existentes.
FACTORES MEDIOAMBIENTALES EN EL DISEÑO DE PROCESOS
La necesidad de mejorar (retrofitting) las plantas existentes y diseñar nuevos procesos
ambientalmente benignos, ha exigido a los ingenieros químicos un esfuerzo adicional
en las tareas de diseño a fin de tener en cuenta los diversos factores ambientales que
se deben tener en cuenta en el diseño y mejoramiento de procesos químicos. A
continuación discutimos algunos de ellos:
Nuevos caminos de reacción para reducir la toxicidad de sub-productos
La selección de nuevos caminos de reacción para reducir la toxicidad de los productos y
subproductos, es una consideración importante cuando un equipo de diseño de
procesos aborda nuevos diseños o intenta mejorar los existentes, particularmente
durante la fase preliminar de síntesis, que es cuando se definen las reacciones posibles
para producir productos a partir de materias primas disponibles. Dado que los caminos
de reacción son determinados en general por químicos y bioquímico en el laboratorio,
sin demasiado énfasis en la toxicidad de productos y subproductos, es generalmente
necesario realizar evaluaciones y consultas al respecto, antes de adoptar decisiones.
Para este propósito, las compañías tienen laboratorios de toxicidad y, en muchos casos,
almacenados grandes volúmenes de datos de toxicidad de compuestos. Una fuente útil,
sobre todo para los estudiantes en las universidades, es la Guía de Bolsillo de Riesgos
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Químicos del Instituto Nacional para la Seguridad y Salud Profesional (NIOSH, 1987).
Obviamente, cuando se sospecha la presencia de cantidades grandes de químicos
tóxicos, deben buscarse otros caminos de la reacción; cuando éstos no pueden
encontrarse, se rechazan los diseños propuestos, excepto bajo determinadas
circunstancias que rara vez se justifican.
Reducción y Re-uso de Residuos
Las preocupaciones medioambientales han conducido a los ingenieros químicos a
poner aun mayor énfasis en reciclar, no sólo los compuestos químicos no reaccionados,
sino que también productos y subproductos. De esta manera, los diseñadores
normalmente prevén los ciclos de vida de sus productos y subproductos, prestando
especial atención al mercado de los desechos, para así seleccionar la calidad apropiada
de los mismos. Visto de otra forma, el diseñador ve la planta propuesta como productor
potencial de residuos, e intenta asegurar que habrá un mercado para los químicos
producidos después de que su vida útil haya terminado. Esta es una consideración
principal en la producción de materiales compuestos y polímeros. Al respecto, es
importante planear la producción de los residuos en forma segregada de acuerdo a las
demandas del mercado de desechos, de esta forma se evita el sobre mezclado de
desechos y la necesidad de aislarlos posteriormente.
Evitar Eventos no Previstos en las Plantas
Para reducir las posibilidades de accidentes y derramamientos, con su consecuente
impacto medioambiental adverso, a menudo se diseñan los procesos tratando de
reducir el número de estados transitorios de operación, periodos de limpieza, y ciclos de
regeneración de catalizador. En otros términos, el énfasis está en diseñar un proceso a
que sea fácilmente controlable alrededor de un estado estacionario nominal, con
controladores confiables y sensores de detección de fallas eficaces.
Caracterización de Materiales
A menudo, los desechos químicos están presentes en cantidades pequeñas en los
efluentes gaseosos o líquidos. Para mantener concentraciones bajas de tales químicos,
debajo de los límites de las regulaciones ambientales, es importante usar métodos
eficaces y rápidos por medir o deducir sus concentraciones a partir de otras mediciones.
Al respecto es importante que el diseñador conozca los efectos tóxicos de las
sustancias en todo el rango de dilución, dado que sus efectos nocivos pueden variar
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significativamente con la dilución. Otra consideración importante es tratar de diseñar
plantas que usen materias primas desecho de otras planta. Cuando ello es posible, es
vital conocer las características y concentraciones de las materias primas - desechos
disponibles.
Objetivos de Diseño, Restricciones, y Optimización
Normalmente los objetivos ambientales no son bien definidos, debido a que los
objetivos económicos del diseño generalmente involucran alguna medida de
rentabilidad, y la polución por lo general es difícil de cuantificar en términos económicos.
Como consecuencia de ello, el diseñador a menudo formula funciones objetivos mixtas
o multi-objetivos que intentan expresar las mejoras ambientales en términos financieros.
En otros casos, el diseñador puede conformarse con la optimización de una función
objetivo económica, sujeta a los límites en las concentraciones de solutos
contaminantes en las corrientes de desechos. Es importante evaluar si las restricciones
son estrictas (no permiten ser violadas) o flexibles (capaces de ser violadas bajo
circunstancias excepcionales). Debe ponerse el énfasis en la formulación de cada
restricción y hasta que punto deben ser respetadas.
Regulaciones
Como hemos mencionado previamente, algunas regulaciones ambientales pueden
tratarse como restricciones a ser satisfechas durante la operación del proceso que esta
siendo diseñado. Normalmente cuando se desarrolla un modelo matemático del
proceso bajo diseño, el diseñador debe constatar que las condiciones de operación que
esta fijando satisfacen las restricciones mencionadas. Por otra parte, una vez definida la
función objetivo deben ajustarse las variables de diseño a fin de obtener valores
máximos o mínimos de la función objetivo, mientras se satisfacen las restricciones.
Otras regulaciones, sin embargo, son más difíciles de cuantificar. Éstos generalmente
involucran las expectativas del público y la posible repercusión negativa debido a que
perciben a la planta como una fuente de polución. De igual forma, suelen existir también
regulaciones referidas a la posible localización de las plantas químicas en zonas
alejadas de los centros urbanos, y que muchas veces ocasionan serios trastornos a las
empresas. Para evitar esto por lo general las empresas ponen fuerte énfasis en cumplir
estrictamente con las regulaciones ambientales y mantienen muy buenos registros de
seguridad, a fin de ganar la confianza de la comunidad.
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Costos Intangibles
De igual forma que las regulaciones impuestas por los gobiernos locales, algunos de los
efectos económicos de decisiones de diseño relacionados al ambiente, son muy difíciles
cuantificar. Éstos incluyen el costo de responsabilidad civil y penal cuando una planta se
encuentra incumpliendo las regulaciones, y en consecuencia, costas legales, pérdidas
de la confianza pública, y retrasos ocasionados por la acción de grupos ambientalistas.
Normalmente, estos costos no pueden estimarse confiablemente por un equipo de
diseño, y por lo tanto no pueden incluirse como parte de una función objetivo en un
estudio de optimización. Más bien, los diseñadores se concentran en asegurar que las
regulaciones se satisfagan, evitando así las cargas legales, pérdidas de confianza
pública, y las complicaciones asociadas con las demostraciones públicas de grupos
ambientalistas.
Propiedades de Efluentes Diluidos
La mayoría de los contaminantes en los efluentes y corrientes de purga de las plantas
químicas están presentes en concentraciones diluidas. Además, dado que las
regulaciones a menudo requieren que sus concentraciones se mantengan por debajo
de las partes por millón o partes por billón, se necesitan métodos de análisis confiables
y rápidos para asegurar que las regulaciones sean satisfechas. Más allá de esto, es a
menudo importante entender el impacto de la concentración por ejemplo en las cinética
de estas especies en el ambiente, por ejemplo la velocidad de reacción química de
especies orgánicas, como el CO, con el NOx en la atmósfera para producir 03, y la
velocidad de reacción con que se forman otros subproductos. Con este conocimiento,
una compañía puede ayudar a las agencias gubernamentales de regulación a definir
más científicamente los límites de concentración y, en algunos casos, llegar a límites
que sean menos restrictivos. Ello redunda a la larga, en beneficios de costo para las
compañías, y de precios mas bajos para los consumidores.
Propiedades de Electrólitos
Muchas corrientes acuosas contienen compuestos inorgánicos que disocian
produciendo especies iónicas, incluyendo ácidos, bases, y sales, a menudo en
concentraciones diluidas. Estas soluciones electrolíticas normalmente aparecen en la
fabricación de químicos inorgánicos (por ejemplo, Na2C03), en solventes usados en la
industria de pulpa y papel, en los residuos acuosos asociados a la industria electrónica
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(por ej. componentes de silicio, circuitos integrados, películas fotovoltaicas), y en
muchas otras industrias. Los electrolitos fuertes disocian dando especies iónicas cuyas
interacciones con el agua y las moléculas orgánicas son cruciales para entender el
estado de una mezcla, esto es, las fases presentan (vapor, agua, líquido orgánico,
sólidos precipitado, etc.) a una temperatura y presión dada.
A tal efecto, cuando se diseñan procesos que involucran electrolitos, es conveniente
incluir en las bases de datos de diseño las propiedades fisicoquímicas y de transporte
de las especies iónicas. Por lo general dichas propiedades pueden estimarse usando
las bases de datos y correlaciones que poseen los simuladores de proceso (Aspen,
Hysys, etc.)
MODELADO MATEMÁTICO DEL PROBLEMA
Una característica muy importante a tener en cuenta respecto de la función objetivo a
plantear en la tarea de diseño, refiere a su facilidad de ser representada (o modelada)
matemáticamente. En efecto, si bien existen objetivos expresables como funciones
matemáticas (ya sean continuas, discontinuas o discretas), existen aquellos que no
pueden ser representados bajo esta perspectiva.
Dentro de este contexto, el problema completo, si es que puede formalizarse, podría ser
formulado desde el punto de vista de la programación matemática como uno de
optimización múltiple objetivo.
Optimice {f 1 (x), f 2 (x), ....... , f N (x)}
Sujeto a:
(1)
h(x) = 0
g(x) > 0
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Las funciones f1 (x), f2 (x), ....... , fN (x) representan las N funciones objetivos a optimizar
(minimizar o maximizar). Las funciones h(x) expresan generalmente, las restricciones
correspondientes a los balances de materia y energía, mientras que las restricciones
g(x) expresan zonas de operación factible, por ejemplo composiciones positivas,
temperaturas positivas, restricciones propias del proceso, etc. El vector x comprende
variables o parámetros de operación y variables estructurales. Una simplificación que se
suele adoptar consiste en expresar todos los objetivos en una "única medida", que
generalmente es económica. Obviamente, este enfoque, además de ser una
simplificación, no siempre es posible. Por ultimo, aun con una única función objetivo, se
deben resolver aún los otros problemas, por ejemplo, cómo manejar la variable
estructural.
En este contexto, debe encontrarse una metodología adecuada para resolver el
problema matemático resultante. Por ejemplo, uno de los métodos propuestos para
manejar las interrelaciones que vinculan los equipos entre sí y considerar las variables
estructurales consiste en utilizar variables enteras (ceros y unos). Es decir que para
considerar simultáneamente las variables estructurales (enteras) y las variables
operativas (reales), se acude a la programación matemática mixta (Grossmann, 1985).
Por otra parte, las funciones que describen los procesos químicos son por lo general
fuertemente no lineales, por lo cual el programa matemático asociado, es obviamente
no lineal. Otra característica, no menos compleja, asociada al vector de variables que
debe considerarse en el modelado matemático del sistema, es el hecho que varias
variables pueden tener un comportamiento aleatorio. Esto es, debido a características
inherentes al proceso, factores climáticos o de mercado, etc., las variables de operación
no tienen valores únicos y/o fijos sino que pueden fluctuar en torno a un valor estable,
normal o nominal, admitiendo cualquier valor comprendido en un determinado rango de
incertidumbre. Un ejemplo de esta problemática en la formulación de los problemas de
síntesis de redes de intercambio calórico flexibles y de trenes de destilación integrados
flexibles, puede verse en Galli (1990) y Benz (1991), respectivamente.
Resulta redundante en este punto, afirmar que en el estado del arte actual, el
problema de diseño planteado previamente (esto es, optimización multi-objetivo
no lineal, con variables de decisión tanto continuas como discretas, variables
estructurales, variables aleatorias, funciones no lineales y funciones difícilmente
expresables matemáticamente), resulta de solución prácticamente imposible.
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Han sido muchos los intentos de resolver, aunque sea parcialmente, el problema global.
Sin embargo, todos los métodos propuestos son solo efectivos para casos de muy
pequeña dimensión.
Para las funciones no expresables matemáticamente, así como para el tratamiento de
la incertidumbre que involucra la toma de decisiones en áreas subjetivas por parte del
diseñador, se están consolidando las herramientas que se basan en el concepto de
inteligencia artificial y sistemas expertos. Sin embargo, si bien se ha avanzado
enormemente, las herramientas mas recientes solo cubren aspectos parciales en la
tarea de diseño, y no la problemática global en forma unificada.
I. 2 ETAPAS EN LA TAREA DE DISEÑO DE UN PROCESO
Para modelar un problema complejo como el descrito, que no es posible resolver
basándose en una herramienta o algoritmo matemático que involucre todos los
aspectos a considerar en forma simultanea, resulta lógico recurrir a la metodología
desarrollada en el campo de la teoría general de sistemas (Umeda 1982). En efecto,
dada la elevada magnitud y complejidad del problema que nos ocupa, es muy útil
adoptar la estrategia de subdividirlo en sub-problemas que sean factibles de ser
abordados y, a partir de las soluciones parciales generadas, encontrar la solución al
problema global.
Dentro de este contexto, las etapas secuenciales aconsejadas para realizar la
tarea de diseño, comprenden: (1) la definición del problema, (2) el establecimiento
de la función objetivo, es decir, la determinación de los criterios en función de los
cuales deben seleccionarse alternativas, (3) la síntesis del sistema propiamente
dicha, que implica la génesis del conjunto de alternativas estructurales posibles,
y por último, (4) la reducción del espacio de alternativas, seleccionando aquellas
que cumplan en forma óptima con las especificaciones establecidas. En
consecuencia, la etapa de síntesis en el diseño del proceso es el paso creativo que
implica la determinación y generación del conjunto de alternativas estructurales
posibles capaces de cumplir con los objetivos especificados. Queda claro que la
síntesis de un proceso involucra decisiones en dos espacios distintos:
♦
el espacio de las diferentes alternativas estructurales, definidas por la topología y
la naturaleza de las interacciones entre las unidades;
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♦
el espacio de los diseños alternativos para cada una de las unidades de
operación que componen el sistema.
En contraste con la etapa de síntesis, la etapa de análisis o simulación implica la
investigación de las características de cada alternativa generada, por ejemplo, mediante
la evaluación de las variables de salida, conociendo las características del sistema y las
variables de entrada. Por lo general se utilizan reglas heurísticas con las cuales es
posible reducir el numero de estructuras generadas en la etapa de síntesis. La tarea de
optimización se plantea generalmente en la etapa de análisis, y permite seleccionar el
mejor sistema entre las alternativas posibles. Por lo general, la optimización del sistema
en el primer espacio de decisiones se formula como un problema de programación
entera mientras la optimización en el segundo espacio resulta en un problema de
programación continua, no-lineal. La naturaleza mixta entero-real del problema de
optimización, su no-linealidad y su alta dimensionalidad, crea un problema
matemático difícilmente superable.
En forma esquemática podemos representar el proceso como una Caja Negra y
definir el concepto de Síntesis y Análisis ó Simulación:
Salidas Conocidas o
Deseadas
Entradas Conocidas
PROCESO ¿?
SINTESIS
Entradas Conocidas
Salidas Desconocidas
PROCESO
CONOCIDO
ANALISIS
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Dentro de este contexto, se comprende que el núcleo central de la tarea de diseño en la
Ingenieria de procesos, de acuerdo a la visión de la descomposición del problema
global en sub-problemas o etapas independientes, esta constituido por el lazo iterativo
SÍNTESIS ANÁLISIS EVALUACIÓN - OPTIMIZACIÓN. Consecuentemente, no resulta
extraño desde una perspectiva histórica, la aparición cronológica de procedimientos o
algoritmos para implementarlas, en general como instrumentos independientes. No
obstante, aun hoy (y en el futuro a mediano plazo), el alcance de las herramientas o
metodologías de implementación masiva propuestas resulta parcial. En efecto, no existe
posibilidad practica de implementar una herramienta efectiva o algoritmo de calculo, o
procedimiento secuencial, que contemple simultáneamente todas las etapas y variables
que deben necesariamente ser tenidas en cuenta. Esto podrá revertirse en un futuro,
pero dada la complejidad del problema, todavía habrá de dedicarse mucho esfuerzo de
investigación al respecto y muy probablemente deberá esperarse bastante tiempo para
lograrlo.
Debido a la elevada dimensión de los problemas asociados a la tarea de diseño, su
elevado índice combinatorio y la gran cantidad de información que debe manejarse, la
única herramienta viable para tal fin resultan ser los métodos computacionales.
La etapa de análisis o simulación fue la primera en desarrollarse y manifestarse bajo
esta óptica. En efecto, en la década del 70 comienza a consolidarse una línea de
investigación que abarca los métodos computacionales en la Ingenieria química; en
particular la simulación de procesos por computadora o process flowsheeting, como una
parte de una actividad mas general, la actividad del diseño de procesos asistido por
computadora (Computer Aided Design CAD). En forma similar, con respecto a la etapa
de síntesis, los conceptos utilizados para la construcción de algoritmos se nutren de los
mas variados campos del conocimiento. Programación mixta, álgebra booleana,
termodinámica, computación, sistemas expertos, etc., son algunos de los basamentos
conceptuales que dieron sustento teórico a los diversos algoritmos propuestos para la
generación de estructuras y la selección de la óptima.
Complementando la idea expuesta mas arriba, además de no existir una herramienta
computacional (programa o algoritmo) capaz de resolver el problema del ciclo completo
de actividades en la tarea de diseño, debido a la gran variedad de alternativas que
deben contemplarse, tampoco existe algoritmo efectivo para la síntesis de procesos
genéricos completos. A medida que se simplifica (particiona) el problema, es decir, se
adoptan subsistemas del complejo a diseñar, los algoritmos propuestos se caracterizan
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por su mayor contenido formal y su robustez. Tal es el caso de la síntesis de trenes de
destilación, con o sin integración energética, sistemas de control, redes de intercambio
calórico, caminos de reacción, etc. Sobre estos métodos existe numerosa bibliografía,
pudiéndose citar como revisiones relevantes los siguientes trabajos: Hendry y col.
(1973), Hlavacek (1978), Nishida y col. (1981),Westerberg (1980), entre otros.
Para ejemplificar el problema, supongamos un proceso genérico que contempla una
etapa de reacción a la cual ingresan dos corrientes que contienen los reactivos, y como
producto se obtiene una corriente liquida. Como se indica en la Figura (I.1), los reactivos
no reaccionados, al igual que los productos colaterales o secundarios deben ser
separados de los productos finales. Además, por razones de economía, los reactivos no
reaccionados se reciclan al sistema, ya que la conversión no es muy elevada y la
reacción, que es exotérmica, esta limitada por equilibrio. Dado que los productos deben
enfriarse a temperatura ambiente, existe la necesidad de establecer un intercambio
calórico para lograr tal objetivo. Con el objeto de recuperar energía, se utilizan las
corrientes de productos para precalentar las corrientes que ingresan al reactor. En la
Figura (I 1) se esquematizan las secciones genéricas del proceso, tales como el bloque
o sección de reacción, el de separación, el de intercambio calórico (representado por los
diversos intercambiadores indicados), etc. Este problema es el típico caso con el cual se
ejemplifica la necesidad de optimizar una relación de reciclo, ya que los tamaños
relativos de los equipos en las diversas secciones, además de la conversión alcanzada
y la extensión de las reacciones no deseables o secundarias, son función del mismo.
Dentro de este contexto, plantearse la síntesis del proceso completo implica la
generación de las alternativas estructurales correspondientes a todos los bloques
especificados. Mas aún, se puede plantear edemas la posibilidad de nuevas materias
primas, nuevos caminos de reacción, otras temperaturas o presiones de operación para
minimizar reacciones secundarias, etc. Como se desprende y merece remarcarse, el
espacio de alternativas a explorar es sumamente extenso, aun para un problema
sencillo como el planteado.
Si se particiona el problema global en sub-problemas, se puede plantear la síntesis del
sistema de reacción, la del sistema de separación, la del sistema de intercambio
calórico, y la de otros subsistemas en forma separada del resto. Este es el único
enfoque factible hasta el presente al enfrentar un proceso genérico, y en la próxima
sección se discutirán someramente algunos aspectos característicos.
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Figura I.1
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