UTN - Universidad Tecnológica Nacional

Universidad Tecnológica Nacional
Facultad Regional Rosario
Área de Postgrado y Educación Continua
Curso: Modelado, Simulación y
Diseño de Procesos Químicos
Examen Final
Aplicación del Modelado, Simulación y Diseño de Procesos Químicos
Aplicados a una planta completa
7 de Julio
Rosario - MMVIII
Problema:
Un grupo de ingeniería de una empresa química ha recibido una solicitud, que
involucra el diseño de un reactor para la producción de una mezcla liquida, necesaria para
uno de los procesos de la planta. Dada la continua interrupción de la provisión, se ha
decidido producir en planta dicha mezcla.
Luego de una investigación a nivel laboratorio, que exploró diversos caminos de
reacción, se concluyó que la misma puede producirse convenientemente a través de la
siguiente reacción:
A+ B ↔ C
C ↔ D+E
La diferencia de volatilidades relativas entre los reactantes y los productos es
importante, por lo que con un simple equipo flash podría llevarse a cabo la separación
deseada, para reciclar los reactivos no consumidos.
Flowsheet base
El grupo propone un diseño básico, que consiste en el de la figura. Se ha realizado
la simulación del mismo, tanto en estado estacionario como dinámico, a los efectos de
evaluar el consumo de vapor y de agua de enfriamiento, y en esta etapa, los costos
preliminares son solo tenidos en cuenta a través de reglas muy sencillas, tales como
volúmenes de tanques y recipientes, áreas de intercambio, etc, despreciando el costo de
bombeo.
1
Examinado por la gerencia el proyecto, no sufre demasiadas objeciones, y la
principal, es el llamado de atención acerca de la falta de agua de enfriamiento disponible,
ya que otros procesos se han expandido, y hasta una nueva expansión del sistema de
provisión, el agua está muy limitada. Es por eso que se le requiere al grupo un nuevo diseño,
aún cando sea más costoso, para minimizar el consumo de agua de enfriamiento, en lo
posible.
En primer lugar se solicita la confección del modelo y la simulación de la planta en
su versión base (tal como se aprecia en la figura) de acuerdo a la filosofía modular
secuencial.
Luego proponga a través de un método de síntesis de redes de intercambio calórico,
y a través de los heurísticos que crea conveniente, una modificación al diseño base, tal que
implique una nueva estructura que minimice el consumo de agua de enfriamiento. Analice
qué sucede con el consumo de vapor y las principales variables que inciden en el costo.
Confeccione una tabla de resumen en la que se comparen ambas alternativas.
Para ello se deberán determinar el volumen total (tanque, + reactor/es +
separador/es) y el área total (área de intercambio en reactor/es + enfriamiento +
calentamiento). Esto daría una idea del costo fijo total.
Considerar además consumo de vapor y agua de enfriamiento.
Comentarios:
1- El tanque es necesario para tener un pulmón en la planta
2- El calentamiento de la alimentación del reactor es necesario para activar la
reacción. Si se realiza una simulación dinámica comprobará esto.
3- El enfriamiento al reciclo que va al tanque es necesario para evitar la reacción en
el tanque (la temperatura en el mismo no debe superar los 45 ºC).
4- El reciclo directo al reactor se elimina como opción por razones de seguridad.
5- La presión en el flash puede alcanzar hasta las 2 atm. No es conveniente el vacío
(equipo existente). Por lo tanto, la presión en el equipo podría variar entre 1 y 2
atm. Note que al cambiar la presión de operación varían los caudales que salen
del flash y las composiciones. También lo hace la temperatura, por lo cual se
vincula este hecho a la posibilidad de integración térmica en el problema de
síntesis. En otras palabras, si bien en los problemas de síntesis de intercambio
térmico las temperaturas son datos, dado el acoplamiento al sistema de
separación, estas varían si se modifica la presión del flash.
6- La corriente V2 debe tener una temperatura meno o igual que 40 ºC. El caudal
no debe ser menor que 10.000 [Kg/h] y la composición de reactantes (A+B) no
debe superar 0,01 en fracción molar.
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Datos
La corriente FA contiene al componente A puro. Se encuentra a 1 atm de presión y
15 ºC de temperatura con un caudal másico de 6000 Kg/h.
La corriente FB contiene al componente B puro. Se encuentra a 1 atm de presión y 15 ºC de
temperatura con un caudal másico de 4000 Kg/h.
El servicio de agua de enfriamiento está provisto a 25 ºC y su Cp es 4,20205 [KJ/Kg
ºC] y se asume independiente de la temperatura.
El servicio de calefacción se suministra a 2 Kg/cm2 de presión absoluta y solo se
aprovecha su calor latente: 39673,8176 [KJ/Kgmol]= 2202,25 [Kj/Kg].
La mezcla puede suponerse de comportamiento ideal
Tanque pulmón TK1:
Geometría
Altura/Diámetro
Volumen ocupado
Presión de operación
Tiempo de residencia
Tanque de almacenamiento
Cilíndrico de base circular
1,5
70
1
30
adim
[%]
[atm]
[min]
Reactor CSTR-1:
Puede aproximarse como mezcla perfecta, de dimensiones:
Tipo
Geometría
Altura
Diámetro
Volumen Total
Volumen ocupado
Refrigeración
Presión de operación
UA
Flujo
Temperatura de Entrada
Reactor
Continuo, agitado de mezcla completa
Cilíndrico de base circular
2,716
1,811
7,000
50
Agua de enfriamiento en camisa
3
760618
Agua de Enfriamiento AE-1
120171
298
[m]
[m]
[m3]
[%]
[atm]
[KJ/h ºK]
[Kg/h]
[ºK]
3
Flash FL-1:
El equipo flash utilizado es adiabático (se desprecia el intercambio de calor con el
medio ambiente)
Condiciones de operación y dimensiones:
Separador de fases LV (Flash)
Tipo
Separador Liquido-Vapor ideal
Intercambio térmico
Adiabático
Tiempo de residencia
5
Volumen cuerpo liquido
30
Geometría
Cilíndrico de base circular
Relación Altura/diámetro
1,5
Presión de Operación
1-2
[min]
[%]
[adim]
[atm]
Bombas BC-1 y BC-2:
Los equipos de bombeo pueden aproximarse según las siguientes curvas (se
desprecia la pérdida de carga a través de las cañerías, y las alturas e líquido en los
recipientes, solo se tiene en cuenta las presiones de carga y descarga para su cálculo)
4
Modelo
Correlación
B1
∆P = -1,400 *10 * Q 2 + 1,000 *10 −4 * Q + 2,5
B2
∆P = -1,500 *10 -5 * Q 2 + 1,000 *10 −4 * Q + 3,0
B3
∆P = -1,600 *10 -5 * Q 2 + 1,000 *10 −4 * Q + 3,5
B4
∆P = -1,700 *10 -5 * Q 2 + 1,000 *10 −4 * Q + 4,0
B5
∆P = -1,800 *10 -5 * Q 2 + 1,000 *10 −4 * Q + 4,5
-5
Precalentador de Alimentación IC-1:
Tipo
Disposición de las corrientes
UA
Presión absoluta
Flujo
Intercambiador
Tubos y Coraza
Contracorriente
372008
[KJ/h ºK]
Vapor de calefacción
2
5815
[Kg/cm2]
[Kg/h]
Intercambiador
Tubos y Coraza
Contracorriente
240792
40
[KJ/h ºK]
[ºC]
Agua de Enfriamiento AE-2
298
162300
[atm]
[Kg/h]
Condensador IE-1:
Tipo
Disposición de las corrientes
UA
Temperatura
Temperatura de Entrada
Flujo
5
Enfriador de Reciclo IE-2:
Intercambiador
Tubos y Coraza
Contracorriente
373919
[KJ/h ºK]
Agua de Enfriamiento AE-2
298
285241
[atm]
[Kg/h]
Tipo
Disposición de las corrientes
UA
Temperatura de Entrada
Flujo
Los componentes hipotéticos tienen las siguientes propiedades fisicoquímicas:
Peso Molecular:
Componente
A
B
C
D
E
Peso Molecular
60
40
100
30
70
Punto de Ebullición:
Componente
A
B
C
D
E
Punto de Ebullición [ºC]
200
150
180
50
60
Densidad (constante con la temperatura):
Componente
A
B
C
D
E
Densidad
[Kg/m3]
600
400
100
400
700
6
Presión de vapor:
Ecuación de Antoine:
ln (Pv ) = a +
b
+ d * ln (T ) + e * T f
(T + c )
Pv = [KPa]
T = [ºK]
param↓Comp→
a
b
c
d
e
f
A
76,63
-9337
0
-8,498
5,63E-18
6
B
65,26
-7633
0
-7,052
7,94E-18
6
C
72,01
-8632
0
-7,913
6,44E-18
6
A
6311,32
3,63841
B
3457,50
5,61093
C
177,09091
18,95683
B
5504,5
1,495
3,97E-03
-1,04E-06
C
1564,67
12,38
8,68E-03
-1,04E-06
D
46,78
-4910
0
-4,671
2,03E-17
6
E
49,05
-5214
0
-4,959
1,78E-17
6
D
5457,80
1,91452
E
1880,54
2,30567
Entalpías másicas:
Líquido:
H = a + b *T
T = [ºK] [273 Hasta PB]
H = [KJ/Kg]
param↓Comp→
a
b
Vapor:
H = a + b *T + c *T 2 + d *T 3
T = [ºK] [PB hasta 573 ºC]
H = [KJ/Kg]
param↓Comp→
a
b
c
d
A
7933,79
0,5134
2,78E-03
-6,35E-07
D
7110
-1,196
2,62E-03
-4,88E-07
E
2733,44286
0,07233
2,83E-03
-6,77E-07
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Datos de reacción
A+ B ↔ C
C ↔ D+E
rA = A1 * e
rC = A2 * e
Parámetro
A1
A’1
E1
E’1
A2
A’2
E2
E’2
 E1 
−

 R *T 
 E2 
−

 R *T 
* C A * C B − A1' * e
* CC − A2' * e
Valor
4,80555*1012
1,60185*1012
58150
69780
4,80555*1012
1,60185*1012
69780
69780
 E1' 

−
 R *T 


 E '2 

−
 R *T 


* CC
* CD * CD
Unidad
[Kgmol/m3 h]
[Kgmol/m3 h]
[KJ/Kgmol]
[KJ/Kgmol]
[Kgmol/m3 h]
[Kgmol/m3 h]
[KJ/Kgmol]
[KJ/Kgmol]
Donde las concentraciones son: [Kgmol/m3] y los calores de formación están
incluidos en las correlaciones de entalpías. Las velocidades de reacción están expresadas en
[Kgmol/h m3]
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