UNIDAD TEMATICA III SINTESIS DE PROCESOS La síntesis es la

UNIDAD TEMATICA III
SINTESIS DE PROCESOS
La síntesis es la etapa del diseño de procesos químicos que comprende la
generación de estructuras alternativas técnicamente factibles, que satisfagan
objetivos previamente establecidos. Esta tarea involucra la selección de la secuencia
óptima de las operaciones de un proceso (Flowsheet), que permita la transformación
de materias primas en productos.
La síntesis puede ser definida de diversas formas una de ellas es: la tarea de
invención de la estructura y de determinación de las condiciones operativas de
un proceso (Rudd, 1968).
MÉTODO DE SINTESIS JERARQUICA (DOUGLAS, 1988)
La síntesis de procesos es una actividad extremadamente importante en el diseño
de procesos, en la que el equipo de diseño (grupo de profesionales seleccionados
por sus conocimientos y experiencia) debe encontrar la mejor configuración del
proceso, de forma tal que satisfaga los objetivos pre-establecidos. Se han
desarrollado diferentes metodologías para la generación de alternativas de proceso,
una de ellas es el Método de Síntesis Jerárquica propuesto por Douglas.
El autor parte de la concepción de que los problemas de diseño se resuelven
abordando primero soluciones simples e introduciendo posteriormente, sucesivos
niveles de detalle. De este modo, propuso un procedimiento sistemático que incluye
un conjunto de niveles, estructurados de acuerdo a una jerarquía de decisiones.
Los niveles son clasificados de acuerdo al siguiente orden de decisiones de proceso:
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nivel 1
BATCH vs CONTINUO
nivel 2
ESTRUCTURA ENTRADA-SALIDA
nivel 3
ESTRUCTURA DE RECICLO
nivel 4
ESTRUCTURA DEL SISTEMA DE SEPARACION
nivel 5
REDES DE INTERCAMBIO CALORICO
Figura 2: Estructura de Niveles en el Esquema de Síntesis Jerárquica
En esta estructura jerárquica, como puede observarse, en el nivel 5 se obtiene el
flowsheet del proceso integrado energéticamente. Si se asciende en el diagrama, los
niveles contienen menor grado de detalles, en forma sucesiva.
Ventajas del método:
•
Permite el cálculo del tamaño de los equipos y la estimación de sus costos a
medida que se pasa a través de los distintos niveles de jerarquía.
•
Si la rentabilidad del proceso se hace negativa en algún nivel, se puede buscar
un proceso alternativo o dar por terminado el proyecto de diseño sin tener que
obtener la solución completa al problema.
•
Como se toman decisiones sobre la estructura de flowsheet en distintos niveles,
se pueden generar distintas alternativas de proceso, al cambiar las mismas.
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INFORMACIÓN DE ENTRADA
Generalmente el problema de diseño está sub-definido en sus orígenes y a menudo está
basado en una cantidad de información mínima, que constituye el punto de partida para
la tarea de diseño preliminar.
La información que está normalmente disponible en las etapas iniciales de un problema
de diseño es la que se muestra en la Tabla IV-1.
Tabla IV-1. Información de entrada
1. Las reacciones y condiciones de reacción
2. Información sobre la velocidad de reacción y la velocidad
de desactivación del catalizador
3. La velocidad de producción deseada
4. La pureza deseada del producto o alguna información
sobre precio vs. pureza
5. Las materias primas y/o alguna información sobre precio
vs. pureza
6. Cualquier restricción de procesamiento
7. Otros datos sobre el sitio y la planta
8. Propiedades físicas de todos los componentes
9. Información sobre seguridad, toxicidad e impacto
ambiental de los materiales involucrados en el proceso
10. Datos de costos de subproductos, equipamiento y
servicios
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1- Información sobre el sistema reaccionante
La información sobre el sistema reaccionante que es necesario conocer para
afrontar el problema de diseño se muestra en la Tabla IV-2. En muchos casos, los
datos básicos pueden obtenerse de la literatura de patentes, tales como reacciones
primarias, rangos de temperatura y presión, catalizador y rendimiento máximo. La
información restante se obtiene a partir del trabajo estrecho con químicos
especialistas. Es necesario considerar todas las reacciones secundarias que
pudieran tener lugar, ya que cantidades ínfimas de subproducto en una corrida de
laboratorio pueden llegar a niveles asombrosos en un reciclo industrial. Esto puede
conducir a graves perjuicios económicos.
Tabla IV-2. Información sobre el sistema de reacción
1. Estequiometría de todas las reacciones
2. Rango de presiones y temperaturas de todas las reacciones
3. La/s fase/s del sistema de reacción
4. Alguna información sobre distribución de productos vs.
conversión (y posiblemente la temperatura del reactor, fracción
molar de reactantes y/o presión)
5. Alguna información sobre conversión vs. velocidad espacial o
tiempo de residencia
6. Si se usa catalizador, alguna información sobre su estado,
velocidad de desactivación, regenerabilidad y método de
regeneración
La información sobre la distribución de productos y su forma de variación con las
condiciones de trabajo en el reactor, generalmente es insuficiente y difícil de obtener. Los
datos brindados en los artículos científicos se circunscriben, la mayoría de las veces, a
un estrecho rango de condiciones (donde, por ejemplo, el catalizador trabaja en su punto
óptimo). Esas condiciones, generalmente, no son las más ventajosas económicamente.
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Numerosos procesos han sido diseñados para trabajar en condiciones de rendimiento
óptimo, que en muchos casos no corresponden a la conversión económicamente
óptima.
Un parámetro importante a considerar en el estudio del sistema reaccionante involucrado
en el proceso, es la selectividad, S. Existen varias formas de definir la selectividad, se
adopta la siguiente: es la fracción de reactante convertido que se transforma en el
producto deseado
S=
Moles de B producido
Moles de A convertido
Si se considera la reacción
A
B
C
Donde B es el producto deseado y C es un producto que posee solo valor combustible.
En algunos procesos, como los petroquímicos, el costo de las materias primas y las
pérdidas por baja selectividad son factores dominantes. Los costos de las materias
primas representan entre el 35 y el 85 % del costo del producto. La conversión
económicamente óptima se fija generalmente, a través del compromiso entre las
pérdidas por baja selectividad y reactores grandes, a altas conversiones, contra los altos
costos
de
reciclo,
a
conversiones
bajas.
De
este
modo,
la
conversión
económicamente óptima es menor que la correspondiente al máximo rendimiento
del producto deseado, siguiendo la tendencia que se muestra en la Figura IV. 1.
2- Desactivación del catalizador.
Generalmente, en las primeras etapas de diseño, falta información sobre la
velocidad a la que pierde actividad el catalizador. Por ejemplo, algunos de ellos
tardan años en desactivarse, por lo que las experiencias tendientes a determinar la
velocidad de desactivación consumirían mucho tiempo.
En las primeras etapas de diseño, se presentan grandes incertidumbres en algunos
datos. Por lo tanto, se debe examinar la sensibilidad del costo total del producto a esas
incertidumbres y usar esos resultados como guía en un programa de desarrollo
experimental en el sentido de la más alta rentabilidad potencial. Es así que se usan
5
técnicas "shortcut" en los cálculos iniciales de diseño y en consecuencia, será necesario
repetir los cálculos a medida que se vaya obteniendo más información.
3- Caudal de producción
Si se quiere diseñar una nueva planta para satisfacer las condiciones de un mercado en
expansión, la primera aproximación del caudal de producción que se adopta es la de la
planta más grande, de ese tipo, que haya sido construida. De esa manera obtendremos
la mejor economía de escala.
El tamaño máximo de una planta, generalmente está fijado por el tamaño máximo de
una o más piezas del equipamiento y también por restricciones en el transporte de los
equipos al lugar de la planta. Por ejemplo, en el uso de camiones o ferrocarriles existe un
tamaño máximo admisible para el uso de carreteras o vías.
También se puede considerar la posibilidad de exceder el tamaño máximo de plantas
existentes, desarrollando tecnología nueva. Aunque ello implica riesgos, la posibilidad de
beneficios por economía de escala (el precio del producto final sería más bajo,
permitiendo ganar posiciones en el mercado) podría justificar ese riesgo adicional. Es
evidente que la situación de una empresa es diferente si tiene el 50% del mercado y
posee una de las plantas más grandes existentes, que si solamente aporta el 10% del
mercado y la planta es sólo un décimo de la más grande.
La velocidad de producción especificada para la planta puede variar durante el diseño
porque las condiciones del mercado varíen. Al usar métodos "shortcut" en las etapas
iniciales del diseño se minimizan los esfuerzos requeridos al cambiar todos los cálculos.
4- Pureza del producto
La pureza del producto generalmente está condicionada por el mercado. Muchas veces
es posible ofrecer un producto con diferentes grados de pureza y es conveniente que los
encargados del diseño consideren esas alternativas. A medida que el diseño avanza, las
predicciones de pureza vs. precio del producto pueden variar. Debe existir buena
comunicación con el departamento de ventas (marketing), especialmente si surgen
costos my elevados asociados con purezas muy altas para que no aparezcan falsas
expectativas por parte de los consumidores.
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5- Materias primas
Un químico usa generalmente materias primas muy puras para sus experimentos, sin
embargo, las materias primas naturales o adquiridas en grandes cantidades siempre
contienen algunas impurezas. Es necesario tener información sobre pureza de materia
prima vs. precio y sobre la naturaleza de las impurezas, para conocer si éstas son
inertes o afectarán a las reacciones deseadas. Se deberá decidir si se incluyen unidades
de purificación y/o de separación. Cantidades ínfimas de impurezas en las materias
primas, si no se eliminaron por algún método, pueden llegar a cantidades enormes
cuando entran en lazos de reciclo.
6- Restricciones
Por seguridad, se evita trabajar en condiciones dentro de los límites explosivos de una
mezcla. Se deben conocer las condiciones de procesamiento que pueden ocasionar:
polimerización, deterioro de las superficies de intercambiadores de calor, inestabilidad,
descomposiciones no deseadas, desactivación del catalizador y formación de coque.
Los materiales tóxicos y corrosivos introducen restricciones adicionales en el diseño del
proceso.
7- Datos complementarios de la planta y el lugar
Si la nueva planta se va a construir en el predio de otra ya existente, las nuevas
instalaciones deberán ser compatibles con las anteriores. En la Tabla IV-3 se indican las
condiciones que es necesario conocer.
Tabla IV-3. Datos de planta y lugar
1- Servicios
Suministro de combustible
Niveles de presión del vapor
Temperaturas de entrada y salida del agua de enfriamiento
Niveles de refrigeración
Energía eléctrica
2- Instalaciones para disponer de los residuos
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8- Datos de propiedades físicas
En muchos casos los datos de propiedades físicas no se encuentran en la literatura.
Esto ocurre especialmente cuando se intenta realizar el diseño conceptual para la
obtención de nuevos materiales. Los datos que se requieren a menudo son los pesos
moleculares, puntos de ebullición, presiones de vapor, capacidades caloríficas, calores
de reacción, densidades de líquidos y coeficientes de fugacidad o ecuaciones de estado.
Una buena colección de técnicas se encuentra en publicaciones tales como el libro de
Reid y colaboradores1.
Para diseños conceptuales se pueden suponer los datos que faltan y analizar la
sensibilidad de los costos de procesamiento totales, respecto a esos valores. En algunos
casos el costo total es casi insensible a ciertas propiedades y en otros es muy sensible.
Esta evaluación de sensibilidad provee una medida del incentivo económico para realizar
mediciones experimentales de aquellas propiedades. El uso de procedimientos de
diseño "shortcut" simplifica en forma importante el análisis de sensibilidad.
9- Productos químicos
Los costos de materias primas, productos y subproductos se pueden encontrar en
publicaciones tales como Chemical Marketing Reporter. Los valores listados son los
precios corrientes en el mercado. Ellos pueden ser diferentes de los que se puedan
obtener por contratos de provisión a largos plazos. Los costos de gases no aparecen
generalmente en esas publicaciones, porque es práctica corriente que el proveedor
construya una planta distribuidora en las cercanías o que negocie un contrato a largo
plazo.
10- Datos de costos
Existen diversas fuentes para obtener datos de costos para el diseño preliminar. Por
ejemplo, los costos de materias primas, productos y sub-productos, pueden
encontrarse en el Chemical Marketing Reporter. Para los costos de capital, se
presentan correlaciones de costos tales como las publicadas por Guthrie2, 3. Si no se
R. C. Reid, J. M. Prausnitz y T. K. Sherwood. "The Properties of Gases and Liquids", 3rd Ed.,
McGraw-Hill, New York, 1977.
2
K. M. Guthrie,"Capital Cost Estimating", Chem. Eng., 76(6), 114 (1969)
1
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dispone de las correlaciones actualizadas se pueden usar ciertos factores o índices
de actualización tales como los índices M&S, aunque para periodos de actualización
cortos. La mejor práctica para obtener datos actualizados es solicitar una cotización
de los equipos a los vendedores.
Los costos de servicios pueden estimarse a través de su relación con su equivalente
en valor combustible, mediante el uso de la termodinámica y las eficiencias típicas de los
generadores, turbinas, etc. Las fluctuaciones de mercado en ciertas épocas pueden
llevar, por ejemplo, a que el costo del vapor baje a niveles inferiores a los del
combustible. Los cálculos no se deberán basar en esos costos distorsionados porque
surgirán problemas cuando los precios se reviertan a sus valores normales. Una guía de
los factores asociados a los costos de servicios relativos al costo del combustible se
muestra en la Tabla IV-4. Una vez que el costo del combustible ha sido especificado, es
fácil estimar el resto de los costos de servicios.
Tabla IV-4. Costos de servicios
Servicio
Combustible
Factor
Precio
1.0
$4.00/106 Btu
1.30
$5.20/1000 lb
Vapor
600 psig a 750°F
Vapor saturado
600 psig
1.13
$4.52
250 psig
0.93
$3.72
150 psig
0.85
$3.4
50 psig
0.80
$2.8
15 psig
0.57
$2.28
Electricidad
1.0
$0.04/kwhr
Agua de enfriamiento
0.75
$0.03/1000 gal
3
K. M. Guthrie, "Process Plant Estimating Evaluation and Control", Craftsman Book Co., Solana
Beach, California, 1974.
9
En resumen:
Como una afirmación general sobre la información de entrada podemos decir
que... Nunca se tendrá la información justa! Algunos datos faltarán, otros
estarán en condiciones diferentes a las que se busca. Probablemente se
disponga de la información de la reacción de interés pero no de las reacciones
secundarias. Quizás el químico realizó cada paso usando un solvente fresco o
diferente, sin preocuparse de recuperarlo, etc. Nunca deberá dudarse en
buscar más información del químico y es recomendable trabajar en estrecha
colaboración con él. Cuando se requieren etapas experimentales adicionales,
para obtener datos de propiedades físicas, por ejemplo, se usarán los cálculos
de diseño preliminares para guiar la experimentación.
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Nivel 1: DECISIÓN BATCH versus CONTINUO
Los procesos continuos se diseñan de manera de operar 24 h/día, 7 días/semana
durante casi todo el año, en condiciones constantes antes de detener la planta para
realizar el mantenimiento anual. Por el contrario, los procesos batch contienen varias o
todas sus unidades diseñadas para puestas en marcha y paradas frecuentes. Durante
un ciclo batch normal, las distintas unidades se cargan con material, llevan a cabo su
función por un periodo de tiempo especificado, se detienen, se vacían y limpian antes de
comenzar un nuevo ciclo.
Muchos procesos batch incluyen también unidades que operan continuamente y
viceversa. En general, si hay una o dos operaciones batch en una planta industrial de
gran producción y que posee la mayoría de su equipamiento importante operando en
forma continua, se dice que es un proceso continuo.
Guías para la selección del tipo de proceso
Existen algunos lineamientos que ayudan a decidir entre procesos batch y continuos.
•
Caudales de producción. Las plantas con capacidad de producción superior a
10x106 lb/año son usualmente continuas., por el contrario aquellas con producción
inferior se instrumentan, generalmente, como procesos batch,. Las plantas de
capacidad elevada generalmente requieren programas rigurosos de desarrollo y
mayores costos de diseño ingenieril. Por el contrario, las plantas batch son más
flexibles y simples, pudiéndose generar productos satisfactorios, aún con grandes
incertidumbres en el diseño. Debido a su gran flexibilidad, las plantas batch son
comunes cuando un gran número de productos se obtiene con el mismo
equipamiento (por ejemplo, pinturas).
•
Requerimientos del mercado. Muchos productos son estacionales, por ejemplo los
fertilizantes son utilizados por el consumidor en determinadas épocas del año. Si se
produjeran durante todo el año, se incurriría en elevados costos de almacenamiento.
Sin embargo, si el fertilizante se produjera en una planta batch, que puede utilizarse
el resto del año para la obtención de otros productos, los costos de almacenamiento
se reducirían. Por lo tanto las plantas batch son preferidas para productos que
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poseen demanda estacional. Se requieren alrededor de tres años para construir un
proceso continuo y algunos productos, tales como pigmentos orgánicos, tienen un
periodo de
vida en el mercado de unos dos años. La gran flexibilidad de las plantas batch las
hace preferibles para productos de periodos de vida cortos.
•
Problemas operacionales. Algunas reacciones son tan lentas que sólo es
razonable la adopción de reactores batch. También es muy difícil bombear barros a
bajas velocidades sin que se sedimenten o tapen tuberías, por lo que los procesos
continuos se hacen inviables. Del mismo modo, algunos materiales producen
incrustaciones o ensuciamiento del equipamiento, por lo que se requieren paradas y
limpiezas frecuentes y en consecuencia, los procesos batch son la alternativa más
adecuada.
Un rasgo único de los procesos batch es la posibilidad de utilizar un mismo equipo
para llevar a cabo diferentes operaciones, mientras que en un proceso continuo sería
necesario usar recipientes separados para cada una de ellas. Por ejemplo, en una planta
continua
se calienta un reactante, se envía a un reactor en donde se agrega un
catalizador y luego la mezcla se introduce en una unidad de separación. En un proceso
batch, se podría usar el calderín de una columna de destilación batch para llevar a cabo
las tres operaciones.
Cuando se realizan operaciones múltiples en un recipiente único, el tamaño de éste es
generalmente mayor que el de las piezas individuales. Por ejemplo, si usáramos un
recipiente para cada paso y tomase 1 hora cada paso, produciríamos P lb/hora de
producto pasando las tachadas de una unidad a la siguiente. Sin embargo, si se usa un
solo recipiente, tomaría tres horas producir ese producto y para obtener la misma
velocidad de producción se necesitaría procesar una cantidad triple de material. Por
supuesto, al utilizar recipientes grandes aparece la economía de escala, que incentiva a
juntar diversas operaciones de procesamiento en una sola unidad.
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Diseño de Procesos Batch versus Continuo
Para desarrollar el diseño conceptual de un proceso continuo, se debe realizar lo
siguiente:
1. Seleccionar las unidades de proceso necesarias
2. Elegir las interconexiones entre estas unidades
3. Identificar las alternativas de proceso que necesitan considerarse
4. Listar las variables de diseño dominantes
5. Estimar las condiciones de procesamiento óptimas
6. Determinar la mejor alternativa de proceso
Para un proceso batch debemos tomar exactamente las mismas decisiones y agregar
las siguientes:
7. ¿Qué unidades del flowsheet deberían ser batch y cuáles continuas?
8. ¿Qué pasos del proceso se deberían llevar a cabo en una unidad simple en lugar de
recipientes separados para cada operación individual?
9. ¿Cuándo sería ventajoso utilizar unidades batch en paralelo para aumentar la
producción?
10. ¿Cuánto almacenaje intermedio se necesita y dónde estará localizado?
Como puede observarse, se necesita tomar más decisiones para diseñar un proceso
batch que para uno continuo. Por ello, algunos autores sugieren que el mejor enfoque
para abordar el problema de diseño de procesos batch es diseñar primero un proceso
continuo.
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