UNIDAD TEMATICA IV Nivel 2: ESTRUCTURA ENTRADA

UNIDAD TEMATICA IV
Nivel 2: ESTRUCTURA ENTRADA-SALIDA DEL FLOWSHEET
Para entender las decisiones requeridas para fijar la estructura entrada–salida del
flowsheet se dibuja una simple una caja que representa el proceso total y se le agregan
las corrientes de ingreso de materias primas y de egreso de los productos y
subproductos. En este nivel se fija la atención en estas corrientes del proceso. Debido a
que los costos de materias primas representan entre el 33 al 85 % del costo total de
procesamiento, se requiere calcular estos costos antes de agregar cualquier otro detalle
al diseño.
Alternativas del flowsheet
En la figura V. 1. se presentan dos esquemas que representan casi cualquier flowsheet
de proceso. Existe una regla del arte (rule of thumb) que establece que es deseable
recuperar más del 99% de todos los materiales valiosos.
En los cálculos iniciales se utiliza el criterio de recuperación completa, que implica el
reciclo de todos los reactantes valiosos. La Figura V. 1(a) representa los casos en que
no hay reactantes que abandonen el sistema.
Reciclo
Producto
Corrientes de
alimentación
Producto
Corrientes de
alimentación
Proceso
Purga
Proceso
Subproducto
(a)
Subproducto
(b)
Figura V.1. Estructura entrada–salida del flowsheet
Se presentan procesos en que los reactantes son el aire o agua, en cuyo caso es más
barato desecharlos que recuperarlos y reciclarlos.
Otros casos en los que se pueden perder reactantes de un proceso, son los que incluyen
reactantes gaseosos con impurezas gaseosas en la alimentación o que generen algún
subproducto gaseoso. Si se quiere reciclar el reactante gaseoso los inertes deben ser
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purgados para que no se acumulen en el lazo de reciclo. Años atrás era tan caro separar
mezclas gaseosas que se permitía que algo de reactante se perdiera con la purga. Esto
casi no ocurre en la actualidad porque existen procesos que han abaratado el costo de
las separaciones gaseosas.
La diferencia entre las Figura V. 1(a) y (b) está en la presencia de un reciclo y purga que
agrega un grado de libertad al problema de diseño. En otras palabras, la composición del
reactante en la corriente de purga o el exceso de reactante gaseoso alimentado al
proceso se transforman en nuevas variables de diseño.
DECISIONES PARA LA ESTRUCTURA DE ENTRADA-SALIDA
Las decisiones que deben ser tomadas en este nivel de la estructura jerárquica, se
muestran en la Tabla V. 1 y se explican a continuación.
Tabla V. 1. Decisiones para el segundo nivel
1. ¿Se deberían purificar las corrientes de alimentación
antes de su ingreso al proceso?
2. ¿ Se debería extraer o reciclar un producto reversible?
3. ¿Se debería emplear reciclo de gases y purga?
4. ¿Debería evitarse la molestia de recuperar y reciclar
algunos reactantes?
5. ¿Cuántas corrientes de producto habrá?
6. ¿Cuáles son las variables de diseño para la estructura
de entrada-salida del flowsheet y cuáles son las
relaciones
de
compromiso
asociados
con
esas
variables?
1- Purificación de la alimentación
La decisión de purificar la alimentación antes de entrar al proceso es equivalente a la
decisión de diseñar un sistema de purificación previo al proceso. Esto es diferente de la
decisión de alimentar el proceso a través del sistema de separación que es requerido en
casi todos los casos. Puesto que en esta etapa del diseño no se conoce aún qué tipo de
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sistema de separación sería necesario en el caso de que la alimentación estuviese libre
de impurezas, no se puede tomar una decisión definitiva en esta instancia. Algunas
guías para el diseño serían las siguientes:
•
Si la impureza en la alimentación no es inerte y está presente en cantidades
significativas, extráigala. De lo contrario, se producirán pérdidas de materias
primas y se requerirá un sistema de separación mucho más complejo para
recuperar los subproductos adicionales.
•
Si la impureza en la alimentación está presente en una corriente gaseosa,
como primera suposición procésela.
•
Si una impureza en una corriente de alimentación líquida es a su vez un
subproducto o un componente del producto, es mejor alimentar el proceso a
través del sistema de separación.
•
Si la impureza en la alimentación está en cantidades grandes, extráigala
(aunque no hay forma de cuantificar cuán grande es lo grande).
•
Si la impureza está presente como un azeótropo con el reactante, es mejor
procesarla.
•
Si la impureza es inerte y es más fácil separarla del producto que del
reactante, es mejor procesarla.
•
Si la impureza es un veneno del catalizador, extráigala.
La decisión de purificar las corrientes de alimentación antes de que sean procesadas
involucra relaciones de compromiso económico entre la construcción de una unidad
previa al proceso y el incremento de los costos del proceso por el mayor volumen a
procesar, si no se separa la impureza. La cantidad de materiales inertes presentes y el
lugar por donde entran y salen del proceso puede tener un gran impacto sobre el costo
de procesamiento. Por lo tanto no es sorprendente que no exista un criterio simple de
diseño que nos indique siempre la decisión correcta.
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Desafortunadamente, no todas estas guías de diseño son cuantitativas, por lo que
muy a menudo debemos basar nuestras decisiones iniciales en nuestro mejor
juicio.
Si no estamos seguros que nuestra decisión es la correcta, se pueden listar las
decisiones opuestas como alternativas del proceso. De este modo se tiene una
forma sistemática de generación de alternativas de proceso.
2- Recuperación o reciclo de los subproductos reversibles
Para el análisis de este tema se toma el siguiente ejemplo:
Tolueno + H2 → Benceno + Metano
2 Benceno
↔
Difenilo + H2
Reac. 1
Reac. 2
Debido a que la segunda reacción es reversible, se podría reciclar el difenilo al reactor y
dejarlo que se vaya acumulando en el lazo de reciclo hasta llegar al punto de equilibrio.
De esta forma el difenilo reciclado se descompondría formando benceno a la misma
velocidad que se fuese produciendo difenilo.
Si se recicla el subproducto reversible, se debe usar tamaños mayores de todo el
equipamiento dentro del lazo de reciclo. Sin embargo, si se lo extrae del proceso, se
tendrá una penalidad económica debido al incremento en el costo de materia prima
(tolueno) que se convierte en producto reversible (difenilo). Esto es, el costo de materia
prima (tolueno) menos el valor combustible del difenilo. Debido a que la decisión
involucra relaciones de compromiso económico entre pérdidas de materia prima como
subproductos menos valiosos y costos de reciclo incrementados, nuevamente se
manifiesta que no existen guías de diseño simples para tomar esta decisión. Además, el
resultado es sensible a la constante de equilibrio de la reacción reversible. Es así que se
genera otra alternativa de proceso.
3- Reciclo de gas y purga
Si la alimentación contiene un reactante "liviano" y una impureza "liviana" o por la
reacción se genera un subproducto 'liviano", ha venido siendo práctica común utilizar
reciclo de gas y purga. Se define como "componente liviano" a aquél cuyo punto de
ebullición es inferior al del propileno (-48°C). Se elige este compuesto porque no es
posible condensar los gases con punto inferior a éste mediante el uso de agua de
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enfriamiento y presión, simplemente, por lo que se requiere el uso de otros medios
refrigerantes. Debido a que los reactantes gaseosos son menos caros que los productos
orgánicos líquidos y debido a que la refrigeración es una de las operaciones de proceso
más caras, era más barato perder algo de reactante gaseoso de una corriente de reciclo
y purga que recuperar y reciclar el reactante. Las tecnologías actuales, tales como la
separación de gases por membranas, están abaratando los costos de procesamiento.
En consecuencia
nuevas tecnologías de separación de gases están siendo
consideradas como alternativa.
4- Reactantes que no es conveniente recuperar o reciclar
Una de las guías de diseño establece que se debería recuperar más del 99 % de todos
los materiales valiosos. Debido a que materiales tales como el aire y el agua valen
menos que los reactivos orgánicos, normalmente las cantidades no convertidas de estos
no se recuperan ni reciclan. Por supuesto que se trata de alimentar estos componentes
para que sean completamente convertidos, pero a menudo se alimentan en exceso para
forzar reacciones hasta conversión completa. Por ejemplo, en las reacciones de
combustión. Sin embargo los costos de capital y operación de los sopladores usados
para mover el aire además de los costos de precalentamiento y enfriamiento aumentan
al aumentar el exceso de aire. De esta manera, existirá un exceso óptimo a utilizar. Esto
también sucede cuando el agua es un componente del proceso. Además, se deberán
considerar los costos de tratamiento para evitar la polución ambiental.
5- Número de corrientes de producto
Para determinar el número de corrientes de producto que abandonarán el proceso,
se listarán primero todos los componentes que se espera sean efluentes del reactor.
Esta lista de componentes incluye generalmente a todos los correspondientes a la
corriente de alimentación y todos los reactantes y productos que aparecen en cada
reacción. Luego se clasifica cada componente en la lista y se le asigna un código de
destino a cada uno. La clasificación de componentes y códigos de destino se dan en
la Tabla V. 2.
Finalmente, se ordenan los componentes por su punto normal de ebullición y se agrupan
los vecinos con el mismo destino. El número de grupos de todas las corrientes, excepto
la de reciclo, es el número de corrientes de producto.
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Tabla V. 2. Códigos de destino y clasificación de componentes
Código de destino
1. Venteo
2. Reciclo y purga
Clasificación del componente
Subproductos gaseosos e impurezas en la
alimentación
Reactantes gaseosos con gases inertes y/o
subproductos gaseosos
Reactantes
3. Reciclo
Intermediarios de reacción
Azeótropos con reactantes (a veces)
Subproductos reversibles (a veces)
4. Ninguno
Reactantes si están a conversión completa o
intermediarios de reacción inestables
5. Exceso-venteo
Reactante gaseoso no recuperado y reciclado
6. Exceso-residuo
Reactante líquido no recuperado y reciclado
7. Producto primario
Producto primario
8. Subproducto
Destino separado para cada subproducto
valioso
9. Combustible
Subproductos para combustible
10. Residuo
Subproducto hacia tratamiento de residuos
Este procedimiento para determinar el número de corrientes de producto se basa en el
criterio común que dice:
Nunca es ventajoso separar dos corrientes y luego mezclarlas
También se asienta en la suposición de que los componentes pueden separarse por
destilación y que no se forman azeótropos. Es así que en algunos casos (con sólidos) se
debe aplicar un conjunto de reglas diferentes para estimar el número de corrientes de
producto.
Evaluación del flowsheet
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Es esencial en cada etapa de desarrollo del flowsheet:
¡Estar seguros que todos los productos, subproductos e impurezas abandonen el
proceso!
Hay que verificar la procedencia de las materias primas para conocer las impurezas que
pudiera contener y asegurarse que éstas abandonan el proceso. Se recuerda
nuevamente que aún trazas insignificantes de algún compuesto cuando entran en un
lazo de reciclo aumentarán a niveles que harán imposible la operación. Éste es uno de
los errores que se comete muy frecuentemente, aún los diseñadores con experiencia.
6- Variables de diseño, balances de masa globales y costos de las corrientes
Para calcular el balance de masa global y los costos de las corrientes del proceso, en
primer lugar, se debe estimar si la definición del problema es completa o si hay
demasiados grados de libertad que deben especificarse para llevar a cabo los cálculos.
En general, la definición del problema no es completa. Por esta razón, usualmente es
imposible desarrollar un único balance de masa para el proceso. Solamente un proceso
con una sola reacción simple y sin pérdidas de reactantes carece de grados de libertad.
Por supuesto, si los balances de masa no son únicos, entonces los costos de las
corrientes tampoco son únicos. Es así que se deben desarrollar los balances de masa y
evaluar los costos de las corrientes en términos de variables de diseño desconocidas y al
final buscar los valores económicos óptimos para las variables de diseño.
6-1 Variables de diseño
Las variables que son seleccionadas para completar la definición de un problema de
diseño son llamadas "grados de libertad". Para reacciones complejas es posible,
usualmente, correlacionar la distribución de producto medida en el laboratorio del
químico, con la conversión del reactivo limitante, la razón molar de reactantes, la
temperatura
y/o presión del reactor. Si las energías de activación de todas las
reacciones son iguales, entonces la temperatura no aparecerá en esta correlación. Del
mismo modo, si el número de moles de reactivos es igual al de productos para una
reacción en fase gaseosa, o si se trata de una reacción en fase líquida, la presión no
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aparecerá en esta correlación. Además, generalmente se trata de correlacionar la
conversión con la velocidad espacial para estimar el tamaño del reactor.
Para diseños preliminares, cuando no se dispone de los datos cinéticos, se asume que
la configuración de reactor usado en el proceso es la misma que la que usó el químico
en su laboratorio (un reactor batch es equivalente a uno de flujo en pistón), debido a que
no se puede evaluar el efecto de la configuración del reactor sobre la distribución de
productos sin tener un modelo cinético. Sin embargo, si los cálculos de diseño
preliminares indican que se justifican esfuerzos adicionales, es necesario efectuar
estudios complementarios para determinar la mejor configuración de reactor.
Además de las variables de diseño que afectan la distribución de productos, el resto de
variables de diseño que se introducen en el balance de masa global corresponden a
situaciones donde no se recuperan o reciclan todos los reactantes. Si se usa una
cantidad de aire en exceso en una reacción de combustión, se debe especificar la
cantidad en exceso. Del mismo modo, si se tiene un reciclo gaseoso y una corriente de
purga, se debe especificar la cantidad en exceso de reactante gaseoso (o sea el exceso
con respecto a los requerimientos de la reacción) que se pierde en la purga o la
composición en la purga.
Una lista de las variables de diseño en el segundo nivel de decisiones, que podrían
afectar los balances de masa globales se muestra en la Tabla V. 3.
Tabla V. 3. Posibles variables de diseño para el segundo nivel
conversión en el reactor
Reacciones
razón molar de reactantes
complejas
temperatura de reacción
presión
Reactivos en exceso
reactantes no recuperados
gas reciclado y purga
6-2 Balances de materia globales
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Generalmente es posible desarrollar expresiones para los balances de masa globales en
términos de las variables de diseño sin considerar cualquier flujo de reciclo. Cada vez
que las ecuaciones globales están subdefinidas, es necesario buscar una o más
variables de diseño para completar la definición del problema. Estas variables de diseño
corresponden siempre a problemas importantes de optimización de procesos. Por lo
tanto, el análisis inicial debería enfocarse solamente en los flujos de entrada-salida.
6-2.1 Procedimiento para desarrollar los balances de masa
Para desarrollar los balances de masa globales para plantas con un solo producto,
siempre se comienza con el caudal de producción deseado o con el caudal de
alimentación disponible.
A partir de la velocidad de producción, la estequiometría y, usualmente, las correlaciones
para la distribución de producto, se calculan todos los flujos de subproductos y los
requerimientos de materia prima como funciones de las variables de diseño que
aparecen en las correlaciones de distribución de producto. Luego, con los datos de
composición de impurezas de las corrientes de alimentación se calcula el flujo de
entrada y luego los flujos de salida de materiales inertes. Para el caso de corrientes de
alimentación que poseen un exceso de reactante y no hay recuperación y reciclo, o una
corriente de alimentación donde el reactante sale a través de una corriente gaseosa de
reciclo y purga, se debe especificar la cantidad en exceso de reactante que se pierde del
proceso. Luego podemos calcular los flujos de entrada y salida de cualquier
impureza a partir de las composiciones en las corrientes de alimentación. Un resumen
del procedimiento se muestra en la Tabla V. 4. Es una práctica común reportar los
cálculos de balances de masa en forma de tablas de corrientes. Las corrientes se
numeran en el flowsheet y se prepara una tabla que muestra los flujos de cada
componente correspondientes a un conjunto dado de las variables de diseño. También,
generalmente, se listan las temperaturas, presiones, y entalpías de cada corriente.
Debido a que los balances de energía se considerarán más adelante en el proceso de
síntesis, se pueden agregar esos datos más tarde.
Tabla V. 4. Procedimiento para desarrollar balances de masa globales
1. Comenzar con el caudal de producción deseado
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2. De la estequiometría (y para reacciones complejas, de la
correlación para la distribución de productos) encontrar los flujos
de subproductos y los requerimientos de reactantes (en términos
de las variables de diseño)
3. Calcular los flujos de entrada y salida de impurezas para las
corrientes
de
alimentación
donde
los
reactantes
son
completamente recuperados y reciclados
4. Calcular los flujos de salida de reactantes en términos de una
cantidad especificada de exceso (por arriba de los requerimientos
de la reacción) para las corrientes donde los reactantes no se
recuperan y reciclan (reciclo y purga de aire o agua)
5. Calcular los flujos de entrada y salida de las impurezas que entran
con las corrientes de reactantes en el paso 4.
Una de las dificultades que suelen aparecer es que el diseñador está forzado a
seleccionar valores para las variables de diseño sin conocer los valores óptimos. Una
vez que un conjunto de valores para las variables de diseño ha sido seleccionado es a
menudo difícil recordar que fueron seleccionadas arbitrariamente. Por esta razón es
recomendable que las Tablas de Corrientes listen los valores de las variables de diseño
y que las ecuaciones apropiadas del balance de masa estén programadas en una hoja
de cálculo tal como Excel o equivalente. De esta manera, es muy fácil cambiar la
velocidad de producción y las variables de diseño y recalcular todos los flujos de
corrientes. También se utilizan las Tablas de Corrientes como base para el cálculo de los
costos de las mismas en función de las variables de diseño. Un ejemplo de Tabla de
Corrientes se muestra en la Figura V. 2, para un caso ejemplo detallado en el libro de
Douglas.
6-2.2 Limitaciones
Los balances de masa preliminares descriptos hasta ahora se basan en asumir
recuperación completa de todos los materiales valiosos, en lugar de tener en cuenta el
heurístico que establece recuperaciones mayores al 99%. No hay heurísticos disponibles
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para fijar cualquier variable de diseño. Además, siempre es más importante encontrar
valores para las variables de diseño cercanos al óptimo que fijan los flujos de entrada y
salida, que incluir las pérdidas, en etapas muy tempranas del diseño. Sin embargo, se
deben revisar los balances de masa iniciales en algún momento para incluir las pérdidas.
El enfoque presentado aquí se circunscribe en procesos que producen un solo producto.
Hay un sinnúmero de procesos que producen productos múltiples. Los balances de
masa globales para estos procesos son generalmente más difíciles que el procedimiento
descripto en la Tabla V. 4, porque la distribución de productos debe adecuarse a la
demanda del mercado.
6-3 Costos de las corrientes. Potencial económico
Debido a que los mejores valores de las variables de diseño dependen de la economía
del proceso, se calculan los costos de todas las corrientes de materias primas y
productos en términos de las variables de diseño. Normalmente se combinan estos
costos en un término único, denominado “potencial económico” (EP). En el 2do nivel el
EP se define como:
EP2 = Valor del producto + Valores de los subproductos–Costo de las materias
primas
Cuyo resultado está expresado en $/año.
A este valor se le deberían restar los costos de capital y de operación anualizados del
compresor de alimentación, en los casos que se utilice ese equipamiento. (Los cálculos
requeridos se explicarán más adelante).
El potencial económico es el beneficio anual que se lograría si no se tuviese que pagar
costos de capital o de servicios. Es obvio que si el potencial económico es negativo, o
sea que las materias primas valen más que los productos y subproductos, quedan como
alternativas: detener el diseño del proyecto, buscar una fuente de materias primas más
barata, o buscar una ruta química diferente que utilice materias primas más baratas.
A partir de los datos de la Tabla de corrientes (Tabla V.5) (donde los valores del H2,
metano y difenilo en la corriente de productos se basan en los calores de combustión de
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los componentes y el valor combustible de $4.0/106 Btu) y de la Tabla V.6 se puede
confeccionar el gráfico de potencial económico mostrado en la Figura V. 3.
Se usó la conversión por paso en el reactor, x, en lugar de la selectividad S y diversos
valores de yPH. El gráfico indica que a altas conversiones, el proceso no es rentable (se
convierte mucho tolueno a difenilo, y esa pérdida de selectividad excede las ganancias
por producir más benceno). También una alta concentración de H2 en la purga nos hace
perder dinero. O sea que mandamos mucho H2 a combustible y no podemos compensar
esa pérdida.
Tabla V.5. Tabla de corrientes para el proceso HDA
Caudal de producción: 265 moles/hora
Variables de diseño: FE y x
Corrientes
1
2
3
4
5
H2
FH 2
0
0
0
FE
CH4
FM
0
0
0
FM +
Benceno
0
0
PB
0
0
Tolueno
0
PB
S
0
0
0
Difenilo
0
0
0
PB (1 − S )
2S
0
Temperatura
100
100
100
100
100
Presión
550
15
15
15
465
Componentes
Donde S = 1 −
0.0036
(1 − x)1.544
; FH 2 = FE + PB
(1 + S )
;
2S
FM = (1 − y FH )
FE + PB
(1 + S )
S
y FH
PB
S
;
FG = FH + FM
Nomenclatura
EP
Potencial económico
FE
Exceso de H2 alimentado al proceso, moles/hora
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FFT
Velocidad de alimentación de tolueno fresco, moles/hora
FG
Velocidad de gas compensante, moles/hora
FH 2
Hidrógeno consumido por las reacciones, moles/hora
PB
Velocidad de producción de benceno, moles/hora
PCH 4
Flujo de purga de metano, moles/hora
PD
Difenilo producido, moles/hora
PG
Velocidad de flujo de purga, moles/hora
PR ,CH 4
Metano producido por la reacción, moles/hora
S
Selectividad,
moles de benceno producido
moles de tolueno convertido
y FH
Concentración de H2 en la alimentación
y PH
Fracción molar de H2 en la corriente de purga
Tabla V. 5. Datos de costos para el proceso HDA
Valor del benceno
$0.85/gal = $9.04/mol
Valor del tolueno
$0.50/gal 0 $6.40/mol
Valor del H2
$3.00/1000ft3 =$1.14/mol
Combustible= $4.0/106 Btu
Valor combustible:
H2
0.123 x 106 Btu/mol
CH4
0.383 x 106 Btu/mol
Benceno 1.41 x 106 Btu/mol
Tolueno 1.68 x 106 Btu/mol
Difenilo 2.688 x 106 Btu/mol
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De acuerdo al gráfico, los valores más deseables (mayor rentabilidad) de las variables de
diseño corresponden a x = 0 (o sea, sin pérdidas por selectividad) y a una concentración
en la purga yPH = 0 (o sea, purgar metano puro).
A medida que se avanza en el diseño se encuentra que una conversión cero por paso
implica un flujo de tolueno de reciclo infinitamente grande y que no purgar H2
corresponde a un flujo de gas de reciclo infinitamente grande. Por lo tanto, se desarrollan
los valores óptimos de x e YPH a medida que se avanza en el diseño del proceso.
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