Tema 6 Síntesis DE Procesos PDF

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Profesora: Maria de la Menta Ballesteros...

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TEMA 6: SÍNTESIS DE PROCESOS 1. INTRODUCCIÓN El diseño de procesos comprende una serie de actividades complejas entre las que destaca, por su importancia y carácter creativo, la síntesis de procesos. El objetivo de la síntesis de procesos es definir la configuración del proceso (su diagrama de flujo), esto es, el conjunto ordenado e interconectado de operaciones que transforman unas materias primas en los productos deseados, de forma económica, segura y respetuosa con el medio ambiente. El análisis de procesos se refiere a la aplicación de métodos científicos y al desarrollo de procedimientos para la investigación de las características del proceso. Comprende, por tanto, un examen global del proceso. La síntesis de procesos trata de los elementos básicos que definen el proceso: -

Diagrama de flujos Balances de materia y energía Condiciones de operación de los equipos Consumo de servicios Economía Seguridad Aspectos medioambientales Controlabilidad del proceso

Es decir, en la síntesis lo que voy haciendo es ir dibujando todo el diagrama de flujo para obtener lo que quiero al final. Es decir, se conoce el producto que se desea obtener pero no las materias primas ni el conjunto de operaciones que las transforma en el producto deseado. Las materias pueden estar impuestas, al usar un efluente industrial o algo más, o puedo no conocer cómo se queda la salida. Común a todos los casos es la necesidad de sintetizar el proceso compuesto por operaciones y equipos interconectados cuya representación constituye el diagrama de flujos o flowsheet del proceso. Este diagrama de flujo incorpora muchos factores diferentes, por lo tanto un problema abierto puede tener muchas soluciones casi óptimas. Se puede llegar a tener hasta 109 posibilidades para dibujar este diagrama, y siempre que se dibuja hay que elegir acorde al potencial económico del proceso; siempre satisfaciendo los requisitos de seguridad, medioambiente y fácil operatividad. Una vez tenemos el diagrama de flujo lo que hacemos es construir una planta piloto, en la cual se evalúan los pasos de reacción más importantes.

2. Desarrollo de los diagramas de flujo Para diseñar un proceso, el equipo de diseño realiza el proceso detallado mediante diagramas de flujo, y mejora la integración del proceso evaluando las diversas alternativas. A menudo se construye una planta piloto para evaluar los pasos de reacción más importantes, las condiciones de separación menos estudiadas y se prepara normalmente un modelo de simulación. El equipo de diseño aprende más sobre el proceso mejorándolo y cambia el diagrama de flujo preliminar procesando problemas que no hubieran sido previstos. Los cuatro tipos más importantes de diagramas de flujo son: -

Diagrama de flujo de entrada-salida.

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Diagrama de flujo de bloques. Diagrama de flujo del proceso. Diagramas de instrumentación y tuberías.

2.1. DIAGRAMAS DE FLUJO DE ENTRADA-SALIDA Es el diagrama más sencillo, en el que no sé qué ocurre dentro, pero sí sé qué entrada y salida hay. Son fundamentales para calcular el potencial económico, ya que éste en primera instancia es la diferencia entre lo que gano al vender el producto y lo que me cuesta el sustrato.

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Las materias primas entran por la izquierda y los productos salen por la derecha. Las líneas con flechas representan el movimiento de materiales que entran y salen del proceso. Pueden mostrarse los flujos de las materias primas y los productos. Un solo bloque representa todas las operaciones involucradas en el proceso.

2.2. DIAGRAMA DE FLUJO DE BLOQUES Los diagramas de bloques representan las principales secciones en términos de bloques funcionales. Es decir, este está un poco más especificado que el diagrama anterior, ya que vemos caudales, los sistemas y las reacciones que acontecen en ellos.

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El diagrama tiene los balances de materias y las condiciones de cada etapa, y resume los principales procesos. Es apropiado para las primeras etapas de diseño donde las alternativas de diseño están bajo consideración. Las líneas con flechas conectan los bloques y representan las corrientes de proceso.

Este diagrama permite comprender la circulación general (entradas, salidas, orden de flujo, recirculaciones, divisiones, mezclas, etc.). Cada unidad de proceso representa una función del proceso específica en la cual los materiales sufren cambios químicos y/o físicos, y/o biológicos. Hay sólo cuatro tipos de unidades de procesos: -

Mezcladores: Los mezcladores combinan dos o más entradas en una sola salida. Reactores: Las corrientes de entrada contienen reactivos. Dentro de un reactor se pueden realizar una o más reacciones químicas y/o biológicas. Las corrientes de salida contienen los productos así como los reactivos que no se consumen.

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Separadores: Una corriente de entrada se separa en dos o más salidas. Las salidas tienen composiciones diferentes entre ellas y de la entrada. Los cambios en la composición se deben a las operaciones físicas, no a la reacción química. Divisores: Estos equipos dividen una sola entrada en dos o más salidas. Todas las corrientes de salida tienen la misma composición que la de entrada. Las salidas tienen distinto caudal.

Este tipo de diagrama está formado exclusivamente por corrientes y bloques. Las corrientes son las flechas, marcando la dirección del flujo e indican las líneas de flujo entre bloques; y los bloques son los rectángulos, la abstracción de unidades de proceso que llevan a cabo transformaciones en las corrientes. No se incluyen servicios auxiliares ni detalles constructivos, pero los bloques pueden recordar a las formas reales, es decir, ser bloques simbólicos.

2.3. DIAGRAMA DE FLUJO DE PROCESO Ofrecen un mayor detalle del proceso. Tienen las unidades de proceso, dan información de las corrientes e incluyen los principales lazos de control. Estos diagramas a menudo se construyen usando simuladores, AUTOCAD, visio, etc.

En el diagrama de flujo tenemos las unidades de proceso, que son los iconos que representan las unidades, conectados con líneas que representan las corrientes del proceso. Los iconos son los aceptados por la American Society for Mechanical Engineers:

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En un recipiente de proceso ocurren procesos que no ocurren en otro reactor diseñado específicamente para ello, como un fermentador. En este recipiente de procesos puede ocurrir por ejemplo un tratamiento con rayos X. El calentador puede ser de diversa índole, como por ejemplo un horno. En muchos diagramas de flujo no existe la esfera que representa instrumentos, sólo hay que aplicarlo cuando se llega al cuarto tipo de diagrama. Hay que tener en cuenta que todas las corrientes han de numerarse con un rombo. Las corrientes de entrada y salida han de dibujarse con una flecha gorda.

Cada unidad se anota de forma independiente, siguiendo la anotación U-XYY para nombrar estos componentes: -

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U: Hace referencia al tipo de componente. Si es un reactor va a ser una R, si es un compresor una C, si es un tanque una T, etc. A veces algunos coinciden, como concentrador y calentador, casos en los cuales se pone la segunda letra. X: Es un dígito que identifica la zona donde está instalado, es decir, el área de proceso donde está. Podemos tener varias áreas: pretratado, reacción, etc. YY: Es un número de dos dígitos que identifica la unidad en sí misma. Diría el número que es en una zona, numerando la cantidad de cada U que hay. Por ejemplo, si tenemos dos calentadores en una misma zona, la 1, este sería C-100 y C-101; pero si están en dos zonas diferentes, como la zona 1 y la 3, serían C-100 y C-300.

Las corrientes se representan con una línea y la dirección del flujo (izquierda o derecha). Cuando se cruzan, la línea horizontal se muestra continua y la vertical se rompe. Cada corriente se marca con un número dentro de un diamante. La alimentación y los productos se escriben con el nombre entero, no con acrónimos, ya que pueden haber diferentes isómeros, coincidencias, etc. Lo que sale del reactor, por ejemplo, sería un nuevo número de corriente, ya que la corriente de salida ha cambiado. Las presiones y las temperaturas suelen aparecer en el diagrama o en una tabla aparte. Además, se suele poner como leyenda en la parte superior o inferior el mismo nombre de los equipos principales, además de poner el código que coincide con el del equipo y la acción principal del equipo. Por ejemplo: R-100 Reactor de cloración directa.

2.4. DIAGRAMA DE INSTRUMENTACIÓN Y TUBERÍAS Es el necesario para la construcción de la planta y se utiliza como ayuda para operar la planta. Contiene ítems que no aparecen en los diagramas de flujo del proceso como la localización, el tiempo de medidas, instrumentos de control, posición de válvulas, etc.

3. ETAPAS EN LA SÍNTESIS DE PROCESOS. MÉTODO JERÁRQUICO. Una forma eficaz de abordar los problemas en la síntesis de procesos químicos se basa en la descomposición del problema en una jerarquía de decisiones. El método jerárquico descompone el problema de síntesis en una secuencia ordenada de decisiones de diseño que se agrupan en varios niveles. En cada nivel hay que elegir una alternativa entre las varias posibles. Existen reglas de síntesis, heurísticas, que ayudan a seleccionar y descartar opciones. Elegir entre una u otra conduce a un diseño de proceso o a otro alternativo. Una característica esencial del método jerárquico es que comienza con los aspectos más básicos y fundamentales del proceso, que son también los que más condicionan el resto de decisiones y de las partes del proceso que hay que abordar. Este método se puede visualizar como un árbol de decisiones:

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Cada nodo del árbol representa una tarea o un aspecto del diseño sobre el que hay que tomar una decisión. Cada una de las ramas que salen del nodo representa decisiones alternativas respecto a esa tarea. Las ramas con barras cruzadas son alternativas rechazadas al no satisfacer alguno de los criterios de evaluación y las representadas con líneas de trazos son alternativas que satisfacen los criterios, pero que no son elegidas en primera instancia por no ser la mejor de este nivel de decisión. Para elegir con qué rama del árbol jerárquico me quedo tengo que hacer un estudio del potencial económico de cada una, eligiendo aquella que tenga un potencial económico mayor. Por ejemplo, si dedicamos una de las ramas, por ejemplo el uso de hongos como microorganismo para el proceso, tengo que elegir otros factores: medio de cultivo (calculo el potencial económico y veo con cual me quedo, etc.).

3.1. NIVELES FUNDAMENTALES EN EL MÉTODO JERÁRQUICO -

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Nivel 1: Reacción química. Se analizan las posibles rutas químicas o bioquímicas y se evalúa el potencial económico. Se identifican los sistemas de reacción necesarios cuando la ruta consiste en varias etapas de reacción que requieren condiciones diferentes. Nivel 2: Estructura entrada-salida. Se toman decisiones que determinan las corrientes de entrada y salida del proceso (purga, productos, subproductos) tales como purificar la alimentación. Se resuelven los balances de materia y se evalúa el potencial económico. Nivel 3: Estructura de recirculación. Se identifican las corrientes de recirculación de cada sistema de reacción, estudiando posibles recirculaciones para reaprovechamiento de agua, medios de cultivo, etc. Se evalúan los costes de recirculación y el potencial económico. Nivel 4: Eliminación de diferencias en la T, P y fase. Se descompone el sistema de separación en subsistemas y se estudia la recuperación de vapores, sistema de separación de gases, recuperación de sólidos, sistema de separación de mezclas líquidas o sólidas y se integra el sistema global de separación en el diagrama de flujo. Es decir, para poder poner cada reactivo a una determinada presión o temperatura tengo que jugar con los equipos, trabajando con las condiciones de operación. Nivel 5: Integración del proceso. Aquí las decisiones más importantes son la integración energética y los sitemas de recuperación y reutilización de agua y disolventes. Tengo en cuenta, sobre todo, la eficiencia energética: por ejemplo, si puedo reutilizar agua caliente para calentar algo y me sobra,

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usarla en otro proceso; es decir, integrar energía para ahorrar económicamente. También tengo que decidir si mi proceso va a ser continuo o discontinuo. Nivel 6: Evaluación de alternativas. Se examinan alternativas al diseño preliminar considerando otro diseño del reactor o sistemas de separación más eficientes. Por ejemplo, utilizar una extracción basada en benceno en lugar de en agua, usar un microorganismo u otro, etc. Nivel 7: Análisis HAZOP. Análisis en el que se identifican las fuentes de productos tóxicos y peligrosos (Hazard) y se realiza un estudio HAZOP (Hazard and Operability). Nivel 8: Síntesis del sistema de control. Se evalúa el control del proceso de la planta completa.

3.2. ELECCIÓN DEL TIPO DE PROCESO Factores a tener en cuenta para la elección de un proceso continuo o discontinuo: -

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Capacidad de producción: Si la producción anual es baja, la elección más correcta es el proceso discontinuo, siendo este el caso de los bioprocesos normalmente. Normalmente producciones superiores a 5000 toneladas/año son procesos continuos. Economía ligada a la flexibilidad: El coste de la inversión es bastante mayor en el continuo, ya que en discontinuo se suelen llevar a cabo varias operaciones diferentes en un mismo equipo, y en continuo cada equipo está asociado a una única operación. Los discontinuos son, por lo tanto, más flexibles y sencillos.

Lo ideal si quiero montar una industria de forma rápida sería elegir un sistema discontinuo, ya que es más fácil de hacer. Normalmente el proceso se elige discontinuo si: -

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Se ha de operar rápido, es decir, el proceso ha de estar listo en pocos meses. Esto tiene que ver con la sencillez del proceso discontinuo. La demanda del producto es estacional, como por ejemplo la producción de antigripales o gazpacho. Debido a su flexibilidad el proceso discontinuo puede producir otros productos en otras estaciones del año. Sólo hay materia prima en determinados periodos del año. Los continuos requieren más horas de operación para ser rentables. El producto tiene un producto de vida estimado muy corto, como de 1 o 2 años, y tras este periodo se sustituye por uno de mejores prestaciones. Un ejemplo sería la vacuna del ébola, sólo usada durante los rotes, y así en el discontinuo se requiere menos inversión y es más flexible fabricar otro producto después. Se dispone de poca información sobre las condiciones de operación, por lo tanto escogemos discontinuo por la facilidad de hacer cambios en el caso de requerirlos. El precio del producto es mucho mayor que el coste de fabricación, por lo que nos renta hacerlo en discontinuo, aumentando la rentabilidad. La reacción principal del proceso es lenta, por lo que requerimos tiempos de residencia muy largos.

4. Integración de elementos. Ejemplo de síntesis de procesos NIVEL 1: REACCIÓN QUÍMICA. FABRICACIÓN DE CLORURO DE VINILO El cloruro de vinilo se produce a gran escala, en un proceso continuo, ya que es precursor del PVC. Imaginemos que vamos a montar una fábrica de cloruro de vinilo, y no sabemos qué hacer. Lo primero sería buscar la reacción, es decir, buscar diferentes formas de producirlo.

1. Cloración directa del etileno: La conversión es baja y pierdo mucho cloro. Además, si lo hago en una sola etapa la conversión es bajísima, por lo que busco otra reacción alternativa.

2. Hidrocloración del acetileno: Utilizo otros reactivos, teniendo cloro al final. No malgasto el cloro y además sé las condiciones.

3. Descomposición térmica del dicloroetano obtenido por cloración del etileno: Tercera reacción, es la misma que la segunda pero en dos etapas, aumentado la conversión.

4. Descomposición térmica del dicloroetano obtenido por oxicloración del etileno: Otra reacción, usando oxígeno esta vez.

5. Proceso combinado de oxidación y oxocloración de etileno.

De las 5 reacciones, la primera se debe rechazar por su baja selectividad que generará mucho subproducto y para evaluar las restantes se calcula el potencial económico (PE): En el nivel 1 donde no se conocen más detalles (purgas, equipos, etc.) el PE se calcula como la diferencia entre los ingresos estimados por la venta de producto y subproductos, y los gastos originados por la compra de materias primas. Debido a que la materia prima es más del 60% de los costes de operación, y por su incertidumbre en el precio, se aconseja que el cociente entre los ingresos estimados por la venta de productos y subproductos, y los gastos por compra de materias primas sea superior a 2. Al coger el precio de todos los reactivos en las reacciones y los productos que obtengo, puedo calcular el potencial económico, y vemos que la tercera

reacción es la ruta con mayor potencial económico, por lo que es la que selecciono.

NIVEL 2: ESTRUCTURA ENTRADA-SALIDA El segundo punto que voy a tener en cuenta es la entrada y la salida. A la entrada, si hago la suma de los dos en el tercer proceso tendría que tener en cuenta la entrada y salida de cada reactor. Tengo que ver si hay que hacer purga, purificación entre procesos, etc. Las corrientes que atraviesan el contorno son las de entrada (materia prima) y salida (productos, subproductos, purgas e impurezas). Puede haber una pérdida de reactivos cuando el proceso requiere una purga, para evitar que un inerte que haya entrado con la alimentación o algún producto intermedio generado se pueda acumular debido a las recirculaciones. Tenemos dos grandes alternativas: a) Recuperación de todos los reactivos. b) Pérdida de parte de los reactivos en una corriente de purga. La estructura de entrada y salida también depende de otras decisiones de diseño: -

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Purificación de la alimentación: Es posible que tenga que hacer una purificación por que sea inevitable que una sustancia en las materias primas enturbie el catalizador, haciendo que no funcione, o de reacciones secundarias no deseadas. Hay que buscar el menor coste posible. Recirculación de subproductos: A veces hay que hacer recirculaciones nada más ocurre la reacción. Por ejemplo, el benceno obtenido por hidrogenación de tolueno se une a sí mismo, formando un bifenilo, el cual se separa de forma espontánea. Por lo tanto, yo recirculo esta corriente de salida del reactor hasta que se ha extinguido todo el bifenilo. Corrientes de purga: Las corrientes de purga lo que hacen es tirar reactivo, dando salida a inertes que entran con la alimentación y a subproductos (irreversibles) que son difíciles de separar. Por ejemplo, en la reacción del amoniaco (N2 + 3H2  2NH3) los gases vienen en balas de suministro y si tiene contaminantes no reaccionantes (como gases nobles, argón), se iría enriqueciendo conforme va reaccionando el sustrato. Lo que se hace es realizar una purga para dar salida a parte del argón y así mantenerlo en niveles que no anulen al catalizador. También habría que ver si es más barato perder sustrato o sustituir el catalizador, ya que aquí también dependemos del rendimiento económico.

NIVEL 3: ESTRUCTURA DE RECIRCULACIÓN Los componentes que salen se deben distribuir entre las corrientes de recirculación y de salida, y deben mezclarse las corrientes de entrada con las de recirculación para construir la alimentación a los sistemas de reacción. Para ello se emplean operaciones de separación y mezcla. Lo primero que tengo que pensar si quiero

recircular es por ejemplo el punto de ebullición de lo que sale, saber si la separación de ese elemento sería fácil, ya que de forma contraria es muy costoso y habría que ver si renta o no. Para identificar las corrientes de recirculación debe: -
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