Análisis de Procesos Químicos

Transcripción

1 Análisis de Procesos Químicos Bibliografía: Murphy, R. Introducción a los procesos químicos. Principios, análisis y síntesis. McGraw Hill, PDVSA, Manual de Ingeniería de Diseño, Vol 15: Procedimientos de Ingeniería Turton, R., Bailie, R. Analysis, Synthesis and Design of Chemical Processes. Prentice Hall, PTR, Seider, W., Seader, J., Lewin, D. Process Design Principles. Synthesis, Analysis and Evaluation. Johe Wiley & Sons, INC., 1998.

2 PS3213 Cap II: Análisis de Procesos Químicos Alejandro Requena Sartenejas, Ene-Mar 2014

3 CONTENIDOS. 1. Representación de procesos químicos. DES, DBP, DFP, otros 2. Estructura de los procesos químicos. 3. Técnicas y estrategias para el análisis de procesos químicos.

4 La comprensión de un sistema de procesos químico se facilita con una correcta lectura e interpretación de los diagramas de procesos. Los distintos tipos de diagramas muestran diferentes niveles de complejidad e información.

5 Tipos de diagramas de procesos Tipo de Diagrama Entradas-Salidas (DES) Bloques (DBP) Flujo de Proceso (DFP) Información que suministra Materias primas. Reacciones estequiométricas. Productos. Lo anterior más:.- Balance de materia..- Principales unidades (secciones) del proceso..- Especificaciones de desempeño de las unidades de proceso. Todo lo anterior más:.- Especificaciones de principales equipos de proceso..- Balance de energía..- Condiciones de proceso.

6 Normas para las representaciones de los procesos. JUSTIFICACION: Proyectos de carácter multidisciplinarios con participación de distintas nacionalidades. Procesos complejo con potenciales riesgos para la salud y el medio ambiente. Manipulan sustancias química que pueden ser explosivas, corrosivas, inflamables, etc. Es necesario evitar riesgos por fallas en la comunicación entre las personas que diseñan, construyen u operan los procesos.

7 NORMAS INTERNACIONALES ASME Sociedad Americana de Ingenieros Mecánicos. Calderas. Tanques presurizados API Instituto Americano de Petróleo Petróleo, Gas Natural y sus derivados. NFPA ANSI DOT Asociación para la Protección Nacional del Fuego American National Standard Institute Código Federal de Regulaciones del Departamento de Transporte de Estados Unidos Seguridad e Higiene Industrial. Bombas. Tuberías y conexiones. Sección: Transporte de materias primas, productos químico, equipos, etc. NORMAS NACIONALES COVENIN Comisión Venezolana de Normas Industriales PDVSA Normas de Ingeniería de PDVSA Industria petrolera y petroquímica.

8 Ejemplos de diagramas Entradas-Salidas 1. Obtención de benceno por hidrogenación del tolueno: Hidrógeno Tolueno C6H CH H C H CH Metano Benceno 2. Síntesis de amoníaco: 350 ton CH 4 / día 795 ton H 2 O / día 825 ton N 2 / día Proceso de Síntesis del Amoníaco 1000 ton NH 3 / día 970 ton CO 2 / día

9 Diagramas Entradas-Salidas (DES) Todas las operaciones físicas y químicas involucradas en el proceso se representan con un único bloque. Se utilizan flechas para representar las entradas y salidas de materiales. Materias primas entran por la izquierda y los productos salen por la derecha. Pueden mostrarse velocidades de flujo o cantidad de las materias primas y productos.

10 SEPARADOR DE BENCENO REACTOR Ejemplo de Diagrama de Bloque (DBP) Hidrógeno 820 Kg/hr Gases Kg/hr Tolueno Kg/hr SEPARADOR DE GASES Benceno Kg/hr Conversion de Tolueno 75% Diagrama Entrada-Salida correspondiente Hidrógeno Tolueno C 6H5CH3 H2 C6H6 CH 4 Metano Benceno

11 Convenciones para los diagramas de bloques. Cada operación o unidad de proceso se representa por un bloque. Existen sólo cuatro tipo de unidades de proceso que se representan en los diagramas de bloque: Mezcladores, Reactores, Divisores y Separadores. Las corrientes de flujo principal se representan por líneas flechadas en la dirección del flujo. Los flujos van de izquierda a derecha en el diagrama. Las corrientes gaseosas se incluyen en la parte superior del diagrama, y los líquidos y sólidos hacia la parte inferior, separados por densidades. Si las líneas se cruzan, las horizontales se mantienen y las verticales se cortan. Se incluye la información crítica para entender el proceso.

12 TRES ELEMENTOS INDISPENSABLES Ejemplo de Diagrama de Flujo de Proceso (DFP) Diagrama gases de combustión Gases 16 Tolueno 1 3 Hidrógeno TK-101 E-101 P-101A/B hps 2 4 H-101 air 5 Descriptor de los equipos fg R V-101 C-101A/B 7 cw E-102 V-103 E lps E-106 T-101 cw 12 E-104 V-102 E-105 mps cw P-102A/B Benceno TK-101 P-101A/B E-101 H-101 R-101 C-101A/B E-102 V-101 V-103 E 103 E-106 T-101 V-102 P-102A/B E-105 Almacén Bomba Precalen Horno Reactor Compresor Enfriador Separador Separador Calentador Rehervidor Torre de Tambor Bomba Enfriador Tolueno Tolueno Alim Alim Gas Reciclo Salida HP LP Entrada Benceno Benceno Reflujo Reflujo Producto Reactor Torre Tabla con especificaciones de las corrientes

13 En los Diagramas de Flujo de Procesos Se representan TODOS los equipos de proceso identificados por su códigos respectivo. Se numeran TODAS las corrientes de proceso incluyendo una descripción de sus condiciones (temperatura, presión), flujos y composición química mediante una TABLA adjunta. Se representan TODAS las corrientes de servicios (vapor, aire, refrigerantes, aceites de calefacción, etc) utilizados en cada equipo de proceso. Se deben señalar los lazos de control básicos para asegurar la estabilidad de las condiciones de proceso.

14 SEGÚN MANUAL DE INGENIERÍA DE DISEÑO - PDVSA Tipos de diagramas de proceso Diagrama de Flujo de Proceso (DFP) Diagrama de Servicios Industriales (DSI) Diagrama de Sistemas de Efluentes (DSE) Diagramas de Tuberías e Instrumentación (DTI)

15 ETAPAS EN EL DESARROLLO DEL PROYECTO VISUALIZACIÓN INGENIERÍA CONCEPTUAL INGENIERÍA BÁSICA INGENIERÍA DE DETALLE DIAGRAMA ENTRADA-SALIDA (DES) DIAGRAMA DE FLUJO (DFP) SERVICIOS ELÉCTRICOS SISTEMAS DE CALENTAMIENTO PLANOS DE PLANTA DIAGRAMA DE BLOQUE (DBP) DIAGRAMA DE SERVICIOS VAPOR SISTEMAS DE ENFRIAMIENTO SISTEMAS DE GASES COMPRIMIDOS Y GASES INERTES DIAGRAMAS ISOMÉTRICOS OBRAS CIVILES DIAGRAMAS DE INTERCONEXIÓN DIAGRAMA DE EFLUENTES AGUAS RESIDUALES CAPTACIÓN DE EFLUENTES MECHURRIOS Y SISTEMAS DE ALIVIO DISTRIBUCIÓN DE SERVICIOS INDUSTRIALES DIAGRAMA TUBERIAS & INSTRUMENTACIÓN DISTINTOS TIPOS DE DIAGRAMAS DE PROCESO CON FUNCIONES ESPECÍFICAS

16 Ejemplo: DIAGRAMA DE INTERCONEXION EN REFINERIA.

17 MERCADO NACIONAL Ejemplo: DIAGRAMA DE INTERCONEXION EN INDUSTRIA PETROQUÍMICA - COMPLEJO MORÓN METANO AMONÍACO 200 UREA 248 POTASA EMPRESAS PRIVADAS EMPRESAS MIXTAS ROCA FOSFÁTICA AZUFRE ÁCIDO FOSFÓRICO 75 ÁCIDO SULFÚRICO 462 PRODUVEN 10 NPK/DAP 330 SULFATO DE AMONIO 80 TRIPOLIVEN 33 FERRALCA 50 El número corresponde a Miles de Toneladas Métricas Anuales (MTMA)

18 DIAGRAMA DE FLUJO DE PROCESO Es una representación esquemática del proceso, sus condiciones de operación normal y control básico. Identifica los efluentes y su disposición. Incluye balance de masa e información para el diseño y especificaciones de los equipos. Insumo para el desarrollo del Diagrama de Tubería e Instrumentación.

19 DFP obtención de Benceno por hidrodesalquilación de tolueno V-101 P-101A/B E-101 H-101 R-101 C-101A/B E-102 V-102 V-103 E 103 E-106 T-101 V-104 P-102A/B E-105 Almacén Bomba Precalen Horno Reactor Compresor Enfriador Separador Separador Calentador Rehervidor Torre de Tambor Bomba Enfriador Tolueno Tolueno Alim Alim Gas Reciclo Salida HP LP Entrada Benceno Benceno Reflujo Reflujo Producto Reactor Torre Temperatura ( C) Presión (bar) Fracción vaporizada (molar) Flujo másico (ton/h) Flujo molar (kmol/h) Componentes de flujo (kmol/h) Hidrógeno Metano Benceno Tolueno

20 Diagramas DFP Identificación de equipos XX-YZZ A/B Indicador de unidades paralelas Número asignado al equipo Área asignada en la planta Identificador del tipo de equipo Ejemplo: P-101 A/B P-101 A/B P-101 A/B P-101 A/B Identifica una bomba Indica que la bomba está ubicada en el área 1 de la planta. Indica que la bomba es la número 01 de las n existentes en la planta Existencia de dos bombas idénticas, una de reemplazo (backup)

21 Códigos e imagen por tipo de equipo

22 Vol 15: Procedimientos de Ingeniería Titulo Preparación de diagramas de procesos. PDVSA Nª L-TP 1.1 Según Manual de Ingeniería de Diseño de PDVSA

23 Lista de códigos para la identificación de equipos Fuente: PDVSA Nª L-TP 1.1- Vol 15: Procedimientos de Ingeniería Titulo Preparación de diagramas de procesos.

24 Diagramas DFP Identificación de corrientes en los DFP

25 Símbolos para identificación de corrientes

26 Diagramas DFP Información para corrientes de proceso Como mínimo: Número de la corriente. Temperatura. Presión. Fracción de vapor. Flujo total másico. Flujo molar total. Flujo molar por componente. En algunos casos, también... Fracciones molares de los componente. Fracciones másicas de los componentes. Flujo volumétrico. Propiedades físicas (densidad, viscosidad, etc) Datos termodinámicos (calor específico, entalpía, etc.) Nombre de la corriente Corriente Temperatura (ºC) Presión (bar) Fracción de vapor Flujo Másico (ton/hr) Flujo Molar (kmol/hr) Composición molar (kmol/hr) Hidrogeno Metano Bemceno Tolueno

27 gases de combustión Gases 16 Tolueno 1 3 Hidrógeno hps TK-101 E P-101A/B 4 H-101 R air fg 9 5 V-101 C-101A/B cw 8 17 E-102 V-103 E lps E-106 T cw 12 E P-102A/B V-102 E-105 mps cw Benceno Corriente Temperatura (ºC) Presión (bar) Fracción de vapor Flujo Másico (ton/hr) Flujo Molar (kmol/hr) Composición molar (kmol/hr) Hidrogeno Metano Benceno Tolueno

28 Diagramas DFP Identificación de corrientes de servicios lps Vapor de baja presión 3-5 barg (sat) [145 C] mps Vapor de media presión barg (sat) [190 C] hps Vapor de alta presión barg (sat) [260 C] htm Medio de transferencia de calor hasta 400 C cw Agua de enfriamiento 30 C retorna 45 C wr Agua de río 25 C retorna <35 C rw Agua refrigerada 5 C retorna >15 C rb Refrigerante -45 C retorna 0 C cs Agua de desechos químicos con alto DQO ss Agua de desechos sanitarios con alto DBO el Energía eléctrica 220, 440 o 660 V ng Gas natural fg Gas combustible fo Aceite combustible fw Agua para sistemas contra incendios

29 Diagramas DFP Información complementaria para equipos Tipo de Equipo Intercambiadores de Calor Recipientes y Estanques Columnas Bombas Calderas Compresores Otros Suministre la siguiente información. Tipo (gas-gas; gas-líquido; condensador; evaporador). Area. Temperatura y presión de las corrientes. Número de carcazas y pasos de tubo. Materiales de construcción (tubos y carcazas) Altura y Diámetro. Orientación. Temperatura y presión. Materiales de construcción Tipo. Tamaño (altura, diámetro). Presión y temperatura. Número y tipo de platos o empaque. Materiales de construcción. Flujo. Presión de descarga. Temperatura. Diferencia de presión. Potencia en el eje. Tipo de impulsores. Material de construcción. Tipo. Presión en los tubos. Combustible. Material de construcción. Potencia nominal. Flujo a la entrada. Temperatura y presión. Tipo. Potencia en el eje. Materiales de construcción. Toda la información crítica.

30 DIAGRAMAS DE SERVICIOS INDUSTRIALES DIAGRAMAS DE SERVICIO: Sistema de generación de vapor y condensado Tratamiento de agua de caldera y químicos Agua de enfriamiento Sistema de refrigeración Sistemas de aceite de sello y lubricantes Compresores y secadores de aire de planta y de instrumentos Generación de potencia principal y auxiliar Generador y manejo de gas inerte Sistema contra incendio Sistema de aceite caliente Otros. Indica los servicios necesarios para el funcionamiento de la planta. Muestra los balances de masa para arranque, operación normal, producción máxima y parada. Se presenta un diagrama separado para cada servicio.

31 Diagramas de Servicios Industriales: Sistema de generación de vapor barg T max 260ºC barg T max 190ºC 3-5 barg T max 145ºC

32 Sistema de generación de vapor Calderas: Acuotubualres & Pirotubulares

33 Ejemplo de esquema para la producción de vapor

34 Diagramas de Servicios Industriales: Servicio de agua de enfriamiento

35 Ejemplo Diagrama del sistema de agua de enfriamiento

36 Diagramas de Servicios Industriales: Sistema de aire comprimido Distintos usos para el aire Aire para instrumentos y control neumático Aire comprimido para otros usos: 3 bar (45 psi) 7 bar (100 psi) 10 bar (150 psi) 20 bar (300 psi)

37 Ejemplo Diagrama de sistema de aire comprimido

38 DIAGRAMAS DE SISTEMAS DE EFLUENTES DIAGRAMAS: Distribución de efluentes y tratamiento Sistema de alivio y mechurrios Tratamientos de aguas servidas Otros. Muestra todos los efluentes (gaseosos, líquidos y sólidos) y su tratamiento o disposición para garantizar la calidad ambiental. Se presenta un diagrama separado para cada tipo de tratamiento de efluentes.

39 MECHURRIOS Y SISTEMAS DE ALIVIO

40 DIAGRAMA DE TUBERIA E INSTRUMENTACIÓN Muestra el proceso con los detalles mecánicos de equipos, tuberías y válvulas, conjuntamente con los lazos de control para garantizar la operación segura de la planta. Se elaboran DTI del proceso, de Servicios Industriales y de Sistemas de Efluentes.

41 Ejemplo de DTI

42 En los diagrama DTI se muestra Además de lo correspondiente a los DFP... Equipos: Mostrar equipos de respaldo, unidades paralelas, detalles principales de cada uno. Tuberías: Diámetros, espesor de pared (schedule), material de construcción, aislantes (tpo y espesor). Instrumentos: Indicadores, registradores, controladores y tipos. Tuberías y/o cableado de los instrumentos. Servicios: Entradas y salidas de las corrientes (aire, vapor, etc). Salidas de las corrientes a las plantas de tratamiento de efluentes.

43 Vol 15: Procedimientos de Ingeniería Titulo Preparación de diagramas de procesos. PDVSA Nª L-TP 1.1 Diferencias para la representación de equipos en DFP y en DTI

44 Vol 15: Procedimientos de Ingeniería Titulo: Identificación y numeración de tuberías. PDVSA Nº L-TP 1.3

45 PDVSA: Códigos de servicios de las tuberías PDVSA Nº L-TP 1.1 Vol 15: Procedimientos de Ingeniería / Titulo: Preparación de diagramas de procesos.

46 PDVSA: Códigos de servicios de las tuberías (Cont.) PDVSA Nº L-TP 1.1 Vol 15: Procedimientos de Ingeniería

47 Otros diagramas de proceso Diagrama Isométricos Planos de plantas Obras civiles Distribución de servicios industriales

48 DIAGRAMAS ISOMÉTRICOS Representación en 3D y a escala de la ubicación relativa de todos los equipos, sistemas de soporte, tuberías de proceso y de servicios.

49 Cortes de sección

50 Ejemplo de Diagrama Isométrico

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52 PLANO DE PLANTA Diagrama PLOT PLAN Generalmente presenta: - Plano de planta general - Plano de distribución de equipos Muestra distribución y espaciamiento de instalaciones y equipos. Resulta de utilidad para visualizar la seguridad de las operaciones, el acceso a equipos para mantenimiento, protección contra incendio, etc. Toma en cuenta aspectos meteorológicos y económicos.

53 PLANO DE PLANTA DIAGRAMA PLOT PLAN

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55 EJEMPLO DE UTILIZACIÓN EN EL PROYECTO DE MODERNIZACIÓN DE LA REFINERÍA DE BARRANCABERMEJA Santander Colombia

56 Cómo elaborar Diagramas de Flujo de Procesos?

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60 Para el análisis de procesos químicos Con base en la estructura general de sistemas de proceso químico, y la correcta lectura del DFP se recomienda: seguir el camino de los reactivos y productos, identificar puntos de mezcla y división de corrientes, identificar corrientes de bypass, corrientes de purga y lazos de reciclo.

61 Estructura general de un sistema de proceso químico Reciclo Cambios a condiciones que permitan la separación Alimentación Preparación de la alimentación para la reacción Zona de Reacción Preparación para la separación Zona de separación Producto Sub-Producto Ajuste a condiciones exigidas por la reacción Condiciones definidas por cinética y termodinámica de la reacción Tratamiento de efluentes

62 Seguimiento del camino de las especies Sólo en los reactores se transforman las materias primas en productos. Dirección del análisis (A) (R.I.) Sistema de Reacción (P) (P.R.S. I.) Dirección del análisis

63 Camino de los químicos REACTIVOS Y PRODUCTOS gases de combustión 16 Gases Tolueno 1 3 Hidrógeno Reactantes TK-101 E-101 P-101A/B hps 2 4 H-101 air 5 Sistema de Reacción fg R V-101 C-101A/B 7 cw E-102 V T-101 E lps mps 11 E-106 cw E-104 V-102 E-105 cw 14 P-102A/B Benceno Productos

64 Identificación de puntos de mezcla y división de corrientes. Puntos de mezcla gases de combustión Puntos de división de corrientes TK-101 Tolueno 1 2 hps E R C-101A/B H-101 Hidrógeno 3 P-101A/B air fg 7 cw 5 9 En el reciclo y preparación para la reacción.

65 Identificación de puntos de mezcla y derivación. 16 Gases 19 R T E-104 C-101A/B V E-103 cw V-102 lps 18 E cw E-102 mps cw 15 Benceno 9 14 V E-106 P-102A/B Puntos de mezcla Puntos de división de corrientes En el Sistema de Separación

66 Identificación de reciclos, bypass y purgas. Purga gases de combustión 16 Gases Tolueno 1 3 Hidrógeno TK-101 E-101 P-101A/B hps 2 4 H-101 R Bypass C-101A/B 7 cw air fg 9 5 V E-102 Reciclo de hidrogeno 17 T-101 E-103 V-103 E-106 cw lps E-104 V-102 E-105 mps cw P-102A/B Reciclo de tolueno Benceno

67 Secciones del sistema de proceso para la obtención de benceno a partir del tolueno. TK-101 P-101A/B E-101 H-101 R-101 C-101A/B E-102 V-101 V-103 E 103 E-106 T-101 V-102 P-102A/B E-105 Almacén Bomba Precalen Horno Reactor Compresor Enfriador Separador Separador Calentador Rehervidor Torre de Tambor Bomba Enfriador Tolueno Tolueno Alim Alim Gas Reciclo Salida HP LP Entrada Benceno Benceno Reflujo Reflujo Producto Reactor Torre gases de combustión 16 Gases 19 Tolueno 1 3 Hidrógeno TK-101 E-101 P-101A/B hps 2 4 H-101 air 5 fg R V-101 C-101A/B 7 cw E-102 V T-101 E lps mps 11 E-106 cw E-104 V-102 E-105 cw 14 P-102A/B 15 Benceno

68 Siempre se debe justificar Operar fuera del intervalo de presiones de 1 a 10 bar. Operar fuera del intervalo de temperatura entre 40 C y 260 C. lps Vapor de baja presión 3-5 barg (sat) [145 C] mps Vapor de media presión barg (sat) [190 C] hps Vapor de alta presión barg (sat) [260 C] Operar por encima de los 400 C.

69 Condiciones especiales de Presión Condiciones Justificación Penalidad de Operación P > 10 REACTOR atm Favorece la conversión en fase gaseosa (aumenta concentración) Mantener fase líquida SEPARADOR Obtener fase líquida para equilibrio (L-V o L-L ) Equipos especiales Requerimientos de Compresores P < 1 atm REACTOR Favorece la conversión Mantener fase gaseosa SEPARADOR Obtener fase gaseosa para equilibrio L-V Requiere grandes equipos Diseño especial para condiciones de vacio

70 Condiciones especiales de Temperatura Condiciones Justificación Penalidad de Operación T > 200ºC REACTOR Favorece la conversión (endotérmica) Incrementa velocidad de la reacción Mantener fase gaseosa Mejora selectividad SEPARADOR Obtener fase gaseosa para equilibrio L-V T < 40ºC REACTOR Favorece la conversión (exotérmica) Mantener fase líquida Mejora selectividad SEPARADOR Obtener fase líquida para equilibrio L-V o L L Obtener fase sólida para critalización Servicios especiales T > 400ºC materiales especiales Refrigerantes especiales Materiales especiales

71 Inertes o Productos en la alimentación Condición de Operación Inertes Reactivo en Exceso Justificación Diluyentes para el control de la velocidad de la reacción Inhibidores de caminos indeseados de la reacción Incrementa la conversión del reactivo limitante Inhibidor de caminos indeseados de la reacción Penalidad Equipos de separación para su remoción Reactores de mayor tamaño Decrece la conversión Requerimientos de reciclo Mayor costo de materia primas Producto presente en la alimentación Diluyente de la reacción Inhibidor de camimos indeseados Mayor tamaño de reactor Mayor flujo de reciclo Decrece la conversión Alimentación no estequiométrica

72 Estudio de casos Obtención de benceno por hidrodesalquilación del tolueno Actividades para la CLASE PRÁCTICA: La figura 1 muestra el diagrama de flujo del proceso de obtención de benceno por hidrodesalquilación del tolueno, según la reacción: CH 3 C 6 H 5 + H 2 C 6 H 6 + CH 4 Basado en la información que pueda extraer de dicho diagrama, responda a cada uno de los siguientes planteamientos: 1. Elabore una tabla o lista de equipos que forman parte de cada una de las diferentes etapas del proceso (preparación para la reacción, reacción, preparación para la separación, separación, etc.). 2. Indique el camino de los reactivos (tolueno e hidrógeno) y del producto (benceno), señalando las corrientes que lo conforman. 3. Identifique todos los puntos de mezcla y derivación señalando para cada uno de ellos los lazos involucrados (equipos y corrientes). 4. Determine la composición másica de la corriente que se mezcla con la corriente 2 para proporcionar la alimentación al evaporador E Identifique los reciclos en el proceso, indicando las corrientes y equipos involucrados. 6. Determine la conversión global del proceso y la conversión por pasos en el reactor. 7. Indique si existe o no benceno a la entrada del reactor? Qué información del PDF le permite sustentar su respuesta? En caso de una respuesta afirmativa, determine la fracción molar y másica de benceno en la alimentación al reactor. 8. Qué fracción de la corrientes 8 se recircula en el proceso? 9. Construya el diagrama de bloque del proceso y señale sobre él el balance de masa correspondiente.

73 DFP obtención de Benceno por hidrodesalquilación de tolueno Temperatura ( C) Presión (bar) Fracción vaporizada (molar) Flujo másico (ton/h) Flujo molar (kmol/h) Componentes de flujo (kmol/h) Hidrógeno Metano Benceno Tolueno FIGURA 1

74 Continuando el estudio de caso Observe el diagrama de flujo de la figura 2 (PFD hidrodesalquilación del tolueno). Repita sobre él las actividades realizadas sobre el diagrama de la figura 1. Establezca correspondencia entre la numeración de las corrientes de este diagrama y el analizado en la figura 1 Qué argumentos podría proponer para justificar la corriente 16? Podría eliminarse esta corriente sin comprometer la funcionalidad del proceso?

75 DFP hidrodesalquilación del tolueno CASO II FIGURA 2

76 Otras actividades relacionadas con el estudio de caso Observe el diagrama de flujo presentado en la figura 3 (obtención de benceno por hidrodesalquilación del tolueno) y con base en él realice las siguientes actividades: 1. Identifique el tipo de diagrama y comente sobre la aplicación de normas en su elaboración. 2. Identifique las entradas y salidas de materias primas, productos, subproductos y/o efluentes. Seguidamente identifique las líneas principales de proceso, indicando el camino de las especies; sustente su análisis con localización de especies. 3. Identifique las diferentes etapas del proceso y labore una lista de los equipos mayores que forman parte de cada una de ellas. 4. Elabore una breve descripción del proceso. 5. Identifique los puntos de mezcla y de división. 6. Diga si existen corrientes de reciclos, purgas, bypass. Identifique dichas corrientes y justifíquelas en términos de la descripción del proceso. 7. Indique la función operacional de cada uno de los equipos mayores asociados a cada etapa o sección del proceso

77 Hidrodesalquilación del tolueno para producción de benceno DFP para CASO III Hidrógeno Tolueno Metano Benceno FIGURA 3

78 Hidrodesalquilación del tolueno para producción de benceno. Camino de reactivos Hidrógeno C-1 E-1 E-10 F-1 Tolueno TK P-1 E-1 E-10 F-1 punto de mezcla

79 Hidrodesalquilación del tolueno para producción de benceno. Camino de productos Hidrógeno Tolueno E-10 E-1 E-2 D-1 E-3 T-1 E-3 T-2 E-6 D-3 P-3 E-11 bifurcación de corrientes Metano Benceno

80 Hidrodesalquilación del tolueno para producción de benceno. Lazos de reciclo Tolueno Purga de tolueno Purga de hidrógeno punto de mezcla bifurcación de corriente Desechos

81 Hidrodesalquilación del tolueno para producción de benceno Hidrógeno Tolueno Metano punto de mezcla bifurcación de corriente Desechos Benceno

82 También Compare el diagrama de flujo presentado en la figura 3 con el mostrado en la figura 4. Resalte las principales semejanzas y diferencias, luego comente sobre la conveniencia de cada arreglo. Compare los diagramas de las figuras 3 y 4 con el presentado en la figura 1, destacando las principales semejanzas y diferencias entre ellos. Repita sobre el diagrama de la figura 4 las actividades realizadas sobre los diagramas anteriores.

83 Hidrodesalquilación del tolueno para producción de benceno. DFP para CASO IV FIGURA 4

84 Hidrodesalquilación del tolueno para producción de benceno. Camino de los reactivos Hidrógeno C-1 E-10 F-1 Tolueno TK P-1 E-1 F-1 Punto de mezcla

85 Hidrodesalquilación del tolueno para producción de benceno. Camino de productos Camino de productos E-5 E-7 E-3 E-10 E-1 E-2 D-1 E-3 T-1 P-5 T-2 E-6 D-3 P-3 E-11 bifurcación de corriente Metano Benceno

86 Hidrodesalquilación del tolueno para producción de benceno. Lazos de reciclo Hidrógeno Tolueno Bay passt Metano punto de mezcla bifurcación de corriente Benceno

87 Diagramas de flujo para procesos químicos Realicemos algunos ejercicios trazando el camino de reactivos y productos. Veamos que conclusiones podemos establecer al aplicar esta estrategia para el análisis de DFP Ejercicios propuestos para el curso PS3213:Ingeniería de Procesos Material para fines didáctico preparado por Prof. A. Requena con base en DFP presentado en Analysis, Synthesis,and Design of Chemical Processes por Turton, Bailie, Whiting & Shaeiwitz

88 EJEMPLO 1: A continuación se muestra el diagrama de flujo de proceso (DFP) para la producción de acetona a partir del alcohol isopropílico según la reacción: (CH 3 ) 2 CHOH (CH 3 ) 2 CO + H 2 El alcohol empleado en la reacción está disponible en solución acuosa al 60% en peso y para la acetona obtenida como producto se exige una pureza mínima del 90%. Por razones de seguridad no está permitida la entrada de hidrógeno al reactor y éste debe ser removido de los productos de reacción tan pronto como sea posible. Con base en la información suministrada proceda a efectuar una correcta lectura e interpretación del DFP siguiendo el camino de los reactivos y de los productos, luego identifique los equipos correspondientes a cada zona del proceso.

89 DFP Obtención de ACETONA a partir de alcohol isopropílico (CH 3 ) 2 CHOH (CH 3 ) 2 CO + H Temperatura ( C) Presión (bar) Fracción de vapor Flujo másico (ton/h) Flujo molar (kmol/h) Componentes (Flujo molar kmol/h) Hidrogeno Acetona Alcohol isopropílico Agua

90 Camino de los REACTIVOS y caminos de los PRODUCTOS (CH 3 ) 2 CHOH (CH 3 ) 2 CO + H Temperatura ( C) Presión (bar) Fracción de vapor Flujo másico (ton/h) Flujo molar (kmol/h) Componentes (Flujo molar kmol/h) Hidrogeno Acetona Alcohol isopropílico Agua

91 RECUERDE: Estructura general de un sistema de proceso químico Reciclo Producto Preparación de la alimentación para la reacción Zona de Reacción Preparación para la separación Zona de separación Alimentación Sub-Producto A tratamiento de efluentes

92 EJEMPLO 2: El anhídrido ftálico es una de las materias primas más importantes para la fabricación de resinas alquílica, ésteres plastificantes, resinas poliéster y colorantes; se emplea también en la preparación de ácido benzoico, sales metálicas, anhídrido tetracloroftálico y ácido tereftálico. El diagrama de flujo de proceso (DFP) para la producción de anhídrido ftálico por oxidación parcial de naftaleno, se muestra en la página siguiente. En él tienen lugar las siguientes reacciones: C 10 H 8 + 9/2 O 2 C 8 H 4 O H 2 O + 2 CO 2 naftaleno oxígeno anhídrido ftálico agua dióxido de carbono C 10 H O 2 2 C 4 H 2 O H 2 O + 2 CO 2 naftaleno oxígeno anhídrido maleico agua dióxido de carbono C 10 H 8 + 3/2 O 2 C 10 H 6 O 2 + H 2 O naftaleno oxígeno naftaquinona agua Con base en la información suministrada, efectué la lectura e interpretación del DFP siguiendo el camino de los reactivos y de los productos, luego identifique los equipos correspondientes a cada zona del proceso.

93 DFP Obtención de ANHÍDRIDO FTÁLICO por oxidación parcial del naftaleno Temperatura ( C) Presión (bar) Fracción de vapor Flujo másico (ton/h) Flujo molar (kmol/h) Componentes Naftaleno Oxígeno Anhídrido ftálico Anhídrido maléico Naftaquinona Dióxido de carbono Monóxido carbono Nitrógeno Agua Sal fundida

94 Camino de los REACTIVOS y caminos de los PRODUCTOS Temperatura ( C) Presión (bar) Fracción de vapor Flujo másico (ton/h) Flujo molar (kmol/h) Componentes Naftaleno Oxígeno Anhídrido ftálico Anhídrido maléico Naftaquinona Dióxido de carbono Monóxido carbono Nitrógeno Agua Sal fundida

95 Por ANALOGÍA con la ESTRUCTURA GENERAL de un sistema de proceso químico Reciclo Producto Preparación de la alimentación para la reacción Zona de Reacción Preparación para la separación Zona de separación Alimentación Sub-Producto A tratamiento de efluentes

96 EJEMPLO 3: El dimetil-eter (DME),usado principalmente como propelente, se obtiene por deshidrogenación catalítica del metanol sobre un catalizador ácido de zeolita, según la reacción: 2 CH 3 OH (CH 3 ) 2 O + H 2 O Seguidamente se muestra el diagrama de flujo para la obtención de toneladas métricas por año (suponga h/año). El DME se obtiene con una pureza del 99,5%. Datos Adicionales: Metanol Dimetil-eter Agua Formula CH 3 OH (CH 3 ) 2 O H 2 O Peso molecular 32,04 46,01 18,016 Peso específico (20 /4 ) 0,792 0,708 1 Pto. Fusión ( C) - 97, Capacidad calorífica (kj/kmol) Líq Gas o Vap 1,1097 E-5 1,0533 E-5 1,0314 E-5 1,6581 E-5 0,8939 E-5 0,5276 E-5 H fusión (kj/gmol) 3,167 6,009 Pto. Ebullición normal ( C) 64, H vaporización (kj/mol) 35,27 40,65 Presión de vapor (Ec. Antoine) C C A 7,87 7,9 B 1473, ,2 C Calor de formación H f o?(kj/mol) -238,6 (l) -201,2 (g) -241,8 (g)

97 DFP Obtención de DIMETIL ETER (DME) a partir del metanol 2 CH 3 OH (CH 3 ) 2 O + H 2 O Temperatura ( C) Presión (bar) 1,0 15,5 15,2 15,1 14,7 13,9 13,8 13,4 10,4 11,4 10,5 7,4 15,5 7,6 1,2 11,4 7,3 Fracción vaporizada (molar) ,079 0, , Flujo másico (ton/h) 8,37 8,37 10,49 10,49 10,49 10,49 10,49 10,49 10,49 5,97 4,52 4,52 2,13 2,39 2,39 2,17 3,62 Flujo molar (kmol/h) 262,2 262,2 328,3 328,3 328,3 328,3 328,3 328,3 328,3 129,7 198,6 198,6 66,3 132,3 132,3 47,1 113,0 Componentes de flujo (kmol/h) Dimetil-eter 0,0 0,0 1,5 1,5 1,5 130,5 130,5 130,5 130,5 129,1 1,4 1,4 1,4 0,0 0,0 46,9 2,4 Metanol 259,7 259,7 323,0 323,0 323,0 64,9 64,9 64,9 64,9 0,6 64,3 64,3 63,6 0,7 0,7 0,2 108,4 Agua 2,5 2,5 3,8 3,8 3,8 132,9 132,9 132,9 132,9 0,0 132,9 132,9 1,3 131,6 131,6 0,0 2,2

98 Camino de los REACTIVOS y camino de los PRODUCTOS. 2 CH 3 OH (CH 3 ) 2 O + H 2 O Temperatura ( C) Presión (bar) 1,0 15,5 15,2 15,1 14,7 13,9 13,8 13,4 10,4 11,4 10,5 7,4 15,5 7,6 1,2 11,4 7,3 Fracción vaporizada (molar) ,079 0, , Flujo másico (ton/h) 8,37 8,37 10,49 10,49 10,49 10,49 10,49 10,49 10,49 5,97 4,52 4,52 2,13 2,39 2,39 2,17 3,62 Flujo molar (kmol/h) 262,2 262,2 328,3 328,3 328,3 328,3 328,3 328,3 328,3 129,7 198,6 198,6 66,3 132,3 132,3 47,1 113,0 Componentes de flujo (kmol/h) Dimetil-eter 0,0 0,0 1,5 1,5 1,5 130,5 130,5 130,5 130,5 129,1 1,4 1,4 1,4 0,0 0,0 46,9 2,4 Metanol 259,7 259,7 323,0 323,0 323,0 64,9 64,9 64,9 64,9 0,6 64,3 64,3 63,6 0,7 0,7 0,2 108,4 Agua 2,5 2,5 3,8 3,8 3,8 132,9 132,9 132,9 132,9 0,0 132,9 132,9 1,3 131,6 131,6 0,0 2,2

99 RECUERDE: Estructura general de un sistema de proceso químico Reciclo Producto Preparación de la alimentación para la reacción Zona de Reacción Preparación para la separación Zona de separación Alimentación Sub-Producto A tratamiento de efluentes

100 CONCLUSIONES: EN LOS EJEMPLOS ANTERIORES OBSERVAMOS El trazado del camino de reactivos y de productos establece los límites de la zona de reacción. El camino de los reactivos está relacionado con la zona de preparación para la reacción. Los equipos excluidos del camino de los reactivos y de los productos están vinculados con zona de reciclo o servicios. Las corrientes de purga están relacionadas con los lazos de reciclo.

101 Análisis de proceso químico Obtención de acetona a partir de alcohol isopropílico Ejercicio propuesto para el curso PS3213:Ingeniería de Procesos Material para fines didáctico preparado por Prof. A. Requena con base en DFP presentado en Analysis, Synthesis,and Design of Chemical Processes por Turton, Bailie, Whiting & Shaeiwitz

102 En la figura adjunta se muestra el diagrama de flujo de proceso (DFP) para la producción de acetona a partir del alcohol isopropílico según la reacción: (CH 3 ) 2 CHOH (CH 3 ) 2 CO + H 2 El alcohol empleado en la reacción está disponible en solución acuosa al 60% en peso y para la acetona obtenida como producto se exige una pureza mínima del 90%. Por razones de seguridad no está permitida la entrada de hidrógeno al reactor y éste debe ser removido de los productos de reacción tan pronto como sea posible. Con base en la información suministrada proceda a efectuar una correcta lectura e interpretación del DFP siguiendo el camino de los reactivos y de los productos, luego responda a cada uno de los planteamientos formulados.

103 DFP acetona a partir de alcohol isopropílico (CH 3 ) 2 CHOH (CH 3 ) 2 CO + H Temperatura ( C) Presión (bar) Fracción de vapor Flujo másico (ton/h) Flujo molar (kmol/h) Componentes (Flujo molar kmol/h) Hidrogeno Acetona Alcohol isopropílico Agua

104 1. Complete la Tabla indicando los códigos de los equipos que conforman cada una de las secciones del proceso. Zona Preparación para la reacción Equipos que la integran (Escriba sólo el código) V-401 P-401 A/B E-401 Reacción R-401 P-402 A/B H-401 Preparación para la separación E-402 E-403 Separación V-402 T-401 T-402 E-404 V-403 E-405 P-403 A/B Reciclo P-404 A/B T-403 E-406 V-404 E-407 P-405 A/B Seguidamente se muestran las distintas zonas coloreadas según su correspondencia con la estructura general de un sistema de proceso químico.

105 RECUERDE: Estructura general de un sistema de proceso químico Reciclo Producto Preparación de la alimentación para la reacción Zona de Reacción Preparación para la separación Zona de separación Alimentación Sub-Producto A tratamiento de efluentes

106 2. Diga si existe corriente de purga o bypass en el DFP. En caso afirmativo calcule el flujo de dichas corrientes. No hay presencia de corrientes de bypass El reactivo se introduce disuelto en agua, la que actúa como un inerte, por lo tanto, debe existir una purga para eliminar dicho inerte (agua) en cantidad similar a la introducida. También se debe tener en cuenta que para el producto (acetona) sólo se exige una pureza del 90%, por lo que puede arrastrar parte del inerte introducido. Para verificar esta hipótesis se puede seguir el siguiente procedimiento:

107 Purga Cantidad de agua a purgar = Cantidad de agua como inerte en la alimentación = m H2O 1 = 17,1 t/h Agua eliminada en corriente 15 = 35,8 t/h Agua introducida en corriente 8 = 20,0 t/h Agua eliminada en 15 y no introducida en 8 = 15,8 t/h Agua eliminada con productos = Agua en corriente 16 = 1,29 t/h Cantidad de agua purgada = (15,8 + 1,29) t/h = 17,1 t/h Se verifica la eliminación de agua inerte como una corriente de purga

108 3. Que función cumplen los equipos P-402 A/B y H-401 en el proceso? Un ingeniero propone suprimir estos equipos reemplazándolos por un recuperador de calor a la salida del reactor R-401 para aproveche el calor de la corriente 3. Apoyaría Ud. esta propuesta? Justifique adecuadamente su respuesta. La bomba P-402 A/B hace circular un fluido que sale del sistema de calentamiento del reactor a 357 C y lo lleva al horno H-401 para calentarlo hasta 407 C; esto permite inferir que la reacción es endotérmica con alta energía de activación. Cabe destacar que la corriente 4 NO ES FLUIDO DE PROCESO; es una corriente de servicio, muy probablemente constituida por una sal inorgánica fundida y no un aceite orgánico, pues estos podrían sufrir craqueo a temperaturas mayores a 350 C. Esta configuración permite afirma que la zona de reacción está integrada no sólo por el reactor R-401, sino también por la bomba P-402 A/B y el horno H-401.

109 La propuesta de sustituir el sistema de calentamiento del reactor por un recuperador de calor a la salida del reactor es inadecuada, ya que al tratarse de una reacción endotérmica, la temperatura de salida del reactor (corriente 3) sería mucho más baja si no se suministra calor al reactor. Si se supone la capacidad calorífica del fluido de calentamiento, (para una sal fundida puede tomarse 0,25 kcal/kg C), es posible estimar el calor de la reacción, según se muestra a continuación: Q ZONA DE REACCIÓN m Cp T H R Sustituyendo valores numéricos: Q = (kg/h) 0,25 (kcal/kg C) ( ) C kcal/h Esta cantidad de calor no podría ser suplida por la corriente 3, (verifíquelo) por lo que no se apoya la propuesta.

110 4. Uno de sus compañeros de curso le comenta que él piensa que el agua alimentada al proceso sólo se utiliza para atrapar por solubilidad los vapores de acetona arrastrados en la corriente gaseosa que abandona el V-402. Qué balance de masa propondría Ud. realizar para verificar la hipótesis del su compañero? Realice dicho balance y diga si está Ud. de acuerdo con esta idea. Para verificar la hipótesis, determinamos la fracción de acetona contenida en la corriente 5 que se arrastra a la corriente 6. Fracción acetona recuperada = m AC 6 / m AC 5 1,93 / 4,4 = 43,9% Por lo que efectivamente SE RECUPERA ACETONA, sin embargo vale la pena evaluar la cantidad de acetona recuperada en relación a la producción total.

111 Esto puede estimarse a partir de la cantidad de acetona en la corriente 9 que proviene de la corriente 6. m Acetona 6 / m Acetona 9 = 1,93 / 32,4 = 5,95% Pero la T-401 también recupera alcohol isopropílico no convertido: Alcohol recuperado = m Alc 6 / m Alc 5 (0,10/0,12)*100 = 83,3% Pero el alcohol recuperado es muy poco en relación al contenido en la corriente 9. m Alc 6 / m Alc 9 = (0,10/3,84)*100 = 2,6% SEPARACIÓN DE GASES Se puede por tanto afirmar que la función principal de la T-401 es recuperar acetona, para aumentar el rendimiento del proceso.

112 5. Se propone eliminar el equipo E-403 y aumentar el área del intercambiador E-402 para manejar la carga térmica del E-403. Apoyaría Ud. esta propuesta? Justifique adecuadamente su respuesta. No se apoya la propuesta dada las diferencias en el tipo de servicio de cada intercambiador. El servicio agua fría (cw) utilizado en el E-402 no permitiría alcanzar la temperatura de 20 C requerida a la entrada del V-402 y si se sustituye el servicio por agua refrigerada (rw) se sub-utilizaría los servicios con el consecuente incremento de los costos de operación.

113 6. Construya el diagrama Entrada-Salida y el diagrama de bloque para este proceso Diagrama Entrada-Salida Alcohol Isopropílico Diagrama de Bloque (CH 3 ) 2 CHOH (CH 3 ) 2 CO + H 2 a) Si consideran alimentación de alcohol puro Hidrógeno Hidrógeno Acetona Alcohol Isopropílico REACTOR SEPARADOR DE GASES Acetona Reciclo del alcohol no convertido b) Si considera alcohol al 60% SEPARADOR DE LÍQUIDOS Purga para eliminación del agua inerte Debe incluir corriente de purga para eliminar el agua antes del reciclo.

114 PS3213 Capítulo II: Análisis de Procesos Químicos. Diagramas de bloque, diagramas de flujo y diagramas de tuberías e instrumentación. Estrategias para el análisis de procesos químicos Alejandro Requena Dpto. Procesos y Sistemas Universidad Simón Bolívar Sartenejas, 2014