CONDICIONES DE PROCESO

Transcripción

1 CONDICIONES DE PROCESO

2 CONDICIONES DE PROCESO PRESION TEMPERATURA RELACIONES NO ESTEQUIOMETRICAS EXCESOS INERTES IMPUREZAS CAMBIOS EN CONDICIONES DE OPERACION EN EQUIPOS AUMENTOS DE PRESION DIFERENCIAS DE TEMPERATURA

3 PRESIÓN P <> [1:10] bar : JUSTIFICACION P > 10 bar : MAYOR ESPESOR DE PARED MAYOR COSTO P < 1 bar : EQUIPOS MAS GRANDES TECNICAS ESPECIALES DE CONSTRUCCION MAYOR COSTO P > AMBIENTE : OPERACION VENTAJOSA CON GASES DISMINUCION DE VOLUMEN MENOS COSTO

4 TEMPERATURA T > 400 ºC : JUSTIFICACION ALTAS TEMPERATURAS : MATERIALES COSTOSOS LIMITANTES DE TEMPERATURAS : VAPOR DE ALTA PRESION (40-50 bar, 250 a 265 ºC) AGUA DE ENFRIAMIENTO (30-45 ºC) Una decisión de operar por fuera del rango de 40 ºC a 260 ºC, requieren medios especiales de calentamiento o enfriamiento, se debe justificar.

5 CONDICIONES DE PROCESO EXTREMAS CRITERIOS DE JUSTIFICACION FAVORECER CONVERSION DE EQUILIBRIO AUMENTAR VELOCIDAD DE REACCION MANTENER UNA FASE GASEOSA MEJORAR LA SELECTIVIDAD

6 ALTAS TEMPERATURAS JUSTIFICACIONES Y CONSECUENCIAS Tabla 4.1a

7 BAJAS TEMPERATURAS JUSTIFICACION Y CONSECUENCIAS Tabla 4.1b

8 ALTAS PRESIONES JUSTIFICACIONES Y CONSECUENCIAS Tabla 4.2a

9 BAJAS PRESIONES JUSTIFICACIONES Y CONSECUENCIAS Tabla 4.2b

10 RELACIONES NO ESTEQUIOMETRICAS JUSTIFICACIONES Y CONSECUENCIAS Tabla 4.3a

11 RELACIONES NO ESTEQUIOMETRICAS JUSTIFICACIONES Y CONSECUENCIAS Tabla 4.3b

12 CAMBIO EN LAS CONDICIONES DE PROCESO JUSTIFICACIONES Y CONSECUENCIAS Tabla 4.4a

13 CAMBIO EN LAS CONDICIONES DE PROCESO JUSTIFICACIONES Y CONSECUENCIAS Tabla 4.4b

14 CAMBIO EN LAS CONDICIONES DE PROCESO JUSTIFICACIONES Y CONSECUENCIAS Tabla 4.4c

15 COMPRESIÓN DE NITRÓGENO Ejemplo 4.2 Se hace necesario proporcionar una corriente de nitrógeno a 80 ºC y 6 bar. La fuente del nitrógeno está a 200 ºC y 1.2 bar. Determine el trabajo y los requerimientos de enfriamiento para tres alternativas. A. Comprimir en una sola etapa y enfriar el gas comprimido. B. Enfriar el gas alimentado a 80 ºC y luego repetir la parte A. C. Repetir la parte B, sólo que usando dos etapas de compresión con un interenfriador. D. Identificar cualquier condición de especial interés que ocurra.

16 COMPRESIÓN DE NITRÓGENO Ejemplo 4.2 El nitrógeno se puede tratar como un gas ideal diatómico, para este ejemplo, usando una base de 1 Kmol de nitrógeno y asumiendo que la eficiencia,, de cada etapa de compresión es 70%. Para el gas ideal diatómico: C p = 3.5R, C v = 2.5R, = C p /C v = 1.4 R = kj/kmol K, = 70% Ecuaciones: q = Cp T, w = RT in /( -1)[(P out /P in ) ( -1)/ -1]/ Tout = Tin (1 + [1/ ][(P out /P in ) ( -1)/ -1])

17 COMPRESIÓN DE NITRÓGENO Figura E4.2 cw W 1 3 q 1 cw 4 cw W 1 q cw cw q 1 cw W 1 q 2 W 2 q q 1

18 COMPRESIÓN DE NITRÓGENO Tabla E4.2

19 COMPRESIÓN DE NITRÓGENO Tabla E4.2

20 COMPRESIÓN DE NITRÓGENO Conclusiones El ejemplo 4.2 muestra tres alternativas de diferente complejidad para conseguir las condiciones finales. La cantidad de trabajo (w) y servicios de enfriamiento (q) que se requiere para cada alternativa se calcularon. Basado solamente en la complejidad del proceso, la Alternativa A es la más deseable. Sin embargo, esta alternativa tiene muchos inconvenientes. La Alternativa A tiene: 1. Alta demanda de servicio de electricidad y costos. 2. Alta demanda de servicios de enfriamiento y costos. 3. T > 400 ºC 4. Excede la relación de presión

21 COMPRESIÓN DE NITRÓGENO Conclusiones La Alternativa B es más compleja que la Alternativa A debido a que esta requiere un intercambiador adicional, pero evade la condición 3 para la Alternativa A. el resultado del intercambiador extra es una disminución significativa en servicios sobre la Alternativa A. Como resultado podría preferirse la Alternativa A. La Alternativa C requiere una etapa de compresión adicional y un enfriador antes del segundo compresor que no se usa en la Alternativa B. sin embargo, la Alternativa C resulta en ahorros adicionales en utilidades sobre la Alternativa B. El análisis cualitativo dado, sugiere que las Alternativas B y C son superiores a la Alternativa A. Esta conclusión es consistente con las heurísticas para compresores dadas en la Tabla 4.4.

22 PROCESO HDA MATRIZ DE CONDICIONES Tabla 4.5

23 PROCESO HDA EVALUACIÓN DEL REACTOR R-101 Tres condiciones de interés se han identificado para el reactor. Estas son alta p resión, a lta temperatura y alimentación no estequiométrica. A fin de entender por qué estas condiciones se necesitan, información adicional de la Hidrodealquilación del Tolueno se requiere. La Tabla 4.6 provee información adicional pero limitada. Esta información se divide en dos grupos.

24 PROCESO HDA EVALUACIÓN DEL REACTOR R-101 INFORMACION TERMODINAMICA Esta información se encuentra en la mayoría de los libros de termodinámica de ingeniería, que es: a. Información que se requiere para los balances de energía, incluyendo calores de reacción y cambio de fase, capacidades caloríficas, etc. b. Información que se requiere para determinar la conversión de equilibrio, incluyendo calores de formación, energías libre de formación, etc.

25 PROCESO HDA EVALUACIÓN DEL REACTOR R-101 INFORMACION CINETICA Esta información es específica de cada reacción y debe ser obtenida experimentalmente. La cinética total puede involucrar reacciones homogéneas y heterogéneas, catalíticas y no catalíticas. Las expresiones a menudo son complejas. El análisis del reactor toma lugar en dos partes: a. Evaluación de condiciones especiales del punto de vista termodinámico. Se asume que el equilibrio químico se alcanza y proporciona un caso limitante. b. Evaluación de las condiciones especiales desde el punto de vista cinético. Esto es importante para las limitaciones impuestas por la cinética de la reacción, transferencia de masa y transferencia de calor.

26 PROCESO HDA REACTOR R INFORMACION Tabla 4.5 C Estequiometría de la Reacción 6H 5CH 3 H 2 C6H 6 CH 4 Constante de Equilibrio (T en K) ln( K P ) T 2.073ln( T ) 3.499x T 4.173x10 T 2 T Calor de Reacción (kj/kmol) H reacción * T 29.09x 10 T x 10 T T

27 PROCESO HDA REACTOR R CONDICIONES Tabla 4.5 A las Condiciones de Reacción de 600 ºC (873 K) Constante de equilibrio, K P = 265 Calor de Reacción H reacción = kj/kmol Información de la Cinética de la Reacción No hay reacciones laterales La reacción es cinéticamente controlada

28 PROCESO HDA CONSTANTES DE EQUILIBRIO Versus TEMPERATURA Figura Constante de Equilibrio Temperatura, K

29 PROCESO HDA CALOR DE REACCION Versus TEMPERATURA Figura Calor de Reaccion, MJ/kmol Temperatura, K

30 REACTOR R-101 EVALUACIÓN TERMODINAMICA Se consideran las condiciones de alta temperatura, alta presión y alimentación no estequiométrica separadamente. Alta temperatura La figura 4.1 proporciona la información importante de que la reacción es exotérmica. La tabla 4.1 nota que para una reacción exotérmica el resultado del incremento de la temperatura es una reducción en la conversión de equilibrio. La disminución de la conversión de equilibrio no es deseada.

31 REACTOR R-101 EVALUACIÓN TERMODINAMICA Alta Presión De la estequiometría de la reacción, se ve que los reactantes y productos están en igual número de moles en la reacción de hydrodealquilación. Para este caso, no hay efecto de la presión sobre la conversión de equilibrio. Desde un punto de vista termodinámico no hay razón para alta presión en el reactor.

32 REACTOR R-101 EVALUACIÓN TERMODINAMICA Alimento no estequiométrico La proporción de los componentes alimentados al reactor muestra que: 1. El tolueno es el reactivo limitante 2. El hidrógeno es un reactante en exceso (cerca del 400% de exceso) 3. El metano, producto de la reacción, está presente en cantidades significativas.

33 REACTOR R-101 EVALUACIÓN TERMODINAMICA Productos de reacción (Metano) en la alimentación La presencia de productos de reacción en la alimentación resulta en una reducción en la conversión de equilibrio. Exceso de reactante (Hidrógeno) en la alimentación La presencia de exceso de reactante en la alimentación resulta en un aumento en la conversión de equilibrio. Se concluye que las consideraciones termodinámicas no explican la selección de alta temperatura, alta presión y y la presencia de productos en la alimentación. La presencia de un gran exceso de hidrógeno es el único efecto positivo predecido mediante termodinámica.

34 REACTOR R-101 EVALUACIÓN CINETICA De la información proporcionada en la Tabla 4.6 se sabe que: 1. La reacción toma lugar en fase gaseosa 2. La reacción es controlada cinéticamente 3. No hay reacciones laterales significativas

35 REACTOR R-101 EVALUACIÓN CINETICA Alta temperatura En una región donde el control cinético de la reacción, la tasa de reacción incrementa rápidamente con la temperatura. El tamaño del reactor podría incrementar cerca de tres órdenes de magnitud si la reacción se llevara a cabo a 400 ºC en vez de a 600 ºC. claramente el efecto de la temperatura es significativo. La mayoría de las reacciones no son cinéticamente controladas como en este caso. En la mayoría de los casos la tasa es controlada mediante consideraciones de transferencia de calor o masa.

36 REACTOR R-101 EVALUACIÓN CINETICA Alta Presión Para reacciones en fase gaseosa, la concentración de los reactantes es proporcional a la presión. Para un caso en el que la tasa es proporcional a la concentración, operar a 25 bar en vez de 1 bar incrementaría la tasa de reacción en un factor de 25 (asumiendo comportamiento ideal). Aunque no conocemos que la tasa es directamente proporcional a la concentración, podemos predecir el efecto de la presión va a ser substancial, y el tamaño del reactor se reducirá substancialmente.

37 REACTOR R-101 EVALUACIÓN CINETICA P r o d u c t o s d e r e a c c i ó n ( M e t a n o ) e n l a alimentación El efecto del metano es reducir la concentración de los reactantes. Esto disminuye la tasa de reacción y representa un impacto negativo. El metano, posiblemente, podría reducir la formación de productos laterales, pero no se tiene información para decir que este es el caso.

38 REACTOR R-101 EVALUACIÓN CINETICA E x c e s o d e r e a c t a n t e ( H i d r ó g e n o ) e n l a a l i m e n t a c i ó n La gran cantidad de exceso de hidrogeno en la alimentación asegura que la concentración de hidrógeno permanecerá grande en el reactor. Esto incrementa la tasa de reacción. Aunque no hay información proporcionada en cuanto a la decisión de mantener los niveles altos de hidrógeno, esto puede relacionarse a la reducción de productos laterales. Con la excepción de la presencia de metano en la alimentación, la alta temperatura de operación, el exceso de hidrógeno, y la elevada presión está soportado en un incremento de la tasa de reacción y una reducción d e l v o l u m e n d e l r e a c t o r.

39 REACTOR R-101 EVALUACIÓN CINETICA Existe una consecuencia económica significativa al usar un exceso de hidrógeno de 400% en el reactor. El costo de materia prima se reduciría significativamente si tal exceso no se usara. El hecho es que esta gran cantidad de exceso es usado a pesar de la consecuencia económica involucrada sugiere que el hidrógeno juega un papel importante en la prevención de productos laterales.

40 SEPARADOR DE FASES V-102 EVALUACION Este tanque separa tolueno y benceno en estado líquido, de gases no condensables, hidrógeno y metano. El producto del reactor se enfría y forma una corriente de líquido y vapor que están en equilibrio. El equilibrio líquido-vapor es a la temperatura y presión de la corriente que entra al V-102. De las tablas 4.1 y 4.2, concluimos que la baja temperatura (38 ºC) se dispuso para obtener una fase líquida para el equilibrio vapor - líquido. La presión (24 bar) se mantuvo para sostener la formación de la fase líquida. Debido a que la separación puede ser afectada relativamente fácil a alta presión, vale la pena mantener el V-102 a esta alta presión.

41 INTERCAMBIADOR E-101 EVALUACION Existe una gran fuerza impulsora de temperatura en e l in te rc a mb ia d o r, de b id o a l me d io d e calentamiento es a u na t emperatura d e ap ro x im a d a me n te ºC, y la e n tra d a a l intercambiador es a 30 ºC solamente. Esto es mayor que los 100 ºC que se sugieren en la tabla 4.4. Este es un ejemplo de una pobre integración de calor.

42 INTERCAMBIADOR E-102 EVALUACION La corriente 9 se enfría de 654 ºC a 40 ºC u s a n d o a g u a d e e n f r i a m i e n t o aproximadamente a 35 ºC. otravez es mayor de 100 ºC y la corriente de proceso tiene m u c h a e n e r g í a v a l i o s a q u e s e e s t á desperdiciando.

43 VÁLVULA DE CONTROL DE PRESIÓN CORRIENTE 8 El propósito de esta válvula de control es reducir la presión de la corriente que entra en la línea del gas combustible de 23.9 bar a 2.5 bar. Esta reducción en la presión representa una pérdida de trabajo debido a la acción de estrangulamiento de la válvula. Refiriéndonos a la Tabla 4.4, podemos apreciar que cuando estrangulamos un gas, podemos recuperar trabajo usando una turbina, aunque esto puede no ser económicamente atractivo. La operación de la válvula se justifica debido a su función de control.

44 VÁLVULA DE CONTROL DE PRESIÓN CORRIENTE DE V-102 A V-103 El propósito de esta válvula de control es reducir la presión del líquido que deja el V-102. esta reducción en la presión causa un flash adicional y recupera hidrógeno y methano disuelto de la mexcla de tolueno benceno. El gas flashed es separado en el V- 103 y se envia a la línea de gas combustible. El propósito de esta válvula es controlar la presión del material alimentado a la columna de destilación T-101. debido a que la corriente pasa através de la válvula es escencialmente toda líquida, un trabajo pequeño se podría recuperar de esta corriente.