Universidad Tecnológica Nacional

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1 Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional Rosario Área de Postgrado y Educación Continua Curso: Modelado, Simulación y Diseño de Procesos Químicos Examen Final Aplicación del Modelado, Simulación y Diseño de Procesos Químicos Aplicados a una planta completa 7 de Julio Rosario - MMVIII

2 Problema: Un grupo de ingeniería de una empresa química ha recibido una solicitud, que involucra el diseño de un reactor para la producción de una mezcla liquida, necesaria para uno de los procesos de la planta. Dada la continua interrupción de la provisión, se ha decidido producir en planta dicha mezcla. Luego de una investigación a nivel laboratorio, que exploró diversos caminos de reacción, se concluyó que la misma puede producirse convenientemente a través de la siguiente reacción: A + B C C D + E La diferencia de volatilidades relativas entre los reactantes y los productos es importante, por lo que con un simple equipo flash podría llevarse a cabo la separación deseada, para reciclar los reactivos no consumidos. Flowsheet base El grupo propone un diseño básico, que consiste en el de la figura. Se ha realizado la simulación del mismo, tanto en estado estacionario como dinámico, a los efectos de evaluar el consumo de vapor y de agua de enfriamiento, y en esta etapa, los costos preliminares son solo tenidos en cuenta a través de reglas muy sencillas, tales como volúmenes de tanques y recipientes, áreas de intercambio, etc, despreciando el costo de bombeo. 1

3 Examinado por la gerencia el proyecto, no sufre demasiadas objeciones, y la principal, es el llamado de atención acerca de la falta de agua de enfriamiento disponible, ya que otros procesos se han expandido, y hasta una nueva expansión del sistema de provisión, el agua está muy limitada. Es por eso que se le requiere al grupo un nuevo diseño, aún cando sea más costoso, para minimizar el consumo de agua de enfriamiento, en lo posible. En primer lugar se solicita la confección del modelo y la simulación de la planta en su versión base (tal como se aprecia en la figura) de acuerdo a la filosofía modular secuencial. Luego proponga a través de un método de síntesis de redes de intercambio calórico, y a través de los heurísticos que crea conveniente, una modificación al diseño base, tal que implique una nueva estructura que minimice el consumo de agua de enfriamiento. Analice qué sucede con el consumo de vapor y las principales variables que inciden en el costo. Confeccione una tabla de resumen en la que se comparen ambas alternativas. Para ello se deberán determinar el volumen total (tanque, + reactor/es + separador/es) y el área total (área de intercambio en reactor/es + enfriamiento + calentamiento). Esto daría una idea del costo fijo total. Considerar además consumo de vapor y agua de enfriamiento. Comentarios: 1- El tanque es necesario para tener un pulmón en la planta 2- El calentamiento de la alimentación del reactor es necesario para activar la reacción. Si se realiza una simulación dinámica comprobará esto. 3- El enfriamiento al reciclo que va al tanque es necesario para evitar la reacción en el tanque (la temperatura en el mismo no debe superar los 45 ºC). 4- El reciclo directo al reactor se elimina como opción por razones de seguridad. 5- La presión en el flash puede alcanzar hasta las 2 atm. No es conveniente el vacío (equipo existente). Por lo tanto, la presión en el equipo podría variar entre 1 y 2 atm. Note que al cambiar la presión de operación varían los caudales que salen del flash y las composiciones. También lo hace la temperatura, por lo cual se vincula este hecho a la posibilidad de integración térmica en el problema de síntesis. En otras palabras, si bien en los problemas de síntesis de intercambio térmico las temperaturas son datos, dado el acoplamiento al sistema de separación, estas varían si se modifica la presión del flash. 6- La corriente V2 debe tener una temperatura meno o igual que 40 ºC. El caudal no debe ser menor que [Kg/h] y la composición de reactantes (A+B) no debe superar 0,01 en fracción molar. 2

4 Datos La corriente FA contiene al componente A puro. Se encuentra a 1 atm de presión y 15 ºC de temperatura con un caudal másico de 6000 Kg/h. La corriente FB contiene al componente B puro. Se encuentra a 1 atm de presión y 15 ºC de temperatura con un caudal másico de 4000 Kg/h. El servicio de agua de enfriamiento está provisto a 25 ºC y su Cp es 4,20205 [KJ/Kg ºC] y se asume independiente de la temperatura. El servicio de calefacción se suministra a 2 Kg/cm 2 de presión absoluta y solo se aprovecha su calor latente: 39673,8176 [KJ/Kgmol]= 2202,25 [Kj/Kg]. La mezcla puede suponerse de comportamiento ideal Tanque pulmón TK1: Tanque de almacenamiento Geometría Cilíndrico de base circular Altura/Diámetro 1,5 adim Volumen ocupado 70 [%] Presión de operación 1 [atm] Tiempo de residencia 30 [min] Reactor CSTR-1: Puede aproximarse como mezcla perfecta, de dimensiones: Reactor Continuo, agitado de mezcla completa Geometría Cilíndrico de base circular Altura 2,716 [m] Diámetro 1,811 [m] Volumen Total 7,000 [m 3 ] Volumen ocupado 50 [%] Refrigeración Agua de enfriamiento en camisa Presión de operación 3 [atm] UA [KJ/h ºK] Agua de Enfriamiento AE-1 Flujo [Kg/h] Temperatura de Entrada 298 [ºK] 3

5 Flash FL-1: El equipo flash utilizado es adiabático (se desprecia el intercambio de calor con el medio ambiente) Condiciones de operación y dimensiones: Separador de fases LV (Flash) Separador Liquido-Vapor ideal Intercambio térmico Adiabático Tiempo de residencia 5 [min] Volumen cuerpo liquido 30 [%] Geometría Cilíndrico de base circular Relación Altura/diámetro 1,5 [adim] Presión de Operación 1-2 [atm] Bombas BC-1 y BC-2: Los equipos de bombeo pueden aproximarse según las siguientes curvas (se desprecia la pérdida de carga a través de las cañerías, y las alturas e líquido en los recipientes, solo se tiene en cuenta las presiones de carga y descarga para su cálculo) 4

6 Modelo Correlación B1 = -1,400*10 * Q + 1,000*10 * Q + 2, 5 B2 = -1,500*10 * Q + 1,000*10 * Q + 3, 0 B3 = -1,600*10 * Q + 1,000*10 * Q + 3, 5 B4 = -1,700*10 * Q + 1,000*10 * Q + 4, 0 B5 = -1,800*10 * Q + 1,000*10 * Q + 4, 5 Precalentador de Alimentación IC-1: Intercambiador Tubos y Coraza Disposición de las corrientes Contracorriente UA [KJ/h ºK] Vapor de calefacción Presión absoluta 2 [Kg/cm 2 ] Flujo 5815 [Kg/h] Condensador IE-1: Intercambiador Tubos y Coraza Disposición de las corrientes Contracorriente UA [KJ/h ºK] Temperatura 40 [ºC] Agua de Enfriamiento AE-2 Temperatura de Entrada 298 [atm] Flujo [Kg/h] 5

7 Enfriador de Reciclo IE-2: Intercambiador Tubos y Coraza Disposición de las corrientes Contracorriente UA [KJ/h ºK] Agua de Enfriamiento AE-2 Temperatura de Entrada 298 [atm] Flujo [Kg/h] Los componentes hipotéticos tienen las siguientes propiedades fisicoquímicas: Peso Molecular: Punto de Ebullición: Componente Peso Molecular A 60 B 40 C 100 D 30 E 70 Componente Punto de Ebullición [ºC] A 200 B 150 C 180 D 50 E 60 Densidad (constante con la temperatura): Componente Densidad [Kg/m 3 ] A 600 B 400 C 100 D 400 E 700 6

8 Presión de vapor: Ecuación de Antoine: b ln Pv = a + + d *ln + * ( ) Pv = [KPa] T = [ºK] ( T + c) f ( T ) e T param Comp A B C D E a 76,63 65,26 72,01 46,78 49,05 b c d -8,498-7,052-7,913-4,671-4,959 e 5,63E-18 7,94E-18 6,44E-18 2,03E-17 1,78E-17 f Entalpías másicas: Líquido: H = a + b* T T = [ºK] [273 Hasta PB] H = [KJ/Kg] Vapor: param Comp A B C D E a 6311, ,50 177, , ,54 b 3, , , , ,30567 H = a + b * T + c* T d * T T = [ºK] [PB hasta 573 ºC] H = [KJ/Kg] param Comp A B C D E a 7933, ,5 1564, ,44286 b 0,5134 1,495 12,38-1,196 0,07233 c 2,78E-03 3,97E-03 8,68E-03 2,62E-03 2,83E-03 d -6,35E-07-1,04E-06-1,04E-06-4,88E-07-6,77E-07 7

9 Datos de reacción A + B C C D + E r r C A = A * e 1 = A * e 2 E1 R*T E2 R*T A C B ' A * e 2 ' E 1 R*T 1 ' E 2 R*T D ' A * e C D Parámetro Valor Unidad A 1 4,80555*10 12 [Kgmol/m 3 h] A 1 1,60185*10 12 [Kgmol/m 3 h] E [KJ/Kgmol] E [KJ/Kgmol] A 2 4,80555*10 12 [Kgmol/m 3 h] A 2 1,60185*10 12 [Kgmol/m 3 h] E [KJ/Kgmol] E [KJ/Kgmol] Donde las concentraciones son: [Kgmol/m 3 ] y los calores de formación están incluidos en las correlaciones de entalpías. Las velocidades de reacción están expresadas en [Kgmol/h m 3 ] 8