Síntesis de sistemasDISEÑO y OPTIMIZACION de PROCESOS 2015 www.unt-dyo.blogspot.com Necesidad (Problema primitivo) Problema … Problema especifico Problema especifico Problema especifico especifico Caso Base 1 Caso Base 2 ... Necesidad (Problema primitivo) Síntesis Simulación Problema especifico Diseño Diseño conceptual conceptual Caso Base Optimi- de zación de procesos procesos Métodos Benefi- Óptimo? algorítmi- cio? cos No Si Rechazar Aceptar proyecto proyecto Competencias a adquirir 1. Aprender una metodología sistemática para el Diseño de Procesos considerando al proceso como un sistema integrado. 2. Conocer los métodos algorítmicos de síntesis de sistemas de separación y redes de intercambio de calor. 3. Realizar una simulación detallada de un proceso, utilizando un simulador de procesos. 4. Formular y resolver problemas de optimización conociendo los métodos de programación matemática utilizando GAMS. Un proceso industrial... Productos Materias Primas PLANTA DE PROCESAMIENTO Subproductos Corrientes Electricidad Corrientes calientes frias Potencia Combustible SISTEMA DE Aire RECUPERACION SERVICIOS Agua AUXILIARES DE CALOR La forma más efectiva de brindar información de un proceso industrial es a través de diagramas de flujo. Diagrama de Bloques de un proceso simple: Producción de benceno C7 H 8 + H 2 → C6 H 6 + CH 4 Componente BP ( o C) Hydrogen H 2 −253 Methane CH 4 −164 Benzene 80.1 Toluene 110.6 Diagrama de Bloques de un proceso simple: Producción de benceno Diagrama de Bloques de un proceso simple: Producción de benceno Diagrama de Bloques de un proceso simple: Producción de benceno Diagrama de Flujo de un proceso simple: Producción de benceno Identificación de Servicios auxiliares Productos Materias Primas PLANTA DE PROCESAMIENTO Subproductos Corrientes Electricidad Corrientes calientes frias Potencia Combustible SISTEMA DE Aire RECUPERACION SERVICIOS Agua AUXILIARES DE CALOR Reciclo de tolueno DIAGRAMAS DE PROCESOS INDUSTRIALES Estequiometría Diagrama entrada- salida Balance Masa Preliminar Diagrama de Bloques (BFD) Balances de masa+ energía Diagrama de Flujo (PFD) +especificaciones equipo Información de Diagrama de Instrumentación y Instrumentación y equipos Cañerías (PID) Estructura general de un Proceso Productivo Estructura general de un Proceso Productivo Síntesis de Procesos Industriales 1. El diseño conceptual implica definir el diagrama de flujo del proceso a efectos de realizar un análisis económico , identificando las necesidades de servicios auxiliares, el impacto ambiental y las materias primas necesarias. Ello se realiza haciendo énfasis en el comportamiento del proceso como un sistema, antes que el análisis detallado de los equipos individuales. 2. Este enfoque genera no sólo una solución única, sino varias alternativas que responden a diferentes decisiones de diseño Síntesis de Procesos Industriales Seleccionar el modo de procesamiento: batch o continuo. Definir el estado fisico-químico de materias primas, productos, y subproductos, observando las diferencias entre ellos. Realizar las etapas de síntesis : 1. Elimine las diferencias en tipos moleculares 2. Definir la estructura de entrada-salida y reciclos. 3. Elimine las diferencias en la composición. 4. Elimine las diferencias en la temperatura, la presión y la fase. 5. Tarea de integración de operaciones. Etapas de la síntesis Etapas de la síntesis Operación unitaria 1. Elimine diferencia en los 1. Reacción química tipos de moléculas 2. Defina la estructura de 2. Mezclado, bifurcación, entrada-salida y reciclos purga, etc. 3. Elimine diferencias en composición 3. Separación 4. Elimine diferencias en temperatura, presión y 4. Cambio de presión, fase temperatura y de fase 5. Tareas de integración 5. Integración energética, Operaciones de proceso @ Reactores químicos Su ubicación en el flowsheet involucra muchas consideraciones ( conversión, velocidad de reacción, etc.) relacionadas con condiciones de t y P en las que ocurre la reacción. @ Separadores Tienen que resolver la diferencia entre la composición deseada de un producto y su origen. La selección del método apropiado depende de las diferencias de las propiedades físicas de la s especies químicas involucradas. @ Separación de fases @ Cambio de temperatura @ Cambio de presión @ Cambio de fase @ Mezclado y división de corrientes Creación de Base de datos Preliminar • Datos de propiedades termo-físicas – propiedades físicas – Equilibrio de fases (datos VLE ) – Métodos de predicción de propiedades – Datos ambientales y de seguridad – Datos de toxicidad – Datos límite inflamabilidad – Posibilidades de separación de productos y reactivos – Datos cinéticos de las reacciones – Disponibilidad de materias primas (costo unitario y grado de pureza requerido) ─Disponibilidad de materias primas (costo unitario y grado de pureza requerido ─Caminos de reacción ─Factibilidad termodinámica de la reacción Precios de Productos Químicos Publicados en Chemical Marketing Reporter Experimentos Para comprobar los aspectos más importantes mencionados http://www.uspto.gov/patents/proc ess/search/index.jsp http://dippr.byu.edu/students/chemsearch.a sp El estado químico Se debe decidir sobre las especificaciones de materia prima y productos (estados): Caudal másico Composición (fracción molar o másica de cada especie química que tiene un tipo molecular único) La fase (sólido, líquido, o gas) La forma(distribución de tamaño y forma de la partícula) Temperatura Presión Enfoque de Douglas1 • Cinco pasos para abordar un diseño de proceso conceptual – Batch vs. continuo – Estructura Entrada-Salida – Identifique y defina las estructuras de reciclo del proceso – Identifique y diseñe la estructura general del sistema de separación – Identifique y diseñe la red de intercambio de calor o el sistema de recuperación de energía de proceso 1 – Douglas, J.M., Conceptual Design of Chemical Processes, McGraw-Hill, NY, 1988 Batch vs. Continuo Variables a Considerar: • Tamaño – Batch < 500 ton/año ~ 1.5 ton/día (< 2 m3 de líquido o sólido por día) – Continuo > 5,000 ton/año ESTRUCTURA ENTRADA - SALIDA El diagrama de “la cebolla” (Robin Smith) representa la importancia jerárquica en el diseño de procesos químicos El diseño de procesos comienza con el sistema de transformación de materias primas El diseño del sistema de reacción determina el problema de separación y reciclo FEED RECYCLE Cool FEED Reactor Cool Heat Cool Heat PRODUCT Heat BYPRODUCT El sistema de reacción y el sistema de separación dictan las necesidades de calentamiento y enfriamiento de las corrientes y se define la red de intercambio de calor Cool FEED RECYCLE FEED Cool Reactor Heat PRODUCT Heat BYPRODUCT y... finalmente la selección de equipos auxiliares Cooling Tower CW FEED RECYCLE CW FEED Reactor Steam PRODUCT Steam BYPRODUCT Steam Mains Entendiendo las condiciones de operación de los procesos 1. Es más fácil ajustar la temperatura y/o la presión de una corriente que ajustar su composición. A menudo la concentración de un componente en un gas es una variable dependiente y es controlada por la temperatura y presión de la corriente 2. En general, presiones entre 1 y 10 bar y temperaturas entre 40 °C y 250 °C, no causan problemas de difícil resolución en los procesos industriales Presión Entendiendo las condiciones de operación de los procesos Presión Entendiendo las condiciones de operación de los procesos La decisión de operar un equipo fuera del rango de 1 a 10 bar debe ser justificada Temperatura Entendiendo las condiciones de operación de los procesos Resistencia de los materiales [bar] Temperatura Ambiente 400 °C 550 °C Acero al carbono 1190 970 170 (grado 70) Acero inoxidable 1290 1290 430 (Tipo 302) Vapor : Generalmente se dispone de vapor de 40 a 50 bar para calefacción y ello determina un rango de temperaturas de 250 a 265 °C. Fuera de este rango se incurre en costos adicionales Agua de refrigeración: Generalmente proviene de una torre de enfriamiento a 30 °C (y se regresa a la torre a unos 40 °C). Utilizar servicios auxiliares fuera de este rango incrementa los costos de operación Temperatura Entendiendo las condiciones de operación de los procesos Resistencia de los materiales [bar] Temperatura Ambiente 400 °C 550 °C Acero al carbono 1190 970 170 (grado 70) Acero inoxidable 1290 1290 430 (Tipo 302) Vapor : Generalmente se dispone de vapor de 40 a 50 bar para calefacción y ello determina un rango de temperaturas de 250 a 265 °C. Fuera de este rango se incurre en costos adicionales Agua de refrigeración: Generalmente proviene de una torre de enfriamiento a 30 °C (y se regresa a la torre a unos 40 °C). Utilizar servicios auxiliares fuera de este rango incrementa los costos de operación Temperatura • T < 40º C – Refrigeración – Trate de usar agua como medio refrigerante cw rw – Costos de Operación (R. Turton) • Agua enfriamiento (30 – 40°C) $0.354/ GJ • Agua regrigerada (5 – 15°C) $4.43/ GJ Temperatura 40 Refrigeracion (cw = 1) 35 Costo Relativo de 30 25 20 15 10 5 0 -50 -30 -10 10 30 50 Temperatura Refrigerante Por qué no usar vapor de alta presión? Psat ( bar) Tsat (ºC) 46.9 260 64.2 280 86.0 300 Gráfico de vapor 74.5 290 saturado vs. 80.1 295 98.8 310 Presión 113.0 320 39.7 250 15.2 200 Por qué no usar vapor de alta presión? Tcrit 120 Presión Vapor Saturado , bar 100 80 60 40 20 0 0 100 200 300 400 Temperatura Vapor Saturado, oC Condiciones de Operación Aumenta el espesor de los equipos 10 atm Requiere Requiere Requiere Refrigera- Horno materiales ción especiales 1 atm 40º C 250º C 400º C Vacío – Equipos grandes Cambios en las condiciones de proceso especiales Cambio en la Justificación o Penalidad por Tipo de equipo condición especial remedio operar el equipo de esta manera Compresores Psal/Pent>3 R: Usar etapas Trabajo de múltiples con compresión elevado refrigeración intermedia Trabajo de Alta temperatura R: Enfríe el gas compresión elevado del gas de antes de y materiales entrada comprimir especiales Intercambiadores ΔT ent>100 °C R: Integre Una gran fuerza de calor energéticamente impulsora implica el proceso que se está desperdiciando energía J: La integración energética no es conveniente Cambio en la Justificación o Penalidad por Tipo de equipo condición especial remedio operar el equipo de esta manera Hornos Tsal<Tvapor R: Use vapor de Los hornos son alta presión para caros e innecesarios calentar las si se puede calentar corrientes de con un servicio proceso auxiliar disponible J: Se puede necesitar el horno durante el arranque Válvulas Gran caída de R: Para Pérdida de energía presión en la corrientes valiosa a través de válvula gaseosas instale la válvula una turbina para recuperar trabajo J: La válvula se usa para control, la instalación de una turbina no es conveniente Cambios en las condiciones de proceso especiales Cambio en la Justificación o Penalidad por Tipo de equipo condición remedio operar el equipo especial de esta manera Mezcladores Corrientes a R: Aproxime las Desperdicio mezclar con gran temperaturas de las innecesario de diferencia de corrientes usando fuente de energía temperatura integración energética de alta temperatura Corrientes a J: Enfriamiento Ocasiona equipo mezclar con gran rápido de corrientes, extra para la diferencia de provee fuerza separación y composición impulsora para aumento en los transferencia de masa costos Es necesario proveer nitrógeno a 80°C y 6 bar. El nitrógeno se alimenta a 200 °C y 1.2 bar