CAPITULO V

INTRODUCCION AL DISEÑO CONCEPTUAL DE PROCESOS QUIMICOS

5.1 Introducción

En este capitulo se introducen los conceptos básicos acerca de las decisiones que deben confrontar los Ingenieros Químicos y las etapas envueltas en el desarrollo de un diseño de un proceso. Se debe poner especial énfasis en la creciente importancia de la protección al medio ambiente y de asegurar la operación confiable y segura de los procesos. También se debe enfatizar el rol del computador debido a que este es utilizado cada vez en mayor número de diseños rigurosos y aproximados.

5.2.-Sistema Jerarquizado para la Sintesis de Procesos Químicos

Es posible efectuar la Síntesis o el Diseño de un nuevo Proceso por medio de una metodología sistematizada que permita en forma simple identificar los posibles problemas de contaminación y de producción de residuos peligrosos en las etapas del desarrollo del proceso. Este procedimiento pone el énfasis en las decisiones que se deben tomar para llevar a cabo el diseño. Si las decisiones se cambian, entonces se generan alternativas de procesos. Algunas de estas decisiones afectan las alimentaciones y los productos del proceso lo cual incide en algunos casos produciendo efectos adversos sobre el ambiente y los seres humanos. Por lo tanto si es posible efectuar decisiones en las etapas iniciales de un diseño que no produzcan problemas ambientales, podremos de esta forma desarrollar “ procesos tecnológicamente limpios “.No existe hasta el momento un conocimiento extendido del concepto de “Tecnología Limpia “ o “ Producción Limpia” ( Clean Technology or Cleaner Production ).De acuerdo a la definición del Programa de las Naciones Unidas para el Medio Ambiente PNUMA ( Cleaner Production Program : UNEP [ United Nations Environment Programme] ), la Reducción de Residuos, la Prevención de la Contaminación , la Minimización de Desechos y las Tecnologías Limpias son terminos utilizados mundialmente para describir las Estrategias de Protección Ambiental. El uso de Tecnologías Limpias o de Producción Limpia significa “La aplicación continua de una estrategia ambiental integrada y preventiva a los procesos y productos de modo de reducir los riesgos para los seres humanos y el ambiente”.Para los Procesos de Producción, la Producción Limpia incluye la conservación de materias primas y energía, la eliminación de materias primas tóxicas y la reducción de la cantidad y toxicidad de todas las emisiones y desechos antes de que estos abandonen el proceso.

Para los productos la estrategia se focaliza en la reducción de los impactos a lo largo de todo el ciclo de vida del producto, desde la extracción de las materias primas hasta la última disposición del producto.La estrategia de Producción Limpia se logra por medio de la aplicación de nuevas tecnologías , del mejoramiento de las existentes o por el simple cambio de actitudes.El uso de Tecnologías Limpias es diferente a lo tradicional , debido a que el pensamiento actual sobre los impactos ambientales se focaliza sobre que hacer con los

desechos y emisiones despues que han sido creadas. La meta de una Producción Limpia es en primer lugar “ No Generar “ residuos o desechos . La gran importancia de la Producción Limpia estriba en que a corto o largo plazo es el medio más efectivo y de menor costo para operar los procesos y desarrollar y producir nuevos productos. Los costos producidos por los desechos y las emisiones además del impacto negativo ambiental puede ser evitado aplicando los conceptos de Tecnologías Limpias desde el comienzo.

El Diseño Conceptual permite utilizar de una manera simple un procedimiento para identificar potenciales problemas de contaminación y para identificar alternativas de procesos que pueden ser utilizadas para eliminar estos problemasEn los países desarrollados las agencias reguladores ( EPA , UNEP, etc) y las industria, aparecen como receptivas a una operación más proactiva hacia cambios por Tecnologías Límpias. Esto significa un desarrollo acelerado de procedimientos sistemáticos para el Diseño de Tecnologías ambientalmente compatibles. Se debe volver a lo básico y efectuar cambios institucionales que afecten el Diseño en Ingeniería, la Investigación y la Educación.El análisis económico tradicional de los procesos muestra que las plantas más seguras y menos contaminantes son menos eficientes en términos de energía o materias primas. De echo, las plantas químicas han sido diseñadas en el pasado principalmente para maximizar la confiabilidad, la calidad del producto, y la rentabilidad. Temas tales como “ emisiones crónicas “, “ manejo de productos tóxicos “, y “ seguridad “, a menudo han sido tratados como factores secundarios.En la actualidad , las plantas que son más seguras, y que no generan desechos tóxicos , han probado ser a la larga menos costosas de construir y de operar.El Diseño Conceptual , desarrolla un diseño por medio de una serie de niveles jerarquizados. donde se van agregando detalles adicionales en cada nivel. Las decisiones requeridas a cada nivel para desarrollar el Diagrama de Flujos, se identifican claramente, y si estas decisiones se cambian, se identifican todas las alternativas de procesos en cada nivel. Se efectúa un análisis económico en cada etapa, de modo de terminar tempranamente con los diseños no adecuados.Algunas de las decisiones hechas en cada nivel pueden cambiar los flujos que entran o salen del proceso. En algunos casos estos flujos pueden causar problemas de contaminación, y por lo tanto si podemos tomar decisiones que no introduzcan flujos de salida en el Diagrama de Flujo que provoquen impactos adversos en el medio ambiente, entonces habremos cumplido con nuestra meta de minimización de desechos . Debe reconocerse sin embargo que el “ proceso más limpio “ no siempre será el proceso “más económico”.Por ejemplo, una de las decisiones al nivel de Entrada-Salida del proceso ( nivel 2) , es si se debe recuperar y reciclar o recuperar y remover de un proceso los subproductos formados por reacciones reversibles secundarias, es decir reacciones del tipo :

A + B ----------- Producto

A + producto ======= Sub-producto

donde la segunda reacción es reversible , pero la primero no lo es. Si el subproducto se remueve del proceso, se agrega un nuevo producto, mientras si es reciclado no se

obtiene un subproducto. La remoción del subproducto aumenta el costo de la materia prima , debido a las pérdidas por selectividad de las materias primas más caras en subproductos menos valiosos. Más aún, si el subproducto es un material de desecho , se debe enviar a un sistema de tratamiento o de disposición , de modo que tiene un valor negativo ( es decir debemos pagar para que este subproducto sea removido del proceso).En forma alternativa, si reciclamos el subproducto y dejamos que se concentre hasta su nivel de equilibrio ( de modo que el subproducto se descomponga a la misma velocidad que se forma ) , entonces los costos de reciclo del proceso aumentarán ( aunque no habrá pérdida por selectividad) . Por lo tanto, el reciclo de subproductos siempre conducirá a un proceso más “ limpio “ , aunque puede no ser el menos costoso. La sensibilidad de los costos totales del diseño a los costos de tratamiento de la contaminación deben también ser considerados, debido a que los costos de tratamiento está aumentando rápidamente.Se pueden identificar una serie de problemas de minimización de residuos de este tipo en el diseño de nuevos procesos. Una manera eficiente de identificar estos problemas es a través del procedimiento jerarquizado planteado por J.M. Douglas en su texto “ Conceptual Design of Chemical Processes “, ( Douglas , 1988), y que reexaminado consta de los siguientes niveles :

Tabla 5.1 . Procedimiento Jerarquizado para Síntesis de Procesos.

Nivel 1. Información de Entrada : Tipo de ProblemaNivel 2. Estructura de Entrada-Salida del Diagrama de FlujoNivel 3. Estrutura de Reciclo del Diagrama de FlujoNivel 4. Especificación del Sistema de Separación

Nivel 4a. Estructura General : Separación de FasesNivel 4b. Sistema de Recuperación de VaporesNivel 4c. Sistema de Recuperación de LíquidosNivel 4d. Sistema de Recuperación de Sólidos

Nivel 5. Integración EnergéticaNivel 6. Evaluación de AlternativasNivel 7. Flexibilidad y ControlNivel 8. Seguridad

Considerando algunos Casos Bases, se pueden identificar problemas de contaminación en cada uno de los niveles. La estructura general que se usa para representar una planta se muestra en la Figura 1. Normalmente se supone que se recuperan y reciclan todos los reactivos ( excepto para reactivos gaseosos , donde se usan un reciclo gaseoso y una purga ) los productos intermedios, y los sub-productos producidos por reacciones secundarias reversibles, y que se remueven todos los otros sub-productos e impurezas de la alimentación. Los sub-productos se clasifican por su destino . es decir, los sub-productos valiosos se venden, los combustibles se recupera el valor combustible, los sub-productos acuosos se envían a tratamiento, los residuos sólidos-orgánicos se envían a incineración, y los residuos sólidos se envían a vertederos.

Figura 5.1. Estructura General de un Diagrama de Flujo

Reciclo Gaseoso Purga o Venteo

Producto

Sub-Productos

Reciclos LíquidosEn el nivel 1 se entrega la información de entrada , que incluye la reacción química y la alimentación. En el nivel 2 se consideran solamente la alimentación los productos y sub-productos que entran y dejan el proceso , de manera de tener una idea de la diferencia entre el valor de los productos y el costo de las materias primas en función de las variables de diseño que afectan la distribución del producto ( conversión, temperatura y presión del reactor, razon molar de reactivos a la entrada del reactor), así como también la composición del reactivo en el flujo de purga.En este nivel se identifican las decisiones que se deben tomar, y que alternativas se pueden tomar. En el nivel 3 se consideran los flujos de reciclos del reactor , y las decisiones que afectan estos flujos, de manera de estimar el flujo de salida del reactor. Conocidos el flujo del reactor y el destino de cada uno de sus componentes se pude diseñar el sistema de separación que corresponde al nivel 4. Si no consideramos la contaminación térmica correspondiente al nivel 5, entonces tenemos una completa descripción de todos los flujos que puden causar problemas de contaminación. Por lo tanto solo necesitamos considerar los niveles 1 a 4 para un análisis de minimización de residuos o un análisis de tecnologías límpias.

5.3 Información Básica en Diseño Conceptual

a.. Información de Entrada : Tipo de Problema

La información requerida para iniciar el primer diseño se entrega en la Tabla I. Es importante indicar que en este nivel es muy importante tener información relativa a la

Alimentación REACTORSISTEMA

DESEPARACION

seguridad, toxicidad e impacto ambiental de todos los componentes que estarán presentes. Se debe notar también que toda la información descrita en la tabla a menudo no está disponible para efectuar el diseño, y que se trabaja con los datos disponibles y posteriormente se usan los resultados para justificar obtener datos adicionales.

Tabla I : Información Básica

1. Las Reacciones y sus Condiciones de Operación.2. La Producción del Producto Principal3. Pureza del Producto : Precio vs Pureza4. Materias Primas y/o Pureza vs Precio5. Información sobre Velocidad de Reacción y

Velocidad de Desactivación del Catalizador6. Restricciones del Proceso7 Datos de Planta, Servicios 8. Datos de Propiedades Físicas de los Compuestos9. Informacion sobre :

- Seguridad- Toxicidad- Impacto Ambiental

10. Datos Costos de Sub-Productos, Equipos, Servicios

1. Información sobre las Reacciones Químicas

La información acerca de los proceso y reacciones se encuentran en la literatura y principalmente en las patentes. Si el proceso es nuevo se deben contratar personal especializado para efectuar la investigación para conocer las reacciones , temperatura, presión, etc.La Información necesaria usualmente es :

o Estequiometría de todas las Reacciones

o Rango de Temperaturas y Presiones de las Reacciones

o Las Fases del Sistema de Reacción

o Información de la Distribución de Productos vs Conversión

o Conversión vs Velocidad Espacial o Tiempo de Residencia

o Estado del Catalizador : Desactivación y RegeneraciónEs importante encontrar todas las Reacciones Laterales o Secundarias del proceso, aunque se produzcan trazas de productos

Se debe estudiar el concepto de Máxima Conversión versus Conversión Optima así como también la Selectividad

Numerosos procesos se han diseñado para operar en las condiciones de máxima conversión, pero normalmente esta operación no corresponde a la conversión óptima económica.

Supongamos la reacción hipotética : A B C

Moles de B ProducidosSelectividad = -------------------------------------

Moles de A Convertidos

Ejemplo de Selectividad de reacciones :

Hidroalquilación de Tolueno para producir Benceno

T + H2 B + C1

2 B D + H2

a) ReactorTolueno Reciclo

(1-x) no reaccionadoTolueno

x S x Benceno ProducidoToluenoReaccionado

½ ( 1-S) x Difenilo Producido

b) Planta

Tolueno Tolueno = 1-x Benceno = S x Tolueno , x 1 mol Benceno = S x

Reactor Separador

Difenilo = ½ ( 1-S ) x Difenilo = ½ ( 1-S ) x

Reciclo de Tolueno = 1-x2. Nivel de Producción y Producto Principal

Es menos costosa la producción a gran escala ya que las materias primas y servicios tienen un menor costo en grandes plantas.El máximo tamaño de una planta esta fijado por el máximo tamaño de los equipos que se puedan construir o transportar.

3. Pureza del Producto

Normalmente la pureza del producto es fijada por consideraciones de mercado.

4. Materias PrimasNormalmente en el laboratorio se trabaja con productos químicos puros, pero en el proceso real las materias primas contienen impurezas, por lo tanto se debe caracterizar las materias primas para determinar si se deben remover o no antes de entrar al proceso.

5. Velocidad de Reacción y Desactivación del Catalizador :El catalizador se va gastando y en la mayoría de las plantas, cada 2-3 años se debe detener el proceso para cambiar el catalizador o regenerarlo.

6. Restricciones del ProcesoExisten restricciones para tamaño y tipos de equipos , rangos de temperatura ( rango de explosividad, descomposición, polimerización, para la seguridad y la productividad).

7. Datos de Planta y ServiciosSe deben tener información sobre todos los tipos de servicio s disponibles en la planta o en plantas anexas a la nuavea construcción.

o Servicios- Suministro de Combustible- Niveles de Presión de Vapor- Temperaturas de Agua de Refrigeración- Niveles de Refrigerantes- Potencia Eléctrica

o Sistemas de Tratamiento

8. Propiedades Físicas de los Productos y Materias Primaso Pesos Moleculareso Puntos de Ebullicióno Presiones de vaporo Calores Específicoso Calores de Vaporizacióno Calores de Reaccióno Densidades de líquidoso Coeficientes de Fugacidad

9. Información sobre :o Seguridado Toxicidado Impacto Ambiental

10. Datos de Costos o Equipos ( Guthrie, Aspen, etc.)o Sub-Productoso Servicios

Ejemplo de Información Básica : Hidrodealquilación de Tolueno

1. Reacciones :

1. Tolueno + Hidrógeno = Benceno + Metano2. 2 Benceno = Difenilo + Hidrógeno

Condiciones de Operación:Temperatura del reactor : Mayor a 1150 ° F ( 621 ° C)Presión del Reactor : 500 psia. ( 34 atm. )

Selectividad y Conversión :

Moles de Benceno a la salida del Reactor Selctividad = --------------------------------------------------------- = S

Moles de Tolueno Convertidos

Moles de Tolueno convertido en ReactorConversión = --------------------------------------------------------- = X

Moles de Tolueno alimentados al ReactorSegun el Químico :

0,0036S = 1 - -------------------- ; X 0,97

[ 1- X ]0,5442

Fase gaseosa , Sin Catalizador ( Reacción Homogenea )

2. Nivel de Producción :80.000 Tons/año = 265 lbmol /hr = 120 kmol/hr de Benceno

3. Pureza del Producto : Benceno con 99,97 % molar de pureza.4. Materias Primas : Tolueno puro a condiciones ambientes; Hidrógeno con 95 % H2 , 5 % CH4 a 550 psia , 100 ° F. ( 37 atm, 38 ° C )5. Restricciones : En entrada del reactor H2/aromático 5 ( para prevenir coquificación); Temperatura de salida reactor 1300 ° F ( para prevenir hidrocaqueo) ; enfriamiento rápido ( quenching ) del efluente del reactor a 1150 ° F ( para prevenir coquificado ) ; X 0,97 para la disribución de productos.6. Otros datos de planta : Efectuar analsiis de toxicidad, seguridad, impacto ambiental, etc.

5.4 Decisiones de Nivel 1 : Sistemas Continuos versus Discontinuos

En la primera etapa del diseño conceptual debemos decidir si para la producción deseada, se usará un proceso continuo o uno discontinuo ( Batch).

Hay ciertos criterios para decidir cual es el apropiado :

a. Nivel de Producción :

Procesos Continuos : Producción mayor a 10 * 106 l lb/año ( 5000 tons/año )

Procesos Batch : Producción menor a 1 * 106 lb/año ( 500 tons/año )

b. Factor de Mercado :

Existen productosa como los fertilizantes que son estacionales ; es decir que solo se producen en la epoca en que se consumen ( Primavera) . Si se producen durante todo el año, se produce un inventario excesivo que produce costos extras.Algunos productos solo tienen un periódo de vida corto ( 2- 3 años ) , tales como pigmentos orgánicos , por lo cual se prefiere un aplanta batch por su grán flexibilidad para estos productos de corta vida.

c. Problemas Operacionales :

Algunas reacciones son tan lentas que la única alternativa son reactores discontinuos. También es muy dificil bomberar borras o pulpas con un bajo flujo sin que sedimenten y tapen o obstruyan las cañerías o equipos, por lo cual es muy dificil construir equipos para procesos continuos cuando se deben manejar bajas capacidades de borras o pulpas, y es preferible usar procesos discontinuos.En forma similar , algunos productos ensucian muy rapidamente los equipos, por lo cual las operaciones batch son las indicadas para manejar estos tipos de compuestos, debido a que se debe detener periodicamente los equipos y limpiarlos en cada una de estas operaciones.

d. Operaciones Múltiples en Equipos :

Otra característica unica de los procesos discontinuoses que a menudo se pueden efectuar varias operaciones en un mismo equipo, mientras que en un proceso continuo se necesita un equipo para cada operación.

Por ejemplo

a) Sistema Continuo :

Catalizador

Alim. Calor Reactor Separador

Calor

b) Sistema Discontinuo :

|

Producto

Alimentación

Catalizador

ReactorCalor

SeparadorCalor

Productos