REGLAS HEURÍSTICAS EN INGENIERÍA QUÍMICA

La palabra heurística viene de la palabra en griego eureka que significa ”lo he descubierto”

El uso de heurísticas o reglas generales en el diseño de procesos es una herramienta valiosa no sólo en la selección de los tipos de equipos apropiados para realizar una función específica sino también en el establecimiento de valores razonables para muchas de las variables asociadas con la operación del proceso.

Caso: Diseño Optimo de compresores

Para comprimir “n” moles/tiempo de un gas de una temperatura T0 y una presión inicial P0, podemos usar una compresora de una etapa o una multietapas.

Compresión en etapas:

Se debe cumplir:

La relación de compresión (r)

r= P2/P1 = P4/P3= P5/P6, además P2=P3; P4=P5

El trabajo requerido por el compresor (W)

WI = WII = WIII ; WTOTAL = 3* WI

REGLA HEURÍSTICA:” Las razones de compresión en cada etapa de compresión deben ser las mismas”

Caso: Diseño de Tanques atmosféricos

Se desea diseñar un tanque de almacenamiento atmosférico para almacenar un volumen V en m3 de líquido. Estos tanques, son generalmente de alto costo, se construyen de forma cilíndrica de planchas de acero, se sueldan y se doblan. Por ejemplo para el almacenamiento de petróleo.

Costo del tanque atmosférico (Ct)

Ct ($) = peso tanque (kg) * precio material ($/kg)

Peso =densidad del material * espesor*área

W= ρ*e*A

Área total cilindro = πDH +2 πD2/4

W ~ ρ*e*[πDH + πD2/2]……. (1)

Volumen del fluido a almacenar (V)

V= πD2H/4 , despejando la altura H:

H= 4V/πD2

Reemplazando esta expresión en (1)

W=ρ*e*[4V/D + πD2/2]…… (2)

Derivando (2), respecto al diámetro

dWdD

=0=−4VD2

+πD;D3=4Vπ

Como V= πD2H/4 , reemplazando en la expresión anterior

D=H

Regla heurística: “Para tanques atmosféricos usar la relación H/D= 1”

HEURÍSTICAS PARA EL DISEÑO DE EQUIPOS DE PROCESO

Caso : TORRES DE DESTILACIÓN

La secuenciación de columnas para la separación de mezclas multicomponentes se basa en las siguientes heurísticas:

Primero, realizar la separación más fácil, es decir, la que requiere de menos platos y reflujo, y dejar las separaciones más difíciles de último.

En caso de que la volatilidad relativa ni la concentración en la alimentación varían ampliamente, se debe eliminar uno a uno los componentes como productos de cabeza.

Cuando los componentes adyacentes ordenados en la alimentación varían ampliamente de acuerdo a la volatilidad relativa, la secuencia de separación se lleva a cabo en orden decreciente de volatilidad.

Cuando las concentraciones de la alimentación varían ampliamente, pero las volatilidades relativas no, se eliminan los componentes en orden decreciente de concentración en la alimentación.

Las impurezas contenidas en una mezcla tienen baja volatilidad, por lo que a menudo son referidas en la práctica como “pesado”, esto en parte se debe a su tendencia a salir por los fondos de la columna. Es decir, los destilados son más puros que los fondos. Si el producto deseado puede obtenerse alternativamente por secuencias que lo producen como destilado o como fondo, es conveniente preferir la secuencia que lo produce como destilado.

Económicamente, la razón de reflujo óptima es de 1,2 a 1,25 veces la relación de reflujo mínima, y el número óptimo de platos está cerca de dos veces el número mínimo platos. Por incertidumbre es conveniente aumentar el número de platos en un 10 por ciento más que el número calculado.

El espacio entre platos, por razones de accesibilidad, generalmente se fija entre 0,6 a 0,86 m

CASO: REACTORES QUÍMICOS:

1. Decisiones de la estructura de entrada y salida.

Heurística 1: Si la alimentación al reactor tiene impurezas no inertes, removerlas antes de que entren al reactor. En caso de inertes separarlos antes de entrar al reactor si afectan adversamente al catalizador y si su separación es fácil.

Heurística 2: Si una impureza en la alimentación es un producto alimentarlo a la planta a través del sistema de separadores.

Heurística 3: Usar exceso de uno de los reactantes para consumir completa-mente a uno de los reactantes que sea valioso, tóxico o peligroso.

Heurística 4: Cuando se generen pequeñas cantidades de subproductos, en reacciones reversibles, no purgarlos ni separarlos, reciclarlos al reactor para que se agoten.

Heurística 5: Si va a aumentar la presión de una corriente, bombeé un líquido en vez de comprimir un gas.

Heurística 6: Para reacciones en competencia ajustar T, P y catalizador para aumentar el rendimiento de los productos deseados.

Ejemplo.

Producción de alcohol etílico a partir de etileno. Reacción principal:

Menos del 5% del alcohol se convierte a éter dietílico.

Emplear un exceso de 4:1 de agua a etileno para promover la desaparición del éter dietílico

2. Decisiones en el reciclo

Heurística 7: Cada conjunto de reacciones con condiciones de operación o catalizador diferentes, requieren reactores separados. Evaluar las opciones de usar reactor tanque de flujo continuo o tubular, operación adiabática o isotérmica.

Heurística 8: Elección de las corrientes de reciclo: Dependerá del número de reactores y los requerimientos de operación.

Heurística 9: Para elevadas conversiones, evalué la posibilidad de no recuperar ni reciclar los reactantes no convertidos.

Heurística 10: Considerar el uso de purga para eliminar un inerte que entra en pequeñas cantidades o se generan pequeñas cantidades de subproductos en reacciones irreversibles.

HEURISTICA PARA LA DECISIÓN DEL TIPO DE PROCESO

Discontinuo vs. Continuo.

Se opta por un proceso discontinuo o por lotes cuando:

1. El proceso debe operar en pocos meses.

2. El producto a obtener sólo requiere de unos cuantos días de operación de la planta por año.

3. Hay poca información para el diseño y el proceso es bastante sensible a variaciones.

4. El producto es de vida corta.

5. El valor del producto es considerablemente mayor al costo de manufactura.

Si otro fuera el caso se debería optar por un proceso continuo