Análisis de Procesos Químicos
Bibliografía: • Turton, R., Bailie, R. Analysis, Synthesis and Design
of Chemical Processes. Prentice Hall, PTR, 1998.
• Seider, W., Seader, J., Lewin, D. Process Design
Principles. Synthesis, Analysis and Evaluation. Johe
Wiley & Sons, INC., 1998.
• Murphy, R. Introducción a los procesos químicos.
Principios, análisis y síntesis. McGraw Hill, 2007.
• La comprensión de un sistema de
procesos químico se facilita con una
correcta lectura e interpretación de
los diagramas de procesos.
• Los distintos tipos de diagramas muestran
diferentes niveles de complejidad e
información.
Tipos de diagramas de procesos
Tipo de Diagrama Información que suministra
Entradas-Salidas Materias primas.
Reacciones estequiométricas.
Productos.
Bloques Lo anterior más:
.- Balance de materia.
.- Principales unidades del proceso.
.- Especificaciones de desempeño de las
unidades de proceso.
Flujo de Proceso
(PFD)
Todo lo anterior más:
.- Especificaciones de principales equipos de
proceso.
.- Balance de energía.
.- Condiciones de proceso.
Ejemplos de diagramas Entradas-Salidas.
1. Obtención de benceno por hidrogenación del tolueno:
2. Síntesis de amoníaco:
Metano
Benceno
Hidrógeno
Tolueno 4662356 CHHCHCHHC
Proceso de Síntesis
del Amoníaco
1000 ton NH3 / día
970 ton CO2/ día
350 ton CH4 / día
795 ton H2 O / día
825 ton N2 / día
Diagramas Entradas-Salidas
• Todas las operaciones físicas y químicas
involucradas en el proceso se representan con
un único bloque.
• Se utilizan flechas para representar las
entradas y salidas de materiales. Materias primas entran por la izquierda y los
productos salen por la derecha.
• Pueden mostrarse velocidades de flujo o cantidad
de las materias primas y productos.
Ejemplo de Diagrama de Bloque (BFD)
Tolueno
10.000 Kg/hr
Hidrógeno
820 Kg/hr
Benceno
8.210 Kg/hr
Gases
2.610 Kg/hr
Conversion de
Tolueno 75%
Metano
Benceno
Hidrógeno
Tolueno 4662356 CHHCHCHHC
RE
AC
TO
R
SEPARADOR
DE GASES
SE
PA
RA
DO
R D
E
BE
NC
EN
O
Convenciones para los diagramas de bloques. • Cada operación o unidad de proceso se representa por un
bloque.
• Existen sólo cuatro tipo de unidades de proceso
que se representan en los diagramas de bloque:
Mezcladores, Reactores, Divisores y Separadores.
• Las corrientes de flujo principal se representan por líneas
flechadas en la dirección del flujo.
• Los flujos van de izquierda a derecha en el diagrama.
• Las corrientes gaseosas se incluyen en la parte superior del
diagrama, y los líquidos y sólidos hacia la parte inferior,
separados por densidades.
• Si las líneas se cruzan las horizontales se mantienen y las
verticales se cortan.
• Se incluye la información crítica para entender el proceso.
Ejemplo de Diagrama de Flujo de Proceso
(PFD)
V-102
Tolueno
Hidrógeno
Gases
Benceno
TK-101 E-101
R-101
C-101A/B
P-101A/B
H-101
E-102
E-106
E-103
E-104
E-105
P-102A/B
V-101
V-103
T-101 hps
mps
cw
cw
cw
lps
air fg
gases de combustión
5
9
2
6
7
8
17
3
1
4
10
18
14
13
11
19
12
15
16
TK-101 P-101A/B E-101 H-101 R-101 C-101A/B E-102 V-101 V-103 E –103 E-106 T-101 V-102 P-102A/B E-105
Almacén Bomba Precalen Horno Reactor Compresor Enfriador Separador Separador Calentador Rehervidor Torre de Tambor Bomba Enfriador
Tolueno Tolueno Alim Alim Gas Reciclo Salida HP LP Entrada Benceno Benceno Reflujo Reflujo Producto
Reactor Torre
Diagrama (*)
Descriptor de los equipos
Tabla con especificaciones de las corrientes
(*) Representación esquemática suministrada por Prof. Rincón, elaborada con base en el DFP del Turton & Bailie
TR
ES
EL
EM
EN
TO
S IN
DIS
PE
NS
AB
LE
S
• Se representan TODOS los equipos de proceso
identificados por su número respectivo.
• Se numeran TODAS las corrientes de proceso
incluyendo una descripción de sus condiciones
(temperatura, presión), flujos y composición química
mediante una TABLA adjunta.
• Se representan TODAS las corrientes de servicios
(vapor, aire, refrigerantes, aceites de calefacción, etc)
utilizados en cada equipo de proceso.
• Se deben señalar los lazos de control básicos para
asegurar la estabilidad de las condiciones de proceso.
En los Diagramas de Flujo de Procesos…
Para el análisis
de procesos químicos
Con base en la estructura general de
sistemas de proceso químico, y la correcta
lectura del DFP se recomienda: seguir el camino
de los reactivos y productos, identificar
puntos de mezcla y división de
corrientes, identificar corrientes de bypass,
corrientes de purga y lazos de reciclo.
Estructura general de un sistema de
proceso químico
Alimentación
Preparación de la alimentación para
la reacción
Zona de Reacción
Preparación para la
separación
Zona de
separación
Reciclo
Producto
Sub-Producto
Ajuste a condiciones
exigidas por la reacción
Cambios a condiciones
que permitan la
separación
Condiciones definidas por cinética y termodinámica
de la reacción
Tratamiento
de efluentes
Seguimiento del camino de las especies
(A)
(R.I.)
(P.R.S. I.)
(P)
Sólo en los reactores
se transforman las materias primas en productos.
Dirección del análisis
Sistema de
Reacción
Dirección del análisis
Camino de los químicos REACTIVOS Y PRODUCTOS
V-102
Tolueno
Hidrógeno
Gases
Benceno
TK-101 E-101
R-101
C-101A/B
P-101A/B
H-101
E-102
E-106
E-103
E-104
E-105
P-102A/B
V-101
V-103
T-101 hps
mps
cw
cw
cw
lps
air fg
gases de combustión
5
9
6
7
8
17
3
1 10
18
14
13
11
19
12
15
16
Reactantes
Productos
2
4
Sistema de Reacción
Identificación de puntos de mezcla y
división de corrientes.
Tolueno TK-101
E-101
R-101
C-101A/B
P-101A/B
H-101
hps
cw
air fg
gases de combustión
5 9
2
6
7
3
1
4
Hidrógeno
Puntos de mezcla
Puntos de división de corrientes
En el reciclo y preparación para la reacción.
Gases
V-102
Benceno
R-101
C-101A/B
E-102
E-106
E-103
E-104
E-105
P-102A/B
V-101
V-103
T-101
mps
cw
cw
cw
lps
9
6
8
17
10
18
14
13
11
19
12
15
16
7
Puntos de mezcla
Puntos de división de corrientes En el Sistema de Separación
Identificación de puntos de mezcla y
derivación.
Identificación de reciclos, bypass y
purgas.
V-102
Tolueno
Hidrógeno
Gases
Benceno
TK-101 E-101
R-101
C-101A/B
P-101A/B
H-101
E-102
E-106
E-103
E-104
E-105
P-102A/B
V-101
V-103
T-101 hps
mps
cw
cw
cw
lps
air fg
gases de combustión
5
9
2
6
7
8
17
3
1
4
10
18
14
13
11
19
12
15
16
Reciclo de tolueno
Reciclo de hidrogeno
Purga
Bypass
Secciones del sistema de proceso para la
obtención de benceno a partir del tolueno.
TK-101 P-101A/B E-101 H-101 R-101 C-101A/B E-102 V-101 V-103 E –103 E-106 T-101 V-102 P-102A/B E-105
Almacén Bomba Precalen Horno Reactor Compresor Enfriador Separador Separador Calentador Rehervidor Torre de Tambor Bomba Enfriador
Tolueno Tolueno Alim Alim Gas Reciclo Salida HP LP Entrada Benceno Benceno Reflujo Reflujo Producto
Reactor Torre
V-102
Tolueno
Hidrógeno
Gases
Benceno
TK-101 E-101
R-101
C-101A/B
P-101A/B
H-101
E-102
E-106
E-103
E-104
E-105
P-102A/B
V-101
V-103
T-101 hps
mps
cw
cw
cw
lps
air fg
gases de combustión
5
9
2
6
7
8
17
3
1
4
10
18
14
13
11
19
12
15
16
Diagramas de flujo para procesos químicos
Realicemos algunos ejercicios trazando el camino de
reactivos y productos.
Veamos que conclusiones podemos establecer al
aplicar esta estrategia para el análisis de DFP
Ejercicios propuestos para el curso
PS3213:Ingeniería de Procesos
Material para fines didáctico preparado por Prof. A. Requena con base en DFP presentado en “Analysis, Synthesis,and Design of Chemical Processes” por Turton, Bailie, Whiting & Shaeiwitz
A continuación se muestra el diagrama de flujo de proceso
(DFP) para la producción de acetona a partir del alcohol isopropílico según la reacción:
(CH3)2CHOH (CH3)2CO + H2
El alcohol empleado en la reacción está disponible en solución acuosa al 60% en peso y para la acetona obtenida
como producto se exige una pureza mínima del 90%.
Por razones de seguridad no está permitida la entrada de hidrógeno al reactor y éste debe ser removido de los productos de reacción tan pronto como sea posible.
Con base en la información suministrada proceda a efectuar una correcta lectura e interpretación del DFP siguiendo el
camino de los reactivos y de los productos, luego identifique los equipos correspondientes a cada zona del proceso.
EJEMPLO 1:
DFP Obtención de ACETONA a partir de alcohol isopropílico
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
Temperatura (°C) 25 32 350 357 20 27 33 25 22 61 61 90 83 83 109 33
Presión (bar) 1.01 2.3 1.91 3.0 1.63 1.63 1.50 2.0 1.63 1.5 1.5 1.4 1.2 1.2 1.4 1.2
Fracción de vapor 0.0 0.0 1.0 0.0 1.0 0.0 1.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 1.0
Flujo másico (ton/h) 2.40 2.67 2.67 35.1 0.34 0.46 0.24 0.36 2.79 4.22 1.88 0.92 8.23 0.27 0.65 0.24
Flujo molar (kmol/h) 51.9 57.8 92.6 -- 39.7 21.1 38.6 20.0 74.0 72.5 32.3 41.7 177 5.88 35.8 38.6
Componentes
(Flujo molar kmol/h)
Hidrogeno -- -- 34.7 -- 34.7 0.00 34.7 -- 0.00 -- -- -- -- -- -- 34.7
Acetona -- 0.16 34.9 -- 4.4 1.93 2.51 -- 32.4 72.4 32.3 0.16 4.82 0.16 -- 2.51
Alcohol isopropílico 34.8 38.6 3.86 -- 0.12 0.10 0.02 -- 3.84 0.05 0.02 3.82 115 3.82 -- 0.02
Agua 17.1 19.0 19.0 -- 0.40 19.1 1.29 20.0 37.8 -- -- 37.8 57.2 1.90 35.8 1.29
(CH3)2CHOH (CH3)2CO + H2
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
Temperatura (°C) 25 32 350 357 20 27 33 25 22 61 61 90 83 83 109 33
Presión (bar) 1.01 2.3 1.91 3.0 1.63 1.63 1.50 2.0 1.63 1.5 1.5 1.4 1.2 1.2 1.4 1.2
Fracción de vapor 0.0 0.0 1.0 0.0 1.0 0.0 1.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 1.0
Flujo másico (ton/h) 2.40 2.67 2.67 35.1 0.34 0.46 0.24 0.36 2.79 4.22 1.88 0.92 8.23 0.27 0.65 0.24
Flujo molar (kmol/h) 51.9 57.8 92.6 -- 39.7 21.1 38.6 20.0 74.0 72.5 32.3 41.7 177 5.88 35.8 38.6
Componentes
(Flujo molar kmol/h)
Hidrogeno -- -- 34.7 -- 34.7 0.00 34.7 -- 0.00 -- -- -- -- -- -- 34.7
Acetona -- 0.16 34.9 -- 4.4 1.93 2.51 -- 32.4 72.4 32.3 0.16 4.82 0.16 -- 2.51
Alcohol isopropílico 34.8 38.6 3.86 -- 0.12 0.10 0.02 -- 3.84 0.05 0.02 3.82 115 3.82 -- 0.02
Agua 17.1 19.0 19.0 -- 0.40 19.1 1.29 20.0 37.8 -- -- 37.8 57.2 1.90 35.8 1.29
(CH3)2CHOH (CH3)2CO + H2
Camino de los REACTIVOS y caminos de los PRODUCTOS
Sub-Producto
Preparación de la alimentación
para la reacción
Zona de
Reacción Preparación
para la separación
Zona de
separación
Reciclo
Producto
A tratamiento de efluentes
RECUERDE: Estructura general de un sistema de proceso químico
Alimentación
El anhídrido ftálico es una de las materias primas más importantes para la fabricación de resinas alquídica, ésteres plastificantes, resinas poliéster y colorantes; se emplea también en la preparación de ácido
benzoico, sales metálicas, anhídrido tetracloroftálico y ácido tereftálico.
El diagrama de flujo de proceso (DFP) para la producción de anhídrido
ftálico por oxidación parcial de naftaleno, se muestra en la página siguiente. En él tienen lugar las siguientes reacciones:
Con base en la información suministrada, efectué la lectura e interpretación del DFP siguiendo el camino de los reactivos y de los productos, luego
identifique los equipos correspondientes a cada zona del proceso.
EJEMPLO 2:
C10H8 + 9/2 O2 C8H4O3 + 2 H2O + 2 CO2 naftaleno oxígeno anhídrido ftálico agua dióxido de carbono
C10H8 + 6 O2 2 C4H2O3 + 2 H2O + 2 CO2 naftaleno oxígeno anhídrido maleico agua dióxido de carbono
C10H8 + 3/2 O2 C10H6O2 + H2O naftaleno oxígeno naftaquinona agua
DFP Obtención de ANHÍDRIDO FTÁLICO por oxidación
parcial del naftaleno
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 Temperatura (°C) 200 25 200 164 400 240 263 263 360 160 131 131 131 141 241 190 241 350 Presión (bar) 0.80 1.01 3.35 3.10 2.85 2.85 2.75 2.25 2.00 1.70 1.40 1.40 0.15 0.11 0.30 0.05 0.20 3.00 Fracción de vapor 0.0 1.0 0.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 Flujo másico (ton/h) 12.82 144.25 12.82 144.25 12.82 144.25 157.07 157.07 157.07 157.07 145.00 12.07 12.07 1.61 10.47 10.06 0.40 1624.72 Flujo molar
(kmol/h) 100 5000 100 5000 100 5000 5100 5100 5101 5101 5014 86 86 16 71 68 2.60 17660
Componentes Sal
fundida Naftaleno 100 - 100 - 100 - 100 100 - - - - - - - - - - Oxígeno - 1050 - 1050 - 1050 1050 1050 469 469 469 - - - - - - - Anhídrido ftálico - - - - - - - - 70 70 0.7 69 69 0.69 69 68 0.69 - Anhídrido maléico - - - - - - - - 16 16 0.8 15 15 15 0.015 0.015 - - Naftaquinona - - - - - - - - 2 2 - 2 2 0.08 1.9 0.002 1.91 - Dióxido de carbono - - - - - - - - 306 306 306 - - - - - - - Monóxido carbono - - - - - - - - 50 50 50 - - - - - - - Nitrógeno - 3950 - 3950 - 3950 3950 3950 3950 3950 3950 - - - - - - - Agua - - - - - - - - 238 238 238 - - - - - - -
Camino de los REACTIVOS y caminos de los PRODUCTOS
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 Temperatura (°C) 200 25 200 164 400 240 263 263 360 160 131 131 131 141 241 190 241 350 Presión (bar) 0.80 1.01 3.35 3.10 2.85 2.85 2.75 2.25 2.00 1.70 1.40 1.40 0.15 0.11 0.30 0.05 0.20 3.00 Fracción de vapor 0.0 1.0 0.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 Flujo másico (ton/h) 12.82 144.25 12.82 144.25 12.82 144.25 157.07 157.07 157.07 157.07 145.00 12.07 12.07 1.61 10.47 10.06 0.40 1624.72 Flujo molar
(kmol/h) 100 5000 100 5000 100 5000 5100 5100 5101 5101 5014 86 86 16 71 68 2.60 17660
Componentes Sal
fundida Naftaleno 100 - 100 - 100 - 100 100 - - - - - - - - - - Oxígeno - 1050 - 1050 - 1050 1050 1050 469 469 469 - - - - - - - Anhídrido ftálico - - - - - - - - 70 70 0.7 69 69 0.69 69 68 0.69 - Anhídrido maléico - - - - - - - - 16 16 0.8 15 15 15 0.015 0.015 - - Naftaquinona - - - - - - - - 2 2 - 2 2 0.08 1.9 0.002 1.91 - Dióxido de carbono - - - - - - - - 306 306 306 - - - - - - - Monóxido carbono - - - - - - - - 50 50 50 - - - - - - - Nitrógeno - 3950 - 3950 - 3950 3950 3950 3950 3950 3950 - - - - - - - Agua - - - - - - - - 238 238 238 - - - - - - -
Sub-Producto
Preparación de la alimentación
para la reacción
Zona de
Reacción Preparación
para la separación
Zona de
separación
Reciclo
Producto
A tratamiento de efluentes
Por ANALOGÍA con la ESTRUCTURA GENERAL de un sistema de proceso químico
Alimentación
El dimetil-eter (DME),usado principalmente como propelente,
se obtiene por deshidrogenación catalítica del metanol sobre un catalizador ácido de zeolita, según la reacción:
2 CH3OH (CH3)2O + H2O
Seguidamente se muestra el diagrama de flujo para la obtención de 50.000 toneladas métricas por año (suponga 8.375 h/año).
El DME se obtiene con una pureza del 99,5%.
Datos Adicionales:
Metanol Dimetil-eter Agua
Formula CH3OH (CH3)2O H2O
Peso molecular 32,04 46,01 18,016
Peso específico (20°/4°) 0,792 0,708 1
Pto. Fusión (°C) - 97,9 -140 0
Capacidad calorífica (kJ/kmol) Líq Gas o Vap
1,1097 E-5 1,0533 E-5
1,0314 E-5 1,6581 E-5
0,8939 E-5 0,5276 E-5
H fusión (kJ/gmol) 3,167 6,009
Pto. Ebullición normal (°C) 64,7 -24 100
H vaporización (kJ/mol) 35,27 40,65
Presión de vapor (Ec. Antoine) -20 – 140°C 60-150°C
A 7,87 7,9
B 1473,11 1668,2
C 230 228
Calor de formación Hfo ?(kJ/mol) -238,6
(l)
-201,2 (g)
-241,8
(g)
EJEMPLO 3:
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17
Temperatura (°C) 25 25 45 154 250 364 278 100 89 46 153 139 121 167 50 46 121
Presión (bar) 1,0 15,5 15,2 15,1 14,7 13,9 13,8 13,4 10,4 11,4 10,5 7,4 15,5 7,6 1,2 11,4 7,3
Fracción vaporizada (molar) 0 0 0 1 1 1 1 0,079 0,148 0 0 0,04 0 0 0 0 0
Flujo másico (ton/h) 8,37 8,37 10,49 10,49 10,49 10,49 10,49 10,49 10,49 5,97 4,52 4,52 2,13 2,39 2,39 2,17 3,62
Flujo molar (kmol/h) 262,2 262,2 328,3 328,3 328,3 328,3 328,3 328,3 328,3 129,7 198,6 198,6 66,3 132,3 132,3 47,1 113,0
Componentes de flujo (kmol/h)
Dimetil-eter 0,0 0,0 1,5 1,5 1,5 130,5 130,5 130,5 130,5 129,1 1,4 1,4 1,4 0,0 0,0 46,9 2,4
Metanol 259,7 259,7 323,0 323,0 323,0 64,9 64,9 64,9 64,9 0,6 64,3 64,3 63,6 0,7 0,7 0,2 108,4
Agua 2,5 2,5 3,8 3,8 3,8 132,9 132,9 132,9 132,9 0,0 132,9 132,9 1,3 131,6 131,6 0,0 2,2
DFP Obtención de DIMETIL ETER (DME) a partir del metanol
2 CH3OH (CH3)2O + H2O
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17
Temperatura (°C) 25 25 45 154 250 364 278 100 89 46 153 139 121 167 50 46 121
Presión (bar) 1,0 15,5 15,2 15,1 14,7 13,9 13,8 13,4 10,4 11,4 10,5 7,4 15,5 7,6 1,2 11,4 7,3
Fracción vaporizada (molar) 0 0 0 1 1 1 1 0,079 0,148 0 0 0,04 0 0 0 0 0
Flujo másico (ton/h) 8,37 8,37 10,49 10,49 10,49 10,49 10,49 10,49 10,49 5,97 4,52 4,52 2,13 2,39 2,39 2,17 3,62
Flujo molar (kmol/h) 262,2 262,2 328,3 328,3 328,3 328,3 328,3 328,3 328,3 129,7 198,6 198,6 66,3 132,3 132,3 47,1 113,0
Componentes de flujo (kmol/h)
Dimetil-eter 0,0 0,0 1,5 1,5 1,5 130,5 130,5 130,5 130,5 129,1 1,4 1,4 1,4 0,0 0,0 46,9 2,4
Metanol 259,7 259,7 323,0 323,0 323,0 64,9 64,9 64,9 64,9 0,6 64,3 64,3 63,6 0,7 0,7 0,2 108,4
Agua 2,5 2,5 3,8 3,8 3,8 132,9 132,9 132,9 132,9 0,0 132,9 132,9 1,3 131,6 131,6 0,0 2,2
Camino de los REACTIVOS y camino de los PRODUCTOS.
2 CH3OH (CH3)2O + H2O
RECUERDE: Estructura general de un sistema de proceso químico
Sub-Producto
Preparación de la alimentación
para la reacción
Zona de
Reacción Preparación
para la separación
Zona de
separación
Reciclo
Producto
A tratamiento de efluentes
Alimentación
EN LOS EJEMPLOS ANTERIORES OBSERVAMOS…
• El trazado del camino de reactivos y de productos
establece los límites de la zona de reacción.
• El camino de los reactivos está relacionado con la
zona de preparación para la reacción.
• Los equipos excluidos del camino de los
reactivos y de los productos están vinculados con
zona de reciclo o servicios.
• Las corrientes de purga están relacionadas con los lazos
de reciclo.
CONCLUSIONES:
Análisis de proceso químico
Obtención de acetona
a partir de alcohol isopropílico
Ejercicio propuesto para el curso
PS3213:Ingeniería de Procesos
Material para fines didáctico preparado por Prof. A. Requena con base en DFP presentado en “Analysis, Synthesis,and Design of
Chemical Processes” por Turton, Bailie, Whiting & Shaeiwitz
En la figura adjunta se muestra el diagrama de flujo de proceso (DFP) para la producción de acetona a partir del
alcohol isopropílico según la reacción:
(CH3)2CHOH (CH3)2CO + H2
El alcohol empleado en la reacción está disponible en solución acuosa al 60% en peso y para la acetona obtenida
como producto se exige una pureza mínima del 90%.
Por razones de seguridad no está permitida la entrada de hidrógeno al reactor y éste debe ser removido de los productos de reacción tan pronto como sea posible.
Con base en la información suministrada proceda a efectuar una correcta lectura e interpretación del DFP siguiendo el
camino de los reactivos y de los productos, luego responda a cada uno de los planteamientos formulados.
DFP acetona a partir de alcohol isopropílico
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
Temperatura (°C) 25 32 350 357 20 27 33 25 22 61 61 90 83 83 109 33
Presión (bar) 1.01 2.3 1.91 3.0 1.63 1.63 1.50 2.0 1.63 1.5 1.5 1.4 1.2 1.2 1.4 1.2
Fracción de vapor 0.0 0.0 1.0 0.0 1.0 0.0 1.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 1.0
Flujo másico (ton/h) 2.40 2.67 2.67 35.1 0.34 0.46 0.24 0.36 2.79 4.22 1.88 0.92 8.23 0.27 0.65 0.24
Flujo molar (kmol/h) 51.9 57.8 92.6 -- 39.7 21.1 38.6 20.0 74.0 72.5 32.3 41.7 177 5.88 35.8 38.6
Componentes
(Flujo molar kmol/h)
Hidrogeno -- -- 34.7 -- 34.7 0.00 34.7 -- 0.00 -- -- -- -- -- -- 34.7
Acetona -- 0.16 34.9 -- 4.4 1.93 2.51 -- 32.4 72.4 32.3 0.16 4.82 0.16 -- 2.51
Alcohol isopropílico 34.8 38.6 3.86 -- 0.12 0.10 0.02 -- 3.84 0.05 0.02 3.82 115 3.82 -- 0.02
Agua 17.1 19.0 19.0 -- 0.40 19.1 1.29 20.0 37.8 -- -- 37.8 57.2 1.90 35.8 1.29
(CH3)2CHOH (CH3)2CO + H2
1. Complete la Tabla indicando los códigos de los equipos
que conforman cada una de las secciones del proceso.
Zona Equipos que la integran (Escriba sólo el código)
Preparación para la reacción
V-401 P-401 A/B E-401
Reacción R-401 P-402 A/B H-401
Preparación para la separación
E-402 E-403
E-404 V-403 Separación V-402 T-401 T-402
E-405 P-403 A/B
E-406 V-404 Reciclo P-404 A/B T-403
E-407 P-405 A/B
Seguidamente se muestran las distintas zonas
coloreadas según su correspondencia con la estructura
general de un sistema de proceso químico.
Sub-Producto
Preparación de la alimentación para la reacción
Zona de
Reacción Preparación
para la separación
Zona de
separación
Reciclo
Producto
A tratamiento
de efluentes
RECUERDE: Estructura general
de un sistema de proceso químico
Alimentación
2. Diga si existe corriente de purga o bypass en el DFP.
En caso afirmativo calcule el flujo de dichas corrientes.
• No hay presencia de corrientes de bypass
• El reactivo se introduce disuelto en agua, la que actúa
como un inerte, por lo tanto, debe existir una purga
para eliminar dicho inerte (agua) en cantidad similar a la
introducida. También se debe tener en cuenta que para el
producto (acetona) sólo se exige una pureza del 90%, por
lo que puede arrastrar parte del inerte introducido.
Para verificar esta hipótesis se puede seguir el siguiente
procedimiento:
Cantidad de agua a purgar = Cantidad de agua como inerte en la alimentación = mH2O
1 = 17,1 t/h
Agua eliminada en corriente 15 = 35,8 t/h
Agua introducida en corriente 8 = 20,0 t/h
Agua eliminada en 15 y no introducida en 8 = 15,8 t/h
Agua eliminada con productos = Agua en corriente 16 = 1,29 t/h
Cantidad de agua purgada = (15,8 + 1,29) t/h = 17,1 t/h
Se verifica la eliminación de agua inerte como una corriente de purga
Purga
3. ¿Que función cumplen los equipos P-402 A/B y H-401 en
el proceso?
Un ingeniero propone suprimir estos equipos
reemplazándolos por un recuperador de calor a la salida
del reactor R-401 para aproveche el calor de la corriente 3.
¿Apoyaría Ud. esta propuesta?
Justifique adecuadamente su respuesta.
La bomba P-402 A/B hace circular un fluido que sale del sistema de calentamiento del reactor a 357°C y lo lleva al horno H-401 para
calentarlo hasta 407°C; esto permite inferir que la reacción es endotérmica con alta energía de activación.
Cabe destacar que la corriente 4 NO ES FLUIDO DE PROCESO; es una corriente de servicio, muy probablemente constituida por una sal inorgánica fundida y no un aceite orgánico, pues estos podrían sufrir craqueo a temperaturas mayores a 350°C.
Esta configuración permite afirma que la zona de reacción está integrada no sólo por el reactor R-401, sino también por la bomba P-402 A/B y el horno H-401.
La propuesta de sustituir el sistema de calentamiento del reactor por un recuperador de
calor a la salida del reactor es inadecuada, ya que al tratarse de una reacción endotérmica, la temperatura de salida del reactor (corriente 3) sería mucho más baja si no se suministra calor al reactor.
Si se supone la capacidad calorífica del fluido de calentamiento, (para
una sal fundida puede tomarse 0,25 kcal/kg °C) , es posible estimar el calor de la reacción, según se muestra a continuación:
Sustituyendo valores numéricos:
Q = 35.100 (kg/h) 0,25 (kcal/kg °C) (407 – 357)°C
437.500 kcal/h
Esta cantidad de calor no podría ser suplida por la corriente 3,
(verifíquelo) por lo que no se apoya la propuesta.
RH
TCpmQ
ZONA DE REACCIÓN
4. Uno de sus compañeros de curso le comenta que él
piensa que el agua alimentada al proceso sólo se utiliza
para atrapar por solubilidad los vapores de acetona
arrastrados en la corriente gaseosa que abandona el
V-402. ¿Qué balance de masa propondría Ud. realizar
para verificar la hipótesis del su compañero?
Realice dicho balance y diga si está Ud. de acuerdo con
esta idea.
Para verificar la hipótesis, determinamos la fracción de acetona contenida en la corriente 5 que se arrastra a la corriente 6.
Fracción acetona recuperada = mAC6 / mAC
5
1,93 / 4,4 = 43,9%
Por lo que efectivamente SE RECUPERA ACETONA, sin embargo vale la pena evaluar la cantidad de acetona recuperada en relación a la producción total.
Esto puede estimarse a partir de la cantidad de
acetona en la corriente 9 que proviene de la
corriente 6.
mAcetona6 / mAcetona
9 = 1,93 / 32,4
= 5,95%
Pero la T-401 también recupera alcohol
isopropílico no convertido:
Alcohol recuperado = mAlc6 / mAlc
5
(0,10/0,12)*100 = 83,3%
Pero el alcohol recuperado es muy poco en
relación al contenido en la corriente 9.
mAlc6 / mAlc
9 = (0,10/3,84)*100 = 2,6%
Se puede por tanto afirmar que la función principal de la T-401
es recuperar acetona, para aumentar el rendimiento del
proceso.
SEPARACIÓN DE GASES
5. Se propone eliminar el equipo E-403 y aumentar el área
del intercambiador E-402 para manejar la carga térmica
del E-403. ¿Apoyaría Ud. esta propuesta?
Justifique adecuadamente su respuesta.
• No se apoya la
propuesta dada las
diferencias en el tipo de
servicio de cada
intercambiador.
El servicio “agua fría” (cw) utilizado en el E-402 no
permitiría alcanzar la temperatura de 20°C requerida a
la entrada del V-402 y si se sustituye el servicio por
“agua refrigerada” (rw) se sub-utilizaría los servicios con
el consecuente incremento de los costos de operación.
6. Construya el diagrama Entrada-Salida y el diagrama de
bloque para este proceso
• Diagrama Entrada-Salida
• Diagrama de Bloque
a) Si consideran alimentación de alcohol puro
b) Si considera alcohol al 60%
Debe incluir corriente de purga para eliminar el agua antes del reciclo.
(CH3)2CHOH (CH3)2CO + H2
Hidrógeno
Acetona
Alcohol
Isopropílico
REACTOR Alcohol
Isopropílico
SEPARADOR
DE GASES
Hidrógeno
SEPARADOR
DE LÍQUIDOS
Acetona
Reciclo del alcohol no convertido Purga para
eliminación
del agua inerte
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