¡Descarga Diseño de Procesos en Ingeniería Química: Reglas Heurísticas para la Optimización y más Monografías, Ensayos en PDF de Dirección de las Operaciones solo en Docsity!
Diserio de procesos en ingenierfa qufmica
Costo ($)
Costo total minimo
o (^) Gradiente 6ptimo
Costo total
Costos de energia
Costos de equipo
Gradiente
Figura 3.5 Solucl6n al dllema universal de los procesos.
Encontrar el 6ptimo para cada caso particular implica utilizar tecnicas de estimaci6n de costos y de optimizaci6n de cierta complejidad. Sin embargo, como resultado de la aplicaci6n de este concepto a muchas unidades de procesamiento (bombas, cambiadores, torres de destilaci6n, etcetera), se han encontrado criterios generales para aplicar a diversos equipos, que nos ase- guran un disefio con gradientes ubicados en la region de minimo costo del proceso. Este concepto ha dado origen a las Reglas heuristicas en disefio de procesos.
3.3 Reglas heuristicas en diserio de proceso
Ya sea que el disefio de un proceso se haga por medio de la construccion de una estructura irreductible 0 de la creacion y optimizacion de una es- tructura reductible, existen criterios que conducen a la optimizacion de los diferentes subsistemas que conforman un esquema de proceso. As!, por ejemplo, las dimensiones de un cambiador de calor pueden ser optimi- zadas con base en la correcta aplicacion de los criterios de acercamiento mfnimo de temperaturas; las dimensiones de una tuberia pueden tam-
Dilemas de las variables de proceso y reglas heuristicas
bien definirse en funcion de un optimo economico, aplicando criterios de velocidad de flujo 0 caida de presion; y asi puede pensarse para cual- quier equipo de proceso.
La optimizacion de estos su bsistemas puede realizarse en forma riguro- sa al aplicar tecnicas de optimizacion a los modelos matematicos que representan el comportamiento de cada equipo especifico. Sin embargo, la aplicacion reiterativa de estas tecnicas de optimizacion conduce por 10 general al establecimiento de criterios generales resultado de esta expe-
riencia, que se Haman reglas heuristicas.
Una regia heuristic a en disenos de proceso es un postulado 0 criterio numerico que se aplica para establecer dimensiones de equipo 0 con- diciones de operacion adecuadas, que si se utiliza correctamente nos asegura que se esta disenando alrededor del optimo economico. Su utilidad radica en que sin necesidad de calculos complejos es posible aplicarlas y establecer un diseno adecuado y bien fundamentado, que es susceptible de un ajuste fino aplicando calculos posteriores de mayor complejidad.
A continuacion se presenta una lista de 100 reglas heuristicas de diseno, aplicables a los sistemas mas tipicos encontrados en plantas de proceso, que pueden ser utilizadas directamente para establecer dimensiones y condi- ciones de operacion, que permitan construir una estructura con diversos subsistemas de proceso y que al integrarse conduzcan al diseno mas ade- cuado de una planta de proceso.
3.3. 1 Uneas de flujo y bombas
- Las velocidades y caidas de presion en lineas de flujo con diametro D (pulgada):
A la descarga de bomba A la succi6n de bomba Vapor 0 gas
Velocidad (pie/seg)
5+D/
1.3 + D/
20 D
Caida de presion (pie/100 pies)
- Las valvulas de control requieren una caida de presion de 10 psi para lograr un adecuado control.
Dilemas de las variables de proceso y reg las heuristicas
3.3.2 Compresores
- Los ventiladores se utilizan para aumentar la presi6n alrededor de 3% (12 pulgadas de agua); los sopladores la aumentan hasta 40 libras/ pulg^2 y los compresores se utilizan para presiones de descarga mayores.
- La eficiencia de compresores reciprocantes es funci6n de la relaci6n de
compresi6n (RC= P rlPl) de la siguiente forma:
Relaci6n de compresi6n (P rlPl) Eficiencia^ (%)
- La eficiencia de compresores centrffugos grandes es de 76-78% para flujos reales en la succi6n de 6 000-100 000 pie 3/ min.
- La eficiencia de los compresores rotatorios es de 70%.
- La relaci6n de compresi6n (RC) debe ser aproximadamente la misma en cad a etapa de un compresor multietapa.
RC = (Pn/pl)1/tI, donde n = numero de etapas.
- La temperatura de salida del compresor de un gas comprimido no debe exceder 350 - 400°F. Para gases diat6micos (Cp/Cv = 1.4) esta con- dici6n corresponde a una relaci6n de compresi6n RC de 4.
- La potencia te6rica (HPT) requerida en un compresor es:
Donde:
HPT = Potencia te6rica en HP. Tl = Temperatura de entrada del gas (OF + 460°) (OR). a = (k-1) / k. k = Cp/Cv. P 1 y P 2 = Presi6n de entrada y salida del compresor.
Diserio de procesos en ingenieria quimica
- La temperatura de salida del gas en un compresor es:
3.3.3 Impu/sores y equipo de recuperaci6n de energia
- La eficiencia es mayor para maquinas mayores. En motores es de 85-95%; en turbinas de vapor de 42-78%; turbinas comunes y de gas tie- nen 28-38%.
- Para potencias hasta 100 HP se usan motores electricos.
- Las turbinas de vapor son competitivas para potencias arriba de 100 HP.
- Los expansores de gas para recuperacion de potencia solo se justifi- can para capacidades de cientos de HP.
3.3.4 Cambiadores de calor y ais/antes
- Los cambiadores de tubos y envolvente a contracorriente son la pri- mera opcion de disefio.
- Si en cambiadores de tub os y envoI vente se utili zan tubos estandar de % pulgada OD, espaciamiento triangular de 1 pulgada y de 16 pies de largo, se tienen las siguientes areas de transferencia de calor:
Diametro envolvente (pie)
Area (pie 2)
100 400 1100
- Por los tuhos deben circular los fluidos corrosivos, ensuciantes y de mayor presion; por la envolvente circulan los fluid os viscosos y conden- sados.
- La caida de presion en cambiadores para fluidos en ebullicion es de 1.5 psi y de 3-9 psi para otros servicios.
- El acercamiento minima es de 20°F para enfriamiento convencional y de 10°F 0 menos, con refrigerantes.
Diserio de procesos en ingenieria quimica
36. EI espesor de aislante 6ptimo varia con la temperatura:
Temperatura de pared (OP)
Espesor 6ptimo aprox. (pulgada)
37. En refrigeraci6n, el refrigerante 6ptimo es funci6n de la temperatura
requerida:
Temperatura requerida (OP)
Menor que (-150)
Refrigerante
Salmuera 0 glicoles
Amoniaco 0 fre6n 0 butano
Etano 0 propano
Metano
3S. Para niveles de refrigeraci6n menores que -SOOp se utiliza refrigera-
ci6n en cascada con varios refrigerantes.
3.3.5 Torres de enfriamiento
39. El agua en contacto con aire a condiciones adiabciticas puede enfriar
hasta la temperatura de bulbo humedo.
40. En unidades comerciales se puede lograr hasta 90% de saturaci6n
del aire.
41. El disefio estructural de una torre debe ser tal que minimice la caida
de presi6n que normalmente debe ser maxima de 2 pulgadas de agua.
42. El flujo de circulaci6n de agua en la torre sera de 1-4 gpm/pie^2 y el
de aire de 1300-1 SOO Ib/h-pie^2 0 300-400 pie/min.
43. Las torres de tiro inducido pueden enfriar el agua hasta 2°P arriba de
la temperatura de bulbo humedo.
44. Las perdidas por evaporaci6n en una torre son aproximadamente 1 %
de la circulaci6n de agua por cad a lOoP de enfriamiento.
Dilemas de las variables de proceso y reg las heuristicas
- La purga de agua debe ser de 2.5-3% de la circulaci6n total para evi- tar una excesiva formaci6n de sales e incrustaci6n.
3.3.6 Recipientes
- Los recipientes acumuladores de liquidos son generalmente horizon- tales.
47. Los separadores liquidoj gas son verticales.
- La relaci6n LjD 6ptima es cercana a 3, pero se disefia en el intervalo 2.5 - 5.0.
- El tiempo de residencia a tanque medio Heno es de 5 minutos para tanques de reflujo, de 5-10 minutos para tanques que alimentan a otro equipo y de 30 minutos para tanques que alimentan homos.
- Los separadores liquido-liquido se disefian para velocidades de asen- tamiento de 2-3 pulgadas por minuto.
- La velocidad del gas en separadores gas-liquido es v = k (PL - PV)V (piejseg) donde k= 0.35 con malla separadora y k = 0.1 sin malia.
- El arrastre de liquido se elimina 99% con mallas separadoras de 4- pulgadas de espesor. El espesor mas comun es de 6 pulgadas.
- El espacio arriba de la maHa separadora es de 6-18 pulgadas. El mas comun es de 12 pulgadas.
- Para recipientes a presi6n, la temperatura de disefio es 50 0 P por arri- ba de la de operaci6n y la presi6n de disefio es 10% 025 psi (10 que sea mayor) de la presi6n de operaci6n.
3.3.7 Reactores
- La velocidad de reacci6n se obtiene de datos de laboratorio y el tiempo de residencia (el espacio-velocidad) y la distribuci6n de productos en una planta piloto.
- Los tamafios tipicos de catalizadores son de 0.1 mm en lechos fluidi- zados, 1 mm en lechos liquidos (slurry) y de 2-5 mm en lechos fijos.
Dilemas de las variables de proceso y reg las heuristicas
c) Cuando hay variaciones significativas en las volatilidades relativas de los componentes en la alimentaci6n, realizar la separaci6n en orden decreciente de volatilidades. Cuando las concentraciones en la alimen- taci6n varian significativamente pero no las volatilidades relativas, eli- minar los componentes en orden decreciente de su concentraci6n en la alimentaci6n.
- La relaci6n de reflujo 6ptima es aproximadamente 1.2 el valor del re-
flujo minima (Rapt = 1.2 Rmin).
- El numero de platos econ6micamente 6ptimo es alrededor de dos
veces el numero de platos minima (Np = 2 Nm).
- El numero minima de platos se obtiene de la ecuaci6n de Fenske- Underwood:
Nm = log { [x/(l-xhop/ [x / (1-x) ] bot} / log a.
Donde:
Nm = Num. de platos en la columna.
x = Fracci6n mol del componente clave.
a = Volatilidad relativa del componente clave.
- El reflujo minima de mezclas binarias 0 seudobinarias esta dado por:
RmO/F = 1/ (a - 1) (alimentaci6n en punto de burbuja) (Rm + 1) O/F = a/ (a - 1) (alimentaci6n en punto de rocio)
Donde: Rm = Reflujo minimo.
o = Flujo de destilado.
F = Flujo de alimentaci6n.
- Se aconseja un factor de seguridad de 10% sobre el numero de platos calculado.
- Las bombas de reflujo tienen un sobrediseno de 25%.
- Por razones de acceso y mantenimiento, el espaciamiento entre pla- tos es de 20-24 pulgadas.
Diserio de procesos en ingenieria quimica
- E16ptimo para el factor de absorci6n de Kremser-Brown A = K (VIL) se encuentra en el intervalo 1.25-2.0.
- La caida de presi6n en platos es de aproximadamente 3 pulgadas de H 20 0 0.1 psi.
- Los platos perforados tienen hoyos de 0.25 a 0.5 pulgadas y el area perforada es de aproximadamente 10% el area activa del plato.
- Los platos de valvulas tienen hoyos de 1.5 pulgadas. con 12-14 valvu- las/pie2 de secci6n transversal.
- Los platos de cachucha se usan s610 cuando se debe mantener el nivel de Ifquido en el plato a bajos flujos.
- Las torres empacadas se utilizan para diametros de columna menores que 3 pies y bajas caidas de presi6n. Para flujos de gas de 500 pie3/ min usar empaques de 1 pulgada; para flujos de gas de 2 000 pie3/ min 0 mayores, usar empaques de 2 pulgadas.
- La relaci6n de diametro de la columna a diametro de empaque debe ser cuando menos 15.
- Se deben colocar redistribuidores de liquido cada 10-15 diametros de columna 0 cad a 20 pies (10 que sea menor).
- La altura equivalente de un plato te6rico (HETP) en torres empacadas con anillos pall con diametro de 1 pulgada es de 1.3-1.8 pie y para dia- metro de 2 pulgadas, de 2.5-3.0 pies.
- Las columnas empacadas deben operar alrededor de 70% de la capa- cidad de inundaci6n de Sherwood.
- Los tanques de reflujo son generalmente horizontales con tiempos de residencia de cinco minutos a tanque medio Heno.
- Para torres de diametro mayores que 3 pies, agregar 4 pies en el domo para la separaci6n de Ifquido y de 6 pies en el fondo para dar un ade- cuado nivel de Ifquido y operaci6n del rehervidor.
Diserio de procesos en ingenieria quimica
Operaci6n Potencia (HP/1,000 gal) Vel. del impulsor (pie/min)
Mezc1ado 0.2 - 0. Reacci6n homogenea 0.5 -1.5 7.5 -10. Reacci6n con transferencia de calor 1.5 - 5.0 10 - Mezc1ado liquido-liquido 5.0 15 - 20 Mezc1ado liquido-gas 5.0 -10.0 15 - 20 Lodos 10.
- Las proporciones de un tanque de mezclado de diametro D, son:
Nivel de liquido = D. Diametro del impulsor de la turbina = D/3. Nivel de impulsor desde el fondo del tanque = D/3. Ancho de la hoja del impulsor = D 115. Ancho de 4 mamparas verticales = D/I0.
95. La potencia requerida para mezclar gas y liquido puede ser 25-50%
menor que la requerida para mezclar el Hquido solo.
3.3. 1 1 Cristalizacion
- La recuperaci6n total de s6lidos se logra por evaporaci6n pero s hasta la composici6n eutectic a por enfriamiento.
- En cristalizaci6n, la relaci6n de concentraci6n S = cjcsat se puede obte- ner en el intervalo 1.02-1.05.
- En cristalizaci6n por enfriamiento, la temperatura de la soluci6n se puede mantener cuando mucho I-2°F debajo de la temperatura de saturaci6n a la concentraci6n existente.
- La velocidad de crecimiento de los cristales bajo condiciones satisfac-
torias es de 0.1-0.8 mm/h. La velocidad de crecimiento es practicamen-
te la misma en todas direcciones.
- La velocidad de crecimiento depende en forma importante de la pre-
sencia de impurezas y de ciertos aditivos presentes.
