¡Descarga Heurística para síntesis de procesos: Separación, selección y reacciones químicas y más Apuntes en PDF de Procesos de Producción solo en Docsity!
procesar los diagramas de flujo rápidamente. Las heurísticas enumeradas son un subconjunto de las muchas reglas generales que
2. Ser capaz de implementar los pasos de la Sección 2.1 para el proceso. han^ sido^ aplicados^ por^ los^ equipos^ de^ diseño^ en^ la^ realización^ del^ proceso.
Habiendo estudiado este capítulo, el lector debería:
síntesis de manera más efectiva, utilizando las muchas heurísticas
presentadas aquí y resumidas en la Tabla 6.2. Los ejemplos
síntesis.
3. Reconocer las limitaciones de las heurísticas de la Tabla 6.2 y
y los ejercicios deben permitirle adquirir experiencia
1. Comprender cómo aplicar heurísticas para obtener un caso base
el papel del simulador de procesos al permitir la variación sistemática de
parámetros y el examen de diseños alternativos. El lector también debe
reconocer que el
en su aplicación.
6.11 RESUMEN
Los subproductos que se producen en pequeñas cantidades en reacciones reversibles generalmente no se recuperan en Distribución de productos químicos. Introducir corrientes de purga para proporcionar salidas para las especies que ingresan al proceso como impurezas en el alimento o que son 8 Operaciones de separación: líquidos Separe las mezclas de vapor mediante condensación parcial, destilación criogénica, absorción, adsorción,
Seleccionar materias primas y reacciones químicas para evitar o reducir el manejo y almacenamiento de productos peligrosos y debe eliminarse un gran calor de reacción exotérmico. 6.11 Resumen 155 distribuciones muy diferentes de sustancias químicas. 12 Operaciones de separación— MSDS). Agregue separadores para recuperar especies valiosas. Añadir reactores para eliminar, si es posible, los tóxicos y Operaciones de reacción Cuando se requieren productos casi puros, eliminar las especies inertes antes de las operaciones de reacción cuando el Especialmente para reacciones reversibles, considere realizarlas en un dispositivo de separación capaz de eliminar
Heurístico No purgue especies valiosas o que sean tóxicas y peligrosas, incluso en pequeñas concentraciones (consulte la puede estar satisfecho. Antes de desarrollar un diseño de caso base, obtenga datos cinéticos y verifique este supuesto. Separar mezclas líquidas mediante destilación, extracción, mejoradas (extractivas, azeotrópicas, reactivas) destilación, extracción líquido líquido, cristalización y/o adsorción. La selección entre estos y mezclas de vapor separarse de los demás productos químicos. Las especies más ligeras salen en corrientes de purga de vapor y las especies más pesadas salen Usar un exceso de un reactivo químico en una operación de reacción para consumir por completo un reactivo valioso, tóxico o Para reacciones competitivas, tanto en serie como en paralelo, ajuste la temperatura, la presión y el catalizador para obtener 11 Capítulo 9. enfriamiento, cuando la solubilidad no cambia significativamente con la temperatura. Heurística 9. disminuye significativamente al disminuir la temperatura. Mantenga la solución como máximo entre 1 y 2 F por debajo del Cristalizar productos químicos inorgánicos de una solución acuosa concentrada enfriándolos cuando la solubilidad
químicos tóxicos.
Intente condensar total o parcialmente las mezclas de vapor con agua de refrigeración o un refrigerante. Entonces, usa los productos y, por tanto, impulsando las reacciones hacia la derecha. Tales operaciones de separación de reacción conducen a Las separaciones se logran fácilmente y cuando el catalizador se ve afectado negativamente por el inerte, pero no cuando
especies peligrosas. Las alternativas se consideran en el Capítulo 9. involucrando partículas sólidas separación de membranas y/o desublimación. La selección entre estas alternativas se considera en Altos rendimientos de los productos deseados. En la distribución inicial de sustancias químicas, suponga que estas condiciones Tabla 6.2 Heurísticas en el Capítulo 6
reactivo químico peligroso. Las MSDS indicarán qué productos químicos son tóxicos y peligrosos.
en corrientes de purga líquida. 9 (Continuado) temperatura de saturación a la concentración predominante. Utilice la cristalización por evaporación, en lugar de separadores o purgados. En lugar de ello, suelen reciclarse hasta su extinción.
formado en reacciones secundarias irreversibles cuando estas especies están en cantidades traza y/o son difíciles de
Para material granular, fluido o no, de granulometría de 3 a 15 mm, utilizar bandeja y cinta continua.
Para pastas y lodos de sólidos finos, utilice un secador de tambor con calor indirecto. Para una suspensión líquida o bombeable, use un secador por aspersión con calor directo. dieciséis Para calores de reacción menos exotérmicos, haga circular el fluido del reactor a un enfriador externo o use un recipiente con camisa o 23 A menos que sea necesario como parte del diseño del separador o reactor, proporcione el intercambio de calor necesario para calentar o enfriar las corrientes de fluidos del proceso, con o sin servicios públicos, en un intercambiador de calor externo de carcasa y tubos utilizando flujo a contracorriente. Sin embargo, si una corriente de proceso requiere calentamiento por encima de 750 °F, use un horno a menos que el fluido del proceso esté sujeto a descomposición química.
Eliminación y adición de calor.
filtración de bandeja horizontal de alimentación superior para lodos que se filtran a un ritmo rápido; filtración al vacío con tambor giratorio para lodos que se filtran a un ritmo moderado; y filtración a presión para lodos que se filtran a un ritmo lento. 24 el licor madre; filtración centrífuga si se requiere un lavado eficaz. tiros fríos. Estos afectan la distribución de sustancias químicas y deben insertarse temprano en el proceso de síntesis. Cuando se requieren tortas con bajo contenido de humedad, use: centrifugación en recipiente sólido si se permiten sólidos en 21 Utilizando múltiples evaporadores (llamados de efectos) en serie, se recupera y reutiliza el calor latente de evaporación del agua. Con un solo evaporador, la relación entre la cantidad de agua evaporada y la cantidad de vapor externo suministrado para provocar la evaporación suele ser de 0,8. Para dos efectos, la relación pasa a ser 1,6; para tres efectos 2.4, y así sucesivamente. La magnitud de la elevación del punto de ebullición causada por los compuestos inorgánicos disueltos es un factor de control en la selección del número óptimo de efectos. La elevación suele estar en el rango de 3 a 10 °F entre los puntos de ebullición de la solución y el agua pura. Cuando el aumento del punto de ebullición es pequeño, se obtiene un coste mínimo de evaporación con 8 a 10 efectos. Cuando el aumento del punto de ebullición es apreciable, el número óptimo de efectos es pequeño, 6 o menos. Si es necesario, aumente las presiones de vapor entre etapas con compresores mecánicos o de chorro de vapor. Para calores de reacción menos endotérmicos, haga circular el fluido del reactor a un calentador externo o use un recipiente con camisa. Heurístico Cuando se emplean efectos múltiples, los flujos de líquido y vapor pueden estar en la misma o en diferentes direcciones. 19 22 Intercambiadores de calor y hornos 25 Las tasas de crecimiento de los cristales son aproximadamente las mismas en todas las direcciones, pero los cristales nunca son esferas. Cristal Utilice alimentación directa, donde tanto el líquido como el vapor fluyen en la misma dirección, para una pequeña cantidad de efectos, particularmente cuando la alimentación líquida está caliente. Utilice alimentación hacia atrás, donde el líquido fluye en dirección opuesta a los flujos de vapor, para alimentaciones en frío y/o una gran cantidad de efectos. Con la alimentación directa, las bombas de líquido intermedias no son necesarias, mientras que sí lo son para la alimentación inversa. Secadoras con calor directo. Para sólidos granulares de flujo libre que no son sensibles al calor, use un secador cilíndrico giratorio inclinado donde el calor puede ser suministrado directamente desde un gas caliente o indirectamente desde tubos, que transportan vapor que corren a lo largo del secador y están ubicados en uno o dos anillos concéntricos y ubicados justo dentro de la carcasa giratoria de la secadora. Para partículas pequeñas que fluyen libremente, de 1 a 3 mm de diámetro, cuando sea posible un secado rápido, utilice un secador de transporte neumático con calor directo. Para partículas muy pequeñas que fluyen libremente y de menos de 1 mm de diámetro, utilice un secador de lecho fluidizado con calor directo. serpentines de enfriamiento. Además, considere el uso de intercoolers entre las etapas de reacción adiabática. Separar los productos químicos orgánicos mediante cristalización en estado fundido con enfriamiento, utilizando cristalización en suspensión, seguida de la eliminación de cristales mediante sedimentación, filtración o centrifugación. Alternativamente, utilice la cristalización en capas sobre una superficie enfriada raspando o derritiendo para eliminar los cristales. Si la masa fundida forma una solución sólida en lugar de un eutéctico, utilice pasos repetidos de fusión y congelación, llamados cristalización fraccionada en masa fundida, o fusión por zonas para obtener productos cristalinos casi puros. las tasas de crecimiento y los tamaños se controlan limitando el grado de sobresaturación, S = C⁄Csaturación, donde C es la concentración, generalmente en el rango 1,02 < S < 1,05. Las tasas de crecimiento están muy influenciadas por la presencia de impurezas y de ciertos aditivos específicos que varían de un caso a otro. Cuando los cristales son frágiles, se requiere un lavado eficaz y se desea un licor madre claro, utilice: gravedad, 20 Para controlar la temperatura para un calor de reacción altamente endotérmico, considere el uso de reactivo en exceso, un diluyente inerte o inyecciones calientes. Estos afectan la distribución de sustancias químicas y deben insertarse temprano en el proceso de síntesis. Para eliminar un calor de reacción altamente exotérmico, considere el uso de un exceso de reactivo, un diluyente inerte o o serpentines calefactores. Además, considere el uso de calentadores intermedios entre las etapas de reacción adiabática.
Tabla 6.2 (continuación) 156 Capítulo 6 Heurística para la síntesis de procesos
necesario. presiones superiores a 90 torr, 0,15 para presiones entre 21 y 89 torr, 0,10 para presiones entre 3, 8,130a ) [1 − (P2 P1 )a] Para alturas de hasta 3200 pies y caudales en el rango de 10 a 5000 gpm, utilice una bomba centrífuga. Para alto Bombear líquido o de al menos 10 psi. Por cada aumento de elevación de 10 pies, suponga una caída de presión de 4 psi.
0,667 w = kV
reducir la presión de un líquido cuando se pueden recuperar más de 20 Hp y 150 Hp, respectivamente. Las presiones óptimas entre etapas corresponden a Hp iguales para cada compresor. Por lo tanto, con base en la condensador utilizando agua de refrigeración antes del sistema de vacío. El gas que sale del condensador estará a una Calcule los caballos de fuerza teóricos (THp) para reducir la presión de un líquido: Estime el número de etapas de compresión de gas, N, a partir de la siguiente tabla, que supone un calor específico 37 Para aumentar la presión de una corriente, bombee un líquido en lugar de comprimir un gas a menos que se requiera refrigeración. THp = (gpm)(Aumento de presión, psi)⁄1,
donde w = lb⁄hr de fuga de aire, V = ft3 de volumen del equipo al vacío y k = 0,2 para
relación de compresión para cada etapa con una caída de presión del intercooler de 2 psi o 15 kPa.
Calcule la fuga de aire mediante:
Considere el uso de un expansor para reducir la presión de un gas o una turbina de recuperación de presión para 42 hasta 3000 pies para caudales en el rango de 1 a 1500 gpm.
bombas para cabezales de hasta 40 pies para caudales en el rango de 20 a 100 000 gpm y bombas rotativas para cabezales Heurístico 43
Calcule la potencia adiabática teórica (THp) para expandir un gas: ecuación para la Hp teórica del compresor, estime las presiones entre etapas usando aproximadamente la misma (6.7) Para flujo de líquido, suponga una caída de presión en la tubería de 2 psi⁄100 pies de tubería y una caída de presión en la válvula de control. Presión final⁄Presión de entrada Número de etapas (6.5) 44
Para reducir la cantidad de gas enviado al sistema de vacío si su temperatura es superior a 100 F, agregue un y 20 torr, y 0,051 para presiones entre 1 y 3 torr. alturas de hasta 20 000 pies y caudales de hasta 500 gpm, utilice una bomba alternativa. Menos comunes son los axiales. THp = SCFM ( T Tabla 6.2 (continuación) comprimiendo gas Calcule los caballos de fuerza teóricos (THp) para bombear un líquido:
temperatura de punto de rocío de 100 F a la presión de vacío. THp = (gpm)(Disminución de presión, psi)⁄1,
relación de 1,4 y una relación de compresión máxima de 4 para cada etapa. Vacío Operaciones de disminución de presión.
158 Capítulo 6 Heurística para la síntesis de procesos
1. Baddocr, RF, PLT Brain, BA Logeais y JP Eymery, “Simulación en estado
estacionario de un convertidor de síntesis de amoníaco”, Chem. Ing. Sci., 20, 281
5. Green, DW y RH Perry (ed.), Manual de ingenieros químicos de Perry, 7ª ed.,
McGraw Hill, Nueva York (2008).
2. Douglas, JM, Diseño conceptual de procesos químicos, McGraw Hill, Nueva York
6. Henley, EJ y EM Rosen, Material and Energy Balance Computa tions, Wiley,
Nueva York (1969).
7. Hua, I., RH Hochemer y MR Hoffmann, “Degradación sonoquímica del p nitrofenol
en un procesador acústico de campo cercano de placas paralelas”.
10. Schmidt, LD, The Engineering of Chemical Reactions, 2ª ed., Oxford University
Press, Oxford, Reino Unido. (2004).
3. Fogler, HS, Elementos de ingeniería de reacciones químicas, Prentice Hall,
Englewood Cliffs, Nueva Jersey (2011).
11. Walas, SM, Equipos de proceso químico: selección y diseño, Butter worth,
Stoneham, Massachusetts (1988).
Reinar. Ciencia. Technol., 29(11), 2790 (1995a).
4. BF Goodrich Co., “Preparation of Vinyl Chloride”, patente británica 938.824 (9 de
octubre de 1963).
8. Hua, I., RH Hochemer y MR Hoffmann, “Hidrólisis sonolítica del acetato de p
nitrofenilo: el papel del agua supercrítica”, J. Phys. Chem., 99, 2335 (1995b).
9. Myers, AL y WD Seider, Introducción a la ingeniería química y los cálculos
informáticos, Prentice Hall, Englewood Cliffs, Nueva Jersey (1976).
REFERENCIAS
Referencias 159 46 Molienda hasta obtener sólidos finos. Utilice un molino de varillas para tomar partículas de dureza intermedia de hasta 20 mm y reducirlas a partículas en el rango de malla 10 a 35. Utilice un molino de bolas para reducir partículas de dureza baja a intermedia de 1 a 10 mm de tamaño a partículas muy pequeñas de menos de 140 mallas. 52
Se requiere vapor por libra de gas. Ampliación del tamaño de las partículas. Utilice la compresión con máquinas de compresión rotativas para convertir polvos y gránulos en tabletas de hasta 1,5 pulgadas de diámetro. Utilice extrusoras con cortadores para hacer bolitas y obleas a partir de pastas y masas fundidas. Utilice compactadores de rodillos para producir láminas a partir de materiales finamente divididos; Luego, las hojas se cortan en cualquier forma deseada. Utilice granuladores de tambor giratorio y granuladores de disco giratorio con aglutinantes para producir partículas en el rango de tamaño de 2 a 25 mm. Para presiones de hasta 10 torr y caudales de gas de hasta 10 000 pies3 ⁄min en la entrada del sistema de vacío, utilice una bomba de vacío de anillo líquido. Para presiones de hasta 2 torr y caudales de gas de hasta 1.000.000 pies3 ⁄min en la entrada del sistema de vacío, utilice un sistema eyector de chorro de vapor (de una etapa para 100 a 760 torr, de dos etapas para 15 a 100 torr, y tres etapas para 2– 15 torr). Incluye un condensador de contacto directo entre etapas. Cambio y separación del tamaño de partículas sólidas 49 53
Para un sistema eyector de chorro de vapor de tres etapas utilizado para lograr un vacío de 2 torr, 100 libras de 100 psig partículas de más de 2 pulgadas de diámetro. Utilice una criba perforada cilíndrica giratoria para eliminar partículas de tamaño intermedio en el rango de tamaño de 0,25 pulgadas a 1,5 pulgadas de diámetro. Utilice cribas tejidas planas e inclinadas (estándar de EE. UU.) que se hacen vibrar, sacudir o impactar con bolas que rebotan para separar partículas pequeñas en el rango de tamaño de 3 a 80 mallas. Utilice un clasificador de aire para separar partículas finas de menos de 80 mallas. Tabla 6.2 (continuación) De lo contrario, para sólidos pegajosos y/o abrasivos de cualquier tamaño y densidad, utilice un transportador de tornillo y/o elevador de cangilones para distancias de hasta 150 pies. Para partículas sólidas de cualquier tamaño y forma, y no pegajosas, utilice una cinta transportadora, con Inclinación de hasta 30 si es necesario, para distancias largas de hasta una milla o más. Heurístico Trituración de sólidos gruesos. Utilice una trituradora de mandíbulas para reducir grumos de materiales duros, abrasivos y/o pegajosos de 4 pulgadas a 3 pies de diámetro a partículas de 1 a 4 pulgadas de tamaño. Utilice una trituradora giratoria para reducir materiales en forma de losas de 8 pulgadas a 6 pies de tamaño a partículas redondeadas de 1 a 10 pulgadas de diámetro. Utilice una trituradora de cono para reducir materiales menos duros y menos pegajosos de 2 pulgadas a 1 pie de diámetro a partículas de 0,2 pulgadas (4 mallas) a 2 pulgadas de diámetro. Utilice un separador ciclónico para eliminar de un gas gotas o partículas sólidas con un diámetro de hasta 10 micrones (0,01 mm). Utilice un separador de hidroclón para eliminar de un líquido gotas de líquido insoluble o partículas sólidas con un diámetro de hasta 5 micras (0,005 mm). Sin embargo, pequeñas cantidades de gotas de líquido arrastradas comúnmente se eliminan de los gases mediante tambores verticales equipados con almohadillas de malla para ayudar a fusionar las gotas más pequeñas. Separación por tamaños de partículas. Utilice una serie de barras paralelas espaciadas, inclinadas y vibradas para eliminar grandes Transporte de sólidos granulados 48 51 Si las partículas sólidas son de tamaño pequeño, de baja densidad de partículas y no son pegajosas ni abrasivas, utilice transporte neumático con aire de 1 a 7 pies3 ⁄pies3 de sólidos y de 35 a 120 pies⁄s de velocidad del aire para distancias de hasta 400 pies.
