Curso sistemas de procesos ecoeficientes

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Published on August 10, 2013

Author: lobezno81

Source: slideshare.net

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Curso semipresencial del Sistemas de procesos ecoeficientes para la carrera de Ing. Ambiental

Curso Sistemas de Procesos Ecoeficientes. Temario. 1 Introducción al diseño de procesos. 1.1 Balances de materia y energía 1.2 Dimensionalización y costos de equipos 1.3 Evaluación económica 1.4 Diseño e itinerario de procesos Batch 1.5 Análisis con modelos de procesos rigurosos. 2 Modelos de ecuaciones de unidad. 2.1 Conceptos generales de simulación para el diseño de procesos. 2.2 Optimización de procesos. 2.3 Conceptos básicos de síntesis de procesos. 3 Integración de calor y potencia. 3.1 Sistemas de destilación ideal. 3.2 Integración de calor en procesos de destilación. 3.3 Técnicas geométricas para la síntesis de redes de reactores. 3.4 Separación de mezclas azeotrópicas. 3.5 Enfoque de optimización para síntesis y diseño de procesos. 4 Conceptos básicos de métodos por algoritmo. 4.1 Síntesis de redes de intercambiadores de calor. 4.2 Síntesis de secuencias de destilación. 4.3 Simultanea optimización e integración de calor. 4.4 Técnicas de Optimización para síntesis de redes de reactores. 4.5 Optimización estructural de procesos. 4.6 Flexibilidad de procesos. 4.7 Óptimo diseño y estructuración para plantas Batch de multiproductos.

Tabla de conversiones

Conservación de la masa Una de las leyes básicas de física es la ley de la conservación de la masa. Esta ley, expresada en forma simple, enuncia que la masa no puede crearse ni destruirse (excluyendo, por supuesto, las reacciones nucleares o atómicas). Por consiguiente, la masa (o el peso) total de todos los materiales que intervienen en el proceso debe ser igual a la de todos los materiales que salen del mismo, más la masa de los materiales que se acumulan o permanecen en el proceso. Entradas = salidas + acumulación En la mayoría de los casos no se presenta acumulación de materiales en el proceso, por lo que las entradas son iguales a las salidas. Expresado en otras palabras, “lo que entra debe salir”. A este tipo de sistema se le llama proceso en estado estacionario. Entradas = salidas (estado estacionario) El balance de una cantidad que se conserva (masa total, masa de una especie determinada, energía, momentum, etc.) en un sistema (una sola unidad del proceso, un conjunto de unidades o un proceso completo) se puede escribir de forma general como: Balances simples de materia En esta parte estudiaremos balances simples de materia (en peso o en masa) en diversos procesos en estado estable sin que se verifique una reacción química. Podemos usar unidades kg, Ibm, mol, Ib, g, kg mol, etc., para estos balances. Conviene recordar la necesidad de ser congruentes y no mezclar varios tipos de unidades en los balances. Cuando intervienen reacciones químicas en los balances, deben usarse unidades de kg mol, pues las ecuaciones químicas relacionan moles reaccionantes. Para resolver un problema de balance de materia es aconsejable proceder mediante una serie de etapas definidas, tal como se explican a continuación: 1. Trácese un diagrama simple del proceso. Este puede ser un diagrama de bloques que muestre simplemente la corriente de entrada con una flecha apuntando hacia dentro y la corriente de salida con una flecha apuntando hacia fuera. Inclúyanse en cada flecha composiciones, cantidades, temperaturas y otros detalles de la corriente. Todos los datos pertinentes deben quedar incluidos en este diagrama. 2. Escríbanse las ecuaciones químicas involucradas (si las hay).

3. Selecciónese una base para el cálculo. En la mayoría de los casos, el problema concierne a la cantidad específica de una de las corrientes del proceso, que es la que se selecciona como base. 4. Procédase al balance de materia. Las flechas hacia dentro del proceso significarán entradas y las que van hacia fuera, salidas. El balance puede ser un balance total de material, como en la ecuación o un balance de cada componente presente (cuando no se verifican reacciones químicas). Los procesos típicos en los que no hay una reacción química son, entre otros, secado, evaporación, dilución de soluciones, destilación, extracción, y pueden manejarse por medio de balances de materia con incógnitas y resolviendo posteriormente las ecuaciones para despejar dichas incógnitas. Ejemplo: En el proceso de concentración de jugo de naranja, el zumo recién extraído y filtrado que contiene 7.08% de sólidos en peso, se alimenta a un evaporador al vacío. En el evaporador se extrae agua y el contenido de sólidos aumenta al 58% en peso. Para una entrada de 1000 kg/h, calcule la cantidad de las corrientes de jugo concentrado y agua de salida. Solución: Siguiendo las cuatro etapas descritas, se traza un diagrama de flujo del proceso (etapa 1). La letra W representa la cantidad desconocida o incógnita de agua y C es la cantidad de jugo concentrado. No hay reacciones químicas (etapa 2). La base de cálculo son: 1000 kg/h de jugo de entrada (etapa 3). Para llevar a cabo los balances de materia (etapa 4), se procede a un balance total de materia. 1000 = W + C ---> Ecuación 1 Esto produce una ecuación con dos incógnitas. Por lo tanto, se hace un balance de componentes con base en el sólido:

¿Por qué los datos del 7.08 y 58% se dividieron entre 100? Para resolver estas ecuaciones, primero se despeja C en la ecuación pues W desaparece. Se obtiene C = 122.1 kg/h de jugo concentrado. Sustituyendo el valor de C en la ecuación 1: 1000 = W + 122.1 Se obtiene que W = 877.9 kg/h de agua. Para comprobar los cálculos, puede escribirse un balance del componente agua. Al resolver, 929.2 = 877.9 + 51.3 = 929.2 En el ejemplo solo intervino un proceso. Muchas veces se presentan varios procesos en serie, en cuyo caso puede llevarse a cabo un balance por separado de cada proceso y un balance para la totalidad del proceso general. Tarea: Cada año llegan 50000 personas a la ciudad, se van 75000, nacen 22000 y mueren 19000, escriba un balance de la población de la ciudad y determine cuantas personas pierde la ciudad cada año.

Clasificación de los procesos. Como habías visto anteriormente los balances de masa o balances de materia se basan en la ley de la conservación de la materia, que establece que la materia no se crea ni se destruye. Los balances de masa son utilizados en el diseño de un nuevo proceso o en el análisis de uno ya existente. Los procesos químicos pueden clasificarse en intermitentes (batch), continuos o semi- intermitentes y como estacionarios (en régimen permanente) o transitorios. Proceso intermitente: La alimentación se introduce al sistema al principio del proceso, y todos los productos se extraen juntos tiempo después. Proceso continuo: Las entradas y salidas fluyen continuamente durante el proceso. Proceso semi-intermitente: Cualquier proceso que no es intermitente ni es continuo. Proceso en régimen permanente o estacionario: Todas las variables del proceso (temperaturas, presiones, volúmenes, velocidades de flujo) no cambian con el tiempo, excepto, por fluctuaciones pequeñas alrededor de los valores promedio constantes. Proceso transitorio: Cualquiera de las variables del proceso cambia con el tiempo. Los procesos intermitentes y semi-intermitentes son operaciones en régimen no permanente y los procesos continuos pueden ser transitorios o estacionarios. El proceso intermitente se usa cuando se producen cantidades pequeñas de producto en una única ocasión, mientras que para producciones grandes se usan procesos continuos en régimen permanente. Las condiciones de un régimen transitorio existen durante el arranque de un proceso y en los cambios subsecuentes en las condiciones de operación del proceso. Tipos de balances Un balance o inventario sobre una sustancia en un sistema (una unidad del proceso, varias unidades o el proceso completo) puede escribirse de la siguiente forma general: Entrada (entra a través de las fronteras del sistema) + Producción (producida dentro del sistema) – Salida (sale a través de las fronteras del sistema) – Consumo (consumida dentro del sistema) = Acumulación (acumulada dentro del sistema). Esta ecuación general de balance puede escribirse para cualquier sustancia que entre o salga de cualquier proceso, para cualquier especie atómica (balance parcial de masa) o para las masas totales de los flujos de entrada y salida (balance total de masa). Se pueden escribir dos tipos de balances: diferenciales e integrales. Balances diferenciales: Indican lo que está sucediendo en un sistema en un instante de tiempo. Cada término de la ecuación de balance es una velocidad (velocidad de entrada, velocidad de producción) y tiene unidades de la unidad de la cantidad balanceada dividida entre una unidad de tiempo (g/s, barriles/día). Este tipo de balance se aplica generalmente a procesos continuos.

Balances integrales: Describen lo que ocurre entre dos instantes de tiempo. Cada término de la ecuación de balance es una cantidad de la cantidad balanceada y tiene las unidades correspondientes (g, barriles). Este tipo de balance se aplica generalmente a procesos intermitentes siendo ambos instantes de tiempo el momento en que se efectúa la entrada y el momento previo a la extracción del producto. Ejercicios: En un proceso que produce KNO3, el evaporador se alimenta con 1000 kg/h de una solución que contiene 20% de KNO3 de sólidos en peso y se concentra a 422º K para obtener una solución de KNO3 al 50% de sólidos en peso. Esta solución se alimenta a un cristalizador a 311º K, donde se obtienen cristales de KNO3 al 96% de sólidos en peso. La solución saturada que contiene 37.5% de KNO3 de sólidos en peso se recircula al evaporador. Calcule la cantidad de corriente de recirculación R en kg/h y la corriente de salida de cristales P en kg/h. Algunos pescados se procesan como harina de pescado para usarse como proteínas suplementarias en alimentos. En el proceso empleado primero se extrae el aceite para obtener una pasta que contiene 80% en peso de agua y 20% en peso de harina seca. Esta pasta se procesa en secadores de tambor rotatorio para obtener un producto “seco” que contiene 40% en peso de agua. Finalmente, el producto se muele a grano fino y se empaca. Calcule la alimentación de pasta en kg/h necesaria para producir 1000 kg/h de harina “seca”. Aceite de pescado 80% H2O 20% Harina “seca” Una pulpa de madera húmeda contiene 68% en peso de agua. Después de secarla se determina que se ha eliminado el 55% de agua original de la pulpa. Calcule la composición de la pulpa “seca” y su peso para una alimentación de 1000 kg/min de pulpa húmeda. En un proceso para producir sosa cáustica (NaOH), se usan 4000 kg/hr de una solución que contiene 10% de NaOH en peso para concentrarla en el primer evaporador, obteniéndose una solución de 18% de NaOH en peso. Esta se alimenta a un segundo evaporador, del cual sale un producto que contiene 50% Secador Molino 40% H2O 1000 kg/hr

de NaOH en peso. Calcúlese el agua extraída en cada evaporador, la alimentación al segundo evaporador y la cantidad de producto.

Dimensionalización y costos de equipos. El escalamiento es una herramienta vital para la ingeniería de procesos, con ella se pueden reducir errores en diseños directos, debidos a correlaciones inexactas o a la falta de información. El concepto de escalamiento parte de la propia definición de medición: “Medir es asignar números a las propiedades de los objetos u operaciones, de acuerdo con ciertos criterios y reglas”. Pues bien, el escalamiento es el proceso mediante el cual se desarrollan los criterios y las reglas de asignación numérica que determinan las unidades de medida significativas para llevar de un tamaño dado a otro tamaño mayor o menor una operación u objeto. Escalar un proceso o equipo es convertirlo de su escala de investigación (laboratorio o piloto) a escala industrial (producción). Por ejemplo; en un laboratorio de investigación se desarrolla un nuevo producto con valor comercial por medio de una reacción química usando equipo como frascos, matraces, mecheros, agitadores, etc. El ingeniero de procesos (químico, bioquímico, ambiental, etc.) es el profesionista capacitado para llevar este nuevo producto al mercado mediante el escalamiento; analizar las condiciones de reacción y los factores de influencia para definir los equipos necesarios (bombas, intercambiadores de calor, reactores, etc.) y proponer el proceso de producción en masa del producto.

En un principio, el escalamiento se entendía como el simple hecho de hacer más grandes las cosas. A finales del siglo XIX, los químicos alemanes, capaces de producir en el laboratorio muchas sustancias de muy alto valor comercial (incluso político) no eran capaces de reproducirlos a gran escala con la misma calidad, rendimiento y pureza. Cambiar los matraces por retortas no era suficiente para producir a gran escala un producto determinado. Se dieron cuenta que escalar una reacción química del laboratorio a nivel industrial requería de un conocimiento mayor al de la simple química. Y esto quedó demostrado cuando aparece el método Haber-Bosch (para la síntesis de amoníaco), el cual tomaba en cuenta las características tanto físicas como químicas de la reacción, así como también del equipo necesario para realizarla. Trabajo de investigación (p/e prox. Jueves): Investigar en qué consiste el método Haber-Bosch, ¿Cómo se desarrollo?, ¿para que se utiliza actualmente?, mínimo 4 hojas máximo 6 hojas, investigar de al menos dos libros y 3 fuentes de internet, la bibliografía debe de estar referenciada en formato APA. Es entonces que la ingeniería química prueba que es necesario integrar a la física y a la química para el escalamiento de procesos y que es la única disciplina de la ingeniería que es capaz de hacerlo. En la actualidad, la complejidad de las necesidades humanas así como el avance tecnológico hacen cada vez más complicadas las operaciones de escalamiento pues ya no sólo se desea escalar hacia las grandes naves industriales sino también hacia la microescala y la nanoproducción. Ya no son sólo la química y la física (si bien aún fundamentales) las únicas disciplinas que intervienen en el escalamiento, ahora se tienen a la biología, la robótica, la medicina, etc. Plantas piloto Se define como Planta Piloto al proceso que consiste en partes específicas ensambladas que operan como un todo armónico con el propósito de reproducir, a escala, procesos productivos. En estos procesos intervienen fenómenos, simples o complejos, de interés para la ingeniería química, permitiendo el análisis de las interacciones presentes en operaciones tales como la termodinámica, el flujo de fluidos, la transferencia de masa y energía, las reacciones químicas, la biotecnología, el control de procesos, entre otras. También facilita la posterior operación y aplicación a nivel industrial o en algún área de trabajo determinada; sirve además para la confrontación de la teoría (modelos) con la práctica y la experimentación en las áreas del conocimiento antes mencionadas. El uso de plantas de proceso a escala piloto tiene como propósitos principales:

• Predecir el comportamiento de una planta a nivel industrial, operando la planta piloto a condiciones similares a las esperadas. En este caso los datos obtenidos serán la base para el diseño de la planta industrial. • Estudiar el comportamiento de plantas industriales ya construidas, en donde la planta piloto es una réplica y estará sujeta a condiciones de operación previstas para la planta industrial. En este caso a la planta piloto se le llama modelo y tiene como función principal mostrar los efectos de los cambios en las condiciones de operación de manera más rápida y económica que si se realizaran en la planta original. Operar una planta piloto a ciertas condiciones, definidas y controladas, además de predecir el comportamiento que presentará una planta a nivel industrial en condiciones similares (o iguales) a las estudiadas permite realizar estudios de factibilidad económica para la producción en masa de un nuevo producto o implementar mejoras a un proceso ya existente (bajo nuevas condiciones de operación) para optimizar la producción de dicho producto o mejorar su calidad. Es por esto que la planta piloto establece un camino más seguro hacia la certeza de invertir en una modificación a un proceso productivo o la construcción de nuevas plantas industriales. Alcances técnicos La planta piloto es una pieza fundamental en el desarrollo de nuevas tecnologías pues al realizar estudios en ella se generan nuevos conocimientos y criterios técnicos que permiten dar pasos hacia adelante en la optimización, control, alcance, seguridad, rentabilidad, etc., de procesos, equipos y energías productivas. La planta piloto permite experimentar de forma económica y eficaz el comportamiento al escalar de: • Condiciones de operación. • Parámetros de diseño.

• Materiales de construcción. • Operaciones unitarias. • Impurezas. • Corrosión. • Procedimientos operativos. • Problemas de trabajo. • Problemas ambientales. Esto permite crear recursos humanos capacitados (con conocimiento y experiencia técnica) para prever errores antes del arranque o durante la puesta a punto y operación de la planta industrial. ¿Cómo escalar? El paso fundamental en el escalamiento consiste en pasar los datos obtenidos en la planta piloto a un modelo que puede ser: • Fenomenológico: Fundamentado en algunos razonamientos teóricos pero de tipo microscópico. No involucra consideraciones moleculares y permite hacer predicción en rangos o intervalos de operación no estudiados experimentalmente. • Empírico: El cual se postula sin bases teóricas y se espera solamente que ajuste la interacción entre los datos en el rango o intervalo de experimentación. • De similaridad: Obtenido a partir de un análisis de similaridad con respecto a analogías físicas de tipo térmico, mecánico, geométrico, químico, etc. El tipo de modelo de escalamiento depende tanto del proceso en cuestión como de la geometría de los equipos involucrados. Principios de similaridad El principio de similaridad hace referencia a la relación que existe entre sistemas físicos y el tamaño de los mismos, siendo básico en el escalamiento de procesos físicos y químicos. Los sistemas físicos se caracterizan en general por tres cualidades: tamaño, forma y composición. Las tres variables son independientes; por ejemplo, dos objetos pueden ser diferentes en tamaño pero tener la misma forma y composición. El principio de similaridad está relacionado con el concepto de forma a partir del hecho de que ésta es independiente del tamaño y la composición. En términos más precisos, este principio establece lo siguiente:

“La configuración espacial y temporal de un sistema físico está determinada por las relaciones de las magnitudes dentro del propio sistema y no dependen del tamaño ni de la naturaleza de las unidades en las cuales se miden esas magnitudes”. El ingeniero químico está relacionado con sistemas complejos compuestos por cuerpos sólidos y fluidos, en donde se llevan a cabo transferencias de materia y energía, al igual que transformaciones químicas. El concepto de forma aplicado en estos sistemas no envuelve únicamente a las proporciones geométricas de sus miembros, sino también deben anexarse cuestiones como son: patrones de flujo en fluidos, gradientes de temperatura, perfiles de concentración con respecto al tiempo, etc. Dentro de la ingeniería química son de interés cuatro tipos de similaridades: 1. Similaridad geométrica 2. Similaridad mecánica 3. Similaridad térmica 4. Similaridad química Estrictamente hablando, cada tipo de similaridad es necesario para realizar el escalamiento de cualquier sistema: Por ejemplo, para efectuar una similaridad química completa se requiere de tomar en cuenta las similaridades geométricas, mecánicas y térmicas. Similaridad geométrica La similaridad geométrica se define con mayor precisión en términos de correspondencia. Considerando dos cuerpos sólidos, cada uno provisto de tres ejes imaginarios en el espacio que los intersectan a fin de ser descritos de igual forma en todos los sus puntos en un mismo sistema de coordenadas. Un punto en el primer cuerpo está dado por las coordenadas x, y, z, mientras que en el segundo cuerpo un punto correspondiente está dado por las coordenadas X, Y, Z. Ambos grupos de coordenadas están relacionados por la ecuación: X/x = Y/y =Z/z = L Donde la relación de escalamiento lineal L es constante. Estos dos puntos y todos los demás pares de coordenadas espaciales que están relacionados en términos de L son conocidos como puntos correspondientes. Con esto se define que: Dos cuerpos son geométricamente similares cuando para todo punto en el primer cuerpo existe un punto en el segundo. El concepto de similaridad geométrica se ilustra en la figura siguiente:

Esto es posible cuando cada punto en el primer cuerpo puede tener más de un punto correspondiente en el segundo. Esto ocurre cuando el segundo cuerpo está compuesto por elementos idénticos múltiples geométricamente similares al primero. No es necesario que la relación de escalamiento sea la misma en cada uno de los ejes. Una definición más general acerca de los puntos correspondientes está dada por: X/x = X´; Y/y = Y´; Z/z= Z´ Donde: X´, Y´, y Z´ son relaciones de escalamiento constantes pero no necesariamente iguales. La relación entre dos cuerpos en los cuales las razones de escalamiento son diferentes en diferentes direcciones de denomina similaridad distorsionada. Similaridad mecánica La similaridad mecánica comprende en su área a las similaridades estática, cinemática y dinámica. Cada una de éstas puede considerarse como una extensión del concepto de similaridad geométrica en sistemas fijos o en movimiento sujetos a fuerzas externas o internas. Similaridad estática La similaridad estática se presenta en los cuerpos sólidos sujetos a esfuerzos constantes y se define de la siguiente manera: Cuerpos geométricamente similares, son también estáticamente similares cuando al estar sujetos a esfuerzos constantes sus deformaciones relativas son tales que permanecen geométricamente similares. La relación de los desplazamientos correspondientes será entonces igual a la relación de escala. En el caso de deformación elástica la condición para igualdad en las deformaciones en cada cuerpo es que los esfuerzos correspondientes estén en relación con los módulos

elásticos. La relación de las fuerzas netas F que actúan en puntos correspondientes en sistemas con similaridad elástica está dada por: F = E*/L2 Donde: E* = E´/E es la relación de los módulos de elasticidad entre el modelo y el prototipo. Este modelo de similaridad es interesante en el campo de la ingeniería mecánica para medir deformaciones elásticas y plásticas en cuerpos con miembros y estructuras de forma compleja. En el caso de las deformaciones plásticas la condición de igualdad en fuerzas correspondientes se define por la ecuación: F =Y*/L2 Donde: Y* = Y´/Y es la relación de los puntos de deformación del prototipo y el modelo. Similaridad cinemática Esta concepción tiene aplicación para sólidos o fluidos en movimiento. Como en la similaridad geométrica, se implican las tres coordenadas espaciales pero, además, se introduce en este caso la dimensión tiempo. Los tiempos se miden desde un criterio arbitrario para cada sistema y los tiempos correspondientes se definen como a aquellos para los cuales T es constante y se define como la relación de escala del tiempo: T = t´/ t. Los sistemas en movimiento con similaridad geométrica están en similaridad cinemática cuando partículas correspondientes trazan trayectorias geométricas correspondientes en intervalos de tiempo también correspondientes. Para propósitos de ingeniería es más conveniente realizar escalamientos con base en la similaridad cinemática utilizando el concepto de correspondencia de velocidades pues a cada partícula corresponde una velocidad determinada en un tiempo determinado. La relación entre las velocidades correspondientes es: v´/v = V = L/T y, en el caso de similaridad geométrica distorsionada, la relación de velocidades correspondientes puede variar para direcciones diferentes. La similaridad cinemática es de especial interés en ingeniería química ya que si dos fluidos geométricamente similares son también cinemáticamente similares entonces los patrones de flujo son geométricamente similares y las velocidades de transferencia de calor y masa entre dos sistemas se encuentran en una relación simple. Similaridad dinámica La similaridad dinámica está relacionada con las fuerzas que aceleran o retardan el movimiento de las masas dentro de sistemas dinámicos. Las fuerzas del mismo tipo (por ejemplo gravitacionales) que actúan sobre determinadas partículas en tiempos determinados se llaman fuerzas correspondientes. Esta similaridad puede definirse de la siguiente manera: Sistemas en movimiento con similaridad geométrica son dinámicamente similares cuando las relaciones de todas las fuerzas correspondientes son iguales. Si las fuerzas que actúan en un

punto dado son n tipos diferentes (F1, F2, F3….Fn) y se requiere que, de acuerdo con la ecuación F1´/F1 = F2´/ F2 =... Fn´/ Fn = cte. La similaridad dinámica es de gran importancia en sistemas de flujo de fluidos para predecir caídas de presión o consumos de potencia. En las transferencias de calor y masa, así como en las reacciones químicas es importante para establecer indirectamente relaciones de similaridad cinemática. Similaridad térmica Esta similaridad involucra a los sistemas en los cuales se presenta flujo de calor por lo que se introduce la dimensión temperatura además de la longitud, fuerza y tiempo. El calor puede fluir por convección, conducción y radiación y la diferencia de temperaturas a tiempos correspondientes entre un par de puntos de un sistema y entre el par de puntos de otro se definen como temperaturas correspondientes. Los sistemas que presentan similaridad geométrica son térmicamente similares cuando la diferencia de temperatura conserva una relación constante entre ellos y cuando los sistemas, si están en movimiento, son cinéticamente similares. La similaridad térmica requiere que los flujos correspondientes de calor guarden una relación constante en cada sistema. Si Hr, Hc y Hv representan cantidades de calor transferido por segundo por radiación, conducción y convección, respectivamente, para tener similaridad térmica se requiere que: Hr´/ Hr = Hc´/Hc = Hv´/Hv = cte. Alternativamente en términos de relaciones intrínsecas se tiene que, de acuerdo con: Hr´/Hc´= Hr/Hc Hr´/ Hv´= Hr/Hv En general, no es posible mantener las tres relaciones simultáneamente en todos los puntos y la similaridad térmica puede sólo establecerse si son despreciables la conducción y la convección o radiación. Similaridad química Esta similaridad está relacionada con sistemas que presentan reacciones químicas donde la composición varía de un punto a otro, ya sea en procesos intermitentes o continuos, en diferentes instantes. No se introduce ninguna nueva dimensión, no es necesario que las composiciones químicas de ambos sistemas sean las mismas, sino solamente que exista una relación fija entre las concentraciones puntuales de algunos componentes de las cuales se realiza la comparación. Cuando un sistema tiene un componente A y otro B y se desea establecer la similaridad entre A y B, estas sustancias serán constituyentes correspondientes. Los sistemas con similaridad

geométrica y térmica están en similaridad química cuando las diferencias correspondientes de concentración mantienen una relación constante entre uno y otro y cuando los sistemas, si están en movimiento, son cinéticamente similares.

Realizar los siguientes problemas: a) Un fluido fluye por la parte externa de un cuerpo solido. La fuerza F que se ejerce sobre el cuerpo es un función de la velocidad del fluido v, de la densidad ρ, de la viscosidad de fluido µ y de la dimensión L del cuerpo. Obtenga por análisis dimensional los grupos adimensionales formados a partir de las variables señaladas, (las unidades de F son ML/t2 ). b) Considérese un caso de transferencia de masa convectiva en el cual un fluido experimenta convección forzada en una tubería y ocurre una transferencia de masa de la pared al fluido. El fluido tiene una velocidad v en una tubería de diámetro D y se desea relacionar el coeficiente de transferencia de masa k´c con las variables D, ρ, µ, v, DAB (difusividad), las dimensiones de las variables son: k´c=L/t ρ=M/L3 µ=M/Lt v=L/t DAB=L2 /t D=L c) Se va a usar el análisis dimensional para correlacionar los datos del tamaño de burbuja con las propiedades del líquido al formarse burbujas de gas cuando un gas sale por un pequeño orificio por debajo de la superficie del líquido. Suponga que las variables significativas son el diámetro de la burbuja D, el diámetro del orificio d, la densidad del liquido ρ, la tensión superficial σ en N/m, la viscosidad del liquido µ y la gravedad g. Elija d, ρ y g como el núcleo de variables. Respuestas: a) π1=(F/L2 )/ρv2 , π2=µ/Lvρ b) π1= k´cD/DAB, π2=vD/DAB, π3=µ/ρDAB c) π1=D/d, π2=σ/ρd2 g, π3=µ2 /ρ2 d3 g

Realizar un resumen desde Inversiones de capital (pag. 227) hasta el tema de Arrendamiento (pag. 242), del libro: Soluciones prácticas para el ingeniero químico, 2ª Ed. Branan C.R. Pueden descargar o consultar el libro de los siguientes links: http://libros-ingenieria.blogspot.mx/2010/05/soluciones-practicas-para-el-ingeniero.html http://www.slideshare.net/GRESIQ/soluciones-practicas-para-el-ingeniero-quimico https://www.google.com.mx/#q=soluciones%20practicas%20para%20el%20ingeniero%20quim ico http://es.scribd.com/doc/36973584/Soluciones-Practicas-Para-El-Ingeniero-Quimico http://avibert.blogspot.com/2009/05/manual-de-soluciones-practicas-para-el.html

2. Modelos de ecuaciones de unidad. SÍNTESIS ÓPTIMA DE PROCESOS La síntesis de procesos se puede definir como la “generación de alternativas de diseño y selección de las mejores; todo ello con base en información incompleta y/o inconsistente, y/o redundante”. La primera etapa de diseño (diseño conceptual) de un proceso nuevo y/o la modificación sustancial de un proceso conocido (proceso modificado), implica la evaluación técnica y económica de aquellas alternativas que parezcan más viables (viabilidad juzgada con criterios generalmente heurísticos). El problema central de la síntesis consiste en obtener, con la menor incertidumbre, las mejores alternativas entre una “inmensa” cantidad de posibilidades. Conocidas las opciones se procede a simular, técnica y económicamente, cada una de ellas para escoger la mejor según criterios previamente especificados. 2.1Conceptos generales de simulación para el diseño de procesos. La simulación desde el punto de vista de la ingeniería química es la solución de las ecuaciones de balance de materia y energía para procesos químicos en estado estacionario o dinámico. Así como del dimensionamiento y la obtención de costos de los equipos involucrados en un proceso. Por último el efectuar la evaluación preliminar del proceso. La síntesis es la etapa del diseño de procesos químicos que comprende la generación de estructuras alternativas técnicamente factibles, que satisfagan objetivos previamente establecidos. Esta tarea involucra la selección de la secuencia óptima de las operaciones de un proceso (Flowsheet), que permita la transformación de materias primas en productos. La síntesis puede ser definida de diversas formas una de ellas es: la tarea de invención de la estructura y de determinación de las condiciones operativas de un proceso La síntesis de procesos es una actividad extremadamente importante en el diseño de procesos, en la que el equipo de diseño (grupo de profesionales seleccionados por sus conocimientos y experiencia) debe encontrar la mejor configuración del proceso, de forma tal que satisfaga los objetivos pre-establecidos. Se han desarrollado diferentes metodologías para la generación de alternativas de proceso, una de ellas es el Método de Síntesis Jerárquica, en el cual los problemas de diseño se resuelven abordando primero soluciones simples e introduciendo posteriormente, sucesivos niveles de detalle. De este modo, se tiene un procedimiento sistemático que incluye un conjunto de niveles, estructurados de acuerdo a una jerarquía de decisiones.

Ventajas del método: • Permite el cálculo del tamaño de los equipos y la estimación de sus costos a medida que se pasa a través de los distintos niveles de jerarquía. • Si la rentabilidad del proceso se hace negativa en algún nivel, se puede buscar un proceso alternativo o dar por terminado el proyecto de diseño sin tener que obtener la solución completa al problema. • Como se toman decisiones sobre la estructura de flowsheet en distintos niveles, se pueden generar distintas alternativas de proceso, al cambiar las mismas. Elementos en el diseño de procesos a) La elección de un proceso: El producto puede obtenerse por distintas rutas, correspondientes a procesos diferentes. b) La elección de la capacidad: La capacidad de producción de la planta varía según la fuente de información o sea en el Valor Base: • Se adecua a las ventas esperadas del producto. • Se basa en las dimensiones estándar de los equipos c) La elección de la topografía: Interconexión de varias unidades en una red  Proceso total

d) La elección de las condiciones del proceso: Elegido el proceso, la capacidad de planta y la red del proceso, se optimizan las condiciones de operación: Temperaturas / Presiones / Tiempos de residencia / % de recuperación / Etc. e) Las siguientes etapas involucradas son: • La selección inicial de equipos • Política de reemplazo • Control • Seguridad Niveles de Análisis en el Desarrollo de la Síntesis de Proceso Conceptual (SPC)

Métodos de SPC • Métodos basados en el conocimiento. • Heurísticos: diseños basados en el conocimiento de la experiencia y la práctica industrial. • Evolucionarios: El diseño comienza con un buen diseño caso-base, sobre el que se introducen cambios para mejorar el diseño en forma incremental. • Termodinámicos. Métodos de optimización (algorítmicos). Cualquier problema en el que ciertos parámetros necesiten ser determinados para satisfacer restricciones se puede formular como problema de “diseño óptimo” El diseño de procesos químicos puede ser formulado como un problema de optimización donde una (o varias) medida (s) de performance se optimiza (n) mientras se satisfacen las restricciones. Etapas en el diseño de procesos • Síntesis (o diseño). • Simulación (o análisis). • Optimización 2.2Optimización de procesos La optimización es el conjunto de herramientas a través de las cuales se puede elegir el proceso que, además de obtener un producto en las condiciones que se requieren, lo consigue de la manera más eficiente posible, logrando con ello la reducción de costos fijos y de operación, la disminución del uso de materias primas y salida de productos no deseados así como la minimización de potenciales riesgos ambientales. La mayor dificultad que se encuentra para lograr la optimización de un proceso químico radica en la elaboración del diseño del mismo, ya que para cada estructura potencial creada se debe obtener un resultado a distintas condiciones de operación, con lo que se tendría un modelo matemático para cada proceso probable, además de aquellos que se generan por los requerimientos de calor y trabajo necesarios para alcanzar las transformaciones individuales. Por estas razones se han propuesto dos formas de evaluar la estructura correcta y condiciones de operación óptimas para el diseño del proceso: a) Construcción de estructuras irreducibles. Esta aproximación sugiere que se desarrolle un modelo que proporcione prioridad a cada parte del diseño, eligiendo como primera parte el sistema de reacción, luego el sistema de separación y recirculación y finalmente la red de

intercambio de calor y servicios auxiliares necesarios. A este sistema se le conoce como “modelo de la cebolla” en la que cada parte del modelo representa un nivel o frontera de decisión para completar el diseño total. b) Creación y optimización de estructuras reducibles. Por medio de este método se crea una superestructura tomando todas las estructuras y condiciones de operación posibles del diseño del proceso. Esto significa que todas las configuraciones son consideradas candidatas para obtener el diseño óptimo del proceso químico. Una vez hecha esta representación se genera un modelo matemático en el que están incluidas todas las ecuaciones que representen los costos fijos y de operación, diseño de los equipos y todas las variables de costos y parámetros que estén ligadas a estos, como flujos, temperaturas, presiones, costo de materiales y un conjunto de variables de decisión que determinan cuáles equipos deben usarse sin caer en alternativas redundante.

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