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informe de ejercicios de calculo en la estrategia de ingenieria quimca
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Resumen
El presente informe consta de 7 problemas de aplicación y conceptualización de la última unidad del curso de Estrategia en el Cálculo de Procesos, que son síntesis de procesos y síntesis de redes de intercambiadores de calor.
Los temas a tratar en el desarrollo de este taller se mencionan a continuación:
1.- Síntesis de los caminos de reacción.
2.- Balance de materia y asignación de especies.
3.- Tecnologías de separación.
4.- Selección de las tares de separación.
5.- Integración de tarea.
6.- Redes de intercambiadores de calor.
El primer ejercicio consiste en el análisis y discusión de la etapa de Selección de tareas de separación de un proceso industrial de obtención de agua potable por congelamiento.
El segundo ejercicio trata el proceso de Leblanc, el cual consiste en la
obtención de soda Ash a nivel comercial anterior al proceso solvay de obtención del mismo. En este ejercicio se trata la problemática de la síntesis de los caminos de reacción, y como a partir del conjunto de ecuaciones químicas que rigen el proceso se puede determinar la viabilidad comercial del mismo (problemática de la ganancia potencial).
El tercer ejercicio corresponde a proceso de Desalación de la Glicerina y consistente en la temática del balance de materia y asignación de especies, para ello se analizará el proceso y se procederá a realizar un balance global de especies para determinar los flujos de cada equipo y composición de los mismos.
El cuarto problema va dirigido a las tecnologías de separación. Se estudiará el caso de la lixiviación de sulfato de cobre con agua. Se analizarán las propiedades explotadas para producir la separación y el tipo de proceso seleccionado para realizar dicha separación.
Selección de las tareas de separación es el tema del quinto ejercicio de este taller, en él se estudiará el proceso industrial de producción de sulfatante para detergente, pero dando un enfoque principal a las etapas de separación posterior a los reactores, para ello se sintetizará una secuencia de separación a partir de las condiciones establecidas en el problema y luego se comparará la síntesis realizada con el proceso industrial real.
Integración de las tareas de separación es el tema del sexto ejercicio de este informe de taller. El problema consiste en la contaminación térmica del ambiente y como éste, con un adecuado proceso de integración y reutilización de los fluidos de proceso, puede conseguir beneficios económicos y ambientales ante el problema presentado.
Por último, el séptimo problema consiste en sintetizar una red de intercambiadores de calor que busca enfriar 3 corrientes calientes y calentar 3 corrientes frías, para ello se sintetizará una red de intercambio térmico entre ellas, y si es necesario, se emplearán corrientes externas al proceso para cumplir con este objetivo. Para lograr esto, se tomará como base los conceptos teóricos y además los conocimientos heurísticas aplicables.
Introducción
En este taller se presenta el desarrollo de 7 ejercicios donde se aplican los contenidos vistos en clases de la unidad 5, la cual contiene las herramientas para la síntesis de procesos y la síntesis de redes de intercambiadores de calor.
En la satisfacción de sus necesidades, el hombre civilizado depende cada vez más de lo que pueda ser realizado por su propia invención. Esto se refleja en la Industria de Procesos Químicos, donde las materias primas son intencionalmente transformadas en productos que posean propiedades más deseables. Es por esta razón que la síntesis de procesos es una actividad de vital importancia para el Ingeniero Químico.
Primeramente es clave definir qué es la actividad de síntesis de
procesos. Esta se define como la invención de procesos alternativos que satisfagan necesidades a priori y que se han originado de una necesidad humana.
Este problema de síntesis consiste básicamente en encontrar las entradas, subsistemas y niveles de operación de un proceso, dados solo los objetivos del proceso y un conjunto disponible de tecnologías entre las cuales seleccionar los subsistemas.
La meta del problema de síntesis es generar una descripción inicial de un proceso que tenga una alta probabilidad de generar un sistema comercialmente exitoso.
Para la síntesis de proceso se aplicará un método patrón. Este método consiste en la realización secuencial e iterativa de las siguientes etapas:
1.- Síntesis de los caminos de reacción.2.- Balance de materia y asignación de especies.3.- Tecnologías de separación.4.- Selección de las tares de separación.5.- Integración de tarea.6.- Redes de intercambiadores de calor.
Síntesis de los caminos de reacción: en esta etapa se estudia los diferentes caminos de reacción hasta llegar al producto final.
Distribución y asignación de especies: consiste en determinar el trayecto que seguirá cada especie partiendo desde sus fuentes hasta llegar a su destino. Además de esto, en esta parte se asigna parcial o totalmente las diversas especies a diferentes destinos.
Tecnología de separación: en esta etapa se determinan las diferencias de propiedades físicas y químicas que se pueden explotar para producir las separaciones (sólido-liquido; liquido-liquido; liquido-gas; etc.)
Selección de las tares de separación: se determinan las operaciones unitarias que se van a realizar, los equipos que se usarán y la manera en que éstos estarán dispuestos en concordancia con sus propiedades.
Integración de tareas: en esta etapa se incorporaran operaciones unitarias auxiliares, las cuales se agregan según los requerimientos de cada proceso en estudio.
Por último, el tema de la síntesis de redes de intercambiadores de calor consiste en optimizar los recursos energéticos de tal manera de minimizar los costos asociados. Para ello, es de vital importancia los balances de energía junto con un conocimiento básico de los intercambiadores más utilizados en la industria actualmente. Pare este propósito, las siguientes heurísticas son de gran ayuda:
La corriente más caliente a ser enfriada colóquela en contacto con la corriente más caliente a ser calentada.
La corriente más fría a ser enfriada colóquela en contacto con la corriente más fría a ser calentada.
Tema 2: Síntesis de procesos
Ejercicio 1
PROCESO LEBLANC.
El actual proceso para la producción de Soda Ash es el proceso Solvay. Antes de que este método fuera desarrollado, el proceso del Leblanc fue ideado por Nicholas Leblanc cerca de 1773. El proceso Leblanc fue el primer proceso realizado a gran escala industrial.
Las reacciones involucradas son:
El proceso Solvay desplazo por completo al proceso Leblanc en 1915. Dada la situación económica de estos datos de coste, usted consideraría el restablecer de una cierta forma de proceso del Leblanc.
Desarrollo
Para determinar si el proceso es viable económicamente debemos calcular la ganancia potencial, pero primero debemos realizar un análisis producción consumo.
Análisis producción consumo: sumar todos los productos y todos los reactantes.
Especies Valor local ($/Ton)Sulfito de calcio
SalÁcido sulfúrico
Sulfato de sodioÁcido clorhídrico
CarbónDióxido de
carbonoCarbonato de
calcioSoda ash
0143024
110100
12
16
Rx Especies
NaCL H2SO
4NaSO
4HCl C Na
2S CO2 CaCO
3Na
2CO3 CaS
1 -2 -1 +1 +2
2-1 -2 +1 +2
3 -1 -1 +1 +1
RG -2 -1 0 +2 -2 0 +2 -1 +1 +1
+ = Producción
- = Consumo
Las reacciones ocurren según cocientes moleculares más bien que cocientes del peso, y por esta razón es conveniente expresar la producción y la consumición en términos de:
Una vez que ya hemos realizado el análisis producción consumo procedemos a realizar un análisis de ganancia potencial
22230 Btu / hr ºF
2 Moles de HCl2 moles de CO2
1 Mol de CaS
Reacciones 1,2 y 3
2 Moles de NaCl
1 Mol de H2SO4
2 Moles de C
1 Mol de CaCO3
1 Mol de Na2CO3
Especies $/Ton PM $/Ton-molSulfito de calcio 0 72 0
Sal 14 58,45 818,3Ácido sulfúrico 30 98 2940
Ácido clorhídrico 110 36,45 4009,5Carbón 10 12 120
Dióxido de carbono 0 52 0Carbonato de
calcio12
100 1200Soda Ash 16 106 1696
Por definición:
GP = (Ingresos por Ventas) – (gastos de materia prima) – (mantención de equipos)
Mant. Equipos = 0
CaSCONaCOHClCaCOCSOHNaCl 32234 2222 2
GP = molTon /$4.3938120029403.818*216965.4009*2 Na2CO3
La Ganancia potencial expresada por tonelada de Soda Ash:
GP = 3938.4 $ /
Conclusión:
El proceso Leblanc presenta una ganancia potencial positiva lo que indica que el proceso es rentable económicamente. La G.P es de 37.15 por cada tonelada de soda ash producido, si analizamos este resultado esta netamente ligado al alto precio de venta del ácido clorhídrico lo que hace aumentar las ganancia al vender los productos, ya que a parte de producir soda ash el proceso también genera ácido clorhídrico, por cada ton-mol de soda ash se producen 2 ton-mol de ácido clorhídrico con un alto costo comercial.
Ejercicio 2
DESALACIÓN DE LA GLICERINA
Una planta que trata una solución de glicerol (87 % agua, 10% glicerina y 3% de NaCl) con alcohol butílico en una torre de extracción por solvente: el residuo que sale de la torre contiene toda la sal original y una composición del 1% de glicerina y 1% de alcohol. El extracto es enviado a la columna de destilación. El destilado de la columna es el alcohol, que contiene 5% de agua. La corriente de salida inferior contiene un 25% de glicerina y el resto agua.
Las dos corrientes de alimentación a la columna de extracción por solvente son de 1000 lb/h cada una. Calcular la glicerina a la salida de la columna de destilación.
Desarrollo del problema:
Una de las formas de recuperar glicerina de soluciones salinas es por extracción por solvente, este proceso se lleva a cabo en una torre de extracción por solvente, el solvente utilizado es el alcohol, solvente en el cual la glicerina es altamente soluble, y no así la sal cual es eliminada como desecho en una solución de cloruro de sodio.
El proceso básicamente consiste en dos etapas la primera donde se pone en contacto la solución salina que contiene un 10 % de glicerina con el orgánico, esta operación se lleva a cabo en una torre de extracción por solvente, de esta torre obtenemos dos corrientes una es la solución de descarte o desecho y la otra, nuestra corriente de interés F(4), la cual contiene agua, glicerina y alcohol, esta corriente es enviada a una torre de destilación, donde por diferencia de punto de ebullición se separan lo que da como
98 % Alcohol 1000 lb
Solvente F (3)
Raffinate F (2)
Extracto F(4)10% glicerina F1
Torre de extracción
Columna de destilación
95 % Alcohol
25% Glicerina
1000 lb (1)
F5
F6
resultado dos corrientes, la corriente superior donde salen los compuestos mas volátiles y por la parte inferior los menos volátiles.
Se nos pide determinar la glicerina recupera por hora si se alimentan a la torre de extracción por solvente 1000 lb/hr de solución salina y 1000 lb/hr de orgánico (alcohol).
Composición de las corrientes: asignación de especies
(1) 1000 lb
(2)
(3)1000
Balance de materia
Balance por componente
Balance para el H2O
Balance Glicerina
Balance para el Alcohol
Flujo másico en la corriente 4:
Balance en la columna de destilación
Balance Global.1969.388= F5 +F6
Balance para el agua
Resolviendo el sistema obtenemos
F5 = 838.63 Lb/hr
F6 = 1130.76 Lb /hr
Como de la corriente F6 un 25 % corresponde a glicerina y el resto es agua la glicerina recuperada es:
Glicerina recuperada
F6*0.25 = 282.69 Lb/ hr
Conclusión:
La problemática de este proceso consistía en determinar la cantidad de glicerina recuperada en un proceso de extracción por solvente y luego una separación por diferencia de punto de ebullición. Al analizar los resultados podemos concluir que el proceso es un proceso eficiente, ya que recupera gran parte de la glicerina de la solución inicial en la cual estaba presente.
Ejercicio 3
LIXIVIACION DE SULFATO DE COBRE
Un mineral tostado contiene 85 % de ganga insoluble, 10 % de sulfato de cobre soluble, y 5 % de humedad. El mineral debe ser procesado con agua en un mezclador. En tal dispositivo el lodo del desbordamiento de capacidad inferior contiene 0.8-lb. de solución / lb. de la ganga. Si se van a procesar 1000 lb. /h del mineral, determine el porcentaje del sulfato de cobre lixiviado por 2000 lb. /h del agua y por 4000 lb. /h del agua.
¿Cuánto agua es requerida para alcanzar, por contracorriente de dos etapas de lixiviación igual porcentaje que en el primer caso de arriba?
Desarrollo del problema:
W3Y3
W1Y1
W4Y4
W2Y2
E1
Característica de cada corriente:
Corriente 1
Flujo W1 = ¿?
Concentración de sulfato de cobre en solución Y1 = ¿?
Corriente 2
Flujo W2 =
Concentración de sulfato de cobre Y2 = 0
Corriente 3
Flujo W3 =
Concentración de sulfato de cobre Y3 =0.1
Corriente 4
Flujo W4 =
Concentración de sulfato de cobre en solución Y4 = Y1
Balance de Cobre:
Balance de :
Finalmente se determinan
Y1 =
W1 =
Si cambiásemos las condiciones de alimentación del proceso se producirán cambios en las condiciones de operación del proceso, modificando las condiciones iniciales a las siguientes:
Corriente 1
Flujo W1 = ¿?
Concentración de sulfato de cobre en solución Y1 = ¿?
Corriente 2
Flujo W2 =
Concentración de sulfato de cobre Y2 = 0
Corriente 3
Flujo W3 =
Concentración de sulfato de cobre Y3 =0.1
Corriente 4
Flujo W4 =
Concentración de sulfato de cobre en solución Y4 = Y1
Realizando nuevamente los balances de especies tenemos los siguientes resultados
Balance de Cobre:
Balance de :
Finalmente se determinan las nuevas condiciones del flujo de salida de solución lixiviante
Y1 =
W1 =
Conclusiones
Como se puede extraer, lo fundamental es poder discernir qué propiedad explotaremos para producir la separación y qué equipo es el más indicado para explotar esta propiedad y satisfaga los requisitos de operación.
En este caso particular, la propiedad a explotar es la solubilidad del sulfato de cobre en agua y el equipo seleccionado es un estanque de contacto a contracorriente el cual es más eficiente que un sistema de contacto a corriente, es necesario tener en cuenta las cantidades de flujos a entrar en contacto y si estas cantidades son capaces de separar en forma eficiente.
Es decir la determinación de los parámetros de operación es fundamental para no incurrir en gastos o desperdicios por mal funcionamiento del proceso.
Ejercicio 4
SELECCIÓN DE LAS TAREAS DE SEPARACION
Detergente, Ingrediente Activo:
El diagrama muestra el proceso de fabricación de alkyl aryl sulfonate, a partir de cloro, ácido sulfúrico, kerosén y benceno, este producto es un agente tenso activo que permite a los detergentes solubilizar las grasas y aceites.
Para este proceso se desea examinar los procesos de separación en los cuales se basan para retirar los residuos producidos en las reacciones químicas producidas en los reactores del proceso y las heurísticas empleadas para establecer el orden de separación de las especies consideradas contaminantes.
Diagrama del proceso industrial de obtención de Alkyl Aryl Sulfonate
En el primer reactor chlorinator, el kerosén se mezcla con cloro en línea en un reactor del tipo enchaquetado que opera a temperaturas de 60 a 70 º C en presencia de yodo como catalizador produciéndose la siguiente reacción química:
Para que la reacción se realice en un 100% se opera con el doble de la cantidad estequiométrica de la reacción.
En el segundo reactor Alkylator, el benceno se mezcla con la corriente proveniente del reactor Chlorinator, produciéndose la siguiente reacción:
Para asegurar la reacción completa en este reactor, por cada mol de proveniente del primer reactor se adicionan 6 moles de benceno, y
pequeñas cantidades de cloruro de aluminio como catalizador.
Para los fines de este problema la etapa de formación del producto final no son de interés y solo nos avocaremos a las etapas anteriores del proceso total, hasta la obtención de keryl benzene refinado.
De acuerdo al texto se plantean dos tareas a desarrollar:
1.- Determinar la composición aproximada de las corrientes que salen del reactor Alkylator, incluyendo el ácido clorhídrico.
2.- Con las composiciones anteriormente determinadas y los datos de los puntos de ebullición dados, sintetice una secuencia de destilación para separar los materiales de las corrientes previamente determinadas y luego comparar esta etapa con la etapa de separación en el proceso industrial.
Desarrollo del problema:
Tarea 1
Para desarrollar la primera tarea se trabajará con una base de cálculo de 100 moles de kerosén.
Suponiendo una reacción completa en el primer reactor de acuerdo a la ecuación:
Determinamos las siguientes composiciones:
De acuerdo a la temperatura de operación del primer reactor y la temperatura de ebullición de los productos de la reacción se generan dos corrientes una liquida compuesta de y e otra gaseosa compuesta por HCl, siendo la corriente liquida la solución madre del segundo reactor que se mezcla con benceno de acuerdo a la siguiente reacción:
Como se explica en el desarrollo del problema para que la reacción se realice en un 100% por cada mol de proveniente del primer reactor se adicionan 6 moles de benceno, por lo tanto la composición de las corrientes de entrada son las siguientes:
Siendo la composición de las corrientes de salida las siguientes:
Todos estos cálculos de las composiciones de las corrientes se basan en una base de calculo aleatoria mente dada por nosotros, al igual que en el caso anterior el HCl se separa de los demás productos en una corriente gaseosa que sale del reactor debido a que su punto de ebullición es de – 85 º C, considerablemente inferior a la de los demás productos de las reacciones. En las siguientes tablas se resumen nuestros cálculos.
Para el primer reactor Chlorinator tenemos:
Especie Corriente de entrada en
moles
Corrientes de salida en
moles50
100 500 500 50
Para el segundo reactor Alkylator tenemos:
Especie Corriente de entrada en
moles
Corrientes de salida en
moles50 050 500 500 50
300 250
De aquí podemos discernir la abundancia de cada especie en la corriente de salida del segundo reactor que es el de nuestro interés analizar:
Especie Corrientes de salida en
moles
% de cada componente
en la corriente de
salida0 0
50 0.12550 0.125
50 0.125250 0.625
Moles totales 400 1
La especie mas abundante es el benceno siendo el resto de componentes de igual cantidad entre ellos.
Tarea 2
Efectuada la primera tarea y la información determinada en ella procederemos a desarrollar la segunda tarea de este problema que consiste en sintetizar una secuencia de separación de estos componentes explotando la diferencia de puntos de ebullición entre los diferentes componentes de las corrientes de salida del reactor anteriormente analizado.
En la siguiente tabla se incluyen la temperatura de ebullición de las diferentes especies a separar:
Especie Punto de ebullición en
º C214240-8580
Como la propiedad a explotar es la diferencia de temperatura entre los puntos de ebullición de los diferentes compuestos presentes en la corriente analizada, la tecnología de separación seleccionada para esta tarea es la “destilación”, en donde la fase de alimentación es liquida o gaseosa, como agente separador se emplea calor, las fases de producto pueden ser liquido mas vapor y explota la propiedad antes mencionado.
Para poder sintetizar una secuencia de separación basada en la tecnología de destilación debemos primero emplear una serie de heurísticas para poder establecer la mejor secuencia de separación basada en estos principios.
Heurísticas
1.- Cuando sea posible, reduzca la carga de separación mediante división o mezcla de corriente.
2.- Separar primero el componente más abundante. Si las cantidades de los componentes son iguales separar en partes iguales.
3.- Remover primero los materiales corrosivos y riesgosos.
4.- Separaciones difíciles hacerlas al final.
5.- Evite las separaciones que requieren el uso de especies que normalmente no están presentes en el proceso. Sin embargo, si una especie extra se usa para lograr la separación remuévalas rápidamente.
6.- Evitar incursionar en temperaturas y presión, pero inclínese por las altas más que por bajas.
7.- En destilación, remueva las especies del producto deseado finalmente en el destilado.
8.- En destilación remueva uno por uno los componentes de mayor volatilidad.
Con las heurísticas ya especificadas con las cantidades y la propiedad a explotar definida procedemos a sintetizar el orden de separación de las diferentes especies presentes en el flujo de salida del segundo reactor.
Como la tecnología empleada para separar es la destilación, debemos incursionar en altas temperatura para separar empleando para ello la sexta heurística, y por consiguiente las heurísticas 7 y 8 especificas de proceso de destilación, por lo tanto:
Primero: Incursionaremos par separa en altas temperaturas, en ves de bajas, los puntos de ebullición de los compuestos a separar son relativamente altos a acepción del ácido clorhídrico.
Segundo: Retiraremos cada especie de interés por el destilado, mientras la cola prosigue a las siguientes etapas de separación.
Tercero: Removeremos uno por uno los compuestos de mayor volatilidad en forma consecutiva, desde el mas volátil al menos volátil.
De acuerdo a esta última el orden de separación de acuerdo a sus volatilidades es:
Especie Punto de ebullición en
º C-8580
214240
Como la temperatura de operación de los reactores es suficientemente alto el HCl este componente puede retirarse como destilado desde los mismos reactores, pero no lo suficientemente como para retirar el resto de los componentes.
A pesar de que el proceso de destilación pose heurísticas específicas para esta no se pueden dejar de lado el resto de estas y por lo tanto es necesario cotejar que las restantes no contradigan las heurísticas específicas para el proceso de destilación.
Como se desea separar cada componente por separado las heurísticas 1 y 3 no son aplicables para este caso, ya que el interés es serrar cada componente de la corriente en forma consecutiva lo que lo dificultaría si separásemos la corriente en varios flujos y la tercer debido a que no se dispone información mas detallada en este sentido de cada componente. (Corrosivo y riesgoso).
Descartadas las anteriores aplicaremos las heurísticas 2 y 4 separar primero las especies más abundantes y luego las separaciones difíciles dejarlas al final, de acuerdo a la cantidad de cada especie la separación debería efectuarse en el siguiente orden:
Especie Corrientes de salida en
moles250505050
Dado que todo lo demás es igual separar en partes iguales el resto de los componentes.
De acuerdo a la dificultad de separar el orden de separación se realizaría en el siguiente orden:
Especie Punto de ebullición en
º C-8580
214240
Analizando la información entregada por cada una de las heurísticas aplicadas y cotejar que estas no se contradigan entre si podemos establecer un orden de separación para cada componente. De las heurísticas empleadas la de separar primero los componentes más volátiles y la de separaciones difíciles coinciden entre ellas, pero la de separar los más abundantes primero no coincide exactamente en el mismo orden que las anteriores, con esto definimos el siguiente orden de separación:
C1
C2
C3 C4
1 A50
2 B 250
3 C50
4 D50
S1
1 A0
2 B250
3 C50
4 D50
1 A50
2 B0
3 C0
4 D0
1 A0
2 B0
3 C50
4 D50
S2
1 A0
2 B250
3 C0
4 D0
S3
1 A0
2 B0
3 C50
4 D0
1 A0
2 B0
3 C0
4 D50
Donde cada letra representa un compuesto de la mezcla
A = B = C = D =
Siendo las cargas de separación en cada separador
C1 = 400 moles
C2 = 350 moles
C3 = 100 moles
Comparación con el proceso industrial
Nuestra síntesis de separación consta de 3 separadores, en la primera separación se retira el ácido clorhídrico de la corriente de estudio, ya que es el componente mas volátil de todos, en el segundo separador se separa el
segundo mas volátil y además mas abundante en este caso el benceno, dejando la separación mas difícil para el final la que corresponde al kerosén y al .
Comparando la síntesis desarrollado con el proceso industrial estas ocurren el mismo orden de separación con la propuesta por nosotros, pero la separación del componente más volátil se realiza en el mismo reactor de proceso y la separación del resto de los componentes se realiza en columnas de destilación en línea, la ultima separación efectuada en el proceso industrial no busca la separación de los componentes mas difíciles de separar, sino la purificación del , para su posterior transformación en el producto final del proceso. En el proceso industrial se efectúan cuatro separaciones a diferencias de la síntesis de separación propuesta las tres primeras, una separación en el mismo reactor y dos en columnas de destilación son equivalentes al sistema propuesto, mientras la cuarta separación efectuada en la cuarta columna de destilación es un proceso de refinación del producto de interés.
Conclusiones
La síntesis de una tarea de separación es un proceso más complicado de lo que se podría suponer la capacidad de poder explotar una diferencia común de todas las especies o separar las especies de interés en grupos que compartan una misma propiedad a ser explotada para su posterior separación, determinada la propiedad a explotar, nos enfrentamos a la decisión de elegir entre una serie de tecnologías que explotan dicha propiedad, para decisión de el equipo a ocupar podemos recurrir a la bibliografía existente o a catálogos específicos de los diferentes fabricantes, la elección del equipo especifico dependerá de variables del proceso y consideraciones económicas.
La ejecución de este problema se basa fundamentalmente en la aplicación de las heurísticas para la sintáis de un proceso de separación, la tarea de determinar la propiedad a explotar y la tecnología de separación es dada por el problema en su enunciado, pero la aplicación de las heurísticas en orden lógico y poder cotejarla entre ellas facilita la decisión de que orden de separación seguir, son herramientas fáciles de aplicar y de gran valor a la hora de tomar decisiones, facilitan el trabajo de gran manera, lo que conlleva a un resultado bastante aproximado a la realidad, lo cual queda demostrado al comparar el proceso de separación sintetizado con el proceso efectuado en la realidad.Ejercicio 5
INTEGRACION DE TAREAS
Contaminación Térmica del Ambiente.
La descarga de grandes cantidades de agua caliente en un lago o un río, por ejemplo, de una central eléctrica, puede causar severo daño ecológico. Por esta razón los límites superiores de temperatura de los corrientes efluentes se
fijan, y éstos son mantenidos por el preenfriado del agua de efluente o por la dilución del efluente caliente con agua de río más fresca.
¿Si 10 millones de gallones/dia del agua a 160 °F se deben lanzar de una central eléctrica, cuánto agua de río a 60 °F se debe extraer en la central eléctrica para los propósitos de la dilución?
El agua que sale de la central eléctrica no debe exceder 80°F.
Desarrollo del problema:
La contaminación térmica de las aguas superficiales sean ríos, lagos y mares es un problema que ocasiona grabes perjuicios en los ecosistemas que son afectados por este tipo de contaminación, es por esto que las normas imponen limites a los gradientes de temperatura de los fluidos que se descargan en estos afluyentes, para mitigar este efecto y cumplir con las normas es necesario disminuir la temperatura de los fluidos empleados en los procesos industriales, para este ejemplo especifico el de la central termoeléctrica.
Para ello diluiremos el volumen de agua de proceso que se encuentra a una temperatura sobre la norma con un determinado volumen de agua de menor temperatura con la finalidad de producir una descarga de fluidos a una temperatura que satisfaga la norma de emisión.
Por lo tanto nuestra tarea consiste en determinar la cantidad de agua a suministrar a la planta para poder enfriar 10 millones de gallones/dia de agua a 160 °F hasta 80 ºF, exigencia de la norma para poder descargar nuestra agua de proceso al ambiente, siendo la temperatura del agua de enfriamiento de 60 ºF.
Cálculos
Información complementaria:
Realizando las transformaciones de unidades al sistema internacional tenemos loa siguiente información:
Cantidad de calor transferido desde el agua de proceso al agua de enfriamiento:
* * *
Para poder cumplir con la norma se de emisión establecida en un día de operación se deben transferir la cantidad de 1682.054 millones de kilo calorías al fluido de disolución, pero esta cantidad de energía es solo para cumplir la norma, para asegurarnos de que ante cualquier eventualidad de una sobre emisión de aguas de residuos trabajaremos a temperaturas de descarga de 22 ºC de tal amanera de poder mitigar cualquier aumento imprevisto de flujo a descargar al asumir este parámetro por debajo de la norma nuestra cantidad de energía a transferir corresponde a la cantidad de:
Especificada la cantidad de energía que se debe transferir es necesario establecer el flujo de agua de disolución que debe ingresarse al proceso para poder cumplir la norma de emisión, de la siguiente forma:
=
= * * *
=
La cantidad de agua que se debe ingresar al proceso para mezclar con
el agua caliente del proceso es de , con esta
cantidad en condiciones normales enfría el agua caliente del proceso por debajo de la norma y permite contar con una salvaguarda ante la eventualidad de que el fluido caliente aumente en temperatura o volumen.
El contexto del problema consiste simplemente en la determinación de un caudal de agua de disolución que se encuentra a menor temperatura que el agua de proceso de la planta termoeléctrica que se desea enfriar por simple mezcla de ambas corrientes con la finalidad de poder cumplir con las normas ambientales de descarga de fluidos a temperaturas, el proceso que se propone es simple juntar una corriente fría con una caliente en tales volúmenes de obtener una disolución de temperatura apropiada. Pero nuestro propósito de estudio es ser capas de integrar las tareas auxiliares al proceso de manera de poder obtener el máximo provecho a las tareas auxiliares de un proceso, en este caso especifico sacar el máximo provecho energético, optimizando el uso de la energía de las corrientes que en este momento se están, simplemente perdiendo.
Aunque la temperatura del fluido caliente es baja con respecto a la temperatura de los fluidos de trabajo aun es posible la transferencia de parte de esta energía a fluidos mas fríos que entran al sistema de producción, esto por medio de intercambiadores de calor que transfieran parte de este potencial energético a corrientes mas frías de esta manera se manejan se recupera energía que de otro modo solo seria desperdiciada al enfriar mas las corrientes de desecho, se requieren menores cantidades de fluidos de refrigeración con el consiguiente beneficio económico y ambiental tan fuertemente inmerso en los procesos productivos modernos.
Conclusiones
Identificado el problema y el contexto de este, este se resume a la determinación de un flujo de agua fría con la cual se mezcla un afluente proveniente de una planta termoeléctrica con el propósito de enfriar esta y cumplir con las normas ambientales de emisión de afluentes a cierta temperatura.
La cantidad de energía que se desperdicia realizando este acondicionamiento es elevada es por esto que la posibilidad de recuperara parte de esta energía para el proceso, resulta en un beneficio significativo, desde el punto de vista energético y económico.
El hecho de mezclar la corriente fría con la corriente caliente resulta en un desperdicio energético, la integración de tareas lo que busca es la maximización de los recursos empleados en un proceso.
Como la cantidad de energía que se esta desperdiciando en este caso particular es bastante elevada, una integración de tareas en el sentido de emplear estas corrientes relativamente calientes para calentar corrientes mas frías que se emplearan en el proceso beneficiarían la globalidad del proceso recuperando parte del calor que en una primera instancia se desperdiciaría y en segundo reduciendo la cantidad de recursos que se destinan al proceso de enfriamiento de los fluidos de descarga.
Ejercicio 6
SINTESIS DE REDES DE INTERCAMBIADORES DE CALOR
Tres corrientes deben ser enfriadas por otras tres corrientes frías que deben ser calentadas. Obtenga la red de intercambiadores de calor que optimice la integración energética.
Tº Entrada ºF
Tº Salida ºF
Flujo (lb/hr)
Cp (Btu/lb ºF)
W*Cp (Btu/hr
ºF)H1 550 350 30000 º0.99 29700
H2H3C1C2C3
360100310260200
24050
500520350
3420028300421003617021000
0.650.480.700.470.26
222301358429470
16999.95460
Descripción:
Se desea diseñar una red de intercambiadores de calor, para enfriar tres corrientes y calentar tres corrientes, tratando se maximizar el uso de las corrientes tanto frías como calientes. Para cumplir con nuestro objetivo aplicaremos la heurística vista en clases:
La corriente más caliente a ser calentada colóquela en contacto con la corriente más caliente a ser enfriada
La corriente más fría a ser enfriada colóquela en contacto con la corriente más fría a ser calentada.
Preocupándonos que los deltas de temperatura de aproximaciones se cumplan, ósea que el máximo que puede calentar una corriente es su valor máximo de temperatura menos 20º para el caso en que la temperatura es en ºF ,y lo máximo que puede enfriar una corriente es su valor mínimo mas 20 F.
15000
Corrientes calientes
Corrientes Frías
15000
WCp (Btu/hr ºF)
WCp (Btu/hr ºF)
29470 Btu/hr ºF17000Btu/hr ºF
29700Btu / hr ºF
22230 Btu / hr ºF
Corrientes calientes.
Corrientes Frias
15000
Vapor a 550 ºF
Vapor a 350 ºF
15000
Salmuera a 30ºF
Agua a 80 º F
Red de intercambiadores de calor
Vapor 350 ºF
C3
294ºF
360ºF
550ºF
350ºF314ºF
291ºF
240ºF
350ºF
520ºF280ºF 300ºF
361ºF 5
H2
C2
H1
C1310ºF
260ºF
200ºF
500ºF
4890600 Btu/hr
Vapor 550 ºF
305760 Btu/hr
Agua a 80 ºF
4890600 Btu/hr
360ºF360ºFH3
Salmuera a 30 ºF
679200 Btu/hr
Cálculos
Aplicando la heurística:
La corriente mas caliente a ser calentada colóquela en contacto con la corriente mas caliente a ser enfriada
Ponemos en contacto la corriente C1 con H1 verificando que se cumpliera los delta de temperatura la corriente C1 es capas de calentar hasta 530 º F y la corriente H1 debe ser calentada hasta 500 º F por lo tanto cumple y H1 es capaz de enfriar completamente a C1.
El calor requerido para calentar la corriente C1:
QC1=
Para saber hasta donde es capas de enfriar a H1
Al poner en contacto la corriente C1 con H1 esta disminuye su temperatura hasta 361 ºF
Seguimos aplicando la misma heurística y ponemos en contacto la corriente C2 con H1 esta es capas de enfriar completamente a C1.C1 es capas de calentar a H1 hasta:
Ahora ponemos en contacto H2 con C2, H2 es capas de calentar a C2 hasta 340 º F, para determinar hasta donde C2 enfría a H1
H2 en contacto con C3, H1 calienta a C2 hasta 294 º F
Temperatura que enfría la corriente C3 a H1
Para terminar la red de intercambiadores de calor la corriente C2 será calentada con vapor a 550 º el calor el calor que se le debe aplicar para llevarla a550 ºF:
La corriente C3 la calentaremos con vapor a 350 º F
La corriente H2 la enfriaremos con agua a 80 ºF
El calor necesario para enfriar la corriente H2 hasta 240 ºF
La corriente H1 la enfriaremos con salmuera a 30 º F
Es el flujo calórico que el agua debe absorber para enfriar la corriente H1 desde una temperatura de 100 º F a 50 º F.
Conclusión:
En la red de intercambiadores de calor presentada se construyó en base a las heurísticas presentadas en clase, con el objetivo de maximizar el uso, tanto de las corrientes frías como calientes. Cuando ya no fue posible seguir aplicando las heurísticas, ósea que ya no se podían seguir calentando o enfriando las corrientes al ponerlas en contacto entre ellas, se procedió a utilizar vapor, agua y salmuera según se necesitase. Si bien hay una corriente que no se utilizo para calentar (o sea tubo que ser enfriada con salmuera) debido a que sus extremos de temperatura eran muy bajo en comparación a las otras temperaturas.
Conclusiones
El modelo sistemático para la síntesis de procesos presentado durante el curso es una herramienta de gran valor y simplicidad, que permite ir discriminando en cada etapa la mejor propuesta para un proceso en particular.
En el presente trabajo de taller se logró poner a prueba todos los conocimientos adquiridos durante el desarrollo del curso, comprobando de esta manera que éstos entregan excelentes resultados al aplicarlos a problemas tradicionales de la industria de procesos.
Como la síntesis de proceso es un proceso dinámico, ésta no termina aquí sino que se hace necesario sintetizar procesos hasta obtener el más eficiente posible, el cual debe satisfacer la necesidad de producir cierto producto de valor.
Por último, cabe mencionar que los conocimientos teóricos son de gran importancia en lo referido a la síntesis de procesos, pero la experiencia implícita que deja el qué hacer diario (conocimiento heurístico) es una herramienta importante a la hora de tomar decisiones y complementar los conocimientos teóricos empleados en este tipo de actividad.
Cabe destacar todo el trabajo realizado se llevó a cabo en su mayor parte en horas de taller de la asignatura de Estrategia en el Cálculo de Procesos con la guía permanente del profesor Sr. Abel Reinoso, la cual fue de gran ayuda para la asimilación de los conceptos estudiados.
