Análisis de Procesos Químicos

Bibliografía: Turton Richard, Bailei Richard. “Analysis, Synthesis andDisign of Chemical Processes”. Prentice Hall International Series, 1998Walas Stanley. “Chemical Process Equipment”. Butterworth-Heinemann, 1990Landau Ralph, Cohan Alvis. “La Planta Quimica”. Compañía Editorial Continental 1970

HHHH

CC

HH

OOHH

Componentes del proceso químico:

Alimentación

Preparación de la alimentación para

la reacción

Zona de Reacción

Preparación para la separación

Zona de separación

Reciclo

Producto

Sub-Producto

Ajuste a condiciones exigias por la reacción

Cambios a condiciones que permitan la

separación

Condiciones definidas por cinpetica y termodinámica

de la reacción

Tratamiento

de efluentes

Secciones del sistema de proceso para la obtención de benceno a partir del tolueno.

TK-101 P-101A/B E-101 H-101 R-101 C-101A/B E-102 V-101 V-103 E –103 E-106 T-101 V-102 P-102A/B E-105Almacén Bomba Precalen Horno Reactor Compresor Enfriador Separador Separador CalentadorRehervidor Torre de Tambor Bomba EnfriadorTolueno Tolueno Alim Alim Gas Reciclo Salida HP LP Entrada Benceno Benceno Reflujo Reflujo Producto

Reactor Torre

VV--102102

Tolueno

Hidrógeno

Gases

Benceno

TK-101 E-101

R-101

C-101A/B

P-101A/B

H-101

E-102

E-106

E-103

E-104

E-105

P-102A/B

V-101

V-103

T-101hps

mpsmps

cw

cw

cwcw

lps

air fg

gases de combustión

59

2

6

7

8

17

3

1

4

10

18

14

13

11

19

12

15

16

Seguimiento del camino de las especies

( A )( A )( A )( A )

( A )( A ) ( A )( A )

Sólo en los reactores se transforman las materias primas en productos.

Dirección de análisis

Dirección de análisis

Sistema de

Reacción

Seguimiento del camino de los químicos en el proceso de obtención del benceno por hidrodesalquilación del tolueno

VV--102102ToluenoTolueno

HidrHidróógenogeno

GasesGases

BencenoBenceno

TKTK--101101 EE--101101

RR--101101

CC--101A/B101A/B

PP--101A/B101A/B

HH--101101

EE--102102

EE--106106

EE--103103

EE--104104

EE--105105

PP--102A/B102A/B

VV--101101

VV--103103

TT--101101hpshps

mpsmpscwcw

cwcw

cwcw

lpslps

airair fgfg

gases de combustigases de combustióónn

59

6

7

8

17

3

110

18

14

13

11

19

12

15

16

Reactantes

Productos

2

4

Identificación de puntos de mezcla y derivación.Reciclo y preparación para la reacción.

ToluenoToluenoTKTK--101101

EE--101101

RR--101101

CC--101A/B101A/B

PP--101A/B101A/B

HH--101101

hpshps

cwcw

airair fgfg

gases de combustigases de combustióónn

59

2

6

7

3

1

4

HidrHidróógenogeno

Identificación de puntos de mezcla y derivación en el Sistema de Separación

GasesGases

VV--102102

BencenoBenceno

RR--101101

CC--101A/B101A/B

EE--102102

EE--106106

EE--103103

EE--104104

EE--105105

PP--102A/B102A/B

VV--101101

VV--103103

TT--101101

mpsmps

cwcw

cwcw

cwcw

lpslps

9

6

8

17

10

18

14

13

11

19

12

15

16

7

Identificación de reciclos y bypass

VV--102102ToluenoTolueno

HidrHidróógenogeno

GasesGases

BencenoBenceno

TKTK--101101 EE--101101

RR--101101

CC--101A/B101A/B

PP--101A/B101A/B

HH--101101

EE--102102

EE--106106

EE--103103

EE--104104

EE--105105

PP--102A/B102A/B

VV--101101

VV--103103

TT--101101hpshps

mpsmps

cwcw

cwcw

cwcw

lpslps

airair fgfg

gases de combustigases de combustióónn

59

2

6

7

8

17

3

1

410

18

14

13

11

19

12

15

16

Reciclo de tolueno

Reciclo de hidrogeno

Hidrodesalquilación del tolueno para producción de benceno

Hidrodesalquilación del tolueno para producción de benceno.

PFD hidrodesalquilación del tolueno

Hidrodesalquilación del tolueno para producción de benceno. Camino de reactivos

punto de mezcla

Hidrógeno

Tolueno

C-1E-1

E-10F-1

TK P-1E-1

E-10F-1

Hidrodesalquilación del tolueno para producción de benceno. Camino de productos

bifurcación de corrientes

Hidrógeno

Tolueno

Benceno

E-10E-1E-2D-1E-3T-1E-3T-2E-6D-3P-3

E-11

Metano

Hidrodesalquilación del tolueno para producción de benceno. Lazos de reciclo

Tolueno

bifurcación de corrientepunto de mezcla

Purga de hidrógeno

Purga de tolueno

Desechos

Hidrodesalquilación del tolueno para producción de benceno

Tolueno

Hidrógeno

Metano

Benceno

Desechos

Hidrodesalquilación del tolueno para producción de benceno.

Hidrodesalquilación del tolueno para producción de benceno. Camino de los reactivos

Hidrógeno

Tolueno

Punto de mezcla

C-1E-10

F-1

TKP-1E-1F-1

Hidrodesalquilación del tolueno para producción de benceno. Camino de productos

Camino deproductos

E-5E-7E-3

E-10E-1E-2D-1E-3T-1P-5T-2E-6D-3P-3

E-11 bifurcación de corrienteBenceno

Metano

Hidrodesalquilación del tolueno para producción de benceno. Lazos de reciclo

Bay passt

Benceno

Metano

Tolueno

Hidrógeno

Algunas relaciones importantes de recordar para el Ingeniero de Procesos.

Correspondencias energéticas en sistemas de procesos.Es comúnmente aceptado que por cada lb de vapor generado

se requiere un consumo energético de 1000 Btu, esto estábasado en que el calor de vaporización de agua es de

aproximad ente 1000 Btu por libra

Esto Equivale a...

1 lb de vapor generado 1000 Btu (∆hvap)

1 lb fuel oil 20.000 Btu (∆hcomb)

1 lb carbón 10.000 Btu (∆hcomb)

1 ft3 gas natural 900 Btu (∆hcomb)

1 ft3 gas de refinería 750 Btu (∆hcomb)

1 bbl fuel oil 6 MM Btu

ENERGIA

Ordenes de magnitud

Algunas eficiencias relacionadas con aprovechamiento energético.

Para una Turbina de Vapor, una eficiencia del 35% significa que si se utiliza 1 lbde vapor solo el 35% será energía aprovechable, lo que se traduce que de los 1000Btu necesarios para generar la libra de vapor solo se recuperan 350 Btu

Algunas propiedades importantes al tratar con hidrocarburos.

En refinación y petroquímica son de utilidad el uso de aproximaciones como las listas en la tabla siguiente:

Gas derefinería

Propano Butano Nafta Diesel Gasoil

Peso molecular 11 44,1 58,1 114 230 350

Punto de Ebullición @ 1 atm (°F) - 43,75 31,08 243,9 550 800

Gravedad específica @ 60°F 0,507 0,584 0,7243 0,825 0,922

Presión de Vapor @ 100°F (psia) 188,6 51,7 0,798 -- --

Cpvap @ 60°F y 1 atm (Btu/lb °F) 1,5 0,3885 0,3950 0,3678 0,35 0,33

Cpliq @ 60°F (Btu/lb °F) 0,6200 0,5701 0,4997 0,45 0,40

∆Hvap (Btu/lb) 183 166 125 95 75

∆Hcomb @ 77°F (Btu/lb) 750* 19,918 19,657 19,093 19,000 18,900

* Btu/scf

Tomando decisiones rápidas y oportunas.Ejemplo:

En un proceso se desea calentar 8.000 bpdde diesel que se encuentra a 60°F. Para ello se dispone de 5.000 lb/h de vapor saturado a 300°F; también se cuenta con un intercambiador de 1.200 ft2 de área.

Se desea saber cuanto puede calentarse el diesel y si el intercambiador disponible es adecuado para garantizar este servicio.

Hipótesis: No hay pérdidas de calor. Una rápida respuesta a este planteamiento pasa por las siguientes etapas:

– Verificar cuál es la disponibilidad energética, y a partir de ella establecer la temperatura máxima a

la que puede calentarse el diesel. – Chequear si el área del intercambiador puede

garantizar este servicio.

Energía disponible = 5.000 lb/h (1.000 Btu/lb)= 5.106 Btu/h.

Esta es la energía que podremos utilizar para calentar el diesel, así que la temperatura que este puede alcanzar es:

– Del flujo de diesel:

Para este flujo de diesel, la temperatura máxima que puede lograrse es:

Dado que el disel está en fase líquida (Pto Ebullición normal = 550°F) Cp Disel = 0,45 Btu /lb °F

hdiesellbh

diaagualb

diesellbbbl

agualbbpd / 000.96 24

1

825,0 1

5,350 000.8 =

FTFFlbBtulb/h

hBtuTTmCpq final °=+=⇒°=°

=∆⇒∆= 176 11660 116 /45,0 000.96

/10.5 6

Del balance de energía...

FTAUQ °≅−−−

=∆∆= 176124

240ln)176300()60300( Tcon loglog

22

ln

950)176)(../ 30(

/ 5000000 ftFFfthBtu

hBtuTU

QA ≅°°

≡∆

=

Área requerida < Área disponible⇓

El equipo puede suplir el servicio

Podemos ahora abordar la verificación del diseño (área) del intercambiador...