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• martha veronika blas herrera

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Universidad Nacional de San Antonio Abad del Cusco Facultad de Ing. Química e Ing. Metalúrgica Departamento Académico de Ingeniería Química

Cap. 3: Dilemas variables proceso y reglas Heurísticas

IQ230AQI: Diseño de Procesos

Ing° W. Julio Lechuga Canal

Variables de proceso

Gradientes y resistencias de procesos

Dilema de la ingeniería de procesos (1)

Dilema de la ingeniería de procesos (2)

Heurística

Heurística …. definición • Se puede definir Heurística como un arte, técnica o procedimiento práctico o informal para resolver problemas. • Conjunto de reglas metodológicas no necesariamente formalizadas, positivas y negativas, que sugieren o establecen cómo proceder y problemas a evitar a la hora de generar soluciones y elaborar hipótesis

La Heurística … un método de la ingeniería • Es un método basado en la experiencia, ayuda para resolver problemas de diseño, desde calcular los recursos necesarios hasta en planear las condiciones de operación de los sistemas. • Existen varios métodos heurísticos disponibles para los ingenieros como, por ejemplo, el Análisis modal de fallos y efectos y los árboles de fallo. la investigación de problemas y responsables, y se basan en la heurística del eslabón más débil y en la eliminación de causas improbables. • Dado que las heurísticas pueden equivocarse, es fundamental conocer los casos en los que son aplicables y los límites a su uso.

Pasos a resolver …. Heurística • Si no consigues entender un problema, dibuja un esquema. • Si no encuentras la solución, haz como si ya la tuvieras y mira qué puedes deducir de ella (razonando a la inversa). • Si el problema es abstracto, prueba a examinar un ejemplo concreto. • Intenta abordar primero un problema más general (es la “paradoja del inventor”: el propósito más ambicioso es el que tiene más posibilidades de éxito).

Reglas heurísticas en diseño de proceso

• Una regla heurística en diseño de proceso es un postulado o criterio numérico que se aplica para establecer dimensiones de un equipo o condiciones de operación adecuadas • Al utilizarlas correctamente se asegura un diseño óptimo desde el punto de vista económico • Su utilidad radica en que sin necesidad de cálculos complejos es posible aplicarlas y establecer un diseño adecuado. • A continuación se presentan solo algunas reglas heurísticas útiles para el diseño

Reglas heurísticas en diseño de proceso 1 Líneas de flujo y bomba 1.

Las velocidades y caídas de presión en líneas de flujo con diámetro D (pulgadas):

A la descarga

A la succión de la bomba Vapor o gas

Velocidad (ft/s)

Caída de presión (ft/100 ft)

5 + D/3

2

1,3 + D/6

0,4

20*D

0,5

2.

Las válvulas de control requieren una caída de presión de 10 psi para lograr un adecuado control

3.

Las válvulas de globo se usan para gases, control y cierres rápidos de flujo. Las válvulas de compuerta se usan para otros servicios.

Reglas heurísticas en diseño de proceso

4. Los accesorios se especifican para presiones de 150, 300, 600, 900, 1500 o 2500 lb/pulg2 5. La potencia de una bomba se calcula como: HP = (gpm) * (DP psi) / (1714 * eficiencia) 6. La eficiencia de una bomba centrífuga es aproximadamente: Flujo (gpm)

Eficiencia (%)

100

45

500

70

10.000

80

Reglas heurísticas en diseño de proceso

4.

Se selecciona una bomba centrífuga de una etapa para flujos de 15 a 5.000 [gpm] y cabezas máximas de 500 [ft]. Se selecciona una bomba multietapa para flujos de 20 a 11.000 [gpm] y cabezas máximas de 5.500 [ft]

5.

Se seleccionan bombas axiales para flujos de 20 a 100.000 [gpm], cabezas de 40 [ft] y eficiencias de 65 - 85%

6.

Se seleccionan bombas rotatorias para 1 – 5.000 [gpm], cabezas de 50.000 [ft] y eficiencias de 50 – 80%

7.

Se seleccionan bombas reciprocas para 10 – 10.000 [gpm], cabezas máximas de 1.000.000 [ft] y eficiencias de 70% a 10 [HP], 85% a 50 [HP] y 90% a 500 [HP]

Reglas heurísticas en diseño de proceso 2 Compresores 1.

La eficiencia de compresores recíprocos es función de la relación de compresión (RC = Pn/P1) de la siguiente forma: Relación de compresión

Eficiencia (%)

1.5

50

2.0

75

3-6

80 - 85

2.

La eficiencia de compresores centrífugos grandes es de 76 – 78% para flujos reales en la succión de 6.000 – 100.000 [ft3/min.]

3.

La eficiencia de los compresores rotatorios es de 70%

Reglas heurísticas en diseño de proceso

4.

La relación de compresión (RC) debe ser aproximadamente la misma en cada etapa de un compresor multietapas RC = (Pn/P1)1/n

n:

Nº de etapas

5.

La temperatura de salida de un gas comprimido no debe exceder 350 – 400 [°F]. Para gases diatómicos (Cp/Cv=1.4) esta condición corresponde a una relación de compresión RC de 4.

6.

La temperatura de salida del gas en un compresor es T2 = T1 * (P2/P1)a

a = (k – 1)/k ;

k = Cp/Cv

Reglas heurísticas en diseño de proceso 3 Intercambiadores de calor 1.

Los Intercambiadores de tubo y carcaza son la primera opción de diseño

2.

Por los tubos deben circular los fluidos corrosivos, ensuciadores y de mayor presión. Por la carcaza circulan los fluidos viscosos y condensados

3.

Para propósitos de diseño considerar para el agua una temperatura de entrada de 90 [°F] y de salida 120 [°F]

Reglas heurísticas en diseño de proceso 3 Intercambiadores de calor 4.

5.

6.

El flujo de calor no debe ser mayor que 10.000 [BTU/h*ft2] para evitar fatiga térmica Los intercambiadores de placa pueden tener un área de hasta 350 [ft2/ft3] y hasta cuatro veces la velocidad de transferencia de calor/ft3 que un intercambiador de tubo y carcaza. La diferencia mínima de temperatura debe ser de a lo menos 20 [°C]

Triangular 30º Triangular Rotado 60º Cuadrado 90º

Cuadrado Rotado 45º

Reglas heurísticas en diseño de proceso 4 Torres de enfriamiento 1. El agua en contacto con el aire a condiciones adiabáticas puede enfriar hasta la temperatura de bulbo húmedo 2. Se puede lograr hasta un 90% de saturación del aire

3. Las pérdidas por evaporación son aproximadamente 1% de la circulación de agua por cada 10 [°F] de enfriamiento 4. La purga de agua debe ser de un 3% de la circulación total para evitar una excesiva formación de sales e incrustación

Reglas heurísticas en diseño de proceso 5 Reactores 1. La velocidad de reacción se obtiene de datos de laboratorio y el tiempo de residencia. La distribución de productos se obtiene de una planta piloto

2. La proporción óptima de un reactor agitado (CSTR) es la que mantiene el nivel de líquido igual al diámetro del tanque 3. Los reactores por lotes (Batch) se utilizan para bajas capacidades de producción o grandes tiempos de residencia

4. Los reactores tubulares son adecuados para reacciones rápidas a bajos tiempos de residencia y alta capacidad de producción

Reglas heurísticas en diseño de proceso 6 Destilación y absorción 1.

Es el método de separación mas económico y operable que otros como extracción, cristalización y adsorción

2.

La relación de reflujo óptima es aproximadamente 1,2 veces el valor de reflujo mínimo.

3.

Por razones de acceso y mantenimiento, el espaciamiento entre platos es de 20 – 24 pulgadas

4.

La presión de operación la determina generalmente la T° del medio de condensación (que es 1 – 120 °F) o la máxima T° permitida en el rehervidor

T

Reglas heurísticas en diseño de proceso 6 Destilación y absorción 5. La caída de presión en platos de 3 pulgadas de H2O o 0,1 psi aproximadamente 6. Los platos perforados tienen hoyos de 0.25 a 0.5 pulgadas y el área perforada es aprox. El 10% del área efectiva de plato 7. La altura máxima de una torre es de 175 pies por limitaciones de cimentación y vientos. Otro criterio es que la relación L/D sea menor a 30.

Las buenas prácticas de diseño indican el uso de estas columnas de destilación cuando • La volatilidad relativa entre los componentes claves es superior a 1,05 • La demanda energética en el fondo no es excesiva • La presión de trabajo de la columna no obliga a trabajar a temperaturas cercanas a la crítica de cualquier compuesto • En el tope no se requiere una refrigeración excesiva para obtener el reflujo necesario • La temperatura de fondo no causa degradación del producto • Los azeótropos, si existen, no impiden la separación de los compuestos • La pérdida de carga en la columna es admisible

Estrategias heurísticas de estructuración Es el método más antiguo para la selección de una secuencia de columnas simples. Se basan en consideraciones de sentido común o con fundamentos técnicos sobre aspectos relevantes de la operación. Resulta ser la vía más simple para abordar el problema de estructuración, si bien no se puede garantizar una solución óptima o evitar que, por la aplicación de las distintas reglas, se produzcan situaciones contradictorias.

Estrategias heurísticas de estructuración …… Reglas que dependen de la alimentación: Heurística 1: Se deben separar los componentes corrosivos o peligrosos tan pronto como sea posible. Heurística 2: Debe separarse lo más pronto posible el compuesto más abundante en la alimentación. La razón de esta regla radica en que todas las columnas, donde este compuesto esté presente, han de requerir un diámetro y un gasto de energía más grande para la circulación, la condensación y la evaporación de un mayor caudal en la torre. Heurística 3: Debe favorecerse, en cada columna, la separación entre tope y fondo lo más equimolar posible. Aquí se pretende, fundamentalmente, distribuir, balanceados, los requerimientos energéticos en tope y fondo, a lo largo de todo el tren. Esta heurística privilegia los ítems, equipos y servicios, vinculados a los intercambios térmicos.

Estrategias heurísticas de estructuración …… Reglas que dependen de las volatilidades relativas:

Heurística 4: En el tope de cada columna debe separarse el compuesto más liviano presente en la alimentación (secuencia directa). En esta regla se privilegian los costos asociados a la condensación en el tope, tanto en equipos como en servicios. Heurística 5: Las separaciones entre compuestos con volatilidades relativas cercanas a la unidad deben realizarse sin la presencia del resto de los componentes. Al decir volatilidades relativas cercanas a la unidad se está poniendo de manifiesto la dificultad para separar esos compuestos, lo que demandará un significativo número de etapas en equilibrio. Al hacerlo en un equipo donde sólo ingresan esos compuestos se logra reducir al menos el diámetro de la columna.

Estrategias heurísticas de estructuración …… Reglas que dependen de las especificaciones del problema: Heurística 6: Las separaciones que exigen una alta recuperación deben realizarse en ausencia de componentes no claves. Esta regla tiene la misma justificación que la anterior, salvo que, en este caso, la dificultad no proviene de la naturaleza de los compuestos a separar sino de la especificación técnica que se ha planteado. Reglas que tienen en cuenta alteraciones de los cortes separados Heurística 7: Deben preferirse aquellas secuencias donde los productos se separan en la corriente de tope. La justificación de esto es doble. Por una parte, en las mezclas suelen encontrarse presentes impurezas, las que, generalmente, tienen una baja volatilidad, por lo que tienden a salir con la corriente de fondo. Por otra, en el reboiler está el punto más caliente de la columna, con la posibilidad de que allí se produzcan alteraciones en los productos deseados.

Secuencias de Destilación - heurística Heurísticos para selección de secuencias de destilación Es el método más común para la selección de secuencias de destilación simple. Entre los más usados tenemos: 1. Separaciones en las cuales la volatilidad relativa de los componentes claves es cercana a 1 o los cuales tienen una conducta azeotrópica deben ser realizados al final de la secuencia. En otras palabras, realice la separación más difícil al final. 2. Favorezca la secuencia directa, es decir remueva los componentes ligeros uno a uno en los topes de las columnas. 3. El componente que constituya una gran fracción de la alimentación debe ser removido primero. 4. Favorezca las particiones casi equimolares entre los productos de tope y fondos en columnas individuales.

Los heurísticos están basados en observaciones mechas en aplicaciones prácticas y en esta etapa no incluyen la integración de calor entre columnas (es decir los condensadores y rehervidores usan servicios de enfriamiento y vapor de calentamiento). Algunas veces se presentan dificultades cuando estos heurísticos están en conflicto uno con otro, tal como en el siguiente ejemplo:

Secuencias de Destilación - heurística Restricciones de proceso que limitan estas secuencias El número de opciones a ser consideradas están limitadas por ciertas restricciones de proceso. Las restricciones más comunes son: 1. Consideraciones de seguridad que determinan que un componente particularmente peligroso deba ser removido del proceso en etapas preliminares para minimizar el inventario de este componente. 2. Los componentes reactivos o sensibles al calor deben ser removidos en etapas preliminares. 3. Componentes corrosivos deben ser removidos primero para minimizar el uso de materiales de alto costo en los equipos. 4. Si hay descomposición del producto en los rehervidores y esto contamina el producto, entonces no debe producirse productos de los fondos de columnas. 5. Algunos compuestos tienden a polimerizar en la destilación a menos que se añadan químicos para inhibir la polimerización. Estos químicos son no volátiles y son removidos por los fondos de las columnas. Si este es el caso, no debe sacarse productos terminados por el fondo de las columnas. 6. A menudo, en el tren de separación algunos componentes son difíciles de condensar. La condensación total de estos componentes pudiera requerir temperaturas de refrigeración y/o presiones de operación muy elevadas. Bajo estas circunstancias los componentes ligeros son removidos por el tope de la primera columna para minimizar el uso de refrigeración y altas presiones en la secuencia de destilación.

Heurísticas para la síntesis de procesos químicos Conversión • Basándose en analogías estructurales, identifique las especies químicas que pueden servir de punto de partida para la síntesis de los productos deseados o que pueden aparecer como productos intermedios en dicha síntesis. • • Elimine todos aquellos caminos que sean impracticables por consideraciones de tipo termodinámico o cinéticas. • Identifique posibles productos intermedios o secundarios, así como sus niveles de conversión. Separación • • Retire primero los componentes más corrosivos o peligrosos. • Evite usar técnicas que impliquen el ingreso de una especie nueva. Si es inevitable, retire la nueva especia cuanto antes. • Separe lo más fácil primero, deje las separaciones más difíciles para el final. Mecanismos de Separación • Use destilación como primera opción para separar fluidos cuando se requiera alta pureza en ambos productos. En destilación es preferible retirar la especie deseada como un destilado al final de la serie. • Use absorción gaseosa para remover trazas de un componente en una corriente gaseosa. • Use cristalización para separar dos sólidos o para purificar un sólido de una solución líquida.

Turton et al, 1998; Rudd et al, 1973; Giral et al, 1979

Heurísticas para la síntesis de procesos químicos Mecanismos de Separación • Use destilación como primera opción para separar fluidos cuando se requiera alta pureza en ambos productos. En destilación es preferible retirar la especie deseada como un destilado al final de la serie. • Use absorción gaseosa para remover trazas de un componente en una corriente gaseosa. • Use cristalización para separar dos sólidos o para purificar un sólido de una solución líquida. Manejo de Energía • • Evite excursiones en las temperaturas o presiones. Trate de ir de los valores más altos a los más bajos. • Las corrientes de flujo a altas temperaturas deben usarse para generar vapor, trabajo o para calefacción. • Las corrientes a alta presión deben usarse para realizar trabajo directamente. • La calefacción o disipación de calor debe realizarse preferiblemente entre fluidos del proceso. Manejo de Materiales • El transporte de fluido debe hacerse en cascada de presiones, minimizando los altibajos. • En lo posible, debe evitarse el transporte de materiales en más de una fase y en los casos en que el transporte de materiales requiera la coexistencia de dos o más fases por un tramo del trayecto, la segregación de las fases debe hacerse tan pronto se pueda.

Turton et al, 1998; Rudd et al, 1973; Giral et al, 1979

Mas reglas heurísticas • Si la producción del producto principal es: – < 50,000.00 TM/año proceso intermitente (alto costo por mano de obra. Pintura medicina, cosméticos) – > 50,000.00 TM/año proceso continuo (bajo costo, alta automatización, etileno, combustibles, plásticos)

• Las heurísticas pueden repetirse varias veces y en cualquier orden, pero pueden haber contradicciones entre ellas. • Las heurísticas son reglas prácticas, a partir de observaciones empíricas, en todo caso la regla heurística mas importante es el AHORRO DE DINERO en el proceso.