TEMA 1: DISEÑO CONCEPTUAL Bibliografía consultada: DOUGLAS, J. Conceptual Design of Chemical Processes. . FELDER-ROUSSEAU. Principios básicos de los procesos químicos. KERN, D. Procesos de transferencia de calor. PERRY. Manual de Ingeniero Químico. (6º edición) MC CABE-SMITH. Operaciones básicas de Ingeniería Química.

OBJETIVOS E IMPORTANCIA DEL DISEÑO CONCEPTUAL

El diseño conceptual se basa en la utilización de procedimientos sistemáticos que

permiten lograr el diseño de un proceso químico, encontrando el mejor diagrama de flujo

del proceso y estimando las condiciones óptimas de funcionamiento.

La complejidad del problema de diseño de procesos es debida fundamentalmente a

la gran cantidad de alternativas que se generan en el momento de su realización, y a la

amplitud de criterios para decidir entre las distintas posibilidades. El diseño en Ingeniería

Química tiene características comparables con diseños en otras ramas de la ciencia;

fundamentalmente es una tarea de creatividad, convirtiéndose en una actividad muy

amplia. La experiencia indica que menos del 1% de las ideas desarrolladas para un nuevo

diseño se convierten finalmente en comercializables. Es decir que se deben considerar

muchas posibilidades con muy poca chance de éxito cada una de ellas.

Por lo tanto, es necesaria la aplicación de una estrategia eficiente para desarrollar

un diseño que permita optimizar esfuerzos logrando un resultado óptimo. De alguna

manera, esta estrategia debe permitir un análisis sistemático de las ideas planteadas, de

forma de eliminar pobres alternativas de proceso haciendo análisis preliminares. Luego, a

medida que los resultados vayan siendo promisorios, aumentar el grado de detalle de los

cálculos usando procedimientos de diseño cada vez más rigurosos, para lograr un mayor

grado de exactitud en los resultados.

Esto nos muestra que los problemas de diseño apuntan a establecer jerarquías en las

decisiones a tomar, que permitan sistematizar la creación y análisis de alternativas.

La primera gran ventaja que tiene este enfoque es que nos permite calcular tamaños

de equipos y estimar costos aumentando el grado de exactitud a medida que procedemos en

los niveles de jerarquía; cuando el beneficio potencial se vuelve negativo en algún nivel,

podemos seguir con el análisis de un proceso alternativo o terminar el proyecto de diseño

sin tener que obtener una solución completa del problema.

Diseño Conceptual

2

La otra ventaja es que permite sistematizar la creación de alternativas, por lo que se

evitan los riesgos de dejar de lado alguna alternativa potencial. De aquí que el objetivo del

diseño conceptual sea el de encontrar la “mejor alternativa”.

FACTIBILIDAD TÉCNICA Y ECONÓMICA

En la mayoría de los casos es posible obtener un producto determinado por medio

de distintas alternativas. ¿Cómo hacer para decidir cuál de ellas es la más conveniente? El

ingeniero químico necesita diseñar una estrategia que le permita desechar las alternativas

no viables.

Al momento de desechar una alternativa se debe estar lo suficientemente seguro de

que se hayan considerado las condiciones óptimas de funcionamiento de dicha alternativa.

Existirá más de un nivel de decisión a la hora de desechar alternativas. Estos

niveles de decisión abarcan desde los más complejos a los más simples. En los más

complejos, los cálculos son más detallados, y los costos para realizarlos son mayores, pero

se logra un porcentaje de certeza de los resultados mayor. En menor grado de exactitud, se

encuentran los cálculos short-cut (cálculos rápidos, sólo aproximados) donde los costos

asociados a determinadas alternativas de proceso difieren en, al menos, un orden de

magnitud o más; éstos generalmente posibilitan desechar algunas alternativas. Una primera

instancia, donde con criterios sencillos se desechen opciones, siempre es un procedimiento

útil. En todo nivel de decisión existirá un análisis de factibilidad técnica y un análisis de

factibilidad económica. Se plantea a continuación un ejemplo de los dos tipos de análisis

en un primer nivel de decisión:

Ejemplo Nº1

Dada la necesidad de producir etilamina, una serie de alternativas para ello se pueden encontrar en textos de síntesis en química orgánica, imaginación del químico, o búsqueda de datos o procesos previos. En este caso se pueden plantear: Reacción 1

ClNH + NHCHCH 2NH + ClCH-CH 4223

amoniaco

3

oetilclorur

23 −

Reacción 2

CH - CH + N + H CH CH NH3 3

etano12 2

12 2 3 2 2

Diseño Conceptual

3

Reacción 3

O2H + NHCHCH 2H + OHNH COH-CH 2223

.2

inahidroxilam2

doacetaldehi3 +

Reacción 4

223322 NHCHCH NH + CH=CH

Una primer evaluación económica consistirá en comparar los costos de las materias primas frente al de los productos, asumiendo un rendimiento del 100%. Éste es sólo un primer nivel de decisión, ya que, entre otros motivos: a) los costos de las materias primas no representan la totalidad de los costos; b) normalmente, el rendimiento es inferior al 100%, ya sea por la aparición de subproductos o por reversibilidad de las reacciones; c) el análisis nada dice sobre la posibilidad técnica de llevar a cabo la reacción; d) no se consideran costos para catalizadores ni solventes, ni costos de subproductos. Este análisis de factibilidad económica para estas cuatro reacciones consistiría en: 1. Búsqueda de los valores de mercado para reactivos y productos

SUSTANCIA COSTO (U$S/KG.) PESO MOLECULAR etilcloruro amoníaco etano H2 N2 acetaldehído hidroxilamina etileno etilamina

0,198 0,165 0,066 0,044 0,022 0,264 1,672 0,154 0,946

64.4 17 30 2 28 44 33 28 45

Dif. costos = (Masa i) (Costo i)Masa producto

∑

, ⎩⎨⎧− reactivo es si

producto es si + = i Costo

Reacción 1 + 0,537 Reacción 2 + 0,894 Reacción 3 - 0,534 Reacción 4 + 0,788 Los valores obtenidos como resultados muestran que la reacción 3 ya es desechable en este nivel de decisión.

Factibilidad técnica

Diseño Conceptual

4

Es el segundo criterio que, en este nivel, permitirá seguir con todas las

posibilidades o algunas de ellas. Lo que normalmente se usa en primera instancia, para

verificar la posibilidad (técnica) de que una reacción se produzca, es el cambio de energía

libre asociada con la reacción. Si el ∆GR > 0, hay muy poca chance de que la reacción se

produzca. Si ∆GR < 0 (y grande), la reacción es muy promisoria. A veces resulta útil

evaluar el ∆GR a varias (dos o más) temperaturas.

reactivos

0f

producto

0fR )G( - )G( = G ii ∆∆∆ ∑∑

PRODUCTO ∆Gf (KCAL/MOL)

A 298 °K (*) cloruro de etilo etileno acetaldehído etilamina amoníaco etano cloruro de amonio

-14,34 16,88 -31,46 10,01 -3,90 -7,86 -48,6

REACCIÓN ∆GR Reacción 1 Reacción 2 Reacción 4

-20,35 17,87 -2,97

(10,01 - 48,6) (10,01) (10,01)

- - -

(-14,34 - 3,90) (-7,86) (16,88 - 3,90)

Posible

Posible (*) Tabla 3-147 - Perry (6º edición).

CLASIFICACIÓN DE PROCESOS

Los procesos se clasifican en: discontinuos, continuos y semicontinuos, ya sea en

régimen permanente o en régimen transitorio.

a) Proceso discontinuo: se carga la alimentación al inicio del proceso, eliminándose

los productos de una sola vez algún tiempo después. La masa no atraviesa los

límites del sistema entre el momento de alimentación y el de vaciado.

b) Proceso continuo: las entradas y salidas fluyen continuamente durante el

proceso.

c) Proceso semicontinuo: las entradas son casi instantáneas, mientras las salidas

son continuas, o viceversa.

Régimen permanente: los valores de las variables no sufren modificación con el

Diseño Conceptual

5

tiempo, en cualquier punto del sistema.

Régimen transitorio: alguna/s de las variables cambia su valor con el tiempo.

Otra clasificación utilizada es:

Sistemas abiertos: cuando la masa atraviesa los límites del sistema (equivale a un

proceso continuo o semicontinuo).

Sistemas cerrados: cuando ni entra ni sale masa del sistema, pudiendo estar

entrando y/o saliendo energía del mismo (equivale a un proceso discontinuo).

Batch (discontinuo) vs continuo

El tipo de funcionamiento (batch o continuo) es la primer decisión que se toma en

el diseño conceptual. Por ello haremos aquí una breve reseña de las características del

problema que influyen en esta decisión.

1) El tamaño de planta es un factor determinante del funcionamiento continuo o

discontinuo de una planta. Las plantas de gran capacidad apuntan a la economía de

escala, es decir, se construyen en gran tamaño porque consiguen mejores precios y

beneficios al manejar mayores cantidades. Las plantas grandes son generalmente

continuas. En ellas se justifica una gran inversión en desarrollo. Las plantas continuas

necesitan trabajar con mayores certezas en sus cálculos debido a que deben correr

menos riesgos de rotura y tener menos salidas de funcionamiento. En estas plantas las

paradas para refacción y mantenimiento se hacen periódicamente, pero en intervalos de

tiempo lo más prolongados posible porque involucran importantes pérdidas de dinero.

En cambio las plantas batch, constantemente están parando para carga, descarga y

funcionamiento, de manera que cualquier problema técnico tiene una solución menos

costosa.

2) Las plantas batch son más flexibles, de manera que son más adecuadas cuando se

producen una gran variedad de productos, como por ejemplo el caso de las pinturas.

3) Las demandas del mercado pueden dirigir este nivel de decisión. Por ejemplo, los

productos de demanda estacional como los fertilizantes, que requieren ser producidos

sólo en una determinada época del año para evitar costos de almacenamiento. En este

caso, es preferible una planta batch que, durante el resto del año, pueda producir otros

Diseño Conceptual

6

productos.

DIAGRAMA DE FLUJO

Es esencial la organización de la información de una forma conveniente para el

diseño, el análisis de las distintas alternativas y los cálculos. La forma de hacerlo es

mediante un diagrama de flujo (o flow-sheet).

En la construcción del diagrama de flujo se siguen los siguientes pasos:

1. Construir bloques o figuras representativas de las operaciones de transformación

a realizarle a las materias primas.

2. Unir con líneas las distintas operaciones, siguiendo con flechas el sentido de

transferencia del material dentro del proceso.

3. Escribir los nombres de las unidades y numerar las corrientes.

4. Dependiendo de si:

a) se está resolviendo un problema sencillo de balance de masa y energía, o

b) se está resumiendo la información de un proceso diseñado en un plano de

diseño final (flow-sheet),

la información con que se cuenta se adiciona sobre el dibujo incluyendo los

nombres de las variables desconocidas (Ver Ejemplo Nº2), o se coloca en un

cuadro aparte, con los valores de las variables de las corrientes (Ver Figura Nº1).

Ejemplo Nº2: diagrama de flujo para un problema de balance de masa

Humidificación y oxigenación del aire: Una experiencia sobre crecimiento de microorganismos requiere un ambiente de aire húmedo y enriquecido en oxígeno. Se alimentan 3 corrientes a una cámara de evaporación, para lograr la corriente de salida con la composición deseada. A: Agua líquida, alimentada con un flujo de 20cm3/min. B: Aire (21% mol O2, N2) C: O2 puro, con un flujo molar equivalente a 1/5 del flujo molar de B. El gas de salida tiene 1,5 mol% de agua. Calcular las variables desconocidas.

Diseño Conceptual

7

0,2 Q mol O / min

Q mol aire / min

0,21 mol O / mol0,79 mol N / mol

2

2

2

C

B

⎯ →⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯

⎯ →⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯

F mol / min

0,015 H O2

⎯ →⎯⎯⎯⎯⎯

2

2

N mol X)-0,015-(1O X ;

A - 20 cm3 H2O (l)/min W moles H2O/min Incógnitas: Q, F y X

Procesos de Recirculación, Derivación (bypass) y Purga

Debido a las necesidades del proceso, muchas veces es necesario derivar una parte

de la corriente de alimentación (bypass), reciclar los reactivos no consumidos

(recirculación), o eliminar al exterior una fracción de la corriente recirculada (purga).

En un diagrama de flujo estas posibilidades aparecen de la siguiente forma:

reactor sep. de producto

producto alim react

derivación

recirculación purga

a) Recirculación: Tanto en procesos químicos como en procesos físicos frecuentemente

se opera con corrientes de recirculación.

• En las columnas de destilación fraccionada una parte del destilado se condensa y se

retorna como reflujo. El objetivo es provocar la circulación en contracorriente del

líquido y el vapor en el interior de la columna, y lograr la operación en las

condiciones previstas por el diseño.

• En los dispositivos de circulación forzada usados para concentrar sustancias que

son afectadas por el calor, el tiempo de residencia en el equipo de intercambio debe

ser bajo. Esto obliga a recircular gran parte del producto, usando para ello bombas

centrífugas de alto consumo de potencia.

• Si se extrae una especie contenida en una mezcla empleando un solvente, éste debe

ser recuperado y recirculado al proceso. La reutilización del solvente se realiza por

razones económicas.

alimentac. fresca

Diseño Conceptual

8

• En presencia de reacciones químicas el reciclo es necesario en diversos casos. Es muy

poco común que una reacción A→B se complete en un reactor continuo; no interesa

cuánto de A se encuentre presente en un principio o cuánto tiempo permanezca la

mezcla dentro del reactor, algo de A siempre aparece en el producto. Como se debe

pagar todo el reactivo que se alimenta a un proceso y no sólo lo que reacciona, toda

cantidad de A que salga con el producto significa pérdida de dinero. Sin embargo, si

existiera alguna forma de separar la mayor parte de todo el reactivo que no se ha

consumido, entonces se podría vender el producto relativamente puro y recircular el

reactivo no consumido nuevamente al reactor. Los gastos de los equipos de separación y

recirculación se compensan al tener que adquirir menos reactivo fresco y poder vender

el producto purificado a mayor precio.

Entre los casos en los que interesa que el reactivo clave se consuma completamente se

encuentran por ejemplo: cloración de benceno para obtener hexaclorobenceno e

hidrogenación de aceites vegetales.

En tales situaciones se habla de una conversión por paso (en el reactor) y de una

conversión en el sistema.

entrada- salida (proceso) Conversión del sistema = ------------------------------------ (o global) entrada (proceso) entrada- salida (reactor) Conversión por paso = ------------------------------------- (o de un solo paso) entrada (reactor)

• La obtención de butadieno a partir de buteno, se lleva a cabo con un diluyente inerte

(butano) que evita reacciones laterales. El butano es separado de la corriente de

productos y reciclado al reactor.

• Muchas veces la transformación de los reactivos se halla limitada por el equilibrio o por

la cinética de la reacción (craqueo término de nafta, síntesis de NH3). Aquí la baja

conversión por paso obliga a separar y reciclar el reactivo clave.

• En la producción de clorobenceno se opera con un exceso de benceno para evitar la

formación del dicloro y triclorobenceno. De la corriente de producto bruto debe

recuperarse el benceno para ser nuevamente usado como reactivo.

b) Derivación: Un procedimiento que tiene varias características en común con la

recirculación es la derivación, en la cual se desvía una fracción de la alimentación de

Diseño Conceptual

9

una unidad de proceso, haciendo que pase alrededor de la misma, combinándola con la

corriente de salida de la unidad.

Al variar la fracción que se deriva de la alimentación, es posible variar la composición

y las propiedades del producto.

La derivación se realiza por distintas razones, tanto para mejorar como para posibilitar

el desarrollo del proceso.

En la deshumidificación de aire por ejemplo, sólo una parte del caudal total es

enfriado, derivándose el resto. Como la cantidad de aire a enfriar es menor, es posible

mejorar el control de la humedad, permitiendo así el acondicionamiento deseado.

c) Purga: Aunque la corriente de reciclo empleada en un proceso resuelve un problema,

puede crear otro. Las especies no reactivas se acumularían en el sistema si no se

realizara una purga continua. De este modo, se mantiene la concentración de inertes en

un nivel razonable para llevar a cabo la reacción.

Si las corrientes de purga implican contaminación ambiental, es necesario eliminar las

especies contaminadas contenidas en ellas (por ejemplo con lechos absorbentes,

columnas de absorción, hornos de combustión para generación de energía, etc.).

El nitrógeno, materia prima en la síntesis de NH3, contiene argón como impureza en

baja proporción. Luego de la separación del producto, una purga continua permite

efectuar el reciclo y evitar la acumulación de argón (inerte) en el reactor.

OPERACIONES CONVENCIONALES

Existen una gran cantidad de operaciones que se utilizan para realizar las

transformaciones a la materia prima. Algunas de ellas, de mayor uso, las mencionaremos a

continuación a los fines de contar con algunos elementos mínimos para un comienzo de

diseño conceptual.

A) Operaciones de separación o mezclado

1) Mezclado - Filtrado - Separación con membranas

2) Destilación

La destilación se puede analizar en la práctica siguiendo dos métodos

fundamentales. El primero de ellos se basa en la producción de un vapor mediante la

Diseño Conceptual

10

ebullición de la mezcla líquida que se desea separar, procediendo posteriormente a la

condensación del vapor sin que nada de líquido retorne al calderín y se ponga en contacto

con el vapor.

El segundo método se basa en el retorno de parte del condensado al destilador, en

condiciones tales que el líquido que desciende se pone en íntimo contacto con el vapor que

va hacia el condensador. Cualquiera de estos dos métodos se puede conducir en forma

continua o discontinua. A la vaporización parcial en una sola etapa sin reflujo se la

denomina destilación flash y a la destilación continua con reflujo, rectificación. En la

Figura Nº 2 se muestran columnas de destilación.

3) Absorción

En la absorción de gases se absorbe un gas, contenido en una mezcla con otro gas

inerte, mediante un líquido en el que el soluto gaseoso es más o menos soluble. Un ejemplo

típico lo constituye la absorción de amoníaco, contenido en una mezcla con aire, mediante

agua líquida. El soluto se recupera posteriormente por destilación, y el líquido absorbente

puede reutilizarse o bien ser desechado. A veces se separa un soluto gaseoso contenido en

una mezcla liquida, poniendo ésta en contacto con un gas inerte. Esta operación, que es

contraria a la absorción, recibe el nombre de desorción.

4) Adsorción

Se le llama adsorción a la operación mediante la que se separa uno o más

componentes de una mezcla líquida o gaseosa con un sólido. Se tratan generalmente de

operaciones de purificación.

5) Lixiviación-Extracción

Se trata de la separación de un constituyente, contenido en un sólido o un líquido.

La lixiviación (o extracción sólido-líquido) se utiliza para disolver el material soluble

contenido en una mezcla con un sólido insoluble. La extracción líquido-líquido, se utiliza

para separar dos líquidos miscibles mediante un disolvente que disuelve preferentemente a

uno de ellos. Aunque los dos procesos presentan varios aspectos comunes, las diferencias

técnicas, así como los aparatos que se emplean son diferentes.

B) Operaciones de intercambio calórico

1) Intercambiadores de calor. Ver Figura Nº3.

2) Condensadores – Evaporadores.

C) Reacciones químicas

Diseño Conceptual

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DISEÑO CONCEPTUAL, NIVELES JERÁRQUICOS.

Los métodos de diseño y análisis de procesos indican que se deberían resolver los

problemas de diseño, primero desarrollando soluciones muy simples y luego adicionando

sucesivos niveles de detalle. A través de un ejemplo concreto iremos mostrando los

distintos niveles jerárquicos que aparecen en el análisis de procesos, de mayor a menor

complejidad.

Ejercicio Nº1: Hidrodealquilación de tolueno para producir benceno.

Considerando que el benceno se obtiene a partir de tolueno de la siguiente forma:

Tolueno + H2 ==> Benceno + CH4 y que existe una reacción lateral no deseada,

2 Benceno <==> Difenilo + H2 construir un diagrama de flujo posible para llevar a cabo la producción industrial de benceno. Posteriormente esquematizar su estructura de los sistemas de separación, de reciclo y de entrada-salida. Establecer un orden jerárquico para las decisiones. Considerar como datos los siguientes: Temperatura de reacción: 1150 °F - 1300 °F Presión de reacción: 500 psia Relación de exceso necesaria: hidrógeno/tolueno = 5/1

Solución: Ver flow-sheet Figura Nº4.

Integración energética

En el flow-sheet de la Figura Nº4, se han considerado solamente las necesidades de

enfriamiento y calentamiento del proceso principal.

En la última década se han desarrollado nuevos métodos que consideran trabajar

con el mínimo gasto de energía de calentamiento y enfriamiento. Mediante el análisis de

las redes de intercambio de calor que dan la mejor integración de la energía en un proceso.

Luego de un análisis de redes de intercambio se podría optimizar el proceso como

se muestra en la Figura Nº5.

Por supuesto, el análisis del flow-sheet es más complicado considerando algún tipo

de integración energética. Además para aplicar la integración energética es necesario

conocer las necesidades especificas de energía del proceso, es decir, flujo y composición

de cada corriente. Esto implica que es necesario fijar completamente el flow-sheet antes de

Diseño Conceptual

12

este análisis. De esta manera, se considera a la integración de energía el paso final en el

procedimiento de diseño.

Trenes de destilación alternativos

A pesar del flow-sheet planteado, existen otras alternativas para las separaciones de

líquidos.

Así por ejemplo, según muestran las Figuras Nº6:

Se podría reciclar el difenilo con el tolueno para desplazar la reacción reversible

hacia el benceno. Aunque nos ahorraríamos una columna a expensas de aumentar el flujo

de pasaje en el reactor

O se podrían usar columnas con corrientes de lado.

Para avanzar sobre estas alternativas se debería tener más datos sobre

composiciones de la alimentación a la entrada del tren de destilación.

Sistemas de recuperación de vapor

El vapor que deja el flash puede ser necesario recuperarlo o tratarlo para separar sus

componentes. En el sistema de recuperación generalmente se utilizan algunas de estas

operaciones:

Condensación

Absorción

Adsorción

Membranas

El diseño del sistema de recuperación de vapor se considera antes que el diseño del

sistema de separación de líquidos, porque las corrientes de salida del sistema de

recuperación de vapor normalmente incluyen una corriente de líquido que es dirigida hacia

el sistema de separación de líquido para su final separación y recuperación.

Descomposición del diagrama de flujo en estructuras simples

Sería conveniente, para tomar decisiones que se refieren a los sistemas de

separación, simplificar la estructura del diagrama de flujo.

El flow-sheet simplificado de los sistemas de separación tiene la forma que se ve en

la Figura Nº 7. En caso de no existir reacciones químicas, el bloque de reacción es

Diseño Conceptual

13

eliminado. Este diagrama es conocido como Estructura de separación.

Este diagrama puede simplificarse aún más si se juntan los sistemas de separación

en un solo bloque tal como se muestra en la Figura Nº8. El diagrama resultante da origen a

la Estructura de reciclo. En esta estructura se toman decisiones o se estudian factores que

determinan el número de corrientes de reciclo, calor en el reactor, limitaciones de

equilibrio en el reactor, etc.

Finalmente, se puede conseguir la representación más simple, agrupando todas las

operaciones en un solo bloque, de modo de tener rápida información acerca de las

variables de diseño (variables de proceso que normalmente son conocidas, o forman parte

de la información de entrada de un diseño). En general, este tipo de estructura, Estructura

de entrada-salida, nos permite entender los efectos de las variables de diseño sobre los

balances globales.

Mediante el anterior análisis vemos que es posible descomponer un diagrama de

flujo en estructuras cada vez más sencillas, de modo de comenzar analizando y tomando

decisiones desde los niveles más sencillos a los más complejos.

De esta manera las jerarquías de las decisiones está dada de la siguiente manera:

Jerarquía de las decisiones Batch vs contínuo Estructura de entrada-salida Estructura de reciclo Estructura general del sistema de separación a) Sistema de recuperación de vapor b) Sistema de separación de líquido Redes de intercambio calórico

Diseño Conceptual

14

5

4

3

1

6

2

8

7

TO T

AN

KA

GE

PAR

A -

XY

LEN

EPR

OD

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51

M-4

52J-4

51

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51

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XY

LEN

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LITT

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-453

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0-41

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52

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55

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15)

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OM

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3

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2)

9

1 3.1

38

0.5

2

124 0.5

0410.46

849

7.38

0.87

464

5393

40.

874

0.1

577

00.

23

126

3.0

0.9

3.5

2.1

1.4

2.1

163

4141

71

-7

0.1

90.

500.

46

0.34

0.86

727

844

849

821

891

5.5

05.

500.

27

0.42

0.42

0.8

680.

868

0.87

40.

874

0.8

74

4775

4775

237

371

371

846

5.65

0.86

84

309

LL

LL

LL

LL

V

490

9

46.4

30.

070

.14

44.7

50.

011.

46

70.

0470

.04

1.4

2

0.01

1.4

5

134

4775

4775

237

371

371

44.9

844

.98

2.5

84

.03

4.03

0.0

70.

070.

140.

144

4.74

44.7

40

.01

0.01

0.0

10.

010.

020.

022

.58

4.02

4.02

70.

0470

.04

6453

6453

6453

92.1

1569

3.8

10.

009

5

98

76

54

32

STR

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ER

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L, K

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L, K

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G/H

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, N.Y

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.D.M

.

ING

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RG

ET

25-7

1D

G-M

-D-4

100

20

34

56

78

910

11

1213

14

152

1

34

56

78

910

11

1213

14

152

1

I H G F E D C B A

I H G F E D C B A

d

Figura Nº1: Flow-sheet

Diseño Conceptual

15

L = 1x = 0.0001b y = 0b

V = 0.2

x = 0.02o

F = 1

yo

V = 0.2

Destilación 00’

Qc

W0 H0WR H0

1’1n+1n

Vn L +1n

m+1m

2’2

WF HF

QR

3’3WB HB

columna de destilación

Salida de gas

Distribuidor de líquido

Entradade

líquido

Entradade gasSalida

delíquido

Secciónde

relleno

Secciónde

relleno

Torre de relleno

Figura Nº2: Columnas

Diseño Conceptual

16

Code

Prensa estopa

Cabezal de retorno

Prensa estopa

’’ ’Γ

Prensaestopa

Intercambiador de doble tubo

3

4

2651

2

3

4

Intercambiador tubular de cabezal fijo

Intercambiador 1-1 con cabezal flotante. (Patterson Foundry & Machine Co.)

Figura Nº3: Intercambiadores

Diseño Conceptual

17

Flash

Purge

CoolantReactor

CompressorHeat

Heat

Heat Heat

Toluene

Benzene

H , CH2 4

Diphenyl

H , CH2 4

Rec

ycle

Prod

uct

Stab

ilize

r

HDA process. [ .]After J.M. Douglas. AIChE J, 33:353 (1985)

Toluene + H Benzene + CH2 Benzene Diphenyl + H

2 4

2

Figura Nº4: Flowsheet HDA

Diseño Conceptual

18

Dip

heny

l

Furn

ace

Rea

ctor

CW

Flas

h

Tolu

ene

feed

H fe

ed2

Gas

recy

cle

Com

pres

sor

Purg

e

Benz

ene

prod

uct

Liq

uid

recy

cle

H, C

H2

4

Toluene column

Sytabilizer column

Benzene column

Hyd

rode

alky

latio

n of

tolu

ene;

max

imum

ene

rgy

reco

very

.

Figura Nº5

Diseño Conceptual

19

Benzene

Diphenyl

Feed

Toluene

(To recycle)

H , CH2 4

Alternate distillation trains.

Toluene(To recycle)

Benzene

Feed

Diphenyl

H , CH2 4

Alternate distillation trains.

Figura Nº6

Diseño Conceptual

20

Purge

H , CH2 4

Phasesplit

Reactorsystem

H , CH2 4

Toluene

Benzene

Diphenyl

Liquid separationsystem

Vapor recoverysystem

HDA separation system. [ , , 31: ( ).]After J.M.Douglas AlChE J 353 1985

Figura Nº7

Diseño Conceptual

21

H , CH2 4

Toluene

Reactorsystem

Toluene recycle

Gas recycle

Separationsystem

Purge

Benzene

Diphenyl

H , CH2 4

[a]HDA recycle structure [ , 31: ( ).]After J.M. Douglas, AlChE J 353 1985

Purge

Benzene

Diphenyl

H , CH2 4

Toluene

H , CH2 4

[b]HDA input-output structure. [ , 31: ( ).]After J.M. Douglas, AlChE J 353 1985

Figura Nº8