UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ

FACULTAD DE INGENIERÍA METALÚRGICA Y DE MATERIALES

INGENIERÍA DE PROCESOS

Evaluación de la Materia

Primer Bimestre

ACTIVIDAD PUNTOS

Examen Bimestral 12

Deberes 2

TalleresInteracción en el EVA

2

Proyecto de Diseño 4

Total 20

1.1. Introducción

En qué consiste el diseño de procesos

• Conjugar ideas y conocimientos para lograr un determinado objetivo.

• Considerar las restricciones externas e internas al proyecto.

1.2. Naturaleza del Diseño

• Restricciones del diseñoRecursos

Leyes físicas

Est

ánda

res

y có

digo

sControl gubernamental

Reg

ulac

ione

s de

segu

ridad

Restricciones

económicas

Selección del proceso

Mét

odos

Tiempo

Condición

del proceso

Mat

eria

les

Personal

Diseño plausibles

Diseños posibles

1.2. Naturaleza del Diseño

• Proceso de DiseñoObjetivo

(Especificaciones de diseño)

• Recolección de datos• Propiedades físicas• Métodos de diseño

Generación de posibles diseños

Selección y Evaluación(optimización)

Diseño final

1.3. Anatomía de procesos químicos

Subproductos

VentaAlmacenamiento del producto

Separación del producto

Almacenamiento (materia prima)

Preparación de alimentación Reacción

Purificación del producto

Recirculación del material que no ha reaccionado

Residuos

Etapa I

Etapa II

Etapa III Etapa IV Etapa V Etapa VI

Selección entre procesos continuos y batch

Proceso Continuo:

• Tasa de producción mayor a 5 x 106 kg/h

• Un único producto• No existen severas

limitaciones• Buen periodo de vida del

catalizador• El proceso es conocido• Mercado establecido

Proceso Batch

• Tasa de producción menor a 5 x 106 kg/h

• Especificaciones del producto

• Severas limitaciones

• Corto periodo de vida del catalizador

• El producto es nuevo

• Incertidumbre en el diseño

1.4. Organización para proyectos

Fase I: Diseño de proceso

• Selección de proceso

• Diagramas de flujo

• Selección, especificación y diseño de equipos

• Diagramas de tubería e instrumentación

Fase II: Diseño mecánico

• Diseño detallado de equipos

• Diseño estructural, civil y eléctrico

• Especificación y diseño de equipos auxiliares

Sección de Proceso:•Evaluación del proceso•Diagrama de flujo•Especificaciones del equipo

Sección de Construcción:•Construcción•Puesta en marcha

Sección de Especialistas del diseño: Tanques, Instrumentación y control, Compresores, bombas, turbinas, obras civiles, utilidades, intercambiadores de calor.

Sección de Planificación:•Estimación•Inspección•Planificación

Director del

proyecto

1.5. Documentación del proyecto

La documentación incluirá:1. Correspondencia general entre el grupo de diseño y:

departamento de gobierno, vendedores de equipos, personal, cliente.

2. Hojas de cálculo: cálculos de diseño, costos.

3. Dibujos: diagramas de flujo, diagramas P&I, planos de ubicación, detalles de equipo, diagramas de tuberías, dibujo arquitectónico.

4. Hojas de especificaciones para equipos, tal como:

intercambiadores de calorbombas

5. Ordenes de compra:

cotizacionesfacturas

1.6. Códigos y estándares

1. Materiales, propiedades y composición

2. Procedimientos de ensayo para rendimiento, composición y calidad.

3. Tamaños estándar: por ejemplo, tubos, platos, secciones.

4. Métodos de diseño, inspección, fabricación.

5. Códigos de práctica, para operación y seguridad de plantas.

1.7. Factores de diseño

• El diseño es un arte inexacto.

• Existirán errores e incertidumbres en las propiedades físicas y las aproximaciones realizadas para los cálculos de diseño.

• La magnitud del flujo de las corrientes de proceso calculadas a partir de los balances de materia son incrementados en un factor del 10 % para dar flexibilidad en la operación del proceso.

1.8. Sistema de Unidades

• Diversidad de unidades

• Ser coherentes con las unidades

• Tablas de conversión

1.9. Grados de libertad

• La unidad de diseño

Corriente de Entrada

Corriente de Salida

Método de Cálculo

Información de Entrada

Información de Salida

Grados de libertad• La diferencia entre el número de variables involucradas en un diseño y el

número de relaciones de diseño, se denomina grados de libertad. Si Nv, representa el número de variables en un problema de diseño, Nr el número de relaciones de diseño, entonces los grados de libertad Nd están dados por:

Nd= Nv - Nr

• Nd es el número de variables que se debe manejar para encontrar el mejor diseño.

• Si Nv = Nr, Nd = 0 ; el problema tiene solución única.

• Si Nv < Nr, Nd < 0 ; el problema es sobredefinido, únicamente es posible un solución trivial.

• Si Nv > Nr, Nd > 0 ; hay un número infinito de posibles soluciones.

Ejercicios de aplicación• Ejercicio 1.1: Calcular los grados de libertad de una corriente de

proceso de una sola fase de C componentes.

• Ejercicio 1.2: Calcular los grados de libertad en un proceso de

destilación flash.

Destilación flash

V-3

F1, P1, T1, (xi)1

F2, P2, T2, (xi)2

F3, P3, T3, (xi)3

Q

F, T, P, Xi

Ejercicio 1.3. Considerar los siguientes procesos típicos representados por sus respectivas figuras, y para cada uno plantear la pregunta: ¿Cuántas variables es necesario especificar? [es decir, ¿Cuántos grados de libertad hay?] para que la resolución de los balances de materia y de energía combinados esté determinado. Todos los procesos serán en estado estacionario, y las corrientes que entran y salen están en una sola fase.

a. Divisor de corriente: Suponer que Q = W = 0, y que en el proceso no interviene el balance de energía. Implícito en el divisor está el hecho de que las temperaturas, presiones y composiciones de las corrientes de entrada y de salida son idénticas.

b. Mezclador: Para este proceso suponer que W = 0, pero no Q.

c. Intercambiador de calor

Mezclador

Z1

T1

ρ1

Z2

T2

ρ2

Z3

T3

ρ3

Q

E-2

T-1 T-2

C-1

C-2

Q

d. Bomba: Suponer que Q=0

Bomba

P-1

P-2

Ejercicio 1.5. Grados de libertad cuando ocurre una reacción en el sistema. Una reacción clásica para producir H2 es la llamada reacción de “desplazamiento de agua”: CO + H20 ↔ CO2 + H2

La figura muestra los datos del proceso y la información conocida. ¿Cuántos grados de libertad quedan por satisfacer? Por sencillez, suponga que la temperatura y la presión de todas las corrientes que entran y salen son iguales y que todas las corrientes son gases. La cantidad de agua en exceso de la requerida para convertir todo el CO a CO2, está previamente determinada.

E-1

P-1

P-2

CO+H2O↔CO2+H2

xCO2=0.02xCO=0.2xN2=0.78F1=100

xH2=0.5xCO=0.5F2

P-4

XN2

xH2

xCO

xCO2

xH2O

P

P-5

WxH2O=1

Q

Ejercicio 1.6 Se produce amoniaco por reacción de N2 y H2:N2 + 3H2 → 2NH3

La figura muestra un diagrama de flujo simplificado. Todas las unidades excepto el separador y las tuberías son adiabáticas. El amoniaco líquido producido está prácticamente libre de N2, H2 y Ar. Suponga que el gas de purgado está libre de NH3. Considere que el proceso está formado por cuatro unidades individuales para un análisis de grados de libertad, y luego quite las variables redundantes y agregue las restricciones redundantes a fin de obtener los grados de libertad del proceso global. La fracción de conversión en el reactor es del 25%.

F50 ºC, 100 atmAlimentación nueva

Reactor

Separador

Divisor

2

Mezclador

1

4

3

NH3-50 ºC, líquido saturado100 atm

P50 ºC

Gas purga

Q

H2

N2

Ar

VNH3

N2

H2

Ar

N2

H2

Ar

Q=0

Deber # 1

Libro Guía: Sección 1.13

– Ejercicio 1.5.– Ejecicio 1.8.