MÓDULO 8 – N i vel III

2. MÓDULO 8 – Nivel III Introducción a la Integración de Procesos

3. Estrcutura 1. Introducción 2. Fundamentos 3. Caso de Estudio 4. Problema Propuesto-Resuelto (Open-Ended) 5. Logros 6. Referencias

4. TIER I

5. 1. Introducción

6. 1. Introducción “Haz tu mejor esfuerzo; luego trata el resto” Fuente : Pollution Prevention through Process Integration, M. M. El-Halwagi

7. 1. Introducción La contaminación es un problema de preocupación general que ha sido atacado de diferentes maneras, desde el control de no-contaminación, tratamiento al final de la tubería (1970’s), implementación del Reuso/Reciclo (1980’s) hasta la Integración de procesos Pollution. Este módulo se enfoca a la exposición de las herramientas de I.P. para la reducciín/eliminación de la contaminación

8. 1. Introducción ¿Qué es Integración de Procesos? “Es un enfoque holístico del diseño de procesos, modernización (retrofitting) y operación que hace énfasis en la unidad del proceso” Source : Pollution Prevention through Process Integration, M. M. El-Halwagi

9. 1. Introducción El uso de los métodos de I.P. comenzaron a principios de lo 70’s con la Tecnología Pinch (Integración de Calor) para optimizar las redes de intercambio de calor (HEN). La fuerza impulsora para la integración de masa fue inicialmente el control de contaminación; El-Halwagi y Manousiouthakis (1989) propusieron el uso de las redes de intercambio de masa (MEN) en analogía a las HEN estudiadas anteriormente. Las herramientas de I.P. pueden ser usadas en una gran variedad de industrias y con enfoques tan ampios como aquellos que involucran la distribución del producto, evaluación del ciclo de vida, etc. (actualmente existen investigaciones en éstas y otras áreas)

10. 2. Fundamentos

11. 2. Fundamentos 2.1. Enfoque holístico de la integración de procesos 2.2. Relación de la integración de procesos con el análisis de proceso 2.3. Generalidades de la integración de energía, masa y propiedades

12. 2. Fundamentos 2.1 Enfoque holístico de la Integración de Procesos Holístico:Enfatizando la importancia del “todo” y la interdependencia de sus partes. Enfocándose a los “enteros” en lugar de analizar las partes Heurístico:De o constituido por un método educacional en el cual el aprendizaje se lleva a cabo por descubrimientos que resultan por investigaciones hechas por el estudiante Fuente : http://dictionary.reference.com

13. 2. Fundamentos 2.1 Enfoque Holístico de la Integración de Procesos La Integración de Procesos puede abarcar un amplio grupo de problemas de diseño como: Uso eficiente de recursos y materias primas Eliminación de los cuellos de botella de proceso Uso eficiente de Energía Reducción de Costos Reucción de contaminación Otro problemas de operación de procesos

14. 2. Fundamentos 2.1 Enfoque Holístico de la Integración de Procesos • El diseño Tradicional de procesos ha sido abarcado por los métodos heurísticos, basado en la experiencia o las preferencias corporativas, en que el equipo de operaciones unitarias es diseñado individualmente. • Sin embargo se ha prestado poca atención a las relaciones con otras partes del proceso • La Integración de Procesos como un enfoque holístico, examina la Gran Pintura y las relaciones entre las diferentes operaciones y equipos alternativos

15. 2. Fundamentos 2.1 Enfoque Holístico de la Integración de Procesos Para ilustrar como la Integración de Procesos (IP) puede ayudar en el diseño de procesos, un ejemplo ilustrativo es dado. Tenemos 3 opciones de reactor químico para producir un producto químico, las opciones de las que eligiremos son: Fuente : www.aiche.org/cep/ July 2001

16. 2. Fundamentos 2.1 Enfoque Holístico de la Integración de Procesos Usando un enfoque holístico, la “mejor” opción será un recipiente agitado mecánicamente que produce una eficiencia de 73.9% con un volumen de 12 m3; sin embargo ¿hay alguna otra manera de mejorar el proceso?

17. 2. Fundamentos 2.1 Enfoque Holístico de la Integración de Procesos Dos diseños basados en la misma solución Fuente : www.aiche.org/cep/ July 2001

18. 2. Fundamentos 2.1 Enfoque Holístico de la Integración de Procesos Al usar herramientas de IP la siguiente solución fue encontrada, 96.9% de eficiencia y 9.93m3 de volumen. Dos diseños basados en esta solución son mostrados a continuación; los beneficiones de usar las herramientas de IP son evidentes. Sin embargo, un análisis profundo del resultado del problema debe ser llevado a cabo para encontrar un diseño factible basado en los descubrimientos obtenidos usando un enfoque de IP Fuente : www.aiche.org/cep/ July 2001

19. 2. Fundamentos 2.2. Relación de la Integración de Procesos con el Análisis del Proceso • Con la finalidad de encontrar soluciones que incluyan la relación de los efectos entre las diferentes opciones para una determinada tarea de diseño, el ingeniero debe usar la I.P. para encontrar las respuestas óptimas, por lo tanto las herramientas de I.P. deben ser incluídas en la estructura de diseño del proceso. Seider, Seader y Lewin ilustraron esto como se muestra en las siguientes diapositivas, para una descripción completa de los pasos de diseño, referido a los autores mencionados anteriormente • El diseño de procesos es dinámico, estando siempre seguros de que las soluciones concordarán con las restricciones de los accionistas (administración, agencias gubernamentales, grupos ambientalistas, público en general) y del proceso mismo

20. 2. Fundamentos 2.2. Relación de la Integración de Procesos con el Análisis del Proceso Análisis del Proceso “Análisis de los elementos individuales para estudio del desempeño individual, usando modelos matemáticos y simuladores por computadora” Source : Pollution Prevention through Process Integration, M. M. El-Halwagi

21. 2. Fundamentos 2.2. Relación de la Integración de Procesos con el Análisis del Proceso Evaluación del Problema (Definir los objetivos del diseño basados en la identificación de oportunidades) Búsqueda Litetraria (Identificar todas las fuentes de información útil para el diseño del proceso, e.g. Manuales etc) Situación/Oportunidad Actual (e.g. desarrollo de una nueva tecnología, etc) Selección de Equipos (Evaluar diferentes opciones para el proceso dado usando simuladores de proceso, hojas de cálculo, softwares, etc) Elaboración Prelimianr de la Base de datos (Datos termodinámico, Cinética, toxicidad, etc) Síntesis Preliminar de Procesos, reacciones, separaciones, cambios de operación T-P, integración de tareas Parte I Fuente : Product and Process Design Principles : Synthesis, Analysis, and Evaluation W D. SeiderJ. D. Seader, D.R. Lewin

22. ¿La ganancia es favorable? 2. Fundamentos 2.2. Relación de la Integración de Procesos con el Análisis del Proceso No Selección de Equipos (Evaluar diferentes opciones para un proceso dado usando simuladores de proceso, hojas de cálculo, softwares, etc) Rechazo Sí Parte I a Parte II Parte IV Fuente : Product and Process Design Principles : Synthesis, Analysis, and Evaluation W D. SeiderJ. D. Seader, D.R. Lewin

23. 2. Fundamentos Generación del Diagrama de Flujo Tren de Síntesis de Separación Integración de Procesos Síntesis Cualitativa Análisis de la Segunda Ley Crear una Base de Datos Detallada Prueba en Planta Piloto. Modificar Diagrama de Flujo Preparación de la Simulación del Modelo Análisis de Control del Diagrama de Flujo Integración de Calor y Energía Parte I a Simulación Dinámica Parte II No Sí Parte VI ¿Todavía es prometedor el proceso? Ir a I o I a Parte III Fuente : Product and Process Design Principles : Synthesis, Analysis, and Evaluation W D. SeiderJ. D. Seader, D.R. Lewin

24. 2. Fundamentos 2.2. Relación de la Integración de Procesos con el Análisis del Proceso Parte I or I a Diseño de Detalle, Escalamiento de Equipos, Estimación de Costos, Análisis de Ganancia, Optimización Parte IV Sí ¿Es prometedor el proceso? Evaluación de Arranque (Equipo Adicional, Simulación Dinámica) No Parte III Rechazo Confiabilidad y Análisis de Seguridad (HAZOP, Prueba de la Planta Piloto, etc) No ¿Es el proceso costeable? Sí Operación Reporte Escrito, Presentación Diseño Final (P&ID, Bids etc) Arranque Construcción Parte IV Fuente : Product and Process Design Principles : Synthesis, Analysis, and Evaluation W D. SeiderJ. D. Seader, D.R. Lewin

25. 2. Fundamentos 2.2. Relación de la Integración de Procesos con el Análisis del Proceso Diseñar una planta nueva, modernizar (retrofitting) una existente, requiere de varias operaciones y para cada operación se pueden elegir diferentes equipos y configuraciones. El problema principal es que el número de alternativas puede ser in-manejable. Si sólo se usan las heurísticas para el diseño, el ingeniero se arriesga a perder la solución óptima real del problema de diseño. Además, una solución de diseño para un cierto problema no se puede usar para otro diferente, ya que las restricciones son específicas de cada problema. Usando el enfoque de I.P, es posible evitar esta situación, ya que su metodología puede ser aplicada a cualquier problema. La metodología de IP está compuesta por tres componentes

26. 2. Fundamentos 2.2. Relación de la Integración de Procesos con el Análisis del Proceso Define las unidades de proceso y cómo deben ser interconetadas Síntesis de Proceso Análisis de los elementos del proceso para el estudio del desempeño individual Integración de Procesos Análisis del Proceso Minimizar o maximizar una función deseada, para encontrar la mejor opción Optimización del Proceso

27. 2. Fundamentos 2.2. Relación de la Integración de Procesos con el Análisis del Proceso $ Impacto Como se ha visto, el análisis del proceso es un paso dentro de la metodología de I.P. Es importante enfatizar que I.P. se enfocará a las generalidades en lugar de los detalles, y consecuentemente el diseñador puede analizar el desempeño de las soluciones para optimizar sus resultados. La siguiente gráfica ilustra el impacto de los pasos del proceso de diseño sobre el presupuesto. Elección preliminar de equipos Gastado Asignación Equipo requerido durante el diseño Desarrollo Diseño Diseño de Distribución Mecánica Construcción Arranuqe de Proceso Conceptual Detalle de la Planta de Detalle & Com.

28. 2. Fundamentos 2.3. Generalidades de la Integración de Masa, Energía y Propiedades Integración de Masa “Metodología sistemática que proporciona un entendimiento fundamental del flujo global de masa dentro del proceso y emplea este conocimiento holístico para identificar los objetivos (targets) de desempeño y optimizando la generación y seguimiento (routing) de especies a través del proceso” Fuente : Pollution Prevention through Process Integration, M. M. El-Halwagi

29. Intercambiador de Masa 2. Fundamentos 2.3. Generalidades de la Integración de Masa, Energía y Propiedades 2.3.1 Intercambiadores de Masa Corriente Pobre (ASM) Flujo: Lj Composición de Entrada xjin Composición de Salida yiout • Intercambiador de Masa: Un intercambiador de masa es cualquier unidad de contacto directo de trasnferencia de masa que emplea un ASM (Agente de Separación de Masa), para remover selectivamente ciertos componentes (e.g. Contaminantes) de una fase rica (e.g. corriente de desecho). El ASM debe ser parcial o totalmente inmiscible en la fase rica Corriente Rica (Desecho), Flujo: Gi Composición de Entrada yiin Composición de Salida xjout Fuente : Pollution Prevention through Process Integration, M. M. El-Halwagi

30. Soluto transferido a la fase pobre 2. Fundamentos 2.3. Generalidades de la Integración de Masa, Energía y Propiedades 2.3.1 Intercambiadores de Masa Fase Pobre Cuando dos fases están en contacto íntimo los solutos se distribuyen entre dos fases lo que ocaciona el agotamiento del soluto en la fase rica y el enriquecimiento de la fase pobre hasta que se alcanza el equilibrio. La diferencia en el potencial químico para el soluto es la fuerza impulsora para la transferencia de masa (diferencia de temperatura para la transferencia de calor, presión para el movimiento de un fluído, etc.) Fase Rica

31. 2. Fundamentos 2.3. Generalidades de la Integración de Masa, Energía y Propiedades 2.3.1. Intercambiadores de Masa El Intercambio de Masa involucra las siguientes operaciones: Sólo se considerarán operaciones a contra corriente debido a su alta eficiencia Stripping Adsorción Lixiviación Absorción Extracción Intercambio Iónico

32. Carbón Activado Carbón Activado Carbón Activado 2. Fundamentos 2.3. Generalidades de la Integración de Masa, Energía y Propiedades 2.3.1. Intercambiadores de Masa Adsorción: Separación del soluto de una corriente líquida o gaseosa por contacto entre la fase transportadora y pequeñas partículas sólidas porosas (adsorvente), esualmente acomodadas en un lecho empacado. El adsorbente puede ser regenerado por desorción usando un gas inerte, una corriente, etc. Fuente : Université d’Ottawa / University of Ottawa - Jules Thibault

33. 2. Fundamentos 2.3. Generalidades de la Integración de Masa, Energía y Propiedades 2.3.1. Intercambiadores de Masa Para seleccionar una columna de adsorción el diseñador debe elegir un adrsorvente conveniente para un soluto dado mediante la información apropiada de los isoteermas como se muestra en la gráfica para un conjunto de operaciones de proceso Fuente : Université d’Ottawa / University of Ottawa - Jules Thibault

34. 2. Fundamentos 2.3. Generalidades de la Integración de Masa, Energía y Propiedades 2.3.1. Intercambiadores de Masa Absorción: Se pone en contacto un solvente líquido con un gas que contiene el soluto a ser removido, tomando ventaja de la solubilidad preferencial del líquido. La absorción en reversa es llamada como stripping (separación de un soluto de un fase líquida usando una corriente gaseosa) Fuente : Université d’Ottawa / University of Ottawa - Jules Thibault

35. Región de una fase Punto de inflexión Línea de equilibrio Región de dos fases 2. Fundamentos 2.3. Generalidades de la Integración de Masa, Energía y Propiedades 2.3.1. Intercambiadores de Masa Extracción Líquida: Emplea un solvente líquido para remover un soluto de otro líquido usando la solubilidad preferencial al soluto en el ASM Fuente : Université d’Ottawa / University of Ottawa - Jules Thibault

36. Sólido Solvente 2. Fundamentos 2.3. Generalidades de la Integración de Masa, Energía y Propiedades 2.3.1. Intecambiadores de Masa Lixiviación: Separación selectiva de algunos constituyentes dentro de un sólido mediante el contacto de un solvente líquido Mezclado Suspensión acuosa (lechada) Solución de Sobreflujo Source : University of Ottawa - Jules Thibault

37. Ablandadores de agua Causante de impurezas de sarro 2. Fundamentos 2.3. Generalidades de la Integración de Masa, Energía y Propiedades 2.3.1. Intercambiadores de Masa Intercambio Iónico: Se usan resinas catiónicas/aniónicas para reemplazar los aniones indeseables de una fase líquida por iónes no peligrosos Fuente : Université d’Ottawa / University of Ottawa - Jules Thibault

38. 2. Fundamentos 2.3. Generalidades de la Integración de Masa, Energía y Propiedades 2.3.1. Intercambiadores de Masa Se usa el intercambiador de masa para generar un contacto apropiado de la fase pobre con la rica; existen dos categorías princiapales de unidades de intercambio de masa: • Multietapas (e.g. columnas de bandejas, mezcladores, etc.), que proveen contacto íntimo seguido por la separación de fases • Diferencial (e.g. columnas empacadas, torres de rocío (spary) y unidades agitadas mecánicamente), con contacto contínuo entre las fases sin separación intermedia ni re-contacto

39. 2. Fundamentos Mezcladores / Asentadores Múltiples Salida de ASM Salida de Fase liviana Columna de Bandejas Entrada de Fase pesada Concha Entrada de ASM Entrada de Desecho Bandeja Perforada Entrada de Fase liviana Contacto a Multietapas Salida de Fase Pesada Salida de Desechos

40. 2. Fundamentos Columna de Rocío Salida de Fase ligera Salida de Fase ligera Mezclador Entrada de Fase pesada Entrada de Fase pesada Contacto Diferencial / Continuos Salida de Fase pesada Entrada de Fase ligera Entrada de Fase ligera Salida de Fase pesada Mezclador Mecánicamente Agitado

41. Soluto en la fase rica (1) Función de distribución de equilibrio Máxima composición alcanzable en la fase pobre 2. Fundamentos 2.3. Generalidades de la Integración de Masa, Energía y Propiedades 2.3.1. Intercambiadores de Masa Equilibrio: Cuando una fase rica en un soluto se pone en contacto con una fase pobre se produce la transferencia del soluto a la fase pobre, también parte del soluto en la fase pobre se transfiere a la fase rica. Al principio la razón de soluto siendo transferido de la fase rica es meyor que la razón de transferencia de soluto de la fase pobre a la rica. Sin embargo, cuando la concentración de soluto en la fase pobre aumenta, la tranferencia hacia la fase rica tambien aumenta. Eventualmente la razón de transferencia de masa en ambas fases se hacen iguales y se alcanza el equilibrio Fuente : Pollution Prevention through Process Integration, M. M. El-Halwagi

42. (2) Presión parcial a T (3) Fracción mol del soluto en gas 2. Foundation Elements 2.3. Generalidades de la Integración de Masa, Energía y Propiedades 2.3.1. Intercambiadores de Masa En aplicaciones ambientales el ingeniero encontrará, muy seguido, sistemas diluidos que pueden ser linealizados sobre un rango de operación: Casos especiales, Ley de Raoult para absorción Fracción mol del soluto en líquido Fuente : Pollution Prevention through Process Integration, M. M. El-Halwagi

43. (4) (5) 2. Fundamentos 2.3. Generalidades de la Integración de Masa, Energía y Propiedades 2.3.1. Intercambiadores de Masa Ley de Henry para stripping Fracción mol del soluto en stripping gas Fracción mol del soluto en gas Solubilidad de la fase líquida de contaminante a temperatura T Fuente : Pollution Prevention through Process Integration, M. M. El-Halwagi

44. (6) 2. Fundamentos 2.3. Generalidades de la Integración de Masa, Energía y Propiedades 2.3.1. Intercambiadores de Masa Para extracción del solvente Composición del colvente Composición del contaminante en desecho líquido Coeficiente de Distribución Fuente : Pollution Prevention through Process Integration, M. M. El-Halwagi

45. 1 2 N-1 N (7) 2. Fundamentos Las siguientes relaciones son usadas para dimensionar los intercambiadores de tranferencia de masa multietapas: yi,N+1= yiin Gi yi,1= yiout yi,2 yi,N-1 yi,N yi,3 XJ,0= Xjin Lj XJ,1 XJ,2 XJ,N-2 XJ,N-1 XJ,N= XJout Balance Global de Masa: Fuente : Pollution Prevention through Process Integration, M. M. El-Halwagi

46. (9) (8) 2. Fundamentos 2.3. Generalidades de la Integración de Masa, Energía y Propiedades 2.3.1. Intercambiadores de Masa Rearreglando (7): La eq. (8) representa la línea de operación en el diagrama McCabe-Thiele: LJ / Gi yiin 1 Etapas Teóricas Línea de Operación 2 yiout Línea de Equilibrio xJin xJout

47. (10) (12) (11) 2. Fundamentos 2.3. Generalidades de la Integración de Masa, Energía y Propiedades 2.3.1. Intercambiadores de Masa • Tel número de etapas para una unidad multietapa puede ser calculado con las siguientes ecuaciones, siendo NTP el número de platos teóricos Fuente : Pollution Prevention through Process Integration, M. M. El-Halwagi

48. (13) Cuando el tiempo de contacto para cada estapa no es sificiente para alcanzar el equilibrio, el número de platos actuales (NAP) puede calcularse usando la eficiencia de contacto (14) La eficiencia de etapa puede definirse en la fase rica o pobre, para la fase rica tenemos: 2. Fundamentos Fuente : Pollution Prevention through Process Integration, M. M. El-Halwagi

49. (15) Para intercambiadores diferenciales (continuos) de masa, la altura se calcula usando: (16) (17) 2. Fundamentos Basados en la fase rica Basedos en la fase pobre Fuente : Pollution Prevention through Process Integration, M. M. El-Halwagi

50. (18) (19) 2. Fundamentos Para intercambiadores de masa con equilibrio linear: Fuente : Pollution Prevention through Process Integration, M. M. El-Halwagi