CAPITULO II

PAGE DISEO DE PROCESOS

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PRESENTACION

Alguien dijo una vez: Los cientficos hacen que se conozcan las cosas; el ingeniero hace que las cosas funcionen.

En esta poca moderna de competencia industrial, un exitoso ingeniero qumico necesita ms que un conocimiento y comprensin de las ciencias fundamentales y las materias relacionadas a la ingeniera tales como la termodinmica, cintica de reacciones y computacin. El ingeniero debe tener tambin la habilidad para aplicar estos conocimientos a situaciones practicas con el propsito de lograr algo que sea benfico para la sociedad. Sin embargo, al hacer estas aplicaciones, el ingeniero qumico debe admitir las implicancias econmicas que estarn incluidas y proceder acertadamente.

El diseo de nuevas plantas qumicas y la expansin o revisin de otras existentes, requiere el uso de principios de ingeniera y teoras combinadas con una realizacin prctica dentro de los lmites impuestos por condiciones industriales. El desarrollo de una nueva planta de procesos desde la evaluacin del concepto hasta una provechosa realidad es frecuentemente un problema grande y complejo.

Los trabajos de diseo en ingeniera qumica, adems del conocimiento requieren de la experiencia y del sentido comn para usar adecuadamente los datos disponibles sobre un caso particular ya que la ausencia de informacin, muchas veces limita la continuacin de un diseo.

Los diseos a su vez deben hacerse con la mayor exactitud posible, en un diseo no se deben hacer asunciones ya que estas unidas a los factores de diseo dan doble error, adems de no tener la seguridad sobre la exactitud de los resultados.

En el presente texto se trata de dar una visin global sobre el diseo en ingeniera qumica, el cual comienza con la concepcin de la idea y termina en la optimizacin del proceso de produccin, as el xito o el fracaso muchas veces depender de la manera como se transite esta ruta.

CAPITULO

1

INTRODUCCION AL DISEOLa responsabilidad principal del ingeniero qumico es el diseo, construccin, y operacin de plantas qumicas. En esta responsabilidad el ingeniero debe buscar continuamente informacin especializada, la misma que esta dispersa en numerosas fuentes, incluyendo publicaciones recientes, datos de laboratorio, planta piloto y operacin de plantas existentes. La recoleccin y el anlisis de toda la informacin pertinente son de gran importancia para los ingenieros qumicos, como para consultores, o supervisores de un equipo encargado de desarrollar procesos o revisar los existentes.

1.1. NATURALEZA DEL DISEO

Esta seccin es en general, un poco filosfica, la discusin del diseo de procesos y como trabaja un diseista. La materia de este libro es el diseo de ingeniera qumica, pero la metodologa del diseo descrita en esta seccin, se aplica igualmente a otras ramas de la ingeniera.

El diseo es una actividad creativa y como tal puede ser una de las ms gratificantes y satisfactorias actividades emprendidas por un ingeniero. En sntesis, es la coordinacin de ideas para llevar a cabo un proyecto deseado. El diseo no existe al inicio del proyecto. El diseista lo inicia con un objetivo especfico en mente, una necesidad, y por el desarrollo y evaluacin de posibles diseos, arriba al cual, l considera como el mejor camino para llegar al objetivo.

1.2. EL OBJETIVO DEL DISEO (LA NECESIDAD)

Chaddock (1975), defini al diseo como La conversin de un requerimiento indefinido en una costumbre satisfecha. El diseista crea un diseo para un artculo, o un proceso de manufactura, para colmar una necesidad particular. En el diseo de un proceso qumico, la necesidad puede ser la necesidad pblica por un producto o la oportunidad comercial de la empresa. Dentro del conjunto de objetivos, el diseista deber reconocer los objetivos; los requerimientos de varias unidades que hagan el proceso total.

Al iniciar el trabajo el diseista sabr como completarlo, para lo cual deber hacer una exposicin de los requerimientos segn sea posible. Si el requerimiento (necesidad) surge de afuera del grupo de diseo, desde un cliente o desde otro departamento, entonces l tendr que dilucidar los reales requerimientos. Esto es importante para discernir entre las necesidades reales y las exigidas. Las exigencias son aquellas partes de la especificacin inicial que pueden ser idealmente deseables, pero pueden ser modificadas conforme el desarrollo del diseo lo requiera. Por ejemplo la especificacin de un producto en particular puede ser considerada deseable por el departamento de ventas, pero puede ser dificultoso y costoso obtenerlo, y alguna modificacin de las especificaciones puede ser posible, obtenindose un producto barato y vendible. Donde quiera que l est en una posicin de decidirlo as, el diseista debera siempre debatir los requerimientos del diseo (el proyecto y especificaciones de equipo) y mantenerlos en revisin conforme progrese el diseo.

1.3. RESTRICCIONES AL DISEO

Cuando se consideran posibles caminos para llegar al objetivo, el diseista deber considerar muchos factores, los cuales delimitarn el nmero de posibles soluciones, pero, raramente habr solo una solucin al problema (solo un diseo). Posiblemente se debern considerar varios caminos alternativos para llegar al objetivo, varios diseos sern buenos, dependiendo de la naturaleza de las restricciones.

Fig. 1.1 Restricciones del Diseo

Estas restricciones en las posibles soluciones a un problema de diseo, aparecern en muchos caminos. Algunas restricciones sern fijas, invariables, tal como aquellas que surgen de las leyes fsicas, regulaciones gubernamentales, y estandarizaciones. Otras sern menos rgidas, y sern factibles de variacin por el diseista como parte de su estrategia general en la bsqueda del mejor diseo. Las restricciones que estn fuera de la influencia del diseista pueden denominarse como factores o restricciones externas. Estas fijan los lmites externos de los posibles diseos como muestra la figura 1.1.

Dentro de estos lmites, habr un nmero de diseos posibles limitados por otras restricciones, las restricciones internas, sobre las cuales, el diseista tendr algn control; tal como cambio de proceso, cambio de condiciones de operacin, materiales, equipos, etc.

1.4. CODIGOS Y NORMALIZACIONES

La necesidad para normalizar (estandarizar) surge primero en la evolucin de la moderna Ingeniera Industrial, Whitworth introdujo el primer tornillo estndar para dar una medida de intercambiabilidad entre diferentes fabricantes en 1841. La moderna normalizacin de ingeniera abarca ms all que el intercambio de partes. En la prctica sta abarca:

1. Propiedades y composiciones de los materiales

2. Procedimientos para examinar operaciones, composiciones y calidad

3. Tamaos preferidos; por ejemplo, tubos, placas secciones.

4. Mtodos de diseo, inspeccin y fabricacin

5. Cdigos de prctica para operacin y proteccin de planta.

Todos los pases desarrollados y muchos de los pases en desarrollo, tienen su organizacin nacional de Normalizacin, responsable de la emisin y mantenimiento de las normalizaciones para la industria de manufactura, y para la proteccin de los consumidores. En el Per la preparacin y promulgacin de las normalizaciones nacionales es responsabilidad del Instituto Nacional de Normas Tcnicas (ITINTEC).

En Inglaterra es responsabilidad de la British Standard Intitution. En los Estados Unidos, la organizacin gubernamental responsable de coordinar informacin sobre normalizacin es la National Bureau of Standards, adems, existen otras organizaciones comerciales de inters para los Ingenieros Qumicos tales como la American National Standards Institute (ANSI), la American Petroleum Institute (API) y la American Society of Mechanical Engineers (ASME).

La International Organization for Standardisation (ISO) coordina la publicacin de Normalizacin Internacional.

Adems de varios cdigos y normalizaciones nacionales, una gran organizacin de diseo, deber tener su propia normalizacin. Muchos detalles en el trabajo de diseo en ingeniera son rutinarios y repetitivos, y esto ahorra tiempo y dinero, y proporciona una concordancia entre proyectos, si las normas de diseo son usadas cada vez que sea necesario.

Los fabricantes de equipo, tambin trabajan con normas establecidas para producir diseos normalizados y rangos de tamao para tems comnmente usados; tales como motores elctricos, bombas, tuberas y accesorios. Es claramente ms econmico producir un limitado rango de tamaos estndar que tener que tratar cada orden como un trabajo especial.

Para el diseista, el uso de un componente de tamao estandarizado, permitir una fcil integracin de las piezas de equipo en el resto de la planta. Por ejemplo si se especifica un tamao estndar de bombas centrifugas, sern conocidas las dimensiones de la bomba y esto facilita el diseo de las placas de asiento, conexin de las tuberas y la seleccin de los motores de impulsin; debiendo usarse motores elctricos estndares. Para una compaa en operacin, la estandarizacin de diseo de equipo, y tamao incrementa la intercambiabilidad y reduce el stock de reserva el cual tiene que estar en el almacn de mantenimiento.

Aunque hay considerablemente claras ventajas debido al uso de normalizaciones en el diseo, tambin hay algunas desventajas. Las normalizaciones imponen restricciones al diseista. Al seleccionar un tamao estndar en lugar del calculado, este no ser necesariamente el tamao ptimo, aunque el tamao estandarizado sea mas barato que un tamao especial, esto decide usualmente que la mejor eleccin sea desde el punto de vista del costo inicial.

1.5. FACTORES DE SEGURIDAD (FACTORES DE DISEO)

El diseo es un arte inexacto; errores e incertidumbres, provenientes desde la incertidumbre en los datos de diseo aprovechables y en las aproximaciones necesarias en los clculos de diseo. Para conseguir que las especificaciones de diseo sean satisfactorias, son incluidos factores para dar un margen de seguridad en el diseo; seguridad en el sentido que el equipo no salga de una operacin satisfactoria y que l deber operar con seguridad: sin originar peligro. Factores de Diseo es un mejor trmino a usar, as no se confunde seguridad y factores de operacin.

En diseo mecnico y estructural, la magnitud de los factores de diseo usados compensa la incertidumbre en las propiedades de los materiales, mtodos de diseo, cargas de fabricacin y operacin debern asimismo ser establecidas. La discusin de estos factores se hace con gran amplitud en los tpicos de Resistencia de materiales, Mecnica Analtica, Materiales de Ingeniera Qumica, etc.

Factores de diseo son tambin aplicados en el diseo de procesos para dar igual tolerancia en el diseo. Por ejemplo, los flujos promedio de las corrientes de proceso calculados sobre la base de los balances de materiales son usualmente incrementados por un factor, tpicamente 10 por ciento para dar alguna flexibilidad en la operacin del proceso. Este factor establecer los flujos mximos para el equipo, instrumentacin y diseo de tubera. En donde los factores de diseo son introducidos para salvar alguna contingencia en un diseo de procesos, estos deberan ser concordantes dentro de la organizacin del proyecto, y claramente indicados en los documentos del proyecto (dibujos, hojas de clculo y manuales). Si esto no se hace, hay un riesgo que cada uno de los especialistas de los grupos de diseo use su propio factor de seguridad, resultando un craso e innecesario sobrediseo.

1.6. SISTEMAS DE UNIDADES

En todos los pases industrializados hay la tendencia a la aceptacin del Sistema Internacional de Unidades o el llamado SI de unidades. Sin embargo, en la practica de los mtodos de diseo, los datos y normalizaciones los cuales el diseista deber usar son normalmente disponibles en las unidades tradicionales y cientficas. Los Ingenieros Qumicos han usado siempre una diversidad de unidades: los sistemas cientficos CGS y MKS, y los sistemas Americano e Ingles. Es ms conveniente para la industria de todo el mundo la adopcin de un sistema de unidades consistente y universal, tal como el SI, es improbable que esto ocurra en muchos aos, y el diseista tiene que trabajar con cualquier sistema, o combinacin de sistemas que use su organizacin.

Usualmente la mejor practica es hacer todos los clculos de diseo en las unidades en las cuales se va a presentar los resultados; pero, si es preferido trabajar en el SI de unidades, los datos pueden ser convertidos al SI de unidades, hacer los clculos, y convertir los resultados al sistema que sea requerido.

1.7. DISEO OPTIMO

En casi todos los casos encontrados por un Ingeniero Qumico, hay varios mtodos alternativos los cuales pueden ser usados para una operacin o un proceso dados. Por ejemplo, el formaldehdo puede ser producido por deshidrogenacin cataltica del metanol, por oxidacin controlada del gas natural, o por reaccin directa entre CO y H2 bajo condiciones especiales de catalizador, temperatura y presin. Cada uno de estos procesos contiene muchas alternativas posibles incluyendo variables tales como la composicin de una mezcla gaseosa, temperatura, presin y cambio de catalizador. Es responsabilidad del ingeniero qumico, en este caso, seleccionar el mejor proceso e incorporar las tcnicas de diseo de equipo las cuales den los mejores resultados

1.7.1 Diseo Econmico Optimo.

Si hay dos o ms alternativas para obtener exactamente resultados finales equivalentes, la alternativa preferida debera ser la que involucre el menor costo total. Esta es la base de un Diseo Econmico Optimo. Un ejemplo tpico de un diseo econmico optimo es determinar el dimetro de tubera a usar cuando se bombea una cantidad de fluido desde un punto hacia otro. Aqu el mismo resultado final (una cantidad determinada de fluido bombeado entre dos puntos dados) puede lograrse usando un numero infinito de tuberas de dimetros diferentes. Sin embargo, un anlisis econmico, mostrar que un dimetro particular de tubera dar el menor costo total. El costo total incluye el costo para bombear el liquido y los costos (cargas fijas) para la instalacin del sistema de tuberas.

Una representacin grfica mostrando el significado de un dimetro econmico optimo de tubera es la Fig. 1.2

Como se muestra en esta figura, los costos de bombeo se incrementan cuando disminuye el dimetro de la tubera debido a los efectos de friccin, mientras las cargas fijas para la lnea de tubera son menos cuando se usan pequeos dimetros de tubera debido a que se reduce la inversin de capital. El dimetro econmico optimo esta dado cuando la suma de los costos fijos de la lnea de tubera da un mnimo ya que este representa el menor costo total. En la Fig. 1.2, este punto es representado por E.

El ingeniero qumico muchas veces selecciona un diseo final sobre la base de las condiciones que den un menor costo total. En muchos casos, sin embargo, los diseos sern exactamente equivalentes. Es entonces necesario considerar la calidad del producto o la operacin as como el costo total.

0 E Dimetro: m Fig. 1.2. Determinacin del dimetro econmico optimo de tubera

1.7.2. Operacin Optima.

Muchos procesos requieren definir condiciones de temperatura, presin, tiempo de contacto, u otras variables si se desean obtener mejores resultados. Esto es muchas veces posibles al hacer una separacin de estas condiciones optimas de las consideraciones econmicas directas. En casos de este tipo, el mejor diseo es designado como el Diseo optimo de la operacin.

El ingeniero qumico debera recordar, sin embargo, que las consideraciones econmicas finalmente determinan casi todas las decisiones cuantitativas. Por lo tanto el diseo de una operacin optima es usualmente un simple instrumento o una etapa en el desarrollo de un diseo econmico optimo.

Un buen ejemplo de una operacin optima es la determinacin de las condiciones de operacin para la oxidacin cataltica de dixido de azufre a trixido de azufre. Suponga que todas las variables, tales como el tamao del convertidor, velocidad del gas, actividad del catalizador, y concentracin del gas de entrada, son fijas y solamente son posibles variaciones en la temperatura a la cual ocurre la oxidacin.

Si la temperatura es demasiado alta, el rendimiento de SO3 ser menor. Entonces habr una temperatura a la cual la cantidad de trixido de azufre formado sea mxima. Esta temperatura deber dar el diseo optimo de la operacin. La Fig. 1.3 representa un mtodo grfico para determinar la temperatura optima de la operacin para la conversin del dixido de azufre de este ejemplo. La lnea AB representa el mximo rendimiento obtenible cuando la velocidad de reaccin es controlada, en tanto que la lnea CD indica el rendimiento mximo sobre la base del control de las condiciones de equilibrio. El punto O representa la temperatura de operacin optima a la cual se obtiene el mximo rendimiento.

El ejemplo anterior es un simple caso de los que un ingeniero encontrar en un diseo. En realidad, usualmente ser necesario considerar varios tamaos de convertidores y operar con una serie de temperaturas diferentes en razn de llegar a la operacin optima. Bajo estas condiciones se debern aplicar varios diseos equivalentes y la decisin final debera estar basada en las condiciones econmicas optimas para los diseos equivalentes.

Fig. 1.3. Determinacin de la temperatura optima de operacin

en un convertidor de azufre.

1.8. DISEO ASISTIDO POR COMPUTADORA

El ingeniero qumico tiene muchas herramientas que puede usar para el desarrollo de un adecuado diseo de plantas. Muchos problemas encontrados en el desarrollo y diseo de procesos pueden ser resueltos rpidamente con un alto grado de perfeccin con el uso de computadoras de alta velocidad y al menor costo que con un calculador manual. Generalmente los factores de seguridad y sobrediseo, pueden reducirse con un ahorro sustancial en la inversin de capital.

En adicin al entendimiento de los principios de la ingeniera y economa, y sus aplicaciones, el ingeniero de diseo necesita usar herramientas especiales para hacer un gran nmero de clculos requeridos en un proyecto de diseo. Muchos de estos clculos son por naturaleza repetitivos y entonces son fcilmente adaptables a una solucin por computadora.

1.9. LOS PROYECTOS EN INGENIERIA QUIMICA

Los proyectos en ingeniera qumica, pueden ser divididos en tres tipos, dependiendo del grado de innovaciones involucradas:

1. Modificaciones y adiciones, a una planta existente, usualmente llevado a cabo por el grupo de diseo de la planta.

2. Nueva capacidad de produccin para responder a un cambio (aumento) en la demanda. Usualmente es una repeticin de los diseos existentes, solamente con cambios menores en el diseo.

3. Nuevos procesos, desarrollados desde la investigacin en el laboratorio, continuando por la planta piloto, hasta un proceso comercial. Aqu deben establecerse los diseos del proceso, de las operaciones y de casi todas las unidades de equipo.

1.9.1 Organizacin de un Proyecto en Ingeniera qumica.

El trabajo de diseo requerido en la ingeniera de un proceso qumico de manufactura, puede ser dividido en dos grandes fases:

Fase 1. - Diseo del proceso, abarcando las etapas desde la seleccin inicial del proceso hasta la confeccin del diagrama de flujo del proceso, incluyendo la seleccin, especificacin y diseo del equipo. En una organizacin de diseo, esta fase es responsabilidad del Grupo de Diseo de Procesos, y el trabajo debe ser realizado principalmente por Ingenieros Qumicos. El Grupo de Diseo de Procesos puede tambin ser responsable de la preparacin de los diagramas de tubera e instrumentacin.

Fase 2. - El diseo mecnico detallado del equipo; las estructuras del diseo civil y elctrico y el diseo y especificacin de los servicios auxiliares. Estas actividades sern de responsabilidad de grupos especiales de diseo, teniendo expertos en las diversas disciplinas de ingeniera. Otro grupo especialista ser responsable de la estimacin de costos, y la compra y obtencin de equipos y materiales.

La organizacin de un tpico grupo de proyecto se muestra en la Fig. 1.4. y la secuencia de los pasos en el diseo, construccin y puesta en marcha de una planta de procesos qumicos es mostrada en la Fig. 1.5.

El proyecto de diseo deber iniciarse con una especificacin clara, definiendo el producto, capacidad, materias primas, procesos y lugar de ubicacin. Si el proyecto se basa en un proceso y productos establecidos, debe hacerse una especificacin cabal antes de iniciar el proyecto. Para un producto nuevo la especificacin ser desarrollada por una evaluacin econmica de posibles procesos, basados en investigacin de laboratorio, pruebas de planta piloto e investigacin del mercado para el producto.

Fig. 1.4. Organizacin de un Grupo de Proyecto1.9.2. Documentacin del proyecto.Como muestra la Fig. 1.4 y descrita en la seccin 1.9.1, el diseo y construccin de un proyecto en ingeniera qumica requiere la cooperacin de muchos especialistas. La cooperacin efectiva depende del grado de comunicacin entre los diferentes grupos, toda organizacin de diseo tiene procedimientos formales para manipular informacin y documentacin del proyecto. La documentacin del proyecto incluir:

1.- Correspondencia general dentro del grupo de diseo y con:

Departamentos de administracin

Vendedores de equipo

Personal local

Clientes

2.- Hojas de clculo

Clculos de diseo

Costos3.- Dibujos

Diagramas de flujo (flowsheets)

Diagramas de tubera e instrumentacin

Diagramas de distribucin (planos)

Planos del lugar de ubicacin

Dibujos arquitectnicos

4.- Hojas de especificacin

Para equipo principal y auxiliar

5.- Ordenes de compra

Cotizaciones

Facturaciones

Hojas de clculo

El ingeniero de diseo debera desarrollar el habito de hacer los clculos de tal manera que puedan ser fcilmente entendidos y comprobados por otros. Es buena practica el incluir en los clculos las hojas de base de clculos, y cualquier asuncin y aproximacin hecha, con suficiente detalle sobre los mtodos, adems de la aritmtica, para ser verificados. Los clculos de diseo son dados normalmente en hojas estndar.

El encabezamiento en el tope de cada hoja deber incluir el ttulo del proyecto, nmero de identificacin y, las iniciales de la persona que verifica los clculos.

Dibujos

Todos los dibujos del proyecto son hechos normalmente en hojas especiales con el nombre de la compaa, ttulo y nmero del proyecto; ttulo del dibujo y nmero de identificacin, nombre del dibujante y persona que chequeo el dibujo, claramente colocados en un recuadro en la esquina inferior derecha. Tambin deben hacerse precisiones para anotar en el dibujo cualquier modificacin al texto inicial. Los dibujos deben confeccionarse con smbolos convencionales aceptados por las normas intencionales.

Hojas de especificaciones

Normalmente se usan hojas de especificaciones estndar para transmitir la informacin requerida para detallar el diseo o adquirir los equipos tales como intercambiadores, bombas, columnas, etc. La informacin debe ser presentada clara y sin ambigedades, para chequear las listas de equipo y verificar que toda la informacin requerida este incluida.

Manuales de proceso

Los manuales de proceso son frecuentemente preparados por el grupo de diseo de procesos para describir el proceso y las bases de diseo del mismo. Junto con los flowsheets, ellos proporcionan una descripcin tcnica del proceso.Manuales de operacin

Los manuales de operacin, dan las instrucciones pormenorizadas, paso a paso para la operacin del equipo de proceso. Ellos normalmente deberan ser preparados por el personal operativo de la Compaa, y debern usarse para la instruccin y adiestramiento de los operarios.

Fig. 1.5. Estructura de un Proyecto de Ingeniera Qumica

CAPITULO

2

CONCEPCION Y DEFINICION

DEL PROYECTOEl diseo de proyectos toma cierto nmero de formas. Los ejecutivos de un ingenio azucarero a partir de caa de azcar, por ejemplo, pueden sugerir al jefe de proyectos que evale las ganancias potenciales de la produccin de furfural a partir del bagazo. Tal vez el directorio de una compaa qumica solicite al departamento de ingeniera que evale los costos de manufactura para un producto prometedor que hasta el momento se obtiene a nivel de laboratorio.

En una operacin de procesamiento de alimentos, el gerente de la planta puede pedir una recomendacin sobre cmo reducir la demanda biolgica de oxgeno (BDO) de las aguas residuales. Las autoridades municipales pueden pedir a una compaa consultora que les ayude a resolver un problema de disposicin de desperdicios. Una compaa envasadora de gas natural licuado (LNG) puede buscar un mtodo para la recuperacin de energa criognica del LNG al mismo tiempo que reduce sus costos de operacin.

En muchos casos como los ejemplos del primer prrafo, se identifica un producto o un proceso; en otros casos, como en el segundo prrafo, se evala posibilidades. Dado este tipo de responsabilidades, esta primera etapa del proyecto puede terminarse parcialmente y luego bajo la direccin de un supervisor puede seguir desarrollndose a travs de una serie de discusiones entre el ingeniero y las dems personas a quienes les concierne el proyecto.

Un ingeniero debe conocer las bases y consideraciones que se van a emplear, la capacidad de la planta y el tiempo asignado al proyecto. Se debe definir la filosofa del mismo. Por ejemplo, Qu tan precisos deben ser los resultados?, Cuanta capacidad de produccin extra se desea?, Cuales son los posibles cambios que podra sufrir el diseo?, Debe llevarse al mnimo el capital inicial, o deber ser mayor para que se inicien las operaciones con menos dificultad?, Debern de emplearse materiales de construccin costosos para reducir la corrosin?, A cuanto ascenderan los costos para cubrir el mantenimiento?. Algunas de las respuestas sern obvias debido a experiencias pasadas, sin embargo, deben volverse a examinar algunos temas de concepcin y definicin en cada proyecto nuevo.

Muy a menudo se le pide al ingeniero que explore diferentes alternativas que le proporcionen una base para seleccionar la mejor. En muchos casos estas preguntas deben volver a tomarse en cuenta mas adelante en el proyecto cuando ya se tiene mas informacin

2.1. CONCEPCION Y DEFINICION DEL PROYECTO

La concepcin de un proyecto surge sobre la base de satisfacer una necesidad pblica o empresarial, esta necesidad puede satisfacerse con un bien o un servicio, lo cual define el tipo de proyecto a ejecutar.

Tratndose de proyectos industriales, stos generalmente estn orientados a producir bienes de consumo (productos); para satisfacer un aumento en la demanda, para lo cual se debe manufacturar un producto ya existente mediante el diseo e instalacin de una nueva planta o la ampliacin de una planta en actual operacin; otra razn es satisfacer una necesidad surgida en base a las condiciones de vida moderna o a las restricciones gubernamentales y/o sanitarias sobre ciertos productos, por ejemplo la necesidad de antibiticos para un nuevo tipo de bacteria o la sustitucin de un producto nocivo.

Las necesidades de la empresa pueden estar ligadas a la necesidad pblica como es el aumento en el consumo de un producto, o independientes de ella como es el caso de procesar los desechos contaminantes, la recuperacin de un material valioso, el procesamiento de un subproducto o la modernizacin de un proceso obsoleto.

En resumen podemos identificar como alternativas de un proyecto:

1- Manufacturar un producto ( existente o nuevo)

2- Aprovechar un recurso

3- Modificar un proceso actual

4- Tratamiento de un residuo, etc.

2.2. ELIMINACION DE POSIBILIDADES

Es extremadamente raro que para llegar a un objetivo exista una sola alternativa. El diseista inicia el proyecto con el establecimiento de todas las soluciones posibles limitadas por las restricciones externas, y por un proceso de evaluacin y seleccin, establecer los candidatos dentro de los cuales se encontrar la mejor alternativa para el propsito.

El proceso de seleccin puede considerarse que va a travs de las siguientes etapas:

1. Diseos posibles (estimados): dentro de las restricciones externas.2. Diseos Plausibles (factibles): dentro de las restricciones internas

3. Diseos probables: probables candidatos

4. Mejor Diseo (optimo): la mejor solucin al problema.

El proceso de seleccin se volver mas detallado y ms perfecto a medida que el diseo progrese, desde el rea de posible a probable solucin.

En la primera etapa, un basto (ordinario) discernimiento basado en el sentido comn, criterio ingenieril y evaluacin preliminar de costos usualmente ser suficiente. Por ejemplo no tomara muchos minutos para delimitar acerca de la eleccin de materias primas para la manufactura de amoniaco desde los posibles candidatos propuestos tales como madera, carbn, gas natural y petrleo; Para nuestro medio la eleccin entre petrleo y gas es la ms razonable, pero un estudio mas detallado debera ser necesario para escoger entre petrleo y gas. En la seleccin del mejor diseo desde los probables diseos, sern usualmente necesarios trabajos detallados de diseo y costos.

2.3. DEFINICION DE CAPACIDADESEn los pasos anteriores se ha definido el tipo de proyecto, se ha identificado la materia prima, los productos y los procesos posibles, an cuando puede haber varias opciones para evaluar.

El dimensionamiento de un proyecto puede darse sobre la base de:

1. Un estudio de mercado para el producto que se desea manufacturar.

2. Un anlisis de cantidad y calidad de los recursos naturales que se puedan aprovechar, tal como es el caso de una planta concentradora de minerales o una planta de tratamiento de gas.

3. Un anlisis de la cantidad y composicin de los subproductos y/o materiales de desecho de una planta, que deban ser procesados. Por ejemplo las escorias de una fundicin para producir cemento.

2.4. ESTUDIO DE MERCADOUna de las razones que conducen a la elaboracin de un proyecto es el estudio de mercado, por el cual se puede detectar y cuantificar la necesidad de producir determinado producto (bien o servicio), con la finalidad de satisfacer la necesidad de un mercado.

2.4.1. Conceptos fundamentales de Consumo, Demanda y Mercado

Consumo: Cantidad de productos (bienes y servicios) consumidos por el mercado en un determinado lapso de tiempo.

Consumo real: Si representa la cantidad exacta, verdaderamente consumida en ese lapso de tiempo.

Consumo aparente: Si en ese lapso de tiempo incorpora tambin las existencias.

Demanda: Cantidad estimada de un producto que un mercado puede consumir dentro de un tiempo futuro.

La primera etapa del estudio de mercado consiste en definir el producto que se va a manufacturar y luego definir claramente el universo del mercado al cual se va a dirigir la produccin. Al definir el producto a manufacturar se pueden presentar dos casos; el de manufacturar un producto totalmente nuevo (demanda potencial) o el de ampliar la produccin de un producto ya existente para satisfacer el aumento en el consumo.

La segunda etapa consiste en cuantificar la demanda para el producto definido con el fin de determinar la capacidad de produccin de la futura planta. El desarrollo de la estimacin se basa en procedimientos estadsticos y en el buen criterio del proyectista, teniendo en cuenta los siguientes aspectos:

Tipo de producto

Precio

Oferta de la competencia

Situacin macroeconoma del universo del mercado

Comercializacin

Etc.

Segn el universo del mercado (sistema), se puede desarrollar un balance de materiales para el producto P en cuestin y calcular el consumo aparente en lapsos de tiempo anuales.

LIMITES DEL MERCADO

IMPORTACION PRODUCCION EXPORTACION Pent Psal

Acumulacin = Entradas Salidas (2.1)

(Consumo aparente) = Importacin Exportacin + produccin

C = I - E + P (2.2)

La Ec. 2.2 tiene variaciones segn el tipo de producto:

a) Cuando el consumo es satisfecho por la produccin nacional ms las importaciones

C = I + P (2.3)

b) Cuando la produccin nacional abastece al mercado y, adems, queda un remanente para la exportacin.

P = C + E (2.4)

c) Cuando no hay produccin nacional, por lo que el consumo est satisfecho ntegramente por las importaciones. Este es el caso ms ventajoso para un proyecto industrial (para sustituir las importaciones).

C = I (2.5)

2.4.2. Fuentes de informacin.

La informacin sobre la importacin, exportacin y produccin se pueden obtener de las siguientes fuentes:

Agencias de ventas y mercadeo

Estadsticas propias de la empresa

Encuestas

Estadsticas oficiales

2.4.3. Anlisis del consumo

Se pueden considerar tres tipos de productos o bienes:

Productos finales (de consumo directo)

Insumos (intermedios)

Bienes de capital.

Este ltimo tipo se emplea para producir otros bienes, su tratamiento es especial y no se producen en la industria qumica.

Los insumos son productos que sirven para producir un producto final y las tcnicas de demanda empleadas son similares a los productos finales; se encuentran relacionados por el coeficiente tcnico del contenido de insumo en el producto final que puede cambiar segn los adelantos tecnolgicos.

El consumo de un producto es necesario llevarlo a un diagrama de una Serie Cronolgica en un diagrama de ejes coordenadas, que suministren para cada ao, en las abscisas, el valor del consumo y en la ordenada los aos respectivos. Se observan los puntos reales y su tendencia, si alguno de ellos est en notable desacuerdo con la tendencia del resto, se analiza si su valor representa en realidad una disminucin de la demanda (causa endgena), o depende de un factor o circunstancias extraas (causa exgena). Los factores de causa exgena que caen fuera del intervalo de confianza, no debern ser tomados en cuenta en el anlisis de la tendencia del consumo, la cual puede ser lineal o no lineal.

2.4.4. Proyeccin de la demandaLa proyeccin de la demanda necesita indagar en el pasado, a fin de evaluar el presente y proyectar la demanda para el futuro

La indagacin del pasado consiste en obtener un perfil de cmo fue el consumo en el mercado en estudio en funcin del tiempo, es decir, como ha evolucionado su importacin, exportacin y produccin.

El fundamento terico sobre el que se basa el pronostico de la demanda, es que en el futuro, y en promedio, se mantendrn los mismos efectos y causas que se manifestaron en el pasado, por lo tanto en el desarrollo de la Serie Cronolgica, es recomendable obtener un pasado de diez a quince aos anteriores a la fecha de estudio.

2.4.5. Resolucin analtica de la tendencia en el consumo

Consiste en encontrar la mejor lnea de ajuste para los datos de consumo en funcin del tiempo.

Si la tendencia es lineal, se utiliza el criterio de los mnimos cuadrados, el cual consiste en determinar la lnea que minimiza la suma de los cuadrados de las diferencias entre los valores reales y los estimados segn la ecuacin:

MC = (Ci - Ci* )2 (2.6)

donde: Ci = Consumo real para el ao i (dato)

C* = Consumo estimado segn la Ec. 2.6

De la ecuacin de una recta:

C = Co + B x (2.7)

y = A + B x (2.7b)

con lo cual la Ec. 2.6 se puede escribir:

MC = ( Y - A - BX )2 (2.8)

Matemticamente, la solucin se encuentra al resolver la forma diferenciada de la ecuacin de mnimos cuadrados (2.8).

(2.9)

(2.10)

donde: N = nmero de aos (datos)

A,B = parmetros propios de cada producto

Si el consumo se da en TM, las unidades de A sern TM y de B TM/ao (tasa de crecimiento).

Y

Valor real

C ( Consumo Pendiente = B A Valor estimado Aos XFig. 2.1 Variacin del consumo2.4.6. Medida de la precisin del ajuste

Es til para tener una referencia de la bondad del ajuste de los datos determinar algunos parmetros estadsticos.

La desviacin estndar:

(2.11)Si a cada punto y* de la lnea de tendencia se le suma y se le resta el valor de Sy, se obtienen lneas paralelas a la tendencia formndose una franja denominada intervalo de confianza, por lo menos 2/3 de los puntos reales debern estar contenidos en esta franja para aceptar o confiar en el ajuste desarrollado.

Correlacin del ajuste

Es necesario saber todo lo fuerte que o dbil es la relacin entre las variables independientes y dependientes, este parmetro se cuantifica con el factor de correlacin r.

(2.12)

Si los puntos observados o reales coinciden con los de la ecuacin, la correlacin r ser igual a 1 1. En la realidad los puntos se encuentran mas o menos alejados de la curva ajustada formando una nube de puntos alrededor de ella, si esta no tiene ninguna orientacin definida su correlacin ser igual a cero.

2.4.7. Caso de estudio.DETERMINACION DE LA CAPACIDAD DE UNA PLANTA:

El consumo de anilina en el Per ha experimentado la siguiente variacin:

AosConsumo: TM

19916580

19927200

19937930

19948450

19959000

19969200

19978870

19988690

19999200

20009500

Datos obtenidos en forma indirecta

USOS DE LA ANILINA

Isocianatos 52%

Gomas qumicas 28%

Colorantes e intermedios 4%

Fotografa 6%

Productos farmacuticos 3%

Otros 7% . 100%

Determinar la tasa de crecimiento para el consumo de anilina en el Per

Solucin

1. Asumiendo tendencia lineal :

Y = A + B X

A : Consumo estimado al inicio de la serie cronolgica

B : Tasa de crecimiento

Y : Consumo por ao

X : Aos de la serie cronolgica

2. Para las ecuaciones (2,9 ) y (2,10): AosXC:YX2X*Y

19910658000

19921720017200

199327930415860

199438450925350

1995490001636000

1996592002546000

1997688703653220

1998786904960830

1999892006473600

2000995008185500

SUMA4584620285403560

N : 10 datos

Reemplazando valores en las Ec. 2.9 y 2.10 se tiene:

84620 = 10 A + 45 B........................................................(I)

403560 = 45 A + 285 B................................................(II)

Resolviendo simultneamente las Ec. I y II se tiene:

A = 7220 TM

B = 276 TM/ ao

Por lo tanto el consumo de anilina en el per se ajusta al modelo:

Y = 7220 + 276 X

La forma anterior de encontrar la solucin solamente se ha expuesto con fines didcticos para ilustrar el mtodo de los mnimos cuadrados.

Para una solucin rpida se recomienda usar un paquete de clculo.

Usando POLYMAT obteniendo la siguiente solucin:

Linear Regression Report

Model: C02 = a0 + a1*C01 Variable Value 95% confidence

a0 7220 644.30242

a1 276 120.6889

Usando MATLAB

>> x=[0 1 2 3 4 5 6 7 8 9];

>> y=[6580 7200 7930 8450 9000 9200 8870 8690 9200 9500];

>> cl=polyfit(x,y,1);

>> disp(cl)

1.0e+003 *

0.2760 7.2200

Con lo cual:

y ~= 276x + 7220 La solucin se grfica en la Fig. 1.2

3.- La capacidad de la planta deber establecerse teniendo en cuenta:

Productos competitivos

Productores actuales y futuros

Tamao econmico mnimo y tamao mximo de plantas similares

Para este tipo de productos un tamao aceptable es de 12000 TM/ao (Ref. Construction Boxcore, Hydrocarbon Processing).

Fig. 2.2 Tendencia de la variacin del consumo de Anilina en el PerAo 0 = Inicio de la serie cronolgica 1991

CAPITULO

3DISEO DEL PROCESOGeneralmente un ingeniero de procesos tiene relacin en una de dos actividades; la construccin de una planta de manufactura (esto incluye la expansin, modificacin o mejora de una planta ya existente) o la decisin de construirla o no. En ambos casos se requieren habilidades similares, pero el dinero, el tiempo y la profundidad involucradas son mayores en la primera.

El diseo es un ejercicio en la creatividad e innovacin, pero siempre tiene presente que el objetivo del diseo de una Planta de procesos es: disear una planta capaz de producir un especfico o un rango de productos qumicos al tonelaje deseado y al precio correcto, tomando en cuenta restricciones tales como: tiempo, costo, presupuesto, pago de obligaciones, el mercado, las multas contractuales, seguridad de la unidad y a nivel de la planta, el impacto medioambiental, inmediato y futuro, las normas y cdigos de prctica, las regulaciones, las limitaciones fsicas y qumicas.

El diseo de procesos es por lo tanto un problema de optimizacin donde el desafo es poder lograr el objetivo del diseo en presencia de restricciones normalmente contradictorias.

Como resultado, el diseo final de la planta slo puede lograrse por procedimientos iterativos. En cada etapa del diseo, ser necesario recopilar datos e informacin pertinente, y para aplicar conocimiento de la ingeniera, sentido comn e innovacin.

Muchas veces pueden y deben tomarse decisiones subjetivas durante el diseo de un proceso. Cuales son los mejores mtodos para obtener informacin suficiente y aprovechable?. Cul es lo suficiente y cul es lo confiable?. Pueden algunas correlaciones de datos ser proyectadas, particularmente aquellas que permitan extrapolaciones ms valederas?.

Un ingeniero qumico, debe siempre estar dispuesto a considerar nuevos diseos. Un intento para entender los factores controlantes del proceso, sea qumicos o fsicos, ayudan a mejorar o sugerir nuevas tcnicas. Por ejemplo, considere el proceso comercial de nitracin aromtica y alquilacin de isobutano con olefinas para producir gasolinas de alto octanaje.

Ambas reacciones involucran dos fases liquidas inmiscibles y la transferencia de masa es esencialmente la etapa controlante de la velocidad.

Los nitro-aromticos son frecuentemente producidos con alta pureza (sobre 99%). Sin embargo, la alquilacin de isobutano involucra numerosas reacciones laterales que complican el proceso.

Un anlisis preliminar de los procesos alternativos puede muchas veces ser suficiente para seleccionar uno, otras veces ser necesario desarrollar los procesos, con las pruebas a nivel de laboratorio y hasta las corridas de planta piloto y en muchos casos ser necesario el diseo preliminar de los procesos para decidir cual es el ms rentable.

3.1. TIPOS DE DISEOS.Los mtodos para llevar a cabo un proyecto de diseo dependiendo del grado de exactitud y detalles requeridos pueden dividirse en:

1. Diseos preliminares o estimados rpidos

2. Diseos estimados detallados

3. Diseos exactos del proceso o diseos detallados

3.1.1. Diseo preliminar (o estimados rpidos)

Si se tiene disponible suficiente informacin, se puede desarrollar un diseo preliminar en conjuncin con los recursos preliminares disponibles. Los diseos preliminares, son ordinariamente usados como base para determinar si deben hacerse futuros trabajos acerca del proceso propuesto. El diseo, est basado en mtodos aproximados de seleccin de equipo y estimados preliminares de costos. Son incluidos pocos detalles y el tiempo empleado en los clculos es mnimo.

Al desarrollar un diseo preliminar, el ingeniero debe primero establecer un proceso de manufactura realizable para producir el producto deseado. Frecuentemente varios procesos alternativos o mtodos pueden estar disponibles para manufacturar el mismo producto. Excepto para aquellos procesos obviamente indeseables, cada mtodo debe ser tomado en consideracin.

El primer paso en la preparacin de un diseo preliminar es establecer las bases para el diseo. En adicin a las especificaciones conocidas para el producto y el aprovechamiento de materias primas, el diseo deber considerar detalles tales como el factor anual de operacin esperado (fraccin de ao que la planta deber estar en operacin), temperatura del agua de enfriamiento, presin del vapor disponible, combustible usado, crdito para los subproductos, etc. El siguiente paso consiste en la preparacin de un diagrama de flujo simplificado mostrando las etapas del proceso.

Un balance preliminar de materiales en este punto puede eliminar muy prontamente alguno de los casos alternativos. Caudales y condiciones de las corrientes para los restantes casos son luego evaluados por balances de materiales y energa completos, y un conocimiento de las especificaciones de las materias primas y productos, rendimientos velocidades de reaccin y tiempos de operacin.

As mismo, deber evaluarse la temperatura, presin y composicin de cada corriente de proceso. Las entalpas de las corrientes, porcentajes de vapor, liquido y slido, cargas de calor, etc.; son incluidas donde sea pertinente en el proceso. Esto servir para un diseo preliminar y especificacin de los equipos lo cual se presenta en forma de tablas en los reportes finales de diseo. Estas tablas generalmente incluyen lo siguiente:

1. Columnas (destilacin). En adicin al nmero de platos y condiciones de operacin, es tambin necesario especificar el dimetro de la columna, materiales de construccin, disposicin de los platos, etc.

2. Tanques y recipientes. En adicin al tamao, el cual est dado por el tiempo de residencia deseado, deben especificarse los materiales de construccin, tipo de revestimiento y sistema de agitacin.

3. Reactores. Tipo y tamao, tipo y dimensin del catalizador, dimensiones del lecho, sistemas de transferencia de calor, materiales de construccin, etc.

4. Intercambiadores de calor y hornos. Debe especificarse la carga de calor, la diferencia de temperatura media logartmica porcentaje vaporizado, cada de presin esperada y materiales de construccin.

5. Bombas y compresores. Especificar tipo, potencia requerida, diferencia de presiones, gravedad, viscosidad y presiones de operacin.

6. Instrumentos. Designando la funcin y cualquier requerimiento particular.

7. Equipo especial. Especificaciones de separadores mecnicos, mezcladores, secadores, etc.

Como se nota en el resumen, la seleccin de materiales est ntimamente ligada al diseo y seleccin del equipo necesario.

Tan pronto como el equipo necesario sea establecido, los servicios y la mano de obra requerida pueden ser determinados y tabulados. Estimados de la inversin de capital y el costo total del producto completan los clculos de diseo preliminar. La evaluacin econmica cumple una funcin importante en el diseo de cualquier proceso.

Esto es particularmente cierto no solo en la seleccin de un proceso especfico, cambio de materias primas, cambio en las condiciones de operacin; si no tambin en las especificaciones de equipo. La evaluacin de costos en el diseo preliminar es de gran ayuda para el ingeniero en ulteriores evaluaciones de alternativas.

La etapa final y de gran importancia en la preparacin de un tpico diseo de procesos, incluye la confeccin de los informes los cuales deben presentar los resultados del trabajo de diseo.

Finalmente es importante que el diseo preliminar sea llevado a cabo tan pronto como se tenga suficiente informacin del anlisis de factibilidad o del desarrollo del proceso. En este camino el diseo preliminar puede servir para eliminar un proyecto no prometedor antes de invertir grandes cantidades de tiempo y dinero.

3.1.2 Diseo de estimados detallados.El diseo preliminar y los trabajos de desarrollo del proceso dan los resultados necesarios para un diseo de estimados detallados. En este nivel se deben considerar los siguientes factores:

1. Proceso de manufactura

2. Balances de materia y energa

3. Rangos de temperatura y presin

4. Especificacin de materias primas y producto

5. Rendimientos, velocidades de reaccin y tiempos de operacin

6. Materiales de construccin

7. Servicios requeridos

8. Ubicacin de la planta

Cuando la informacin precedente se incluye en el diseo, se puede estimar adecuadamente la inversin de capital, costos de manufactura y beneficios potenciales.

3.1.3 Diseo exacto (o diseo detallado)

Un diseo slido (o detallado) puede prepararse para la adquisicin de equipo y construccin desde un diseo de estimados detallados. Se deben hacer planos detallados para la construccin de equipo espacial y preparar las especificaciones para la adquisicin de los equipos y materiales. Se debe preparar un plano completo de la distribucin de la planta y desarrollar los planos e instrucciones para la construccin. Se deben incluir diagramas de tuberas y otros detalles de construccin. Se deben hacer especificaciones para almacenes, laboratorios, guardiana, vestuarios, facilidades de transporte, etc. El diseo final del proceso debe ser desarrollado con el asesoramiento de personas experimentadas en varios campos de la ingeniera.

3.2 ETAPAS EN EL DISEO DE UN PROCESO

OBJETIVO

(Especificacin del diseo)

RECOLECCION DE DATOS

GENERACION DE POSIBLES

SOLUCIONESSELECCIN Y EVALUACION

(Optimizacin)DISEO FINAL

Fig. 3.1. Etapas en el diseo de un procesoEl desarrollo de un proyecto de diseo siempre comienza con una idea inicial o un plan, esta idea inicial, debe ser dada clara y concisamente como sea posible. En razn de definir el alcance del proyecto junto a la idea inicial.

La Fig. 3.1 muestra el diseo de un proyecto en ingeniera qumica como un proceso iterativo, a medida que se desarrolle el diseo el diseista se enterar de ms posibilidades y ms restricciones, y estar constantemente buscando nuevos datos y nuevas ideas, y evaluando las posibles soluciones al diseo hasta definir el mejor diseo, para luego pasar a la etapa de construccin y operacin.

3.2.1. Objetivo del diseo

Al emprender el diseo del proyecto, se debe tener definido el objetivo del mismo, esta definicin se discute ampliamente en el capitulo anterior. En resumen, esta definicin abarca:

Tipo de proyecto a ejecutar

Que producto se debe manufacturar

Cul debe ser la calidad (pureza) del producto

Cul ser la capacidad de la planta

Qu materias primas se van a usar y en que cantidad

Cul debe ser la rentabilidad mnima para el futuro proyecto.

Estos y otros puntos son los que en conjunto definen el proyecto que se debe disear, obviamente el objetivo principal es alcanzar una rentabilidad que satisfaga las expectativas de los inversionistas.

3.2.2 Recoleccin de datos

Para proceder con un diseo, el diseista debe primero recolectar toda la informacin necesaria, esta informacin debe incluir datos sobre los posibles procesos, funcionamiento de equipo y datos sobre propiedades fsicas. Esta etapa puede ser una de las ms frustrantes y que consuman mayor tiempo en aspectos de diseo.

Muchas organizaciones de diseo debern preparar una base manual de datos, conteniendo todos los procesos conocidos actualmente sobre los cuales deber basarse el diseo. La mayor parte de las organizaciones deben tener manuales especializados sobre diseo, prefiriendo mtodos y datos usados con mayor frecuencia, as, como tambin procedimientos rutinarios de diseo. Las estandarizaciones nacionales son tambin causa de los mtodos y datos de diseo, estas son las restricciones al diseo y deben ser identificadas claramente.

La siguiente es una lista de tems que deben considerarse para emprender el diseo de un proceso.

1. Materias primas (disponibilidad, cantidad, calidad, costo)

2. Termodinmica y cintica de las reacciones qumicas involucradas (equilibrio, rendimiento, velocidades, condiciones ptimas)

3. Servicios y equipo disponible en la actualidad

4. Servicios y equipos que deben ser comprados

5. Estimacin de costos de produccin e inversin total

6. Utilidades (probables y ptimas, por kg. de producto y por ao, retorno sobre la inversin)

7. Materiales de construccin

8. Consideraciones de seguridad

9. Mercados (oferta y demanda presente y futura, usos actuales, usos nuevos, hbitos presentes de los compradores, carcter, ubicacin y nmero de posibles consumidores)

10. Competencia (datos estadsticos de produccin total, comparacin de varios procesos de manufactura, especificaciones del producto de los competidores)

11. Propiedades de los productos (propiedades fsicas y qumicas, especificaciones, impurezas, efectos de almacenamiento)

12. Ventas y servicios de ventas (mtodos de venta y distribucin, propaganda requerida, servicios tcnicos requeridos)

13. Necesidad de recipientes y restricciones para el envo del producto

14. Localizacin de la planta

15. Situacin de la patente y restricciones legales.

Los ingenieros familiarizados con las revistas, en una disciplina dada a menudo encuentran informacin til en ellas. Una investigacin eficaz debe comenzar por la revisin del contenido de los nmeros ms recientes, trabajando hacia atrs cronolgicamente hasta encontrar y examinar los ndices anuales. La bibliografa de un buen artculo reciente debe contener referencias a la literatura anterior pertinente.

3.2.3 Generacin de posibles soluciones

La parte creativa del diseo de procesos es la generacin de posibles soluciones al problema (caminos para llegar al objetivo) por anlisis, evaluacin y seleccin. La recopilacin y anlisis de toda la informacin pertinente son de tal importancia ya que los ingenieros qumicos son frecuentemente consultores o asesores de un equipo el cual est desarrollando un proceso nuevo o revisando y perfeccionando uno ya existente.

En esta actividad el diseista debe contar con una amplia experiencia previa de l y el resto de su equipo. El trabajo y el costo para desarrollar nuevos procesos son usualmente inestimables.

Desarrollo del proceso

Si un anlisis inicial indica que la idea concebida anteriormente tiene posibilidades de convertirse en un proyecto prometedor se debe iniciar un programa preliminar de investigacin. Aqu, una inspeccin general de las posibilidades para un proceso satisfactorio es hecha, considerando los tratamientos fsicos y qumicos involucrados, as como tambin los aspectos econmicos. Enseguida viene la fase de desarrollo del proceso incluyendo experimentos en el mbito de laboratorio y presentacin de las muestras de producto final obtenido. Sin embargo, se ha dicho que en promedio slo 1 de cada 15 nuevos procesos propuestos, se construye realmente. De esta manera, es vital la sabidura en la etapa de decisin para evitar la prdida de dinero, por un lado, o la oportunidad por el otro. Tan pronto como sea posible es importante decidir si un proyecto promete o no. No solo los gastos de investigacin y de la planta piloto se desperdiciaran en una idea incapaz de subsistir, sino los costos de evaluacin en s crecen conforme el proyecto se acerca a su madurez.

Cuando la potencialidad del proyecto sea establecida claramente, el proyecto estar listo para la fase de desarrollo. En este punto, puede construirse una planta piloto o una planta comercial. Una planta piloto es una pequea replica a escala de la planta final, mientras que un desarrollo comercial de planta es usualmente hecho sobre la base de piezas dispersas de equipo las cuales han sido usadas anteriormente.

Datos de diseo e informacin de otros procesos son obtenidos durante la etapa de desarrollo. Esta informacin es usada para llevar a cabo las fases adicionales del proyecto de diseo. Tal informacin es obtenida de numerosas fuentes, incluyendo publicaciones recientes, operacin de plantas de proceso existentes y datos de laboratorio y planta piloto.

Diagramas de flujo

Para facilitar el procedimiento de diseo, es ideal la planificacin y esta es ayudada por el desarrollo del Diagrama de Flujo del Proceso (PFD),

El PFD describe la ruta del proceso, mostrando los flujos de material y energa entre aquellas unidades de proceso que constituyen la planta.

Despus de haber concebido, definido y asignado el problema, la solucin del mismo rara vez es obvia. Frecuentemente hay numerosas posibilidades y suposiciones potenciales. An con esta incertidumbre, en general es posible determinar un diagrama de flujo, esto conduce a suposiciones que pueden reducir la complejidad del problema. Al efectuar los balances de materia y energa, a menudo, se exponen las variables ms importantes del proceso. Es una manera eficiente de familiarizarse con el proceso. Se identifica donde falta informacin. Si se efecta y termina adecuadamente el diagrama de flujo contendr los datos necesarios para el diseo de partes individuales de equipo. En general aunque se modifiquen despus, es relativamente fcil corregirlo y repetir los clculos de diseo. Cuando los estudiantes no sepan por donde un nuevo proyecto, se les aconseja comenzar por el diagrama de flujo, con la confianza de que por medio de este ejercicio se evaluar un mtodo potencialmente fructfero. La mecnica de la preparacin del diagrama de flujo se describe ms adelante.

Balances de materia y energa

Especificando las unidades que sern usadas, se est esencialmente creando un esqueleto de la planta el cual esta bosquejado en el Diagrama de flujo. El prximo paso es entonces poner el complemento del esqueleto cuantificando los flujos de materia y energa a lo largo de la planta, es decir realizar los balances de materia y energia en cada unidad. Efectuaando los balances, se debe:

Justificar las asunciones y aproximaciones

Usar el cdigo mnemotcnico (la etiqueta de identificacin) para etiquetar las unidades

Usar nmeros (o letras) de corrientes para identificar corrientes de entrada y salida

Usar nomenclatura consistente

Evitar el uso de nmeros pequeos mediante la eleccin conveniente de unidades

Ser consistente en el uso de cifras significativas en los clculos

Complementar los calculos generados por la computadora con los clculos manuales

Diseo del equipo

El costo del equipo es un elemento importante en la economa del proceso. El diseo parcial, cuando menos, es necesario antes que puedan establecerse los costos del mismo. La precisin en el clculo est dictada por la exactitud deseada del estimado. Para estimados del diseo preliminar el equipo debe ser especificado rpidamente y sin gran detalle. Una forma prctica son los mtodos cortos para especificar equip en diseos preliminares.

Si se prosigue con un diseo detallado se deben emplear mtodos rigurosos para el diseo y especificacin de equipo.

3.2.4 Seleccin y Evaluacin

En el trayecto del diseo de un proyecto es necesario determinar el proceso ms conveniente para obtener un producto deseado. Varios mtodos diferentes de manufactura pueden ser aprovechables para hacer el mismo producto, y estos procesos deben ser comparados en orden a seleccionar el mejor bajo las actuales condiciones.

La comparacin debe hacerse con el diseo final del proceso. Sin embargo, en muchos casos, algunos de los posibles procesos pueden ser eliminados por una comparacin de las variables esenciales y los clculos detallados de diseo para cada proceso pueden no ser requeridos.

Los siguientes tems deben ser considerados en una evaluacin de este tipo:

1. Factores tcnicos

a) Flexibilidad del proceso

b) Operacin contina

c) Controles especiales involucrados

d) Rendimientos comerciales

e) Dificultades tcnicas involucradas

f) Requerimiento de energa

g) Auxiliares especiales requeridos

h) Posibilidad de futuros desarrollos

i) Seguridad y peligro de contaminacin involucrada

2. Materias primas

a) Disponibilidad presente y futura

b) Procesamiento requerido

c) Requerimientos de almacenamiento

d) Problemas en la manipulacin de los materiales

3. Productos de desecho y subproductos

a) Cantidad producida

b) Costo (valor)

c) Mercados potenciales y usos

d) Manera de eliminarlos

e) Aspectos de contaminacin

4. Equipo

a) Disponibilidad

b) Materiales de construccin

c) Costos iniciales

d) Costos de instalacin y mantenimiento

e) Reemplazos requeridos

f) Diseos especiales

5. Localizacin de la planta

a) Cantidad de terreno requerido

b) Facilidades de transporte

c) Proximidad a los mercados y suministro de materias primas

d) Disponibilidad de servicios y facilidades de energa

e) Disponibilidad de mano de obra

f) Clima

g) Restricciones legales e impuestos

6. Costos

a) De materias primas

b) De energa

c) Depreciacin y otras cargas fijas

d) Requerimiento de mano de obra especializada

e) Costos sobre el proceso

f) Condicin real

g) Derechas de patente

h) Controles del medio ambiente

7. Factor tiempo

a) Plazo para terminar el proyecto

b) Tiempo requerido para desarrollar el proceso

c) Oportunidad de mercado

d) Valor del dinero

8. Consideraciones del proceso

a) Tecnologa disponible

b) Materia prima comn con otros procesos

c) Estabilidad del producto dentro de la Compaa

d) Objetivos generales de la Compaa.

Operacin Batch versus Contina.

Cuando se comparan procesos diferentes, siempre deben hacerse consideraciones de las ventajas de una operacin continua sobre una operacin batch. En muchos casos los costos pueden reducirse usando un proceso contino en lugar de uno intermitente. Se requiere menor mano de obra y el control del equipo y la calidad del producto mejora y uniformiza. Considerando que la operacin batch fue comn en los inicios de la industria qumica, el mayor numero de procesos han sido cambiados parcial o completamente a operacin contina. El advenimiento de muchos tipos nuevos de instrumentos de control ha hecho posible esta transicin y el ingeniero qumico de diseo debe conocer las ventajas inherentes a cualquier tipo de operacin contina.

Evaluacin econmica

La mayor parte de los estudios de posibilidades conducen a la misma pregunta: qu recuperacin puede esperarse del dinero invertido?. Para contestar esto, los costos del proceso deben combinarse con los de la materia prima, mano de obra, equipo y otros costos para proporcionar un estimado econmico exacto para el proyecto. El valor del dinero en el tiempo, la inflacin, los impuestos y otros factores influyen en la rentabilidad. An cuando la manipulacin detallada de los parmetros econmicos sea el campo de los economistas y no de los ingenieros, generalmente el economista no est calificado para disear equipo, definir la materia prima y evaluar otros costos del proceso. En la prctica, es ms fcil para un ingeniero cubrir esta falla si aprende las tcnicas econmicas elementales, que para un economista aprender ingeniera.

Optimizacin

Una combinacin de economa e ingeniera y la optimizacin son necesarias en cualquier proyecto de ingeniera donde existan posibilidades alternas de diseo. Como frecuentemente este es el caso, en general la optimizacin se lleva a cabo en puntos diferentes en la mayora de los procesos de diseo. A menudo, tal como la determinacin del tamao ptimo de tubera, lo ptimo puede obtenerse de tablas o monografas preparadas por otros. En algunas situaciones, la eleccin ptima puede ser un simple asunto de sentido comn si el ingeniero ha tenido experiencia en el pasado con decisiones alternas similares. Ocasionalmente, como es el caso de las especificaciones de reactores, lo ptimo debe determinarse nicamente para un proceso y configuracin particular bajo examen.3.2.5 Diseo final

Reporte del diseo.

El reporte de diseo puede representar el nico producto tangible de meses o aos de esfuerzo. Un reporte eficiente no puede ser preparado con un esfuerzo deficiente de ingeniera, pero un reporte mediocre o malo puede (y a menudo lo hace) oscurecer de alguna manera una ingeniera excelente. Este es otro puente entre la ingeniera y la humanidad que debe cruzar y cruzarlo bien el ingeniero si su trabajo va a ser reconocido y compensado adecuadamente.

3.3 CONSTRUCCIN Y OPERACIN

Cuando se tiene una decisin definida para proceder con la construccin de la planta, es cuando hay una exigencia inmediata para iniciar rpidamente la construccin de la planta. El tiempo, por consiguiente es particularmente importante en la construccin de la planta. Grandes retrazos pueden encontrarse en la fabricacin de las principales piezas de equipo, y retrazos frecuentes en las entregas. Estos factores pueden tomarse en consideracin durante el desarrollo de los planos finales y pueden justificar el uso de tcnicas de Evaluacin y Revisin del Proyecto (PERT) o el Mtodo de la Ruta Crtica (CPM). El ingeniero qumico deber trabajar junto con el personal de construccin durante la etapa final de implementacin para asistir en la interpretacin de los planos y aprender los mtodos para perfeccionar diseos futuros. El ingeniero tambin debe estar disponible durante el inicio de la operacin hasta que la planta opere efectiva y eficientemente.

CAPITULO

4

Fundamentos de los balances

de materialesLos balances de materia son la base del diseo de un proceso, esta es la primera etapa cuantitativa del diseo. Un balance de materia tomado sobre todo el proceso determina los requerimientos de materia prima y productos manufacturados. Balances sobre unidades individuales de proceso fijan los flujos y las composiciones de las corrientes. Un buen entendimiento de los clculos del balance de materiales es esencial en el diseo del proceso.

Los balances de materiales son tambin herramientas tiles para el estudio de la operacin de una planta y las perturbaciones en la descarga. Ellos pueden usarse para chequear la operacin frente al diseo, para chequear y calibrar los instrumentos y para localizar las causas de las prdidas de los materiales.

En el diseo de un proyecto, el balance de materiales se efecta con la capacidad dada por el estudio de mercado cuando se quiere manufacturar un producto o por el anlisis de disponibilidad de materias primas cuando se desea industrializar un recurso existente.

4.1. LA EQUIVALENCIA DE LA MASA Y LA ENERGIAEinsten mostr que la masa y la energa son equivalentes. La energa puede ser convertida en masa y la masa puede ser convertida en energa. Estas se relacionan por la ecuacin de Einsten.

E = m C2 (4.1)

Donde: E = energa, J

m = masa, kg

C = velocidad de la luz (en vaco), 3x108 m/s.

La prdida de masa asociada con la produccin de energa es significativa solamente en reacciones nucleares.

4.2. CONSERVACION DE LA MASALa ecuacin general de conservacin de la masa para cualquier sistema de proceso puede Escribirse como:

ENTRADA SALIDA SISTEMA DE PROCESOEntrada + Generacin Consumo Acumulacin = Salida

Para un proceso al estado estacionario la acumulacin es cero. Excepto para procesos nucleares, nada de masa es generada ni consumida; pero si se lleva a cabo una reaccin particular pueden formarse o consumirse especies qumicas en el proceso. Si no hay reaccin qumica el balance al estado estacionario se reduce a:

Masa que entra = Masa que sale

Una ecuacin de balance puede escribirse separadamente para cada especie presente identificable, elementos, compuestos o radicales; y para la masa total.

Ejemplo 4.1

2000 kg. de una solucin con 5 % de hidrxido de calcio en agua se debe preparar por dilucin de una mezcla de 20 %. Calcular las cantidades requeridas. Los porcentajes estn dados en peso.

Solucin

B

Denominando las corrientes por:

A: Lodo al 20 % de Ca(OH)2 A CB: Agua

C: Lodo con 5% de Ca(OH)2Se debe cumplir al estado estacionario

ENTRADAS = SALIDAS

Balance total:

A + B = C

A + B = 2000 (a)

a) Balance parcial:

1) Hidrxido de calcio

0,20 A + B = 0,05C

0,20 A = 100 (1.b)

2) De agua

0,80 A + B = 0,95 B

0,80 A + B = 1 900 (2.b)

de la Ec. (1.b)

A = 500 kg. de solucin al 20%

Reemplazando A en las ecuaciones (a) (2.b)

B = 1 500 kg. de agua Verificando el balance de materiales sobre la cantidad total:

X + Y = 2000

500 + 1500 = 2000, Correcto

4.3. UNIDADES USADAS PARA EXPRESAR COMPOSICIONESCuando se especifica una composicin como un porcentaje es importante fijar claramente las bases: Peso, molar o volumen. Las abreviaciones p/p, (w/w) y v/v son usadas para designar base en peso y base en volumen.

Ejemplo 4.2

El grado tcnico de cido clorhdrico tiene una concentracin de 28 % p/p, exprese esto como una funcin en mol.

Solucin

Base de clculo 100 kg. de cido con 28 % p/p

Pesos moleculares: Agua 18, HCl 36,5

Masa de HCl = 100 x 0,28 = 28 kg.

Masa de agua = 100 x 0,72 = 0,72 kg.

Kmol de HCl = 28 / 36,5 = 0,77

Kmol de agua = 72 / 18 = 4,00

Moles totales = 4,77

Fraccin molar de HCl = 0,77 /4,77 = 0,16

Fraccin molar de agua = 4,00 / 4,77 = 0,84

Comprobando el total = 1,00Dentro de la precisin necesaria para clculos tcnicos, las fracciones de volumen pueden tomarse como equivalentes a la fraccin molar para gases, a presiones moderadas (hasta 25 bar). Cantidades pequeas (trazas) son frecuentemente expresadas como partes por milln (ppm). Las bases, peso o volumen, necesarias deben fijarse.

ppm = Cantidad de componente x 106 Cantidad total

Nota : 1 ppm = 10-4 por ciento

Cantidades mnimas son a veces dadas en ppb, partes por billn. En este caso se debe tener cuidado ya que en Amrica un billn se representa (109), no como el billn Ingls (1012).

4.4. ESTEQUIOMETRIA

Estequiometria (del Griego Stoikeion : elemento) es la aplicacin prctica de la ley de las proporciones mltiples: la ecuacin estequiometrica para una reaccin qumica fija sin ambigedad el nmero de molculas de los reactantes y productos que toman parte, desde la cual pueden calcularse las cantidades. La ecuacin debe estar balanceada.

Con reacciones simples es usualmente posible balancear la ecuacin estequiomtrica por inspeccin, o por clculos de prueba y error. Si hay dificultad en balancear ecuaciones complejas, el problema puede siempre resolverse escribiendo un balance para cada componente presente. El procedimiento se ilustra en el ejemplo 4.3.

Ejemplo 4.3

Escribir y balancear la ecuacin total para la manufactura de cloruro de vinilo a partir de etileno, cloro y oxigeno.

Solucin

Mtodo: Escribir la ecuacin usando letras para los numerosos (coeficientes estequiomtricos) desconocidos de las molculas de cada reactante y producto. Hacer un balance para cada elemento. Resolver el sistema de ecuaciones resultante

A (C2H4) + B (Cl2) + C (O2) = D (C2H3Cl) + E (H2O)

Balance de carbn: 2 A = 2 D A = D

de hidrgeno: 4 A = 3 D + 2 E

reemplazando D = A se tiene E = A / 2

de cloro: 2 B = D de aqu B = A / 2

de oxigeno: 2 C = E C = E / 2 = A / 4

Colocando A = 1, la ecuacin resulta:

C2H4 + Cl2 + O2 = C2H3Cl + H2O

Multiplicando todo por el denominador mas alto para eliminar la fraccin

4 C2H4 + 2 Cl2 + O2 = 4 C2H3Cl + 2 H2O

4.5. CAMBIO DE LIMITES DEL SISTEMA

La ley de conservacin se cumple para el proceso y para cualquier subdivisin del proceso. Los lmites del sistema definen la parte del proceso que se esta considerando. Los flujos entrando y saliendo del sistema son aquellas cruzando los lmites y deben balancearse con el material generado o consumido dentro de los lmites.

Cualquier proceso puede ser dividido en forma arbitraria para facilitar los clculos. El cambio atinado de los lmites del sistema puede muchas veces simplificar lo que otras veces son clculos dificultosos.

Ninguna regla rigurosa y segura puede darse en la eleccin adecuada de los lmites para todos los tipos de problemas de balance de materiales. La seleccin de la mejor subdivisin para un proceso particular es un asunto de criterio, y depende de la comprensin de la estructura del problema, la cual solo puede ser ganada con la prctica.

Las siguientes reglas generales pueden servir como una ayuda.

1. Con un proceso complejo, primero tomar los limites alrededor del proceso completo y si es posible calcular los flujos de entrada y salida. Materias primas que entran, producto y subproductos que salen.

2. Seleccionar los lmites para subdividir el proceso en etapas simples y hacer un balance para cada etapa separadamente

3. Seleccionar los limites circundantes de una etapa para reducir el nmero de corrientes desconocidas tanto como sea posible.

4. Como un primer paso, incluir cualquier corriente de reciclo dentro de los lmites del sistema.

Ejemplo 4.4

Seleccionar los lmites del sistema y estructura de la solucin

El diagrama muestra las principales etapas en un proceso para producir un polmero. A partir de los siguientes datos calcular los flujos de las corrientes para producir polmero a razn de 10 000 kg./h.

Reactor, rendimiento de polmero 100 por ciento

lodo de polimerizacin 20 por ciento monmero/agua

conversin 90 por ciento

catalizador 1 kg/1 000 kg. de monmero

agentes plastificantes 0,5 kg/1 000kg de monmero no reaccionado

Filtro, agua de lavado aprox. 1kg/1kg de polmero

Columna de recuperacin, rendimiento 98 por ciento (porcentaje recuperado)

Secador, alimentacin 5 por ciento de agua, especificacin del producto 0,5 por ciento de H2O

Prdidas de polmero en el filtro y secador 1 por ciento.

Solucin

Solamente aquellos flujos necesarios para ilustrar el cambio de los lmites del sistema y el mtodo de clculo son dados en la solucin.

Base: 1 hora

Tomando los lmites del primer sistema alrededor del filtro y secador

Con 1 por ciento de prdidas, polmero que entra al sub-sistema:

10 101kg.Tomando los siguientes lmites alrededor de del reactor, puede calcularse la alimentacin al reactor:

E Plastificantes

Agua, catalizador

y monmero A B D 10 101 kg. de polmero REACTOR H

Reciclo

A 90 por ciento de conversin, monmero alimentado 11 223kg.Monmero no reaccionado = 11 223 10 101 = 1 122 kg.Plastificantes, 0,5 kg/1000 kg. de monmero no reaccionado = 1 123 x 0,5 x 10-3 = 0,6 kg.Catalizador, con 1 kg/1000 kg. de monmero = 11 223 x 1 x 10-3 = 11 kg.Agua que entra al reactor (80% y 20 % es monmero): 0,80 = = 44 892 kg.Ahora considerando nuevamente el sub-sistema filtro-secador:

Agua que entra con el polmero al secador, con 5 por ciento (despreciando las prdidas de polmero) = 10 101 x 0,05 = 505 kg.

Un balance alrededor del sub-sistema reactor-filtro-secador da el flujo a la columna de recuperacin: Agua, 44 892 + 10 101 505 = 54 448 kg.

Monmero no reaccionado = 1 123 kg.Ahora considerando el sistema dado por la columna de recuperacin

Con 98 por ciento de recuperacin, reciclo al reactor = 0,98 x 1 123 = 1 100 kg.Composicin del efluente 23 kg. de monmero, 54 488 kg. de agua

A TE B

MEZCLADORA

H

Balance alrededor de la T da el monmero fresco requerido : 11 223 1 100 = 10 123 kg.4.6. ELECCION PARA BASES DE CALCULOS

La eleccin correcta de la base para un clculo deber muchas veces determinar si los clculos resultan simples o complejos. Como con el cambio de los lmites del sistema, ninguna regla general puede ser dada para la exacta seleccin de la base para un problema.

La seleccin depende del criterio ganado con la experiencia. Algunas reglas encaminadas a ayudar en el cambio son:

1. Tiempo: preferir la base en el tiempo en la cual deben presentarse los resultados Ej. kg./h, ton/ao.

2. Para procesos "batch" use un "batch".

3. Escoger como la base de masa para los flujos de las corrientes aquella con mayor informacin.

4. Es muchas veces mas fcil trabajar en moles antes que en peso cuando no hay reaccin.

5. Para gases, si las composiciones estn dadas en volumen, usar una base en volumen, recordando que las fracciones en volumen son equivalentes a fracciones molares a presiones moderadas.

4.7. NUMERO DE COMPONENTES INDEPENDIENTES

Una ecuacin de balance puede ser escrita para cada componente independiente. no todos los componentes en un balance de materiales sern independientes.

Sistemas fsicos sin reaccin

Si no hay reaccin qumica, el nmero de componentes independientes es igual al nmero de las distintas especies qumicas presentes.

Considerar la produccin de un cido de nitracin al mezclar cido ntrico al 70 por ciento y cido sulfrico al 98 por ciento. El nmero de las distintas especies qumicas es 3; agua, cido sulfrico y cido ntrico.

H2SO4/H2O H2O Acido MEZCLADOR HNO3 de HNO3/H2O H2SO4 nitracinSistemas fsicos con reaccin

Si el proceso involucra reaccin qumica. El nmero de componentes independientes no necesariamente es igual al nmero de especies qumicas, mientras algunos pueden ser relacionados por la ecuacin qumica, en esta situacin el nmero de componentes independientes pueden calcularse por la siguiente relacin:

Nmero de componentes = nmero de nmero de ecuaciones (4.2)

independientes especies qumicas qumicas independientesEjemplo 4.5

Si el cido de nitracin es preparado usando "oleum" en lugar de cido sulfrico de 98 por ciento, entonces habr cuatro especies qumicas distintas: cido sulfrico, trixido de azufre, cido ntrico, agua. El trixido de azufre reaccionar con el agua produciendo cido sulfrico de esta manera hay solamente tres componentes independiente:

"oleum"

H2SO4/H2O/SO3 H2O Acido MEZCLADOR HNO3 de HNO3/H2O H2SO4 nitracin

Ecuacin: reaccin SO3 + H2O H2SO4N de especies qumicas 4

N de reacciones 1

N de ecuaciones independientes 34.8. RESTRICCIONES SOBRE FLUJOS Y COMPOSICIONES

Es obvio, pero vale enfatizar. Que la suma de los flujos individuales de los componentes en cualquier corriente, no puede exceder el flujo total de la corriente. Igualmente, que la suma de las fracciones molares o en peso individuales deben ser igual a 1. Aqu, la composicin de una corriente est completamente definida si todos menos una de las concentraciones de los componentes son dados.

Los flujos de componentes en una corriente (o cantidades en un "batch") son completamente definidos por cualquiera de las siguientes especificaciones:

1. Especificando el flujo (o cantidad) de cada componente.

2. Especificando el flujo total (o cantidad) y la composicin.

3. Especificando el flujo (o cantidad) de un componente y la composicin

Ejemplo 4.6

La corriente de alimentacin a un reactor contiene: etileno 16 por ciento, oxgeno 9 por ciento, nitrgeno 31 por ciento y cloruro de hidrgeno. Si el flujo de etileno es 5000 kg./h, calcular los flujos de los componentes individuales y el flujo total de la corriente. Todos los porcentajes son dados en peso.

EMBED Equation.3 Solucin

Porcentaje de HCl = 100 ( 16 + 9 + 31 ) = 44

EMBED Equation.3 Porcentaje de etileno = x 100 = 16

De aqu el flujo total = 5000 x = 31250 kg./h

As, flujo de oxgeno = x 31250 = 2813 kg./h

Nitrgeno = 31250 x = 9687 kg./h

Cloruro de hidrgeno = 31250 x = 13750 kg./h

Regla general: la razn del flujo de cualquier componente al flujo de otro componente cualquiera es la misma que la razn de composiciones de los dos componentes.

El flujo de cualquier componente en el ejemplo 4.6 podra haberse calculado directamente de la relacin entre el porcentaje de etileno y el flujo de etileno.

Flujo de cloruro de hidrgeno = x 5000 = 13750 kg./h

4.9. METODO ALGEBRAICO GENERAL

Problemas simples de balance de materiales incluyendo pocas corrientes y desconocindose algunas de estas, pueden resolverse por mtodos directos simples. Las relaciones entre las cantidades desconocidas y la informacin dada pueden usualmente ser suficientes. Para problemas mas complejos, y para problemas con varias etapas de proceso, puede usarse un mtodo algebraico mas general. El procedimiento es complicado, y a menudo tedioso si los clculos deben hacerse manualmente, pero debe dar una solucin a varios de los mas complicados problemas, siempre que se tenga la informacin suficiente.

Smbolos algebraicos son asignados a todos los flujos y composiciones desconocidos. Ecuaciones de balance son luego escritas alrededor de cada sub-sistema para los componentes independientes (especies qumicas o elementos). Las incgnitas son los flujos o las composiciones, y las ecuaciones que las relacionan provienen de la ley de conservacin de la masa y la estequiometra de las reacciones. Para cualesquier problema que tenga una nica solucin puede ser posible escribir igual nmero de ecuaciones independientes al de las incgnitas.

Considerar el problema general de balance de materiales donde hay Ns corrientes, cada una conteniendo Nc componentes independientes. Luego el nmero de variables Nv, esta dado por:

Nv = Nc x Ns (4.3)

Si Ne ecuaciones de balance independientes pueden escribirse, entonces el nmero de variables Nd, que pueden especificarse para una nica solucin, esta dado por:

Nd = ( Ns x Nc ) Ne (4.4)

Considerar un problema simple de mezcla:

A

B MEZCLADOR D C

Denominando A, B, C y D a los flujos totales de las corrientes y como Xn,m la concentracin de componente m en cualesquiera de las n corrientes (n = A, B. C D). Entonces puede escribirse la ecuacin general de balance para el componente m:

AXA,m + BXB,m + CXC,m = DXD,m (4.5)

una ecuacin de balance tambin puede escribirse