Fundamentos Del Método Douglas 3r375a

Fundamentos

del

Método

Tal

como

hemos

mencionado

anteriormente, el Método de Douglas se fundamenta en

el

denominado Método Ingenieríl que se lo puede asimilar a las etapas que lleva acabo un artista para crear una obra de arte. Dichas etapas se las puede resumir en las siguientes: ƒ Identificar y caracterizar el problema ƒ Generar primero soluciones simples o bosquejos de las misdmas ƒ Luego proceder a agregar detalles de a poco ƒ No perder nunca de vista el problema en toda su dimensión o globalidad 7 A partir de dichas premisas es posible generar una serie de etapas en forma jerárquica que permiten abordar el diseño preliminar o síntesis de un flowsheet para un proceso dado. A fin de reconocer dichas etapas utilizamos un ejemplo: Ejemplo: Hidrodealkilación de Tolueno para producir Benceno (Proceso HDA) Las reacciones y condiciones necesarias son las siguientes: Tolueno + H2 Æ Benceno + CH4 2 Benceno <==> Difenilo + H2 Condiciones de reacción: La reacción se lleva a cabo en un reactor a una temperatura de 1150 a 1300 ºF (620 – 704 ºC) con una presión de 500 psia. Y con una relación de reactantes en la alimentación de: H2/Tolueno = 5, a fin deevitar la formación de coque en el reactor. Además se posee la siguiente información sobre el proceso: El gas efluente del reactor debe ser enfriado inmediatamente a 1150 ºF, a fin de evitar la formación de coque. Dicho gas contiene Hidrógeno, Metano, Benceno,

Tolueno y Difenilo (desecho no deseado) o Los compuestos livianos, hidrogeno y metano, deben separarse de los productos aromáticos por condensación parcial y posterior flasheo en un tanque flash, donde salen por el fondo los aromáticos. El liquido que sale del flash a menor temperatura, puede usarse para enfriar el gas caliente que sale del reactor o El metano constituye una impureza que acompaña al H2, y por ende no puede acumularse en el reciclo del H2 , por lo tanto se lo debe purgar. En tal sentido una de las preguntas que debemos responder en la etapa de diseño será ¿cuánto metano deberíamos permitir en la corriente de reciclo de hidrógeno al reactor. Por otro lado la corriente líquida que sale del fondo del flash contiene los aromáticos y a su vez arrastra algo de livianos (hidrógeno y metano). Dicha corriente se envía a 8 nuna torre de destilación denominada estabilizador, en la cual se separan los livianos arrastrados de la corriente de aromáticos. La corriente que sale por el fondo de la columna estabilizadora se la envía a dos columnas sucesivas en las cuales se recupera el Benceno (producto principal), el tolueno (reactivo que se recicla), y el difenilo (subproducto desecho). En

la

figura

II.1

se

representa

esquemáticamente

el

flowsheet

descritoanteriormente, y en la figura II.2 se representa el mismo flowsheet luego de proceder al aprovechamiento de la energía de algunas corrientes calientes, para enfriar otras corrientes frías. De esta manera tenemos un proceso integrado energéticamente. Figura II.1 Flow proceso HDA sin Integración Energética 9 Figura II.2 Flow proceso HDA con Integración Energética Si analizamos detenidamente el flowsheet de la figura II.2 veremos que para realizar la integración energética siguiendo criterios y métodos (Método del Punto Pinch) que veremos posteriormente es necesario previamente conocer los caudales,composiciones, temperaturas de entrada y salida de todas las corrientes de proceso, además delos requerimientos energéticos de todos los equipos

presente. O sea, en una palabra necesitamos tener determinado prácticamente todo el flowsheet. Por lo tanto la Integración Energética es la última actividad que se debe realizar en la síntesis del proceso. El tren de columnas de destilación usadas para tratar la corriente líquida que sale del flash es una configuración posible, pero debe aclararse que existen múltiples configuraciones posibles, combinando de diferente formas las columnas de destilación. Sin embargo cualquiera sea la configuración que adoptemos, para realizarlo necesitamos conocer previamente el caudal y la composición de la alimentación. Luego previo a especificar el sistema de separación de líquidos debemos especificar el resto del flowsheet. Así el sistema de separación de líquidos se debe especificar después del resto del flowsheet y antes de la integración energética. 10 Por otra parte, el vapor que sale del flash arrastra aromáticos (benceno, tolueno, etc) que se deben recuperar en un sistema de recuperación de vapor por condensación, absorción, adsorción, membrana, etc. Pero para especificar el Sistema de recuperación de vapor debemos conocer el resto del flow con sus caudales, contenido de aromáticos, metano, hidrógeno, etc. Además por lo general la corriente líquida que sale por el fondo del absorbedor ó equipo similar, contiene aromáticos y algo de livianos que se den enviar al sistema de separación de líquidos. Luego el Sistema de Recuperación de vapor de debe analizar después del resto del flow y antes del sistema de recuperación de líquidos. Podemos así simplificar el flow como se ve en figura II.3. Con el mismo esquema de razonamiento podemos agrupar el sistema de separación general en un solo bloque y nos quedará la figura II.4, a fin de analizar solamente los reciclos presentes con el sistema de purga. Como paso final es aconsejable considerar tan solo el sistema de entrada salida al proceso, que nos permitirá tener una primera idea de la viabilidad de proceso en base a los costos relativos de materias primas y productos, ver figura II.5. Fig II.3 Flow con Sistema de Separación Líquida y Recuperación de Vapor 11

Figura II.4 Flow con un sistema de separación genérico y reciclos Figura II.5 Flow con entradas y salidas De esta manera hemos logrado analizar el flow original a través de un análisis jerárquico que nos permite agrupar el flow por secciones hasta su mínima expresión. Si recorremos el camino inverso tendremos un método sistemático para generarlo a partir de los datos de entrada. Nos queda así plasmado el Método de Descomposición Jerárquica propuesto por Douglas, cuyas etapas de síntesis son como mencionamos arriba: 1. Decidir entre procesos batch versus procesos continuos. 2. Adoptar la estructura de entrada-salida del proceso. 3. Adoptar la estructura de reciclos del proceso (corrientes de reciclo). 12 4. Adoptar la estructura general del sistema de separación. a. Sistema de Recuperación de Vapor b. Sistema de Separación de Líquidos 5. Diseñar la estructura que permita la integración energética a los efectos de minimizar el consumo. Obviamente, dado que la jerarquía de decisiones es heurística en su naturaleza, es posible incorporar un nuevo orden o nuevos pasos en la estrategia o procedimientos de decisión, luego de acumular nuevas experiencias. Debe notarse que se fija un orden de prioridades relativas al fijar la secuencia de sub-problemas a resolverse. Por ejemplo, se supone más conveniente preocuparse primero por la estructura de reacción y el flujo de materiales, que por la red de intercambio calórico. No obstante, muy probablemente cuando se llegue a la etapa de diseño de la red de intercambio, deban modificarse decisiones tomadas en etapas anteriores, lo cual implica el ya anticipado proceso iterativo,

hasta lograr un diseño final conveniente. Cualquiera sea la estrategia elegida, es importante que cada solución parcial obtenida se verifique considerando el problema completo. Se debe por lo tanto implementar la retroalimentación de la información hacia los pasos anterior y posterior durante el ciclo de etapas de la tarea de diseño (lazo de iteración).