Diseño de Procesos i
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UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ
FACULTAD DE INGENIERÍA METALÚRGICA Y DE MATERIALES
INGENIERÍA DE PROCESOS
Evaluación de la Materia
Primer Bimestre
ACTIVIDAD PUNTOS
Examen Bimestral 12
Deberes 2
TalleresInteracción en el EVA
2
Proyecto de Diseño 4
Total 20
1.1. Introducción
En qué consiste el diseño de procesos
• Conjugar ideas y conocimientos para lograr un determinado objetivo.
• Considerar las restricciones externas e internas al proyecto.
1.2. Naturaleza del Diseño
• Restricciones del diseñoRecursos
Leyes físicas
Est
ánda
res
y có
digo
sControl gubernamental
Reg
ulac
ione
s de
segu
ridad
Restricciones
económicas
Selección del proceso
Mét
odos
Tiempo
Condición
del proceso
Mat
eria
les
Personal
Diseño plausibles
Diseños posibles
1.2. Naturaleza del Diseño
• Proceso de DiseñoObjetivo
(Especificaciones de diseño)
• Recolección de datos• Propiedades físicas• Métodos de diseño
Generación de posibles diseños
Selección y Evaluación(optimización)
Diseño final
1.3. Anatomía de procesos químicos
Subproductos
VentaAlmacenamiento del producto
Separación del producto
Almacenamiento (materia prima)
Preparación de alimentación Reacción
Purificación del producto
Recirculación del material que no ha reaccionado
Residuos
Etapa I
Etapa II
Etapa III Etapa IV Etapa V Etapa VI
Selección entre procesos continuos y batch
Proceso Continuo:
• Tasa de producción mayor a 5 x 106 kg/h
• Un único producto• No existen severas
limitaciones• Buen periodo de vida del
catalizador• El proceso es conocido• Mercado establecido
Proceso Batch
• Tasa de producción menor a 5 x 106 kg/h
• Especificaciones del producto
• Severas limitaciones
• Corto periodo de vida del catalizador
• El producto es nuevo
• Incertidumbre en el diseño
1.4. Organización para proyectos
Fase I: Diseño de proceso
• Selección de proceso
• Diagramas de flujo
• Selección, especificación y diseño de equipos
• Diagramas de tubería e instrumentación
Fase II: Diseño mecánico
• Diseño detallado de equipos
• Diseño estructural, civil y eléctrico
• Especificación y diseño de equipos auxiliares
Sección de Proceso:•Evaluación del proceso•Diagrama de flujo•Especificaciones del equipo
Sección de Construcción:•Construcción•Puesta en marcha
Sección de Especialistas del diseño: Tanques, Instrumentación y control, Compresores, bombas, turbinas, obras civiles, utilidades, intercambiadores de calor.
Sección de Planificación:•Estimación•Inspección•Planificación
Director del
proyecto
1.5. Documentación del proyecto
La documentación incluirá:1. Correspondencia general entre el grupo de diseño y:
departamento de gobierno, vendedores de equipos, personal, cliente.
2. Hojas de cálculo: cálculos de diseño, costos.
3. Dibujos: diagramas de flujo, diagramas P&I, planos de ubicación, detalles de equipo, diagramas de tuberías, dibujo arquitectónico.
4. Hojas de especificaciones para equipos, tal como:
intercambiadores de calorbombas
5. Ordenes de compra:
cotizacionesfacturas
1.6. Códigos y estándares
1. Materiales, propiedades y composición
2. Procedimientos de ensayo para rendimiento, composición y calidad.
3. Tamaños estándar: por ejemplo, tubos, platos, secciones.
4. Métodos de diseño, inspección, fabricación.
5. Códigos de práctica, para operación y seguridad de plantas.
1.7. Factores de diseño
• El diseño es un arte inexacto.
• Existirán errores e incertidumbres en las propiedades físicas y las aproximaciones realizadas para los cálculos de diseño.
• La magnitud del flujo de las corrientes de proceso calculadas a partir de los balances de materia son incrementados en un factor del 10 % para dar flexibilidad en la operación del proceso.
1.8. Sistema de Unidades
• Diversidad de unidades
• Ser coherentes con las unidades
• Tablas de conversión
1.9. Grados de libertad
• La unidad de diseño
Corriente de Entrada
Corriente de Salida
Método de Cálculo
Información de Entrada
Información de Salida
Grados de libertad• La diferencia entre el número de variables involucradas en un diseño y el
número de relaciones de diseño, se denomina grados de libertad. Si Nv, representa el número de variables en un problema de diseño, Nr el número de relaciones de diseño, entonces los grados de libertad Nd están dados por:
Nd= Nv - Nr
• Nd es el número de variables que se debe manejar para encontrar el mejor diseño.
• Si Nv = Nr, Nd = 0 ; el problema tiene solución única.
• Si Nv < Nr, Nd < 0 ; el problema es sobredefinido, únicamente es posible un solución trivial.
• Si Nv > Nr, Nd > 0 ; hay un número infinito de posibles soluciones.
Ejercicios de aplicación• Ejercicio 1.1: Calcular los grados de libertad de una corriente de
proceso de una sola fase de C componentes.
• Ejercicio 1.2: Calcular los grados de libertad en un proceso de
destilación flash.
Destilación flash
V-3
F1, P1, T1, (xi)1
F2, P2, T2, (xi)2
F3, P3, T3, (xi)3
Q
F, T, P, Xi
Ejercicio 1.3. Considerar los siguientes procesos típicos representados por sus respectivas figuras, y para cada uno plantear la pregunta: ¿Cuántas variables es necesario especificar? [es decir, ¿Cuántos grados de libertad hay?] para que la resolución de los balances de materia y de energía combinados esté determinado. Todos los procesos serán en estado estacionario, y las corrientes que entran y salen están en una sola fase.
a. Divisor de corriente: Suponer que Q = W = 0, y que en el proceso no interviene el balance de energía. Implícito en el divisor está el hecho de que las temperaturas, presiones y composiciones de las corrientes de entrada y de salida son idénticas.
b. Mezclador: Para este proceso suponer que W = 0, pero no Q.
c. Intercambiador de calor
Mezclador
Z1
T1
ρ1
Z2
T2
ρ2
Z3
T3
ρ3
Q
E-2
T-1 T-2
C-1
C-2
Q
Ejercicio 1.5. Grados de libertad cuando ocurre una reacción en el sistema. Una reacción clásica para producir H2 es la llamada reacción de “desplazamiento de agua”: CO + H20 ↔ CO2 + H2
La figura muestra los datos del proceso y la información conocida. ¿Cuántos grados de libertad quedan por satisfacer? Por sencillez, suponga que la temperatura y la presión de todas las corrientes que entran y salen son iguales y que todas las corrientes son gases. La cantidad de agua en exceso de la requerida para convertir todo el CO a CO2, está previamente determinada.
E-1
P-1
P-2
CO+H2O↔CO2+H2
xCO2=0.02xCO=0.2xN2=0.78F1=100
xH2=0.5xCO=0.5F2
P-4
XN2
xH2
xCO
xCO2
xH2O
P
P-5
WxH2O=1
Q
Ejercicio 1.6 Se produce amoniaco por reacción de N2 y H2:N2 + 3H2 → 2NH3
La figura muestra un diagrama de flujo simplificado. Todas las unidades excepto el separador y las tuberías son adiabáticas. El amoniaco líquido producido está prácticamente libre de N2, H2 y Ar. Suponga que el gas de purgado está libre de NH3. Considere que el proceso está formado por cuatro unidades individuales para un análisis de grados de libertad, y luego quite las variables redundantes y agregue las restricciones redundantes a fin de obtener los grados de libertad del proceso global. La fracción de conversión en el reactor es del 25%.
F50 ºC, 100 atmAlimentación nueva
Reactor
Separador
Divisor
2
Mezclador
1
4
3
NH3-50 ºC, líquido saturado100 atm
P50 ºC
Gas purga
Q
H2
N2
Ar
VNH3
N2
H2
Ar
N2
H2
Ar
Q=0