PROCEDIMIENTO JERÁRQUICO DOUGLAS, ( 1985)

Procedimiento de diseño evolucionario a través de sucesivos niveles de decisión establecidos en forma jerárquica.

Se parte de una solución inicial aproximada, generada sobre la base de REGLAS heurísticas.

Refinamiento sucesivo del diseño inicial hacia el diseño final.

Cada nivel de decisión termina con un análisis económico asociado a las variables de diseño.

Niveles Jerárquicos de Decisión(Douglas, 1985).

Nivel 1. Procesos batch versus procesos continuos.

Nivel 2. Estructura de entrada-salida del proceso.

Nivel 3. Estructura de reciclo del flowheet y de sistema de reactores.

Nivel 4. Especificación del sistema de separación.

Nivel 5. Red de Intercambio energético.

Aplicación del Procedimiento de Diseño Jerárquico (Douglas)

Ejemplo: Proceso de hidroalquilación de tolueno para producir benceno (Proceso HDA)

Información Preliminar Proceso HDA

1- Información de la reacción: a) Reacciones: Tolueno + H2 ------> Benceno + CH4 2 Benceno <====> Difenilo + H2

b) Tº reacción > 1150ºC (veloc. reac alta) Presión en el reactor: 500 psia.

c) Selectividad

d) Fase gas

e) No se utilizan catalizadores

Información Preliminar Proceso HDA

2. Flujo de producción de benceno, 265 mol/hr.

3. Pureza del benceno producido, xD = 0.9997

4. Materias primas:

Tolueno puro, a Tºamb y P atm.

95% de H2 y 5% de CH4, a 550 psia y 100ºF.

5. Restricciones:

H2 / aromáticos > 5 a la entrada del reactor (prevenir la coquización).

Tº salida del reactor < 1300 ºF (prevenir el hidrocraqueo).

Información de reacciones Es importante encontrar todas las Reacciones

Laterales o Secundarias del proceso, aunque se produzcan trazas de productos

Se debe estudiar el concepto de Máxima Conversión versus Conversión Optima así como también la Selectividad.

Numerosos procesos se han diseñado para operar en las condiciones de máxima conversión, pero normalmente esta operación no corresponde a la conversión óptima económica.

Información de reacciones

Decisiones de Nivel 1 : Sistemas Continuos vs Discontinuos

En la primera etapa del diseño conceptual debemos decidir si para la producción deseada, se usará un proceso continuo o uno discontinuo ( Batch).

Hay ciertos criterios para decidir cual es el apropiado :

a. Nivel de Producción :Procesos Continuos : Producción mayor a 10 * 10*6 l lb/año ( 5000 tons/año )(5 x 10 *6 kg/año)Procesos Batch : Producción menor a 1 * 10*6 lb/año ( 500 tons/año )(5 x 10*6 Kg/año).

b. Factor de Mercado : Existen productos como los fertilizantes que son estacionales ; es decir que

solo se producen en la época en que se consumen ( Primavera) . Si se producen durante todo el año, se produce un inventario excesivo que produce costos extras.

Algunos productos solo tienen un período de vida corto ( 2- 3 años ), tales como pigmentos orgánicos , por lo cual se prefiere una planta batch por su gran flexibilidad para estos productos de corta vida.

Decisiones de Nivel 1 : Sistemas Continuos versus Discontinuos

c. Problemas Operacionales :Algunas reacciones son tan lentas que la única alternativa son reactores discontinuos.

También es muy difícil bombear pulpas con un bajo flujo sin que sedimenten y tapen o obstruyan las tuberías o equipos, por lo cual es muy difícil construir equipos para procesos continuos cuando se deben manejar bajas capacidades de pulpas, y es preferible usar procesos discontinuos.

En forma similar , algunos productos ensucian muy rápidamente los equipos, por lo cual las operaciones batch son las indicadas para manejar estos tipos de compuestos, debido a que se debe detener periódicamente los equipos y limpiarlos en cada una de estas operaciones.

d. Operaciones Múltiples en Equipos :

Otra característica única de los procesos discontinuos es que a menudo se pueden efectuar varias operaciones en un mismo equipo, mientras que en un proceso continuo se necesita un equipo para cada operación.

Nivel 2. Estructura de entrada-salida del proceso.

Análisis

• Dibujar un recuadro o caja negra alrededor del proceso total

• Enfocar la atención en la materia prima y los productos y productos secundarios

• Los costos de la materia prima se deben obtener (rango del 33 al 85 % de los costos totales del proceso)

Nivel 2.Estructura de entrada-salida del proceso.

Decisiones del Nivel 2

1. La corriente de alimentación … ¿Debería purificarse antes que

ingrese al proceso?

2. Un subproducto reversible … ¿Debería removerse o hacerlo

recircular?

3. Reciclos y purga ¿Debería usarse un reciclo de gas

con una corriente de purga?

Decisiones del Nivel 2

4. Los reactantes sin convertir… ¿Deberían recuperarse o hacerlos

recircular?

5. Corrientes efluentes … ¿Cuántas debería haber?

6. Variables de diseño ¿Cuáles son las variables de diseño,

y qué aspectos económicos están asociados con ellas?

Reglas heurísticas 1. La corriente de alimentación …

¿Debería purificarse antes que ingrese al proceso?

REMOVER ESPECIES O PURIFICAR

AUMENTAN COSTOS DEL PROCESO

La decisión es económica

2. Un subproducto reversible … ¿Debería removerse o hacerlo recircular?

3. Reciclos y purga ¿Debería usarse un reciclo de gas con una corriente de purga?

Regla Práctica:

"Cuando un reactivo liviano se encuentre junto a impurezas o subproductos livianos con punto de ebullición menor que el propileno (-48ºC), se debe usar un sistema de reciclo con una corriente de purga”.

Nota: Se elige el propileno porque los componentes con punto de ebullición más bajo no pueden ser condensados con el solo empleo de agua de enfriamiento y/o altas presiones en el fluido de proceso.

4. Los reactantes sin convertir…¿Deberían recuperarse o hacerlos recircular?

Recuperar el 99%de los materiales valiosos, ya que éstos representan un alto % del costo de producción.

El aire es alimentado en exceso para forzar la conversión completa y no se recircula.

El agua también se usa en exceso y debe recircularse al máximo, debido a los altos costos de tratamiento.

Criterios de diseño:

5. Corrientes efluentes … ¿Cuántas debería haber?

6. Variables de diseño¿Cuáles son las variables de diseño, y qué aspectos económicos están asociados con ellas?

.

• Las variables de diseño dependen del tipo de proceso y de las bases de diseño.

• Las Variables de Diseño son las que afectan la distribución de los productos dentro del proceso.

• Número de variables que se deben especificar para definir el proceso: Grados de Libertad.

• Los Balances de Masa y Energía y la Evaluación Económica se deben plantear en función de variables de diseño.