Optimización de Procesos Químicos Industriales: Estrategias y Consideraciones Operacionales

Efecto de la Presión en Reactores y Separadores

Presión inferior a 10 bar:

• Reactor:
  • Favorecer conversiones en equilibrio.
  • Incrementar velocidades de reacción (fase gas).
  • Mantener una fase líquida.
• Separador: Obtener una fase líquida. Requiere paredes gruesas y compresores.

Presión inferior a 1 bar:

• Reactor:
  • Favorecer conversiones en equilibrio.
  • Mantener una fase gas.
• Separador: Obtener una fase gaseosa.
• Materiales termosensibles: Requieren equipos de mayor tamaño, diseño especial para operaciones a vacío y cuidado con fugas de aire.

Alimentaciones No Estequiométricas

• Inertes:
  • Controlan la velocidad de reacción.
  • Inhiben reacciones paralelas no deseadas.
  • Evitan mezclas explosivas.
  • Requerimientos: Reactores y equipos downstream de mayor tamaño. Equipos de separación para eliminar inertes.
• Exceso de Reactante:
  • Incrementa la conversión de equilibrio del reactante limitante.
  • Inhibe las reacciones paralelas no deseadas.
  • Requerimientos: Equipos de separación para eliminar exceso de reactante. Recirculación. Costes mayores por el material que se pierde.
• Producto en la Alimentación:
  • No separable fácilmente de la recirculación.
  • Retrasa la formación de productos no deseados de reacciones paralelas.
  • Actúa como diluyente para controlar velocidades de reacción.
  • Requerimientos: Reactor y equipos posteriores mayores. Recirculación mayor. Disminuye la conversión de equilibrio.

Condiciones Especiales en la Operación de Equipos

Compresores

Problema: Relación P_salida/P_entrada > 3. Gas de entrada a alta temperatura. En estas condiciones se emplean materiales de construcción especiales y se eleva la temperatura del gas, necesitándose enfriamiento.

Solución: Emplear múltiples etapas, intercalando enfriadores. Enfriar el gas antes de la compresión.

Intercambiadores de Calor

Problema: ΔT_mlog > 100 ºC. Desperdicio energético de alta temperatura.

Solución: Integración energética para aprovecharlo.

Hornos

Problema: T_salida < T_{vapor disponible}. Son muy caros y no se están aprovechando nuestras utilidades.

Solución: Usar vapor a alta presión para calentar la corriente.

Válvulas

Problema: Variación de P grande. Desperdicio energético por estrangulamiento.

Solución: Instalación de turbina para recuperar la energía perdida.

Mezcladores

Problema: Diferencias grandes de temperatura y composición en las corrientes. Se desperdicia energía de alta temperatura. Coste extra en equipos de separación.

Solución: Integración energética.

Ejemplo: Producción de Benceno

Reactor R-101: Alta temperatura (660 ºC), alta presión (25 bar). Condiciones no estequiométricas (144 kmol/h tolueno, 760,6 kmol/h H₂).

Consideraciones Termodinámicas

Alta temperatura: Estequiometría de la reacción. Calor de la reacción. Constante de equilibrio. Llave para las dos últimas (equilibrio altamente dependiente de la temperatura, exotérmica). Conversión a 600 ºC: K_p(600 ºC) = 265 = (N_benceno * N_metano) / (N_tolueno * N_hidrógeno) = ((N + 7,97) * (N + 334,25)) / ((144,04 - N) * (760,6 - N)) → N = 143,6. Conversión de equilibrio (143,6 / 144,04) * 100 = 99,7 %: Altas temperaturas no afectan al equilibrio, no se justifica trabajar a alta temperatura.

Altas presiones: Reacción del ejercicio (2 mol gas → 2 mol gas). La presión no afecta a las condiciones de equilibrio y, por lo tanto, no se justifica trabajar a alta presión.

Presencia de productos en la alimentación: Disminuye la conversión del equipo; sin metano, la conversión es de 99,9 %.

Presencia de exceso de reactante: Aumenta la conversión de equilibrio; en condiciones estequiométricas, la conversión es de 89,4 %.

Consideraciones Cinéticas

Altas temperaturas: Comparación K₄₀₀ con K₆₀₀: K₈₇₃ / K₆₇₃ = exp(-(148100 / R) * (1 / 873 - 1 / 673)) = 430. Efecto muy significativo.

Efecto de la presión: Concentración de los reactantes proporcional a la presión. Aunque se desconoce la cinética, si se aumenta la concentración 25 veces, la cinética aumentará considerablemente. Efecto muy significativo.

Presencia de productos en la alimentación: Reduce la concentración de reactante, impacto negativo en la velocidad de reacción. No es justificado.

Presencia de exceso de reactante: Aumenta la velocidad de reacción, y su presencia favorece la velocidad. Es un efecto positivo, pero no lo suficiente como para justificar el coste adicional del exceso de hidrógeno.

Conclusiones: La alta temperatura se justifica por cinética, pero no por equilibrio.