Principios de Termodinámica y Heurística en Ingeniería de Procesos Químicos

Termodinámica y Condiciones de Proceso

Termodinámica. La alta presión (P) se justifica por cinética, pero no por termodinámica. La presencia de productos no se justifica por cinética ni por termodinámica, pero su separación sería muy elevada en coste. La presencia de reactante en exceso se justifica por termodinámica. Además, se justifica ligeramente por cinética, aunque no lo suficiente como para compensar su coste.

Resumen de condiciones de proceso

Habitualmente, los reactores y separadores operarán a condiciones normales tanto de presión (P) y temperatura (T) estequiométricas. Para apartarse de las condiciones estequiométricas, siempre deben argumentarse razones y justificarlas, normalmente desde una perspectiva termodinámica o cinética.

Heurística en Ingeniería de Procesos

La heurística implica la utilización de principios basados en la experiencia para confirmar la idoneidad del diseño de un proceso. La heurística nos ofrece una serie de métodos de cálculo rápido y guías para:

• Verificar diseños de nuevos procesos.
• Estimar el tamaño del equipo y su rendimiento.
• Ayudar a resolver problemas con sistemas de operación.
• Verificar si los resultados de simulaciones computacionales son razonables.
• Obtener costes aproximados de las unidades de proceso.
• Desarrollar el diseño preliminar del proceso.

Características de las heurísticas

Las heurísticas son ayudas para la solución del problema; sin embargo, pueden faltar y a veces son difíciles de justificar:

• No garantizan una solución.
• Pueden contradecirse unas a otras.
• Pueden reducir el tiempo para solucionar un problema.
• Su aceptación depende del contexto inmediato en vez de un estándar absoluto.
• A pesar de sus limitaciones, son guías muy valiosas para el ingeniero de procesos.

Una heurística es una afirmación relacionada con el tamaño de un equipo, condiciones operacionales y con el rendimiento de un equipo, que reduce la necesidad de cálculos.

Ejemplo de heurística

Proceso PAR (Predecir-Autenticar-Reevaluar)

Se sabe que el coeficiente de transferencia de calor (h) del agua fluyendo por una conducción de 38 mm a 21°C y 1,83 m/s es 5250 W/m²°C. ¿Será igual si fluye a 3,05 m/s y 93°C?

1. Predecir el valor h: h' = h = 5250 W/m²°C.
2. Autenticar: Se aplica la ecuación de Dittus-Boelter: Nu = h*D/k. La correlación es h*D/k = 0,023*Re^0,8*Pr^0,3, donde Re es el número de Reynolds (densidad*velocidad*diámetro/viscosidad) y Pr es el número de Prandtl ((Cp*viscosidad)/k). Entonces,
3. Reevaluar: Se obtiene una expresión que relaciona los parámetros anteriores, englobando densidad, k (conductividad térmica) y Cp (capacidad calorífica) en una constante, ya que apenas varían: h' = 125*(velocidad^0,8)/viscosidad^0,5.

Heurística sobre corrientes de entrada

Pureza de la alimentación y componentes traza

Se deben considerar los siguientes puntos:

• Si las impurezas no están presentes en grandes cantidades (<10-20%) y no reaccionan para formar productos.
• Si la separación de las impurezas es difícil (por ejemplo, formación de azeótropos), una consideración clave es no separar.
• Si las impurezas ensucian o envenenan el catalizador.
• Si las impurezas reaccionan para formar productos peligrosos o difíciles de separar.
• Si las impurezas están presentes en grandes cantidades (>10-20%), su separación es una consideración clave que afecta al producto, subproducto y residuo.

Diseño del proceso de separación

Objetivo: Obtener un producto de pureza aceptable, una corriente de recirculación de alimentación sin reaccionar y una corriente o corrientes de subproductos.

• Un separador ideal tendría un coste infinito; por lo tanto, es necesario establecer límites razonables para la separación.
• Considerar la posibilidad de obtener subproductos comercializables.
• La gestión de la corriente de residuos es una consideración clave, especialmente en relación con el flujo del proceso (separador → producto, subproducto, residuo).

Para separadores simples, se necesitan al menos N-1 unidades, donde N es el número de corrientes de salida. Es necesario decidir qué unidades se emplearán y cuál será la secuencia de las mismas.

Selección de las unidades de separación

• Destilación: Es la primera alternativa para separar fluidos, excepto cuando existe riesgo de daño térmico, la volatilidad relativa es cercana a uno, o se requieren condiciones extremas de presión (P) y temperatura (T).
• Absorción: Útil para la separación de componentes traza en corrientes gaseosas.
• Adsorción: Trazas de