Instituto tecnologico deorizaba




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Procedimiento de selección de equipo.

Después de que el ingeniero ha hecho una lista de todas las necesidades del equipo basándose en los diagramas de ingeniería y después de haber realizado los cálculos de diseño necesarios llena una forma con las especificaciones para cada pieza de equipo importante, usando equipo normal siempre que sea posible. Si se necesitan cotizaciones del equipo se deben presentar a los proveedores hojas de especificaciones detalladas. Frecuentemente los vendedores o las asociaciones de fabricas pueden suministrar esqueletos para ser llenados con las especificaciones necesarias.

Si el diseño se va a utilizar solo para una estimación preliminar del costo y para un trabajo de distribución y arreglo de la planta se puede utilizar una hoja de especificaciones como la mostrada en la figura 3.1 toda o solo una parte. Este tipo es particularmente importante y adecuado para resumir los cálculos del equipo en un curso de diseño de plantas. La selección de estimación de costos de la tabla 3.1 la explicaremos mas adelante en la parte de Factores económicos.



      1. Equipo especial y equipo normal

El valor de utilizar equipo normal del tipo de bombas y cambiadores de calor es bien reconocido en el campo de la ingeniería química. De todo el equipo se requiere siempre buen funcionamiento y servicio; los errores en el juicio son peligrosos –e inexcusables – sobre todo si se dispone de datos sobre equipos parecidos en procesos similares. La experiencia de los demás es muy valiosa y se debe utilizar lo más posible.

Los fabricantes del equipo están siempre deseosos de dar servicio, ya que esta es siempre una de las formas mejores de ganarse al ingeniero químico. Mucha información valiosa para la solución de problemas se puede obtener con solo pedirla a los fabricantes de equipo, que ven posibilidades de obtener así un pedido. Sin embargo tienen también mucho interés en no introducirse en campos o procesos donde saben que su equipo no dará resultados satisfactorios.

Aunque en ingeniería química es un axioma el seleccionar equipo normal siempre que se pueda, el ingeniero se enfrenta a menudo con una situación en la cual su problema requiere un diseño especial y probablemente el uso de materiales especiales. En estos casos, se debe acudir a todo su entrenamiento y experiencia para diseñar el equipo necesario. Al hacer esto no debe tener ningún temor al diseño, ya que tiene las especificaciones y entiende las reglas del diseño de maquinas; todo lo que tiene que hacer es aplicarse la tarea de convertir sus especificaciones en un dibujo lineal que el fabricante pueda convertir a su vez en una pieza tridimensional de equipo. Gran parte del equipo para el manejo de materiales y para los procesos unitarios esta normalizado y, siempre que sea posible utilizarlo, se debe preferir al de diseño especial. Con esto no solo se obtendrá un costo inicial sustancialmente menor, sino que la duplicación del equipo y las reparaciones del equipo viejo se harán con mucha mayor facilidad.

Hay que asegurarse de haber agotado completamente la literatura comercial sobre el tema antes de embarcarse en el diseño del equipo especial. El equipo normal ya ha sido probado y ha resistido las más rigurosas pruebas de servicio; ha dado resultados prácticos y ha pasado por largos periodos de experimentación; generalmente, es el resultado de muchas modificaciones al diseño original. La normalización no solo significa un costo mínimo de fabricación, sino también el que una maquina construida de acuerdo a los patrones y en tamaños normales ha sido por lo general diseñada con la mayor minuciosidad. En estas circunstancias los fabricantes pueden garantizar, y garantizan, una operación satisfactoria del equipo. un diseño nuevo es un experimento tanto para el que lo diseña como para el que lo va a usar; tiene que comportarse satisfactoriamente durante un largo periodo de tiempo para que sea aceptado como el mas adecuado. Sin embargo cuando el ingeniero se encuentra ante un problema que requiere el diseño de un nuevo equipo, no debe dudar en llevarlo a cabo.

      1. Especificaciones.

Antes de empezar una búsqueda en el catalogo de ingeniería química y en los archivos de literatura comercial o de ponerse en contacto con los fabricantes de equipo, se debe formular una especificación cuidadosamente escrita en la cual se detallen los márgenes de operación y demás requisitos necesarios. La escritura de las especificaciones no debe considerarse como un arte especial, sino como un requisito que debe cumplir cada ingeniero químico. Las especificaciones deben contener toda la información que se considere esencial, incluyendo composición, características físicas y químicas de los materiales que se vayan a manejar, tipo y calidad de los servicios auxiliares disponibles, necesidades de estos servicios en el equipo, empaque y marcado de los recipientes, requisitos para el empaque y cotizaciones. Los fabricantes de equipo suelen suministrar una forma en la cual se incluyen las preguntas de cada fabricante que considere necesarias, si se contesta correctamente, para hacerse del equipo. Sin embargo, siento tan bueno este servicio, se puede ahorrar el tiempo que se pierde en la correspondencia mandando una especificación bien escrita al fabricante.

    1. Especificaciones para un reactor químico.

El dimensionado de los reactores químicos es un trabajo específico del ingeniero de proceso. Para la determinación del tamaño, estilo y forma de un reactor químico, se consideran los datos de la cinética química juntamente con los datos obtenidos en las pruebas efectuadas en las plantas piloto. Por lo mismo, los reactores se construyen de manera muy especial.

Hay ciertos procesos que es preferible manejarlos en autoclave, especialmente aquellos que requieren de operaciones intermitentes, tales como algunas operaciones de polimerización. La demanda de autoclaves con agitadores y superficies de calor adjunto, ha influido en varios fabricantes de equipo para producir líneas completas de estos equipos en varios tamaños estándar, que se pueden adquirir de inmediato. Resulta muy económico adaptar las necesidades a los tamaños estándar de las autoclaves. El ingeniero de proceso debe fijar la capacidad de la autoclave ya que el fabricante de la misma no esta familiarizado con la reacción, y con frecuencia es preferible evitar el dar información a la reacción correspondiente.

El fabricante de la autoclave puede y debe hacer algunas preguntas para la fabricación del área de transferencia de calor, agitador y algunos accesorios mecánicos. Por la experiencia que tiene el fabricante, él es el más indicado para resolver problemas referentes a empaques cuando se tienen altas presiones; también es el más indicado para el cálculo del espesor de la pared del recipiente a presión y métodos de fabricación con materiales de aleación. Las autoclaves pueden ser calentadas con agua caliente, “Dowtherm” y por calentamiento eléctrico. Cada uno de estos sistemas, especialmente el de fuego directo, Dowtherm y el de calentamiento eléctrico, requieren de considerables conocimientos, que los fabricantes de autoclaves han adquirido a través de muchos años de experiencia.

Al fabricante debe dársele la información necesaria para la selección y diseño del sistema de agitación, del sistema para transferencia de calor y del recipiente. Los fabricantes están enterados de los secretos de algunos procesos, por lo que será conveniente describirles la reacción en términos de algún fluido que sea similar. Las propiedades físicas del mismo deben ser razonablemente exactas.

A medida que se van mejorando, las técnicas de cinética aplicada harán posible la ejecución continua de muchas reacciones en reactores colocados a lo largo de tuberías, las cuales tradicionalmente se han efectuado en autoclaves como reacciones intermitentes.

INFORMACION REQUERIDA POR EL VENDEDOR.

  1. Propiedades físicas y químicas.

  1. Densidad de la mezcla de reacción a las condiciones de operación.

  2. Viscosidad de la mezcla de reacción a las condiciones de operación.

  3. Toxicidad e inflamabilidad de la mezcla de reacción.

  4. Algunos otros factores o descripción del material (o materiales similares) que sea posible proporcionar.

  5. Si se va a usar una autoclave para diferentes reacciones, proporcionar el intervalo de las propiedades físicas.

  1. Condiciones de operación.

  1. Presión máxima en el interior de la autoclave.

  2. Temperatura máxima (dar el ciclo tiempo-temperatura o limites aproximados). Es necesario dar una idea de la velocidad a que aumente la temperatura para diseñar la presión adecuada en el recipiente.

  3. Tipo preferido de calentamiento.

  4. Presión de operación en las chaquetas (presión y temperatura del medio de calentamiento).

  5. Si se necesita enfriamiento, describir el medio de enfriamiento.

  6. Describir el grado de agitación requerido. Sugerir el tipo de agitador requerido.

  7. Describir los sistemas de temperatura automática y control de presión.

  1. Materiales de construcción.

Describir los materiales basándose en la experiencia que se tenga con el fluido manejado.

  1. Varios.

  1. Hacer una lista de tamaño, número y localización preferentemente de las conexiones requeridas.

  2. Características de la energía eléctrica.

  3. Equipo auxiliar necesario.

  4. ¿Se requiere equipo a prueba de explosión?

  5. Localización (describirlo)

  6. Si se necesitan uniones especiales.



    1. Factores que influyen en la selección del tipo de reactor.

Cuando se lleva a cabo la selección preliminar del tipo de reactor, ya debe haberse establecido la cinética de la reacción y la forma en que se ve afectada por los parámetros clave del proceso, como también deben haberse determinado las condiciones óptimas de operación. En el diseño de un reactor industrial, las consideraciones más importantes para un tipo de reactor dado son, por lo común, el costo y el beneficio. Así, pues los criterios que se eligen para dicha selección deben ser tales que reduzcan los costos al mínimo o incrementen el beneficio al máximo. Estos criterios se determinan a través de factores que se clasifican en tres grupos distintos, a saber: técnicos, económicos y sociales.

Los aspectos técnicos se relacionan con los factores químicos y físicos del proceso que controlan el rendimiento y la calidad del producto, en tanto que los factores económicos incluyen la inversión del capital y los costos de operación.

Los factores sociales comprenden aquellos que no tienen un valor monetario directo, por ejemplo, la seguridad y la satisfacción de los operadores y los efectos dañinos que pueda producir el reactor en el medio ambiente.

    1. Factores técnicos.

Hay solo tres clases de reactores que generalmente se toman en consideración y son: el discontinuo (o semicontinua), el continuo en tanque agitado y el tubular. El rendimiento en producto, y su calidad (o composición) están regulados por factores técnicos que son característicos de cada clase de reactor y sus condiciones de funcionamiento.

Véase el sistema de reacción:

aA + bB  dD (producto deseado)

b´B + d´D  sS (indeseado)

el Porcentaje Global de Rendimiento Y y del producto deseado D, basado en el reactivo limitante A, se define como sigue:



En donde los subíndices f y 0 representan las condiciones de salida (finales) del reactor y las de entradas (iniciales), respectivamente. La relación estequiométrica a/d se incluye para que Y tenga un valor del 100 % en caso de una conversión completa de A.

      1. Factores químicos.

Los factores químicos del proceso incluyen el tipo de reacción (simple o compleja), la velocidad de reacción, la capacidad de producción y la necesidad de catalizador.

En una reacción de orden simple, la distribución del producto se fija por medio de la estequiometria. En los párrafos siguientes se presenta un análisis breve del tipo de reactor preferido para algunas delas clases de reacción mas importantes.

REACCION AUTOCATALITICA. La hidrolisis del éster catalizada con acido es un ejemplo de la reacción auto catalítica en la que uno de los productos actúa como catalizador.

A + D  B + D

En donde D es el catalizador. Al iniciarse la reacción debe estar presente una cantidad pequeña de D.

En esta clase de reacción, la velocidad del mecanismo es inicialmente baja debido a que CD es pequeño; pero, con el desarrollo de la reacción, el aumento de CD acelera la velocidad a un máximo después de lo cual se hace más lenta debido a una reducción gradual de CA. para llevar a cabo este tipo de reacción en un sistema de reactor continuo a una velocidad cercana a la máxima (y obtener un gran rendimiento), el sistema preferido seria aquel que consistiera en un reactor de tanque agitado seguido por otro tubular. Esto se debe a que, con un mezclado eficiente, la dosificación que entra en el reactor de tanque agitado adoptaría inmediatamente la misma composición que la mezcla residente, que se ajusta de tal modo que se acerque a la velocidad máxima de reacción. En el reactor tubular, el cambio registrado en CD partiendo de un valor elevado a otro menor, se hace de un modo gradual para sostener la reacción a una velocidad elevada tanto tiempo como sea factible. También se puede adoptar una combinación alternativa que utilice un reactor de tanque agitado con los medios necesarios para separar y reciclar el reactivo restante en la corriente del producto.

POLIMERIZACION. Las reacciones comprendidas en la formación de polímeros son uno de los ejemplos de reacciones complejas asociadas con procesos de transferencia de cadena de mayor importancia desde el punto de vista industrial. La distribución del producto es muy complicada y cubre una gran variedad de longitudes de cadena y pesos moleculares como resultado de la influencia de varios factores químicos y físicos del proceso. Las propiedades del polímero que constituyen el producto se controlan a través de la distribución del mismo, que es el factor clave para seleccionar el tipo de reactor.

Debido a la naturaleza sumamente viscosa de la mezcla de reacción, la mayoría de las reacciones de polimerización se llevan a cabo en reactores de tanque agitado, ya sea de funcionamiento continuo o discontinuo. La decisión esta, entonces, entre estas dos clases de reactores y esta regulada por los requisitos de la capacidad de producción y la distribución del producto.

Para producciones a pequeña escala casi siempre se prefiere un reactor discontinuo. Esta clase de reactores se caracteriza también por el hecho de que todos los componentes tienden a tener un tiempo de residencia uniforme conforme la concentración del monómero sigue decreciendo al desarrollarse la reacción. La situación inversa prevalece en el caso del reactor continuo de tanque agitado. Así, pues, el reactor discontinuo dará un rendimiento de pesos moleculares que el reactor continuo. Para reacciones lentas de polimerización, el sistema continuo puede requerir una batería de reactores de tanques agitados para satisfacer las necesidades de producción.

REACCIONES CONSECUTIVAS. En el curso de una reacción consecutiva elemental del tipo , si B es el producto deseado, es obvio que CB pasa por un máximo en algún punto intermedio. En un reactor continuo de tanque agitado, hay elementos distintos del fluido reaccionante que tendrían una variedad de tiempos de residencia debido a las condiciones de flujo no ideal que existen dentro del reactor, lo que dificulta el método para llegar al rendimiento máximo. Así, pues, el reactor discontinuo debe preferirse para reacciones de esta índole, ya que es más o menos sencillo ajustar el tiempo de residencia de toda la mezcla de reacción a un valor cercano al óptimo. Un reactor tubular con un mínimo de retro mezclado, generaría también un resultado comparable al del reactor discontinuo.

REACCIONES PARALELAS.





Supóngase que B es el producto buscado. La ecuación relativa de producción es:



Cuando m es mayor que n el rendimiento de B se ve favorecido por una gran concentración de A. Esta condición se logra en un reactor discontinuo o tubular en el que el cambio de concentración del reactivo sea gradual y la concentración promedio del reactivo sea superior a la del reactor continuo de tanque agitado. No obstante, el rendimiento de este último mejora en cierto grado empleando una batería de tanques conectados en serie.

Por el contrario cuando m es menor que n, la concentración baja de A favorecerá el rendimiento de B. Obviamente, esto se satisface utilizando un sistema de reactor continuo y tanque agitado.
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