El documento presenta conceptos básicos sobre el diseño de procesos de ingeniería. Explica que el diseño de procesos implica conjugar conocimientos para lograr un objetivo considerando restricciones. Describe las etapas típicas de un proceso de diseño e introduce conceptos como grados de libertad y anatomía básica de procesos químicos. Finalmente, propone ejercicios de aplicación relacionados al cálculo de grados de libertad en diferentes procesos.

1. Ingeniería de Procesos INTRODUCCIÓN AL DISEÑO DE PROCESOS

2. Evaluación de la Materia Primer Bimestre ACTIVIDAD PUNTOS Examen Bimestral 12 Deberes 2 Talleres Interacción en el EVA 2 Proyecto de Diseño 4 Total 20

3. 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.

4. 1.2. Naturaleza del Diseño Restricciones del diseño Recursos Leyes físicas Estándares y códigos Control gubernamental Regulaciones de seguridad Restricciones económicas Selección del proceso Métodos Tiempo Condición del proceso Materiales Personal Diseño plausibles Diseños posibles

5. 1.2. Naturaleza del Diseño Proceso de Diseño Objetivo (Especificaciones de diseño) Recolección de datos Propiedades físicas Métodos de diseño Generación de posibles diseños Selección y Evaluación (optimización) Diseño final

6. 1.3. Anatomía de procesos químicos Subproductos Venta Almacenamiento 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

7. Selección entre procesos continuos y batch Proceso Continuo: Tasa de producción mayor a 5 x 10 6 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 10 6 kg/h Especificaciones del producto Severas limitaciones Corto periodo de vida del catalizador El producto es nuevo Incertidumbre en el diseño

8. 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

9. 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

10. 1.5. Documentación del proyecto La documentación incluirá: Correspondencia general entre el grupo de diseño y: departamento de gobierno, vendedores de equipos, personal, cliente. Hojas de cálculo: cálculos de diseño, costos. Dibujos: diagramas de flujo, diagramas P&I, planos de ubicación, detalles de equipo, diagramas de tuberías, dibujo arquitectónico.

11. Hojas de especificaciones para equipos, tal como: intercambiadores de calor bombas Ordenes de compra: cotizaciones facturas

12. 1.6. Códigos y estándares Materiales, propiedades y composición Procedimientos de ensayo para rendimiento, composición y calidad. Tamaños estándar: por ejemplo, tubos, platos, secciones. Métodos de diseño, inspección, fabricación. Códigos de práctica, para operación y seguridad de plantas.

13. 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.

14. 1.8. Sistema de Unidades Diversidad de unidades Ser coherentes con las unidades Tablas de conversión

15. 1.9. Grados de libertad La unidad de diseño Corriente de Entrada Corriente de Salida Método de Cálculo Información de Entrada Información de Salida

16. 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 N v , representa el número de variables en un problema de diseño, N r el número de relaciones de diseño, entonces los grados de libertad N d están dados por: N d = N v - N r N d es el número de variables que se debe manejar para encontrar el mejor diseño. Si N v = N r , N d = 0 ; el problema tiene solución única. Si N v < N r , N d < 0 ; el problema es sobredefinido, únicamente es posible un solución trivial. Si N v > N r , N d > 0 ; hay un número infinito de posibles soluciones.

17. 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 . F, T, P, X i

18. 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. 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.

19. Mezclador: Para este proceso suponer que W = 0, pero no Q. Intercambiador de calor

20. d. Bomba: Suponer que Q=0

21. 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 + H 2 0 ↔ CO 2 + H 2 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 CO 2 , está previamente determinada.

22. Ejercicio 1.6 Se produce amoniaco por reacción de N 2 y H 2 : N 2 + 3H 2 -> 2NH 3 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 NH 3 . 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%.

23. Deber # 1 Libro Guía: Sección 1.13 Ejercicio 1.5. Ejecicio 1.8.