Unidad Energética

Cualquier compuesto que salga del proceso debió entrar por alguna de las alimentaciones o bien, generarse en la reacción química. Las corrientes de utilidades se tratan de forma distinta: agua de refrigeración, eléctricas, acrónimos HVAC.

Diagrama de Entradas y Salidas

Mediante un diagrama de entradas y salidas se puede:

• Obtener información:
  • Análisis económico básico (margen de beneficio).
  • Componentes químicos que deben entrar en la alimentación o salir como producto.
• Evaluar el beneficio potencial de un proceso propuesto y tomar la decisión sobre su ejecución.

Estructura de Recirculación

El coste de las materias primas representa entre el 10 y el 75 % del coste total del proceso de fabricación. Existe una diferencia entre conversión en el reactor y conversión total.

Formas de Realizar la Circulación

1. Separar y purificar los reactivos de los productos y recircularlos al inicio del proceso.
2. Recircular conjuntamente productos y reactivos empleando una corriente de purga para evitar acumulaciones.
3. Recircular conjuntamente producto y reactivos sin considerar una corriente de purga.

Caso Práctico: Obtención de Benceno

Para el caso del proceso de obtención de benceno, tras la reacción acompaña al benceno el H₂ y el CH₄ que deben ser separados mediante alguna operación:

1. Destilación: Los puntos de ebullición son suficientemente diferentes, sin embargo, la necesidad de una fase líquida descendente en la columna supondría trabajar a altas presiones y bajas temperaturas. Coste muy alto.
2. Absorción: Podría considerarse la absorción de CH₄ en un hidrocarburo líquido, pero dado el bajo punto de ebullición del metano, una absorción efectiva necesitaría altas presiones y bajas temperaturas. Coste muy alto.
3. Separación mediante membranas: Existen sistemas de membranas comerciales capaces de purificar el hidrógeno de una corriente de hidrocarburos. Este proceso tiene lugar a presiones moderadas similares a las empleadas en el proceso. Sin embargo, el hidrógeno recuperado estaría a baja presión y debería comprimirse antes de recircularlo.
4. Recirculación con purga: Opción elegida, dado que el H₂ y el CH₄ no son fácilmente separables se opta por su recirculación conjunta:
   • El metano actúa como inerte ya que no reacciona con el tolueno.
   • El equilibrio está muy desplazado.
   • La purga sirve para la eliminación de CH₄ y que no se acumule en el sistema y desplace el equilibrio.

Otros Aspectos a Considerar

• ¿Cuántas corrientes de recirculación son necesarias? Depende del coste de las materias primas, de la separación y de la recirculación, pero generalmente debe recircularse toda especie con conversión inferior al 99%.
• ¿Cómo afecta el exceso de reactante? Puede desplazar el equilibrio y, por lo tanto, necesitarse una purga.
• ¿Es necesario reciclar un inerte para el control de la operación del reactor? En reacciones altamente exotérmicas se emplea vapor u otro material inerte.
• ¿Fase de la recirculación? Determinará la separación y la estructura de la recirculación.

Condiciones de Proceso

Las condiciones de presión (P) y temperatura (T) a las que opera un equipo, así como la composición de la corriente, no se determinarán de forma arbitraria, sino que derivan de un análisis económico del proceso (balances costes-eficacia).

Condiciones en Reactores y Separadores

• Condiciones de Presión (P):

  • Al trabajar con presiones elevadas de gases se incrementa la densidad y se reduce el volumen (V). Se traduce en equipo de menor tamaño.
  • Normalmente el equipo soporta presiones hasta 10 bar.
  • A mayor P, mayor grosor en la pared de los equipos.
  • Presiones por debajo de la atmosférica conllevan requerimientos especiales.
  • La decisión de trabajar fuera del rango de P habitual (1-10 bar) debe estar justificada.

• Condiciones de Temperatura (T):

  • A temperaturas elevadas los materiales pierden resistencia a la tracción.
  • Materiales más resistentes son más caros (aleaciones o recubrimientos con materiales refractarios).
  • La decisión de trabajar fuera del rango de 400ºC debe estar justificada.
  • La temperatura en las corrientes de proceso:
    • Vapor a alta presión (40-40 bar) es común. Proporciona temperaturas de 250-265ºC.
    • Agua de la torre de refrigeración sale a 30ºC y vuelve a 40ºC.
    • A menor temperatura los costes se van incrementando.
  • La decisión de trabajar fuera del rango de temperaturas de 40ºC-260ºC debe estar justificada.

Razones para Operar a Condiciones Especiales

A veces, para que el proceso sea eficiente, es necesario trabajar en condiciones fuera del rango normal:

• Temperaturas superiores a 250ºC:

  • Reactor:
    • Para favorecer reacciones endotérmicas.
    • Para incrementar velocidades de reacción.
    • Para mantener una fase gaseosa.
    • Para favorecer la selectividad.
  • Separador: Para obtener una fase gaseosa.
  • Además, son necesarios hornos y se requieren materiales especiales para conseguir temperaturas superiores a 400ºC.

• Temperaturas inferiores a 40ºC:

  • Reactor:
    • Favorecer reacciones exotérmicas.
    • Materiales termosensibles.
    • Mantener una fase líquida.
    • Mejora de la selectividad.
  • Separador: Para obtener una fase líquida.