UNIVERSIDAD NACIONAL ATONOMA DE MXICO

FACULTAD DE ESTUDIOS SUPERIORES ZARAGOZA

INGENIERA QUIMICAPRODUCCIN DE FORMALINA A PARTIR DE METANOL

ASIGNATURA: Laboratorio de Talleres y Proyectos.GRUPO: ASESOR: I.Q. Arturo Enrique Mndez GutirrezINTEGRANTES:Gabriel Ramos Jorge AdrianGalicia Torres Oscar EnriqueGonzlez Rico Nancy KorinaHernndez Garca Leslie JeanetteMoreno Antonio David AlbertoReyes Salinas David AlejandroSnchez Carrillo Guadalupe MonserratSnchez Serna Deimi EstephanyTapia Ahedo LilianaFECHA DE ENTREGA: 11/DIC/2014TEMARIOContenido1. Introduccin42. Objetivos generales53. Objetivos Particulares54. Alcance55. Marco terico65.1. Metodologa jerrquica de Douglas65.2. Simulacin85.2.1. Sistema95.2.1.2. Subsistema105.2.2. Modelo105.2.2.1. Caractersticas que deben presentar los modelos.105.2.2.2. Clasificacin de los modelos115.2.2.3. Definicin de la estructura del modelo125.2.2.4. Modelado125.2.2.4.1. Variables De Diseo125.2.2.4.2. Grados de libertad135.2.2.4.2.1. Algoritmos155.2.3. Aplicaciones de la simulacin215.2.4. Ventajas y desventajas de la simulacin225.2.5. Tipos de simuladores225.2.6. Pasos En La Simulacin235.3 Operaciones unitarias del proceso255.3.1. Reactor255.3.1.1. Ecuaciones de diseo del reactor275.3.2 Torre de absorcin.315.3.2.1. Ecuaciones de Diseo de la Torre de Absorcin315.3.3 Torre de destilacin.375.3.3.1. Ecuaciones de diseo de la torre de destilacin376. Documentos de Ingeniera Bsica446.1. Generalidades del Proceso de obtencin de Formaldehdo a partir de Metanol446.2. Descripcin del Proceso de Formaldehido a partir de Metanol446.3. Diagrama de flujo del proceso456.4. Tablas de balance de materia y energa457. Anlisis del proceso en base a la Metodologa jerrquica de Douglas488. Modelado538.1 Diagrama de flujo de informacin538.2 Algoritmo de Lee & Rudd569. Anlisis de resultados8010. Conclusiones8011. Bibliografa81

Anlisis y Modelado del Proceso de Formalina (37%)1. Introduccin

En el trabajo que se presenta a continuacin se describe el proceso de obtencin de la formalina a partir de metanol.Se analizar cada una de las etapas del proceso de obtencin de formalina a partir de metal por medio de la metodologa jerrquica de Douglas, se hizo uso de los documentos de ingeniera bsica para el anlisis de cada una de las etapas del proceso.Para definir las variables de diseo de cada etapa se utiliz el algoritmo de Lee &Rudd.El formaldehido es una sustancia de suma importancia porque sirve como base de sntesis para otros compuestos qumicos. En este trabajo se propone su obtencin a partir de una reaccin de oxidacin cataltica con una conversin del 87.4% en la cual se utiliza plata como catalizador. El proceso utiliza metanol y oxgeno como materias primas para lograr una capacidad de produccin de 60 000 ton/ao de formalina, teniendo como subproductos monxido de carbono, dixido de carbono, formato de metilo y cido frmico.

2. Objetivos generales

Analizar las etapas de proceso de Formalina aplicando la metodologa jerrquica de Douglas. Plantear el modelo matemtico de las etapas del proceso de Formalina.

3. Objetivos Particulares

Utilizar los documentos de ingeniera bsica del proceso (DFP, balances de materia y energa, descripcin del proceso) para analizar cada etapa del mismo. Aplicar la metodologa jerrquica de Douglas en cada una de las etapas del proceso de Formalina. Definir y plantear el conjunto de ecuaciones de cada etapa del proceso (balances de materia y energa, relaciones de equilibrio, ecuaciones de diseo) Utilizar un algoritmo para obtener las variables de diseo de cada etapa del proceso y su secuencia de solucin.4. Alcance

Se pretende realizar el modelado de cada una de las etapas del proceso de Formalina.

5. Marco terico5.1. Metodologa jerrquica de Douglas La sntesis del proceso es una actividad extremadamente importante en el diseo de procesos, en la que se debe encontrar la mejor configuracin para el proceso, de tal forma que satisfaga los objetivos. Se han desarrollado diferentes metodologas para la generacin de alternativas de proceso, una de ellas es el Mtodo de Sntesis Jerrquica propuesto por Douglas. Para el desarrollo de este proyecto se tomar como base la Jerarqua de Douglas, que indica de qu manera se debe iniciar el anlisis del proceso. De este modo, Douglas propuso un procedimiento sistemtico que incluye un conjunto de niveles, estructurados de acuerdo a una jerarqua de decisiones. Los niveles son clasificados de acuerdo al siguiente orden de decisiones de proceso:

Nivel 0. Informacin de entrada.La informacin que se encuentra disponible normalmente en las etapas inciales de un problema de diseo (o que debe ser recabada).

Nivel 1. Decisin: Batch vs Continua.Los procesos continuos estn diseados para que cada unidad funcione 24 h/da, 7 das/semana. Por cerca de un ao en condiciones casi constantes antes que la planta se cierre por mantenimiento. En contraste, los procesos batch contienen normalmente varias unidades que estn diseadas para ser iniciado y detenido con frecuencia. Durante un ciclo normal de funcionamiento batch, las diversas unidades estn llenas de material, realizar su funcin deseada durante un periodo especificado, se cierran y se drena, y se limpian antes de que de repeticin. La distincin entre los procesos batch y continuos a veces es un poco "confusa". Es decir, las plantas grandes, que son continuas que presentan la desactivacin del catalizador se puede cerrar al menos cada ao, para regenerar o sustituir el catalizador. De manera similar, una gran planta, continua puede incluir una unidad sola de adsorcin, que normalmente es una operacin por lotes tasas que de lo contrario funciona continuamente, que se refieren a la planta como un proceso continuo. El rango de produccin puede ser un parmetro para diferenciar si un proceso es Batch o continuo. Las plantas que tienen una capacidad mayor a 10 x 106 lb/ao son usualmente continuas, mientras que las plantas con una capacidad menor a 1 x 106 lb/ao son comnmente procesos batch.

Nivel 2. Estructura de diagrama de flujo (entrada y salida).Se consideran el nmero de corrientes, materias primas y productos, y su interrelacin global. Tambin se tienen en cuenta los subproductos e inertes (la forma en que intervienen y el modo de recuperacin o de eliminacin).

Nivel 3. Estructura de re-circulados.El nivel 3 trata de la estructura de recirculacin y nos dice que hay que tomar en cuenta factores importantes como el nmero de reactores que tiene el sistema y cuantas recirculaciones de vapor son requeridas ya que se necesita de compresores que son bastante caros en este caso hay q valorar si es necesario recircular o no, en el caso de los lquidos es ms econmico porque slo se necesitan bombas. Sin embargo en este nivel se trata al sistema como una caja negra y se consideran los detalles del sistema de separacin posteriormente, es decir, se evitarn las recirculaciones.

Nivel 4. Especificacin del sistema de separacinAqu se considera slo el sistema de separacin para recuperar gases y componentes lquidos. Nuestras discusiones se centran en tres partes, estructura general, el sistema de recuperacin de vapor y sistema de recuperacin de lquidos. Se debe tener en cuenta que se tiene que determinar el mejor sistema de separacin como una funcin de las variables de diseo. La gama de las variables de diseo en el que se obtenga un funcionamiento rentable.

Nivel 5. Redes de intercambiadores de calorSe busca optimizar el nmero de intercambiadores de calor y de servicios. La conservacin de energa siempre ha sido importante en el diseo del proceso. Por lo tanto, era una prctica comn instalar intercambiadores de efluentes de alimentacin alrededor de reactor y columnas de destilacin. Sin embargo, un enfoque radicalmente diferente que tenga en consideracin la integracin energtica del proceso total se ha desarrollado en las ltimas dos dcadas.Es necesario plantear las siguientes definiciones: Sistema: Conjunto de objetos o ideas que estn interrelacionados entre s como una unidad para la consecucin de un fin (Shannon, 1988). Tambin se puede definir como la porcin del sistema que ser objeto de la simulacin. Modelo: Un objeto X es un modelo del objeto Y para el observador Z, si Z puede emplear X para responder cuestiones que le interesan acerca de Y (Minsky). Simulacin: Simulacin es el proceso de disear un modelo de un sistema real y llevar a cabo experiencias con l, con la finalidad de aprender el comportamiento del sistema o de evaluar diversas estrategias para el funcionamiento del sistema (Shannon,1988).

5.2. SimulacinSimular es un arte, una ciencia "soft", ya que la utilidad de esta tcnica depende mucho de la experiencia que tenga el grupo humano que realiza la simulacin.Hasta ahora no hay teora cientfica que garantice la validez del proceso de simulacin antes que este se realice.Para validar el modelo se ensayan alternativas conocidas (vividas realmente) y se comparan los resultados. La coincidencia de los mismos hablar de la validez del modelo para representar el sistema real.

5.2.1. SistemaUn sistema se define como una coleccin de entidades que actan e interactan juntas para lograr un fin comn. En la prctica qu se entiende por sistema depende de los objetivos del estudio particular que se pretenda hacer. El conjunto de entidades que componen el sistema para un estudio puede ser slo un conjunto de todas las entidades utilizadas para otro estudio.Se puede definir el estado de un sistema con un conjunto de variables necesarias para describir el sistema en un punto particular de tiempo, relativo a los objetivos del estudio.Los sistemas se pueden clasificar en dos tipos: Sistema Discreto: Es aquel en el que las variables de estado cambian instantneamente en puntos separados en el tiempo. Sistema Continuo: Es aquel en el que las variables de estado cambia continuamente con respecto al tiempo.

Existen diferentes formas de estudiar un sistema. Experimentar sobre el sistema actual frente a experimentar con un modelo del sistema. Lo primero es preferible siempre y cuando se pueda alterar el sistema con las nuevas condiciones y no sea muy costoso. Sin embargo es muy caro que esto se pueda llevar a cabo, ya que normalmente estos experimentos suelen ser muy costosos o muy destructivos para el sistema Modelo fsico frente a modelo matemtico: Para muchos la palabra modelo, evoca imgenes de miniaturas, cabinas separadas de los aviones para el entrenamiento de los pilotos, etc. Solucin analtica frente a simulacin: Una vez que se ha construido un modelo matemtico, ste debe examinarse para poder concluir el comportamiento del sistema y as responder a las cuestiones planteadas sobre el mismo.

5.2.1.2. SubsistemaEs un conjunto que se asla dentro del sistema. El sistema puede verse como un subsistema del Universo. Cada subsistema puede ser tratado dentro del sistema o estudiado en forma aislada.

El comportamiento del sistema total depende de:1) El comportamiento de cada subsistema.2) Las relaciones entre los subsistemas.3) Las relaciones con el mundo exterior, o sea con el medio ambiente que lo circunda.

El sistema en estudio, puede subdividirse en subsistemas interconectados, cada uno de los cuales est compuesto por elementos interconectados entre s.El comportamiento del sistema depender del comportamiento de cada subsistema, de sus relaciones y del medio ambiente donde se lo inserta.Los elementos y las relaciones que los ligan entre s definen los subsistemas. Los subsistemas y las relaciones entre s definen al sistema en estudio.Las relaciones entre los elementos del sistema constituyen la estructura del sistema.Estas ideas son fundamentales para la resolucin de problemas que implican la construccin de modelos.

5.2.2. ModeloPor modelo entendemos la representacin de un sistema, desarrollado con el propsito de estudiar dicho sistema.Los modelos deben contener slo los aspectos esenciales del sistema real que representan.Aquellos aspectos del sistema que no contribuyen significativamente en su comportamiento no se deben incluir, ya que lo que haran sera obscurecer las relaciones entre las entradas y las salidas.

5.2.2.1. Caractersticas que deben presentar los modelos. Deben ser fciles de entender los modelos. Deben ser simples y de costo no excesivo. Deben ser una buena aproximacin del sistema real, que controle el mayor nmero posible ce aspectos del mismo y que stos contribuyan de forma significativa al sistema.

El diseo y control de modelos de modelos obliga a tener conocimientos de cuatro reas de conocimiento distintas: Modelizacin: Necesario para disear el modelo que permita dar repuestas vlidas del sistema real que represente. El diseo es una fase muy importante, ya que los errores proporcionarn modelos fsicos. Programacin Probabilidad y estadstica. Mtodos heursticos: para permitir llegar a una solucin buena del problema planteado.

5.2.2.2. Clasificacin de los modelosLos modelos se pueden clasificar en: Dinmicos: Utilizados para representar sistemas cuyo estado vara con el tiempo. Estticos: Utilizados para representar sistemas cuyo estado es invariable a travs del tiempo. Matemticos: Representan la realidad en forma abstracta de muy diversas maneras. Fsicos: Son aquellos en que la realidad es representada por algo tangible, construido en escala o que por lo menos se comporta en forma anloga a esa realidad (maquetas, prototipos, modelos analgicos, etc.). Analticos: La realidad se representa por frmulas matemticas. Estudiar el sistema consiste en operar con esas frmulas matemticas (resolucin de ecuaciones). Numricos: Se tiene el comportamiento numrico de las variables intervinientes. No se obtiene ninguna solucin analtica. Continuos: Representan sistemas cuyos cambios de estado son graduales. Las variables intervinientes son continuas. Discretos: Representan sistemas cuyos cambios de estado son de a saltos. Las variables varan en forma discontinua. Determinsticos: Son modelos cuya solucin para determinadas condiciones es nica y siempre la misma. Estocsticos: Representan sistemas donde los hechos suceden al azar, lo cual no es repetitivo. No se puede asegurar cules acciones ocurren en un determinado instante. Se conoce la probabilidad de ocurrencia y su distribucin probabilstica. (Por ejemplo, llega una persona cada 20 10 segundos, con una distribucin equiprobable dentro del intervalo).Generalmente, simplificar un modelo implica: Convertir variables en constantes. Eliminar o combinar variables. Suponer linealidad. Agregar suposiciones ms potentes y restricciones. Restringir los lmites del sistema.5.2.2.3. Definicin de la estructura del modelo Las entidades permanentes y sus atributos, es decir, los recursos con que se cuenta en el sistema y cuantitativamente cmo es su comportamiento. Las entidades transitorias que circulan por el modelo tienen definida probabilsticamente su ruta por el sistema y los tiempos de utilizacin de los recursos. Los eventos que provocan los cambios de estado, modificando los atributos de las entidades.Se debe disear el modelo de manera que los cambios en su estructura estn en cierto modo previstos.5.2.2.4. ModeladoModelado es el proceso de construccin de un modelo. Un modelo es una representacin de un objeto, sistema o idea. Usualmente su propsito es ayudar a explicar, entender o mejorar un sistema.Cualquier conjunto de reglas para desarrollar modelos tiene una utilidad limitada y slo puede servir como una gua sugerida. El arte de modelar consiste en la habilidad para analizar un problema, resumir sus caractersticas esenciales, seleccionar y modificar las suposiciones bsicas que caracterizan al sistema, y luego enriquecer y elaborar el modelo hasta obtener una aproximacin til. Los pasos sugeridos para este proceso son: 1. Establecer una definicin clara de los objetivos.2. Analizar el sistema real.3. Dividir el problema del sistema numrico especfico del problema.4. Buscar analogas.5. Considerar un ejemplo numrico especfico del problema.6. Determinar las variables de inters.7. Escribir los datos obvios.8. Escribir las ecuaciones tericas o empricas que describen los fenmenos presentes y relacionan las variables de inters.9. Si se tiene un modelo manejable, enriquecerlo. De otra manera, simplificarlo.

5.2.2.4.1. Variables De DiseoEn el diseo de procesos para la separacin fsica de componentes por mecanismos en los que intervienen trasferencias de calor y materia, la primera etapa consiste generalmente en la especificacin de las condiciones del proceso o variables independientes.En los procesos de separacin por etapas mltiples, de sistemas en los que intervienen varias fases y varios componentes, es preciso proceder a la resolucin simultnea, o iterativa, de cientos de ecuaciones. Esto implica que es preciso especificar un nmero suficiente de variables de diseo de forma que el nmero de incgnitas (variables de salida) sea exactamente igual al nmero de ecuaciones (independientes). Cuando ocurre esto, el proceso de separacin esta unvocamente especificado. Si se elige un nmero incorrecto de variables de diseo, podra no existir solucin o bien obtener soluciones mltiples o inconsistente.Las dificultades de clculo que se encuentran en la resolucin de grandes sistemas de ecuaciones, frecuentemente no lineales, es tal que una adecuada seleccin de las variables de diseo pueden aminorar considerablemente los obstculos de clculo. Sin embargo, en la prctica el diseador no dispone de libertad para elegir las variables de diseo atendiendo a las conveniencias de clculo.Las variables tpicas de un proceso de separacin pueden ser variables intensivas, tales como composicin, temperatura o presin; variables extensivas como velocidad de flujo calor transmitido; o parmetros del equipo, como el nmero etapas de equilibrio. Las propiedades fsicas como la entalpa o los valores de K no se cuentan. Las variables son relativamente fciles de enumerar; sin embargo para contabilizar correctamente.

5.2.2.4.2. Grados de libertadHeanley en su libro de operaciones de separacin especficamente en el captulo 6 de variables de diseo nos menciona que:

Un mtodo intuitivamente sencillo, pero operacionalmente complejo, para encontrar ND, el nmero de variables de diseo independientes, grados de libertad, o varianza del proceso, consiste en enumerar todas las variables pertinentes NV y restar de ellas el nmero de ecuaciones independientes NE que relacionan las variables.

ND=Nv-NE

Esta tcnica para el diseo de procesos de separacin fue desarrollado por Kwauk o. Las variables tpicas de un proceso de separacin pueden ser variables intensivas, tales como composicin, temperatura o presin; variables extensivas, como velocidad de flujo o calor transmitido; o parmetros del equipo, como el nmero de etapas de equilibrio. Las propiedades fsicas como la entalpa o los valores K no se cuentan. Las variables son relativamente fciles de enumerar; sin embargo, para contabilizar correctamente NE es preciso observar cuidadosamente todas las relaciones independientes procedentes de las leyes de conservacin de materia y energa, de las restricciones del equilibrio entre fases, de las especificaciones del proceso y de las configuraciones del equipo. El equipo de separacin consta de elementos fsicamente identificables (etapas de equilibrio, condensadores, ebullidores, etc.), as como de divisores y mezcladores de corrientes. Resulta conveniente examinar cada elemento por separado antes de sintetizar el sistema completo. (henley 261:262:2003)Para el anlisis y diseo de procesos se requiere de modelos que describan el comportamiento de esos sistemas. Estos modelos que gobiernan el sistema consisten de M ecuaciones independientes que involucran N variables. Se pueden visualizar tres casos:

a) M > N. en este caso el sistema est sobre especificado y no tiene solucin. debe revisarse la modelacin del sistema.b) M = N: el sistema est completamente definido y tiene solucin. si el sistema es lineal, la solucin es nica; si el sistema es no lineal, pueden existir soluciones mltiples para el problema en cuestin.c) M < N. con objeto de dinar el sistema se necesitan N- M relaciones adicionales que pueden ser en forma de valores establecidos de algunas variables de diseo. se dice en estos casos que el sistema tiene F grados de libertad , dados por

F = N-M

Esta situacin conduce a un tpico problema de optimizacin. El ajuste de esas variables dadas por los grados de libertad deber hacerse de acuerdo a una funcin objetivo que se establece. Se requiere entonces de tcnicas de optimizacin para la solucin de este tipo de problemas.

Mientras que Arturo Jimnez nos menciona que: Para problemas cuya modelacin arroja grados de libertas positivos, situacin que representa la inmensa mayora de caos en el campo de la Ingeniera Qumica, dos aspectos de importancia:a) La manera en que se van a satisfacer esos grados de libertad, lo cual implica seleccionar las variables de diseo que se requieren para poder resolver el problema

b) la forma en que se va a resolver el sistema de ecuaciones resultante. Para este punto muchas veces es conveniente establecer orden en el cual esas ecuaciones deben resolverse con objeto de minimizar los problemas numricos en el proceso de solucin.

Para satisfacer los grados de libertad, se tienen dos aspectos: primero se pueden establecer el calor de algunas variables de acuerdo a las estipulaciones establecidas, generalmente por alguna conveniencia. Por ejemplo cuando estn contenidas en ecuaciones cuya solucin sea muy difcil para obtener esas variables. Las dems variables que se requiere estipular deben entonces de seleccionarse de tal manera que se facilite la solucin del sistema de ecuaciones resultante. Arturo Jimnez (60:2003)

5.2.2.4.2.1. Algoritmos

Algoritmo de Lee & Rudd

El algoritmo de Lee y Rudd provee una herramienta muy til para facilitar la seleccin de las variables de diseoSe construye primero con una matriz de incidencia, la cual consiste en formar un arreglo de renglones (o filas) que especifican las ecuaciones y columnas que identifican las variables contenidas en el sistema de ecuaciones. se detecta la presencia de una variable en una ecuacin mediante algn identificador en ese elemento de la matriz, por ejemplo una X. si la variable en cuestin no est contenida en la ecuacin, se tiene la ausencia de ese identificador.En seguida se detecta alguna columna que contenga una sola X, lo cual representa que esa variable aparece nicamente en esa ecuacin; se elimina que esa variable aparece nicamente en esa ecuacin; se elimina a esa columna (variable) y su correspondiente rengln (ecuacin) y se repite el procedimiento con el sistema de ecuaciones reducido. Eventualmente todas las ecuaciones se eliminan y las columnas que quedaron sin eliminar representan las mejores variables de diseo para ese problema. La solucin entonces est dada por el proceso inverso al de eliminacin, o sea que la primera ecuacin en eliminarse es la ltima en resolverse.Si el proceso de eliminacin se cumple habiendo en cada paso una columna con un solo elemento de incidencia, significa que la solucin del sistema de ecuaciones es secuencial y no requiere de la solucin simultanea de algn subconjunto de ecuaciones o de soluciones mediante ensayo y errorEl numero de columnas sin eliminar en estos casos es igual al numero de grados de libertad del problema.Qu hacer cuando se llegue a una situacion donde existan solo columnas con mas de una incidencia? por un lado implica que la solucion al sistema de ecuaciones ya no es puramente secuancial . se deben eliminar tantos renglones como sea necesario para generar al menos una columna con una incidencia y aplicar el procedimiento descrito anteriormente .Al final del proceso quedaran sin eliminar un numero de columnas iagual a los grados de libertad del sistema mas el nuero de ecuaciones que se eliminaron para generar columnas con una incidencia en la etapa intermedia . se eligen en esos casos un numero de variables de diseo equivalentes a los grados de libertad del sistema , y el resto se identifican como variables de recico , lo cual implica que es necesario suponer el valor de esas variables parainicializar el prioceso de solucion y recalcularlas en algun momento de ese proceso, tipicamente a traves de una de las expresiones o de la expresion que se elimino en la primera etapa del algoritmo.Otra forma de ver el roblema al llegar a la situacion de no tener columnas solamente con una incidencia es el de resolver el susbsistema que queda aen forma simultane a y posteriormente por la ptra parte, dada por el conjunto de ecuaciones y variables que se eliminaron en forma secuencial.Arturo Jimnez (62:2003)Un ejemplo para poder entender esto:

En esta imagen se muestra un sistema de intercambio de calor, este se lleva a cabo en dos equipos en seri. Las ecuaciones que describen el sisema consisten basicamente en balances tanto de materia como de energia asi como ecuaciones de diseo con las correspondieentes relaciones de definicion tqanto para un intercambiador como para el otro :para el intercambiador de calor numero 1:

. (1)(2). (3)....(4). (5)para el intercambiador de calor numero 2

.. (6)(7). ...(8)(9). (10)

Lo primero que tenemos que hacer es formar la matriz de incidencia, en esta los renglones representaran las ecuaciones y las columnas las variables involucradas. El sistema consiste de 10 ecuaciones con 13 incgnitas, lo cual implica que se tienen 3 grados de libertad, es decir, deben especificarse los valores de 3 de las variables involucradas (variables de diseo) para poder resolver el problema.Ahora tenemos que aplicar el algoritmo para seleccionar las mejores variables de diseo y detectar la secuencia de clculo en la secuencia de clculo en la solucin del problema. Notamos primero que la variable A2 est contenida solo una vez en el sistema de ecuaciones; se elimina esa columna con su respectivo rengln, como se muestra en el paso 1. La matriz reducida consiste ahora de 9 renglones y 12 columnas. Seleccionamos en seguida U2 para ser eliminada, lo cual elimina a su vez otra ecuacin. El proceso se repite con esta lgica, lo cual se ilustra en los pasos 3 al 10. Las variables que quedaron sin eliminar representan las mejores variables de diseo en este caso Q1.m1 y m2.Paso 1ecuacin Q1

Q2ThiT1fm1U1A1T1m2T2fU2A2T2

1xx

2xxx

3xxxx

4xxxx

5xxx

6xx

7xxx

8xxxx

9xxxx

10xxx

Paso 2ecuacin Q1Q2ThiT1fm1U1A1T1m2T2fU2T2

1xx

2xxx

3xxxx

4xxxx

5xxx

6xx

7xxx

9xxxx

10xxx

Paso 3ecuacin Q1Q2ThiT1fm1U1A1T1m2T2fT2

1xx

2xxx

3xxxx

4xxxx

5xxx

6xx

7xxx

10xxx

Paso 4ecuacin Q1Q2ThiT1fm1U1A1T1m2T2

1xx

2xxx

3xxxx

4xxxx

5xxx

6xx

7xxx

Paso 5 ecuacin Q1Q2ThiT1fm1U1A1T1m2

1xx

2xxx

3xxxx

4xxxx

5xxx

6xx

Paso 6 ecuacin Q1ThiT1fm1U1A1T1m2

1xx

2xxx

3xxxx

4xxxx

5xxx

Paso 7ecuacin Q1ThiT1fm1U1T1m2

1xx

2xxx

3xxxx

4xxx

Paso 8ecuacin Q1ThiT1fm1T1m2

1xx

2xxx

4xxx

Paso 9ecuacin Q1ThiT1fm1m2

1xx

2xxx

Paso 10 ecuacin Q1Thim1m2

1xx

La secuencia de calculo es el inverso deproceso de la eliminacion , la solucion no presenta reciclos , ya que cada variable que se requiere para la solucion de cada ecuacion en la formula descrita se tiene ya conocida, ya sea como variable de diseo o como una variable de estado que proviene de la solucion de alguna de las ecuaciones de los pasos anteriores. Arturo Jimenez (64:69:2003)Entonces:Fijar los valores de Q1 m1 m2

De la ecuacion (1)

De la ecuacion (2)

De la ecuacion (3)

De la ecuacion (4)

De la ecuacion (5)

De la ecuacion (6)

De la ecuacion (7)

De la ecuacion (8)

De la ecuacion (9)

De la ecuacion (10)

5.2.3. Aplicaciones de la simulacin Experimentacin: Hay dos situaciones que requieren un modelo, cuando la experimentacin directa sobre el sistema real es muy costosa o imposible; la otra es la del diseo de un nuevo sistema, as el modelo puede ir modificndose fcilmente hasta el comportamiento deseado. Prediccin: El modelo se puede usar para predecir el comportamiento del objeto real bajo ciertos estmulos. Se puede hacer as una evaluacin de diferentes estrategias de accin. Enseanza y training: as se puede utilizar para el adiestramiento de astronautas, en los juegos de negocios.Las reas de aplicacin de la simulacin son diversas y muy numerosas. Debajo hay un listado de algunas clases de problemas para los que la simulacin constituye una poderosa herramienta: Diseo y anlisis en los sistemas de manufactura. Evaluacin de los requerimientos hardware y software en un computador. Evaluacin de nuevas armas o tcticas militares. Determinacin de distintas polticas para sistemas de inventario. Diseos de sistemas de comunicacin y protocolos de mensajes para ellos. Diseo y operacin de sistemas de transporte tales como autopistas, aeropuertos, puertos, ferrocarriles, etc. Evaluacin de diferentes diseos para organizaciones de servicios tales como hospitales, oficinas de correos, restaurantes de comida rpida, etc. Anlisis financieros o sistemas econmicos. Anlisis medioambientales.5.2.4. Ventajas y desventajas de la simulacinMtodo Analtico.Ventajas: Conciso en la descripcin del problema. Conjunto de soluciones cerrado Permite evaluar fcilmente el impacto producido por cambios en las entradas sobre las medidas de salida. Posibilidad de llegar a una solucin ptima.Desventajas: Las suposiciones hechas para describir el sistema puede ser poco realistas. Las frmulas matemticas pueden ser muy complicadas impidiendo llegar a una solucin.Modelos de simulacin.Ventajas: Pueden describir sistemas que sean muy complejos Pueden ser usados para experimentar con sistemas que todava no existen, o para experimentar con sistemas existentes sin que estos se alteren.Desventajas: No existe un conjunto de soluciones cerrado. Cada cambio en las variables de entrada requiere una solucin separada o conjunto de ejecuciones. Los modelos de simulacin complejos pueden requerir mucho tiempo para construirlos y ejecutarlos. Puede resultar dificultoso establecer la validez del modelo.5.2.5. Tipos de simuladores Anlisis: Es el modo ms empleado, en l las variables de salida del modelo representan a las variables de salida del sistema real. Este modo se utiliza para estimar la respuesta del sistema real ante entradas especificadas. Debido a que imita un sistema que realmente funciona, el modelo es matemticamente ms estable y se asegura la existencia de una solucin. Diseo: En este modo las salidas del modelo representan a los parmetros del sistema real. Se utiliza en la etapa de diseo de un equipo donde el problema es determinar los parmetros para los cuales el sistema producir las salidas deseadas para las entradas especificadas. Control: Las variables de salida del modelo representan a las variables de entrada del sistema real. Este modo sirve para determinar los valores que debern adoptar las entradas del sistema para producir los resultados deseados. Se utiliza cuando se desea determinar las condiciones de operacin de un sistema.Las herramientas que se disponen actualmente para asistir al ingeniero en el desarrollo de un simulador son muy variadas:1. Lenguajes de programacin:a. Fortran.b. Pascal.c. Delphi.2. Lenguajes de simulacin:a. GPROMS.b. ISIM.3. Utilitarios matemticos:a. MatLab.b. Simulink.c. MathCad.4. Simuladores:a. Aspen.b. HYSYS.c. ChemCad.

5.2.6. Pasos En La Simulacin1. Formulacin el problema: se definen las cuestiones para las que se buscan las respuestas, las variables implicadas y las medidas de ejecucin que se van a usar. Esta fase es muy importante para poder alcanzar un modelo vlido, se puede dividir a su vez en 5 fases.2. Identificacin del problema: Se hace una abstraccin del tiempo de problema que se va a tratar. Se identifican los recursos a utilizar, los requisitos que se van a exigir.

3. Reconocer las variables del sistema: Se han de identificar las variables que interviene en el sistema y que son de inters para nuestro modelo, stas se pueden clasificar en: Variables exgenas: son variables externas al modelo y existen con independencia de l.Se consideran variables de entrada. stas a su vez se pueden dividir en dos grupos: Variables controlables o de decisin (factores) : son aquellas sobre las que el analista puede decidir su valor dentro de ciertos lmites. Variables incontrolables o parmetros: sus valores no se pueden decidir sino que vienen fijados. Las variables sern controlables o incontrolables dependiendo de quin las defina. Variables endgenas: son variables internas y las variables de salida del modelo. Son funcin de las variables exgenas y de la estructura del modelo.

4. Especificacin de las restricciones de las variables de decisinEs importante considerar cuidadosamente las restricciones sobre las variables de decisin, ya que definen el posible espacio de soluciones dentro del cual se buscar una buena solucin o la ptima usando el modelo de simulacin.

5. Desarrollar una estructura preliminar del modelo que interrelacione las variables del sistema y las medidas de ejecucin.Para evaluar la efectividad de un sistema, se debe identificar una medida o medidas de comportamiento (o ejecucin) para juzgarlo. Estas medidas se seleccionan del conjunto de variables endgenas. La medida o medidas que se pretenden optimizar se conocen como funcin objetivo.Hay veces en las que existe una nica funcin objetivo dominante y entonces se intenta optimizar sta sin tener en cuenta las otras variables, aunque siempre considerando las restricciones.En otras ocasiones existe ms de una funcin dominante, en este caso, hay que estudiar las distintas funciones objetivo e intentar encontrar valores para los cuales las funciones son ptimas.Cuando se quiere tener en cuenta varias medidas de comportamiento, a menudo no se podrn optimizar simultneamente. Lo ideal sera hacer mnimas ambas medidas, el tiempo de espera y el costo de tener los empleados, pero si se minimiza una de ellas la otra aumenta.Los modelos son abstracciones de las partes esenciales del sistema. Se ha de intentar ver si con las variables que se han especificado se tiene suficiente para describir estos aspectos importantes del sistema (si no se tienen suficientes entonces el modelo no ser una buena representacin del sistema), o por el contrario se han definido ms de las necesarias.

5.3 Operaciones unitarias del proceso5.3.1. Reactor

El reactor est destinado a ser el equipo donde se produzca la reaccin para la conversin del metanol en formaldehido, que es nuestro producto final, y este formaldehido obtenido ser acondicionado para su venta por otros equipos que existirn despus del reactor.La reaccin bsica que se producir en el reactor ser:

Generalmente esta reaccin irreversible se lleva a cabo con la ayuda de catalizadores. Se va a usar catalizadores metlicos, por lo que el reactor deber estar acondicionado para contener este tipo de catalizador y las condiciones de operacin a las que opera el catalizador.Tipo de reactorEn Ingeniera Qumica el reactor es la instalacin donde se produce a reaccin qumica existiendo diferentes tipos dependiendo de las caractersticas de reactivos y productos, las condiciones de operacin y los requisitos tcnicos, operacionales, legales, medioambientales, de seguridad, control, etc. Los tipos bsicos de reactores son los reactores homogneos (todas las sustancias involucradas se encuentran en una misma fase) y heterogneos (alguna o todas las sustancias involucradas Se encuentran en diferentes fases). En nuestro caso, al ser nuestro catalizador un compuesto slido y los reactivos van a introducirse en fase gas, el tipo de reactor elegido debe ser un reactor heterogneo.Dependiendo de las fases que se van a ver involucradas, existirn diferentes clases de reactores que podrn llevar a cabo las reacciones deseadas. As existen reactores especiales para reacciones gas-liquido, otro para solido-fluido, otro para sistemas multifarios, etc. En nuestro caso tenemos dos fases, una slida y una fluida, por lo que las decisiones se centraran en el reactor solido-fluido.Este tipo de reactores se suelen dividir tradicionalmente en dos grupos: reactores de lecho fijo o empacado, y reactores de lecho fluidizado. En nuestro caso, todava no se han desarrollado con xito el catalizador que vamos a usar en forma de partculas que puedan operar con lechos fluidizados, por lo que nos vamos a centralizar en los reactores de lecho fijo.Existen multitud de tipos de reactores de lecho fijo dependiendo de las caractersticas de cada sistema, pero todos se basan en un lecho (o varios lechos) de catalizador inmovilizado por el que pasa el fluido que se quiere reaccionar por la parte superior del reactor. Sobre la superficie del catalizador el reactivo (o reactivos) se adsorbe y reacciona, formando el producto, que posteriormente se desorbera de la superficie del catalizador. Toda la corriente de fluido compuesta por los productos, los inertes y los reactivos sin reaccionar (adems de algunos productos indeseados y otros fluidos) saldr por la parte inferior del reactor.

Como caractersticas generales de los reactores de lecho fijo se pueden describir: El comportamiento de este tipo de reactores es muy similar al modelo de reactor de flujo en pistn. El tamao del catalizador en este tipo de reactores no debe demasiado pequeo para que no se disparen las prdidas de carga y no se formen tapones La gran desventaja de este tipo de reactores con respecto a los fluidizados es su menor control sobre la temperatura y la formacin de puntos calientes que pueden deteriorar el catalizador. La limpieza, regeneracin y retirada del catalizador del reactor cuando este ha perdido su actividad es mucho ms complicada que la de un lecho fluidizado.Dependiendo del nmero de lecho, refrigeracion-calefaccion del lecho y otra serie de condiciones se diferencia entre los diferentes tipos de reactores de lecho fijo. As, como esquemas bsicos de lecho fijo se consideran:Reactor del flujo en pistnEn los reactores de flujo pistn isotrmicos la temperatura no vara con la posicin en el reactor. Adems, no vara con el tiempo por tratarse de un reactor de flujo pistn en estado estacionario. La velocidad de reaccin ser slo funcin de la conversin (o de la concentracin) En realidad los reactores de flujo en pistn son reactores tubulares que tienen la particularidad de que en ellos se supone que no existe retromezcla (backmixing) y que cada porcin de corriente de entrada que ingresa no se mezcla para nada con su inmediata posterior, la composicin de cada diferencial de volumen va variando respecto a la longitud del reactor.Ecuacin de diseo:

5.3.1.1. Ecuaciones de diseo del reactor

Metanol: Oxigeno: Formaldehido: Agua: Hidrogeno:

IA= 42.93E 3 * (t-t0) + 4.1505E 5 * (t2-t02) 6.233E 9 * (t3-t03) 2.0075E 12 * (t4-t04)IB= 29.1E 3 * (t-t0) + 5.79E 6 * (t2-t02) 2.0253E 9 * (t3-t03) 3.27755E 13 * (t4-t04)IC= 34.28E 3 * (t-t0) + 2.134E 5 * (t2-t02) 2.1735E 12 * (t4-t04)ID= 33.46E 3 * (t-t0) + 3.44E 6 * (t2-t02) 2.535E 9 * (t3-t03) 8.9825E 13 * (t4-t04)II= 29E 3 * (t-t0) + 1.0995E 6 * (t2-t02) 1.9077E 9 * (t3-t03) 7.1775E 13 * (t4-t04)PARA LA SEGUNDA REACCION pi =1000[(IC) + (IE) (IA)] kj/hrIA= 42.93E 3 * (t-t0) + 4.1505E 5 * (t2-t02) 6.233E 9 * (t3-t03) 2.0075E 12 * (t4-t04)IC= 34.28E 3 * (t-t0) + 2.134E 5 * (t2-t02) 2.1735E 12 * (t4-t04)IE= 28.84E 3 * (t-t0) + 3.825E 8 * (t2-t02) 1.096E 9 * (t3-t03) 2.174E 13 * (t4-t04)

EL CALOR DE REACCION A LA TEMPERATURA DE REFERERENCIA DE 25 C ES:HRxn1 (Tref )= H D (Tref ) + Hc (Tref ) 1.5 HB (Tref ) HA (Tref )HRxn2 (Tref )= H E (Tref ) + Hc (Tref ) HA (Tref )Metanol(A): HA = - 201200(kj/kmol)Oxigeno (B): H B = 0Formaldehido (C): Hc = - 115900(kj/kmol)Agua (D): HD= -241830 (kj/Kmol)Hidrogeno (E): HE= 0Nitrogeno (I): HI= 0

Relacin de flujo del refrigeranteMc= (Q kj/hr)/ (1910 kj/kg)Q= mc*Intercambiador de calor dentro del reactor

Por lo tanto

A= Q/ (U.Tlm)n= A/(.d0l)5.3.2 Torre de absorcin. Absorbedor con lecho empacadoLos absorbedores de lecho empacado son los absorbentes ms comunes utilizados para la extraccin de gas. El lquido de absorcin se dispersa sobre el material de embalaje, que proporciona una gran superficie para el contacto gas-lquido. Los lechos empacados se clasifican de acuerdo a la direccin relativa del flujo de gas a lquido en dos tipos. El absorbedor de lecho empacado ms comn es la torre con flujo a contracorriente.La corriente de gas entra en el fondo de la torre y fluye hacia arriba a travs del material de embalaje y sale desde la parte superior despus de pasar a travs de un eliminador de vapor. Se introduce lquido en la parte superior del lecho empaquetado por aerosoles o aliviaderos y fluye hacia abajo sobre el embalaje.El mximo (L / G) en flujo a contracorriente est limitada por las inundaciones, que ocurre cuando la fuerza hacia arriba ejercida por el gas es suficiente para impedir que el lquido fluye hacia abajo. El mnimo (L / G) se fija para asegurar que una fina pelcula lquida cubri todos los materiales de embalaje.El material de empaqueEl propsito principal del material de embalaje es dar una gran superficie de contacto para la transferencia de masa. Sin embargo, el embalaje especfico seleccionado depende de la corrosividad de los contaminantes y el lquido de lavado, el tamao del absorbedor, la cada de presin esttica, y el costo. Hay tres tipos comunes de material de embalaje: Malla Anillo, y Saddles.5.3.2.1. Ecuaciones de Diseo de la Torre de AbsorcinBalances de masa en una torre de absorcinBalance general:

Para el componente de inters:

Inerte en fase gaseosa

Inerte en fase lquida

Moles del componente de inters en fase gaseosa

donde Por la fase gas:

Por la fase lquida:

La relacin de inertes tambin es conocida como lnea de operacin y con ella es posible cuantificar los balances de masa en cualquier punto de la unidad de proceso

Por lo regular

Balances de Energa en una torre de absorcinEtapa de equilibrio simple

Balance de componentes

Balance de energa para una etapa de equilibrio simple

donde

Balance de energa para una etapa de equilibrio con alimentacin

Balances de componentes

Balance de energa

donde

Dimensionamiento de la torre de embalaje.Algunas de las suposiciones que se tomaron en cuenta para el diseo son:1. G y L representan los flujos de Gas y Lquido.2. x & y son las fracciones mol de Metanol en lquido y gas, respectivamente.3. Columna empacada (2 Sillas Berl cermica)Dimetro de la torre de lecho empacado.La velocidad del gas es el parmetro principal que afecta el tamao de una columna de relleno. Para la estimacin de la velocidad de inundacin y un dimetro mnimo de la columna es utilizar una inundacin y la presin de correlacin de cada generalizada. Una versin de la relacin de cada inundaciones y la presin para una torre de relleno en la correlacin Sherwood, que se muestra en la Figura 2.Clculo del dimetro

G = Flujo msico de gas por unidad de rea seccional-transversal de la columna [g/s*m2] = Densidad de la corriente gaseosa = Densidad de la corriente lquida gc = Constante gravitacional F = Factor de empacamiento dado = Proporcin de la densidad relativa del lquido de lavado a la del agua = Viscosidad del lquido

Altura del empaqueA partir de los datos de equilibrio:

= Nmero de unidades de transferencia basadas en un coeficiente general de la capa del gas = Altura de unidad de transferencia basada en un coeficiente general de la capa del gas, m = Fraccin mol de soluto en el gas entrante = Fraccin mol de soluto en el gas de salida

HOG se obtiene de la tabla 15-4 de Separation Process Engineering.

5.3.3 Torre de destilacin. Esta seccin representa un diseo del equipo y el tamao de la unidad de destilacin del proyecto a largo plazo en la produccin de formaldehdo a partir de metanol.Los clculos preliminares se presentarn en primer lugar para servir como lnea de base de todos los clculos que siguen. Estos clculos incluyen un balance de masas de la unidad de destilacin, las propiedades fsicas medias de los componentes y volatilidades relativas.La relacin de reflujo mnimo de la columna se obtiene a travs de las ecuaciones de Underwood. El dimetro de la columna se dimensiona en la seccin de rectificacin y la seccin de agotamiento. El nmero mnimo de etapas se obtiene a travs de la ecuacin de Fenske junto con sus eficiencias correlacionadas. La simulacin de procesos HYSYS fue utilizado para simular la unidad de destilacin utilizando una versin modificada del paquete termodinmico 'NRTL'.5.3.3.1. Ecuaciones de diseo de la torre de destilacin Esta primera seccin del diseo se fija para presentar los clculos iniciales necesarias en el diseo y dimensionamiento de la columna de destilacin. Estos clculos incluyen balance de materiales, propiedades fsicas del sistema y las volatilidades relativas de los componentes participantes.Balance de materia.Este balance inicial de masa alrededor de la columna de destilacin da una indicacin de la exactitud de los parmetros simulados que se van a utilizar en los prximos clculos en un kmol/hr. base.Supuestos:# ComponenteComponenteClave

1MetanolClave ligero (LK)

2FormaldehdoNo clave pesado (HNK)

3AguaClave pesado (HK)

Balance global .(1).(2)(3)Donde:F= Flujo de alimentacin.B= Flujo en el fondo.D=Flujo en el domo.XDi= fraccin mol en el domo.XBi= fraccin mol en el fondo.Balance por componentes: Para el metanol.(4).(5)(6)

Para el agua:(7)

(8)Propiedades fsicas.Los parmetros fsicos que deben incluirse son el peso molecular y densidad media sobre la base de fracciones molares de los componentes tanto en la rectificacin y seccin de agotamiento.Peso molecular.Para calcular el peso molecular promedio se utiliza la siguiente ecuacin:Dnde:M= MetanolF= FormaldehdoW= Agua Para la zona de rectificacin:(9)Para la zona de agotamiento...(10)

Para calcular la densidad media:.(11)..(12)Volatilidades relativas.La volatilidad de cada componente se calcula para la rectificacin y secciones de agotamiento y su media relativa a un componente de referencia con metanol es en nuestro casoSeccin de rectificacin:(13)(14)..(15)Donde:= volatilidad relativa de un componente con respecto a otro en la zona de rectificacin.Y= fraccin mol de un componente en el vapor.X= fraccin mol de un componente en el liquido.Seccin de agotamiento:..(16)..(17)..(18)Media geomtrica (utilizado para la ecuacin de FENSKE)(19).(20).(21)Reflujo mnimo.Esto se refiere a la determinacin de las relaciones de reflujo externos e internos mnimos para la columna de destilacin T-101. La aplicacin se realiza mediante la utilizacin de mtodo aproximado con la ecuacin de Underwood. Para facilitar el enfoque del Underwood utilizamos los siguientes supuestos:- Constante molar de desbordamiento (OCM)- No claves estn distribuidas con (DXF) = 0 kmol / hr.- Volatilidades relativa constante- Desde fraccin lquida q = 0.9963, se asume la alimentacin lquida saturada(22)(23)Desarrollar para cada componente...(24)Para calcular el vapor mnimo:(25)Desarrollar para los dos componentes ..(26)

Dimetro de la columna.Estas caractersticas incluyen alta capacidad, eficiencia relativamente alta, de bajo costo, baja tendencia de ensuciamiento y los requisitos de mantenimiento bajos.Dimetro de la seccin de rectificacin.El primer paso es la determinacin del parmetro de flujo como sigue:(27)Se calcula la velocidad de operacin de la siguiente manera:..(28)Balance de masa externo..(29)Dimensionamiento del dimetro de la seccin superior .(30)Dimetro de la seccin de agotamiento.(31)..(32)

Dimetro de la seccin de agotamiento.(33)Numero de etapas mnimasEcuacin de Fenske para calcular el nmero mnimo de platos. Para sistemas de volatilidad relativa constante, , Fenske demostr una ecuacin para el nmero mnimo de etapas a reflujo total en una columna de destilacin. Para una mezcla multicomponente, la ecuacin de Fenske se expresa en trminos de las concentraciones en el destilado, D, y en los fondos, W, de los componentes escogidos como clave liviano, LK y clave pesado, HK, y, adems, de la volatilidad relativa del componente clave liviano con respecto a la del clave pesado. La ecuacin de Fenske es.(34)

Numero de etapas tericasCorrelacion de gillilandCon la siguiente grafica se calcula la ordenada y se calcula N de la ecuacin: ..(35)

Etapa optima de alimentacin ..(36)

Eficiencia y altura de la columnaDado que los dimetros de la seccin de rectificacin y la seccin de separacin son diferentes, se ha de considerar en el diseo de la columna un ligero cambio en la eficiencia de la bandeja. La eficiencia de las bandejas debe ser determinada usando Correlacin O'Connell que se estima la eficiencia como una funcin del producto de la viscosidad del lquido de alimentacin y la volatilidad de los componentes clave de la siguiente manera

Eficiencia lateral superior.(37)

Eficiencia lateral inferior

(38)Altura de la columna.La altura de la columna depende en gran medida de la separacin entre los platos perforados. En nuestro diseo, 18 pulgadas fueron elegidos para espaciar para proporcionar un espacio razonable para facilitar la accesibilidad para los trabajadores manuales para rastrear entre las placas para el mantenimiento.(39)

6. Documentos de Ingeniera Bsica6.1. Generalidades del Proceso de obtencin de Formaldehdo a partir de MetanolEl formaldehido es una sustancia de suma importancia porque sirve como base de sntesis para otros compuestos qumicos. En este trabajo se propone su obtencin a partir de una reaccin de oxidacin cataltica con una conversin del 87.4% en la cual se utiliza plata como catalizador. El proceso utiliza metanol y oxgeno como materias primas para lograr una capacidad de produccin de 60 000 ton/ao de formalina, teniendo como subproductos monxido de carbono, dixido de carbono, formato de metilo y cido frmico.El proceso puede ser dividido en tres etapas importantes: Reactor Absorbedor Columna de destilacin6.2. Descripcin del Proceso de Formaldehido a partir de MetanolAcondicionamiento de materias primas.Se alimentan desde lmite de batera paralelamente dos corrientes; la primera es aire del ambiente a 1atm (1), la cual se comprime C-101 a 3atm (5) y es enviada al intercambiador de calor E-102 que calienta 150C (7); la segunda, es metanol fresco 25C y 1atm (2) la cual se mezcla con el reciclado de metanol (15); la mezcla (3) se bombea P-101 a 3 atm (4) enviada al intercambiador de calor E-101 que calienta a 150C (6), donde se mezclan las corrientes (8).Etapa de reaccin. Se alimenta (8) al reactor R-101 donde se lleva a cabo la reaccin de oxidacin cataltica en fase gaseosa a una conversin del 87.4%, en la descarga (9) se obtiene una mezcla de gases 200C, la cual pasa a una vlvula reguladora a la siguiente etapa la cual disminuye la temperatura a 165C y presin de 1.2 atm (10).Etapa de absorcin.La mezcla gases entra fondo del al absorbedor T-101, paralelamente se agrega agua desde el lmite de batera a contracorriente (11) a 20C y 1atm. Al realizarse la separacin al 99% se libera hacia el lmite de batera una mezcla de gases (12), en el fondo (13) se obtiene una mezcla liquida de formalina 89.31C y 1.2atm, se calienta E-103 a 102C (14).

Etapa de separacin.La torre de destilacin T-102 recibe la mezcla lquida (14); en el domo se obtiene metanol que es condensado E-104 y almacenado V-101 donde libera hidrgeno fuera de lmite de batera, posteriormente una parte es bombeado P-102 a T-102 y el resto se recircula (15) a 68.3C y 1.2atm a la corriente de alimentacin de metanol fresco (2). En el fondo se obtiene formalina a 110C (16); es bombeado P-103 a 3atm (17), para mezclarse con agua desionizada a 30C (18) obteniendo formalina al 37% (19), el producto se enfra E-106 a 30C para su posterior almacenamiento.

6.3. Diagrama de flujo del procesoAnexo en CD 6.4. Tablas de balance de materia y energa

Tabla 1 Balance de masa en Kmol/hrNmero de corriente12345678910

Metanol085.5497.7997.79097.79097.7912.3212.32

Oxigeno38.4600038.46038.4638.4600

Formaldehido0000000085.4785.47

Agua001.311.3101.3101.3178.2378.23

Hidrogeno000000008.488.48

Nitrgeno144.70000144.700144.40144.70144.70144.70

Sumatoria Kmol/hr183.1685.5499.1099.10183.1699.10183.16282.26329.21329.21

Nmero de corriente11121314151617181920

Metanol0012.3212.3212.300.040.0400.040.04

Oxigeno000000000.000

Formaldehido00.8584.6284.62084.5284.52084.5284.52

Agua182.63129.38131.49131.491.32130.26130.26109.20239.46239.46

Hidrogeno08.4800000000

Nitrgeno0144.7000000000

Sumatoria Kmol/hr182.63283.41228.43228.4313.61214.82214.82109.20324.02324.02

Tabla 2 Balance de masa en composicin kg/kgNmero de corriente12345678910

Metanol010.98680.986800.986800.34650.03740.0374

Oxigeno0.210000.2100.210.136300

Formaldehido000000000259602596

Agua000.01320.013200.013200.00460.23760.2376

Hidrogeno000000000.02580.0258

Nitrgeno0.790000.7900.790.51260.43950.4395

Sumatoria Kg/kg1111111111

Nmero de corriente11121314151617181920

Metanol000.05390.05390.90340.00020.000200.00010.0001

Oxigeno0000000000

Formaldehido00.0030.37040.370400.39340.393400.26080.2608

Agua10.45650.57560.57560.09660.60640.606410.73900.7390

Hidrogeno00.029900000000

Nitrgeno00.50600000000

Sumatoria kg/kg1111111111

Tabla 3 de balance de energaEquipoBalance energtico (KJ/hr)

Intercambiador de calor (E-101)4217368.59

Intercambiador de calor (E-102)607730

Intercambiador de calor (E-103)105975.16

Intercambiador de calor (E-104)-509157.15

Reboiler Destilacin (E-105)571017.54

Enfriador de formalina (E-106)-392.35

Compresor de aire (C-101)1215098.58

Bomba (P-101)1033.025

Bomba (P-102)60.751

Bomba (P-103)1856.6

7. Anlisis del proceso en base a la Metodologa jerrquica de Douglas

Nivel 0. Informacin de entrada.Reaccin3+122+23+2

Conversin87.4%

Tipo de reaccinExotrmica

Materias primasMetanol Aire Catalizador de xido de plata Agua

Presin de operacinLigeramente > 1atm

Temperatura de operacin25-150C

Catalizadorvida til3-8 meses

Nivel 1. Decisin: Batch vs Continua.El objetivo del proyecto es disear una planta con una capacidad de 60000 toneladas de formalina/ao, de esta manera, el proceso global puede ser considerado como continuo.

Entradas y salidas del proceso global.Corriente120

Metanol0.00.04

Oxigeno38.460.0

Formaldehido0.084.52

Agua0.0239.46

Hidrogeno0.00.0

Nitrgeno144.700.0

Total183.16324.02

Nivel 2. Estructura de diagrama de flujo (entrada y salida).Decisiones para la estructura de entrada y salida La purificacin de las entradas. Las materias primas, provenientes del lmite de batera, sern acondicionadas, antes de ingresar al reactor, de la siguiente manera:El metanol se combina con el reciclado de metanol que proviene de la columna de destilacin, para posteriormente ser bombeada a un intercambiador de calor el cual aumentar la temperatura de la mezcla.El aire ser comprimido para aumentar su presin, posteriormente ser enviado a un intercambiador de calor para elevar su temperatura y ser mezclado con el metanol para ingresar al reactor. Recuperar o reciclar subproductos reversibles. Metanol, obtenido en el domo del destilador, ser recirculado para mezclarse con metanol puro de la corriente de entrada proveniente del lmite de batera. Gas de reciclo y purga. No recuperar y reciclar algunos reactivos. Nmero de corrientes de productos. Se obtienen tres corrientes de productos, la primera de ellas proveniente del absorbedor, liberando hacia el lmite de batera una mezcla de formaldehdo, agua, hidrgeno y nitrgeno en forma gaseosa; la segunda, proveniente de la columna de destilacin, liberando hidrgeno hacia el lmite de batera; y la ms importante de ellas, obteniendo formalina al 37%. Evaluacin del diagrama de flujo. Las variables de diseo, balance de materiales en general, y los costos de flujo. Variables de Diseo.

Entradas y salidas del reactorCorrientes8, 9

Materia primaMetanol, aire

Conversin87.4%

CatalizadorAg

subproductosAcido frmico, CO, H2, CO2, H2Oter dimetilo

EntradasAire , metanol, agua,

SalidasFormaldehido, Acido frmico, CO, H2, CO2, H2Oter dimetilo

Condiciones de entrada3 Atm, 150C

Condiciones de salida3 Atm, 200C

Entradas y salidas de la torre de absorcin.Entradas (kmol/hr)Salidas (kmol/hr)

Corriente10121113

Metanol12.320.00.012.32

Formaldehido85.470.850.084.62

Agua78.23129.38182.63131.49

Hidrogeno8.488.480.00.0

Nitrgeno144.70144.700.00.0

Total329.21283.41182.63228.43

Entradas y salidas para la torre de destilacinEntradas (Kmol/hr)Salidas (Kmol/hr)

Corriente141517

Metano12.3212.29820.0372

Formaldehido84.61790.084.5192

Agua131.48511.3157130.2598

Hidrgeno0.00.00.0

Nitrgeno0.00.00.0

Total228.425213.6139214.8161

Nivel 3. Estructura de re-circulados.

El sistema cuenta con un solo reactor. Slo existe una recirculacin en el proceso la cual consiste de Metanol en fase lquida la cual es bombeada desde la torre de destilacin hasta la corriente 2 del proceso.Como y lo habamos mencionado e l nivel 3 trata de la estructura de recirculacin y hay que tomar en cuenta factores importantes, adems hay que valorar si es necesario recircular o no, en el caso de los lquidos es ms econmico porque slo se necesitan bombas. Se utiliza en la mayora de industrias ya que es una metodologa de optimizacin muy comn. El objetivo de este mtodo es volver a utilizar un flujo de materia el cual no se ha podido tratar en las diferentes unidades del proceso en nuestro caso la columna de destilacin, el metanol fresco que es nuestra materia prima, adems se necesita tener una recirculacin para dar mayor eficiencia a la columna al poner en contacto la fase liquida con la fase vapor ya que sin esta recirculacin no tendra la misma composicin en nuestro proceso aqu, la columna de destilacin recibe el lquido proveniente del absorbedor y se separa, a continuacin la sobrecarga de metanol en la corriente se recircula para alimentar punto de mezcla metanol fresco.

Nivel 4. Especificacin del sistema de SeparacinEl proceso cuenta con un absorbedor y una torre de destilacin para el sistema de separacin. En el absorbedor se libera una mezcla de gases hacia el lmite de batera mientras que en el destilador se libera hidrgeno. Las mezclas lquidas obtenidas en cada uno de los separadores son utilizadas durante el proceso.Condiciones de alimentacin en la torre de absorcin.Corriente10111213

Temperatura (C)1653077.8381.96

Presin (Kpa)241101.3101.3101.3

Flujo molar (Kmol/hr)335.2182.6292.1225.7

Condiciones de alimentacin en la torre de destilacin.Corriente14151617

Temperatura (C)10268.3110110

Presin (Kpa)121.59121.59101.325303.975

Flujo molar (Kmol/hr)228.425213.6139214.8161214.8161

Nivel 5. Redes de intercambiadores de calorA lo largo del proceso se involucran 6 intercambiadores de calor de los cuales 4, reciben vapor a media presin y 2, agua de enfriamiento.

8. Modelado8.1 Diagrama de flujo de informacin

Matriz del proceso de Formalina a partir del metanol123456789101112131415161718

R+1-1

A+1+1-1-1

D+1-1-1-1

C+1-1

EA1+1-1

EA2+1-1

EA3+1-1

EA4+1-1

13

M-101P-101E-101C-101E-102M-102R-101V-101T-101E-103T-102E-104VS-101P-102E-105P-103M-103E-106

M-101010000000000000000

P-101001000000000000000

E-101000001000000000000

C-101000010000000000000

E-102000001000000000000

M-102000000100000000000

R-101000000010000000000

V-101000000001000000000

T-101000000000100000000

E-103000000000010000000

T-102000000000001001100

E-104000000000000100000

VS-101100000001000010000

P-102000000000010000000

E-105000000000010000000

P-103000000000000000010

M-103000000000000000001

E-106000000000000000000

Matriz de incidencia de Formalina a partir del metanol

8.2 Algoritmo de Lee & Rudd

Ecuaciones del reactor

9) Incgnitas

2) dW

Grados de libertad = 10-9 =1Variables de entrada.

P = Presin del reactorT = Temperatura del reactorCTo = Concentracin total inicialFAo = Flujo de metanol inicialFA = Flujo final de metanolP = 3atmT = 343CCTo = 1FAo = 97.79 kmol/hrFA =Nota: Se pueden dar cualquier valor.

Paso 1dFAdWA1A2CAK1K2K3K4Conv.

1XXXX

2XXXX

3XXXX

4XX

5X

6X

7X

8X

9XX

Paso 2dFAA1A2CAK1K2K3K4Conv.

2XXXX

3XXXX

4XX

5X

6X

7X

8X

9XX

Paso 3dFAA1A2CAK1K2K3K4

2XXXX

3XXXX

4XX

5X

6X

7X

8X

Paso 4dFAA2CAK1K2K3K4

3XXXX

4XX

5X

6X

7X

8X

Paso 5dFACAK1K2K3K4

4XX

5X

6X

7X

8X

Paso 6dFACAK2K3K4

4XX

6X

7X

8X

Paso 7dFACAK3K4

4XX

7X

8X

Paso 8dFACAK4

4XX

8X

Orden de solucin.

8)

Algoritmo de Lee y Rudd para el absorbedorEcuaciones:..................(1) f1 (L,G, a, L,)Gi=.............(2) f2(=O.55.............(3) f3Ap=...................(4) f4 (G, Ap)Dp=.............(5) f5(Ap,Dp).......(6) f6(Dp,)Z=..............(7) f7(........(8) f8 (Se conocen (L,G, g, L, gC,F,

G.L.=

F2F31F4F5F6F7F8F111

LG11GGGGGLF111gcAp1ZN0GH0G1DT11Dp11G01Gi1111F

yA*out inyA inyA outyA*in

F2F31F4F5F6F7F8

LG11GGGGGLF111Ap1gcZN0GH0G1DT11Dp11G01Gi1111F

yA*out inyA inyA outyA*in

F31F4F5F6F7F8

LG11GGGGGLF111gcF11Ap1ZN0GH0G1DT11Dp11G01

yA*out inyA inyA outyA*in

F4F5F6F7F8

LG11GGGGGLF111gcF11Ap1ZN0GH0G1DT11Dp11

yA*out inyA inyA outyA*in

F5F6F7F8

LG11GGGGGLF111gcF11ZN0GH0G1DT11Dp11

yA outyA*inyA*out inyA in

F6F7F8

LG11GGGGGLF111gcF11ZN0GH0G1DT11Dp11

yA outyA*inyA*out inyA in

F7F8

LZN0GH0G1DT11G11GGGGGLF111gcF11

yA outyA*inyA*out inyA in

F7

LZH0G1DT11G11GGGGGLF111gcF11

yA outyA*inyA*out inyA in

Variables a especificar (G.L) = 13(L, G, G, L, gc, F, , , H0G, yA in, yA out, yA* in, yA*out)

L

Gi11G01Ap1Dp11DT11

GF111F2F31F4F5F6

GGGGGG11

LF111

Algoritmo de Lee y Rudd para la torre de destilacinEcuaciones:.(1)

F Xf = B XB +D XD ..(2)

(3)

(4)

(5)

(6)Paso 1FBDXfXMDXMBXWBXWDRmin MM WM geoNminNNTOPNbotecuaciones

XxX1

xxXxxx2

Xxxxxx3

XxxxXx4

Xx5

xxxX6

Paso 2FBDXfXMDXMBXWBXWDRmin MM WM geoNminNecuaciones

XxX1

xxXxxx2

Xxxxxx3

XxxxXx4

Xx5

Paso 3FBDXfXMDXMBXWBXWD MM WM geoNminNecuaciones

XxX1

xxXxxx2

XxxxXx4

Xx5

Paso 4FBDXfXMDXMBXWBXWD MM WM NminNecuaciones

XxX1

xxXxxx2

Xx5

Paso 5FBDXfXMDXMBXWBXWD MM WM Necuaciones

XxX1

xxXxxx2

Paso 6

FBDXMDXMBXWBXWD MM WM Necuaciones

XxX1

De la ecuacin (1)F = f(B , D) De la ecuacin (2)Xf = f(F, B, D, XMD, XMD)De la ecuacin (3)Nmin =f(N)De la ecuacin (4)Nmin, XWD, XWB, XMD, XMB)De la ecuacin (5)Rmin =f(, XWD, XMD, MM, WM)De la ecuacin (6)NToP/Nbot = f(F, D, B)

Algoritmo de Lee & Rudd de intercambiador de calor

Cambiador de calor en contracorrienteVariables:1. K, tipo de cambiador de calor (tubo con aletas, doble tubo, flujo en contracorriente, flujo en paralelo.2. Q, calor trasferido.3. A rea de intercambio4. U coeficiente global de transmisin de calor.5. W1 6. W2 Caudales msicos de los fluidos7. W38. W49. t110. t2 Temperaturas 11. t312. t413. (t) ml media logartmica de la diferencia de temperatura.Ecuaciones:1. 2. definicin de la media logartmica de las temperaturas.3. 4. Conservacin de la masa5. 6. Energa trasferida entre dos corrientes.U es una funcin de los caudales y de las propiedades de los fluidos ( que dependen de la temperatura) y del tipo de cambiador. Por tanto:7. Ahora para calcular los grados de libertad totales.

Esto quiere decir que el sistema est sobre especificado.

Matriz de incidencia.

#KQAUW1W2W3

W4

t1

t2t3

t4

(t) ml

1XXXX

2XXXXX

3XX

4XX

5XXXX

6XXXX

7XXXXXXXXXX

Lee & Rudd Grados de Libertad en el intercambiador de calor Ecuaciones .1 ..2 3 4 ..5 .6Para el clculo de Grados de libertad.

Variables= 8Ecuaciones=6

#Q1m1T1T2Q2m2t1t2QTUU0TAT

1XXXX

2XXXX

3XXXX

4XX

5XXXXX

6XXXXXX

#Q1m1T1T2Q2m2t1t2QTUTAT

1XXXX

2XXXX

3XXXX

5XXXXX

6XXXXXX

#Q1m1T1T2Q2m2t1t2T

1XXXX

2XXXX

5XXXXX

6XXXXXX

#m1T1T2Q2m2t1t2T

2XXXX

5XXXXX

6XXXXXX

#m1T1T2m2t1t2T

5XXXXX

6XXXXXX

#m1T1T2m2t1t2

6XXXXXX

Algoritmo de Lee & Rudd mezclador.

F2F1

F

BALANCE DE MATERIA POR COMPONENTEF1X1 + F2X2 = FX1BALANCE DE ENERGA F1h1 + F2h2 +Q =Fh ; h entalpias especificas correspondientes a cada una de las corrientesNv =10 ; Neq=2G.L. = 10-2=8 Para un componentePara C componentesVariablesCorrientes de entrada y salida 3(C+2)Corriente d eenergia 1Total de variables 3 C+7

Ecuaciones y restriccionesBalance de materia CBalance de energa 1Total de variables C+1

NVD = (3C+7)-(C+1)

NVD=2C +6

F1Xi1 + F2Xi2 = FXij f1( F1, Xi1,F2, Xi2, F, FXij)F1h1 + F2h2 +Q =Fh f2 (F1, F2,h1, h2, h,Q)Nv = 10-2=8

Xi2 XijF1F2h2h21hQFF2F1

Xi2 XijF1F2h2h21hQFF2Xi1

(Vf)=1 si ;f2 = hvariables a especificar: Xi2 Xij , f2 F1, F2,h1, h2, h

Algoritmo de Lee & Rudd compresor

F1

F2Ws

BALANCE DE MATERIA POR COMPONENTEFi1 = Fi2BALANCE DE ENERGA F1h1 + Wsi= F2h2IGUALDAD DE ENTROPAS F1S1=F2S2Nv =2C+5NE = C+2G.L. = 2C+5- C-2= C+3G.L. = C+3NMERO DE VARIABLESF1 = F2 F1(F1 ,F2 )F1h1 + Wsi= F2h2 F2(F1,h1,Wsi,F2,h2 ) F1S1=F2S2F3(F1,S1, F2, S2)

F3F1F2h1h2S1S2

F2F1

Ws

F1F2h2S2F1F3

h1S1

F1h1F1F2h2S2

(Vf)=1 sivariables a especificar.(f2,h1,h2,S2)

Algoritmo de Lee & Rudd vlvula

F2F1

Balance de materiaF1X1 =F2X2Balance de energaF1h1+Q=F2h2

Grados de libertadNv-NEcNv= 2(C+3)NEc=Balance Masa comp C- 1Balance Masa total 1Balance Energia 1Restricciones molares 2

C + 3G . L . = Nv-NEc =2(C+3)- C + 3G . L . = C + 9

F1X1 =F2X2 F1 ( F1,X1,F2,X2)F1 h1 +Q = F2 h2 F1 ( F1,h1,F2,h2,Q)

Xi2 F1F2h2h21hQFF2F1

Xi2 F1F2h21QF2Xi1

h1

variables a especificar: XX1 , F1, F2,h1, h2,

9. Anlisis de resultadosA partir de la metodologa jerrquica de Douglas se analiz el proceso y se separ en sus partes principales para posteriormente aplicar el algoritmo conveniente para la solucin de cada uno de los equipos.Conforme a los objetivos se aplic el algoritmo de Lee & Ruth para cada etapa principal del proceso y para sus equipos secundarios, por ende, se obtuvo la secuencia de solucin para cada etapa.

10. ConclusionesSe cumplieron los objetivos con respecto a la aplicacin de las diferentes metodologas, adems de la correcta seleccin del algoritmo para la correcta solucin matemtica de los diferentes equipos en el proceso.

11. Bibliografa

Estrategia en ingeniera de procesos. C. Watson Charles, F. Rudd Dale, editorial ALHAMBRA, Madrid 1976, pag. 47-49Modelado, Simulacin y Optimizacin de Procesos Qumicos. Dr. Nicols Jos SCENNA. ISBN: 950-42-0022-2 - 1999Diseo de Procesos en Ingeniera Qumica. Arturo Jimnez Gutirrez. Editorial Revert. S.A. ISBN: 968- 6708-51-0Conceptual Design of Chemical Processes. James M. Douglas. Editorial McGraw- Hill. ISBN: 0-07-100195-6Integrate Process Simulation and process Synthesis. Dominic Chwan Yee Foo. CEP Magazine Octubre 2005Simulacin de Procesos en Ingeniera Qumica. Vctor Hugo Martnez Sifuentes. Plaza y Valdez Editores. ISBN: 968-856-755-8