Integrar Flujos de Materiales y Energía

El diseño de productos, procesos y sistemas debe incluir integración e interconectividad con los flujos de energía y materiales disponibles.

Contribuido por el Dr. Concepcíon Jiménez-González, Director, Desarrollo de nuevos productos Clear Skin, Stiefel Skin Health, una compañía de GSK

Cuando pasamos años trabajando en una nueva síntesis para producir la próxima gran reacción o molécula, es muy fácil mantener nuestro enfoque en nuestro pequeño mundo de reactores de laboratorio, columnas cromatográficas, HPLC y todos los demás equipos apreciados. Quizás nos familiarizamos tanto con una parte del proceso que ahora conocemos los detalles más complejos del reactor y la reacción, y tenemos nuestras ideas sobre cómo maximizar su eficiencia.

Sin embargo, cuando se transfiere a una escala mayor, un proceso químico es un sistema de unidades, entradas, salidas y corrientes de reciclaje interrelacionadas. A pesar de que puede ser más fácil estudiar unidades separadas a medida que conocemos su funcionamiento interno, el proceso químico no es realmente un conjunto de partes separadas, sino una unidad completa donde los componentes individuales están íntimamente relacionados entre sí, de forma similar a nuestros cuerpos, con un alcance global. funciones sistémicas además de los órganos individuales.

El principio de integración de flujos de materiales y energía nos recuerda que debemos tratar los procesos como un sistema completo y utilizar las interrelaciones de las partes para nuestro beneficio. Los ingenieros químicos reconocerían esto como la aplicación de la integración de procesos. La integración de procesos se entiende mejor como un marco holístico y sistemático para optimizar la masa y la energía requeridas para un proceso dado.

De Gallina y Hombres

Por supuesto, la masa y la energía están íntimamente relacionadas en cualquier proceso de producción, ya que, por ejemplo, un proceso químico puede describirse como la forma en que convertimos la masa y la energía en un producto más valioso. En un proceso químico, comenzamos con materias primas (masa) y luego requerimos vapor (energía) para llevar a cabo transformaciones químicas y físicas. Como resultado, generalmente tendremos varias corrientes calientes que deben enfriarse y varias corrientes frías que deben calentarse. Para lograr esto, uno podría enfriar todas las corrientes calientes con agua fría o refrigerantes, por ejemplo, y luego calentar todas las corrientes frías con corriente; pero al hacer esto, los requerimientos totales de energía se maximizarían. Para minimizar la cantidad de servicios públicos que deben utilizarse y, por lo tanto, minimizar los costos y los impactos ambientales, utilizamos la integración de procesos, específicamente la integración energética.

La integración energética puede describirse simplemente como el uso de corrientes calientes para calentar corrientes frías, y viceversa, antes de que se utilicen utilidades adicionales, con el resultado de reducir el uso general de las utilidades. El ejemplo más simple es un intercambiador de calor, pero esto podría ser muy complejo, dependiendo del sistema, y ​​uno puede necesitar una red completa de esos intercambiadores de calor en la planta para una integración energética efectiva. Estas redes se conocen como Heat Exchange Networks, o HEN. Hay muchos ejemplos de integración exitosa del calor en una amplia variedad de industrias, como refinerías, petroquímica, química, alimentos y bebidas, pulpa y papel, y metalúrgica. Los resultados netos de la integración de calor aplicada con éxito son los ahorros de costos, el aumento del rendimiento y la reducción de las emisiones y los impactos ambientales.

Red de Intercambio de Calor

Las redes de intercambio masivo, o MEN, son el concepto paralelo para usar flujos de proceso para integrar la masa. Los HOMBRES son muy similares a HEN, pero en lugar de intercambiar energía utilizando flujos de proceso, intercambiamos masa. Por ejemplo, muy a menudo necesitamos separar las especies no reaccionadas de nuestro producto deseado. Podríamos usar un material adicional (por ejemplo, un solvente) para eliminar el material sin reaccionar y enviarlo de vuelta al reactor. Sin embargo, eso conlleva costos e impactos ambientales adicionales. Al usar MEN, aprovechamos las corrientes esbeltas (corrientes con bajas concentraciones de un material dado) para separar y recuperar la masa de las corrientes ricas. La idea es utilizar la mayor cantidad posible de flujos lean para recuperar y potencialmente reciclar los materiales, antes de que tengamos que usar un agente externo, reduciendo así los impactos ambientales y del ciclo de vida en el proceso.

Por supuesto, diseñar HEN y MEN es más fácil decirlo que hacerlo: la transferencia de masa y energía se rige por las leyes termodinámicas y de equilibrio, y por lo tanto requerirá que sus amigables ingenieros químicos del vecindario hagan algunos cálculos y gráficos para producir el diseño, pero ahí es donde La diversión comienza.

Si desea entrar en algunos de los detalles sobre cómo integrar masa y energía, los siguientes documentos pueden ayudarlo.

• El-Halwagi, M. M. Process integration. In Process Systems Engineering, Vol. 7, Academic Press, San Diego, CA, 2006.
• Dunn, R. F., El-Halwagi, M. M. Process integration technology review: background and applications in the chemical process industry. J. Chem. Technol. Biotechnol., 2003, 78, 1011–1021.
• Smith, R. State of the art in process integration. Appl. Therm. Eng., 2000, 20, 1337–1345.
• Jimenez-Gonzalez and Constable, Green Chemistry and Engineering – A practical design approach. John Wiley and Sons, 2010.

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