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III. SÍNTESIS ÓPTIMA DE PROCESOS

3.1 Sistema Total de Proceso

Encontrar el método apropiado para transformar materias primas en productos
útiles para la sociedad es el objetivo principal de la ingeniería química. Este método, al
cual se le conoce como proceso químico, requiere que esté organizado de tal forma que
lo que se produzca en él satisfaga los requerimientos de sus consumidores. Laorganización del proceso debe seguir una secuencia de transformaciones individuales en
las que las propiedades físicas y químicas de la materia prima cambian para convertirse
en el producto especificado. Este cambio de condiciones se lleva a cabo por medio de
reacciones químicas, métodos físicos de separación entre componentes, cambios de
temperatura, presión, etc. Al hacer la selección necesaria decada proceso individual es
muy importante conocer de qué forma se relacionarán unos con otros para generar una
estructura en la que se entienda la transformación total que se lleva a cabo. En adelante,
se referirá al proceso como un sistema total, ya que no sólo se hará el estudio con el
componente que se encarga de convertir las materias primas en el producto deseado,
sino que también seintegrarán todas las partes necesarias para completar la
transformación de manera adecuada.

3.1.1 Partes del Sistema

Un sistema total de proceso está conformado por tres subprocesos (Papoulias y
Grossman, 1983):
•

Planta química

•

Red de intercambio de calor

•

Servicios auxiliares

Cada una de estas partes presenta una característica que la hace común a las otras y
es que todas ellas presentan unasuperestructura, es decir, una representación de todas las

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rutas posibles que se pueden seguir y todas las condiciones de operación que se pueden
manejar para lograr un producto que cumpla con las condiciones de diseño requeridas.
La condición más importante del sistema total de proceso es que no se pueden
alcanzar los objetivos deseados si se deja por lo menos una parte de lado. Estosignifica
que es necesario integrar todas las partes ya que la falta de una provoca el mal
funcionamiento de las demás. Para asociar correctamente los modelos a las partes del
sistema se necesita conocer las mismas.
a) Planta química. Es el componente que muestra cómo convertir una materia prima
en un producto cumpliendo con las condiciones de diseño y operación que se
determinen. En la mayoría de loscasos existen muchos diagramas de flujo potenciales
para la planta que incluyen una gran variedad de equipos de proceso como reactores,
compresores, columnas de destilación y absorbedores, los cuales pueden ser
interconectados de distintas formas.
b) Red de intercambio de calor. El objetivo de éstas es realizar transferencias de
calor y trabajo entre las mismas corrientes de la planta química con elfin de reducir el
uso de servicios auxiliares. La síntesis óptima de este componente es crucial para
establecer la eficiencia energética del sistema total. También se presenta una
superestructura al existir varias configuraciones de redes de intercambio de energía. El
alcance del objetivo depende de tres factores utilizados:
•

Consumo mínimo de servicios auxiliares. Es el objetivo de diseño másimportante para una red eficiente, ya que corresponde a la máxima integración de
calor

que se puede lograr en una posible red para una aproximación de

temperatura fija mínima.
•

Número mínimo de intercambiadores de calor. Con este factor se pretende
disminuir indirectamente los costos de inversión de la red.

•

Modificación de los puntos “pinch”. Límite máximo de integración de calor quepreviene la violación de las leyes termodinámicas.

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c) Servicios auxiliares. Esta superestructura provee los servicios requeridos para la
planta química y servicios de calentamiento para la red de intercambio de calor. Las
unidades que se encuentran frecuentemente en esta red son calderas, turbinas, motores
eléctricos y otras unidades auxiliares. Todas estas unidades frecuentemente se combinan
de...