¿Cómo se diseña un proceso?

En la ingeniería siempre se presta mucha atención al diseño de los diferentes equipos que forman un proceso, pero poca o ninguna atención a cómo interaccionan los equipos entre sí. El diseñar un equipo para unas determinadas condiciones de operación es un problema muy diferente^1.1 que el problema de diseñar el proceso en su conjunto, que implica decidir cuáles son las condiciones de operación óptimas y cómo deben interaccionar las diferentes corrientes entre sí. Por ejemplo, es un problema típico decidir qué corrientes deben integrarse en una red de intercambiadores de calor, y lo que es más complejo, cómo deben hacerlo.

Normalmente, un proceso químico está formado por un reactor, un sistema de separación y un sistema para cubrir las necesidades energéticas del proceso. Los reactores suelen tener una conversión limitada, lo que implica que en la corriente de salida del reactor habrá reactivos que no han reaccionado. Estos reactivos deben separarse del producto, para lo que se necesita un sistema de separación^1.2. Los reactivos separados deben introducirse de nuevo en el reactor, por lo que se necesitará un reciclo en el proceso.

Las condiciones de salida del reactor probablemente no coincidirán con las necesarias para la entrada a los equipos de separación. Y con toda probabilidad, tampoco coincidirán las condiciones de salida de los reactivos separados con las necesarias a la entrada al reactor. Se hace por tanto patente la necesidad de una red de intercambiadores de calor, que consiga las condiciones adecuadas para cada corriente, y de manera óptima.

El diseño óptimo de una red de intercambiadores de calor implica conseguir la mayor integración entre las corrientes, esto es, aprovechar las corrientes calientes^1.3 para calentar las frías. Como es improbable que la disminución de entalpía necesaria de las corrientes calientes, sea igual al aumento de entalpía necesario para las corrientes frías, se necesitarán servicios auxiliares como vapor o agua fría. El diseño óptimo deberá minimizar el consumo de servicios auxiliares (y por tanto el consumo energético).

La metodología que se debe seguir es ésta:

1. Se comienza diseñando el reactor para la producción de la planta deseada. Esto implicará unas condiciones de entrada y salida, y la presencia de una determinada cantidad de reactivos en la corriente de salida.
2. Como ya conocemos cuál es la cantidad de reactivos sin reaccionar, diseñamos los equipos de separación, de manera que obtengamos una corriente de producto y otra de reactivos sin reaccionar. Esto implica diseñar una recirculación de los reactivos para introducirlos de nuevo en el reactor.
3. Se diseña el sistema de intercambio de calor y de recuperación energética de la planta, de forma que los consumos energéticos sean mínimos.
4. Se diseña el sistema de servicios generales (calefacción y refrigeración), que mejor cubran las necesidades energéticas de la planta.

Figura: El modelo de ``cebolla'' para el diseño de procesos.

La analogía gráfica de este proceso es la de las capas de una cebolla (fig. ), se comienza por el diseño de las capas interiores, y se termina con la capa exterior de la cebolla. Este proceso de diseño es iterativo, ya que la información obtenida del diseño de las capas exteriores permite modificar y optimizar las capas más internas.