Reciclos de Proceso por MSc. Luis Moncada Albitres

Los procesos en los cuales una corriente de flujo es retornada (reciclada) a una etapa anterior en la secuencia del proceso son frecuentemente usados. Si la conversión de un reactante valioso en una reacción del proceso es apreciablemente menor que 100 por ciento, el material no reaccionado es usualmente separado y reciclado. El retorno o reflujo en el tope de una columna de destilación es un ejemplo de un reciclo de proceso en el cual no hay reacción.

En cálculos de balance de masa la presencia de corrientes de reciclo hacen los cálculos mas dificultosos. Sin reciclos, el balance de materiales en una serie de etapas de procesamiento puede llevarse a cabo secuencialmente, tomando cada unidad en su turno; los flujos de salida calculados para una unidad se convierten en la alimentación para la siguiente. Si una corriente de reciclo está presente, entonces en el punto donde el reciclo es retornado, el flujo no será conocido ya que depende de corrientes de flujo aún no calculadas. Sin el conocimiento de los flujos de reciclo, la secuencia de los cálculos pueden continuarse hacia adelante del punto donde el flujo del reciclo no puede determinarse.

Dos aproximaciones para la solución de problemas con reciclo son posibles:

1. El método de prueba y error
Los flujos de las corrientes de reciclo pueden ser estimadas y los cálculos continuados hasta el punto donde es calculado el reciclo. Los flujos estimados son comparados con los calculados y hacer un mejor estimado. El procedimiento es continuado hasta que los valores calculados estén dentro de los límites aceptables.

2. El método algebraico
La presencia de reciclo implica que algunas de las ecuaciones de balance de masa deben resolverse simultáneamente. Se formulan las ecuaciones con los flujos de reciclo como incógnitas y luego se resuelve el sistema usando métodos estándares para la solución de ecuaciones simultáneas. Con problemas simples, con uno o dos lazos de reciclo, los cálculos se simplifican con la elección cuidadosa de la base de cálculo y los límites del sistema.

Ejemplo
El diagrama de bloques muestra las diferentes etapas en el proceso considerado para la producción de cloruro de vinilo a partir de etileno. Cada block representa un reactor y otras unidades de proceso.

Las reacciones principales son:

Block A: cloración

C2H4 + Cl2 C2H4Cl2, rendimiento base etileno 98%

Block B: oxihdrocloración

C2H4 + 2HCl + 1/2 O2 C2H4Cl2 + H2O, rendimiento en base a 98% etileno y 90% HCl

Block C: pirólisis

C2H4Cl2 C2H3Cl + HCl, rendimientos en base a 99% DCE y formación de 99,5% HCl

El HCl proveniente de la etapa de pirólisis es reciclado a la etapa de oxihidrocloración. El flujo de etileno a los reactores de cloración y oxihidrocloración es ajustado para que la producción de HCl esté en igualdad con lo requerido. La conversión en el reactor de pirólisis es limitada a 55%, y el dicloroetano (DCE) no reaccionado es separado y reciclado.

Usando los rendimientos dados y despreciando cualquier pérdida, calcular el flujo de etileno a cada reactor y el flujo de DCE al reactor de pirólisis, para producir 12.500 kg/h de cloruro de vinilo (VC).

Solución

Pesos moleculares: Cloruro de vinilo = 62,5 DCE = 99,0 HCl = 36,5

VC/h= 12.500/62,5 = 200 kmol/h

Tomando los límites del sistema alrededor de cada block incluyendo al reciclo de DCE dentro de los límites de la etapa C.

Haciendo al flujo de etileno al block A como X y al block B como Y, y al reciclo de HCl como Z.

Entonces los moles totales de DCE producidos son iguales a 0,98X + 0,95Y

Tomando en cuenta el rendimiento, los moles de HCl producidos en el block C

(0,98X + 0,95Y) 0,995 = Z .............................(a)

Considerando la entrada y salida al block B

El rendimiento de DCE basado en HCl es 90%, de esta manera son:

DCE= 0,90Z / 2

Nota: el factor estequiométrico es 2 (2 moles de HCl por mol de DCE).

El rendimiento de DCE basado en el etileno es 95%, así:

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