procesos químicos

Lewis Rangel

Procesos QuímicosTipos de Proceso

QuímicosRepresentación de los

Procesos Químicos

La Materia que nos rodea ofrece grandes beneficios útiles para nuestro desarrollo evolutivo, por lo tanto el Hombre se ha preocupado por Observarla; Conocerla y Transformarla y todo esto por una razón muy elemental ya que del mundo natural que lo rodea debe extraer sus medios de vida. La historia de la química abarca un periodo de tiempo muy amplio, que va desde la prehistoria hasta el presente y está ligada al desarrollo cultural del hombre y su conocimiento de la naturaleza.

Historia de la Química.

Las civilizaciones antiguas ya usaban tecnologías que demostraban su conocimiento del uso de la materia, y algunas servirían de base a los primeros estudios de la química. Entre ellas se cuentan: la extracción de los metales de sus menas, la elaboración de aleaciones como el bronce, la fabricación de cerámica, esmaltes y vidrio, las fermentaciones de la cerveza y del vino, la extracción de sustancias de las plantas para usarlas como medicinas o perfumes y la transformación de las grasas en jabón.

Historia de la Química.

La Química es la rama de las Ciencias Naturales que estudia las Propiedades, Composición y Estructura de la Materia asimismo las Transformaciones de Estructura y Composición que tienen lugar en la misma, tanto Naturalmente como provocadas Artificialmente así como los intercambios de Energía que acompañan a tales modificaciones.

La Química.

Procesos Químicos.

Un proceso químico a escala industrial es un conjunto de operaciones que implican reacciones químicas y transformaciones físicas, interrelacionadas entre sí, dirigidas a la obtención de determinados productos finales a partir de materias primas que, en general, se aportan a la fase inicial.

Lewis Rangel

Esquema simple de un proceso químico industrial

Procesos Químicos.

Productos intermedios, subproductos, residuos e impurezas

Sustancias que intervienen en un proceso

Parámetros de un proceso químico

Tipos de Procesos Químicos.Intermitentes o Por Lotes

Continuos o Semicontinuos

Estado Estacionario o Transitorio.

Tipos de Procesos Químicos.Procesos intermitentes o por lotes: En éste proceso la alimentación se carga al comienzo del proceso en un recipiente, y transcurrido cierto tiempo, se retira el contenido de dicho recipiente. No hay transferencia de masa más allá de los límites del sistema desde el momento en que se carga la alimentación hasta que se retira el producto. Un ejemplo es agregar con rapidez reactivos en un tanque y retirar los productos y reactivos no consumidos transcurrido determinado período, cuando el sistema haya alcanzado el equilibrio.

Tipos de Procesos Químicos.Proceso continuo: En éste proceso las corrientes de alimentación y descarga fluyen de manera continua durante todo el proceso. Un ejemplo sería bombear una mezcla de líquido a velocidad constante hacia una columna de destilación y retirar de manera uniforme las corrientes de productos por la parte inferior y superior.

Proceso Semicontinuos: Es cualquier proceso que no sea intermitente o continuo. Un ejemplo es permitir que el contenido de un recipiente con gas tras superar una cierta presión escape a la atmósfera.

Tipos de Procesos Químicos.Proceso estacionario: Si los valores de todas las variables del proceso (volumen, velocidad de flujo) no cambian con el tiempo, se dice que el proceso opera en estado estacionario.

Proceso transitorio: Si cualquiera de las variables del proceso (temperatura, presión) cambia con el tiempo se dice que la operación es transitoria o no estacionaria. Por su naturaleza, el proceso por lotes o semicontinuos son operaciones en estado transitorio.

Representación de los procesos Químicos

Síntesis o diseño

• Implica definir las entradas y salidas del sistema, en este las características de materias primas y

productos deseados y estipular la estructura del proceso que se requiere para llevar a cabo la

transformación deseada de los reactivos a productos.

Análisis o simulación

• Definir las entradas o materias primas y el diagrama de flujo del proceso para indagar las salidas que

se pueden obtener.

Optimización

• Una vez que se agotan los grados de libertad en forma de variables de diseño, se plantea una función

objetivo que trata de minimizar algún tipo de entradas o costos del proceso, para en función de este

objetivo obtener las mejores variables de diseño.

Diagrama de FlujoQue es un diagrama de flujo

El diagrama de flujo es una representación gráfica de la secuencia de pasos que se realizan para obtener un cierto producto. En el deben estar indicadas todas las entradas y salidas del sistema y de cada una de las subunidades en que se pueda dividir este, de manera que recoja la información sobre las propiedades de las distintas entradas y salidas. Sirven para proporcionar información clara, ordenada y concisa sobre el proceso global y sus diversas partes.

Desarrollo de un diagramas de flujo

La transformación de materias primas disponibles en productos deseados comienza a conceptualizarse mediante el desarrollo de un diagrama de flujo del proceso que se esta diseñando.

Desarrollo de un Diagrama de Flujo

Definir las reacciones involucradas

Establecer la distribución de especies

Diseñar los sistemas de separación

Diseñar los sistemas de integración de energía

Incorporar criterios de seguridad de procesos

Analizar los aspectos ecológicos pertinentes

1

2

3

4

5

6


Definir las reacciones involucradas

Definir las reacciones involucradas. El objetivo de la primera etapa es llenar con reacciones química el camino entre la entrada y la salida del sistema. Esto define inicialmente el número de reactores que constituyen la parte fundamentalmente del proceso. Se requiere una búsqueda y la recopilación debe incluir las condiciones de la reacción, uso de catalizadores, grados de conversión, etc. Esto implica que las reacciones ya se han explorado experimentalmente y que en un momento dado forman parte, pueden llegar a hacerlo, de un ambiente industrial.


Establecer la distribución de especies

Establecer la distribución de especies. La distribución de especies establece las conexiones primarias entre los reactores: la materia prima de alguno de ellos puede ser el producto de otro de los reactores, lo cual establece el orden de los equipos de reacción en el diagrama de flujo.


Diseñar los sistemas de separación

Diseñar los sistemas de separación. La distribución de especies proporciona también las necesidades de separación de componentes, debido a que comúnmente la corriente de salida de un reactor tiene componentes adicionales a los requeridos en otro reactor subsecuente, y a que los productos del proceso requieren altos grados de pureza.


Diseñar los sistemas de integración de energía

El aspecto económico del sistema se mejora al aprovechar la energía de las corrientes disponibles en el proceso, con el objeto de reducir el consumo de energéticos en forma de servicios (vapor y agua de enfriamiento). Para esto, es conveniente pensar en el diseño de redes de intercambiadores de calor a partir de las corrientes involucradas en el proceso.

Desarrollo de un Diagrama de FlujoIncorporar criterios de seguridad de procesos

Los aspectos de seguridad en muchos casos son esenciales y debe incorporarse desde la creación del proceso. Como aquellos casos donde la interacción de dos componentes presentes en el proceso produce situaciones explosivas. (Estos procesos pueden tratar con sustancias de alta reactividad química, alta toxicidad, y alta corrosividad operando a altas presiones y temperaturas, Estas características pueden llevar a una variedad de serias consecuencias incluyendo explosiones, daño ambiental y a la salud de las personas.) La incorporación de estrategias de control toman un papel fundamental para lograr este objetivo.


Analizar los aspectos ecológicos pertinentes

Se requiere asegurar que el proceso maneja adecuadamente sus desechos sin un daño ecológico. Esto ha dado pie un proceso conocido como tecnologías limpias, lo que hoy en día constituye un requisito fundamental en la creación de nuevos procesos.

• Diagrama de Flujo en Bloque (DFB)– Diagrama en bloque de flujo de proceso– Diagrama en bloque de flujo deplanta

• Diagrama de Flujo del Proceso (DFP)• Diagrama de Tuberías e Instrumentación. (P&ID)

Diagramas de Flujo en Bloque (DFB)

Es una serie de bloques conectados con corrientes de entrada y salida.

Este incluye condiciones de operación (temperatura y presión) y otras informaciones importantes como conversión y recuperación. No provee detalles sobre lo que está envuelto en cada bloque.

Diagrama de flujo en bloque de proceso para la producción de benceno

Diagramas en bloque de flujo de proceso

Diagramas en bloque de flujo de procesoLa operación es mostrado por bloques

Las principales líneas de flujo mostradas con flechas siguen la dirección del flujo

Los flujos van de izquierda a derecha

Las corrientes de gases livianos van al tope, las corrientes pesadas (líquidos y sólidos) hacia el fondo.

Solo se muestra la información crítica

Si las líneas se cruzan, entonces la horizontal es continua y la vertical es partida.

Se provee un balance de materiales simple

Convenciones y formato recomendado para el trazado de un “diagrama en bloque de flujo de proceso”

Diagramas de Flujo en Bloque de planta

Diagrama de flujo en bloque de una planta de carbón a alcoholes combustibles de proceso

Lewis Rangel

Ambos tipos de diagramas son usados para explicar la operación general de plantas químicas

Diagramas en bloque de flujo de plantaDiagramas en bloque de flujo de proceso

Diagramas de Flujo de Proceso (DFP)

Representa un gran salto del diagrama de flujo en bloque en términos de la cantidad de información que contiene en comparación con el DFB.

Contiene el global de los datos de ingeniería química necesarios para el diseño de un proceso químico.

Todas las principales piezas de equipos en el proceso están representadas en el diagrama junto con una descripción del equipo. Cada pieza de equipo tendrá asignado un número único y un nombre descriptivo.

Todas las corrientes del proceso serán mostradas e identificadas con un número. Se incluye una descripción de las condiciones del proceso y de la composición química de cada corriente. Estos datos se pueden mostrar directamente en el DFP o en una tabla resumen que acompaña al DFP.

Todas las corrientes de servicio suplidas a los principales equipos del proceso serán mostradas.

Los lazos de control básicos, que ilustran la estrategia de control usada para operar el proceso en condiciones normales de operación, serán mostradas

Un DFP comercial típico contendrá esta información


Diagramas de Flujo de Proceso (DFP)Específicamente, cierta información será presentada en tablas acompañantes y solo la información esencial del proceso será incluida en el DFP. Los DFPs resultantes retendrán claridad de presentación, pero el lector debe referirse a las tablas resumen de equipos y flujos para extraer la información requerida acerca del proceso.

La información básica provista por un DFP se puede clasificar en: Topología del procesoInformación sobre las corrientesInformación sobre los equipos

Diagramas de Flujo de Proceso (DFP)Topología del proceso

La localización de los equipos y la interacción entre ellos y las corrientes del proceso es referido como topología del proceso

Los equipos son representado como iconos que identifican operaciones unitarias específicas. Aunque la “American Society of Mechanical Engineers”, ASME, publica un juego de símbolos para usar en la preparación de DFP, algunas compañías pueden usar sus propios símbolos.


Diagrama de flujo del proceso de hidrodealquilación de tolueno.


Símbolos para la construcción de Diagramas de flujo de proceso.


Equipos de proceso Formato General XX-YZZA/B XX son las letras de identificación para la clasificación de los equipos C – Compresor o Turbina E – Intercambiador de calor H – Calentador, horno P – Bomba R – Reactores T – Torres TK- Tanque de almacenamiento V – Vasijas Y – designa un área dentro de la planta ZZ – son la designación en números para cada item en una dada clase de equipos. A/B identifica unidades paralelas no mostradas en un DFPInformación suplementaria Descripción adicional de equipos dadas sobre el tope de un DFP.

Convenciones usadas para la identificación de equipos de proceso

Diagramas de Flujo de Proceso (DFP)Consideremos la unidad de operación P-101A/B, para ver el significado de cada número y letra: P-101A/B identifica que el equipo es una bombaP-101A/B indica que la bomba está localizada en el área 100 de la plantaP-101A/B indica que esta bomba es la número 01 del área 100P-101A/B indica que hay dos bombas idénticas P101A y P101B. Una bomba opera la otra es de reserva.

Diagramas de Flujo de Proceso (DFP)Una lista de servicios comunes es dada en la Tabla siguiente, la cual provee una guía para la identificación de las corrientes de proceso

Corrientes de procesoTodas las convenciones se aplicanSímbolo encerrado en una caja en forma de diamante localizado en la línea de flujoIdentificación numérica (único para cada corriente)Dirección de flujo mostrada por flechas sobre las líneas de flujo

Corrientes de serviciolps Vapor de baja presión: 3 – 5 barg (sat)*mps Vapor de presión media: 1 – 15 barg (sat)*hps Vapor de alta presión: 40 – 50 barg (sat)*htm medio de transferencia de calor (orgánico): a 400 ºCcw agua de enfriamiento: de torre de enfriamiento 30 ºC retorna a menos de 45 ºCwr agua de rio: de 25 ºC retorna a menos de 35 ºCrw agua refrigerada: Entrada a 5 ºC retorna a menos de 15 ºCrb brine refrigerado: entrada a –45 ºC retorna a menos de 0 ºCcs Agua de desecho químicoss Agua de desecho sanitarioel Calor eléctrico (especificar servicio 220, 440, 660 V)ng Gas naturalfg Gas combustiblefo Fueloilfw fire water

* Estas presiones son establecidas durante las etapas de diseño preliminaries y los valores típicos varían en el rango estipulado

Diagramas de Flujo de Proceso (DFP)Información sobre las corrientes

Para diagramas pequeños con pocas operaciones , las características de las corrientes tales como temperatura, presión, composición y velocidades de flujo pueden ser mostradas directamente en la figura, adyacente a la corriente.

Esto no es práctico para un diagrama más complejo. En este caso, solo el número de la corriente es provisto sobre el diagrama. La información sobre las corrientes se coloca en una tabla resumen anexa al diagrama.

Diagramas de Flujo de Proceso (DFP)Información provista en un DFP

Información EsencialNúmero de la corrienteTemperatura (ºC)Presión (bar)Fracción de vaporVelocidad de flujo másico total (Kg/h)Velocidad de flujo molar total (Kmol/h)Velocidades de flujo de los componentes individuales (Kmol/h)

Información opcionalFracciones molares de los componentesFracciones másicas de los componentesVelocidades de flujo de los componentes individuales (Kg/h)Velocidades de flujo volumétrico (m3/h)Propiedades físicas significativas: Densidad, Viscosidad, OtrasDatos termodinámicos: Capacidad calórica, entalpía de la corrienteNombre de la corriente

Diagramas de Flujo de Proceso (DFP)Corriente numero 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19Temperatura C Presión (bar) Fracción de vapor Flujo másico (Ton/h) Flujo molar (kmol/h) Flujo molar de los componentes (kmol/h) HidrógenoMetanoBencenoTolueno

25

1.90

0.0

10.0

108.7

0.00.00.0

108.7

59

25.8

0.0

13.3

144.2

0.00.01.0

143.2

25

25.5

1.0

0.82

301.0

286.0

15.00.00.0

225

25.2

1.0

20.5

1204.4

735.4

317.3

7.6144.

0

41

25.5

1.0

6.41

758.8

449.4

302.2

6.60.7

600

25.0

1.0

20.5

1204.4

735.4

317.3

7.6144.

0

41

25.5

1.0

0.36

42.6

25.216.9

50.370.04

38

23.9

1.0

9.2

1100.8

651.9

438.3

9.551.05

654

24.0

1.0

20.9

1247

652.6

442.3

116.0

36.0

90

2.6

0.0

11.6

142.2

0.020.88

106.335.0

147

2.8

0.0

3.27

35.7

0.00.01.1

34.6

112

3.3

0.0

14.0

185.2

0.00.0

184.30.88

112

2.5

0.0

22.7

290.7

0.020.88

289.46

1.22

112

3.3

0.0

22.7

290.7

0.00.0

289.46

1.22

38

2.3

0.0

8.21

105.6

0.00.0

105.20.4

38

2.5

1.0

2.61

304.6

178.0123.22.850.31

38

2.8

1.0

0.07

4.06

0.673.100.260.03

38

2.9

0.0

11.5

142.2

0.020.88

106.335.0

112

2.5

1.0

0.01

0.90

0.020.880.00.0

Diagramas de Flujo de Proceso (DFP)Información sobre los equipos

El elemento final del DFP es el resumen de equipos. Este resumen provee la información necesaria para estimar los costos de equipos y suministra las bases para el diseño detallado de los equipos.

La información presentada en la Tabla 1.6 es usada para preparar la porción de resumen de equipos del DFP para el proceso del benceno. En la Tabla 1.7, se muestra la tabla resumen de equipos del DFP del proceso para obtener benceno. Los detalles de cómo se estiman y escogen los parámetros de los equipos serán discutidos en el capítulo 9


Descripción de equipos para DFP y PIDs

Tipo de EquipoDescripción del Equipo

TorresTamaño (altura y diámetro), Presión y Temperatura

Numero y tipo de bandejasAltura y tipo de relleno

Materiales de Construcción

Intercambiadores de CalorTipo: Gas-Gas, Gas-liquido, liquido – liquido, condensador, vaporizador

Proceso: Necesidad de Intercambio de calor, Área, Temperatura y presión para ambas corrientesNumero y paso de los tubos

Materiales de construcción: tubos y carcasa

TanquesVer recipientes

RecipientesAltura, diámetro, orientación, presión, temperatura, Materiales de Construcción

BombasFlujo, descarga, presión, temperatura, P, tipo de motor, potencia de eje, materiales de construcción

CompresoresVelocidad de flujo de entrada, Temperatura, presión, tipo de motor, potencia del eje, materiales de construcción

Calentadores (fired)Tipo, presión del tubo, temperatura del tubo, Intercambio de calor, combustible, material de construcción

OtrosInformación critica

Diagramas de Flujo de Proceso (DFP)Combinación de la topología del proceso, datos de las corrientes y estrategia de control para dar un DFP:

Hasta este punto, hemos mantenido la cantidad de información del proceso mostrada en el DFP en un mínimo. La información sobre las corrientes es añadida al diagrama por medio de avisos con diferentes formas que indican la variable especificada así como las unidades escogidas.

La tabal de flujos presentada (Información provista en un DFP), el resumen de equipos presentado (Descripción de equipos para DFP y PIDs), y el DFP constituyen juntos la información contenida sobre un DFP producido comercialmente.El DFP es el primer diagrama comprensivo dibujado para una nueva planta o proceso. Este provee la información necesaria para entender el proceso químico. Además se da suficiente información sobre los equipos, balances de material y energía para establecer el protocolo de control del proceso y preparar estimados de costos para determinar la viabilidad económica del proceso.El valor del DFP no finaliza con la construcción de la planta. Este es el documento que mejor describe el proceso y es usado por los operadores e ingenieros. Debe ser consultado regularmente para diagnosticar problemas de operación y para predecir el efecto de los cambios sobre el proceso

DIAGRAMAS DE TUBERÍAS E INSTRUMENTACIÓN (P&ID)

Un P&ID nos muestra todas las partes principales del proceso como recipientes, líneas y maquinaria, pero con la instrumentación asociada superpuesta en el mismo diagrama mostrando lo que se esta midiendo y que se esta controlando.provee la información necesaria para que los ingenieros comiencen a planificar la construcción de la planta. El P&ID incluye todos los aspectos mecánicos de la planta.

SIMBOLOS Y DIAGRAMASSon usados en el control de procesos para indicar:1. La aplicación en el proceso.2. El tipo de señales empleadas.3. La secuencia de componentes interconectadas.4. La instrumentación empleada.

La SOCIEDAD DE INSTRUMENTISTAS DE AMERICA (ISA) publica normas para símbolos, términos y diagramas que son reconocidos en la industria.

Identificación del instrumentoSe utilizan letras y números para identificar a losinstrumentosF R C 102 APrimeraletraLetrassucesivasNúmerodel lazodecontrolSufijoIdentificación del lazoIdentificación funcional

Identificación del instrumentoSe utilizan letras y números para identificar a los instrumentos.La primera letra: representa a la variable del proceso.

a) Flujo: Fb) Nivel: Lc) Presión: Pd) Temperatura: Te) Peso: Wf) Tiempo: Kg) Humedad: Mh) Concentración: A

Exclusiones de un P&ID

1. Condiciones de operación T, P2. Corrientes de flujo

3. Localización de los equipos4. Pipe routing

a) Largos de tuberíab) Ajustes de tubería

5. Soportes, estructuras y fundaciones

Exclusiones de un P&IDPara Equipos- Mostrar todas las piezas incluyendo

Unidades sobrantesUnidades paralelas

Detalles resumidos de cada unidad

Para Tuberías- Incluir todas las líneas incluyendo drenajes, conexiones de muestra y especificar

Tamaño (usar tamaños estándar)Catalogo (espesor)

Materiales de construcciónAislamiento (espesor y tipo)

Para Instrumentos- IdentificarIndicadores

RegistradoresControladores

Mostrar instrumentos en línea

Para Servicios-IdentificarEntrada de los serviciosSalida de los servicios

Salida a las facilidades de tratamiento de desechos

Convenciones en la construcción de Diagramas de tuberías e Instrumentación

Identificación del instrumento

Lewis Rangel

Líneas de instrumentación (se dibujan más finas que las de proceso) Conexión a proceso, o enlace mecánico o alimentación de instrumentos. Señal neumática Señal eléctrica Señal eléctrica (alternativo) Tubo capilar Señal sonora o electromagnética guiada (incluye calor, radio, nuclear, luz) Señal sonora o electromagnética no guiada Conexión de software o datos Conexión mecánica Señal hidráulica

Las letras posteriores nos indican el tipo de medición y las funciones del instrumento, por ejemplo, la última letra indica la función principal del instrumento y la penúltima letra indica la función auxiliar .Adicionalmente puede existir una segunda letra que me modifica el proceso principal.Ejemplo: F R C 102 A

Identificación del instrumento

Para el Ejemplo mostrado

F R C 102 A

• Función Principal C: Controlador

• Función Auxiliar R: Registrador .

Entonces FRC significa Controlador Registrador de Flujo.

Localización de Instrumentación Instrumento localizado en la planta Instrumento localizado sobre el frente del panel en la sala de control Instrumento localizado en la parte de atrás del panel en la sala de control Significado de las letras de Identificación XYY Primera Letra (X) A Análisis B Quemador de Llama C Conductividad D Densidad o gravedad específica E Voltaje F Velocidad de Flujo H Mano (iniciado manualmente) I Corriente J Potencia K Tiempo L Nivel M Humedad O P Presión o Vacío Q Cantidad R Radioactividad o Relación S Velocidad o Frecuencia T Temperatura V Viscosidad W Peso Y Z Posición

Segunda o Tercera Letra (Y) Alarma Elemento Alto Indicador Estación de Control Liviano o Bajo Medio o intermedio Orificio Punto Registro o Printer Suiche Transmisor Válvula, Amortiguador Bueno Relee Motor

Identificación de las conexiones del Instrumento Capilarmente Neumática Eléctrica

ejemploEjemplo de representación de un lazo de control: Lazo de control de presión

representación de un lazo de control: Lazo de control de presión

Ejemplo de P&ID

Ejemplos adicionales

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Muchas Gracias!

procesos químicos

Engineering