TEMA NTEMA Nºº 02: 02: DIAGRAMAS DE PROCESO DIAGRAMAS DE PROCESO QUIMICOQUIMICO

Ing. José Manuel García Pantigozo

2008 - I

CALCULOS ECONOMICOS EN CALCULOS ECONOMICOS EN INGENIERIA QUIMICAINGENIERIA QUIMICA

SECTION 0:CHEMICAL PROCESSES

DIAGRAMS

Proceso Químico

Sistema formado por equipos, interconectados en forma organizada, que permiten cambios físicos y químicos dando lugar a un producto de interes.

Proceso Industrial

PROCESO

DISEÑO

INSUMOS

CONOCIMIENTOINGENIERIATRABAJOENERGIACAPITAL

MATERIAS PRIMAS PRODUCTOS

Life of a Chemical Plant Design

• Inception• Feasibility survey• Process development• Final economic evaluation• Detailed engineering design • Procurement • Erection• Startup and trial runs• Production

Industrias de Procesos Químicos

(Chemical Process Industries: CPI)

• Alimentos (bebidas, azúcar, jugos, congelados, lácteos, vinos, cerveza, etc.)

• Combustibles (petróleo, carbón, gas natural, gasolina) lubricantes y derivados petroquímicos

• Compuestos químicos– Orgánicos (petroquímicos, solventes, cauchos, etc)

– Inorgánicos ( sales, fertilizantes, etc.)

– Explosivos ( TNT, anfo, etc.) Detergentes y jabones. Pinturas y pigmentos.

Industrias de Procesos Químicos

(Chemical Process Industries: CPI)

• Metalurgia ( Acero y aleaciones, metales: Cu, Ag, Au, Re, etc.)• Tratamiento de agua, efluentes y residuos( gases, riles y rises)• Generación de vapor y energía termo-eléctrica• Materiales ( cemento, asfalto, cerámica, adhesivos, plásticos,

materiales de construcción, vidrio)• Papel y celulosa

Industrias de Procesos Químicos

(Chemical Process Industries: CPI)

• Pesquera ( harina y aceite de pescado, conservas, etc. )• Plásticos , Textiles y Fibras sintéticas • Fármacos

Sistema Global de un Proceso Químico

PLANTA DE PROCESOS

QUIMICOS

RED DE INTERCAMBIADORES

DE CALOR

PLANTAS DE SERVICIOSCalderas, Turbinas

Aire comprimidoOxigeno, vacío

Materias

Primas

Insumos

Productos

Electricidad Suministrosy Servicios

Agua

Combustibles

Aire

Corrientes frías

Corrientes calientes

Servicio decalentamiento

Servicio deenfriamiento

• Condiciones de operación estacionarias

• Gran escala de Producción• Cada equipo realiza una

operación o función específica

• Funcionamiento intermitente• Ciclo de operación• Pequeña escala de producción• Plantas flexibles,

multiproducto y multi propósito

• Grandes tiempos de procesamientos o residencia

• Reacciones lentas. Flujos pequeños

• Productos que ensucian, incustran o corroen los equipos

Proceso continuo Proceso discontinuo ( Batch )

• Calidad del producto constante• Velocidad de producción

constante• Alta automatización• Poca mano de obra

• Productos de calidad variable• Velocidad de producción

variable• Mucha mano de obra• Productos de alto valor y

calidad• Procedimientos de síntesis

complejos• Condiciones de control muy

estrictas

Proceso continuo Proceso discontinuo ( Batch )

Procesos Continuo

Procesos Discontinuo

HEAT SEPARATORREACTOR

Fedd

Catalyst Product

Heat

HEAT REACTOR

SEPARATOR

(1) Fedd

(2) Catalyst

Heat

Stil

l

Product

Etapas de un Proceso Químico

MATERIAS PRIMAS

REACCIONES QUIMICAS

PRODUCTOS

Operacionesfísicas de acondicionamiento

Operacionesfísicas de separación

Estructura general de un Proceso Productivo

PREPARACIONPURIFICACION

SEPARACIONPURIFICACION

REACCION

M P InsumosInsumos

PRODUCTO

Subproductos

Subproductos

TRATAMIENTO EFLUENTESEFLUENTE

LIMPIO

PRODUCTOSSECUNDARIOS

Tipos de Procesos: Continuo / Discontinuo (batch)

Estacionario / Dinámico

Representación de Procesos:

a) Diagrama de Entrada – Salida ( input-output)b) Diagrama de Bloques ( operaciones principales )c) Diagrama de Flujos ( Flowsheet )

( Estructura Productiva y secuencia de equipos )

Estructura de Entrada y de Salida del

Diagrama de Flujos

AlimentaciónProductoPROCESO

PRODUCTIVO

Reciclo Purga

Subproductos

Insumos

Diagrama General Entrada- Salida

Proceso Hidrometalúrgico del Cobre

ripios

PROCESO

mineral

ácido sulfúrico

agua Industrial

soluciones

subproductos

descartes

cátodos de Cuinsumos energía

Input – Output Structure of HDA Process (Conventional Hierarchy)

Hydrogen

Methane

Toluene

Benzene Product

Diphenyl By -Product

Hydrogen , Methane

Unreacted Toluene

PROCESS

Servicios•Agua (proceso, refrig, calderas, limpieza, sanitaria, contra incendio)•Vapor (alta, media o baja presión) (seco, saturado, sobrecalentado)•Condensados•Fluidos térmicos (aceite, sales)•Combustibles (carbón, fuel oil, gas oil, gas natural, otros)•Electricidad•Aire comprimido (instrumentación, servicio) (seco, sin aceite)•Gases inertes (nitrógeno, etc.)•Efluentes (tratamiento “in situ”)

Planta

Unidades de proceso

Operaciones Unitarias

Tipos de Representaciones:

• Diagrama de bloques ( BFD )• Diagrama de Flujo de Procesos ( PFD )• Diagrama de Cañerías e Instrumentación ( P&ID )• Diagrama Isométricos ( cañerías y equipos )

Feasibility Survey• raw materials• thermodynamics and kinetics

of reactions• facilities presently available• facilities to be purchased• estimation of production

costs and total investment• profits• materials of construction• environmental

considerations

• safety considerations

• markets

• competition

• properties of products

• sales and sales service

• shipping

• plant location

• patent situation

Chemical Process Diagrams

Stoichiometry

Preliminary Process Conditions

Preliminary Material Balance

Material, Energy Balances +Equipment Specifications

Mechanical &Instrumentation Information

Input - Output Diagram

Generic Block Flow Diagram

Piping and Instrument Diagram (PID)

Block Flow Diagram (BFD)

Process Flow Diagram (PFD)

DIAGRAMA BFDDIAGRAMA BFD

Sequence of Process Design

Block Flow Diagram(BFD)

Process Flow Diagram(PFD)

Piping and Instrumentation Flow Diagram

(P&ID)

Block Flow Diagrams

• Give a clear overview of a process, uncluttered by details.

• Each block represents a process function, which in reality may consist of several pieces of equipment.

• Useful for conceptualizing new processes.• Often used as a starting point for PFDs.• Especially useful in oral presentations.• Format and conventions given on page 8 of Turton, et

al.

Block Flow Diagram

Convention and Format for Block Flow Diagrams

• Operations shown by blocks.• Major flow lines shown with arrows giving direction of flow.• Flow goes from left to right whenever possible.• Light stream (gases) toward top with heavy stream (liquids

and solids) toward bottom.• Critical information unique to process supplied.• If lines cross, then the horizontal line is continuous and the

vertical line is broken (true for all chemical process diagrams).

• Simplified material balance provided.

Convenciones para los Diagramas de Bloques

• Cada operación se representa por un bloque • Las corrientes de flujo principal se representan por líneas

flechadas en la dirección del flujo• Los flujos van desde la izquierda a la derecha del diagrama• Las corrientes gaseosas se incluyen en la parte superior del

diagrama, y los líquidos o sólidos hacia la parte inferior separados por densidad.

• Se incluye la información crítica para entender e proceso• Si las líneas se cruzan, las horizontales se mantienen y las

verticales se cortan• Se incluye un balance de masas y energía simplificado en

forma de una tabla.

BFD: Block Flow Diagram

Hydrogen

( 820 Kg / H )

Toluene

( 10000 Kg / H ) Benzene

( 8610 Kg / H )

Still

Mixes gas

( 8610 Kg / H )

Toluene

Gas SeparatorReactor

Mixes LiquidsConversion75% Toluene

Reaction : C7H 8 + H2 = C6H6 + CH4

DIAGRAMA PFDDIAGRAMA PFD

Convenciones para los Diagramas de

Flujos de Procesos• Se representan TODOS los equipos junto con su descripción.

Cada equipo tiene un número y un nombre• Todas las corrientes de proceso tienen un número. Se debe incluir

una descripción de las condiciones (temperatura, presión),flujos y composición química ya sea en el diagrama o en un a TABLA adjunta.

• Se deben representar TODAS las corrientes de servicios( vapor, aire, calefacción, etc.) que se alimentan a cada producto de alimentación.

• Se deben representar los loops de control básicos que aseguran la estabilidad de las condiciones del proceso durante la operación normal.

Process Flow Diagrams• Much more complex than a BFD.• Will include the following information.

– Major equipment with names, numbers and descriptions

– All streams shown with number, process conditions, and chemical composition. The latter two may be shown directly on the PFD or on an accompanying stream table.

– All utility streams to major equipment

– Basic control strategies and control loops for normal operation.

Process Flow Diagram

Proceso de licuación del aire

Diagrama PFD

DIAGRAMA P&IDDIAGRAMA P&ID

Piping and Instrumentation Diagrams(P&ID’s)

• P & ID’s represent the last step in process design• Requires completed process flow diagrams (PFD’s)• P & ID’s are a key document for construction and operation

of a facility– The source of data for instrument lists, equipment lists, piping

isometrics.– Referred to frequently during HAZOP, startup, routine operation,

maintenance, debottlenecking, and upgrades

• A process cannot be adequately designed without proper P & ID’s

Components of a P&ID

• The P&ID includes every mechanical aspect of the plant (with some exceptions to be detailed shortly).

• Each PFD will require many P&IDs to provide the necessary data.

Conventions in Constructing P&IDs• For equipment-show every piece including

– spare units– parallel units– Summary details of each unit

• For piping-include all lines including drains, sample connections and specify– size (use standard sizes)– schedule (thickness)– materials of construction– insulation (thickness and type)

Conventions in Constructing P&Ids (cont’d)

• For instruments-identify– indicators

– recorders

– controllers

– show instrument lines

• For utilities-identify– entrance utilities

– exit utilities

– exit to waste treatment facilities

Exclusions from P&IDs

• Operating Conditions T, P

• Stream Flows

• Equipment locations

• Pipe routing – pipe lengths– pipe fittings

• Supports, structures, and foundations

Importance of P&IDs• The P&ID is the last stage of process design and serves

as a guide by those who will be responsible for the final design and construction. Based on the P&ID:– Mechanical and civil engineers will design and install pieces

of equipment.– Instrument engineers will specify, install, and check control

systems– Piping engineers will develop plant layout and elevation

drawings.– Project engineers will develop plant and construction

schedules.

Procedure for Development of P&ID’s

• Begin with approved PFD.• Place each piece of major equipment on a separate sheet.

– give each item a tag number, e.g. the first tank in the process flow is tagged T-1

• Put process lines on flow sheet– Put inlet streams entering from the left side of sheet.– Put outlet streams exiting to right side of sheet.– Put item number of source, line size and material of

construction on each line. (e.g. the first line from T-1 is tagged T1-1-3”-CS, the second T1-2-6”-316SS)

Procedure for Development of P&ID’s• Locate minor equipment (e.g. pumps, filters) on sheet and tag.• Put equipment blocks on bottom of sheet with key specification

information (see AutoCAD tutorial)• Locate instrumentation instrument tag numbers, and fittings on

process lines and equipment (refer to figure 1.4, page 14 in Turton for symbology).

• Put on title blocks, revision record and approval blocks(see example).

• Review for accuracy and designate as revision “0”• All future changes to P&ID will be noted in revision record and

incrementing revision no.– e. g. Revision 1 = HAZOP review

Convenciones para la

identificación de equipos

• C : Compresoras

• E : Intercambiadores de calor

• H : Calentadores a llama

• P : Bombas

• R : Reactores

• T : Columnas

• TK : Estanques de almacenamiento

• V : Estanque de proceso

Numeración de los equipos

• P – 101 A/B identifica una bomba

• P – 101 A/B identifica que la bomba está ubicada en el área N°1 de la planta

• P – 101 A/B identifica que la bomba es la número 01 de las n existentes en la planta

• P – 101 A/B identifica que hay 2 bombas idénticas una de respaldo ( backup )

Como mínimo

• Número de la corriente• Temperatura (°C)• Presión (bar)• Fracción vapor• Flujo total másico (Kg/h)• Flujo molar total (Kmol/h)• Flujo molar para cada

componente (Kmol/h)

Muchas veces , además..

• Fracciones molares de los componentes

• Fracciones másicas de los componentes

• Flujo volumétrico• Propiedades físicas (densidad ,

viscosidad…)• Datos termodinámicos (calor

específico, entalpía…)• Nombre de la corriente

Información para las corrientes de flujo

Identificación de las

Corrientes de Flujos

• Número de la corriente• Temperatura (°C)• Presión (bar)• Fracción vapor• Flujo total másico (Kg/h)• Flujo molar total (Kmol/h)• Flujo molar para cada componente (Kmol/h)