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Facultad de Ingeniería - UNJu Ingeniería Química

Ingeniería de Procesos

Clase 1

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Objetivos Generales • Analizar, diseñar y sintetizar flowsheets de procesos en forma sistemática y sistemática. • Determinar la estructura de un proceso de producción y las variables necesarias para resolverlo. • Evaluar distintos procesos utilizando criterios técnicos. • Realizar el diseño de un proceso y su optimización. • Analizar la operación: puesta en marcha, régimen y parada. • Analizar procedimientos de localización de fallas y de cuellos de botella. • Conocer procesos tradicionales y nuevos procesos. Clase 1

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Objetivos Específicos • • • • • • •

Conocer diagramas de flujos de procesos. Conocer condiciones de operación de equipos y unidades de procesos. Conocer la topología del proceso. Conocer los métodos de diseño de equipos, líneas y accesorios. Realizar perfiles de temperatura y presiones. Realizar balances de materia, energía y cantidad de movimiento. Proponer modificaciones de procesos que conduzcan a una mejora técnica y económica de la operación. • Proponer modificaciones que den lugar a ahorro y recuperación de energía. • Saber utilizar simuladores de procesos. • Implementar sistemas de control para procesos y plantas. • Etc.

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Definiciones básicas • Diseño de procesos

• Síntesis de procesos • Análisis de procesos • Optimización de procesos

Clase 1

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Diseño de Procesos • El diseño de procesos es una actividad creativa y evolutiva, los problemas de este tipo se resuelven en grupos de trabajo interdisciplinarios. • implica crear un proceso o diagrama de flujo para obtener ciertos productos a partir de determinadas materias primas, el conocimiento y el tipo de modelos a utilizar. El núcleo central de la tarea de diseño en ingeniería de procesos, comprende la visión general de descomposición del problema global en subproblemas o etapas independientes, está constituido por el lazo iterativo síntesis / análisis / evaluación -optimización Clase 1

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Síntesis de Procesos • Es una de las tareas más complejas y exigentes confrontadas por el ingeniero químico. La etapa de síntesis en el diseño de procesos es el paso creativo que implica la determinación y generación del conjunto de alternativas estructurales posibles capaces de cumplir con los objetivos especificados. La síntesis de procesos involucra decisiones en dos espacios distintos: a) el espacio de las diferentes alternativas estructurales, definidas por la topología y la naturaleza de las interacciones entre las unidades. b) el espacio de los diseños alternativos para cada una de las unidades de operación que componen el sistema. • El problema de síntesis puede ser definido simplemente como una tarea de invención de la estructura y la determinación de las condiciones operativas del proceso. De acuerdo a Westerberg (1980) la síntesis de procesos es la actividad de toma de decisiones para conjeturar, por ejemplo, a) cual de las muchas partes componentes disponibles debieran usarse, o b) como estas partes deberían interconectarse o ensamblarse para estructurar la solución óptima a un dado problema de diseño. Clase 1

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Análisis de Procesos • implica la investigación de las características de cada alternativa generada, por ejemplo, mediante la evaluación de las variables de salida, conociendo las características del sistema y las variables de entrada. Por lo general se utilizan reglas heurísticas con las cuales es posible reducir el número de estructuras generadas en la etapa de síntesis.

Clase 1

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Sectores de la Ingeniería química Química Industrial

Ingeniería de Procesos

Termodinámica

Fenómeno de transporte

Operaciones Básicas físicas

Economía

Operaciones Básicas químicas Clase 1

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Operaciones básicas El número de procesos químicos es muy grande, todos ellos pueden desdoblarse en una serie de etapas u operaciones individuales que se repiten en los mismos, que se basan en análogos principios científicos y que tienen técnicas de cálculo comunes. Estudiando sistemáticamente estas operaciones, de carácter físico, pero eslabonadas para conseguir un fin químico, el tratamiento de todos los procesos se unifica y simplifica.

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Ingeniería de Procesos Este sector se ocupa del adecuado planteamiento de las alternativas posibles de los problemas químicos, de la optimización de las mismas y de la previsión de las probables repercusiones por variaciones futuras de los factores en juego. La creciente complejidad y auge de este sector es la señal más evidente de la creciente perfección de la moderna ingeniería química.

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Química Industrial Actualmente el estudio descriptivo de los procesos, propios de este sector, el más antiguo y tradicional, se basa en toda la información de los sectores precedentes.

Clase 1

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Sistema Global de un Proceso Químico Productos Materias Primas Insumos

PLANTA DE PROCESOS QUIMICOS

Electricidad Agua

Combustibles Aire

Corrientes calientes Corrientes frías

RED DE INTERCAMBIADORES DE CALOR

Suministros y Servicios

PLANTAS DE SERVICIOS Calderas, Turbinas Aire comprimido Oxigeno, vacío

Servicio de calentamiento Servicio de enfriamiento

Ingeniería de Procesos Situación actual

En la actualidad hay grandes avances en: • Los análisis ad-hoc se han reemplazado por Técnicas Sistemáticas de Soluciones numéricas, implementados en paquetes de simulación y modelado computarizado de sistemas. La selección arbitraria de parámetros en los procesos se ha reemplazado por el uso de Estrategias Modernas de Optimización. El desarrollo intuitivo de estructuras en los procesos se ha reemplazado por Métodos Sistemáticos de Síntesis. Clase 1

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Temas Los tópicos a cubrir por la materia son: • Aplicar estrategias para el diseño preliminar. • Desarrollo sistemático de representaciones para la síntesis de procesos. • Resoluciones de problemas para distintos tipos de procesos. • Desarrollo de modelos matemáticos para la simulación y optimización usando técnicas basadas en computadoras. • Análisis, diseño y síntesis de procesos continuos y batch. • Estudios de performance de procesos. • Flexibilidad, Controlabilidad y Seguridad. • Detección de fallas y de cuellos de botella. • Informes técnicos. Clase 1

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Diagramas para el estudio de los procesos químicos

“La manera mas efectiva de comunicar información de los procesos es por medio de Diagramas de Flujo.”

Clase 1

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Introducción En un proceso químico, la transformación de reactivos en productos no se logra en un única etapa. La conversión global tiene lugar a través de un número etapas como las siguientes: reacción, separación, mezcla, cambios de presión y temperatura, etc. El diseño de proceso es un proceso evolutivo que puede ser representado por una secuencia de diagramas de procesos. Clase 1

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Los Diagramas de Flujo de procesos son: • Diagrama de Flujo de Bloque de Entrada/Salida. • Diagrama de Flujo de Bloque Genérico. Aumenta el nivel de • Diagrama de Flujo en Bloque (BFD). detalle – Proceso – Planta

• Diagrama de Flujo de Proceso (PFD). • Diagrama de Flujo de Proceso con Instrumentación y tuberías (P&ID). La manera más conveniente para representar un proceso es mediante diagramas de flujo. Clase 1

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¿Por qué utilizar diagramas de flujo de procesos? • • • •

Ayudan a conceptualizar una idea. Ayudan a desarrollar una idea y diseñar el proceso. Ayudan en la comunicación de información. Mejoran la toma de decisión durante el diseño de procesos.

La manera más conveniente para representar un proceso es mediante diagramas de flujo. Clase 1

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Diagramas de procesos químicos Estequiometría

Condiciones Preliminares de Procesos

Balance preliminar de materia

Balance de materia y energía + Especificación de Equipos

Información de instrumentos y Mecánica Clase 1

Diagrama entrada - Salida

Diagrama de flujo de bloque genérico

Diagrama de flujo de bloques (BFD)

Diagrama de flujo de procesos (PFD)

Diagrama de instrumentación y tuberías

(PID) IP-2010

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Algunos Consideraciones sobre BD, PFD, P&ID • El diagrama de flujo de Bloques es el mas útil para explicar problemas y tecnologías en la forma mas sencilla posible. Es el que mas van a usar para comunicaciones comerciales y ejecutivas. • El Diagrama de Flujo de Proceso se usa para ilustrar como funciona químicamente el sistema. Se usa principalmente para explorar composiciones y su impacto, así como para seguir los elementos de reciclo, mezclas, generación y consumo de vapor, y otros servicios en cada equipo. • El Diagrama P&ID me dice como funciona mecánicamente el sistema. Cuales son los materiales de construcción y las características físicas de los equipo, así como en que forma operan los “loops - lazos” de control de la operación. • Conforme se comparte información del nivel operativo al estratégico, los diagramas se simplifican y se centran en la mínima información requerida para comunicar el punto deseado. Clase 1

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Análisis de un caso base

El tolueno y el hidrógeno reaccionan para producir benceno y metano. La reacción no es completa, se requiere un exceso de tolueno. Los gases no condensables son separados y descargados. El benceno y el tolueno que no reaccionan son luego separados por destilación, después el tolueno es reciclado al reactor y el benceno sale en una corriente de salida. Clase 1

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Diagrama entrada - salida Se trata de la primera etapa de diseño de un proceso, donde el ingeniero de procesos representa diagrama de bloques con la alimentación y los productos.

Metano

Hidrógeno Tolueno

Clase 1

C6H5CH3 + H2 = C6H6 + CH4

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Benceno

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Diagrama de flujo de bloque genérico para cualquier proceso químico Reciclo

Alimen tación Preparación de

la alimentación del Reactor

Reactor

Preparación de la alimentación al Separador

Productos

Separador

Subproductos

Corrientes residuales Control Medioambiental Descarga al Medioambiente Clase 1

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Diagrama de flujo de bloque genérico •

Preparación de la alimentación al reactor – En toda reacción química hay que intentar que la presión y la temperatura sean las óptimas para que está tenga lugar. Los reactivos están generalmente almacenados en tanques a temperatura y presiones próximas a la ambiente. Por ello, se dispone de operaciones unitarias que acondicionan la carga al reactor.

•

Reactor: – Todas las reacciones tienen lugar en el reactor en las condiciones requeridas de presión y temperatura.

•

Preparación de la alimentación al Separador – Después de toda reacción hay que separar el producto de los reactivos que no reaccionan. Normalmente la salida del reactor no se encuentra en las condiciones adecuadas de presión y temperatura para llevar a cabo la separación.

•

Separador – De él salen las corrientes de productos, subproductos y residuos. Las separaciones tienen lugar a través de operaciones unitarias como la destilación, la absorción, la extracción o la adsorción entre otras.

•

Reciclo: – En este bloque se devuelven los reactivos no reaccionados o en exceso al reactor pasando previamente por el bloque de acondicionamiento a éste.

•

Control ambiental: – Prácticamente todos los procesos químicos producen residuos. Todos los residuos, necesitan normalmente un tratamiento posterior, antes de ser enviados al medio ambiente. Además de los residuos del proceso, hay también emisiones de gases que proceden de equipos auxiliares como hornos y otros.

Clase 1

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Diagrama de flujo de bloques Mezcla de gases 2610 kgh Separador de gases

Tolueno

10000 kg/h

Reactor

Benceno

8210 kgh

Hidrogeno 820 kg/h

Líquidos

Destilación

Tolueno

Cada bloque representa una función y puede contener varios equipos de proceso Clase 1

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Diagrama de flujo de bloques Se trata de una serie de bloques conectados por corrientes de entrada y salida.

1. Las operaciones se representan por bloques.

2. Líneas de flujo (entradas y salidas) principales con flechas que indican la dirección del flujo. 3. Los flujos desde la izquierda a derecha a menos que no sea posible (reciclo). 4. Las corrientes livianas se representan arriba y las pesadas abajo. 5. Información crítica (conversión) para comprender el proceso.

6. Si las líneas se cortan, la horizontal es continua y la vertical es línea cortada. 7. Provee un balance simple de materia. Clase 1

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Diagrama de flujo de bloques de una planta

Clase 1

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Diagrama de flujo de procesos (PFD) Este diagrama representa una etapa superior en cuanto a la información que aporta con respecto al diagrama de bloques. El PFD contienen datos esenciales que el ingeniero necesita para diseñar el proceso. En general puede contener la siguiente información: La mayoría de los equipos de proceso. Cada equipo tiene asignado un número y un nombre que los describe y los distingue. Todas las corrientes de proceso identificadas por un número. Una descripción de las condiciones de proceso y composición química de cada corriente. Se adjuntan al diagrama de flujo de proceso hojas de datos con los balances de materia y energía. También se adjunta una hoja con las características de los equipos. Principales corrientes auxiliares y de servicio. Estas son aquellas que intervienen en el proceso pero no forman parte de este. Ej. Agua de refrigeración, fluidos térmicos de calentamiento, aire comprimido para instrumentos, nitrógeno, etc. Principales lazos de control. Clase 1

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Diagrama de flujo de procesos (PFD) La información básica suministrada por un diagrama de flujo de procesos puede dividirse en:

Topología del Proceso Se refleja la topología del proceso en sentido físico por la localización de los principales equipos y de las conexiones entre ellos mediante las corrientes. Información de corrientes La información de las corrientes que se da normalmente en un resumen que contiene: Información esencial.

Información opcional. Información de equipos

Se especifica mediante abreviaturas, el área donde se encuentra, la abreviatura (función) del equipo y el número de serie. Lazos de control Clase 1

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Información de las corrientes Información esencial Número de corriente Temperatura (°C) Presión (bar) Fracción de Vapor Caudal Másico Total (kg h) Caudal Molar Total (kmol /h) Caudal Individual de cada Componente (kmol /h)

Información opcional Fracción molar de los Componentes Fracción másica de los Componentes Caudal Individual de cada Componente (kg/h) Caudal Volumétrico (m3/h) Propiedades Físicas Importantes Densidad Viscosidad Otras Datos Termodinámicos Capacidad calorífica Entalpía de la corriente Valores de K Nombre de la corriente Clase 1

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Convenciones para Identificar corrientes de Proceso y de Servicios Corrientes de Proceso Mediante un rombo localizado en la línea de flujo. Identificación numérica (única para cada corriente) dentro del rombo. La dirección del flujo se muestra mediante una flecha en la línea de flujo. Corrientes de servicio lps Vapor de baja presión: 3-5 barg (sat). mps Vapor de media presión: 10-15 barg (sat) hps Vapor de alta presión: 40-50 barg (sat) htm Medio de transferencia de calor (Organico): a 400 ºC cw Agua de enfriamiento: Desde torre de enfriamiento a 30°C, retorna a menos de 45ºC. wr Agua de río: Desde río a 25°C, retorna a menos de 35 °C. rw Agua de refrigeración: Ingresa a 5°C, retorna a menos de 15°C rb Salmuera refrigerada: Intresa a -45°C, retorna a menos de 0°C cs Agua residual química con alto COD ss Agua residual sanitaria con alta BOD, etc. el Calefacción eléctrica (especificar servicio de 220, 440, 660 V) ng Gas natural fg Gas combustible fo Aceite combustible fw Agua contra incendios

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Símbolos para identificación de las corrientes I. D. corriente

Temperatura Presión Flujo de líquido Flujo de gas Flujo molar

Flujo másico Clase 1

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Clase 1

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Símbolos para construir un PFD E-1

E-2 Heat exchangers

Towers

Fired Heater

Vessels

Reactors

Storage tanks

Process input

Process output Pumps, Turbines, compresores

Control valve

Valve Stream number

Instrument flag

Globe valve

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Convenciones usadas para identificar equipos de proceso

Clase 1

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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 )

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Tabla de corrientes

Clase 1

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Descripciones de equipos para PFDy PIDs

Clase 1

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Descripciones de equipos para PFDy PIDs

Clase 1

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Resumen de equipos para el proceso de hidrodealquilación del tolueno

Clase 1

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Resumen de equipos para el proceso de hidrodealquilación del tolueno

Equipment Summary for Toluene Hydrodealkylation PFD

Clase 1

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Resumen de equipos para el proceso de hidrodealquilación del tolueno

Clase 1

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Diagrama de tuberías e instrumentación (P&ID) • Este diagrama facilita la información necesaria para que los ingenieros comiencen con la planificación para la construcción de la planta o la unidad. Cada PFD requiere varios diagramas de instrumentación. Estos sirven para que los ingenieros mecánicos y de construcciones civiles diseñen e instalen los equipos, los ingenieros instrumentistas puedan especificar e instalar el sistema de control y los ingenieros de tuberias puedan desarrollar los planos de implantación y de elevación. Clase 1

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Diagrama de tuberías e instrumentación (P&ID) Este diagrama incluye cualquier aspecto mecánico excepto:

1. Condiciones de operación T, P. 2. Caudales. 3. Ubicación de los equipos. 4. Ruta de tuberías: • Longitud de tuberías • Tuberías apropiadas. 5. Soportes, estructuras, y fundaciones de un PID. Clase 1

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Convenciones en la construcción de diagramas P&I 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)

For Instruments—Identify Indicators Recorders Controllers Show instrument lines

For Utilities—Identify Entrance utilities Exit utilities Exit to waste treatment facilities Clase 1

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Clase 1

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Convenciones en la construcción de diagramas P&I

Clase 1

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Convenciones en la construcción de diagramas P&I

Clase 1

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Diagramas P&ID El P&ID es la última etapa de diseño de proceso y sirve de guía quienes serán responsables de la construcción y diseño final. 1. Los ingenieros mecánicos y los ingenieros civiles diseñarán e instalarán los equipos. 2. Los ingenieros de instrumentación que especificarán, instalarán, y verificarán controladores. 3. Los ingenieros de tubería que desarrollarán dibujos de layout de planta y elevación. 4. Los ingenieros de proyecto que desarrollarán el scheduling de la planta y la construcción. Clase 1

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Diagramas Adicionales Durante la fase de planificación y construcción de un nuevo proyecto, son necesarios para localizar todos los equipos en la planta.

• • • • • •

Flowsheet de servicios. Dibujo (diseño) de recipientes. Diagramas lógicos de escalera Diagramas de cableado eléctrico. Planos de localización Diagramas estructurales (soportes).

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Diagramas Adicionales Plano de localización

Clase 1

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Diagramas Adicionales Modelo de localización de planta

Clase 1

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Representación de un proceso en 3-D para la construcción de una planta se requiere una representación en 3-D

• La localización de un Intercambiador de calor de coraza y tubo debe tener permitir remover el cabezal del tubo para limpieza y reparación. • La localización de bombas deben tener previsto acceso para el mantenimiento y reemplazo. • Para compresores, también se puede requerir de grúa pueda remover y reemplazar un motor dañado. • Las válvulas de control deben estar localizadas en elevaciones que permiten acceso del operador. • Las terminales de entrada de muestra y la instrumentación también deben estar localizadas convenientemente. Clase 1

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Representación de un proceso en 3-D para un análisis detallado del layout de planta, todas las dimensiones de equipos y tuberías, PFD y P&ID y toda otra información debe ser conocida.

Se puede construir un layout preliminar a partir de un PFD. Se tienen en cuenta los siguientes pasos: Dividir el PFD en subsistemas lógicos. Para el proceso de DME, hay tres subsistemas lógicos, que son, la sección de alimentación y reactor, la sección de purificación de DME, y la sección de separación y reciclo. •Para cada subsistema, crear un esquema preliminar. La topología del esquema depende de muchos factores, los más importantes se discuten continuación. •Elevación de equipos principales. •Trazado de proceso principal y tuberías de servicios. Clase 1

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Clase 1

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Representación de un proceso en 3-D en general un esquema de montaje puede tener una de las dos configuraciones básicas

• Disposición horizontal. – En esta disposición, las unidades de equipo de proceso están alineadas de cada lado de “pipe rack” que recorre todo el centro de la unidad de proceso. El propósito es llevar tuberías en para servicios, producto, alimentación a una unidad de proceso. – Los equipo se ubican en cada lado de “pipe rack”, teniendo en cuenta la facilidad de acceso.

• Disposición vertical. – Está usualmente limitada para un solo nivel. Esta disposición generalmente requiere una mayor especificación de representación, y más terreno para utilizar la disposición vertical. Clase 1

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Diferentes tipos de Layout de Planta: Disposición horizontal

Clase 1

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Diferentes tipos de Layout de Planta: Disposición vertical

Clase 1

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Diferentes tipos de Layout de Planta: Disposición vertical

Clase 1

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Criterios para lay out • Separación entre áreas – Debe impedir la propagación de accidentes

– Se define por: • Estudio de riesgos

• Tablas de separación mínima según normas

• Separación entre equipos – Por sus propiedades se pueden agrupar en un área (inflamabilidad). – Necesidad de altura relativa entre equipos (columna de destilación – bomba) – Carga y descarga de equipos

– Acceso para mantenimiento Clase 1

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Distancias (pie) recomendadas entre unidades para plantas químicas y petroleras

Clase 1

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Lay out. Separación entre áreas

Distancia en ft

Lay out. Separación de equipos en un área

Distancia en ft

Distancias (pie) recomendadas entre unidades para plantas químicas y petroleras

Clase 1

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Distancias (pie) recomendadas entre tanques para plantas químicas y petroleras Tanques de techo flotante o fijo < 477 m3

1

0.5D

Tanques de techo flotante o fijo entre 477 y 1590 m3

2

0.5D

0.5D

Tanques de techo flotante entre 1590 y 47700 m3

3

1D

1D

1D

Tanques de techo flotante > 47700 m3

4

1D

1D

1D

1D

Tanques de techo fijo para productos de clase II y III entre 1590 y 47700 m3

5

1D

1D

Tanques de techo fijo para productos de clase I inertizados entre 1590 y 23850 m3

6

1D

1D

1D

1D

1D

1D

Recipientes para almacenar a presión (esferas o esferoides)

7

1.5 D 100’ Min

1.5 D 100’ Min

1.5 D 100’ Min

2D

1.5 D 100’ Min

1.5 D 100’ Min

1.5 D 100’ Min

Recipientes para almacenar a presión (depósitos y puros)

8

1.5 D 100’ Min

1.5 D 100’ Min

1.5 D 100’ Min

2D

1.5 D 100’ Min

1.5 D 100’ Min

1D 100’ Min

1D

Tanque de almacenamiento refrigerado (con cúpula)

9

2D 100’ Min

2D 100’ Min

2D 100’ Min

2D

2D 100’ Min

2D 100’ Min

1D 100’ Min

1D 100’ Min

1D 100’ Min

1

2

3

5

6

7

8

9

Clase 1

0.5D

0.5D

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4

0.5D

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Vista en planta (vista superior) mostrando aproximadamente el tamaño de la huella (footprint)

Clase 1

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Diagrama isométrico

Clase 1

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67

Localización de equipos

Clase 1

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68

Posible disposición de equipos para la sección de alimentación y reactor de DME, Unidad 200

Clase 1

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69

Elevación de equipos principales

Clase 1

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Razones para elevar los equipos

Clase 1

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71

Modelos de planta en 3-D Isometric View of Preliminary 3-D Plant Layout Model or DME Process

Clase 1

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72

Representación en 3-D

Clase 1

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73

Representación en 3-D Sección de alimentación y Reactor de Proceso de DME

Clase 1

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Simulación de procesos Presupuesto de costo de capital Diagrama de Bloque

PDF final PDF inicial Especificación de equipos

Balance de masa

Diseño de equipos Caudales finales

Balance de energía

Costos de operación

Costo de equipos

Tipos de instrumentos finales

Costos de capital

Detalles de construcción, mecánicos, instrumentos, tuberías, civil, layout

Ruta óptima de proceso

Control de costos de capital

Diseño de presupuesto óptimo

Construcción

Producción

Clase 1

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Utilidades y pérdidas

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Eficiencia en la producción de Formaldehído Uso eficiente de la Energía externa al Proceso. Tecnología A Evaporación

Reacción

Destilación

Absorción

Gases con Metanol y Formaldehído

Reciclo

Producto solución acuosa de Formaldehído

Metanol y Aire

Vapor

Enfriamiento

Vapor

Enfriamiento

Tecnología Basf Evaporación

Reacción

Recuperación de calor

Absorción Gases

Metanol y Aire

Producto solución acuosa de Formaldehído Vapor generado en el proceso

Clase 1

Enfriamiento

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