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TF2314  Problemas de Ingeniería Química Clase 3

PROYECTOS DE INGENIERÍA Í Abril – Julio 2018 Prof. Andrés Dib f d é ib Dpto. Termodinámica y Fenómenos de Transferencia

¿Q ¿Qué es un proyecto? p y Es el mecanismo para lograr un objetivo o meta concreta, a través de la ejecución de una serie de actividades  previamente identificadas y planificadas. Se caracteriza por: z El objetivo es cuantificable, medible y acotado z Tiene un comienzo y un final tangible z Requiere el uso de recursos

Dpto. Termodinámica y Fenómenos de Transferencia

Tipos de proyectos

Dpto. Termodinámica y Fenómenos de Transferencia

Islas Palmeras (Dubai)

El nombre de las islas proviene, evidentemente, de su forma de  palmera de dátil. En el tronco está el acceso a la isla, una gran avenida  central por la que se llega a las frondas, el follaje de la palmera, ésta es  la zona residencial. El creciente, es la forma de media luna que rodea a  la isla, tiene la función de proteger y actuar como rompeolas. Dpto. Termodinámica y Fenómenos de Transferencia

Algunas características de los procesos químicos   í i z z z

Intensivos en costo de capital y costo de operación. Intensivos en costo de capital y costo de operación Diseñados para largos ciclos de vida. No adaptables a la producción de materiales muy  distintos a aquellos para los cuales fueron diseñados.

El mejor proceso posible en la etapa de diseño

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Algunas características de los procesos químicos Las decisiones que se toman durante la etapa de diseño determinan aproximadamente el 80% de los costos de capital y operación de la futura planta. capital y operación de la futura planta

Dpto. Termodinámica y Fenómenos de Transferencia

Los proyectos de ingeniería plasman… l

Dpto. Termodinámica y Fenómenos de Transferencia

Estrategia general para la ejecución de proyectos Definición de objetivos y alcance. f ó d b l z Identificación del personal clave /staff. z Definición de la organización del equipo de g q p proyecto. z Realización de un análisis FODA(Fortalezas, Oportunidades  Debilidades y Amenazas) Oportunidades, Debilidades y Amenazas). z Planificación en detalle del proyecto. z Identificación del sitio de ejecución. z Definición de los recursos a ser utilizados. D fi i ió  d  l         ili d z Definición de las interacciones con entes externos. z

Dpto. Termodinámica y Fenómenos de Transferencia

Estableciendo los objetivos del proyecto t z z z z z

z

z

z

Maximizar la rentabilidad Minimizar los costos de inversión Minimizar los costos de operación Satisfacer los estándares de seguridad Obtener una planta que pueda ser  controlada fácilmente Maximizar la flexibilidad del proceso a  cambios en la alimentación Crear un diseño que se ajuste al espacio  disponible Co t   o   Contar con una planta que no contamine  pl t  q e  o  o t i e Dpto. Termodinámica y Fenómenos de Transferencia

Etapas Et

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Vi li ió Visualización z z z z z z z z z z z z

Identificar oportunidades de negocio y proyectos potenciales. Analizar el mercado potencial. Definir el marco de tiempo de la oportunidad comercial. Definir el objetivo y alcance del proyecto Definir el objetivo y alcance del proyecto. Dimensionar el proyecto en términos macro. Identificar posibles ubicaciones. Analizar el impacto socio‐económico. l l ó Identificar las opciones tecnológicas o la necesidad de desarrollar  nuevas tecnologías. Analizar los posibles competidores y obstáculos. Realizar balances de masa y energía globales. Realizar estimaciones de costos tipo orden de magnitud Realizar evaluaciones de factibilidadeconómica. Dpto. Termodinámica y Fenómenos de Transferencia

Conceptualización z

z z z z z z z z z z z z

Definición de las dimensiones del proyecto (capacidad de producción o de  procesamiento, especificaciones de la materia prima, calidad de los  productos, etc.). S l ió  d  l   bi ió Selección de la ubicación. Evaluación del impacto ambiental. Selección de la(s) tecnología(s) a ser aplicada(s). Configuración y simulación del proceso (balance de M&E). Definición y análisis de variables claves. Diseño y especificaciones generales de equipos. g Estudios de optimización a nivel conceptual y básico. Se determinan los factores legales asociados a la realización del proyecto  ( (normas, permisos, etc.). ,p , ) Se analizan los posibles obstáculos técnicos y de seguridad. Se cuantifican los servicios e insumos requeridos. Se realizan estimaciones de costos (clase IV). Se realizan evaluaciones de factibilidad económica. Dpto. Termodinámica y Fenómenos de Transferencia

Definición z

z z

z z z z z z z z z

Se preparan los documentos avanzados de ingeniería (principal‐ mente los vinculados a las áreas de procesos, mecánica y control de  p procesos / instrumentación). / ) Se realizan balances de masa y energía (simuladores estáticos). Se diseñan y/o especifican en detalle todos los equipos, instrumentos  y válvulas. y válvulas Se realizan los estudios hidráulicos del sistema. Se realizan estudios de optimización. S  d fi Se definen las corrientes de drenaje, venteo y alivio.  l   i t  d  d j   t     li i Se definen los sistemas de seguridad. Se definen los servicios y sus consumos. Se analiza en profundidad el impacto ambiental. Se realizan los análisis de riesgos operacionales (HAZOP). Se realizan estimaciones de costos (Clase III). Se desarrolla el plan maestro de construcción. Dpto. Termodinámica y Fenómenos de Transferencia

Implantación z

z

z z z z

Se complementan los documentos generados en la fase de  Definición. Se desarrollan los documentos de otras disciplinas (electricidad,  civil, tuberías, etc.). Se realizan estimaciones de costos (Clase II). Se realizan las actividades de procura. Se ea a a ac dade de co Se realizan las actividades de construcción. ucc ó Se realizan las actividades de preparación para el arranque.

Dpto. Termodinámica y Fenómenos de Transferencia

Otras actividades típicas de i g i í ingeniería z z z z z z z z z

Plan maestro del proyecto. Plan maestro del proyecto Planificación de cada fase proyecto. Estudios de riesgo (HAZOP, posibles errores humanos, etc.). Ingeniería de valor (costos). “FEL index” (compleción). “ “Precommissioning” (limpieza, pruebas hidráulicas). ( ) Arranque de planta. Pruebas de garantía Pruebas de garantía. Entrenamiento de operadores.

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Algunos programas típicos para proyectos •Planificación (Project, Primavera, etc.). •Simulación (Pro II, Aspen, HYSYS, Unisym, etc.). •Diseño (HEXTRAN, PIPEPHASE, Inplant, HTRI, etc.). ñ ( l ) •Planos (AUTOCAD, Visio, etc.). •Genéricos (Office  etc ) •Genéricos (Office, etc.).

Dpto. Termodinámica y Fenómenos de Transferencia

C Características de las etapas t í ti  d  l   t

Dpto. Termodinámica y Fenómenos de Transferencia

Algunos documentos típicos de  i g i í ingeniería z z z z z z z z

Bases de diseño (técnicas /  ( económicas). Criterios de diseño. Descripción del proceso Descripción del proceso. Diagrama de Flujo de Proceso  (DFP /“PFD”). Balance de masa y energía. Diagrama de Tuberías e  Instrumentación (DTI / “P&ID”). Diagrama de materiales. Hoja de datos y especificaciones  de equipos.

•Lista de equipos. Lista de equipos. •Lista de líneas. •Lista de válvulas (Proceso /Control /  Alivio). ) •Lista de instrumentos. •Lista de empalmes de proceso  (“Tie‐ins”). •Lista de empalmes de sistemas de  control. •Lista de empalmes de sistemas de  seguridad. id d •Lista de empalmes de servicio. •Lista de empalmes eléctricos.

Dpto. Termodinámica y Fenómenos de Transferencia

Algunos documentos típicos de  i ingeniería i í z z z z z

z z

Filosofía de control. Filosofía de control Filosofía de seguridad. Consumo de servicios y  químicos. í Guías operacionales /  Manual de operaciones. p Diagramas de ubicación de  equipos (“PlotPlan” /  “Plant Layout”) Plant Layout ). Isométricos. Diagramas unifilares.

•Estrategia de  construcción. •Preparación del sitio. •Diseños de ingeniería  Di ñ  d  i i í   civil. •Estimación de costos. •Simulaciones (estáticas /  dinámicas). •Modelos en 3D  (AUTOCAD). •Etc.

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Algunos ejemplos de documentos g j p

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Algunos ejemplos de documentos g j p

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Algunos ejemplos de documentos g j p

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Dpto. Termodinámica y Fenómenos de Transferencia

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Algunos ejemplos de documentos g j p

Dpto. Termodinámica y Fenómenos de Transferencia

Algunos ejemplos de documentos

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Algunos ejemplos de documentos

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I g i í  d   Ingeniería de procesos z

La Ingeniería de Proceso es una de las  actividades críticas y relevantes en la ejecución  de un proyecto  ya que ella determina: de un proyecto, ya que ella determina:

z

El objetivo primordial del Diseño de Proceso es:

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I g i í  d   Ingeniería de procesos Generalmente se considera fundamental e indispensable en el Diseño de Proceso:

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Caso de diseño TF2314 C t id  d l d Contenido del documento final t  fi l z

z z

El contenido del paquete de ingeniería que se deberá  entregar al final del curso considera básicamente los  documentos más importantes donde participa la  p p p disciplina de Ingeniería de Procesos: SUMARIO ÍNDICE DE CONTENIDO 1. Introducción 2  Objeti o    l 2. Objetivo y alcance del proyecto e del  o e to 3. Bases de diseño 4. Descripción del proceso 4 p p Dpto. Termodinámica y Fenómenos de Transferencia

Caso de diseño TF2314 C t id  d l d Contenido del documento final t  fi l 55. Diagrama de flujo del proceso (DFP)  Diagrama de flujo del proceso (DFP) 6. Balances de masa y energía 7. Diagramas de tuberías e instrumentación (DTI) 8. Lista de equipos 9. Hojas de datos/especificaciones de equipos 10  Diagrama de ubicación de equipos 10. Diagrama de ubicación de equipos 11. Lista de válvulas yq 12. Consumo de catalizadores y químicos 13. Consumo de servicios / Diagrama de servicios

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Caso de diseño TF2314 C t id  d l d Contenido del documento final t  fi l 14. Análisis de impacto ambiental (incluye lista de efluentes y  recomendaciones para su disposición/tratamiento) d i      di i ió /t t i t ) 15. Filosofía de control (desde un punto de vista de Ingeniería de Procesos) 16. Filosofía de seguridad 17  Guías operacionales 17. Guías operacionales 18. Estimado de costos de inversión 19. Análisis económico 20. Recomendaciones para la siguiente etapa del proyecto

MEMORIAS DE CÁLCULO z SEMINARIOS z OTROS ANEXOS z CD contentivo de todos los archivos (libro, seminarios,  ( presentaciones, etc.) z

Dpto. Termodinámica y Fenómenos de Transferencia

Pasos de ejecución de proyectos de i ingeniería i í Aún cuando en la ejecución de un proyecto de diseño de procesos no existe un orden de pasos estándar que exprese la única forma correcta de hacerlo, podemos señalar una guía q que indica la experiencia. p

Dpto. Termodinámica y Fenómenos de Transferencia

Pasos de ejecución de proyectos de i ingeniería i í z

1 Revisión Bases de Diseño 1.Revisión Bases de Diseño. z

z

2. Definición de actividades y plan de ejecución.  D fi i ió  d   i id d     l  d   j ió z

z

Antes de comenzar cualquier diseño, se debe formular y  comprender el problema claramente. Cualquier tipo de proyecto (simple o complejo) requiere ser  planificado para lograr una ejecución exitosa.

3. Descripción preliminar del proceso. Diagrama de  bloques. z

Difícilmente la transformación de materia prima en los  productos deseados se puede lograr en una sola etapa. Se  requiere seleccionar los pasos: reacción, separación,  calentamiento, etc. Dpto. Termodinámica y Fenómenos de Transferencia

Pasos de ejecución de proyectos de i ingeniería i í z

4  Desarrollo del diagrama de flujo 4. Desarrollo del diagrama de flujo. z

z

5. Simulación. Balances de masa y energía. z

z

Los pasos seleccionados se deben interconectar para contar con  un proceso completo que permita obtener el resultado deseado. Una simulación es un modelo matemático del proceso que  pretende predecir cómo se comportará si es llevado a la  práctica.

6. Diseño de los equipos. q p z

Una vez predichos los flujos, composiciones, temperatura,  presión, etc, se pueden dimensionar cada uno de los equipos.

Dpto. Termodinámica y Fenómenos de Transferencia

Pasos de ejecución de proyectos de i ingeniería i í z

7  Análisis económico 7. Análisis económico. z

z

8. Optimización. z z z

z

Los resultados del análisis podrían indicar la necesidad  de hacer algunos cambios en el esquema considerado. de hacer algunos cambios en el esquema considerado Integración energética. Integración energética Cambios en el diseño o condiciones del reactor. Evaluación de un esquema diferente de separación y  purificación, etc.

9. Emisión de documentos. Dpto. Termodinámica y Fenómenos de Transferencia

J Jerarquía del diseño í  d l di ñ

Dpto. Termodinámica y Fenómenos de Transferencia

Pasos de ejecución de Proyectos de i ingeniería i í z z z z z z z z z z z

1. Revisión Bases de Diseño. Comprensión del problema de diseño. 2. Definición de actividades y plan de ejecución. 3. Descripción preliminar del proceso. Diagrama de bloques. 4  Desarrollo del diagrama de flujo. 4. Desarrollo del diagrama de flujo 5.Simulación Balances de masa y energía. 6.Diseño de equipos. 7.Análisis económico. 8.Optimización. 9 Emisión de documentos 9.Emisión de documentos. Dpto. Termodinámica y Fenómenos de Transferencia

¿El verdadero primer paso? El  d d   i   ? Identificar toda la información relevante que está disponible. z Identificar la información requerida para el diseño. z Obtener toda la información necesaria. Recordar: ¡La información publicada no necesariamente es la correcta !!! z

Dpto. Termodinámica y Fenómenos de Transferencia

Diagramas para describir el proceso Diagrama de bloques. Diagrama de bloques z Diagrama de flujo (DFP). z Diagrama de tuberías e instrumentación (DTI). z Otros (diagrama de servicio, plot plan y diagramas de elevación, isométricos g , tubulares, etc.). z

Dpto. Termodinámica y Fenómenos de Transferencia

Di g Diagrama de bloques  d  bl z

z

z z

z

Muestra la interrelación de macro‐unidades de  Muestra la interrelación de macro unidades de  proceso, con sus corrientes principales de carga y  p productos. Algunas veces enseña también las operaciones  físicoquímicas básicas dentro de una unidad de proceso  particular. i l Permite conceptualizar nuevos procesos. P Permite explicar las principales características de un  it   li  l   i i l   t í ti  d     proceso sin entrar en profundos detalles. Punto de partida para desarrollar el DFP Punto de partida para desarrollar el DFP. Dpto. Termodinámica y Fenómenos de Transferencia

Diagrama de bloques g q z

z z z z z z

Las operaciones se muestran en bloques.  q p Cada bloque representa una función de  proceso y seguramente implica varios  equipos. Se interconectan los bloques con flechas  que señalan la dirección del flujo.   ñ l  l  di ió  d l fl j El flujo se muestra de izquierda a  derecha. G Gases hacia arriba, líquidos y sólidos   h i   ib  lí id     ólid   hacia abajo. Se incluye información crítica y  característica del proceso. Cuando se cruzan líneas, la horizontal  será continua y la vertical se parte. Puede incluir un balance de masa  uede c u u ba a ce de a a simplificado. Dpto. Termodinámica y Fenómenos de Transferencia

Di Diagrama d de bl bloques

Dpto. Termodinámica y Fenómenos de Transferencia

Dpto. Termodinámica y Fenómenos de Transferencia

Di g Diagrama de flujo (DFP)  d  fl j  (DFP) z

Información que proporciona:

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Diagrama de flujo (DFP) g j ( ) z z z z z z z z z

Habitualmente se elabora durante las etapas iniciales del proyecto para  familiaridad y fácil entendimiento del proceso. Incluye los principales equipos. Cada uno con un código único y descriptivo. Presenta todas las corrientes y las identifica con un número. Se suelen indicar las principales líneas del proceso por medio de flechas  llenas y las líneas secundarias con flechas punteadas. Contiene las condiciones y composición de cada corriente  ( (directamente o en una tabla anexa). ) Muestra las corrientes de servicios a los principales equipos de proceso. Muestra los lazos básicos de control ilustrando la estrategia de control  a usar durante la operación normal del proceso.    d t  l   ió   l d l  Sólo muestra los instrumentos más importantes para el control del  proceso.

Dpto. Termodinámica y Fenómenos de Transferencia

Diagrama de flujo (DFP) g j ( )

LNG Terminal Dpto. Termodinámica y Fenómenos de Transferencia

Diagrama de flujo (DFP)

Dpto. Termodinámica y Fenómenos de Transferencia

Diagrama de flujo (DFP) g j ( ) Gases limpios

Contaminantes retirados ti d

H2

Endulzamiento de gases con aminas

Gases

Amina

LPG

Soda Caústica

Nafta Efluentes Cerro Negro 8 º API 37500 BPD (oleoducto de crudo diluido)

Cerro Negro Diluido 16 ºAPI

HDT

LPG

Diesel Atm

Crudo Nafta

Diesel Atm

LVGO

MVGO Asfalto Vapor

N ft Nafta Hidrotratada

Nafta Diluente Dil ente Nafta pesada Importada 50 ºAPI

Residuo Atmosférico

Muelle

Diluentes LVGO

A dilución

MVGO

Gasoducto (Gas PDVSA) Asfalto f Asfalto Nafta Diluente 50 ºAPI 12500 BPD (oleoducto de Nafta)

Dpto. Termodinámica y Fenómenos de Transferencia

Muelle

D Desarrollo del diagrama de flujo ll  d l di g  d  fl j z z z

z

z

¿El proceso producirá lo que el cliente requiere?. ¿El proceso producirá lo que el cliente requiere? ¿Es posible diseñar, construir y operar esta planta de  manera económicamente atractiva?. La planta deberá operar de manera segura con un  conjunto de riesgos aceptables para los empleados y  para el público   para el público.  La planta debe cumplir con todos los requerimientos  para protección ambiental y con las posibles futuras  restricciones. La planta debe manejar lo más eficientemente posible  la energía. Dpto. Termodinámica y Fenómenos de Transferencia

D Desarrollo del diagrama de flujo ll  d l di g  d  fl j z

z

z

z

z

Los requerimientos de mantenimiento deben  minimizarse. La planta se debe diseñar para operar adecuadamente  bajo condiciones de carga reducida (50 %). Minimizar la producción de sub‐productos no  utilizables. Asegurar el uso de los servicios disponibles  ( l t i id d   (electricidad, aguade enfriamiento, etc.). d   fi i t   t ) Etc., etc. Dpto. Termodinámica y Fenómenos de Transferencia

D Desarrollo del diagrama de flujo ll  d l di g  d  fl j Tomar en cuenta la necesidad de proveer los sistemas de  control y la instrumentación requerida para que en el  diseño de detalle no resulte una inversión mayor a la  y necesaria o, peor aún, obtener una planta imposible de  operar.

Dpto. Termodinámica y Fenómenos de Transferencia

Diagrama de tuberías e i t instrumentación (DTI) t ió  (DTI) z z z z z z z z

Provee la información necesaria para comenzar a planificar la  construcción de la planta. También se utiliza posteriormente para entrenar a los operadores. Es importante para desarrollar los procedimientos de arranque. Incluye los aspectos mecánicos relevantes. Excluye: las condiciones de operación y flujos, ubicación de equipos, ruta  de tuberías (longitud y empalmes), soportes, estructuras y fundaciones. Cada línea debe estar numerada y sus especificaciones pueden ir en una  tabla anexa. Cada conexión a servicios se señala con un número en un recuadro (el  número implica un servicio específico) y la clave se incluye en el DTI. Todas la información de proceso que puede ser medida se muestra con  indicadores circulares. Dpto. Termodinámica y Fenómenos de Transferencia

Diagrama de tuberías e i t instrumentación (DTI) t ió  (DTI)

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Ot  di g Otros diagramas…

Dpto. Termodinámica y Fenómenos de Transferencia

Pl t  l Plot plan

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Dpto. Termodinámica y Fenómenos de Transferencia

Li t  d   Lista de equipos i

Dpto. Termodinámica y Fenómenos de Transferencia

Li t  d   Lista de equipos i

La lista de equipos se utiliza en conjunto con el  diagrama de flujo del proceso. Cada equipo en el  diagrama debe identificarse con un código único, y  letras iguales para ítems similares (p.e., reactores R‐101,  g p (p , , R‐102; bombas P‐101, P102, etc.).

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Di ñ   li i  d   Diseño preliminar de equipos i

Dpto. Termodinámica y Fenómenos de Transferencia

Lista de equipos Di ñ   li i Diseño preliminar Información para la descripción de los equipos: z Tipo de equipo. z Tamaño o capacidad. z Material de construcción. z Presión de operación. z Temperatura máxima o mínima de operación. z Requerimiento de aislamiento. z Permisividad para corrosión. z Características especiales. í i i l z Duplicación por seguridad o confiabilidad.

Varios métodos  aproximados

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Di ñ  d   Diseño de equipos i Reactores Torres de absorción Torres de extracción Separadores Columnas de destilación Intercambiadores Bombas Compresores Válvulas T b í Tuberías Filtros

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Di ñ  d   Diseño de equipos i z

Algunas consideraciones: Balance de energía (depende de los criterios de optimización p energética)

Layout

Dimensionar intercambiadores

Especificar bombas

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B l Balances de masa y energía  d       gí z z

Se requieren los balances de masa y energía para proceder a un  Se equ e e os ba a ces de asa y e e g a pa a p ocede a u diseño de equipos. El resumen de los balances se presenta en una tabla especificando  cada equipo. z

z z z z z z

Flujo másico de todas las corrientes entrando y saliendo de cada equipo  Fl j   á i  d   d  l   i   d     li d  d   d   i   (seleccionar una unidad de tiempo apropiada para que los números  puedan ser apreciados). Fases de cada corriente. Composición (% masa) de todas las corrientes. En ocasiones conviene incluir los flujos molares y composición molar de  las corrientes gaseosas. Temperatura de cada corriente (usar °C o K consistentemente; para  Temperatura de cada corriente (usar  C o K consistentemente; para  temperaturas por debajo de 0°C se prefiere temperaturas absolutas). Presión de cada corriente. Contenido entálpico de cada corriente. Dpto. Termodinámica y Fenómenos de Transferencia

B l Balances de masa y energía  d       gí Algunas consideraciones: z z z

z z z

z z

Información como flujos, composición, temperatura etc. puede  transferirse al DFP. El DFP debe actualizarse continuamente. Los balances de masa y energía no se pueden considerar  simplemente como un conjunto de información. Deben ser usados  y analizados. Áreas de la planta que tienen un alto requerimiento de químicos   Áreas de la planta que tienen un alto requerimiento de químicos,  agua, producción. Equipos con alto requerimiento de energía. Es recomendable hacer un diagrama simplificado de bloques que  muestre secciones particulares de la planta, incluyendo los  principales flujos másicos, energía removida y requerida. Puede ser suficiente solo 2 cifras significativas. Atención con los bajos niveles de impurezas. Dpto. Termodinámica y Fenómenos de Transferencia

C Concluyendo… l d Comprender el diagrama de flujo y contar con unos balances apropiados en las primeras etapas del diseño de una planta , reduce errores y permite que los integrantes del grupo trabajen de manera eficiente. j f

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