Los diagramas ingenieriles son herramientas fundamentales para la comprensión y estudio de los diferentes procesos de producción. En función del grado de desarrollo ingenieril y del avance del proyecto, se van generando diferentes diagramas con diferentes complejidades y disponibilidad de información. Entre los diagramas más empleados y desarrollados por los ingenieros químicos se encuentran: 1. 2. 3.
Diag Diagra rama mass de de Blo Bloqu ques es Diagra Diagramas mas de Flujo Flujo de de Proc Proceso esoss (PFD (PFD’s) ’s) Diagra Diagramas mas de de Cañerí Cañerías as e Inst Instrume rumento ntoss (P&ID (P&ID’s) ’s)
Los diagramas de bloques están formados exclusivamente por corrientes y bloques. Las corrientes son las líneas de flujo entre bloques. Estas suelen marcar la dir ección de flujo y normalmente van nombradas o enumeradas. Los bloques por su parte son la abstracción de las unidades de procesos o conjunto de unidades que llevan a cabo transformaciones en las corrientes. Los diagramas de bloques tienen como objetivo brindar una visualización rápida del proceso con el fin de dar una impresión informativa e introductoria al proyecto a evaluar. Por tal motivo no incluye servicios auxiliares, ni detalles constructivos, pero los bloques pueden representar las formas reales del sistema. Es decir permiten comprender la circulación general (entradas, orden de flujo, recirculaciones, by passes, escisiones, mezclas, salidas) del proceso productivo. Estos tipos de diagramas tienen un uso extendido en la resolución de balances de materia y energía. Pueden ir acompañados de una tabla de corrientes, o una descripción de las variables del proceso, a veces sobre el diagrama.
Etapa 2. Preparación de la alimentación Usualmente es necesaria alguna purificación y preparación (acondicionamiento) de la materia prima para alcanzar la debida forma en que debe ser alimentada al proceso. Generalmente esta etapa consiste en la remoción de algunas impurezas que acompañan a la materia prima y llevarla a la fase y condiciones de presión y temperatura que deben alimentarse al proceso. Etapa Etapa 3. Reac Reacto torr La etapa de reacción es el corazón de un proceso químico de manufactura. En el reactor los materiales son juntados bajo condiciones que promueven la formación d el producto deseado. También, según el proceso, se forman en esta etapa los subproductos, productos no deseados (impurezas) (impurezas) y permanece algo de material sin reaccionar. Etapa 4. Separación del producto En esta primera etapa después del reactor, los productos y subproductos son separados de cualquier material no reaccionado. Si existe cantidad suficiente de material no reaccionado, se deberá reciclar al reactor. Ellos pueden ser retornados directamente al reactor o a la etapa de purificación y preparación de la alimentación. Los subproductos también pueden separarse de los productos en en esta etapa, Etapa 5. Purificación Antes de ser vendidos, la mayoría de productos usualmente necesitan ser purificados para conseguir las especificaciones del producto. Si los subproductos son producidos en cantidades económicas, también deben ser purificados para la venta. Etapa 6. Almacenamiento de producto. Alguna diferencia entre la cantidad de producto elaborado y la cantidad vendida siempre se presenta en la operación operación de un proceso. proceso. Esta Esta cantidad cantidad también se se presenta presenta antes del del transporte transporte del producto producto hacia los centros centros de
Para facilitar el procedimiento de diseño, es ideal la planificación y esta es ayudada por el desarrollo del Diagrama de Flujo del Proceso (PFD´s). El PFD describe la ruta del proceso, mostrando los flujos de material y energía entre aquellas unidades de proceso que constituyen la planta. Después de haber concebido, definido y asignado el problema, la solución del mismo rara vez es obvia. Frecuentemente hay numerosas posibilidades y suposiciones potenciales. Aún con esta incertidumbre, en general es posible determinar un diagrama de flujo, esto conduce a suposiciones que pueden reducir la complejidad del problema. Al efectuar los balances de materia y energía, a menudo, se exponen las variables más importantes del proceso. Es una manera eficiente de familiarizarse con el proceso. Se identifica donde falta información. Si se efectúa y termina adecuadamente el diagrama de flujo contendrá los datos necesarios para el diseño de partes individuales de equipo. En general aunque se modifiquen después, es relativamente fácil corregirlo y repetir los cálculos de diseño. Cuando los estudiantes no sepan por donde un nuevo proyecto, se les aconseja comenzar por el diagrama de flujo, con la confianza de que por medio de este ejercicio se evaluará un método potencialmente fructífero. La mecánica de la preparación del diagrama de flujo se describe más adelante. Preparación del Diagrama de Flujo
Este capítulo abarca la preparación y presentación del diagrama de flujo del proceso (PFD) (“flow sheet”). El PFD es el documento clave en el diseño de procesos, el ingeniero químico usa los diagramas de flujo para mostrar la secuencia de los equipos y las unidades de proceso, las conexiones de las corrientes, cantidad y composición de las corrientes, y las condiciones de operación. Es un modelo gráfico del proceso que: 1. 2. 3. 4. 5.
Define la tarea/rol y las condiciones de operación de cada sección o unidad en la línea de proceso. Da una visión total de la ruta del proceso. Permite una visión en la operatividad global del proceso. Proporciona una valoración inicial de fuentes potenciales de riesgos. Forma las plantillas para los subsecuentes balances de materia y energía.
El diagrama de flujo debe ser usado por los grupos especialistas de diseño como base para sus diseños. Un PFD
3.
Las corrientes de servicios que se suministran a los equipos principales o que brindan una función en el proceso pueden representarse en conjunto con la información neta de proceso, o puede crearse un diagrama de flujo de servicios auxiliares, SFD (Service Flowsheet Diagram), tales como vapor, condensado, agua de enfriamiento, agua de calefacción, aire comprimido, aire de instrumentos, gases inertes, agua de incendio, agua filtrada para limpieza, etc. Estos diagramas son recomendables porque no ensucian el diagrama de flujo de procesos principal y permiten mejor detalle de servicios auxiliares. 4. Lazos de control básicos, que ilustren la estrategia de control usada para que el proceso opere dentro de condiciones normales. 5. Válvulas principales de control. 6. Tablas de Balance de masa y energía de proceso. Las características de las corrientes de alimentación, intermedias, reciclos y productos acabados se resumen en una tabla ubicada en la zona inferior del plano. La tabla contiene par te de los datos de proceso tales como: Número de la corriente Descripción de la corriente (ej. crudo de alimentación) Proveniencia y destino de la corriente Componentes de las corrientes. Flujo másico, flujo volumétrico y/o flujo molar. Fracción Másica o Molar Temperatura de operación Presión de operación Densidad o gravedad específica Viscosidad absoluta Estado físico. 7. Tablas de Balance de masa y energía de servicios auxiliares. Idem anterior. Los datos de la tabla pueden variar de acuerdo al tipo de proceso. Es potestad del Ingeniero de proceso, previa aprobación del Manager del Proyecto, añadir o eliminar datos a fin de suministrar la información más relevante para el proceso que se está diseñando. 8. La identificación del equipo se escribe en la zona superior del plano y alineada verticalmente con el mismo. Generalmente las bombas y compresores se muestran en línea, a lo largo de la cuarta inferior del plano. La identificación de estos equipos se escribe en la zona inferior o adyacente al símbolo del equipo.
Presentación del Diagrama de Flujo
A medida que el diagrama de flujo sea el documento definitivo del proceso, la presentación debe ser clara, comprensible, precisa y completa. Hay normalmente dos fases al desarrollar el PFD, estas son: especificaciones operacionales y especificaciones funcionales. Aquí, se elige las secciones del proceso que se necesitaría fabricar el producto. Típicamente, una planta propuesta es dividida en las secciones siguientes: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.
Almacenamiento de materia prima Preparación de la alimentación Reacción Separación Purificación Efluentes y tratamiento de los residuos Envasado y almacenamiento de producto
En la mayoría de los casos, las secciones requeridas serán dictadas por la ruta del proceso escogido. Es durante esta fase del diseño que debe alertarse de:
Donde se requieren los reciclos para minimizar la s pérdidas Tratamiento de materiales y requerimientos de transporte, y Donde tienen que ser instalados los sistemas de contención de pérdida
La secuencia de los principales “ítems” de equipo mostrados simbólicamente en el diagrama de flujo se hace sobre la base de una distribución de planta propuesta. Algunas libertades pueden tomarse en la colocación de los “ítems” auxiliares, tales como intercambiadores de calor y bombas. Pero el objetivo debe ser mostrar el flujo de materiales de etapa a etapa como ocurrirá y para dar una impresión general de la distribución de la planta de proceso. El equipo no debe dibujarse a escala. Para un proceso complejo con muchas unidades de proceso, pueden ser necesarias varias hojas, en este caso debe mostrarse claramente la continuación de las corrientes de proceso de una hoja a otra. En la parte inferior debe colocarse una tabla con el balance de materiales, por cada componente y total para
Identificación de equipos
Cada pieza de equipo mostrada en el diagrama de flujo debe ser identificada con un número de código y nombre. El número de identificación (usualmente una letra y algunos dígitos) será asignado normalmente a una pieza particular de equipo como parte del proceso de control general del proyecto, y serán usados para identificarlos en todos los documentos del proyecto. Si el diagrama de flujo no es parte de la documentación para un proyecto, entonces un simple, pero consistente código de identificación puede ser ideado. La forma más fácil es una letra inicial para identificar el tipo de equipo, seguida por 2 dígitos para identificar la sección, seguida por 2 dígitos para identificar la unidad particular. Clase de Identificación
Equipo
Descripción
A
Equipos de Mezcla
Agitadores, Aireadores, Mezcladores Mecánicos, Mezcladores Estáticos
B
Sopladores
Sopladores, Ventiladores, Centrífugos, de Desplazamiento Positivo.
C
Compresores
Centrífugos, Reciprocantes, De Tornillo, De Vacío.
Mandos Mecánicos
Motores eléctricos, Motores Neumáticos, Motores Diesel, Turbinas de Vapor y Turbinas de Gas
D
E
Intercambiadores de Calor
Intercambiadores bajo fuego, Condensadores, Enfriadores, Rehervidores, Vaporizadores, Evaporadores, Serpentinas de Calefacción, Intercambiadores de Doble Tubo, Intercambiadores tipo espiral,
M
Molinos y Tamices
J
Eyectores
S
Silos y Almacenaje
Equipos de Molienda y Separación de Partículas
Por ejemplo, el equipo T-12117, determina de que el equipo es una torre o una columna que se encuentra en la sección 12 de la planta, en la línea de producción n°1 y es el equipo número 17 de la sección. Ver anexos. A continuación se ejemplifica un diagrama de flujo de proceso:
Un diagrama de tuberías e instrumentación (DTI) también conocido del idioma inglés como Piping and Instrumentation Diagram (P&ID) es un diagrama que muestra el flujo del proceso en las tuberías, así como los equipos instalados y el instrumental, y está definido por el Instituto de Instrumentación y Control de la siguiente manera: 1.
2.
Un diagrama que muestra la interconexión de equipos de proceso e instrumentos utilizados para controlar el proceso. En la industria de procesos, un conjunto estándar de símbolos se utiliza para preparar los dibujos de los procesos. El instrumento de símbolos utilizados en estos dibujos se basa generalmente en Sistemas de Instrumentación y Automatización de la sociedad (ISA) Norma S5. 1. El principal esquema utilizado para la colocación de un proceso de control de la instalación.
Los P&ID’s desempeñan un papel importante en el mantenimiento y modificación del proceso que describen. Es fundamental para demostrar la secuencia física de los equipos y sistemas, así como la forma en que estos sistemas se conectan. Durante la etapa de diseño, el esquema también proporciona la base para el desarrollo de sistemas de control del sistema, lo que permite aumentar la seguridad operacional y las investigaciones, como los estudios de peligros y operatividad (HAZOP). Para las instalaciones de procesamiento, es una representación pictórica de: a)
Instrumentos clave de las tuberías y los detalles
b) Control y sistemas de cierre c)
Seguridad y los requisitos reglamentarios
d) Puesta en marcha e información operativa Contenido del P&ID’s: a)
Instrumentación y denominación.
b) Equipo mecánico con nombres y tag
Las listas informativas son documentos complementarios a los diagramas de flujo y diagramas de cañerías e instrumentos que permiten de manera rápida y certera, identificar, cuantificar y localizar los equipos, instrumentos, líneas, conexiones, etc. presentes en el proyecto de planta. Las listas comúnmente elaboradas son: 1. 2. 3. 4. 5.
Lista de Equipos Lista de Líneas Lista de Instrumentos Lista de Válvulas Lista de Tie-Ins
La lista de equipos reúne toda la información de los equipos intervinientes en la planta, desde su área de ubicación, nombre, descripción funcional, condiciones operativas, dimensiones del mismo, potencia (en el caso de que consuma energía), etc. La lista de líneas, al igual que la lista de equipos conyuga los datos de las cañerías que interconectan las operaciones unitarias del proceso. En las mismas se detalla el área, fluido que circula por las mismas, diámetros de cañerías, clases de cañerías, aislaciones, materiales de las cañerías e aislaciones, espesores de aislación, etc. Las listas de instrumentos, son listas complementarias que logran una percepción rápida de cuantificación de instrumentación y control de la planta. Cuanto más grande sea esta lista más automatizada será la planta. Esta lista muestra información relevante de electricidad e instrumentación, tal como elementos de medición, transmisores, controladores, reguladores, registradores, indicadores, switches eléctricos, PLC’s, y tiene como principal objetivo hacer de base para la futura generación de hojas de especificación de instrumentos con las cuales el responsable de selección de instrumentación pueda pedir cotizaciones de precios de los mismos. Desde el punto de vista de procesos, estas listas poseen la información de las líneas y/equipos donde estos equipos van a instalarse (ej. Un caudalímetro), con lo cual será necesario e indispensable que las mismas cuenten con valores de flujo másico, temperaturas, presiones, densidades y viscosidades, suelen también solicitarse valores de pH, conductividad, concentración en casos en que se requieran. Las listas de Tie-Ins solo son utilizadas en el caso de ampliaciones de plantas existentes. Los Tie-Ins son los puntos de conexión donde la ampliación o parte nueva de la planta va a conectarse a la parte existente. Los tie-Ins suelen simbolizarse con un hexágono y un número de codificación prefijado. Las listas de válvulas, son un complemento de las listas de equipos e instrumentos. En ellas se identifica las válvulas de control, válvulas de bloqueo, de retención, válvulas auto comandadas, manuales, etc, y especifica el CV, trim, material, diámetro, descripción y utilidad. Todas las listas mencionadas deben contener la información de equipos, líneas, válvulas, instrumentos y Tie-Ins
CARRERA:
Ingeniería Química HOJA:
CÁTEDRA:
1
T i p o
A r e a
T
EX
L í n e a 1
N°
0
9
TAG
6
096
T-EX1096
NOMBRE DEL EQUIPO
Crude Oil Dryer - Planta 1
Integración V - Proyecto Final
REV:
PROYECTO
XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX
TITULO:
LISTADO DE EQUIPOS
Función
Dimensiones
Potencia [HP O KW]
Alimentación Electrica
R PM
D ef in ici ón
$
P ro ve e
1 de
1
A
R es po nsa bl e
IDENTIFICACIÓNDELINEAS N ÓI IS V E R
1
EX1011-P-9-6"-CS-C2G
2
- - -" - -
3
- - -" - -
4
- - -" - -
5
- - -" - -
6
- - -" - -
7 8
B
DIÁMETRO NOMINAL in 6' '
.) O B DI
ÁREA IM
U L (S F
P
E X1 01 1
Nº DE ORDEN
0 09
AISLACIÓN R
T
D
L C
A
P
A
E
C2 G
C
E
L C
N O
E A M
CS
(mm)
IÓ
S A S
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D
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C E
L A A
C
IÓ L
D
LOCALIZACIÓN EXTREMIDADES
IÓ E
E
IG S
SERVICIO
N O
D S
IA R
R
E O
L E S
L
A
FLUIDO
R IS A
DESCRIPCIÓN
IS T
(mm)
M
1 ,5' '
CG
Cr ud eO li
A ce ti eC ru do D esc ar ga do d el S rti pp er
S L V G PS
CONDICIONES DEL FLUIDO D IS EÑ O
O PE RA CI ÓN D
DE
L E X10 11 -P -0 13 -6" -CS -C 2G
HASTA
DIAGRAMA
TEMP. ºC
PRESIÓN kgf/cm2
A S
ID
3
/m g
N k E
TEMP. ºC
EVENTUAL TEMP. PRESIÓN LIMP VAPOR PRESIÓN DE PRUEBA TEMP. PRESIÓN (1) 2 ºC kgf/cm ºC kgf/cm2 kgf/cm2
NOTAS
D
T-EX1096
P D16 0-E X1 01 1/ PD 160- EX10 25
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95
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LEYENDA
COMENTARIOS
CARRERA:
Ingeniería Química HOJA::
CÁTEDRA:
Integración V - Proyecto Final PROYECTO TITULO:
XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX
CAÑERÍAS - LISTADO DE LÍNEAS
1
REV..
A
de
2
CARRERA:
Ingeniería Química HOJA:
CÁTEDRA:
XS
LE7001 CONTACTO AUXILIAR
LÍNEA O EQUIPO E-12104
PFD / P&ID PD160-LE7001A
SERVICIO ESTADO DE MOTOR SOPLADOR
de
2
LISTADO DE INSTRUMENTOS
TITULO:
DESCRIPCIÓN
A
XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX
PROYECTO
TAG
1
Integración V - Proyecto Final
REV.
Nombre
Nº Corriente
Valv. Control
Caudal Max
Caudal Oper
Presion
Temperatura
Marca
Provee
Responsable
CARRERA:
Ingeniería Química HOJA:
Integración V - Proyecto Final
CÁTEDRA:
L í n e a
N°
TAG
Nombre
Posición
A
LISTADO DE VALVULAS
TITULO:
A r e a
1
XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX
PROYECTO
T i p o
REV:
1 de
SET
Actuador
Dimensiones
Definición
Trim
Material
Provee
Responsable
