Industria de Procesos Químicos I – FIQ-UNICA
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DIAGRAMAS DE FLUJO
Ing. Felipe Estuardo Yarasca Arcos
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DIAGRAMAS DE PROCESOS QUIMICOS
En general, los procesos químicos son complejos y los ingenieros químicos en la industria encuentran una variedad de diagramas de flujo de estos procesos. Los procesos químicos son complejos, y muchas veces contienen muchos riesgos para la salud y el medio ambiente (sustancias reactivas, toxicas y corrosivas operando a altas temperaturas y presiones). Es muy importante evitar los riesgos por fallas en la comunicación entre las personas que diseñan, construyen u operan los complejos procesos químicos o bioquímicos. Por lo tanto, es esencial que los ingenieros químicos sean capaces de formular apropiadamente los diagramas del proceso y sean también, unos expertos en la interpretación de los diagramas preparados por otros. La evolución en el diseño de un proceso químico puede ser representado por la secuencia de los diagramas de flujo mostrada en la figura:
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Diagrama Entrada - Salida A B
C Proceso Químico
D
•Identificación de las corrientes de entrada y salida. •Reacción química
C6H5CH3 + H2 = C6H6 + CH4
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Diagrama de bloque genérico
Identificación de los elementos funcionales básicos. Además se debe identificar las operaciones unitarias, corrientes de reciclo, las condiciones preliminares del proceso requeridas en las secciones de reacción y separación. Existen características que son comunes para todos los procesos químicos. Un proceso químico se divide en 6 áreas básicas o bloques.
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La vía más efectiva para comunicar información acerca de un proceso es a través del uso de los diagramas de flujo.
En este capítulo nos concentraremos en tres diagramas que son los mas importantes para los ingenieros químicos:
1. Diagramas de Bloque ( BFD) Block Flow Diagrams
2. Diagramas de Proceso (PFD)
Process Flow Diagrams 3. Diagramas de Tuberías e Instrumentación (P&ID) Piping and Instrumentation Diagrams.
De estos tres, el más utilizado por los ingenieros químicos es el PFD.
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Diagramas de Bloque (BFD)
Este diagrama consta de una serie de bloques conectados con corrientes de flujo de entrada y salida. Está incluido las condiciones de operación (presión y temperatura) y otra importante información, tal como conversión y recuperación, dados en el enunciado del problema.
Para la resolución de problemas, a menudo el paso inicial fue convertir el enunciado de un problema en un simple diagrama visual de bloques.
Es importante concentrarse en el flujo principal de corrientes a través del proceso.
Un ejemplo de un diagrama de bloque del proceso es mostrado en la figura 1.1 ( ver el Chapter 1.- Diagrams for Understanding Chemical Processes), y la descripción del proceso a continuación.
Este diagrama de bloques da un claro panorama de la producción benceno, no obstruido por los muchos detalles relativos al proceso.
de
Cada bloque en el diagrama representa una función del proceso y en realidad consiste de una pieza particular del equipo.
El formato general y las convenciones usadas en la preparación de un diagrama de bloque del proceso están presentadas en la tabla 1.1.
Tabla 1.1.- CONVENCIONES PARA LOS DIAGRAMAS DE BLOQUE 1. Cada operación se representa por un bloque. 2. Las corrientes de flujo principal se representan por líneas flechadas en la dirección del flujo. 3. Los flujos van desde la izquierda a la derecha del diagrama. 4. Las corrientes gaseosas se incluyen en la parte superior del diagrama, y los líquidos o sólidos hacia la parte inferior. 5. Se incluye la información crítica para entender el proceso. 6. Si las líneas se cruzan, las horizontales se mantienen y las verticales se cortan. 7. Se incluye un balance de materia simplificado.
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DIAGRAMAS DE FLUJOS DE PROCESOS (PFD)
El PFD contiene el grueso de datos necesarios que requiere el Ingeniero Químico para el diseño de un proceso químico.
Un típico PFD comercial contiene la siguiente la información:
1. Se representan todos los equipos de proceso junto con su descripción. Cada equipo tiene un número y un nombre. 2. Todas las corrientes de proceso tienen un número. Se debe incluir una descripción de las condiciones (temperatura, presión), flujos composición química, ya sea en el diagrama o una tabla adjunta. 3. Se deben representar todas las corrientes de servicios (vapor, aire, calefacción, etc.) que se alimentan a cada equipo de proceso. 4. Se deben representar los loops de control básicos que aseguran la estabilidad de las condiciones del proceso durante la operación normal.
La información básica proporcionada por un PFD puede ser clasificada en una de las siguientes: I. Topología del proceso. II. Información de las corrientes. III. Información de equipos.
I.- TOPOLOGÍA DEL PROCESO.- El diagrama mostrado en la figura 1.3 ilustra la locación de las piezas mayores de los equipos y las conexiones que las corrientes del proceso hacen entre los equipos.
La Topología del Proceso se refiere a la locación equipos y las corrientes del proceso.
e interacción entre los
El equipo está representado simbólicamente por “iconos” que identifican una unidad de operación específica.
La figura 1.4 contiene una lista de símbolos usados en los diagramas de procesos.
La figura 1.3 muestra que cada pieza mayor del equipamiento del proceso está identificado por un número en el diagrama.
La convención para el formato e identificación de los equipos del proceso está dado en la tabla 1.2.
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Tabla 1.2.- CONVENCIONES PARA LA IDENTIFICACIÓN DE EQUIPOS Formato General XX-YZZ A/B
XX C E H P R T TK V Y ZZ A/B
Son las letras de identificación para la clasificación de equipos. Compresor o Turbina (Compressor or Turbine) Intercambiador de calor (Heat Exchanger) Calentador a llama (Fired Heater) Bomba (Pump) Reactor (Reactor) Columna (Tower) Tanque de almacenamiento (Storage Tank) Tanque de proceso (Vessel) Designa un área dentro de la Planta Son los números de designación para cada item en una clase de equipo. Identifica unidad paralela o unidad de respaldo no mostradas en el un PFD.
Información suplementaria:
Descripción adicional de los equipos dada en la parte superior del PFD.
La tabla 1.2 provee la información necesaria para la identificación de los iconos equipos del proceso mostrados en un PFD. Como un ejemplo de cómo se usa esta información considere la unidad de operación P-101 A/B y que significa cada número o letra.
P-101 A/B P-101 A/B P-101 A/B
Identifica una bomba Indica que la bomba esta ubicada en el área N° 1 de la Planta Indica que la bomba es la número 01 de las n existentes en el
área. P-101 A/B
Indica que hay 2 bombas idénticas, una de respaldo (Backup)
En la figura 1.3 se puede ver que cada corriente de proceso está identificada por un número en un rombo localizado en la corriente.
La dirección de la corriente está identificada por una o mas flechas.
Las corrientes de servicios también son identificadas en la figura 1.3.
Una lista de los servicios comunes esta dada en la tabla 1.3.
Cada servicio está identificado por las iniciales proveídas en la tabla 1.3.
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Table 1.3 Convenciones para identificacion de Corrientes de Procesos y Servicios Corrientes de Procesos Aplicar todas las convenciones mostradas en la tabla 1 .1 Símbolo de rombo localizado en las lineas de flujo Identificación numerica (unica para cada corriente)inserta en el rombo Direccion del flujo señalado por flechas en las lineas de flujo
Corrientes de Servicios
lps mps hps htm cw wr rw rb cs ss el ng fg fo fw
Vapor a presion baja Vapor a presion media Vapor a presion alta Medio de transferencia de calor (organico) agua de enfriamiento desde torre de enfriamiento agua de rio desde rio agua refrigerada salmuera refrigerada agua residual quimica con alta DQO agua residual sanitaria con alta DBO calor electrico gas natural gas combustible petroleo o aceite combustible agua contra incendios
II- INFORMACIÓN DE LAS CORRIENTES.
La identificación de las corrientes del proceso debe ser clara.
Para diagramas pequeños que contienen solo unas cuantas operaciones, las características de las corrientes como son temperaturas, presiones, composiciones y ratios de flujo pueden ser mostradas directamente en la figura, adyacente a la corriente.
Esto no es práctico para un diagrama mas complejo, en este caso, solo los números de las corrientes son proveídas en el diagrama. La información de las corrientes son indexadas en una tabla resumen de corrientes o flujos.
La información de las corrientes normalmente proporcionada en una tabla resumen de flujo está dada en la tabla 1.4.
Esta tabla esta dividida en 2 grupos – Información requerida e información opcional – que puede ser importante para especificar el proceso.
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Table 1.4 Informacion proporcionada en el resumen de flujo Informacion esencial
Numero de corriente Temperatura (°C) Presion (bar) Fraccion de vapor Flujo Total Masico (kg/h) Flujo molar Total (kmol/h) Flujo Molar para cada componente (kmol/h) Informacion opcional Fracciones molares por componente Fracciones masicas por componente Flujo masico para cada componente (kg/h) Flujo volumetrico (m3/h) Propiedades fisicas significativas Densidad Viscosidad Otros Datos termodinamicos Capacidad calorifica Entalpia de corriente Valores-K Nombre de la corriente
La tabla resumen de flujo para el proceso mostrado en la figura 1.3 esta dada en la tabla 1.5 y contiene toda la información requerida, listada en la tabla 1.4.
III.- INFORMACIÓN DE EQUIPOS.
El elemento final del PFD es el resumen de equipos. Este resumen provee la información necesaria para estimar los costos de equipo y proporcionar los detalles básicos para el diseño de equipos.
La tabla 1.6 provee la información necesaria para el resumen de equipos mas empleados en procesos.
La información presentada en la tabla 1.6 es usada en la preparación del resumen de equipos del PFD para el proceso.
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Table 1.6 Descripcion de equipos para PFD y P&ID Tipo de equipo Descripcion del equipo Torres o Columnas (Towers) Tamaño (altura y diametro), Presion, Temperatura Numero y tipo de platos Altura y tipo de empaque Material de construccion Intercambiadores de calor (Heat Exchangers) Tipo: Gas-Gas, Gas-Liquido, Liquido-Liquido, Condensador, Vaporizador Proceso: Funcion, Area, Temperatura y Presion para ambas corrientes Numero de carcaza y pasos de tubos Material de construccion: Tubos y carcaza Tanques o Estanques (Tanks) Ver vessels Recipientes (Vessels) Altura, Diametro, Orientacion, Presion, Temperatura, Materiales de Construccion Bombas (Pumps) Flujo, Presion de descarga, Temperatura, Variacion de presion, Tipo de impulsor, Potencia de eje, Materiales de construccion Compresores (Compressors) Flujo a la entrada, Temperatura, Presion, Tipo de impulsor, Potencia de eje, Materiales de construccion Hornos, Calderas (Fired Heater) Tipo, Presion en los tubos, Temperatura de los tubos, Funcion, Combustible, Material de Construccion Otros Proveer informacion critica
Por ejemplo: El resumen de equipos para el proceso del benceno está presentado en la tabla 1.7.
Un ejemplo representativo de un PFD esta mostrado en la figura 1.5.
La información de las corrientes esta añadida al diagrama mediante “insignias de información” anexas.
Las formas de las insignias indica la información específica proporcionada por la insignia.
Las formas de las insignias indica la información específica proporcionada por la insignia.
La figura 1.6 ilustra todas las insignias mas empleadas en los textos.
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