Procesos químicos.

Presentación sobre los proceso químicos. Tipos y representación de procesos químicos.

1. Lewis Rangel Procesos Químicos Tipos de Proceso Químicos Representación de los Procesos Químicos

2. La Materia que nos rodea ofrece grandes beneficios útiles para nuestro desarrollo evolutivo, por lo tanto el Hombre se ha preocupado por Observarla; Conocerla y Transformarla y todo esto por una razón muy elemental ya que del mundo natural que lo rodea debe extraer sus medios de vida. La historia de la química abarca un periodo de tiempo muy amplio, que va desde la prehistoria hasta el presente y está ligada al desarrollo cultural del hombre y su conocimiento de la naturaleza. Historia de la Química .

3. Las civilizaciones antiguas ya usaban tecnologías que demostraban su conocimiento del uso de la materia, y algunas servirían de base a los primeros estudios de la química. Entre ellas se cuentan: la extracción de los metales de sus menas, la elaboración de aleaciones como el bronce, la fabricación de cerámica, esmaltes y vidrio, las fermentaciones de la cerveza y del vino, la extracción de sustancias de las plantas para usarlas como medicinas o perfumes y la transformación de las grasas en jabón. Historia de la Química.

4. La Química es la rama de las Ciencias Naturales que estudia las Propiedades, Composición y Estructura de la Materia asimismo las Transformaciones de Estructura y Composición que tienen lugar en la misma, tanto Naturalmente como provocadas Artificialmente así como los intercambios de Energía que acompañan a tales modificaciones. L a Química.

5. Procesos Químicos. Un proceso químico a escala industrial es un conjunto de operaciones que implican reacciones químicas y transformaciones físicas, interrelacionadas entre sí, dirigidas a la obtención de determinados productos finales a partir de materias primas que, en general, se aportan a la fase inicial .

6. Lewis Rangel Esquema simple de un proceso químico industrial Procesos Químicos.

7. Productos intermedios, subproductos, residuos e impurezas Sustancias que intervienen en un proceso

8. Parámetros de un proceso químico

9. Tipos de Procesos Químicos. Intermitentes o Por Lotes Continuos   o Semicontinuos Estado E stacionario o Transitorio .

10. Tipos de Procesos Químicos. Procesos intermitentes o por lotes : En éste proceso  la alimentación se carga al comienzo del proceso en un recipiente, y transcurrido cierto tiempo, se retira el contenido de dicho recipiente. No hay transferencia de masa más allá de los límites del sistema desde el momento en que se carga la alimentación hasta que se retira el producto. Un ejemplo es agregar con rapidez reactivos en un tanque y retirar los productos y reactivos no consumidos transcurrido determinado período, cuando el sistema haya alcanzado el equilibrio.

11. Tipos de Procesos Químicos. Proceso continuo :  En éste proceso las corrientes de alimentación y descarga fluyen de manera continua durante todo el proceso. Un ejemplo sería bombear una mezcla de líquido a velocidad constante hacia una columna de destilación y retirar de manera uniforme las corrientes de productos por la parte inferior y superior . Proceso Semicontinuos : Es cualquier proceso que no sea intermitente o continuo. Un ejemplo es permitir que el contenido de un recipiente con gas tras superar una cierta presión escape a la atmósfera.

12. Tipos de Procesos Químicos. Proceso estacionario : Si  los valores de todas las variables del proceso (volumen, velocidad de flujo) no cambian con el tiempo, se dice que el proceso opera en estado estacionario . Proceso transitorio : Si  cualquiera de las variables del proceso (temperatura, presión) cambia con el tiempo se dice que la operación es transitoria o no estacionaria. Por su naturaleza, el proceso por lotes o semicontinuos son operaciones en estado transitorio.

13. Representación de los procesos Químicos

14. Diagrama de Flujo Que es un diagrama de flujo El diagrama de flujo es una representación gráfica de la secuencia de pasos que se realizan para obtener un cierto producto. En el deben estar indicadas todas las entradas y salidas del sistema y de cada una de las subunidades en que se pueda dividir este, de manera que recoja la información sobre las propiedades de las distintas entradas y salidas. Sirven para proporcionar información clara, ordenada y concisa sobre el proceso global y sus diversas partes. Desarrollo de un diagramas de flujo La transformación de materias primas disponibles en productos deseados comienza a conceptualizarse mediante el desarrollo de un diagrama de flujo del proceso que se esta diseñando.

15. Desarrollo de un Diagrama de Flujo 1 2 3 4 5 6

16. Desarrollo de un Diagrama de Flujo Definir las reacciones involucradas Definir las reacciones involucradas. El objetivo de la primera etapa es llenar con reacciones química el camino entre la entrada y la salida del sistema. Esto define inicialmente el número de reactores que constituyen la parte fundamentalmente del proceso. Se requiere una búsqueda y la recopilación debe incluir las condiciones de la reacción, uso de catalizadores, grados de conversión, etc. Esto implica que las reacciones ya se han explorado experimentalmente y que en un momento dado forman parte, pueden llegar a hacerlo, de un ambiente industrial .

17. Desarrollo de un Diagrama de Flujo Establecer la distribución de especies Establecer la distribución de especies. La distribución de especies establece las conexiones primarias entre los reactores: la materia prima de alguno de ellos puede ser el producto de otro de los reactores, lo cual establece el orden de los equipos de reacción en el diagrama de flujo.

18. Desarrollo de un Diagrama de Flujo Diseñar los sistemas de separación Diseñar los sistemas de separación. La distribución de especies proporciona también las necesidades de separación de componentes, debido a que comúnmente la corriente de salida de un reactor tiene componentes adicionales a los requeridos en otro reactor subsecuente, y a que los productos del proceso requieren altos grados de pureza.

19. Desarrollo de un Diagrama de Flujo Diseñar los sistemas de integración de energía El aspecto económico del sistema se mejora al aprovechar la energía de las corrientes disponibles en el proceso, con el objeto de reducir el consumo de energéticos en forma de servicios (vapor y agua de enfriamiento). Para esto, es conveniente pensar en el diseño de redes de intercambiadores de calor a partir de las corrientes involucradas en el proceso.

20. Desarrollo de un Diagrama de Flujo Incorporar criterios de seguridad de procesos Los aspectos de seguridad en muchos casos son esenciales y debe incorporarse desde la creación del proceso. Como aquellos casos donde la interacción de dos componentes presentes en el proceso produce situaciones explosivas. (Estos procesos pueden tratar con sustancias de alta reactividad química, alta toxicidad, y alta corrosividad operando a altas presiones y temperaturas, Estas características pueden llevar a una variedad de serias consecuencias incluyendo explosiones, daño ambiental y a la salud de las personas.) La incorporación de estrategias de control toman un papel fundamental para lograr este objetivo.

21. Desarrollo de un Diagrama de Flujo Analizar los aspectos ecológicos pertinentes Se requiere asegurar que el proceso maneja adecuadamente sus desechos sin un daño ecológico. Esto ha dado pie un proceso conocido como tecnologías limpias, lo que hoy en día constituye un requisito fundamental en la creación de nuevos procesos .

23. Diagrama de Flujo en Bloque (DFB) Diagrama en bloque de flujo de proceso Diagrama en bloque de flujo deplanta Diagrama de Flujo del Proceso (DFP) Diagrama de Tuberías e Instrumentación. (P&ID)

24. Diagramas de Flujo en Bloque (DFB) Es una serie de bloques conectados con corrientes de entrada y salida. Este incluye condiciones de operación (temperatura y presión) y otras informaciones importantes como conversión y recuperación. No provee detalles sobre lo que está envuelto en cada bloque.

25. Diagrama de flujo en bloque de proceso para la producción de benceno Diagramas en bloque de flujo de proceso

26. Diagramas en bloque de flujo de proceso Convenciones y formato recomendado para el trazado de un “diagrama en bloque de flujo de proceso”

27. Diagramas de Flujo en Bloque de planta Diagrama de flujo en bloque de una planta de carbón a alcoholes combustibles de proceso

28. Lewis Rangel Ambos tipos de diagramas son usados para explicar la operación general de plantas químicas Diagramas en bloque de flujo de planta Diagramas en bloque de flujo de proceso

29. Diagramas de Flujo de Proceso (DFP) Representa un gran salto del diagrama de flujo en bloque en términos de la cantidad de información que contiene en comparación con el DFB. Contiene el global de los datos de ingeniería química necesarios para el diseño de un proceso químico.

30. Un DFP comercial típico contendrá esta información Diagramas de Flujo de Proceso (DFP)

31. Diagramas de Flujo de Proceso (DFP) Específicamente, cierta información será presentada en tablas acompañantes y solo la información esencial del proceso será incluida en el DFP. Los DFPs resultantes retendrán claridad de presentación, pero el lector debe referirse a las tablas resumen de equipos y flujos para extraer la información requerida acerca del proceso . La información básica provista por un DFP se puede clasificar en:   Topología del proceso Información sobre las corrientes Información sobre los equipos

32. Diagramas de Flujo de Proceso (DFP) Topología del proceso La localización de los equipos y la interacción entre ellos y las corrientes del proceso es referido como topología del proceso Los equipos son representado como iconos que identifican operaciones unitarias específicas. Aunque la “American Society of Mechanical Engineers ”, ASME , publica un juego de símbolos para usar en la preparación de DFP, algunas compañías pueden usar sus propios símbolos.

33. Diagramas de Flujo de Proceso (DFP) Diagrama de flujo del proceso de hidrodealquilación de tolueno.

34. Diagramas de Flujo de Proceso (DFP) Símbolos para la construcción de Diagramas de flujo de proceso .

35. Diagramas de Flujo de Proceso (DFP) Equipos de proceso Formato General XX-YZZA/B XX son las letras de identificación para la clasificación de los equipos C – Compresor o Turbina E – Intercambiador de calor H – Calentador, horno P – Bomba R – Reactores T – Torres TK- Tanque de almacenamiento V – Vasijas Y – designa un área dentro de la planta ZZ – son la designación en números para cada item en una dada clase de equipos. A/B identifica unidades paralelas no mostradas en un DFP Información suplementaria Descripción adicional de equipos dadas sobre el tope de un DFP. Convenciones usadas para la identificación de equipos de proceso

36. Diagramas de Flujo de Proceso (DFP) Consideremos la unidad de operación P-101A/B, para ver el significado de cada número y letra:   P -101A/B identifica que el equipo es una bomba P- 1 01A/B indica que la bomba está localizada en el área 100 de la planta P-1 01 A/B indica que esta bomba es la número 01 del área 100 P-101 A/B indica que hay dos bombas idénticas P101A y P101B. Una bomba opera la otra es de reserva.

37. Diagramas de Flujo de Proceso (DFP) Una lista de servicios comunes es dada en la Tabla siguiente, la cual provee una guía para la identificación de las corrientes de proceso Corrientes de proceso Todas las convenciones se aplican Símbolo encerrado en una caja en forma de diamante localizado en la línea de flujo Identificación numérica (único para cada corriente) Dirección de flujo mostrada por flechas sobre las líneas de flujo Corrientes de servicio lps Vapor de baja presión: 3 – 5 barg ( sat )* mps Vapor de presión media: 1 – 15 barg ( sat )* hps Vapor de alta presión: 40 – 50 barg ( sat )* htm medio de transferencia de calor (orgánico): a 400 ºC cw agua de enfriamiento: de torre de enfriamiento 30 ºC retorna a menos de 45 ºC wr agua de rio: de 25 ºC retorna a menos de 35 ºC rw agua refrigerada: Entrada a 5 ºC retorna a menos de 15 ºC rb brine refrigerado: entrada a –45 ºC retorna a menos de 0 ºC cs Agua de desecho químico ss Agua de desecho sanitario el Calor eléctrico (especificar servicio 220, 440, 660 V) ng Gas natural fg Gas combustible fo Fueloil fw fire water   * Estas presiones son establecidas durante las etapas de diseño preliminaries y los valores típicos varían en el rango estipulado

38. Diagramas de Flujo de Proceso (DFP) Información sobre las corrientes Para diagramas pequeños con pocas operaciones , las características de las corrientes tales como temperatura, presión, composición y velocidades de flujo pueden ser mostradas directamente en la figura, adyacente a la corriente. Esto no es práctico para un diagrama más complejo. En este caso, solo el número de la corriente es provisto sobre el diagrama. La información sobre las corrientes se coloca en una tabla resumen anexa al diagrama.

39. Diagramas de Flujo de Proceso (DFP) Información provista en un DFP Información Esencial Número de la corriente Temperatura (ºC) Presión (bar) Fracción de vapor Velocidad de flujo másico total (Kg/h) Velocidad de flujo molar total (Kmol/h) Velocidades de flujo de los componentes individuales (Kmol/h)   Información opcional Fracciones molares de los componentes Fracciones másicas de los componentes Velocidades de flujo de los componentes individuales (Kg/h) Velocidades de flujo volumétrico (m 3 /h) Propiedades físicas significativas: Densidad, Viscosidad, Otras Datos termodinámicos: Capacidad calórica, entalpía de la corriente Nombre de la corriente

40. Diagramas de Flujo de Proceso (DFP) Corriente numero 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 Temperatura  C   Presión (bar)   Fracción de vapor   Flujo másico (Ton/h)   Flujo molar (kmol/h)   Flujo molar de los componentes (kmol/h)   Hidrógeno Metano Benceno Tolueno 25     1.90   0.0     10.0     108.7               0.0 0.0 0.0 108.7 59     25.8   0.0     13.3     144.2               0.0 0.0 1.0 143.2 25     25.5   1.0     0.82     301.0               286.0 15.0 0.0 0.0 225     25.2   1.0     20.5     1204.4               735.4 317.3 7.6 144.0 41     25.5   1.0     6.41     758.8               449.4 302.2 6.6 0.7 600     25.0   1.0     20.5     1204.4               735.4 317.3 7.6 144.0 41     25.5   1.0     0.36     42.6               25.2 16.95 0.37 0.04 38     23.9   1.0     9.2     1100.8               651.9 438.3 9.55 1.05 654     24.0   1.0     20.9     1247               652.6 442.3 116.0 36.0 90     2.6   0.0     11.6     142.2               0.02 0.88 106.3 35.0 147     2.8   0.0     3.27     35.7               0.0 0.0 1.1 34.6 112     3.3   0.0     14.0     185.2               0.0 0.0 184.3 0.88 112     2.5   0.0     22.7     290.7               0.02 0.88 289.46 1.22   112     3.3   0.0     22.7     290.7               0.0 0.0 289.46 1.22 38     2.3   0.0     8.21     105.6               0.0 0.0 105.2 0.4 38     2.5   1.0     2.61     304.6               178.0 123.2 2.85 0.31 38     2.8   1.0     0.07     4.06               0.67 3.10 0.26 0.03 38     2.9   0.0     11.5     142.2               0.02 0.88 106.3 35.0 112     2.5   1.0     0.01     0.90               0.02 0.88 0.0 0.0

41. Diagramas de Flujo de Proceso (DFP) Información sobre los equipos El elemento final del DFP es el resumen de equipos. Este resumen provee la información necesaria para estimar los costos de equipos y suministra las bases para el diseño detallado de los equipos. La información presentada en la Tabla 1.6 es usada para preparar la porción de resumen de equipos del DFP para el proceso del benceno. En la Tabla 1.7, se muestra la tabla resumen de equipos del DFP del proceso para obtener benceno. Los detalles de cómo se estiman y escogen los parámetros de los equipos serán discutidos en el capítulo 9

42. Diagramas de Flujo de Proceso (DFP) Descripción de equipos para DFP y PIDs Tipo de Equipo Descripción del Equipo Torres Tamaño (altura y diámetro), Presión y Temperatura Numero y tipo de bandejas Altura y tipo de relleno Materiales de Construcción Intercambiadores de Calor Tipo: Gas-Gas, Gas-liquido, liquido – liquido, condensador, vaporizador Proceso: Necesidad de Intercambio de calor, Área, Temperatura y presión para ambas corrientes Numero y paso de los tubos Materiales de construcción: tubos y carcasa Tanques Ver recipientes Recipientes Altura, diámetro, orientación, presión, temperatura, Materiales de Construcción Bombas Flujo, descarga, presión, temperatura,  P, tipo de motor, potencia de eje, materiales de construcción Compresores Velocidad de flujo de entrada, Temperatura, presión, tipo de motor, potencia del eje, materiales de construcción Calentadores (fired) Tipo, presión del tubo, temperatura del tubo, Intercambio de calor, combustible, material de construcción Otros Información critica

43. Diagramas de Flujo de Proceso (DFP) Combinación de la topología del proceso, datos de las corrientes y estrategia de control para dar un DFP: Hasta este punto, hemos mantenido la cantidad de información del proceso mostrada en el DFP en un mínimo. La información sobre las corrientes es añadida al diagrama por medio de avisos con diferentes formas que indican la variable especificada así como las unidades escogidas. La tabal de flujos presentada ( Información provista en un DFP) , el resumen de equipos presentado ( Descripción de equipos para DFP y PIDs ) , y el DFP constituyen juntos la información contenida sobre un DFP producido comercialmente. El DFP es el primer diagrama comprensivo dibujado para una nueva planta o proceso. Este provee la información necesaria para entender el proceso químico. Además se da suficiente información sobre los equipos, balances de material y energía para establecer el protocolo de control del proceso y preparar estimados de costos para determinar la viabilidad económica del proceso. El valor del DFP no finaliza con la construcción de la planta. Este es el documento que mejor describe el proceso y es usado por los operadores e ingenieros. Debe ser consultado regularmente para diagnosticar problemas de operación y para predecir el efecto de los cambios sobre el proceso

44. DIAGRAMAS DE TUBERÍAS E INSTRUMENTACIÓN ( P&ID) Un P&ID nos muestra todas las partes principales del proceso como recipientes, líneas y maquinaria, pero con la instrumentación asociada superpuesta en el mismo diagrama mostrando lo que se esta midiendo y que se esta controlando. provee la información necesaria para que los ingenieros comiencen a planificar la construcción de la planta. El P&ID incluye todos los aspectos mecánicos de la planta.

45. SIMBOLOS Y DIAGRAMAS S on usados en el control de procesos para indicar: La aplicación en el proceso. El tipo de señales empleadas. La secuencia de componentes interconectadas. La instrumentación empleada. La SOCIEDAD DE INSTRUMENTISTAS DE AMERICA (ISA) publica normas para símbolos , términos y diagramas que son reconocidos en la industria.

46. Identificación del instrumento Se utilizan letras y números para identificar a losinstrumentos F R C 102 A PrimeraletraLetrassucesivasNúmerodel lazodecontrolSufijoIdentificación del lazoIdentificación funcional                                                                                                                                                                                                   Identificación del instrumento Se utilizan letras y números para identificar a los instrumentos. La primera letra : representa a la variable del proceso. Flujo: F Nivel : L Presión : P Temperatura : T Peso : W Tiempo : K Humedad : M Concentración : A

47. Exclusiones de un P&ID Condiciones de operación T, P Corrientes de flujo Localización de los equipos Pipe routing Largos de tubería Ajustes de tubería Soportes, estructuras y fundaciones  

48. Exclusiones de un P&ID Para Equipos- Mostrar todas las piezas incluyendo Unidades sobrantes Unidades paralelas Detalles resumidos de cada unidad Para Tuberías- Incluir todas las líneas incluyendo drenajes, conexiones de muestra y especificar Tamaño (usar tamaños estándar) Catalogo (espesor) Materiales de construcción Aislamiento (espesor y tipo) Para Instrumentos- Identificar Indicadores Registradores Controladores Mostrar instrumentos en línea Para Servicios-Identificar Entrada de los servicios Salida de los servicios Salida a las facilidades de tratamiento de desechos Convenciones en la construcción de Diagramas de tuberías e Instrumentación

49. Identificación del instrumento Lewis Rangel

50. Las letras posteriores nos indican el tipo de medición y las funciones del instrumento, por  ejemplo , la última letra indica la función principal del instrumento y la penúltima letra indica la función auxiliar .Adicionalmente puede existir   una segunda letra que me modifica el proceso principal . Ejemplo: F R C  1 02 A Identificación del instrumento

51. Para el Ejemplo mostrado   F R  C 102  A Función Principal C: Controlador  Función Auxiliar R: Registrador  . Entonces FRC significa   Controlador  Registrador de Flujo.

52. ejemplo representación de un lazo de control: Lazo de control de presión

53. Ejemplo de P&ID

54. Ejemplos adicionales

55. Ejemplos adicionales

56. Lewis Rangel Muchas Gracias!