Slide1: TEMA Nº 02: DIAGRAMAS DE PROCESO QUIMICO Ing. José Manuel García Pantigozo 2008 - I CALCULOS ECONOMICOS EN INGENIERIA QUIMICA


SECTION 0:CHEMICAL PROCESSES DIAGRAMS : SECTION 0: CHEMICAL PROCESSES DIAGRAMS


Slide3: Proceso Químico Sistema formado por equipos, interconectados en forma organizada, que permiten cambios físicos y químicos dando lugar a un producto de interes.


Slide4: Proceso Industrial PROCESO DISEÑO INSUMOS CONOCIMIENTO INGENIERIA TRABAJO ENERGIA CAPITAL MATERIAS PRIMAS PRODUCTOS


Life of a Chemical Plant Design : Life of a Chemical Plant Design Inception Feasibility survey Process development Final economic evaluation Detailed engineering design Procurement Erection Startup and trial runs Production


Slide6: Industrias de Procesos Químicos (Chemical Process Industries: CPI) Alimentos (bebidas, azúcar, jugos, congelados, lácteos, vinos, cerveza, etc.) Combustibles (petróleo, carbón, gas natural, gasolina) lubricantes y derivados petroquímicos Compuestos químicos Orgánicos (petroquímicos, solventes, cauchos, etc) Inorgánicos ( sales, fertilizantes, etc.) Explosivos ( TNT, anfo, etc.) Detergentes y jabones. Pinturas y pigmentos.


Slide7: Industrias de Procesos Químicos (Chemical Process Industries: CPI) Metalurgia ( Acero y aleaciones, metales: Cu, Ag, Au, Re, etc.) Tratamiento de agua, efluentes y residuos( gases, riles y rises) Generación de vapor y energía termo-eléctrica Materiales ( cemento, asfalto, cerámica, adhesivos, plásticos, materiales de construcción, vidrio) Papel y celulosa


Slide8: Industrias de Procesos Químicos (Chemical Process Industries: CPI) Pesquera ( harina y aceite de pescado, conservas, etc. ) Plásticos , Textiles y Fibras sintéticas Fármacos


Slide9: Sistema Global de un Proceso Químico PLANTA DE PROCESOS QUIMICOS RED DE INTERCAMBIADORES DE CALOR PLANTAS DE SERVICIOS Calderas, Turbinas Aire comprimido Oxigeno, vacío Materias Primas Insumos Productos Electricidad Suministros y Servicios Agua Combustibles Aire Corrientes frías Corrientes calientes Servicio de calentamiento Servicio de enfriamiento


Slide10: Condiciones de operación estacionarias Gran escala de Producción Cada equipo realiza una operación o función específica Funcionamiento intermitente Ciclo de operación Pequeña escala de producción Plantas flexibles, multiproducto y multi propósito Grandes tiempos de procesamientos o residencia Reacciones lentas. Flujos pequeños Productos que ensucian, incustran o corroen los equipos Proceso continuo Proceso discontinuo ( Batch )


Slide11: Calidad del producto constante Velocidad de producción constante Alta automatización Poca mano de obra Productos de calidad variable Velocidad de producción variable Mucha mano de obra Productos de alto valor y calidad Procedimientos de síntesis complejos Condiciones de control muy estrictas Proceso continuo Proceso discontinuo ( Batch )


Slide12: Procesos Continuo Procesos Discontinuo HEAT SEPARATOR REACTOR Fedd Catalyst Product Heat HEAT REACTOR SEPARATOR (1) Fedd (2) Catalyst Heat Still Product


Slide13: Etapas de un Proceso Químico MATERIAS PRIMAS REACCIONES QUIMICAS PRODUCTOS Operaciones físicas de acondicionamiento Operaciones físicas de separación


Slide14: Estructura general de un Proceso Productivo PREPARACION PURIFICACION SEPARACION PURIFICACION REACCION M P Insumos Insumos PRODUCTO Subproductos Subproductos TRATAMIENTO EFLUENTES EFLUENTE LIMPIO PRODUCTOS SECUNDARIOS


Slide15: Tipos de Procesos: Continuo / Discontinuo (batch) Estacionario / Dinámico Representación de Procesos: Diagrama de Entrada – Salida ( input-output) Diagrama de Bloques ( operaciones principales ) Diagrama de Flujos ( Flowsheet ) ( Estructura Productiva y secuencia de equipos )


Slide16: Estructura de Entrada y de Salida del Diagrama de Flujos Alimentación Producto PROCESO PRODUCTIVO Reciclo Purga Subproductos Insumos


Slide17: Diagrama General Entrada- Salida Proceso Hidrometalúrgico del Cobre ripios PROCESO mineral ácido sulfúrico agua Industrial soluciones subproductos descartes cátodos de Cu insumos energía


Slide18: Input – Output Structure of HDA Process (Conventional Hierarchy) Hydrogen Methane Toluene Benzene Product Diphenyl By -Product Hydrogen , Methane Unreacted Toluene PROCESS


Slide19: Servicios Agua (proceso, refrig, calderas, limpieza, sanitaria, contra incendio) Vapor (alta, media o baja presión) (seco, saturado, sobrecalentado) Condensados Fluidos térmicos (aceite, sales) Combustibles (carbón, fuel oil, gas oil, gas natural, otros) Electricidad Aire comprimido (instrumentación, servicio) (seco, sin aceite) Gases inertes (nitrógeno, etc.) Efluentes (tratamiento “in situ”) Planta Unidades de proceso Operaciones Unitarias


Slide20: Tipos de Representaciones: Diagrama de bloques ( BFD ) Diagrama de Flujo de Procesos ( PFD ) Diagrama de Cañerías e Instrumentación ( P&ID ) Diagrama Isométricos ( cañerías y equipos )


Feasibility Survey: Feasibility Survey raw materials thermodynamics and kinetics of reactions facilities presently available facilities to be purchased estimation of production costs and total investment profits materials of construction environmental considerations safety considerations markets competition properties of products sales and sales service shipping plant location patent situation


Slide22: Chemical Process Diagrams Stoichiometry Preliminary Process Conditions Preliminary Material Balance Material, Energy Balances + Equipment Specifications Mechanical &Instrumentation Information Input - Output Diagram Generic Block Flow Diagram Piping and Instrument Diagram (PID) Block Flow Diagram (BFD) Process Flow Diagram (PFD)


DIAGRAMA BFD: DIAGRAMA BFD


Sequence of Process Design: Sequence of Process Design


Block Flow Diagrams: Block Flow Diagrams Give a clear overview of a process, uncluttered by details. Each block represents a process function, which in reality may consist of several pieces of equipment. Useful for conceptualizing new processes. Often used as a starting point for PFDs. Especially useful in oral presentations. Format and conventions given on page 8 of Turton, et al.


Block Flow Diagram: Block Flow Diagram


Convention and Format for Block Flow Diagrams: Convention and Format for Block Flow Diagrams Operations shown by blocks. Major flow lines shown with arrows giving direction of flow. Flow goes from left to right whenever possible. Light stream (gases) toward top with heavy stream (liquids and solids) toward bottom. Critical information unique to process supplied. If lines cross, then the horizontal line is continuous and the vertical line is broken (true for all chemical process diagrams). Simplified material balance provided.


Slide29: Convenciones para los Diagramas de Bloques Cada operación se representa por un bloque Las corrientes de flujo principal se representan por líneas flechadas en la dirección del flujo Los flujos van desde la izquierda a la derecha del diagrama Las corrientes gaseosas se incluyen en la parte superior del diagrama, y los líquidos o sólidos hacia la parte inferior separados por densidad. Se incluye la información crítica para entender e proceso Si las líneas se cruzan, las horizontales se mantienen y las verticales se cortan Se incluye un balance de masas y energía simplificado en forma de una tabla.


Slide30: BFD: Block Flow Diagram Hydrogen ( 820 Kg / H ) Toluene ( 10000 Kg / H ) Benzene ( 8610 Kg / H ) Still Mixes gas ( 8610 Kg / H ) Toluene Gas Separator Reactor Mixes Liquids Conversion 75% Toluene Reaction : C7H 8 + H2 = C6H6 + CH4


DIAGRAMA PFD: DIAGRAMA PFD


Slide32: Convenciones para los Diagramas de Flujos de Procesos Se representan TODOS los equipos junto con su descripción. Cada equipo tiene un número y un nombre Todas las corrientes de proceso tienen un número. Se debe incluir una descripción de las condiciones (temperatura, presión),flujos y composición química ya sea en el diagrama o en un a TABLA adjunta. Se deben representar TODAS las corrientes de servicios( vapor, aire, calefacción, etc.) que se alimentan a cada producto de alimentación. Se deben representar los loops de control básicos que aseguran la estabilidad de las condiciones del proceso durante la operación normal.


Process Flow Diagrams: Process Flow Diagrams Much more complex than a BFD. Will include the following information. Major equipment with names, numbers and descriptions All streams shown with number, process conditions, and chemical composition. The latter two may be shown directly on the PFD or on an accompanying stream table. All utility streams to major equipment Basic control strategies and control loops for normal operation.


Process Flow Diagram: Process Flow Diagram


Slide36: Proceso de licuación del aire


Slide37: Diagrama PFD


DIAGRAMA P&ID: DIAGRAMA P&ID


Piping and Instrumentation Diagrams(P&ID’s): Piping and Instrumentation Diagrams (P&ID’s) P & ID’s represent the last step in process design Requires completed process flow diagrams (PFD’s) P & ID’s are a key document for construction and operation of a facility The source of data for instrument lists, equipment lists, piping isometrics. Referred to frequently during HAZOP, startup, routine operation, maintenance, debottlenecking, and upgrades A process cannot be adequately designed without proper P & ID’s


Components of a P&ID: Components of a P&ID The P&ID includes every mechanical aspect of the plant (with some exceptions to be detailed shortly). Each PFD will require many P&IDs to provide the necessary data.


Conventions in Constructing P&IDs: Conventions in Constructing P&IDs 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)


Conventions in Constructing P&Ids (cont’d): Conventions in Constructing P&Ids (cont’d) For instruments-identify indicators recorders controllers show instrument lines For utilities-identify entrance utilities exit utilities exit to waste treatment facilities


Exclusions from P&IDs : Exclusions from P&IDs Operating Conditions T, P Stream Flows Equipment locations Pipe routing pipe lengths pipe fittings Supports, structures, and foundations


Importance of P&IDs: Importance of P&IDs The P&ID is the last stage of process design and serves as a guide by those who will be responsible for the final design and construction. Based on the P&ID: Mechanical and civil engineers will design and install pieces of equipment. Instrument engineers will specify, install, and check control systems Piping engineers will develop plant layout and elevation drawings. Project engineers will develop plant and construction schedules.


Procedure for Development of P&ID’s: Procedure for Development of P&ID’s Begin with approved PFD. Place each piece of major equipment on a separate sheet. give each item a tag number, e.g. the first tank in the process flow is tagged T-1 Put process lines on flow sheet Put inlet streams entering from the left side of sheet. Put outlet streams exiting to right side of sheet. Put item number of source, line size and material of construction on each line. (e.g. the first line from T-1 is tagged T1-1-3”-CS, the second T1-2-6”-316SS)


Procedure for Development of P&ID’s: Procedure for Development of P&ID’s Locate minor equipment (e.g. pumps, filters) on sheet and tag. Put equipment blocks on bottom of sheet with key specification information (see AutoCAD tutorial) Locate instrumentation instrument tag numbers, and fittings on process lines and equipment (refer to figure 1.4, page 14 in Turton for symbology). Put on title blocks, revision record and approval blocks(see example). Review for accuracy and designate as revision “0” All future changes to P&ID will be noted in revision record and incrementing revision no. e. g. Revision 1 = HAZOP review


Slide57: Convenciones para la identificación de equipos C : Compresoras E : Intercambiadores de calor H : Calentadores a llama P : Bombas R : Reactores T : Columnas TK : Estanques de almacenamiento V : Estanque de proceso


Slide58: 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 )


Slide60: Como mínimo Número de la corriente Temperatura (°C) Presión (bar) Fracción vapor Flujo total másico (Kg/h) Flujo molar total (Kmol/h) Flujo molar para cada componente (Kmol/h) Muchas veces , además.. Fracciones molares de los componentes Fracciones másicas de los componentes Flujo volumétrico Propiedades físicas (densidad , viscosidad…) Datos termodinámicos (calor específico, entalpía…) Nombre de la corriente Información para las corrientes de flujo


Slide62: Identificación de las Corrientes de Flujos Número de la corriente Temperatura (°C) Presión (bar) Fracción vapor Flujo total másico (Kg/h) Flujo molar total (Kmol/h) Flujo molar para cada componente (Kmol/h)