PREPARACIÓN DEL DIAGRAMA DE FLUJO Este capítulo abarca la preparación y presentación del diagrama de flujo del proceso (PFD) (“flow sheet”). El “flow sheet” 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: · 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 operabilidad global del proceso. · Proporciona una valoración inicial de fuentes potenciales de riesgos (HAZARD 2 analysis). · 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. Este debe incluir tubería, instrumentación, diseño de equipo y distribución de planta. También debe ser usado por el personal de operación para la preparación de los manuales de operación y entrenamiento de los operarios. Durante el arranque de la planta y la subsecuente operación, el diagrama de flujo da una base para la comparación de la operación ejecutada y el diseño. Un PFD bien preparado simplifica el diseño de las unidades de proceso y permite valoración más exacta de la viabilidad global de la planta. Los diagramas pueden dividirse en tres tipos generales (1) cualitativos, (2) cuantitativos, y (3) de detalle combinado: Un diagrama de flujo cualitativo indica el flujo de materiales, las unidades individuales de proceso e información especial sobre temperatura y presión de operación. Un diagrama de flujo cuantitativo muestra las cantidades de materiales sobre la base de balances de materiales efectuados para el proceso total y para cada unidad individual. También deben efectuarse balances de energía para determinar los flujos de energía y los requerimientos de servicios. Durante las etapas iniciales de un proyecto de diseño se efectúan diagramas de flujo preliminares. Conforme avanza el diseño hacia su culminación, se debe utilizar información detallada sobre cantidades de materiales y especificaciones de equipo, y podrán prepararse diagramas de flujo de detalle combinado. Se deben adjuntar a los dibujos, tablas presentando los datos pertinentes sobre el proceso y el equipo.

Un diagrama de flujo de detalle combinado muestra la localización de indicadores y reguladores de presión y temperatura, así como también la localización de las válvulas de control e instrumentos especiales. Los cálculos manuales para el diagrama de flujo pueden ser tediosos y consumir tiempo cuando el proceso es grande y/o complejo, por lo que se esta incrementando el uso de programas para los diagramas de flujo asistido por computadora. Su uso facilita esta etapa y posibilita al diseñista, en su búsqueda del mejor proceso y condiciones optimas, el poder considerar diferentes procesos, y más esquemas alternativos de procesos. 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 Especificación operacional Aquí, se elige las secciones del proceso que se necesitaría fabricar el producto. Típicamente, una planta propuesta es dividida en las secciones siguientes: · 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 seran dictadas por la ruta del proceso escogido. Es durante esta fase del diseño que debe alertarse de: · Donde se requieren los reciclos para minimizar las pérdidas · Tratamiento de materiales y requerimientos de transporte, y · Donde tienen que ser instalados los sistemas de contención de pérdida 6.1.2. Diagrama de bloques El diagrama de bloques es la forma mas simple de representación del proceso. Cada bloque puede representar una pieza individual de equipo o una etapa completa del proceso. Los diagramas de bloques son usados para representar un proceso en forma simple en reportes y textos, pero tiene un uso limitado como documento de ingeniería. Las cantidades y composiciones de las corrientes pueden indicarse en el diagrama

junto a las líneas de las corrientes, también puede tabularse y adjuntarse al diagrama la información sobre los balances de materiales y energía Los bloques pueden ser de cualquier forma, pero usualmente es conveniente usar cuadrados o círculos, siempre del mismo tamaño. Los componentes básicos de un típico proceso químico son mostrados en la Fig. 6.1, en la cual cada bloque representa una etapa en el proceso total para obtener un producto a partir de las materias primas. La Fig. 6.1, representa un proceso generalizado; no todas las etapas pueden ser necesarias para un proceso particular y la complejidad de cada etapa dependerá de la naturaleza del proceso. El diseño en ingeniería química abarca la selección y arreglo de las etapas, y la selección, especificación y diseño del equipo requerido para operar cada etapa. DISEÑO PRELIMINAR DE UN PROCESO En razón de ampliar los conceptos dados hasta aquí concernientes al procedimiento del proyecto de diseño, es conveniente en este punto mirar más cercanamente un diseño preliminar específico. Debido a las limitaciones de espacio, solamente se dará una visión panorámica, dejando la complementación como un ejercicio para el entrenamiento en esta materia. Sin embargo, se deben dar detalles suficientes para mostrar las etapas importantes necesarias para preparar un diseño preliminar. El problema presentado aquí es uno de los tipos prácticos frecuentemente encontrados en la industria química; involucrando el diseño del proceso y las consideraciones económicas. Establecimiento del problema Una compañía petrolera ha sido recientemente reorganizada y la nueva dirección ha decidido que la compañía debe diversificar sus operaciones en el campo de la petroquímica para hacerla competitiva. El departamento de investigación de la compañía ha sugerido que un área muy promisoria en el campo de la petroquímica podría ser la manufactura de detergentes sintéticos biodegradables usando algunos de los hidrocarburos actualmente disponibles en la refinería. Un por parte del departamento de mercadeo, indica que la compañía tendría opción a cubrir un 20 por ciento de la demanda actual de detergente equivalente a 7 000 tm por año. Para continuar con el estudio y hacer una comparación de inversiones, se ha instruido al grupo de diseño proceder primero con un diseño preliminar y un estimado actualizado de costos para la producción de un detergente no biodegradable.

DIAGRAMA DE FLUJO ASISTIDO POR COMPUTADOR Los programas de computación disponibles para trazar el diagrama de flujo en diseño de procesos se pueden clasificar en dos tipos básicos: 1) Programas de simulación total, los cuales requieren el uso de potentes computadoras. 2) Programas simples de balances de materiales, requiriendo solamente un

tamaño relativamente pequeño. Los programas de simulación total son capaces de llevar a cabo rigurosos balances simultáneos de materia y energía, y diseño preliminar de equipo produciendo exactos y detallados diagramas de flujo. En las etapas iniciales de un proyecto, el uso de un paquete de simulación total no se justifica y un programa simple de balance de materiales es más adecuado. Estos son una ayuda para los cálculos manuales y permiten que los diagramas de flujo preliminares sean producidos rápidamente y a un costo bajo.

PROGRAMAS DE SIMULACIÓN TOTAL AL ESTADO ESTACIONARIO Actualmente existen programas de diagramas de flujo complejos, los cuales simulan la operación del proceso al estado estacionario y no estacionario, estos han sido desarrollados por los departamentos centrales de diseño de muchas de las más grandes Compañías de producción y organismos contratistas y por Universidades. La estructura de un programa típico se muestra en la Fig. 6.7. El programa consiste de: 1) Un programa ejecutable principal, el cual controla y mantiene el rumbo de cálculos del diagrama de flujo y dirige el flujo de información hacia y desde las subrutinas. 2) Una librería de subrutinas (modelos) de operación de equipo, los cuales simulan al equipo y permiten la salida de las corrientes calculadas sobre la base de la información de las corrientes de entrada. 3) Un banco de datos de propiedades físicas. Para un gran alcance de servicio de un programa sofisticado de diagrama de flujo dependerá de un banco de datos amplio de propiedades físicas. La recolección de datos de propiedades físicas requeridas para el diseño de un proceso particular y su transformación en una forma adecuada para un programa específico de diagrama de flujo puede consumir mucho tiempo. 4) Sub programas para rutinas termodinámicas, tales como los cálculos de equilibrio líquido – vapor y entalpías de las corrientes.

5) Sub programas y bancos de datos para costos; la estimación de costo de equipo y costos de operación. Programas de simulación total de diagramas de flujo permiten al diseñista considerar esquemas alternativos para el proceso, y las rutinas de costos permiten hacer rápidas comparaciones económicas. Algunos programas incluyen rutinas de optimización. Para hacer uso de una rutina de costos, el programa debe ser capaz de producir una pequeña aproximación se diseños de equipo

Los programas generales de simulación de diagrama de flujo, normalmente usan un método iterativo para la solución de los balances de materia y energía. Las unidades son tomadas secuencialmente hasta que se encuentra un lazo de reciclo. El lazo es entonces desmembrado, asignando valores adecuados a las variables desconocidas y llevando el cálculo iterativamente hasta que se encuentre convergencia satisfactoria. El programa vuelve entonces al cálculo secuencial hasta que se encuentre otro lazo de reciclo. Para esto es esencial un ordenamiento de los cálculos. El programa ejecutivo normalmente

incluye procedimientos para determinar el orden de cálculos y subrutinas para promover la convergencia. 6.4.1 Información para diagramas de flujo Al presentar el problema a la computadora, el diagrama de flujo básico del proceso, el cual muestra la secuencia de las unidades de proceso y conexiones de las corrientes, debe ser transformado en un diagrama de flujo de información, tal como se muestra en la Fig. 6.8b cada bloque representa un modulo de cálculo en el programa de simulación, usualmente una unidad de proceso o parte de una unidad. Las unidades en las cuales no hay cambio de composición, o temperatura o presión, a veces son omitidas en la información del diagrama de flujo. Pero otras unidades no mostradas en el diagrama de flujo del proceso como piezas de equipo actual, pero que causan cambios en las composiciones de las corrientes, tales como tés de mezcla, deben ser mostradas. Las líneas y flechas conectando los bloques muestran el flujo de información de un sub programa al siguiente. Un diagrama de flujo de información es una forma de representación gráfica directa. La topología de cálculo definida por el diagrama de información es transformada en una forma numérica adecuada para ingresar a la computadora, usualmente como una matriz PROGRAMAS SIMPLES DE BALANCE DE MATERIALES En las etapas iniciales del diseño y evaluación de procesos, cuando se requiere solamente un balance de materiales preliminar y aproximado, no se justifica el uso de un programa de simulación total. Se han desarrollados programas simples que calculan solamente el balance de materiales, y pueden ser usados como una ayuda a los cálculos manuales del diagrama de flujo. Estos serán particularmente provechosos en los procesos que incluyan varias corrientes de reciclo. Algunos de los programas de simulación total del diagrama de flujo, también pueden usarse para calcular el balance de materiales sin la solución simultánea del balance de energía, o el uso de las rutinas de diseño de equipo. 6.5.1. Desarrollo de un programa simple de balance de materiales En esta sección se describe la metodología para efectuar un balance de materiales con la ayuda del computador. La mayoría de programas, se basan en la teoría de reciclo de procesos publicado por Nagiev (1964). Este método usa el concepto de fracción dividida para establecer el arreglo de ecuaciones simultáneas, las cuales definen el balance de materiales para el proceso. También ha sido usado por Rosen (1962) y es descrito en detalle por Henley y Rosen (1969).

Reglas para estimar los coeficientes de fracción dividida El coeficiente de fracción dividida puede estimarse considerando la función de cada unidad, y usando las restricciones para los flujos y composiciones de las corrientes que se derivan de las condiciones de calidad del producto, seguridad, equilibrio de fases y otras relaciones termodinámicas; y consideraciones generales y diseño mecánico.