TEMA NTEMA Nºº 02: 02: DIAGRAMAS DE PROCESO DIAGRAMAS DE PROCESO QUIMICOQUIMICO
Ing. José Manuel García Pantigozo
2008 - I
CALCULOS ECONOMICOS EN CALCULOS ECONOMICOS EN INGENIERIA QUIMICAINGENIERIA QUIMICA
SECTION 0:CHEMICAL PROCESSES
DIAGRAMS
Proceso Químico
Sistema formado por equipos, interconectados en forma organizada, que permiten cambios físicos y químicos dando lugar a un producto de interes.
Proceso Industrial
PROCESO
DISEÑO
INSUMOS
CONOCIMIENTOINGENIERIATRABAJOENERGIACAPITAL
MATERIAS PRIMAS PRODUCTOS
Life of a Chemical Plant Design
• Inception• Feasibility survey• Process development• Final economic evaluation• Detailed engineering design • Procurement • Erection• Startup and trial runs• Production
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.
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
Industrias de Procesos Químicos
(Chemical Process Industries: CPI)
• Pesquera ( harina y aceite de pescado, conservas, etc. )• Plásticos , Textiles y Fibras sintéticas • Fármacos
Sistema Global de un Proceso Químico
PLANTA DE PROCESOS
QUIMICOS
RED DE INTERCAMBIADORES
DE CALOR
PLANTAS DE SERVICIOSCalderas, Turbinas
Aire comprimidoOxigeno, vacío
Materias
Primas
Insumos
Productos
Electricidad Suministrosy Servicios
Agua
Combustibles
Aire
Corrientes frías
Corrientes calientes
Servicio decalentamiento
Servicio deenfriamiento
• 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 )
• 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 )
Procesos Continuo
Procesos Discontinuo
HEAT SEPARATORREACTOR
Fedd
Catalyst Product
Heat
HEAT REACTOR
SEPARATOR
(1) Fedd
(2) Catalyst
Heat
Stil
l
Product
Etapas de un Proceso Químico
MATERIAS PRIMAS
REACCIONES QUIMICAS
PRODUCTOS
Operacionesfísicas de acondicionamiento
Operacionesfísicas de separación
Estructura general de un Proceso Productivo
PREPARACIONPURIFICACION
SEPARACIONPURIFICACION
REACCION
M P InsumosInsumos
PRODUCTO
Subproductos
Subproductos
TRATAMIENTO EFLUENTESEFLUENTE
LIMPIO
PRODUCTOSSECUNDARIOS
Tipos de Procesos: Continuo / Discontinuo (batch)
Estacionario / Dinámico
Representación de Procesos:
a) Diagrama de Entrada – Salida ( input-output)b) Diagrama de Bloques ( operaciones principales )c) Diagrama de Flujos ( Flowsheet )
( Estructura Productiva y secuencia de equipos )
Estructura de Entrada y de Salida del
Diagrama de Flujos
AlimentaciónProductoPROCESO
PRODUCTIVO
Reciclo Purga
Subproductos
Insumos
Diagrama General Entrada- Salida
Proceso Hidrometalúrgico del Cobre
ripios
PROCESO
mineral
ácido sulfúrico
agua Industrial
soluciones
subproductos
descartes
cátodos de Cuinsumos energía
Input – Output Structure of HDA Process (Conventional Hierarchy)
Hydrogen
Methane
Toluene
Benzene Product
Diphenyl By -Product
Hydrogen , Methane
Unreacted Toluene
PROCESS
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
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• 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
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 BFDDIAGRAMA BFD
Sequence of Process Design
Block Flow Diagram(BFD)
Process Flow Diagram(PFD)
Piping and Instrumentation Flow Diagram
(P&ID)
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
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.
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.
BFD: Block Flow Diagram
Hydrogen
( 820 Kg / H )
Toluene
( 10000 Kg / H ) Benzene
( 8610 Kg / H )
Still
Mixes gas
( 8610 Kg / H )
Toluene
Gas SeparatorReactor
Mixes LiquidsConversion75% Toluene
Reaction : C7H 8 + H2 = C6H6 + CH4
DIAGRAMA PFDDIAGRAMA PFD
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• 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
Proceso de licuación del aire
Diagrama PFD
DIAGRAMA P&IDDIAGRAMA P&ID
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
• 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• 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)
• 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
• Operating Conditions T, P
• Stream Flows
• Equipment locations
• Pipe routing – pipe lengths– pipe fittings
• Supports, structures, and foundations
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
• 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• 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
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
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 )
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
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)