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TEMA N º 02: DIAGRAMAS DE PROCESO QUIMICO Ing. José Manuel García Pantigozo 2008 - I CALCULOS ECONOMICOS EN INGENIERIA QUIMICA.

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1 TEMA N º 02: DIAGRAMAS DE PROCESO QUIMICO Ing. José Manuel García Pantigozo I CALCULOS ECONOMICOS EN INGENIERIA QUIMICA

2 SECTION 0: CHEMICAL PROCESSES DIAGRAMS

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

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

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

6 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.

7 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

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

9 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 ElectricidadSuministros y Servicios Agua Combustibles Aire Corrientes frías Corrientes calientes Servicio de calentamiento Servicio de enfriamiento

10 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 continuoProceso discontinuo ( Batch )

11 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 continuoProceso discontinuo ( Batch )

12 Procesos Continuo Procesos Discontinuo HEAT SEPARATORREACTOR Fedd Catalyst Product Heat HEAT REACTOR SEPARATOR (1) Fedd (2) Catalyst Heat Still Product

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

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

15 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 )

16 Estructura de Entrada y de Salida del Diagrama de Flujos Alimentación Producto PROCESO PRODUCTIVO RecicloPurga Subproductos Insumos

17 Diagrama General Entrada- Salida Proceso Hidrometalúrgico del Cobre ripios PROCESO mineral ácido sulfúrico agua Industrial soluciones subproductos descartes cátodos de Cu insumosenergía

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

19 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

20 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 )

21 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

22 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)

23 DIAGRAMA BFD

24 Sequence of Process Design Block Flow Diagram (BFD) Process Flow Diagram (PFD) Piping and Instrumentation Flow Diagram (P&ID)

25 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.

26 Block Flow Diagram

27 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.

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29 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.

30 BFD: Block Flow Diagram Hydrogen ( 820 Kg / H ) Toluene ( 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

31 DIAGRAMA PFD

32 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.

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34 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.

35 Process Flow Diagram

36 Proceso de licuación del aire

37 Diagrama PFD

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45 DIAGRAMA P&ID

46 Piping and Instrumentation Diagrams (P&IDs) P & IDs represent the last step in process design Requires completed process flow diagrams (PFDs) P & IDs 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 & IDs

47 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.

48 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)

49 Conventions in Constructing P&Ids (contd) For instruments-identify –indicators –recorders –controllers –show instrument lines For utilities-identify –entrance utilities –exit utilities –exit to waste treatment facilities

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

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52 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.

53 Procedure for Development of P&IDs 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 T SS)

54 Procedure for Development of P&IDs 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

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57 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

58 Numeración de los equipos P – 101 A/Bidentifica una bomba P – 101 A/Bidentifica que la bomba está ubicada en el área N°1 de la planta P – 101 A/Bidentifica que la bomba es la número 01 de las n existentes en la planta P – 101 A/Bidentifica que hay 2 bombas idénticas una de respaldo ( backup )

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60 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

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62 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)

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