CALCULOS ECONOMICOS EN INGENIERIA QUIMICA UNMSM Facultad de Química e Ingeniería Química CALCULOS ECONOMICOS EN INGENIERIA QUIMICA TEMA Nº 02: DIAGRAMAS DE PROCESO QUIMICO 2008 - I Ing. José Manuel García Pantigozo

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 PRODUCTOS MATERIAS PRIMAS INSUMOS CONOCIMIENTO INGENIERIA TRABAJO ENERGIA CAPITAL DISEÑO

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

Proceso continuo Proceso discontinuo ( Batch ) 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 Condiciones de operación estacionarias Gran escala de Producción Cada equipo realiza una operación o función específica

Proceso continuo Proceso discontinuo ( Batch ) 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 Calidad del producto constante Velocidad de producción constante Alta automatización Poca mano de obra

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

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

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

Representación de Procesos: 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 )

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

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

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

Operaciones Unitarias 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”) Unidades de proceso Planta 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 Input - Output Diagram Preliminary Process Conditions Generic Block Flow Diagram Block Flow Diagram (BFD) Preliminary Material Balance Material, Energy Balances + Equipment Specifications Process Flow Diagram (PFD) Mechanical &Instrumentation Information Piping and Instrument Diagram (PID)

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

DIAGRAMA 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&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

identificación de equipos 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 )

Información para las corrientes de flujo 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

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)