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SIMULACIN DE PROCESOSFacultad de Ciencias Qumicas UNIVERSIDAD VERACRUZANA
Dr. Anselmo Osorio MirnCuerpo Acadmico UVER CA 226 Estudio Integral de Ingeniera Aplicada
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SIMULACIN DE PROCESOS
I. Diagramas de flujo esenciales para comprender los procesosLa manera ms efectiva de comunicar informacin sobre un proceso es a travs del uso de diagramas de flujo: 1. Diagramas de flujo de bloques (DFB, o BFD), Fig. 1. 2. Diagramas de flujo de proceso (DFP, o PFD). 3. Diagramas de tubera e instrumentacin (DTI, PID). 1. DFBTolueno (10 000 kg/h)REACTOR
Mezcla de gases (2 610 kg/h) Separador de gas Benceno (8 210 kg/h) Destilacin
Hidrgeno (820 kg/h)
Conversin 75 % de Tolueno
Mezcla de lquidosTolueno
Reaccin: C7H8+H2=C6H6+CH4 2
Fig. 1. Diagrama de flujo de bloques para la produccin de benceno
SIMULACIN DE PROCESOS
Tabla 1. Convenciones y formato recomendado para elaborar un diagrama de flujo de proceso de bloques:
Representar las operaciones por bloques. Representar las lneas de flujo principal con flechas proporcionando la direccin del flujo. El flujo va de izquierda a derecha siempre que sea posible. Las corrientes ligeras (gases) colocadas en la parte superior y las corrientes pesadas (lquidos y slidos) en la base. Proporcionar nicamente la informacin crtica para el proceso. Si las lneas se cruzan, entonces, la lnea horizontal es continua y la lnea vertical se corta. Proporcionar el balance de materiales simplificado.
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SIMULACIN DE PROCESOS
2.
Diagrama de Flujo de Proceso:
El DFP contiene la mayor parte de los datos de ingeniera necesarios para el diseo de un proceso qumico. Informacin que contiene un DFP comercial: Todo el equipo mayor en el proceso se representar en el diagrama junto con una descripcin del equipo. Cada equipo tendr un nmero de identificacin nico y un nombre descriptivo. Todas las corrientes estarn representadas e identificadas por un nmero. Se incluir una descripcin de las condiciones del proceso y la composicin qumica de cada corriente. Estos datos se mostrarn directamente en el DFP o se colocaran en una tabla resumen. Se mostraran todas las corrientes de servicios que alimentan a los equipos mayores que proporcionan un funcin en el proceso. Se mostraran todos los lazos de control bsico, ilustrando la estrategia de control usada para operar el proceso durante operaciones normales.
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SIMULACIN DE PROCESOS
La informacin bsica que proporciona un DFP se puede clasificar en las categoras siguientes:. 1. 2. 3. 2.1 Topologa del proceso Informacin de las corrientes Informacin del equipo
TOPOLOGA DEL PROCESO
En la figura 2 de la pgina siguiente, se muestra el esqueleto del diagrama de flujo de proceso para la produccin de benceno. La topologa del proceso se refiere a la localizacin e interaccin entre el equipo y las corrientes de proceso. El equipo se representa simblicamente por iconos que identifican operaciones unitarias especficas (ver la figura 3). Cada equipo mayor se identifica por un nmero en el diagrama. Una lista de los nmeros del equipo mayor junto con un nombre descriptivo para el equipo se imprime en la parte superior del diagrama. La tabla 2 describe la convencin para formatear e identificar el equipo de proceso en un DFP.5
SIMULACIN DE PROCESOSTK-101 ALMACENAMIENTO DE TOLUENO P-101 A/B BOMBAS DE ALIMENTACION DE TOLUENO E-101 PRECALENTADOR DE LA ALIMENTACION H-101 CALENTADOR A FUEGO DIRECTO R-101 REACTOR C-101 A/B COMPRESOR DE GAS RECICLADO E-102 ENFRIADOR DEL EFLUENTE DEL REACTOR V-101 SEPARADOR DE FASES DE ALTA PRESION
V-103 SEPARADOR DE FASES DE BAJA PRESION
E-103 PRECALENTADOR DE LA ALIMENTACION
E-106 REHERVIDOR DE BENCENO
T-101 COLUMNA DE BENCENO
E-104 CONDENSADOR DE BENCENO
V-102 ACUMULADOR DE REFLUJO
P-102 A/B BOMBA DE REFLUJO
E-105 ENFRIADOR DE PRODUCTO
Productos de la combustin E-103 lps 6 R-101 C-101 A/B 17 agua de enfriamiento E-102 9 E-106 P-102 A/B 11 V-103 18 mps24
16 T-101 E-104 Agua de 13 18 enfriamiento1
Gas Combustible
hps2 8 V-101 4
Tolueno1 TK-101
E-101
10
20
12 14
V-102
Agua de enfriamiento 15 E-105
P-101 A/B
aire fgH-101
7
Benceno
Hidrgeno3
5Corriente de Entrada-Salida
Fig. 1.3 Esqueleto del Diagrama de flujo de proceso para la produccin de Benceno va la va la Hidrodealquilacin de Tolueno. Fig. 2 Esqueleto del Diagrama de flujo de proceso (DFP) (DFP) para la produccin de BencenoHidrodealquilacin de Tolueno
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SIMULACIN DE PROCESOS
INTERCAMBIADORES DE CALOR
TORRES
CALENTADOR A FUEGO DIRECTO RECIPIENTES
TANQUE DE ALMACENAMIENTO
IDENTIFICACION DEL FLUJO
REACTORES ENTRADA DEL PROCESO SALIDA DEL PROCESO VLVULA DE CONTROL
TEMPERATURA VALVULA NUMERO DE CORRIENTE BANDERA DE INSTRUMENTOS VELOCIDAD DE FLUIDO DEL LIQUIDO
BOMBAS, TURBINAS, COMPRESORES
PRESION
VELOCIDAD DE FLUIDO DEL GAS VLVULA DE GLOBO (CONTROL MANUAL) VELOCIDAD DE FLUIDO MOLAR
VELOCIDAD DEL FLUIDO MASICO
Fig. 1.4 Smbolos para construir DFP. Fig. 3 Smbolos para construir DFP
Fig. 1.6 Smbolos para identificacin de corrientes.
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SIMULACIN DE PROCESOSTK-101 ALMACENAMIENTO DE TOLUENO P-101 A/B BOMBAS DE ALIMENTACION DE TOLUENO E-101 PRECALENTADOR DE LA ALIMENTACION H-101 CALENTADOR A FUEGO DIRECTO R-101 REACTOR C-101 A/B COMPRESOR DE GAS RECICLADO E-102 ENFRIADOR DEL EFLUENTE DEL REACTOR V-101 SEPARADOR DE FASES DE ALTA PRESION
V-103 SEPARADOR DE FASES DE BAJA PRESIONKEY Temperatura (C) Presin (bar) Flujo msico (1000 Kg/h)
E-103 PRECALENTADOR DE LA ALIMENTACION
E-106 REHERVIDOR DE BENCENO
T-101 COLUMNA DE BENCENO
E-104 CONDENZADOR DE BENCENO
V-102 ACUMULADOR DE REFLUJO
P-102 A/B BOMBA DE REFLUJO
E-105 ENFRIADOR DE PRODUCTO
Productos de la combustin22.5 25.2
16 PC PC112 38.0 23.9 90 2.6
FIC
hps
O2
600 25
T-101
2.5
E-104 13
Gas Combustible
A
210.0 25 1.9
6 E-101 LIC 4 TK-101
R-101
8 V-101 C-101 A/B PC 17 18
E-103 lps 10
Agua de enfriamiento 1 FIC 20112
18
Tolueno1
8.21 38
V-102
LIC
TIC LIC
12 24 mps LIC
Agua de 2.5 enfriamiento 15
0.82 25 25.5
aire fg P-101 A/B H-101
654 24
725.5
agua de enfriamiento E-102 9
14 V-10338 2.9 3.3
E-105
Benceno
Hidrgeno3 5
LIC
E-106 11
P-102 A/B
Fig. 1.5 para la la produccin benceno va la hidrodealquilacin de Tolueno Fig. 4 DFPDFP paraproduccin dede bencenova la hidrodealquilacin de Tolueno
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SIMULACIN DE PROCESOS
2.2 INFORMACIN DE LAS CORRIENTES Tabla 2. Convenciones usadas para la identificacin del equipo de proceso Equipo de Proceso Formato general XX-YZZ A/BXX son las letras de identificacin para la clasificacin del equipo C- Compresor o turbina E- Intercambiador de calor H- Calentador a fuego directo P- Bomba R- Reactor T- Torre TK- Tanque de almacenamiento V- Recipiente Y designa un rea dentro de la planta ZZ son el nmero designado para cada elemento en una clase de equipos A/B identifica unidades paralelas o unidades de respaldo no mostradas en un DFP Descripcin adicional de equipo dado en la parte superior del DFP9
Informacin suplementaria
SIMULACIN DE PROCESOS
Tabla 3. Convenciones para identificar corrientes de proceso y servs. auxiliares Corrientes de ProcesoSe aplican todas las convenciones de la Tabla 1 El smbolo de diamante localizado en las lneas de flujo Identificacin numrica (nica para cada corriente) insertada en el diamante La direccin de flujo se muestra por flechas sobre las lneas de flujo
Servicios Auxiliareslps mps hps htm cw wr rw rb cs ss el ng fg fo fw Vapor de baja presin: 3-5 barg (sat) Vapor de media presin: 10-15 barg (sat) Vapor de alta presin: 40-50 barg (sat) Medio de transferencia de calor (orgnico): hasta 400 C Agua de enfriamiento: 30 C desde la torre de enfriamiento regresa a menos de 45 C Agua de ro: 25 C desde el ro regresa a menos de 35 C Agua refrigerada: entra a 5 C regresa a menos de 15 C Salmuera refrigerada: entra a 45 C regresa a menos de 0C Agua de desechos qumicos con alto COD Agua de desecho sanitarios con alta DBO Calentamiento elctrico (servicio especfico 220, 240, 660 V) Gas natural Gas combustible Combustleo Agua contra incendio 10
SIMULACIN DE PROCESOS
Tabla 4. Informacin proporcionada en un resumen de flujo Informacin esencialNmero de corriente Temperatura C Presin (bar) Fraccin de vapor Velocidad de flujo msico total (kg/h) Velocidad de flujo molar total (kmol/h) Velocidades de flujo de componentes individuales (kmol/h)
Informacin OpcionalFracciones mol por componente Fracciones masa por componente Velocidades de flujo por componentes individuales (kg/h) Velocidades de flujo volumtrico (m3/h) Propiedades fsicas significativas Densidad Viscosidad Otras Datos termodinmicos Capacidad calorfica Entalpa de la corriente Valores de K Nombre de la corriente
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SIMULACIN DE PROCESOS
Tabla 5. Tabla resumen de flujos para el proceso de benceno mostrado en la figura 2 (y figura 4)Nmero de Corriente Temperatura, C Presin, bar Fraccin vapor Flujo msico, ton/h Flujo molar, kmol/h 1 25 1.9 0.0 10.0 108.7 2 59 25.8 0.0 13.3 144.2 3 25 25.5 1.0 0.82 301.0 4 225 25.2 1.0 20.5 1204.4 5 41 25.5 1.0 6.41 758.8 6 600 25.0 1.01 20.5 1204.4 7 41 25.5 1.0 0.36 42.6 8 38 23.9 1.0 9.2 1100.8 9 654 24 1.0 20.9 1247.0 10 90 2.6 0.0 11.6 142.2 11 147 2.8 0.0 3.27 35.7 12 112 3.3 0.0 14.0 185.2 13 112 2.5 0.0 22.7 290.7 14 112 3.3 0.0 22.7 290.7 15 38 2.3 0.0 8.21 105.6 16 38 2.5 1.0 2.61 304.6 17 38 2.8 1.0 0.07 4.06 18 38 2.9 0.0 11.5 142.2 19 112 2.5 1.0 0.01 0.90
Flujo molar por componente, kmol/h Hidrgeno Metano Benceno Tolueno 0.0 0.0 0.0 108.7 0.0 0.0 1.0 143.2 286.0 15.0 0.0 0.0 735.4 317.3 7.6 144.0 449.4 302.2 6.6 0.7 735.4 317.3 7.6 144.0 25.2 16.95 0.37 0.04 651.9 438.3 9.55 1.05 652.6 442.3 116.0 36.0 0.02 0.88 106.3 35.0 0.0 0.0 1.1 34.6 0.0 0.0 184.3 0.88 0.02 0.88 289.46 1.22 0.0 0.0 289.46 1.22 0.0 0.0 105.2 0.4 178.0 123.2 2.85 0.31 0.67 3.10 0.26 0.03 0.02 0.88 106.3 35.0 0.02 0.88 0.0 0.0
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SIMULACIN DE PROCESOS 2.3 INFORMACIN DEL EQUIPO Tabla 6. Descripciones del equipo para DFP o DTI Tipo de Equipo Torres: Descripcin del equipo Tamao (altura y dimetro) Presin, Temperatura, Nmero y Tipo de Platos Altura y Tipo de Empaque, Materiales de Construccin Tipo: Gas-Gas, Gas-Lquido, Lquido-Lquido, Condensador, Vaporizador Proceso: Carga Trmica, rea, Temperatura y Presin para ambas corrientes Nmero de Envolventes y pasos por tubos Material de Construccin: Tubos y Envolvente Ver recipientes Altura, Dimetro, Orientacin, Presin, Temperatura, Materiales de Construccin Flujo, Presin de Descarga, Temperatura, Cada de Presin, Tipo de Conductor, Potencia de Eje, Materiales de Construccin. Velocidad de Flujo de Entrada Real, Temperatura Presin, Tipo de Conductor, Potencia de Eje, Materiales de Construccin Tipo, Presin en los tubos, Temperatura en los Tubos, Carga, Combustible, Material de Construccin Proporcionar informacin crtica13
Intercambiadores de calor:
Tanques: Recipientes:
Bombas:Compresores:
Calentadores a fuego directo:Otros:
SIMULACIN DE PROCESOSTabla 7. Resumen de Equipos para el DFP de la planta de hidrodealquilacin de tolueno
Intercambiadores de Calor Tipo Area (m2) Carga Trmica(MJ/h) Envolvente Temperatura (C) Presin (bar) Fase Material de Construccin 316-SS Tubos Temperatura (C) Presin (bar) Fase Material de ConstruccinRecipientes/Torres/Reactores Temperatura (C) Presin (bar) Orientacin Material de Construccin Tamao Altura/Longitud (m) Dimetro (m) Internos
E-101 Fl.H. 36 15190225 26 vapor 316-SS 258 42 Cond. 316-SS V-101 38 24 V CS 3.5 1.1 s.p.
E-102 Fl.H. 763 46660654 24 P.Cond. CS 40 3 L 316-SS V-102 112 2.5 H CS 3.9 1.3
E-103 MDP 11 1055160 6 Cond. Cs 90 3 L CS V-103 38 3.0 V CS 3.5 1.1 s.p.
E-104 Fl.H. 35 8335112 3 Cond. CS 40 3 L CS TK-101 55 2.0 H CS 5.9 1.9
E-105 MDP 12 1085112 3 L CS 40 3 L CS T-101 147 3.0 V CS 29 1.5 42 platos 316-SS
E-106 Fl.H. 80 9045185 11 Cond.
147 3 Vap. CS R-101 660 25 V 316-SS 14.2 2.3 Lecho Emp. 10 m 14
SIMULACIN DE PROCESOSTabla 7. Resumen de Equipos para el DFP de la planta de hidrodealquilacin de tolueno (Continuacin) Bombas/Compresores Flujo (kg/h) Densidad del Fluido (kg/m3) Potencia (Eje)(kW) Tipo/Conductor Eficiencia (Potencia del Fluido/ Potencia de Eje) Material de Construccin Temepratura (Entrada)(C) Presin (Entrada)(bar) Presin (Salida)(bar) P-101(A/B) 13000. 870 14.2 Recipr./ Elctrico 0.75 CS 55 1.2 27.0 P-102(a/B) 22700 880 3.2 Centrig./ Elctrico 0.50 CS 112 2.2 4.4 C-101(A/B) Calentador H-101 6770 Tipo Fuego directo 8.02 Material de Construccin 316-SS 49.1 Carga Trmica (MJ/h) 27040 Centrif./ Area de Radiacin (m2) 106.8 Elctrico 0.75 Area Convectiva (m2) 320.2 CS 38 23.9 25.5 Presin en Tubos (bar) 26.0
Claves: 316-SS CS Vap. Cond. Recipr. Centrif. MDP
Acero inoxidable, calibre 316 Acero al carbn Corriente vaporizada Corriente condensada Reciprocante Centrfuga Doble tubo mltiple
P. F.H. Fl.H. Rbl s.p. L
Parcial Cabezal fijo Cabezal flotante Reboiler Plato de burbujeo Lquido
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SIMULACIN DE PROCESOS
2.4 Combinacin de la Topologa, Datos de las Corrientes y la Estrategia de Control para obtener un DFPVer la Fig. 4, se tiene un ejemplo ms representativo de un DFP para el proceso de obtencin de benceno. El diagrama incluye todos los elementos de la figura 2, algo de la informacin de la tabla 5, e informacin adicional de los lazos de control usados en el proceso. La informacin de las corrientes es adicionada al diagrama anexando banderas de informacin. La forma de las banderas indica el tipo de informacin proporcionada en la bandera. Las banderas proporcionan informacin necesaria en el diseo de la planta y para la construccin de la planta, y en el anlisis de problemas de operacin durante la vida til de la planta.
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SIMULACIN DE PROCESOS
3.
Diagrama de Tubera e Instrumentacin (DTI)
El diagrama de tubera e instrumentacin o diagrama mecnico de flujo proporciona informacin necesaria para empezar la planeacin de la construccin de la planta. Cada DFP requiere muchos DTI para proporcionar los datos necesarios. Por ejemplo, la figura 6 es un DTI representativo para la seccin de destilacin del proceso de benceno mostrado en la figura 4. Este diagrama proporciona informacin sobre la tubera, que se incluye como parte del diagrama. Las conexiones de servicios auxiliares estn identificadas por una caja numerada en el DTI, el nmero identifica el servicio especfico. Las claves que identifican las conexiones de los servicios auxiliares se muestran en una tabla en el DTI. La informacin que puede ser medida en la planta se muestra en el DTI por banderas circulares. Esta incluye la informacin que se almacena y usa en los lazos de control del proceso.
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SIMULACIN DE PROCESOS1. 2. 3. 4. Condiciones de operacin (T, P) Flujos de las corrientes Localizacin de equipo Rutas de tuberas a. Longitudes de tuberas b. Accesorios de tuberas Soportes estructuras y cimentaciones
Tabla 8. Informacin que no se incluye en un DTI
5.
Tabla 9. Convenciones en la construccin de DTIsPara Equipos Mostrar cada pieza incluyendo Unidades disponibles Unidades paralelas Resumen de detalles de cada unidad Para Tuberas - Incluir todas las lneas con sus drenes, conexiones de muestreo y especificacin Tamao (utilizar tamaos estndar), Cdula (espesor) Materiales de construccin, Aislamiento (espesor y tipo) Para Instrumentos - Identificacin Indicadores, Registradores, Controladores Mostrar lneas de instrumentos Para Servicios Auxiliares - Identificacin Entrada y Salida de servicios auxiliares Salida para servicios de tratamientos de efluentes 18
SIMULACIN DE PROCESOS Localizacin de Instrumentos Instrumento localizado en planta Instrumento localizado en el tablero en el cuarto de control Instrumento localizado en la parte posterior del tablero en el cuarto de control Significado de las letras de identificacin Primera letra (X) Segunda o Tercera Letra (Y) A Anlisis Alarma B Flama del Quemador C Conductividad Control D Densidad o Gravedad especfica E Voltaje Elemento F Velocidad de Flujo H Manual (iniciado manualmente) Alto I Corriente Indicador J Potencia K Tiempo o programa de tiempo Estacin de control L Nivel Ligero o bajo M Humedad Medio o intermedio O Orificio P Presin o vaco Punto Q Cantidad o evento R Radioactividad o relacin Registro o impresin S Velocidad o frecuencia Interruptor (switch) T Temperatura Trasmisor V Viscosidad Vlvula W Peso Pozo Y Relevador o computador Z Posicin Conductor Identificacin de Conexiones de Instrumentos Capilar Tabla 9. Convenciones usadas para Neumtico identificar instrumentos en DTIs Elctrico19
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SIMULACIN DE PROCESOS El DTI es la ultima etapa del diseo de proceso y sirve como una gua para los responsables del diseo final y construccin. Basados en este diagrama: Ingenieros mecnicos y civiles disearan e instalaran los equipos de proceso. Ingenieros de instrumentos especificaran, instalaran y verificaran los sistemas de control. Ingenieros de tuberas desarrollaran los diagramas de distribucin de planta y elevacin. Ingenieros de proyecto desarrollaran el programa de planta y construccin El DTI se usa tambin para entrenar operadores de planta, an cuando se utilicen simuladores de planta. Tambin es importante en el desarrollo de procedimientos de arranque, donde la planta no est bajo la influencia de los sistemas de control de procesos instalados.
4. Diagramas AdicionalesDiagrama de Servicios Auxiliares, muestra todos los cabezales para entradas y salidas de los servicios auxiliares disponibles junto con las conexiones necesarias para el proceso. Tiene informacin de las carcatersticas y los flujos de los servicios utilizados por la planta. Plano de Distribucin General (Plot Plan) y Diagramas de Elevacin, proporcionan la elevacin y colocacin del equipo mayor, tal como, torres, recipientes, bombas, intercambiadores de calor, etc. Isomtricos de tuberas, se trazan para cada tubera requerida en la planta, se dibujan en 3-D e indican la orientacin y elevacin de cada parte de la tubra. Modelos a Escala, Dibujos de Recipientes, Diagramas Lgicos, Diagramas Unifilares, Planos de Ubicacin, Diagramas de Soporte Estructural.21