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SIMULACIÓN DE PROCESOS

Facultad de Ciencias QuímicasUNIVERSIDAD VERACRUZANA

Dr. Anselmo Osorio Mirón

Cuerpo Académico

UVER CA 226 ³Estudio Integral de Ingeniería Aplicada´



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I. Diagramas de flujo esenciales para comprender los procesos


La manera más efectiva de comunicar información sobre un proceso es através del uso de diagramas de flujo:

Fig. 1. Diagrama de flujo de bloques para la producción de benceno

Tolueno(10 000 kg/h)

Hidrógeno(820 kg/h)

REACTOR

Conversión75 % deTolueno

Separadorde gas

Mezcla delíquidos

Destilación

Tolueno

Benceno(8 210 kg/h)

Mezcla de gases(2 610 kg/h)

Reacción:C7H8+H2=C6H6+CH4

1. Diagramas de flujo de bloques (DFB, o BFD), Fig. 1.2. Diagramas de flujo de proceso (DFP, o PFD).3. Diagramas de tubería e instrumentación (DTI, PID).

1. DFB



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Tabla 1. Convenciones y formato recomendado para elaborar undiagrama de flujo de proceso de bloques:

� Representar las operaciones por bloques.� Representar las líneas de flujo principal con flechas proporcionando

la dirección 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 (líquidos y sólidos) en la base.� Proporcionar únicamente la información crítica para el proceso.� Si las líneas se cruzan, entonces, la línea horizontal es continua y la

línea vertical se corta.� Proporcionar el balance de materiales simplificado.




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El DFP contiene la mayor parte de los datos de ingeniería necesarios para eldiseño de un proceso químico. Información que contiene un DFP comercial:

� Todo el equipo mayor en el proceso se representará en el diagrama junto

con una descripción del equipo. Cada equipo tendrá un número deidentificación único y un nombre descriptivo.� Todas las corrientes estarán representadas e identificadas por un número.

Se incluirá una descripción de las condiciones del proceso y la composiciónquímica de cada corriente. Estos datos se mostrarán directamente en el DFPo se colocaran en una tabla resumen.

� Se mostraran todas las corrientes de servicios que alimentan a los equiposmayores que proporcionan un función en el proceso.� Se mostraran todos los lazos de control básico, ilustrando la estrategia de

control usada para operar el proceso durante operaciones normales.

2. Diagrama de Flujo de Proceso:




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En la figura 2 de la página siguiente, se muestra el esqueleto del diagrama de flujode proceso para la producción de benceno.

La topología del proceso se refiere a la localización e interacción entre elequipo y las corrientes de proceso.

El equipo se representa simbólicamente por iconos que identifican operacionesunitarias específicas (ver la figura 3). Cada equipo mayor se identifica por unnúmero en el diagrama. Una lista de los números del equipo mayor junto con unnombre descriptivo para el equipo se imprime en la parte superior del diagrama.La tabla 2 describe la convención para formatear e identificar el equipo de procesoen un DFP.

La información básica que proporciona un DFP se puede clasificar en las

categorías siguientes:.

2.1 TOPOLOGÍA DELPROCESO

1. Topología del proceso2. Información de las corrientes3. Información del equipo




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mps

Productos de

la combustión

2

3

4TK-101

agua de

enfriamiento

H-101

fg

aire

E-101

R-101

C-101 A/B

E-102P-101 A/B

hps

Hidrógeno

Tolueno

1

7

6

5

Corriente de Entrada-Salida

10

24

20

1

V-102

Gas Combustible

Benceno

Agua de

enfriamiento

P-102 A/B

E-105

E-104T-101

E-106

E-103

V-103

V-101

Agua de

enfriamientolps

1817

8

11

14

12

13

18

16

15

9

V-103

SEPARADOR DE

FASES DE BAJAPRESION

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

TK-101

ALMACENAMIENTO

DE TOLUENO

P-101 A/B

BOMBAS DE ALIMENTACION DE

TOLUENO

E-101PRECALENTADOR DE LA

ALIMENTACION

H-101

CALENTADOR

A FUEGO DIRECTO

R-101

REACTOR

C-101 A/BCOMPRESOR DE GAS

RECICLADO

E-102ENFRIADOR DEL EFLUENTE

DEL REACTOR

V-101

SEPARADOR DE FASES

DE ALTA PRESION

Fig. 1.3 Esqueleto del Diagrama de flujo de proceso (DFP) para la producción de Benceno vía la Hidrodealquilación de Tolueno.


Fig. 2 Esqueleto del Diagrama de flujo de proceso (DFP) para la producción de Benceno vía la Hidrodealquilación de Tolueno



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INTERCAMBIADORES DE CALOR

TORRES

CALENTADOR A FUEGO DIRECTO

TANQUE DE ALMACENAMIENTO

BOMBAS, TURBINAS,COMPRESORES

RECIPIENTES

REACTORES

ENTRADA DELPROCESO

SALIDA DELPROCESO

VÁLVULA DECONTROL

VÁLVULA DE GLOBO (CONTROL MANUAL)

BANDERA DEINSTRUMENTOS

NUMERO DECORRIENTE

VALVULA

Fig. 1.4 Símbolos para construir DFP.

IDENTIFICACION DEL FLUJO

VELOCIDAD DE FLUIDO DEL LIQUIDO

PRESION

TEMPERATURA

VELOCIDAD DEL FLUIDO MASICO

VELOCIDAD DE FLUIDO MOLAR

VELOCIDAD DE FLUIDO DEL GAS

Fig. 1.6 Símbolos para identificación de corrientes.


Fig. 3 Símbolos para construir DFP



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Tabla 2. Convenciones usadas para la identificación del equipo de proceso

Equipo de Proceso Formato general XX-YZZ A/B

XX son las letras de identificación para laclasificación del equipo

C- Compresor o turbinaE- Intercambiador de calor

H- Calentador a fuego directoP- BombaR- Reactor T- TorreTK- Tanque de almacenamientoV- Recipiente

Y designa un área dentro de la planta

ZZ son el número designado para cadaelemento en una clase de equipos

A/B identifica unidades paralelas o unidadesde respaldo no mostradas en un DFPDescripción adicional de equipo dado enla parte superior del DFP

Información suplementaria

2.2 INFORMACIÓN DE LAS CORRIENTES




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Tabla 3. Convenciones para identificar corrientes de proceso y servs. auxiliares

Corrientes de Proceso

Se aplican todas las convenciones de la Tabla 1El símbolo de diamante localizado en las líneas de flujoIdentificación numérica (única para cada corriente) insertada en el diamanteLa dirección de flujo se muestra por flechas sobre las líneas de flujo

Servicios Auxiliareslps Vapor de baja presión: 3-5 barg (sat)

mps Vapor de media presión: 10-15 barg (sat)hps Vapor de alta presión: 40-50 barg (sat)htm Medio de transferencia de calor (orgánico): hasta 400 °Ccw Agua de enfriamiento: 30 °C desde la torre de enfriamiento regresa a menos de 45 °Cwr Agua de río: 25 °C desde el río regresa a menos de 35 °Crw Agua refrigerada: entra a 5 °C regresa a menos de 15 °Crb Salmuera refrigerada: entra a ±45 °C regresa a menos de 0°C

cs Agua de desechos químicos con alto CODss Agua de desecho sanitarios con alta DBOel Calentamiento eléctrico (servicio específico 220, 240, 660 V)ng Gas naturalfg Gas combustiblefo Combustóleofw Agua contra incendio




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Tabla 4. Información proporcionada en un resumen de flujo

Información esencial

Número de corrienteTemperatura °CPresión (bar)Fracción de vapor Velocidad de flujo másico total (kg/h)Velocidad de flujo molar total (kmol/h)Velocidades de flujo de componentes individuales (kmol/h)

Información OpcionalFracciones mol por componenteFracciones masa por componenteVelocidades de flujo por componentes individuales (kg/h)Velocidades de flujo volumétrico (m3/h)Propiedades físicas significativas

DensidadViscosidadOtras

Datos termodinámicosCapacidad caloríficaEntalpía de la corrienteValores de K

Nombre de la corriente




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Tabla 6. Descripciones del equipo para DFP o DTI

Tipo de Equipo Descripción del equipo

Torres: Tamaño (altura y diámetro)Presión, Temperatura, Número y Tipo de PlatosAltura y Tipo de Empaque, Materiales de Construcción

Intercambiadores de calor: Tipo: Gas-Gas, Gas-Líquido, Líquido-Líquido, Condensador,Vaporizador

Proceso: Carga Térmica, Área, Temperatura y Presión para ambas corrientes

Número de Envolventes y pasos por tubosMaterial de Construcción: Tubos y Envolvente

Tanques: Ver recipientes

Recipientes: Altura, Diámetro, Orientación, Presión, Temperatura,Materiales de Construcción

Bombas: Flujo, Presión de Descarga, Temperatura, Caída de Presión,

Tipo de Conductor, Potencia de Eje, Materiales de Construcción.Compresores: Velocidad de Flujo de Entrada Real, Temperatura Presión,

Tipo de Conductor, Potencia de Eje, Materiales de ConstrucciónCalentadores a fuego directo: Tipo, Presión en los tubos, Temperatura en los Tubos, Carga,

Combustible, Material de Construcción

Otros: Proporcionar información crítica

2.3 INFORMACIÓN DELEQUIPO SIMULACIÓN DE PROCESOS



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Tabla 7. Resumen de Equipos para el DFP de la planta de hidrodealquilación de tolueno

Intercambiadores de Calor E-101 E-102 E-103 E-104 E-105 E-106Tipo Fl.H. Fl.H. MDP Fl.H. MDP Fl.H.

Area (m2) 36 763 11 35 12 80Carga Térmica(MJ/h) 15190 46660 1055 8335 1085 9045EnvolventeTemperatura (°C) 225 654 160 112 112 185Presión (bar) 26 24 6 3 3 11Fase vapor P.Cond. Cond. Cond. L Cond.Material de Construcción 316-SS 316-SS CS Cs CS CSTubos

Temperatura (°C) 258 40 90 40 40 147Presión (bar) 42 3 3 3 3 3Fase Cond. L L L L Vap.Material de Construcción 316-SS 316-SS CS CS CS CS

Recipientes/Torres/Reactores V-101 V-102 V-103 TK-101 T-101 R-101Temperatura (°C) 38 112 38 55 147 660Presión (bar) 24 2.5 3.0 2.0 3.0 25Orientación V H V H V VMaterial de Construcción CS CS CS CS CS 316-SSTamañoAltura/Longitud (m) 3.5 3.9 3.5 5.9 29 14.2Diámetro (m) 1.1 1.3 1.1 1.9 1.5 2.3Internos s.p. s.p. 42 platos Lecho

316-SS Emp. 10 m




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Tabla 7. Resumen de Equipos para el DFP de la planta de hidrodealquilación de tolueno (Continuación)

Bombas/Compresores P-101(A/B) P-102(a/B) C-101(A/B) Calentador H-101

Flujo (kg/h) 13000. 22700 6770 Tipo Fuego directoDensidad del Fluido (kg/m3) 870 880 8.02 Material de Construcción 316-SSPotencia (Eje)(kW) 14.2 3.2 49.1 Carga Térmica (MJ/h) 27040Tipo/Conductor Recipr./ Centrig./ Centrif./ Area de Radiación (m2) 106.8

Eléctrico Eléctrico EléctricoEficiencia (Potencia del Fluido/ 0.75 0.50 0.75 Area Convectiva (m2) 320.2Potencia de Eje)Material de Construcción CS CS CS Presión en Tubos (bar) 26.0

Temepratura (Entrada)(°C) 55 112 38Presión (Entrada)(bar) 1.2 2.2 23.9Presión (Salida)(bar) 27.0 4.4 25.5

Claves:316-SS Acero inoxidable, calibre 316 P. Parcial

CS Acero al carbón F.H. Cabezal fijoVap. Corriente vaporizada Fl.H. Cabezal flotanteCond. Corriente condensada Rbl Reboiler Recipr. Reciprocante s.p. Plato de burbujeoCentrif. Centrífuga L LíquidoMDP Doble tubo múltiple




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2.4 Combinación de la Topología, Datos de las Corrientes yla Estrategia de Control para obtener un DFP

Ver la Fig. 4, se tiene un ejemplo más representativo de un DFP para el proceso deobtención de benceno.El diagrama incluye todos los elementos de la figura 2, algo de la información de la

tabla 5, e información adicional de los lazos de control usados en el proceso.La información de las corrientes es adicionada al diagrama anexando³banderas de información´. La forma de las banderas indica el tipo de información proporcionada en la bandera. Las banderas proporcionan información necesaria en eldiseño de la planta y para la construcción de la planta, y en el análisis de problemasde operación durante la vida útil de la planta.




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El diagrama de tubería e instrumentación o diagrama mecánico de flujo proporcionainformación necesaria para empezar la planeación de la construcción de la planta.Cada DFP requiere muchos DTI para proporcionar los datos necesarios. Por ejemplo,la figura 6 es un DTI representativo para la sección de destilación del proceso de

benceno mostrado en la figura 4. Este diagrama proporciona información sobre latubería, que se incluye como parte del diagrama. Las conexiones de serviciosauxiliares están identificadas por una caja numerada en el DTI, el número identificael servicio específico. Las claves que identifican las conexiones de los serviciosauxiliares se muestran en una tabla en el DTI.La información que puede ser medida en la planta se muestra en el DTI por banderas

circulares. Esta incluye la información que se almacena y usa en los lazos de controldel proceso.

3. Diagrama de Tubería e Instrumentación (DTI)




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Tabla 8. Información que no

se incluye en un DTI

1. Condiciones de operación (T, P)2. Flujos de las corrientes3. Localización de equipo4. Rutas de tuberías

a. Longitudes de tuberías b. Accesorios de tuberías

5. Soportes estructuras y cimentaciones

Tabla 9. Convenciones en la construcción de DTI¶sPara Equipos ± Mostrar cada pieza incluyendo

Unidades disponiblesUnidades paralelasResumen de detalles de cada unidad

Para Tuberías - Incluir todas las líneas con sus drenes, conexiones de muestreo y especificaciónTamaño (utilizar tamaños estándar), Cédula (espesor)

Materiales de construcción, Aislamiento (espesor y tipo)Para Instrumentos - IdentificaciónIndicadores, Registradores, ControladoresMostrar líneas de instrumentos

Para Servicios Auxiliares - IdentificaciónEntrada y Salida de servicios auxiliaresSalida para servicios de tratamientos de efluentes




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Tabla 9. Convenciones usadas paraidentificar instrumentos en DTI¶s

Localización de InstrumentosInstrumento localizado en plantaInstrumento localizado en el tablero en el cuarto de controlInstrumento localizado en la parte posterior del tablero en el cuarto de control

Significado de las letras de identificación

Primera letra ( X ) Segunda o Tercera Letra (Y )A Análisis AlarmaB Flama del Quemador C Conductividad ControlD Densidad o Gravedad específicaE Voltaje ElementoF Velocidad de FlujoH Manual (iniciado manualmente) AltoI Corriente Indicador

J PotenciaK Tiempo o programa de tiempo Estación de controlL Nivel Ligero o bajoM Humedad Medio o intermedioO OrificioP Presión o vacío PuntoQ Cantidad o eventoR Radioactividad o relación Registro o impresiónS Velocidad o frecuencia Interruptor (switch)

T Temperatura Trasmisor V Viscosidad VálvulaW Peso PozoY Relevador o computador Z Posición Conductor

Identificación de Conexiones de InstrumentosCapilar NeumáticoEléctrico



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El DTI es la ultima etapa del diseño de proceso y sirve como una guía para los responsables deldiseño final y construcción. Basados en este diagrama:�Ingenieros mecánicos y civiles diseñaran e instalaran los equipos de proceso.�Ingenieros de instrumentos especificaran, instalaran y verificaran los sistemas de control.�Ingenieros de tuberías desarrollaran los diagramas de distribución de planta y elevación.�Ingenieros de proyecto desarrollaran el programa de planta y construcción

El DTI se usa también para entrenar operadores de planta, aún cuando se utilicen simuladores

de planta. También es importante en el desarrollo de procedimientos de arranque, donde la plantano está 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 losservicios auxiliares disponibles junto con las conexiones necesarias para el proceso. Tieneinformación de las carcaterísticas y los flujos de los servicios utilizados por la planta.

Plano de Distribución General (Plot Plan) y Diagramas de Elevación, proporcionan la elevacióny colocación del equipo mayor, tal como, torres, recipientes, bombas, intercambiadores de calor, etc.Isométricos de tuberías, se trazan para cada tubería requerida en la planta, se dibujan en 3-D eindican la orientación y elevación de cada parte de la tubría.Modelos a Escala, Dibujos de Recipientes, Diagramas Lógicos, Diagramas Unifilares, Planosde Ubicación, Diagramas de Soporte Estructural.


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