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7/24/2019 Diagramas de Flujo y an Lisis de Procesos Qu Micos
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Anlisis de Procesos Qumicos
Bibliografa:
Murphy, R. Int rodu cc in a los p rocesos qum icos.Pr in c ip io s , anlis is y sntes is . McGraw Hill, 2007.
PDVSA, Manual de Ingeniera de Diseo, Vol 15:Procedimientos de Ingeniera. 1991
Turton, R., Bailie, R. Analysis, Synthesis and Designof Chem ical Processes. Prentice Hall, PTR, 1998.
Seider, W., Seader, J., Lewin, D. Process DesignPrincip les. Synthesis, Analysis and Evaluat ion. JoheWiley & Sons, INC., 1998.
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PS3213
Cap II: Anlisis de Procesos Qumicos
Alejandro Requena
Sartenejas, Ene-Mar 2014
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CONTENIDOS.
1. Representacin de procesos qumicos. DES, DBP, DFP, otros
2. Estructura de los procesos qumicos.
3. Tcnicas y estrategias para el anlisis deprocesos qumicos.
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La comprensin de un sistema deprocesos qumico se facilita con una
correcta lectura e interpretacin delos diagramas de procesos.
Los distintos tipos de diagramas muestrandiferentes niveles de complejidad einformacin.
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Tipos de diagramas de procesosTipo de Diagrama Informacin que suministra
Entradas-Salidas(DES)
Materias primas.Reacciones estequiomtricas.Productos.
Bloques
(DBP)
Lo anterior ms:
.- Balance de materia..- Principales unidades (secciones) del proceso.
.- Especificaciones de desempeo de lasunidades de proceso.
Flujo de Proceso(DFP)
Todo lo anterior ms:.- Especificaciones de principales equipos deproceso..- Balance de energa..- Condiciones de proceso.
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JUSTIFICACION:
Proyectos de carcter multidisciplinarios conparticipacin de distintas nacionalidades.
Procesos complejo con potenciales riesgospara la salud y el medio ambiente.
Manipulan sustancias qumica que pueden ser
explosivas, corrosivas, inflamables, etc. Es necesario evitar riesgos por fallas en la
comunicacin entre las personas que disean,construyen u operan los procesos.
Normas para las representacionesde los procesos.
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ASME Sociedad Americana de IngenierosMecnicos.
Calderas. Tanques presurizados
API Instituto Americano de Petrleo Petrleo, Gas Natural y susderivados.
NFPA Asociacin para la ProteccinNacional del Fuego
Seguridad e Higiene Industrial.
ANSI American National StandardInstitute
Bombas. Tuberas y conexiones.
DOT Cdigo Federal de Regulaciones delDepartamento de Transporte deEstados Unidos
Seccin: Transporte de materiasprimas, productos qumico,equipos, etc.
COVENIN Comisin Venezolana de NormasIndustriales
PDVSA Normas de Ingeniera de PDVSA Industria petrolera ypetroqumica.
NORMAS INTERNACIONALES
NORMAS NACIONALES
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Ejemplos de diagramas Entradas-Salidas
1. Obtencin de benceno por hidrogenacin del tolueno:
2. Sntesis de amonaco:
Metano
Benceno
Hidrgeno
Tolueno4662356
CHHCHCHHC
Proceso de Sntesis
del Amonaco
1000 ton NH3
/ da
970 ton CO2/ da
350 ton CH4
/ da
795 ton H2 O / da
825 ton N2
/ da
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Diagramas Entradas-Salidas (DES)
Todaslas operaciones fsicas y qumicasinvolucradas en el proceso se representan conun nico bloque.
Se utilizan flechaspara representar lasentradas y salidasde materiales.Materias primas entran por la izquierda y los
productos salen por la derecha. Pueden mostrarse velocidades de flujo o cantidad
de las materias primas y productos.
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Ejemplo de Diagrama de Bloque (DBP)
Tolueno10.000 Kg/hr
Hidrgeno820 Kg/hr
Benceno8.210 Kg/hr
Gases2.610 Kg/hr
Conversion deTolueno 75%
Metano
Benceno
Hidrgeno
Tolueno4662356
CHHCHCHHC
REACTOR
SEPARADOR
DE GASES
SEPARADOR
DE
BENCEN
O
Diagrama Entrada-Salidacorrespondiente
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Convenciones para los diagramas de bloques. Cada operacin o unidad de proceso se representa por un
bloque. Existenslo cuatro tipo de unidades de proceso
que se representan en los diagramas de bloque:Mezcladores, Reactores, Divisores y Separadores.
Las corrientes de flujo principal se representan por lneasflechadas en la direccin del flujo.
Los flujos van de izquierda a derecha en el diagrama.
Las corrientes gaseosas se incluyen en la parte superior del
diagrama, y los lquidos y slidos hacia la parte inferior,separados por densidades.
Si las lneas se cruzan, las horizontales se mantienen y lasverticales se cortan.
Se incluye la informacin crtica para entender el proceso.
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Ejemplo de Diagrama de Flujo de Proceso(DFP)
TK-101 P-101A/B E-101 H-101 R-101 C-101A/B E-102 V-101 V-103 E103 E-106 T-101 V-102 P-102A/B E-105Almacn Bomba Precalen Horno Reactor Compresor Enfriador Separador Separador Calentador Rehervidor Torre de Tambor Bomba EnfriadorTolueno Tolueno Alim Alim Gas Reciclo Salida HP LP Entrada Benceno Benceno Reflujo Reflujo Producto
Reactor Torre
Diagrama
Descr iptor de los equipo s
Tabla con especi f icaciones de las c orr ientes
TRES
ELEMENTOS
INDISPENSA
BLES
V-102
Tolueno
Hidrgeno
Gases
Benceno
TK-101 E-101
R-101
C-101A/B
P-101A/B
H-101
E-102
E-106
E-103
E-104
E-105
P-102A/B
V-101
V-103
T-101hps
mps
cw
cw
cw
lps
air fg
gases de combustin
5
9
2
6
7
8
17
3
1
4
10
18
14
13
11
19
12
15
16
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Se representan TODOSlos equipos de procesoidentificados por su cdigos respectivo.
Se numeran TODAS las corrientes de procesoincluyendo una descripcin de sus condiciones(temperatura, presin), flujos y composicin qumicamediante una TABLA adjunta.
Se representan TODAS las corrientes de servicios(vapor, aire, refrigerantes, aceites de calefaccin, etc)utilizados en cada equipo de proceso.
Se deben sealar los lazos de control bsicos paraasegurar la estabilidad de las condiciones de proceso.
En los Diagramas de Flujo de Procesos
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Tipos de diagramas de proceso
Diagrama de Flujo de Proceso
(DFP)
Diagrama de Servicios Industriales(DSI)
Diagrama de Sistemas de Efluentes(DSE)
Diagramas de Tuberas eInstrumentacin (DTI)
SEG
NMANUAL
DEINGENIER
ADEDISE
O
-PDVSA
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VISUALIZACIN
INGENIERACONCEPTUAL
ETAPASEN
ELDESARROLLODELPR
OYECTO
INGENIERABSICA
INGENIERADE DETALLE
DIAGRAMADE BLOQUE
(DBP)
DIAGRAMAENTRADA-SALIDA
(DES)
DIAGRAMADE FLUJO
(DFP)
DIAGRAMAS DEINTERCONEXIN
DIAGRAMADE
SERVICIOSDIAGRAMA
DEEFLUENTES
DIAGRAMA
TUBERIAS &INSTRUMENTACIN
VAPOR
SISTEMAS DEENFRIAMIENTO
SISTEMAS DECALENTAMIENTO
SISTEMAS DEGASES COMPRIMIDOS
Y GASES INERTES
SERVICIOS ELCTRICOS
PLANOS DEPLANTA
DIAGRAMASISOMTRICOS
OBRASCIVILES DISTRIBUCIN
DE SERVICIOSINDUSTRIALES
AGUAS
RESIDUALES
CAPTACINDE
EFLUENTES
MECHURRIOS YSISTEMAS DE
ALIVIO
DISTINTOS TIPOS DE DIAGRAMAS DE PROCESOCON FUNCIONES ESPECFICAS
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Ejemp
lo:
DIAGRAMADEINTERCONEXIO
NENREFINER
IA.
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AZUFRE
ME
RCADONAC
IONAL
METANO
NPK/DAP330
AMONACO
200UREA
248
CIDOSULFRICO
462TRIPOLIVEN
33
SULFATO DEAMONIO
80
FERRALCA50
CIDO
FOSFRICO75
El nmero corresponde a Miles de Toneladas Mtricas Anuales (MTMA)
PRODUVEN10
EMPRESAS PRIVADASEMPRESAS MIXTAS ROCA
FOSFTICA
POTASA
Ejemplo: DIAGRAMA DE INTERCONEXION EN
INDUSTRIA PETROQUMICA - COMPLEJO MORN
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DIAGRAMADE FLUJO DE
PROCESO
Es una representacinesquemtica del proceso,
sus condiciones deoperacinnormal y control
bsico.
Identifica los efluentes y su
disposicin.Incluye balance de masa einformacin para el diseo y
especificaciones de losequipos.
Insumo para el desarrollo delDiagrama de Tubera e
Instrumentacin.
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DFP obtencin de Benceno por hidrodesalquilacin de toluenoV-101 P-101A/B E-101 H-101 R-101 C-101A/B E-102 V-102 V-103 E103 E-106 T-101 V-104 P-102A/B E-105
Almacn Bomba Precalen Horno Reactor Compresor Enfriador Separador Separador Calentador Rehervidor Torre de Tambor Bomba EnfriadorTolueno Tolueno Alim Alim Gas Reciclo Salida HP LP Entrada Benceno Benceno Reflujo Reflujo Producto
Reactor Torre
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19
Temperatura (C) 25 59 25 225 41 600 41 38 654 90 147 112 112 112 38 38 38 38 112
Presin (bar) 1.9 25.8 25.5 25.5 25.5 25.0 25.5 23.9 24.0 2.6 2.8 3.3 2.5 3.3 2.3 2.5 2.8 2.9 2.5
Fraccin vaporizada(molar)
0.0 0.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 1.0 1.0 0.0 1.0
Flujo msico (ton/h) 10.0 13.3 0.82 20.5 6.41 20.5 0.36 9.2 20.9 11.6 3.27 14.0 22.7 22.7 8.21 2.61 0.07 11.5 0.01
Flujo molar (kmol/h) 108.7 144.2 301.0 1204.4 758.8 1204.4 42.6 1100.8 1247.0 142.2 35.7 185.2 290.7 290.7 105.6 304.6 4.06 142.2 0.90
Componentes de flujo (kmol/h)
Hidrgeno 0.0 0.0 286.0 735.4 449.4 735.4 25.2 651.9 652.6 0.02 0.0 0.0 0.02 0.0 0.0 178.0 0.67 0.02 0.02
Metano 0.0 0.0 15.0 317.3 302.2 317.3 16.95 438.3 442.3 0.88 0.0 0.0 0.88 0.0 0.0 123.2 3.10 0.88 0.88
Benceno 0.0
1.0
0.0
7.6
6.6
7.6
0.37
9.55
116.0
106.3
1.1
184.3
289.46
289.46
105.2
2.85
0.26
106.3
0.0
Tolueno 108.7 143.2 0.0 144.0 0.7 144.0 0.04 1.05 36.0 35.0 34.6 0.88 1.22 1.22 0.4 0.31 0.03 35.0 0.0
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XX-YZZ A/B
Ejemplo:
P-101 A/BIdentifica una bomba P-101 A/B
Indica que la bomba est ubicadaen el rea 1de la planta.
P-101A/BIndica que la bomba es la nmero01de las n existentes en la planta
P-101 A/BExistencia de dos bombasidnticas, una de reemplazo(backup)
Identificador del tipo de equipo
rea asignada en laplanta
Nmero asignado alequipo
Indicador deunidades paralelas
Diagramas DFP
1.1.-Identificacin de equipos
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Cdigos e imagen por tipo de equipo
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SegnManual de Ingeniera de Diseo de PDVSA
Vol15:Procedimi
entosdeIngeniera
TituloPreparacin
dediagramasdeprocesos.
PDVSANL-TP1.1
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Lista de cdigospara la identificacin de equipos
Fuente: PDVSA N L-TP 1.1- Vol 15: Procedimientos de IngenieraTitulo Preparacin de diagramas de procesos.
Di DFP
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1.2.-Identificacin de corrientes en los DFPDiagramas DFP
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Smbolos para identificacin de corrientes
Diagramas DFP
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1.2.1.-Informacin para corrientes de proceso
Como mnimo: Nmero de la corriente. Temperatura. Presin. Fraccin de vapor. Flujo total msico. Flujo molar total.
Flujo molar por componente.
En algunos casos, tambin ... Fracciones molares de los
componente. Fracciones msicas de loscomponentes.
Flujo volumtrico. Propiedades fsicas (densidad,
viscosidad, etc) Datos termodinmicos (calor
especfico, entalpa, etc.) Nombre de la corriente
Corriente 1 2 3 4 5 6 7 8 9
Temperatura (C) 25 59 25 225 41 600 41 38 654
Presin (bar) 1.90 25.8 25.5 25.2 25.5 25.0 25.2 23.9 24.0
Fraccin de vapor 0.0 0.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0
Flujo Msico (ton/hr) 10.0 13.3 0.82 20.5 6.41 20.5 0.36 9.2 20.9Flujo Molar (kmol/hr) 108.7 144.2 301.0 1204.4 758.8 1204.4 42.6 1100.8 1247.0
Composicin molar (kmol/hr)
Hidrogeno 0.0 0.0 286.0 735.4 449.4 735.4 25.2 651.9 652.4
Metano 0.0 0.0 15.0 317.3 302.2 317.3 16.95 438.3 442.3
Bemceno 0.0 1.0 0.0 7.6 6.6 7.6 0.37 9.55 116.0
Tolueno 108.7 143.2 0.0 144.0 0.7 144.0 0.04 1.05 36.0
Diagramas DFP
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Corriente 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19
Temperatura (C) 90 147 112 112 112 38 38 38 38 112
Presin (bar) 2.6 2.8 3.3 2.5 3.3 2.3 2.50 2.80 2.90 2.50
Fraccin de vapor 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 1.0 1.0 0.0 1.0
Flujo Msico (ton/hr) 11.6 3.27 14.0 22.7 22.7 8.21 2.61 0.07 11.5 0.01
Flujo Molar (kmol/hr) 142.2 35.7 185.2 290.7 290.7 105.6 304.6 4.06 142.2 0.90
Composicin molar (kmol/hr)
Hidrogeno 0.02 0.0 0.0 0.02 0.0 0.0 178.0 0.67 0.02 0.02
Metano 0.88 0.0 0.0 0.88 0.0 0.0 123.2 3.1 0.88 0.88
Benceno 106.3 1.1 184.3 289.5 289.5 105.2 2.85 0.3 106.3 0.0
Tolueno 35.0 34.6 0.88 1.22 1.22 0.4 0.31 0.0 35.0 0.0
V-102Tolueno
Hidrgeno
Gases
Benceno
TK-101
E-101
R-101
C-101A/B
P-101A/B
H-101
E-102
E-106
E-103
E-104
E-105
P-102A/B
V-101
V-103
T-101hps
mpscw
cw
cw
lps
air fg
gases de combustin
59
2
6
7
8
17
3
1
410
18
14
13
11
19
12
15
16
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1.2.2.- Identificacin de corrientes de servicios
lps Vapor de baja presin 3 - 5 barg (sat) [145C] mps Vapor de media presin 10 - 15 barg (sat) [190C] hps Vapor de alta presin 40 - 50 barg (sat) [260C] htm Medio de transferencia de calor hasta 400C cw Agua de enfriamiento 30C retorna 45C wr Agua de ro 25C retorna 15C rb Refrigerante -45C retorna 0C cs Agua de desechos qumicos con alto DQO ss Agua de desechos sanitarios con alto DBO el Energa elctrica 220, 440 o 660 V ng Gas natural fg Gas combustible fo Aceite combustible
fw Agua para sistemas contra incendios
Diagramas DFP
Diagramas DFP
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Tipo de Equipo Suministre la siguiente informacin.
Intercambiadores deCalor Tipo (gas-gas; gas-lquido; condensador; evaporador).Area. Temperatura y presin de las corrientes. Nmero decarcazas y pasos de tubo. Materiales de construccin(tubos y carcazas)
Recipientes y Estanques Altura y Dimetro. Orientacin. Temperatura y presin.Materiales de construccin
Columnas Tipo. Tamao (altura, dimetro). Presin y temperatura.Nmero y tipo de platos o empaque.Materiales de construccin.
Bombas Flujo. Presin de descarga. Temperatura. Diferencia depresin. Potencia en el eje. Tipo de impulsores. Materialde construccin.
Calderas Tipo. Presin en los tubos. Combustible. Material de
construccin. Potencia nominal.
Compresores Flujo a la entrada. Temperatura y presin. Tipo. Potenciaen el eje. Materiales de construccin.
Otros Toda la informacin crtica.
2.1.- Informacin complementaria para equiposDiagramas DFP
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DIAGRAMAS DESERVICIOS
INDUSTRIALES
Indica los serviciosnecesarios para el
funcionamiento de laplanta.
Muestra los balances
de masa paraarranque, operacinnormal, produccin
mxima y parada.
Se presenta undiagrama separadopara cada servicio.
DIAGRAMAS DE SERVICIO:
Sistema de generacin de vapor y
condensado Tratamiento de agua de caldera y qumicos
Agua de enfriamiento
Sistema de refrigeracin
Sistemas de aceite de sello y lubricantes
Compresores y secadores de aire de plantay de instrumentos
Generacin de potencia principal y auxiliar
Generador y manejo de gas inerte
Sistema contra incendio
Sistema de aceite caliente
Otros.
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40 - 50 bargTmax 260C
10 - 15 bargTmax 190C
3 - 5 bargTmax 145C
Diagramas de Servicios Industriales:Sistema de generacin de vapor
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Sistem
adegeneracindevapor
Ca
ldera
s:Acuotubu
alres&Piro
tubulares
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Ejemplo de esquema para la produccin de vapor
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Diagramas de Servicios Industriales:Servicio de agua de enfriamiento
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Ejemplo Diagrama del sistema de agua de enfriamiento
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Diagramas de Servicios Industriales:Sistema de aire comprimido
Distintos usos para el aire
Aire para instrumentos y control neumtico
Aire comprimido para otros usos: 3 bar (45 psi)
7 bar (100 psi)
10 bar (150 psi)
20 bar (300 psi)
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Ejemplo Diagrama de sistema de aire comprimido
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DIAGRAMAS DESISTEMAS
DE EFLUENTES
Muestra todos losefluentes(gaseosos,
lquidos y slidos) ysu tratamiento odisposicin para
garantizar la calidadambiental.
Se presenta un
diagrama separadopara cada tipo detratamiento de
efluentes.
DIAGRAMAS:
Distribucin de efluentes y tratamiento
Sistema de alivio y mechurrios
Tratamientos de aguas servidas Otros.
MECHURRIOS Y
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MECHURRIOS YSISTEMAS DE ALIVIO
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DIAGRAMA DETUBERIA E
INSTRUMENTACIN
Muestra el proceso conlos detalles
mecnicos deequipos, tuberasyvlvulas,
conjuntamente con los
lazos de control paragarantizar la operacin
segura de la planta.
Se elaboran DTI delproceso, de ServiciosIndustriales y de
Sistemas de Efluentes.
Ej l d DTI
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Ejemplo de DTI
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En los diagrama DTIse muestra
Adems de lo correspondiente a los DFP...Equipos:
Mostrar equipos de respaldo, unidades paralelas, detallesprincipales de cada uno.
Tuberas:Dimetros, espesor de pared (schedule), material deconstruccin, aislantes (tpo y espesor).
Instrumentos:Indicadores, registradores, controladores y tipos. Tuberasy/o cableado de los instrumentos.
Servicios:Entradas y salidas de las corrientes (aire, vapor, etc). Salidasde las corrientes a las plantas de tratamiento de efluentes.
Diferencias para la representacin
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Diferencias para la representacinde equipos en DFP y en DTI
Vol15:Procedimient
osdeIngeniera
TituloPreparacinde
diagramasdeprocesos.
PD
VSANL-TP1.1
7/24/2019 Diagramas de Flujo y an Lisis de Procesos Qu Micos
44/114
V
ol15:ProcedimientosdeIngeniera
T
itulo:Identificacinynumeracindetuberas.
P
DVSANL-TP
1.3
PDVSA Cdi d i i d l t b
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45/114
PDVSA: Cdigos de servicios de las tuberas
PDVSA N L-TP 1.1
Vol 15: Procedimientos de Ingeniera / Titulo: Preparacin de diagramas de procesos.
PDVSA Cdi d i i d l t b
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PDVSA: Cdigos de servicios de las tuberas (Cont.)
PDVSA N L-TP 1.1
Vol 15: Procedimientos de Ingeniera
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Otros diagramas de proceso
Diagrama Isomtricos
Planos de plantas
Obras civiles
Distribucin de servicios industriales
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Representacinen 3D y aescala de laubicacin
relativa detodos losequipos,sistemas desoporte,tuberas de
proceso y deservicios.
DIAGRAMAS ISOMTRICOS
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Cortes
de
secc
in
Ej l d Di I t i
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Ejemplo de Diagrama Isomtrico
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M t di t ib i
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PLANO DE PLANTA Muestra distribucin yespaciamiento de
instalaciones y equipos.Resulta de utilidad paravisualizar la seguridad de
las operaciones, el accesoa equipos para
mantenimiento, proteccincontra incendio, etc.
Toma en cuenta aspectosmeteorolgicos y
econmicos.
Diagrama PLOT PLAN
Generalmente presenta:- Plano de planta general
- Plano de distribucin de equipos
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PLANODEPLANTA
DIAGRAMAP
LOTPLAN
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EJEMPLOD
EUTILIZACINENE
L
PROYECTO
DEMODERNIZACIN
DELA
REFINER
A
DEBARRA
NCABERM
EJA
San
tan
derC
olom
bia
Cmo elaborar
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Cmo elaborarDiagramas de Flujo
de Procesos ?
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Para el anlisis
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Para el anlisisde procesos qumicos
Con base en la estructura general desistemas de proceso qumico, y la correcta
lectura del DFPse recomienda: seguir el caminode los reactivos y productos, identificar
puntos de mezcla y divisin decorrientes, identificar corrientes de bypass,
corrientes de purga y lazos de reciclo.
Estructura general de un sistema de
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Estructura general de un sistema deproceso qumico
Alimentacin
Preparacin de la
alimentacin parala reaccin
Zona deReaccin
Preparacin
para laseparacin
Zona deseparacin
Reciclo
Producto
Sub-Producto
Ajuste a condiciones
exigidas por la reaccin
Cambios acondiciones
que permitan la
separacin
Condiciones definidas porcintica y termodinmica
de la reaccin
Tratamiento
de efluentes
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Seguimiento del camino de las especies
A)
R.I.)
P.R.S. I.)
P)
Slo en los reactores
se transforman las materias primas en productos.
Direccin del anlisis
Sistemade
Reaccin
Direccin del anlisis
Cam ino de los qum icos
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Cam ino de los qum icosREACTIVOS Y PRODUCTOS
V-102
Tolueno
Hidrgeno
Gases
Benceno
TK-101 E-101
R-101
C-101A/B
P-101A/B
H-101
E-102
E-106
E-103
E-104
E-105
P-102A/B
V-101
V-103
T-101hps
mps
cw
cw
cw
lps
air fg
gases de combustin
5
9
6
7
8
17
3
110
18
14
13
11
19
12
15
16
Reactantes
Productos
2
4
Sistema de Reaccin
Id tifi i d t d l
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Identificacin de puntos de mezcla ydivisin de corrientes.
ToluenoTK-101
E-101
R-101
C-101A/B
P-101A/B
H-101
hps
cw
air fg
gases de combustin
59
2
6
7
3
1
4
Hidrgeno
Puntos de mezcla
Puntos de divisin de corrientes
En el reciclo y preparacin para la reaccin.
Identificacin de puntos de mezcla y
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Gases
V-102
Benceno
R-101
C-101A/B
E-102
E-106
E-103
E-104
E-105
P-102A/B
V-101
V-103
T-101
mps
cw
cw
cw
lps
9
6
8
17
10
18
14
13
11
19
12
15
16
7
Puntos de mezcla
Puntos de divisin de corrientes En el Sistema de Separacin
Identificacin de puntos de mezcla yderivacin.
Id tifi i d i l b
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Identificacin de reciclos, bypass ypurgas.
Purga
V-102
Tolueno
Hidrgeno
Gases
Benceno
TK-101 E-101
R-101
C-101A/B
P-101A/B
H-101
E-102
E-106
E-103
E-104
E-105
P-102A/B
V-101
V-103
T-101hps
mps
cw
cw
cw
lps
air fg
gases de combustin
5
9
2
6
7
8
17
3
1
4
10
18
14
13
11
19
12
15
16
Reciclo de tolueno
Reciclo de hidrogeno
Bypass
Secc iones del s istema de proceso para la
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Secc iones del sistema de proceso para la
ob tenc in de benceno a part i r del tolueno.TK-101 P-101A/B E-101 H-101 R-101 C-101A/B E-102 V-101 V-103 E103 E-106 T-101 V-102 P-102A/B E-105
Almacn Bomba Precalen Horno Reactor Compresor Enfriador Separador Separador Calentador Rehervidor Torre de Tambor Bomba Enfriador
Tolueno Tolueno Alim Alim Gas Reciclo Salida HP LP Entrada Benceno Benceno Reflujo Reflujo ProductoReactor Torre
V-102
Tolueno
Hidrgeno
Gases
Benceno
TK-101 E-101
R-101
C-101A/B
P-101A/B
H-101
E-102
E-106
E-103
E-104
E-105
P-102A/B
V-101
V-103
T-101hps
mps
cw
cw
cw
lps
air fg
gases de combustin
5
9
2
6
7
8
17
3
1
4
10
18
14
13
11
19
12
15
16
Siempre d b j tifi
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Operar fuera del intervalo de presiones de1 a 10 bar.
Operar fuera del intervalo de temperaturaentre 40C y 260C. lps Vapor de baja presin 3 - 5 barg (sat) [145C] mps Vapor de media presin 10 - 15 barg (sat) [190C]
hps Vapor de alta presin 40 - 50 barg (sat) [260C]
Operar por encima de los 400C.
Siempre se debe justificar
C di i i l d P i
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Condiciones especiales de PresinCondiciones Justificacin Penalidad
de OperacinP > 10 REACTOR
atm Favorece la conversin
en fase gaseosa (aumenta concentracin)
Mantener fase lquida
SEPARADOR
Obtener fase lquida para equilibrio
(L-V o L-L )
P < 1 REACTOR
atm Favorece la conversin
Mantener fase gaseosa
SEPARADOR
Obtener fase gaseosa para equilibrio L-V
Equiposespeciales
RequerimientosdeCompresores
Requiere grandesequipos
Diseo especial paracondiciones de vacio
C di i i l d T t
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Condiciones especiales de TemperaturaCondiciones Justificacin Penalidad
de Operacin
T > 200C REACTOR
Favorece la conversin (endotrmica)
Incrementa velocidad de la reaccin
Mantener fase gaseosa
Mejora selectividad
SEPARADORObtener fase gaseosa para equilibrio L-V
T < 40C REACTOR
Favorece la conversin (exotrmica)
Mantener fase lquida
Mejora selectividadSEPARADOR
Obtener fase lquida para equilibrio L-V o LL
Obtener fase slida para critalizacin
Servicios especiales
T > 400C materialesespeciales
Refrigerantesespeciales
Materiales
especiales
Inertes o Productos en la alimentacin
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Alimentacin no estequiomtrica
Condicin de
Operacin
Justificacin Penalidad
Inertes
Diluyentes para el control dela velocidad de la reaccin
Inhibidores de caminos
indeseados de la reaccin
Equipos de separacinpara su remocin
Reactores de mayor
tamao
Decrece la conversin
Reactivo en Exceso
Incrementa la conversin delreactivo limitante
Inhibidor de caminos
indeseados de la reaccin
Requerimientos dereciclo
Mayor costo de materia
primas
Producto presente en la
alimentacin
Diluyente de la reaccin
Inhibidor de camimosindeseados
Mayor tamao de reactor
Mayor flujo de reciclo Decrece la conversin
Inertes o Productos en la alimentacin
Estudio de casos
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Estudio de casosObtencin de benceno por hidrodesalquilacin del tolueno
Actividades para la CLASE PRCTICA:La figura 1 muestra el diagrama de flujo del proceso de obtencin de benceno porhidrodesalquilacin del tolueno, segn la reaccin:
CH3C6H5 + H2 C6H6+ CH4Basado en la informacin que pueda extraer de dicho diagrama, responda a cada uno delos siguientes planteamientos:
1. Elabore una tabla o lista de equipos que forman parte de cada una de las diferentes etapasdel proceso (preparacin para la reaccin, reaccin, preparacin para la separacin,separacin, etc.).
2. Indique el camino de los reactivos (tolueno e hidrgeno) y del producto (benceno), sealandolas corrientes que lo conforman.
3. Identifique todos los puntos de mezcla y derivacin sealando para cada uno de ellos loslazos involucrados (equipos y corrientes).
4. Determine la composicin msica de la corriente que se mezcla con la corriente 2 paraproporcionar la alimentacin al evaporador E-101
5. Identifique los reciclos en el proceso, indicando las corrientes y equipos involucrados.
6. Determine la conversin global del proceso y la conversin por pasos en el reactor.7. Indique si existe o no benceno a la entrada del reactor? Qu informacin del PDF le
permite sustentar su respuesta? En caso de una respuesta afirmativa, determine la fraccinmolar y msica de benceno en la alimentacin al reactor.
8. Qu fraccin de la corrientes 8 se recircula en el proceso?9. Construya el diagrama de bloque del proceso y seale sobre l el balance de masa
correspondiente.
DFP obtencin de Benceno por hidrodesalquilacin de tolueno
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FIGURA 1
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19
Temperatura (C) 25 59 25 225 41 600 41 38 654 90 147 112 112 112 38 38 38 38 112
Presin (bar) 1.9 25.8 25.5 25.5 25.5 25.0 25.5 23.9 24.0 2.6 2.8 3.3 2.5 3.3 2.3 2.5 2.8 2.9 2.5
Fraccin vaporizada
(molar)
0.0 0.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 1.0 1.0 0.0 1.0
Flujo msico (ton/h) 10.0 13.3 0.82 20.5 6.41 20.5 0.36 9.2 20.9 11.6 3.27 14.0 22.7 22.7 8.21 2.61 0.07 11.5 0.01Flujo molar (kmol/h) 108.7 144.2 301.0 1204.4 758.8 1204.4 42.6 1100.8 1247.0 142.2 35.7 185.2 290.7 290.7 105.6 304.6 4.06 142.2 0.90
Componentes de flujo (kmol/h)
Hidrgeno 0.0 0.0 286.0 735.4 449.4 735.4 25.2 651.9 652.6 0.02 0.0 0.0 0.02 0.0 0.0 178.0 0.67 0.02 0.02
Metano 0.0 0.0 15.0 317.3 302.2 317.3 16.95 438.3 442.3 0.88 0.0 0.0 0.88 0.0 0.0 123.2 3.10 0.88 0.88Benceno 0.0
1.0
0.0
7.6
6.6
7.6
0.37
9.55
116.0
106.3
1.1
184.3
289.46 289.46 105.2
2.85
0.26
106.3
0.0
Tolueno 108.7 143.2 0.0 144.0 0.7 144.0 0.04 1.05 36.0 35.0 34.6 0.88 1.22 1.22 0.4 0.31 0.03 35.0 0.0
C ti d l t di d
7/24/2019 Diagramas de Flujo y an Lisis de Procesos Qu Micos
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Continuando el estudio de caso
Observe el diagrama de flujo de la figura 2 (PFDhidrodesalquilacin del tolueno). Repita sobre l las
actividades realizadas sobre el diagrama de la figura 1.
Establezca correspondencia entre la numeracin de lascorrientes de este diagrama y el analizado en la figura 1
Qu argumentos podra proponer para justificar la
corriente 16? Podra eliminarse esta corriente sincomprometer la funcionalidad del proceso?
DFP hidrodesalquilacin del tolueno
7/24/2019 Diagramas de Flujo y an Lisis de Procesos Qu Micos
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DFP hidrodesalquilacin del tolueno
CASO II
FIGURA 2
Otras actividades relacionadas con
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Otras actividades relacionadas conel estudio de caso
Observe el diagrama de flujo presentado en la figura 3 (obtencinde benceno por hidrodesalquilacin del tolueno) y con base en lrealice las siguientes actividades:1. Identifique el tipo de diagrama y comente sobre la aplicacin de normas
en su elaboracin.2. Identifique las entradas y salidas de materias primas, productos,
subproductos y/o efluentes. Seguidamente identifique las lneasprincipales de proceso, indicando el camino de las especies; sustentesu anlisis con localizacin de especies.
3. Identifique las diferentes etapas del proceso y labore una lista de losequipos mayores que forman parte de cada una de ellas.
4. Elabore una breve descripcin del proceso.5. Identifique los puntos de mezcla y de divisin.
6. Diga si existen corrientes de reciclos, purgas, bypass. Identifiquedichas corrientes y justifquelas en trminos de la descripcin delproceso.
7. Indique la funcin operacional de cada uno de los equipos mayoresasociados a cada etapa o seccin del proceso
Hidrodesalquilacin del tolueno para produccin de benceno
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DFP para CASO III
Tolueno
Hidrgeno
Benceno
Metano
FIGURA 3
Hidrodesalquilacin del tolueno para produccin de benceno.
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q p pCamino de reactivos
punto de mezcla
Hidrgeno
Tolueno
C-1E-1E-10
F-1
TKP-1E-1
E-10F-1
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Hidrodesalquilacin del tolueno para produccin de benceno.
7/24/2019 Diagramas de Flujo y an Lisis de Procesos Qu Micos
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Lazos dereciclo
Tolueno
bifurcacin de corriente
punto de mezcla
Purga de hidrgeno
Purga de tolueno
Desechos
Hidrodesalquilacin del tolueno para produccin de benceno
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Hidrodesalquilacin del tolueno para produccin de benceno
Tolueno
Hidrgeno
Metano
Benceno
Desechos
bifurcacin de corriente
punto de mezcla
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Tambin
Compare el diagrama de flujo presentado en la figura 3con el mostrado en la figura 4. Resalte las principales
semejanzas y diferencias, luego comente sobre laconveniencia de cada arreglo.
Compare los diagramas de las figuras 3 y 4 con elpresentado en la figura 1, destacando las principales
semejanzas y diferencias entre ellos.
Repita sobre el diagrama de la figura 4 las actividadesrealizadas sobre los diagramas anteriores.
Hidrodesalquilacin del tolueno para produccin de benceno.
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DFP para CASO IV
FIGURA 4
Hidrodesalquilacin del tolueno para produccin de benceno.
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Camino de los reactivosHidrgeno
Tolueno
Punto de mezcla
C-1E-10F-1
TK
P-1E-1F-1
Hidrodesalquilacin del tolueno para produccin de benceno.Camino de prod ctos
7/24/2019 Diagramas de Flujo y an Lisis de Procesos Qu Micos
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Camino de productos
Camino deproductos
E-5E-7E-3
E-10E-1E-2D-1
E-3T-1P-5T-2E-6D-3P-3
E-11 bifurcacin de corriente
Benceno
Metano
Hidrodesalquilacin del tolueno para produccin de benceno.
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Lazos de reciclo
Bay passt
Benceno
Metano
Tolueno
Hidrgeno
bifurcacin de corriente
punto de mezcla
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Diagramas de flujo para procesos qumicos
Realicemos algunos ejercicios trazando el camino dereactivos y productos.
Veamos que conclusiones podemos establecer al
aplicar esta estrategia para el anlisis de DFP
Ejercicios propuestos para el cursoPS3213:Ingeniera de Procesos
Material para fines didctico preparado por Prof. A. Requena conbase en DFP presentado en Analysis, Synthesis,and Designof Chemical Processespor Turton, Bailie, Whiting & Shaeiwitz
EJEMPLO 1:
7/24/2019 Diagramas de Flujo y an Lisis de Procesos Qu Micos
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A continuacin se muestra el diagrama de flujo de proceso(DFP) para la produccin de acetonaa partir del alcohol
isoproplico segn la reaccin:
(CH3)2CHOH (CH3)2CO + H2
El alcohol empleado en la reaccin est disponible en
solucin acuosa al 60% en peso y para la acetona obtenidacomo producto se exige una pureza mnima del 90%.Por razones de seguridad no est permitida la entrada de
hidrgeno al reactor y ste debe ser removido de losproductos de reaccin tan pronto como sea posible.
Con base en la informacin suministrada proceda a efectuaruna correcta lectura e interpretacin del DFP siguiendo el
camino de los reactivos y de los productos, luego identifiquelos equipos correspondientes a cada zona del proceso.
DFP Obtencin de ACETONA a partir de alcohol isoproplico
7/24/2019 Diagramas de Flujo y an Lisis de Procesos Qu Micos
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1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
Temperatura (C) 25 32 350 357 20 27 33 25 22 61 61 90 83 83 109 33
Presin (bar) 1.01 2.3 1.91 3.0 1.63 1.63 1.50 2.0 1.63 1.5 1.5 1.4 1.2 1.2 1.4 1.2
Fraccin de vapor 0.0 0.0 1.0 0.0 1.0 0.0 1.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 1.0
Flujo msico (ton/h) 2.40 2.67 2.67 35.1 0.34 0.46 0.24 0.36 2.79 4.22 1.88 0.92 8.23 0.27 0.65 0.24
Flujo molar (kmol/h) 51.9 57.8 92.6 -- 39.7 21.1 38.6 20.0 74.0 72.5 32.3 41.7 177 5.88 35.8 38.6
Componentes
(Flujo molar kmol/h)
Hidrogeno -- -- 34.7 -- 34.7 0.00 34.7 -- 0.00 -- -- -- -- -- -- 34.7
Acetona -- 0.16 34.9 -- 4.4 1.93 2.51 -- 32.4 72.4 32.3 0.16 4.82 0.16 -- 2.51
Alcohol isoproplico 34.8 38.6 3.86 -- 0.12 0.10 0.02 -- 3.84 0.05 0.02 3.82 115 3.82 -- 0.02
Agua 17.1 19.0 19.0 -- 0.40 19.1 1.29 20.0 37.8 -- -- 37.8 57.2 1.90 35.8 1.29
(CH3)2CHOH (CH3)2CO + H2
Camino de los REACTIVOS y caminos de los PRODUCTOS
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1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
Temperatura (C) 25 32 350 357 20 27 33 25 22 61 61 90 83 83 109 33
Presin (bar) 1.01 2.3 1.91 3.0 1.63 1.63 1.50 2.0 1.63 1.5 1.5 1.4 1.2 1.2 1.4 1.2
Fraccin de vapor 0.0 0.0 1.0 0.0 1.0 0.0 1.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 1.0
Flujo msico (ton/h) 2.40 2.67 2.67 35.1 0.34 0.46 0.24 0.36 2.79 4.22 1.88 0.92 8.23 0.27 0.65 0.24
Flujo molar (kmol/h) 51.9 57.8 92.6 -- 39.7 21.1 38.6 20.0 74.0 72.5 32.3 41.7 177 5.88 35.8 38.6
Componentes
(Flujo molar kmol/h)
Hidrogeno -- -- 34.7 -- 34.7 0.00 34.7 -- 0.00 -- -- -- -- -- -- 34.7
Acetona -- 0.16 34.9 -- 4.4 1.93 2.51 -- 32.4 72.4 32.3 0.16 4.82 0.16 -- 2.51
Alcohol isoproplico 34.8 38.6 3.86 -- 0.12 0.10 0.02 -- 3.84 0.05 0.02 3.82 115 3.82 -- 0.02
Agua 17.1 19.0 19.0 -- 0.40 19.1 1.29 20.0 37.8 -- -- 37.8 57.2 1.90 35.8 1.29
(CH3)2CHOH (CH3)2CO + H2
7/24/2019 Diagramas de Flujo y an Lisis de Procesos Qu Micos
91/114
Sub-Producto
Preparacinde la alimentacin
para la reaccin
Zona de
Reaccin
Preparacinpara la
separacin
Zona de
separacin
Reciclo
Producto
A tratamiento
de efluentes
RECUERDE:Estructura generalde un sistema de proceso qumico
Alimentacin
EJEMPLO 2:
7/24/2019 Diagramas de Flujo y an Lisis de Procesos Qu Micos
92/114
El anhdrido ftlicoes una de las materias primas ms importantespara la fabricacin de resinas alqulica, steres plastificantes, resinas
polister y colorantes; se emplea tambin en la preparacin de cidobenzoico, sales metlicas, anhdrido tetracloroftlico y cido tereftlico.
El diagrama de flujo de proceso (DFP) para la produccin deanhdridoftlico por oxidacin parcial de naftaleno,se muestra en la pgina siguiente.
En l tienen lugar las siguientes reacciones:
Con base en la informacin suministrada, efectu la lectura e interpretacindel DFP siguiendo el camino de los reactivos y de los productos, luego
identifique los equipos correspondientes a cada zona del proceso.
C10H8 + 9/2 O2 C8H4O3 + 2 H2O + 2 CO2
naftaleno oxgeno anhdrido ftlico agua dixido de carbono
C10H8 + 6 O2 2 C4H2O3 + 2 H2O + 2 CO2
naftaleno oxgeno anhdrido maleico agua dixido de carbono
C10H8 + 3/2 O2 C10H6O2 + H2O
naftaleno oxgeno naftaquinona agua
DFPObtencin de ANHDRIDO FTLICO por oxidacinparcial del naftaleno
7/24/2019 Diagramas de Flujo y an Lisis de Procesos Qu Micos
93/114
parcial del naftaleno
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
Temperatura (C) 200 25 200 164 400 240 263 263 360 160 131 131 131 141 241 190 241 350Presin (bar) 0.80 1.01 3.35 3.10 2.85 2.85 2.75 2.25 2.00 1.70 1.40 1.40 0.15 0.11 0.30 0.05 0.20 3.00Fraccin de vapor 0.0 1.0 0.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0
Flujo msico (ton/h) 12.82 144.25 12.82 144.25 12.82 144.25 157.07 157.07 157.07 157.07 145.00 12.07 12.07 1.61 10.47 10.06 0.40 1624.72Flujo molar(kmol/h)
100 5000 100 5000 100 5000 5100 5100 5101 5101 5014 86 86 16 71 68 2.60 17660
Componentes Sal
fundidaNaftaleno 100 - 100 - 100 - 100 100 - - - - - - - - - -Oxgeno - 1050 - 1050 - 1050 1050 1050 469 469 469 - - - - - - -Anhdrido ftlico - - - - - - - - 70 70 0.7 69 69 0.69 69 68 0.69 -Anhdrido malico - - - - - - - - 16 16 0.8 15 15 15 0.015 0.015 - -Naftaquinona - - - - - - - - 2 2 - 2 2 0.08 1.9 0.002 1.91 -Dixido de carbono - - - - - - - - 306 306 306 - - - - - - -Monxido carbono - - - - - - - - 50 50 50 - - - - - - -Nitrgeno - 3950 - 3950 - 3950 3950 3950 3950 3950 3950 - - - - - - -
Agua - - - - - - - - 238 238 238 - - - - - - -
Camino de los REACTIVOS y caminos de los PRODUCTOS
7/24/2019 Diagramas de Flujo y an Lisis de Procesos Qu Micos
94/114
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
Temperatura (C) 200 25 200 164 400 240 263 263 360 160 131 131 131 141 241 190 241 350Presin (bar) 0.80 1.01 3.35 3.10 2.85 2.85 2.75 2.25 2.00 1.70 1.40 1.40 0.15 0.11 0.30 0.05 0.20 3.00Fraccin de vapor 0.0 1.0 0.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0Flujo msico (ton/h) 12.82 144.25 12.82 144.25 12.82 144.25 157.07 157.07 157.07 157.07 145.00 12.07 12.07 1.61 10.47 10.06 0.40 1624.72Flujo molar(kmol/h) 100 5000 100 5000 100 5000 5100 5100 5101 5101 5014 86 86 16 71 68 2.60 17660
Componentes Sal
fundidaNaftaleno 100 - 100 - 100 - 100 100 - - - - - - - - - -Oxgeno - 1050 - 1050 - 1050 1050 1050 469 469 469 - - - - - - -Anhdrido ftlico - - - - - - - - 70 70 0.7 69 69 0.69 69 68 0.69 -Anhdrido malico - - - - - - - - 16 16 0.8 15 15 15 0.015 0.015 - -Naftaquinona - - - - - - - - 2 2 - 2 2 0.08 1.9 0.002 1.91 -Dixido de carbono - - - - - - - - 306 306 306 - - - - - - -Monxido carbono - - - - - - - - 50 50 50 - - - - - - -Nitrgeno - 3950 - 3950 - 3950 3950 3950 3950 3950 3950 - - - - - - -Agua - - - - - - - - 238 238 238 - - - - - - -
7/24/2019 Diagramas de Flujo y an Lisis de Procesos Qu Micos
95/114
Sub-Producto
Preparacinde la alimentacin
para la reaccin
Zona de
Reaccin
Preparacinpara la
separacin
Zona de
separacin
Reciclo
Producto
A tratamiento
de efluentes
Por ANALOGA con la ESTRUCTURA GENERALde un sistema de proceso qumico
Alimentacin
El dimetil eter (DME) d i i l t l t
EJEMPLO 3:
7/24/2019 Diagramas de Flujo y an Lisis de Procesos Qu Micos
96/114
El dimetil-eter (DME),usado principalmente como propelente,se obtiene por deshidrogenacin cataltica delmetanolsobre un catalizador cido de zeolita, segn la reaccin:
2 CH3OH (CH3)2O + H2O
Seguidamente se muestra el diagrama de flujo para la obtencin de50.000 toneladas mtricas por ao (suponga 8.375 h/ao).
El DME se obtiene con una pureza del 99,5%.
Datos Adicionales:Metanol Dimetil-eter Agua
Formula CH3OH (CH3)2O H2O
Peso molecular 32,04 46,01 18,016
Peso especfico (20/4) 0,792 0,708 1
Pto. Fusin (C) - 97,9 -140 0
Capacidad calorfica (kJ/kmol) Lq
Gas o Vap
1,1097 E-5
1,0533 E-5
1,0314 E-5
1,6581 E-5
0,8939 E-5
0,5276 E-5H fusin (kJ/gmol) 3,167 6,009
Pto. Ebullicin normal (C) 64,7 -24 100
H vaporizacin (kJ/mol) 35,27 40,65
Presin de vapor (Ec. Antoine) -20 140C 60-150C
A 7,87 7,9
B 1473,11 1668,2
C 230 228
Calor de formacin Hfo?(kJ/mol) -238,6
(l)
-201,2 (g) -241,8 (g)
DFPObtencin deDIMETIL ETER (DME)a partir del metanol
7/24/2019 Diagramas de Flujo y an Lisis de Procesos Qu Micos
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1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17
Temperatura (C) 25 25 45 154 250 364 278 100 89 46 153 139 121 167 50 46 121Presin (bar) 1,0 15,5 15,2 15,1 14,7 13,9 13,8 13,4 10,4 11,4 10,5 7,4 15,5 7,6 1,2 11,4 7,3
Fraccin vaporizada (molar) 0 0 0 1 1 1 1 0,079 0,148 0 0 0,04 0 0 0 0 0
Flujo msico (ton/h) 8,37 8,37 10,49 10,49 10,49 10,49 10,49 10,49 10,49 5,97 4,52 4,52 2,13 2,39 2,39 2,17 3,62
Flujo molar (kmol/h) 262,2 262,2 328,3 328,3 328,3 328,3 328,3 328,3 328,3 129,7 198,6 198,6 66,3 132,3 132,3 47,1 113,0
Componentes de flujo (kmol/h)
Dimetil-eter 0,0 0,0 1,5 1,5 1,5 130,5 130,5 130,5 130,5 129,1 1,4 1,4 1,4 0,0 0,0 46,9 2,4
Metanol 259,7 259,7 323,0 323,0 323,0 64,9 64,9 64,9 64,9 0,6 64,3 64,3 63,6 0,7 0,7 0,2 108,4
Agua 2,5 2,5 3,8 3,8 3,8 132,9 132,9 132,9 132,9 0,0 132,9 132,9 1,3 131,6 131,6 0,0 2,2
a partir del metanol
2 CH3OH (CH3)2O + H2O
Camino de los REACTIVOSy camino de los PRODUCTOS.
7/24/2019 Diagramas de Flujo y an Lisis de Procesos Qu Micos
98/114
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17
Temperatura (C) 25 25 45 154 250 364 278 100 89 46 153 139 121 167 50 46 121Presin (bar) 1,0 15,5 15,2 15,1 14,7 13,9 13,8 13,4 10,4 11,4 10,5 7,4 15,5 7,6 1,2 11,4 7,3
Fraccin vaporizada (molar) 0 0 0 1 1 1 1 0,079 0,148 0 0 0,04 0 0 0 0 0
Flujo msico (ton/h) 8,37 8,37 10,49 10,49 10,49 10,49 10,49 10,49 10,49 5,97 4,52 4,52 2,13 2,39 2,39 2,17 3,62
Flujo molar (kmol/h) 262,2 262,2 328,3 328,3 328,3 328,3 328,3 328,3 328,3 129,7 198,6 198,6 66,3 132,3 132,3 47,1 113,0
Componentes de flujo (kmol/h)
Dimetil-eter 0,0 0,0 1,5 1,5 1,5 130,5 130,5 130,5 130,5 129,1 1,4 1,4 1,4 0,0 0,0 46,9 2,4
Metanol 259,7 259,7 323,0 323,0 323,0 64,9 64,9 64,9 64,9 0,6 64,3 64,3 63,6 0,7 0,7 0,2 108,4
Agua 2,5 2,5 3,8 3,8 3,8 132,9 132,9 132,9 132,9 0,0 132,9 132,9 1,3 131,6 131,6 0,0 2,2
2 CH3OH (CH3)2O + H2O
RECUERDE:Estructura generalde un sistema de proceso qumico
Reciclo
7/24/2019 Diagramas de Flujo y an Lisis de Procesos Qu Micos
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Sub-Producto
Preparacinde la alimentacin
para la reaccin
Zona de
ReaccinPreparacin
para laseparacin
Zona de
separacin
Reciclo
Producto
A tratamiento
de efluentes
Alimentacin
CONCLUSIONES:
7/24/2019 Diagramas de Flujo y an Lisis de Procesos Qu Micos
100/114
EN LOS EJEMPLOS ANTERIORES OBSERVAMOS
El trazado del camino de reactivos y de productosestablece los lmites de la zona de reaccin.
El camino de los reactivos est relacionado con la
zona de preparacin para la reaccin. Los equipos excluidos del camino de los
reactivos y de los productos estn vinculados con
zona de reciclo o servicios. Las corrientes de purgaestn relacionadas con los lazos
de reciclo.
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Anlisis de proceso qumico
Obtencin de acetona
a partir de alcohol isoproplicoEjercicio propuesto para el cursoPS3213:Ingeniera de Procesos
Material para fines didctico preparado por Prof. A. Requena conbase en DFP presentado en Analysis, Synthesis,and Design of
Chemical Processespor Turton, Bailie, Whiting & Shaeiwitz
En la figura adjunta se muestra el diagrama de flujo de
7/24/2019 Diagramas de Flujo y an Lisis de Procesos Qu Micos
102/114
proceso (DFP) para la produccin de acetona a partir delalcohol isoproplico segn la reaccin:
(CH3)2CHOH (CH3)2CO + H2
El alcohol empleado en la reaccin est disponible ensolucin acuosa al 60% en peso y para la acetona obtenida
como producto se exige una pureza mnima del 90%.Por razones de seguridad no est permitida la entrada dehidrgeno al reactor y ste debe ser removido de losproductos de reaccin tan pronto como sea posible.
Con base en la informacin suministrada proceda a efectuaruna correcta lectura e interpretacin del DFP siguiendo el
camino de los reactivos y de los productos, luego respondaa cada uno de los planteamientos formulados.
DFP acetona a partir de alcohol isoproplico
7/24/2019 Diagramas de Flujo y an Lisis de Procesos Qu Micos
103/114
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
Temperatura (C) 25 32 350 357 20 27 33 25 22 61 61 90 83 83 109 33
Presin (bar) 1.01 2.3 1.91 3.0 1.63 1.63 1.50 2.0 1.63 1.5 1.5 1.4 1.2 1.2 1.4 1.2
Fraccin de vapor 0.0 0.0 1.0 0.0 1.0 0.0 1.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 1.0
Flujo msico (ton/h) 2.40 2.67 2.67 35.1 0.34 0.46 0.24 0.36 2.79 4.22 1.88 0.92 8.23 0.27 0.65 0.24
Flujo molar (kmol/h) 51.9 57.8 92.6 -- 39.7 21.1 38.6 20.0 74.0 72.5 32.3 41.7 177 5.88 35.8 38.6
Componentes
(Flujo molar kmol/h)
Hidrogeno -- -- 34.7 -- 34.7 0.00 34.7 -- 0.00 -- -- -- -- -- -- 34.7
Acetona -- 0.16 34.9 -- 4.4 1.93 2.51 -- 32.4 72.4 32.3 0.16 4.82 0.16 -- 2.51
Alcohol isoproplico 34.8 38.6 3.86 -- 0.12 0.10 0.02 -- 3.84 0.05 0.02 3.82 115 3.82 -- 0.02
Agua 17.1 19.0 19.0 -- 0.40 19.1 1.29 20.0 37.8 -- -- 37.8 57.2 1.90 35.8 1.29
(CH3)2CHOH (CH3)2CO + H2
1. Complete la Tabla indicando los cdigos de los equipos
7/24/2019 Diagramas de Flujo y an Lisis de Procesos Qu Micos
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que conforman cada una de las secciones del proceso.
Zona Equipo s qu e la integran(Escr ib a slo el cdigo )
Preparacin parala reaccin
V-401 P-401 A/B E-401
Reaccin R-401 P-402 A/B H-401
Preparacin para laseparacin
E-402 E-403
E-404 V-403SeparacinV-402 T-401 T-402
E-405 P-403 A/B
E-406 V-404RecicloP-404 A/B T-403
E-407 P-405 A/B
Seguidamente se muestran las distintas zonascoloreadas segn su correspondencia con la estructura
general de un sistema de proceso qumico.
7/24/2019 Diagramas de Flujo y an Lisis de Procesos Qu Micos
105/114
Sub-Producto
Preparacinde la alimentacinpara la reaccin
Zona deReaccin
Preparacinpara la
separacin
Zona deseparacin
Reciclo
Producto
A tratamiento
de efluentes
RECUERDE:Estructura generalde un sistema de proceso qumico
Alimentacin
2. Diga si existe corriente de purga o bypass en el DFP.
7/24/2019 Diagramas de Flujo y an Lisis de Procesos Qu Micos
106/114
En caso afirmativo calcule el flujo de dichas corrientes.
Nohay presencia de corrientes de bypass
El reactivo se introduce disuelto en agua, la que acta
como un inerte, por lo tanto, debe existiruna purgapara eliminar dicho inerte (agua) en cantidad similar a laintroducida. Tambin se debe tener en cuenta que para elproducto (acetona) slo se exige una pureza del 90%, por
lo que puede arrastrar parte del inerte introducido.
Para verificar esta hiptesis se puede seguir el siguienteprocedimiento:
7/24/2019 Diagramas de Flujo y an Lisis de Procesos Qu Micos
107/114
Cantidad de agua a purgar = Cantidad de agua comoinerte en la alimentacin= mH2O1 = 17,1 t/h
Agua eliminada en corriente 15 = 35,8 t/hAgua introducida en corriente 8 = 20,0 t/h
Agua eliminada en 15 y no introducida en 8 = 15,8 t/hAgua eliminada con productos = Agua en corriente 16 = 1,29 t/h
Cantidad de agua purgada= (15,8 + 1,29) t/h = 17,1 t/h
Se verifica la eliminacin de agua inerte como una corriente de purga
Purga
3. Que funcin cumplen los equipos P-402 A/B y H-401 en
7/24/2019 Diagramas de Flujo y an Lisis de Procesos Qu Micos
108/114
el proceso?Un ingeniero propone suprimir estos equipos
reemplazndolos por un recuperador de calor a la salidadel reactor R-401 para aproveche el calor de la corriente 3.Apoyara Ud. esta propuesta?Justifique adecuadamente su respuesta.
La bomba P-402 A/B hace circular un fluido que sale del sistema decalentamiento del reactor a 357C y lo lleva al horno H-401 paracalentarlo hasta 407C; esto permite inferir que la reaccin esendotrmica con alta energa de activacin.Cabe destacar que la corriente 4 NO ES FLUIDO DE PROCESO; es
una corriente de servicio, muy probablemente constituida por una salinorgnica fundida y no un aceite orgnico, pues estos podran sufrircraqueo a temperaturas mayores a 350C.Esta configuracin permite afirma que la zona de reaccin estintegrada no slo por el reactor R-401, sino tambin por la bombaP-402 A/B y el horno H-401.
La propuestade sustituir elsistema de calentamiento del
d d
7/24/2019 Diagramas de Flujo y an Lisis de Procesos Qu Micos
109/114
reactor por un recuperador decalor a la salida del reactor es
inadecuada,ya que al
tratarse de una reaccinendotrmica, la temperatura desalida del reactor (corriente 3)sera mucho ms baja si no sesuministra calor al reactor.
Si se supone la capacidad calorfica del fluido de calentamiento, (parauna sal fundida puede tomarse 0,25 kcal/kg C) , es posible estimar elcalor de la reaccin, segn se muestra a continuacin:
Sustituyendo valores numricos:Q = 35.100 (kg/h) 0,25 (kcal/kg C) (407357)C
437.500 kcal/hEsta cantidad de calor no podra ser suplida por la corriente 3,(verifquelo) por lo que no se apoya la propuesta.
RH
TCpmQ
ZONA DE REACCIN
4. Uno de sus compaeros de curso le comenta que lpiensa que el agua alimentada al proceso slo se utiliza
7/24/2019 Diagramas de Flujo y an Lisis de Procesos Qu Micos
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piensa que el agua alimentada al proceso slo se utilizapara atrapar por solubilidad los vapores de acetonaarrastrados en la corriente gaseosa que abandona elV-402. Qu balance de masa propondra Ud. realizarpara verificar la hiptesis del su compaero?Realice dicho balance y diga si est Ud. de acuerdo conesta idea.
Para verificar la hiptesis, determinamos la fraccin deacetona contenida en la corriente 5 que se arrastra a lacorriente 6.
Fraccin acetona recuperada = mAC6 / mAC5
1,93 / 4,4 = 43,9%
Por lo que efectivamente SE RECUPERA ACETONA,sin embargo vale la pena evaluar la cantidad de acetonarecuperada en relacin a la produccin total.
Esto puede estimarse a partir de la cantidad deSEPARACIN DE GASES
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p pacetona en la corriente 9 que proviene de lacorriente 6.
mAcetona6/ mAcetona9 = 1,93 / 32,4= 5,95%
Pero la T-401 tambin recupera alcoholisoproplico no convertido:
Alcohol recuperado = mAlc6 / mAlc5
(0,10/0,12)*100 = 83,3%
Pero el alcohol recuperado es muy poco enrelacin al contenido en la corriente 9.
mAlc6/ mAlc9 = (0,10/3,84)*100 = 2,6%
Se puede por tanto afirmar que la funcin principal de la T-401es recuperar acetona, para aumentar el rendimiento delproceso.
5. Se propone eliminar el equipo E-403 y aumentar el readel intercambiador E-402 para manejar la carga trmica
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del intercambiador E 402 para manejar la carga trmicadel E-403. Apoyara Ud. esta propuesta?Justifique adecuadamente su respuesta.
No se apoya lapropuesta dada las
diferencias en el tipo deservicio de cadaintercambiador.
El servicio agua fra (cw) utilizado en el E-402 no
permitira alcanzar la temperatura de 20C requerida ala entrada del V-402 y si se sustituye el servicio poragua refrigerada (rw) se sub-utilizara los servicios conel consecuente incremento de los costos de operacin.
6. Construya el diagrama Entrada-Salida y el diagrama debloque para este proceso
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bloque para este proceso
Diagrama Entrada-Salida
Diagrama de Bloquea) Si consideran alimentacin de alcohol puro
b) Si considera alcohol al 60%
Debe incluir corriente de purga para eliminar el agua antes del reciclo.
(CH3)2CHOH (CH3)2CO + H2Hidrgeno
Acetona
AlcoholIsoproplico
REACTORAlcohol
Isoproplico
SEPARADOR
DE GASES
Hidrgeno
SEPARADOR
DE LQUIDOS
Acetona
Reciclo del alcohol no convertido Purga paraeliminacindel agua inerte
PS3213
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Captulo II:Anlisis deProcesos Qumicos.
Diagramas de bloque,diagramas de flujo y
diagramas de tuberas einstrumentacin.
Estrategias para el anlisisde procesos qumicos