DISEÑO DE PLANTAS QUÍMICAS

INTRODUCCIÓN AL DISEÑO

IntroducciónFunciones del 

Ingeniero Químico

Diseñar

Construir

Operar Plantas de Procesos 

Químicos

Fuentes de información especializada

Publicaciones recientes Datos de 

laboratorio Datos de planta piloto Datos de 

operación de plantas ya existentes.

La recolección y el análisis de la información pertinente es muy importante para los ingenieros químicos, para consultores, o supervisores del equipo encargado de desarrollar y/o revisar los procesos.

NATURALEZA DEL DISEÑO

El objeto de estudio de este apartado es el diseño de ingeniería química, la metodología del diseño es general y se aplica igualmente a otras ramas de la ingeniería.

DISEÑO

Actividad creativa.

Coordinación de ideas para concretar un proyecto.

Inicia con un objetivo concreto, una necesidad y, por el desarrollo y evaluación de posibles alternativas de diseño (caminos).

OBJETIVO DEL DISEÑO

Diseño es “La conversión de un requerimiento indefinido en una costumbre satisfecha” (Chaddock, 1975). El diseñista crea un diseño para un artículo, o un proceso de manufactura, para satisfacer una necesidad particular.

En el diseño de un proceso químico, la causa puede ser la necesidad pública de un producto o una oportunidad comercial de la empresa.Dentro del conjunto de objetivos, el diseñista debe reconocer los objetivos y requerimientos de varias unidades que hagan el proceso total.

Al iniciar el trabajo el diseñista sabrá como completarlo, para lo cual deberá hacer una exposición de los requerimientos según sea posible. Si el requerimiento (necesidad) surge de afuera del grupo de diseño, desde un cliente o desde otro departamento, entonces tendrá que dilucidar los reales requerimientos.

Es importante discernir entre las necesidades reales y las exigidas. Las exigencias son aquellas partes de la especificación inicial que pueden ser idealmente deseables, pero pueden ser modificadas conforme el desarrollo del diseño lo requiera.

Por ejemplo la especificación de un producto en particular puede ser considerada deseable por el área de ventas, pero puede ser difícil y costoso obtenerlo, y alguna modificación de las especificaciones puede ser posible, obteniéndose un producto barato y vendible.

El diseñista debe siempre debatir los requerimientos del diseño (el proyecto y especificaciones de equipo) y mantenerlos en revisión conforme progrese el diseño.

Fig. Restricciones del diseño

CÓDIGOS Y NORMALIZACIONES

La necesidad de normalizar (estandarizar) surge primero en la evolución de la moderna Ingeniería Industrial, Whitworth (1841) introdujo el primer tornillo “estándar” para dar una medida de intercambiabilidad entre diferentes fabricantes. La moderna normalización en ingeniería abarca más allá que el intercambio de partes.

Comprende:1. Propiedades y composiciones de materiales.2. Procedimientos para examinar operaciones,

composiciones y calidad.3. Tamaños preferidos (p.e. tubos, placas

secciones.4. Métodos de diseño, inspección y fabricación.5. Códigos de práctica para operación y

protección de planta.

En UK es responsabilidad de la BSI (British Standard Intitution). En USA, la organización gubernamental responsable de coordinar información sobre normalización es la “National Bureau of Standards”, además, existen otras organizaciones comerciales de interés, para los Ingenieros Químicos, como la ANSI (American National Standards Institute), la API (American Petroleum Institute) y la ASME (American Society of Mechanical Engineers).

La ISO (International Organization for Standardisation) coordina la publicación de Normalización Internacional.

El uso de elementos estandarizados, permite una fácil integración de las piezas del equipo en el resto de la planta. P.e. si se especifica un tamaño estándar de bombas centrífugas, serán conocidas las dimensiones de la bomba lo que facilita el diseño de los asientos, conexión de tuberías y selección de motores de impulsión; empleando motores estándares. Para una compañía en operación, la estandarización de diseño de equipos y tamaños incrementa la intercambiabilidad y reduce el stock de reserva en el almacén de mantenimiento.

Factores  de seguridad (de diseño)

El diseño es un arte inexacto; errores e incertidumbres, provenientes desde los datos de diseño aprovechables y de aproximaciones necesarias en los cálculos. Para conseguir que las especificaciones de diseño sean satisfactorias, se incluyen factores para dar un margen de seguridad en el sentido que el equipo no salga de una operación satisfactoria y que deberá operar con seguridad: sin originar peligro. “Factores de Diseño” es más apropiado, así no se confunde seguridad y factores de operación.

En diseño mecánico y estructural, la magnitud de los factores de diseño usados compensa la incertidumbre en las propiedades de los materiales, métodos de diseño, cargas de fabricación y operación deberán asimismo ser establecidos. De la discusión de estos factores se encarga con gran amplitud la resistencia de materiales, mecánica analítica, materiales de ingeniería química, etc.

Factores de diseño son también aplicados en el diseño de procesos para dar igual tolerancia en el diseño.P.e. los flujos promedio de las corrientes de proceso calculados sobre la base de los balances de materiales son usualmente incrementados por un factor, típicamente 10 % para dar alguna flexibilidad en la operación del proceso. Este factor establecerá los flujos máximos para el equipo, instrumentación y diseño de tuberías.

Los factores de diseño son introducidos para salvar alguna contingencia en el diseño de procesos, estos deberían ser concordantes dentro de la organización del proyecto, y claramente indicados en los documentos del proyecto (dibujos, hojas de cálculo y manuales). Si esto no se hace, hay un riesgo que cada uno de los especialistas de los grupos de diseño use su propio “factor de seguridad”, resultando un craso e innecesario sobrediseño.

SISTEMAS DE UNIDADES

En los países industrializados existe tendencia a la aceptación del Sistema Internacional de Unidades (SI). Sin embargo, en la practica de los métodos de diseño, los datos y normalizaciones los cuales el diseñista deberá usar son normalmente disponibles en las unidades tradicionales y científicas. Los Ingenieros Químicos han usado siempre una diversidad de unidades: los sistemas científicos CGS, MKS y los sistemas Americano e Inglés.

Es más conveniente para la industria de todo el mundo la adopción de un sistema de unidades consistente y universal, como el SI, es improbable que esto ocurra en muchos años, y el diseñista tiene que trabajar con cualquier sistema, o combinación de sistemas que use su organización.

La mejor práctica es hacer los cálculos de diseño en las unidades que se van a presentar los resultados; pero, es preferible trabajar en el SI, los datos pueden ser convertidos al sistema que sea requerido.

DISEÑO DE PLANTAS QUÍMICAS

DISEÑO ÓPTIMO

Introducción

En casi todos los casos encontrados por un Ingeniero Químico, hay varios métodos alternativos que pueden ser usados para una operación o un proceso.P.e. el HCHO se puede producir por oxidación controlada del GN, por deshidrogenación catalítica de CH3OH, o por reacción directa entre CO y H2 a condiciones especiales con catalizador, T y P.

Cada uno de tales procesos tiene muchas alternativas posibles incluyendo variables como la composición de mezcla gaseosa, T, P y cambio de catalizador.Es responsabilidad del ingeniero químico, seleccionar el mejor proceso e incorporar las técnicas de diseño de equipos que den los mejores resultados.

Diseño Económico Óptimo

Si existen dos o más alternativas para obtener exactamente resultados finales equivalentes, la alternativa preferida debería ser la que involucre el menor costo total.Esta es la base del Diseño Económico Óptimo.

Ejemplo de diseño económico óptimo

Determinar el diámetro de tubería para bombear una cantidad de fluido desde un punto hacia otro.

A

B

El mismo resultado (cantidad de fluido bombeado entre dos puntos) se puede lograr usando un número infinito de tuberías de diámetros diferentes. Sin embargo, el análisis económico, mostrará que un diámetro particular de tubería dará el menor costo total. El costo total incluye el costo para bombear el líquido y los costos (cargas fijas) para la instalación del sistema de tuberías.

Fig. Determinación del diámetro económico óptimo de tubería

Operación Óptima

Muchos procesos requieren definir condiciones de T, P, t de contacto, u otras variables si se desean obtener mejores resultados. Esto es muchas veces posible al hacer una separación de estas condiciones óptimas de las consideraciones económicas directas. En casos de este tipo, el mejor diseño es designado como el Diseño óptimo de operación.

Se debería recordar, sin embargo, que las consideraciones económicas finalmente determinan casi todas las decisiones cuantitativas. Por lo tanto el diseño de una operación óptima es usualmente un simple instrumento o una etapa en el desarrollo de un diseño económico óptimo.

Ejemplo de operación óptima

Un caso de operación óptima es la determinación de las condiciones de operación para la oxidación catalítica de SO2 a SO3. Suponga que todas las variables, como el tamaño del convertidor, velocidad del gas, actividad del catalizador, y concentración del gas de entrada, son fijas y sólo son posibles variaciones en la T del proceso de oxidación.

Si la T es demasiado alta, el rendimiento de SO3 será menor. Entonces habrá una T a la cual la cantidad SO3 producido sea máxima. Esta T deberá dar el diseño óptimo de la operación.

Fig. Determinación de la T óptima de operación en el convertidor de azufre

El caso ilustrado es un simple ejemplo de los que un ingeniero encontrará en el diseño. Usualmente será necesario considerar varios tamaños de convertidores y operar con una serie de T diferentes para llegar a la operación optima. Bajo estas condiciones se deberán aplicar varios diseños equivalentes y la decisión final deberá estar basada en las condiciones económicas óptimas para los diseños equivalentes.

DISEÑO ASISTIDO POR PC

Actualmente el ingeniero químico tiene muchas herramientas que puede usar para el desarrollo adecuado del diseño de plantas. Muchos problemas encontrados en el desarrollo y diseño de procesos pueden ser resueltos rápidamente con un alto grado de perfección. Generalmente los factores de seguridad y sobrediseño, pueden reducirse con un ahorro significativo en la inversión de capital.

En adición al entendimiento de los principios de la ingeniería y economía, y sus aplicaciones, el ingeniero de diseño necesita usar herramientas especiales para hacer un gran número de cálculos requeridos en un proyecto de diseño. Muchos de estos cálculos son por naturaleza repetitivos y entonces son fácilmente adaptables a soluciones por computadora.

DISEÑO DE PLANTAS QUÍMICAS

PROYECTOS

PROYECTOS EN INGENIERÍA QUÍMICA

Los proyectos pueden ser divididos en tres tipos, dependiendo de las innovaciones involucradas:

(1) Modificaciones

y adiciones, a plantas existentes, usualmente llevado a cabo por el grupo de diseño de la planta.

(2) Nueva

capacidad de producción para responder a cambios (aumentos) en la demanda. Es una repetición de los diseños existentes, sólo con cambios menores en el diseño.(3

) Nuevos procesos, desarrollados desde la investigación en laboratorio, continuando por planta piloto, hasta un proceso industrial. Aquí deben establecerse los diseños del proceso, de las operaciones y de casi todas las unidades de equipo.

Organización de un proyecto en ingeniería química

El trabajo de diseño requerido en un proceso químico de manufactura, puede ser dividido en dos grandes fases:

Abarca etapas desde la selección del proceso hasta la confección del PFD, incluyendo selección, especificación y diseño de equipos. Esta fase es responsabilidad del Grupo de Diseño de Procesos, y el trabajo debe ser realizado por Ingenieros Químicos. El Grupo de Diseño de Procesos puede también ser responsable de la preparación de los diagramas de tuberías e instrumentación.

Fase 1

Diseño de 

procesos

Fase 2

Diseño 

mecánico Detalles de equipos, infraestructura, electricidad, diseño y especificación de servicios auxiliares. Actividades de responsabilidad de grupos especiales de diseño, con expertos en diversas áreas de ingeniería. Otro grupo especialistas serán responsables de los costos, compra y adquisición de equipos y materiales.

Fig. Organización de un Equipo de Proyectos

Fig.  Estructura de un Proyecto de Ingeniería

Química