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DESARROLLO DE DIAGRAMAS DE TUBERÍAS E INSTRUMENTACIÓN (DTIs)
Prefacio Parte I. Fundamentos de los DTI
1. ¿Qué es un DTI? 2. Gestión del desarrollo de DTI 3. Formato de una hoja de plantilla de DTI 4. Reglas generales para dibujar DTI 5. Fundamentos para el desarrollo de DTI
Parte II. Equipos y tuberías 6. Tuberías 7. Válvulas manuales y automáticas 8. Previsiones para facilitar el mantenimiento 9. Contenedores 10. Bombas y compresores 11. Unidades de transferencia de calor 12. Dispositivos para liberar presión PARTE III. Sistemas de instrumentación y control 13. Fundamentos de instrumentación y control 14. Tipos de sistemas de control 15. Control de plantas de proceso 16. Alarmas y enclavamientos PARTE IV. Servicios 17. Servicios generales PARTE V. Procedimientos generales e información adicional 18. Consideraciones generales y servicios auxiliares 19. Procedimientos generales 20. Ejemplos
Prefacio
En la literatura sobre procesos químicos industriales siempre hubo la necesidad de un
libro acerca del desarrollo de Diagramas de Tuberías e Instrumentación (DTI´s), o por sus
siglas en inglés Piping and Instrumentation Diagram (P&ID). Sin embargo, durante un largo
tiempo ningún libro abordó este tema. Existen varias razones para esto.
Una razón es la naturaleza práctica de las habilidades que son necesarias en el desarrollo
de DTI. La mayor parte de los libros escritos para profesionales son escritos por profesores
universitarios. La habilidad de desarrollar DTI no solo implica conocimientos teóricos, es
una combinación de habilidades técnicas junto con consideraciones acerca del
funcionamiento del proceso en diferentes circunstancias tales como la operación normal,
el funcionamiento durante el mantenimiento, preferencias de los clientes y diversos
códigos que es necesario cumplir.
Las habilidades técnicas requeridas para el desarrollo de un DTI, no son un tema exclusivo
de los ingenieros químicos, de los ingenieros de control e instrumentación o de alguna
otra ingeniería en particular. El conjunto de habilidades técnicas proviene de todas las
diferentes disciplinas de las ingenierías involucradas en el desarrollo de DTI´s.
Por lo tanto, la habilidad de desarrollar DTI se considera que se debe aprender con la
práctica en la elaboración de dichos diagramas.
Además de las creencias preconcebidas de que no se puede “enseñar” a desarrollar DTIs,
una de las dificultades de presentar un libro sobre el desarrollo de DTI´s es la gran
cantidad de habilidades necesarias y la necesidad de la práctica.
Dibujar un DTI es como pintar un cuadro, no se puede enseñar porque involucra la
creatividad. Por lo tanto no se puede enseñar a desarrollar DTI´s. Sin embargo, aun
cuando pintar requiere de la creatividad es necesario establecer los fundamentos y
mostrar la creatividad de otros pintores para estimular el aprendizaje de la creatividad.
Otros autores comentan que desarrollo de DTIs´ solo es posible realizarlo siguiendo los
lineamientos de la compañía para la que se trabaja, por lo que no es posible enseñarlo en
un curso general. Sin embargo, todos los lineamientos en cualquier compañía tienen una
lógica fundamental, esta lógica es la que se explica en el libro.
La meta de este libro es proveer la información necesaria para el desarrollo de DTI, para
los diseñadores y el personal de la planta de procesos.
En un DTI existen tres grupos principales de información que es indispensable conocer:
1) Conjunto de información técnica para el desarrollo del DTI.
2) Conjunto de información que muestra los diferentes elementos que forman la hoja
de dibujo del DTI.
3) Conjunto de información acerca de cómo dibujar el DTI desarrollado.
El DTI primero debe ser desarrollado (info 1) y luego dibujado (info 3) basado en las
reglas establecidas (info 2).
Este libro no trata sobre como “dibujar” DTI, existen cursos de entrenamiento de
programas computacionales que cubre dicho tema.
El libro se enfoca en el desarrollo de DTI´s y como mostrar los diferentes elementos en el
diagrama. Además ayudará a comprender las actividades que se realizan en las plantas de
proceso.
Este libro es útil para que los IQ aprendan a diseñar plantas de proceso basadas en la
especificación, selección y diseño de equipos y/o unidades de proceso. Aprenderá como
enlazar diferentes unidades de proceso y estar seguro que la planta funcionará de forma
segura y producirá los productos determinados con un alto nivel de operabilidad.
Los IQ y los demás ingenieros involucrados en los procesos pueden usar este libro para
poder leer e interpretar completamente los DTI´s, para poder entender el proceso, dar
mantenimiento y hacer reparaciones en la planta de forma segura.
Las disciplinas involucradas en el desarrollo de DTI´s son:
Ingeniería química
Ingeniería mecánica
Diseño de sistemas de tuberías
Ingeniería de instrumentación y control
Ingeniería eléctrica
Ingeniería civil
Debido a que los DTI son dibujos multidisciplinarios, los conceptos presentados deben ser
presentados en términos sencillos, para que sean accesibles a todos los ingenieros. El
presente libro ha sido escrito para todos aquellos que tendrán la obligación de desarrollar
DTI´s, que serán individuos con diferentes grados de estudios, así como profesionistas
Desarrollo del DTI Dibujo del DTI
ingenieros, técnicos y tecnólogos. Por lo tanto, los conceptos no son explicados
necesariamente con un lenguaje universitario.
La estructura del libro consta de cinco partes en el que ha sido dividido.
Parte 1: Fundamentos de los DTI
En el capítulo 1 se explica la naturaleza y la importancia de los DTIs. En el capítulo 2 se
explican las diferentes versiones o hitos en el desarrollo de DTIs. En el capítulo 3 se
explican las partes principales de las plantillas usadas en los dibujos de los DTI´s. En el
capítulo 4 se discuten el formato y las reglas básicas para dibujar DTI´s. El capítulo 5 trata
acerca de las ideas básicas que se deben plasmar en el desarrollo de un DTI y cuáles son
las metas que debe buscar el diseñador para un buen desarrollo del diagrama.
Cuando hablamos de “diagramas de instrumentación y tuberías” parecería que solo
tendrían que ser explicados dos elementos las tuberías junto a los equipos que unen y la
instrumentación usada para el control del proceso. Sin embargo, el libro lo aborda en tres
partes: 1) Tuberías y equipos de proceso, 2) sistemas de instrumentación y control, y 3)
generación de servicios y sistemas de abastecimiento y recolección de servicios.
En el resto del libro, se explican estos tres elementos junto con muchas cuestiones que
son prácticas para los componentes que se explican, aunque se abordan de forma general.
Parte 2: Tuberías y equipos
La mayor parte de los elementos que forman una planta de proceso son tuberías y
accesorios, válvulas (manuales o automáticas), contenedores (tanques o recipientes),
turbomaquinaria (bombas, ventiladores, sopladores, compresores) e intercambiadores de
calor.
La parte dos del libro consta de siete capítulos. En el capítulo 6 se discuten las tuberías y
los accesorios. En el capítulo 7 se discuten los usos y los diferentes tipos de válvulas.
El capítulo 8 proporciona información sobre como indicar en el diagrama la forma en
realizar las actividades de inspección y mantenimiento de los diferentes equipos. Debido a
que es necesario especificar ciertos arreglos y disposiciones en válvulas y tuberías.
En el capítulo 9 se discuten los diferentes tipos de contenedores como tanques y
recipientes sujetos a presión.
En capítulo 10 cubre la turbomaquinaria, bombas para mover líquidos y ventiladores,
sopladores y compresores que son utilizados para mover gases y vapores.
El capítulo 11 habla acerca de las unidades de intercambio de calor, estas se dividen en
intercambiadores de calor y hornos o calentadores a fuego directo.
Los dispositivos de alivio de presión (Pressure Safety Devices, PSDs) se discuten en el
capítulo 12. Aunque la mayor parte de los dispositivos de alivio de presión (PSD) son
válvulas de alivio/liberación de presión (Pressure Safety Valve, PSV), un tipo especial de
válvula, existen otro tipo de dispositivos de alivio de presión como los discos de ruptura
que no son válvulas. Debido a esto y a la importancia del tema se dedica un capítulo en
particular a estos dispositivos.
Parte 3: Instrumentación y control
La parte tres comprende cuatro capítulos. En el capítulo 13 se desarrollan ideas básicas
prácticas sobre instrumentación y control de procesos. Se desarrolla el concepto de
sistema de control y seguridad, que está formado por tres elementos.
El primer elemento es el control de los procesos de la planta. En el capítulo 14 se discuten
los conceptos de lazo de control y en el capítulo 15 la manera de implementar los lazos en
los diferentes equipos del proceso y como plasmarlos en los PID´s
Los otros dos elementos, el sistema de alarmas y los enclavamientos se cubren en el
capítulo 16.
Parte 4: Servicios
En el capítulo 17 se revisan los sistemas de servicios en un planta de proceso y cómo
implementarlos en el DTI. Cuando hablamos de servicios, debemos discutirlos
dividiéndolos en: sistemas de generación y distribución de corrientes de servicios hacia
equipos de proceso y sistemas de recolección de las corrientes de servicios “usadas” en
los equipos de proceso.
Parte 5: Información adicional y conclusiones (comentarios finales)
La parte 5 aporta información adicional que no fue proporcionada en los capítulos previos,
tiene tres capítulos.
El capítulo 17 cubre algunos sistemas adicionales como el aislamiento de equipos,
categorización de sistemas de seguridad, regaderas/duchas de seguridad y lavaojos,
sistemas de muestreo y sistemas indicadores de corrosión de equipos, que son temas
importantes en el desarrollo de los DTI´s. Además se revisa el concepto de temperatura y
presión de diseño.
En el capítulo 19 puede ser considerado un resumen en donde se proporciona una
metodología general para el desarrollo de los DTI´s.
Introducción: ¿Qué es la habilidad de desarrollar DTI´s?
En el desarrollo de un DTI´s debe establecerse la profundidad y la amplitud de la
información que será plasmada en los diagramas. Todos los elementos que están en el DTI
fueron sometidos a estos dos criterios y fueron aprobados por ingenieros de varias
disciplinas.
La profundidad se entiende como todas las actividades que está más allá del alcance de lo
establecido por el diseño de los elementos del proceso (equipos/instrumentación).
La amplitud se refiere a las actividades realizadas por los ingenieros de diferentes
disciplinas para determinar qué elementos (equipos/instrumentación) son los más
adecuados para realizar el proceso.
Cada disciplina debe realizar el diseño en el tema que se especializa y luego se desarrolla
el DTI. En este contexto diseñar significa dimensionar o especificar las piezas que
conforman la planta como, tuberías, equipos, instrumentos.
Existen diferentes disciplinas involucradas en el diseño de la planta de proceso, ingenieros
de proceso, proyectistas de tuberías, ingenieros en instrumentación y control, ingenieros
mecánicos, ingenieros electricistas e ingenieros civiles.
La responsabilidad de la ingeniería química en un proyecto de diseño en la industria de
procesos químicos (Chemical Process Industry, CPI) se puede dividir en dos categorías:
dimensionamiento y especificación de equipos y el desarrollo del DTI. Por lo tanto,
necesita habilidades en ambos temas.
La primera habilidad requiere conocimientos de mecánica de fluidos, transferencia de
calor, para el dimensionamiento de tubomaquinaria, tanques, recipientes, válvulas e
intercambiadores de calor. En un nivel más elevado también es capaz de diseñar y
dimensionar diferentes unidades de proceso que involucren separaciones y reacciones
químicas. Un ingeniero químico tiene la capacidad de diseñar unidades de separación
sólido-gas y como dimensionar torres de destilación. Todas estas habilidades son
desarrollas durante los estudios de licenciatura.
La segunda habilidad requerida, no se enseña de manera formal en la escuela y debe ser
considerado como un aprendizaje que se realizará “durante el desarrollo profesional”,
esto incluye las habilidades necesarias para determinar de manera apropiada tipos de
tuberías, tipos de accesorios, tanques, recipientes, bombas, instrumentos y lazos de
control apropiados para el adecuado funcionamiento de un proceso.
El dimensionamiento de equipo está fuera del alcance de este libro, sin embargo no es
sencillo poner una línea de separación entre el dimensionamiento de equipo y el
desarrollo del DTI. El resultado del dimensionamiento de equipo junto con el desarrollo de
DTI, conduce al DTI.
Algunos conceptos incluidos en el libro pueden ser considerados como dentro de las
habilidades de dimensionamiento de equipos. La razón de hacer esto es que el documento
del DTI puede ser usado para revisar posibles errores en el dimensionamiento, durante la
etapa del desarrollo del DTI. Como el DTI da un panorama de la integración de todos los
equipos de la planta, puede revelar errores cometidos en el diseño una vez que están en
el DTI. Por lo tanto, algunos de los conceptos desarrollados son útiles para comprobar de
forma aproximada el buen dimensionamiento de equipos y tuberías.
Y entonces ¿Cuáles son las habilidades que describen en el libro y a que disciplinas
pertenecen? ¿Son de ingeniería química, de instrumentación y control o de ingeniería
mecánica?
Como ya se había mencionado, las habilidades necesarias para el desarrollo del DTI son
multidisciplinarias. Una hoja de un DTI es resultado del trabajo exhaustivo de diferentes
disciplinas. Cada elemento de un DTI puede tener sus raíces (bases) sobre conceptos de
diferentes disciplinas como ingeniería química, mecánica o de instrumentación y control.
Desarrollo del DTI DTI Dimensionamiento y
especificación de
equipos
Desarrollo del DTI
Pro
ceso
s
Co
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ol
Op
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ión
Equ
ipo
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(HSE
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ten
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Salud, seguridad y ambiente (Health, safety and environment, HSE)
Al comenzar el desarrollo del DTI, casi todos los elementos provienen de algún cálculo de
ingeniería que determina dimensiones. Sin embargo, cuando avanzamos en el desarrollo,
la mayoría de los elementos se eligen basados en el buen juicio de los ingenieros
El contenido del libro describe las habilidades requeridas por los ingenieros químicos y las
demás disciplinas involucradas en el desarrollo de los DTI´s.
Obviamente no es posible eliminar la necesidad de los profesionista de las diferentes
disciplinas, este libro solo brindan consejos prácticos (reglas heurísticas) de las demás
áreas que ayudan a mejorar el desarrollo de los DTI´s.
En el libro no se intenta explicar conceptos teóricos de manera detallada, la intención de
cada capítulo es dar a conocer aspectos prácticos que se deben tomar en cuenta en el DTI.
El libro puede considerarse como un libro que reúne una gran cantidad de reglas
heurísticas útiles en el desarrollo de DTI´s que son indispensables para el diseño de
plantas de procesos químicos. Los conceptos teóricos de cada tema pueden buscarse en
las referencias teóricas correspondientes.
Desarrollo del DTI Cálculos
Teóricos No teóricos
Parte I: Fundamentos de los DTI
En la parte I se cubrirán las reglas comunes para el desarrollo de DTI´s. Esta parte del libro
consta de cinco capítulos:
Capítulo 1: ¿Qué es un DTI?, como identificar un DTI y su importancia en la industria de
procesos.
Capítulo 2: Gestión en el desarrollo de un DTI, se describen los pasos de forma progresiva
del desarrollo de DTI´s durante el proceso de diseño de plantas.
Capítulo 3: Características generales de una plantilla de dibujo de un DTI, se abordan los
diferentes componentes gráficos de una plantilla de un DTI.
Capítulo 4: Reglas generales para dibujar un DTI
Capítulo 5: Fundamentos para el desarrollo de un DTI, se revisan las variables involucradas
en un proceso químico y las diferentes reglas, guías, pautas y estándares a seguir durante
su desarrollo.
Tomando como ejemplo una válvula, en un primer paso el ingeniero de proyecto debe
definir o establecer que es necesario tener una válvula en alguna parte del proceso,
entonces tendrá que definir donde colocarla, luego establecer de que tipo será la válvula y
si el actuador será automático o manual. Para esto el ingeniero debe usar “reglas de
diseño/desarrollo del DTI”.
En un segundo paso, cuando el ingeniero ha decidido que es necesaria una “válvula de
compuerta con actuador manual”, el problema es como representarla en el diagrama. El
ingeniero y el dibujante deben acordar un símbolo, basados en “reglas de simbología”.
Aunque no se abordaran reglas de trazado de diagramas. En el capítulo 4 se revisan las
reglas de simbología en general.
Pautas para el
desarrollo de DTI
Reglas de
simbología de DTI
Reglas de trazado
de DTI
¿Qué tipo de válvula y
donde pondré la válvula?
¿Cuál es el símbolo de la válvula?
¿Qué símbolo representa la válvula
de compuerta con actuador
manual?
Parte II: Tuberías y equipos
De manera general, todos los procesos industriales poseen tres elementos esenciales:
equipos de proceso, equipos que generan servicios y sistemas de distribución/recolección
de corrientes de servicio y un sistema de instrumentación y control.
En cada planta, los equipos de proceso son interconectados para convertir las materias
primas en productos. En este contexto los equipos pueden ser tuberías, recipientes,
tanques, bombas, intercambiadores de calor, reactores, etc.
Los equipos de proceso principales necesitan servicios externos para realizar su trabajo.
Una bomba necesita electricidad para funcionar, siendo en este caso la electricidad un
servicio. Un intercambiador de calor necesita una corriente caliente, como vapor, para
poder aumentar la temperatura de un corriente de servicio, en este caso el vapor es la
corriente de servicio.
En general, las corrientes de servicios son generadas en instalaciones auxiliares cerca de la
planta de proceso, denominada planta de generación de servicio. Esta planta es parte del
proceso industrial, pero solo genera los servicios.
Existen diferentes tipos de servicios que son utilizados en las plantas de proceso, como
electricidad, vapor, agua de servicio, aire comprimido para instrumentos, aire para
servicios, agua de enfriamiento, etc.
El segundo elemento de un proceso industrial es la planta de generación de servicios,
junto con el sistema de distribución y recolección de corrientes de servicios.
El tercer elemento de una planta de procesos es la instrumentación y el sistema de
control. Este trabaja como el sistema nervioso en el cuerpo humano, porque monitorea
las condiciones a las que se lleva a cabo el proceso en cada equipo y puede controlar su
operación.
En esta segunda parte del libro cubriremos la información respecto a equipos y tuberías.
La parte 3 a la instrumentación y control y la parte 4 del libro se dedica a los servicios.
EQUIPOS
Existen muchos tipos diferentes de equipos en la industria de procesos. Los equipos en
una planta de procesamiento de aceite comestible, serán diferentes a los equipos de una
refinería de petróleo y el equipo de una planta de procesamiento de minerales será
Equipo de
proceso
Proceso
industrial
Generación servicios
Distribución/recolección
de servicios
Instrumentación y
control
diferente al de una planta de tratamiento de aguas residuales. Sin embargo, existen cinco
grupos de equipos comunes en todas las plantas de proceso:
1) Conductores de fluidos: tuberías, tubos, ductos, que incluso pueden conducir
sólidos si son fluidizados.
2) Válvulas.
3) Turbomaquinaria: bombas, ventiladores, sopladores, compresores.
4) Contenedores: tanques y recipientes (equipos de separación y reactores).
5) Equipos de transferencia de calor: intercambiadores de calor y hornos.
En este libro solo nos enfocaremos en estos equipos, porque al aprender estos cinco tipos
comunes de equipos, se cubrirá la mayor cantidad del equipo de proceso existente.
Además se tendrán suficientes fundamentos para entender otros equipos industriales.
Para cada uno de estos grupos de equipos se discutirán los siguientes aspectos:
Sus funciones y sus características especiales
Como identificarlos y nombrarlos en el DTI
Los diferentes tipos de equipos y la reglas generales para elegir el mejor tipo de
equipo
Si puede haber arreglos en serie o en paralelo de los equipos
Si existe la oportunidad de unir equipos similares para ahorrar dinero
Los requerimientos de los equipos durante las etapas de la vida del proceso
La parte 2 tiene siete capítulos del 6 al 12.
En el capítulo 6 se describen las tuberías y de forma breve los sistemas de trasporte de
partículas finas de sólidos.
En el capítulo 7 se describen las válvulas manuales y automáticas, la función de las
válvulas automáticas se discute ampliamente en el capítulo 13.
En el capítulo 8 se discuten las etapas de la vida útil de los diferentes equipos como su
inspección y previsiones necesarias durante su mantenimiento. En el capítulo 5 se habló
de cuatro situaciones que pueden ocurrir en los equipos de una planta de procesos: la
operación normal, la operación fuera de lo normal, la inspección y mantenimiento del
equipo o la falta o ausencia del equipo. La situación de la inspección y mantenimiento se
discute en este capítulo, las demás se cubren al discutir cada tipo de equipo en particular.
En el capítulo 9 se cubren los contenedores, tanques y recipientes.
En el C10 la tubomaquinaria que incluye bombas, ventiladores, sopladores, compresores.
El C11 cubre los equipos de transferencia de calor: intercambiadores de calor y hornos.
El C12 cubre los dispositivos de alivio de presión (PSV).
Parte III
Sistema de instrumentación y control
Existen cuatro "herramientas" que se utilizan para controlar y operar una planta de proceso y
afrontar los inevitables problemas que pueden ocasionar las variaciones que ocurren en los
parámetros del proceso. Estas son el sistema de control automático, sistema de interbloqueo de
seguridad (enclavamientos), sistema de alarmas y los sistemas mecánicos de liberación o alivio de
presión.
Estos sistemas ayudan a los operadores a operar una planta. De estas cuatro herramientas, el
alivio mecánico de la presión ya se discutió en el Capítulo 12. Entonces quedan tres herramientas
por discutir.
Antes de discutir el sistema de control, en el Capítulo 13 se tratara información preliminar sobre la
terminología y simbología usada para representar en un diagrama dichos sistemas de control.
Los sistemas de control se analizan en los capítulos 14 y 15. El capítulo 14 trata sobre los lazos de
control más usados e importantes en plantas de proceso. El capítulo 15 trata sobre el control de la
planta de proceso y tiene dos partes: control de toda la planta y el control de los equipos de forma
individual.
El capítulo 16 está dedicado a los sistemas de interbloqueo de seguridad y las alarmas. También se
cubre una pequeña parte de los sistemas de control en el Capítulo 16. Esta parte es control
discreto y se introduce en el Capítulo 16 debido a su similitud con acciones de bloqueo de
seguridad.
Finalmente, en el Capítulo 16, se analizan el control y el sistema de enclavamiento de los motores
eléctricos y se aborda un ejemplo ilustrativo.
Para explicar los conceptos de control no se utiliza necesariamente la terminología académica o
incluso industrial. El objetivo es transmitir los conceptos de la forma más sencilla. Es importante
señalar que los esquemas proporcionados en esta parte no poseen gran detalle como el resto de
este libro. El objetivo de los esquemas en esta sección es transmitir el concepto de sistema de
control, por lo que se han ignoran algunos detalles mecánicos que son importantes.
Parte IV
Servicios
Los “servicios de un proceso” son generados por equipos “auxiliares” a los equipos de proceso y
los instrumentos instalados para el monitoreo y control del proceso, estos equipos que generan
las corrientes de servicio son indispensables para el adecuado funcionamiento del proceso.
Debido a que la gran mayoría de los equipos de proceso en una planta requieren de corrientes
de servicios, como decisión económica barata, los servicios están basados principalmente en aire y
agua. El aire del ambiente es gratis y generalmente el agua está disponible y a veces de forma
abundante. Sin embargo, en algunos casos deberían evitarse el uso del aire y el agua como
servicios básicos.
Las corrientes de servicios son principalmente fluidos, una excepción importante es la electricidad.
Los fluidos se utilizan como servicios para transferir materia o para transferir energía.
Los ejemplos de servicios que tienen el objetivo de transferir de materia son el agua potable, el
agua de servicios generales de planta, etc.
Los ejemplos de servicios que tienen el objetivo de la transferir de energía son aire de
instrumentos, agua de enfriamiento, vapor, etc.
