Preparar y acondicionar elementos y máquinas de la planta química. QUIE0108

5. Resumen

Para realizar operaciones de preparación, acondicionamiento, mantenimiento o reparación con máquinas e instalaciones en una planta química se deben tener unos conocimientos básicos sobre calor y temperatura, fluidos y electricidad.

El calor, que es la energía que posee un cuerpo debido al movimiento de sus partículas, hace que la temperatura, que es el valor medio de dicha energía, aumente o disminuya en una sustancia.

Los tres estados de la materia más conocidos son: sólido, líquido y gaseoso, y las transformaciones entre ellos son: fusión, solidificación, vaporización, condensación, sublimación y cristalización.

Un fluido es toda sustancia que no sea sólida y que pueda fluir, es decir, los líquidos y los gases. Para su conocimiento es necesario comprender los conceptos de masa, peso, densidad, peso específico, viscosidad, tensión superficial, y presión de vapor.

La ecuación de estado de los gases ideales es P · V = n · R · T, y se puede aplicar a los gases reales cuando estos tienen bajas densidades.

La estática de fluidos estudia el comportamiento de estos cuando están en reposo, y la propiedad más importante es la presión que tienen, por lo que es necesario saber cómo calcularla.

La electricidad, que es el desplazamiento de electrones por un conductor, tiene tres magnitudes fundamentales que son la intensidad de corriente (I), el voltaje (V) y la resistencia (R). Estas tres magnitudes se relacionan mediante la Ley de Ohm.

Hay dos tipos de corriente, continua y alterna. Mientras la primera tiene una intensidad y sentido constante a través del conductor, la segunda varía.

Un aspecto muy importante en la elección de un buen conductor eléctrico es su resistencia y resistividad.

Ejercicios de repaso y autoevaluación

1. Indique cuáles de las siguientes son unidades de calor.

1 a. El BTU.

2 b. La caloría.

3 c. El julio.

4 d. Todas las opciones anteriores son correctas.

2. El proceso físico por el cual una sustancia en estado líquido pasa a estado gaseoso se denomina...

1 a. ... vaporización.

2 b. ... condensación.

3 c. ... sublimación.

4 d. ... fusión.

3. El calor específico es:

1 a. Una propiedad que tienen las sustancias y que depende del tamaño de estas.

2 b. La energía necesaria que hay que aportar a la unidad de área de una sustancia para aumentar su temperatura en un grado.

3 c. La energía necesaria que hay que aportar a la unidad de masa de una sustancia para aumentar su temperatura en un grado.

4 d. La energía necesaria que hay que aportar a una sustancia para aumentar su temperatura en un grado.

4. El mecanismo de transferencia de calor debido al movimiento macroscópico de la masa de un fluido se denomina...

1 a. ... conducción.

2 b. ... convección.

3 c. ... radiación.

4 d. Todas las opciones anteriores son incorrectas.

5. En mecánica de fluidos...

1 a. ... un fluido puede ser un sólido, un líquido o un gas.

2 b. ... la estática de fluidos estudia los fluidos en movimiento.

3 c. ... se estudia el comportamiento de los fluidos en reposo.

4 d. ... un fluido es todo material que no sea sólido y que pueda fluir.

6. La viscosidad es:

1 a. La fuerza que ejerce un fluido por unidad de superficie para no ser movido.

2 b. La propiedad que representa la resistencia interna de un fluido al movimiento.

3 c. La propiedad que hace que un fluido sea más denso.

4 d. La fricción o el rozamiento en la misma dirección del movimiento del fluido.

7. Una propiedad de los fluidos es que...

1 a. ... la ecuación de estado para cualquier gas en cualquier condición es: P · V = n · R · T.

2 b. ... los gases y los líquidos se comprimen con suma facilidad.

3 c. ... en estática de fluidos la presión de un líquido almacenado en un recipiente aumenta con la profundidad.

4 d. ... la cavitación es un efecto negativo que resulta de la presión.

8. Respecto a la corriente eléctrica...

1 a. ... cuanto mayor sea el voltaje de un conductor mayor será la intensidad de corriente eléctrica.

2 b. ... la ley de Ohm relaciona la intensidad de corriente eléctrica, el voltaje y la potencia eléctrica.

3 c. ... el símbolo de representación de la corriente continua es “~”.

4 d. ... la intensidad eléctrica en corriente alterna respecto al tiempo es un valor constante.

9. La resistividad es:

1 a. La resistencia eléctrica que tiene un conductor filiforme.

2 b. La resistencia eléctrica específica que tiene un material.

3 c. La resistencia eléctrica que tiene cualquier aparato eléctrico.

4 d. La resistencia eléctrica que tiene cualquier conductor.

10. El diagrama unifilar...

1 a. ... es un tipo de representación gráfica de las instalaciones eléctricas.

2 b. ... se representa mediante un único conductor o aparato aunque en realidad tenga varios conductores o aparatos.

3 c. ... proporciona una visión muy simplificada de una instalación eléctrica.

4 d. Todas las opciones anteriores son correctas.

Capítulo 2
Representación gráfica de los procesos químicos
1. Introducción

Para realizar operaciones con máquinas e instalaciones en una planta química es conveniente adquirir unos conocimientos mínimos sobre los diferentes tipos de esquemas, diagramas y planos para conocer cuáles son los equipos e instalaciones, cómo funcionan, qué información aportan, cuáles son sus características básicas, dónde se encuentran situados y cuáles son las operaciones físicas y/o químicas del proceso.

Por ello es conveniente conocer qué es una representación gráfica de un proceso químico y qué tipos de representaciones pueden existir en una planta química, es decir, conocer los tipos de esquemas, diagramas y planos existentes en cualquier planta, como los diagramas de flujo de entradas-salidas, de bloques, esquemáticos y de proceso, diagramas P&I, diagramas mecánicos, diagramas isométricos, y los planos o esquemas de tuberías.

También es importante saber interpretar estos esquemas, diagramas y planos junto con sus elementos, símbolos e instrumentos.

2. Sistemas de representación de instalaciones

Un proceso químico es el conjunto ordenado de operaciones físicas y/o químicas para transformar materias primas en unos productos finales diferentes con determinadas especificaciones. Pero esto no se realiza en una sola etapa u operación, sino que tiene lugar en varias etapas o múltiples operaciones. Cada una de ellas es una operación unitaria dentro del proceso global. La interconexión entre estas dará lugar al proceso químico, y este puede quedar reflejado a través de una representación gráfica.

2.1. Representaciones gráficas de los procesos (importancia, descripción, función, utilidad, etc.). Análisis de ejemplos para cada caso

La representación gráfica de los procesos químicos se puede llevar a cabo mediante diagramas, ya que los planos son representaciones que requieren estar a escala y debidamente acotados. Esto no significa que los diagramas no se puedan representar en formatos que normalmente se utilizan para los planos.

Definición

Diagrama Es una representación gráfica que esquematiza una información por medio de símbolos.

Planos Es una representación gráfica exhaustiva del diseño, ubicación y dimensiones de un proceso o de sus elementos que debe estar a escala y debidamente acotada.

En general, la mayoría de las representaciones de los procesos químicos que se utilizan a nivel operacional o de producción en una planta química se llevan a cabo mediante diagramas de flujo. Reciben este nombre porque representan la secuencia y operación que se lleva a cabo para simbolizar un proceso.

Definición

Diagrama de flujo Es la representación gráfica del proceso. Estos diagramas utilizan símbolos con significados bien definidos que representan los pasos del proceso, y el flujo de ejecución mediante flechas que conectan los puntos de inicio y de fin de proceso.

Diagrama de flujo de los procesos químicos Son diagramas de flujo que presentan los procesos físicos y/o químicos que se producen en una planta química.

La definición de diagrama de flujo es genérica, ya que se utiliza para representar un número ilimitado de procesos y procedimientos de diversas materias, por lo que cuando se habla de diagrama de flujo se quiere decir diagrama de flujo de los procesos químicos.

Se utilizan para representar en forma esquemática y simbólica los diferentes procesos físicos y/o químicos de una planta química, las etapas que los integran, los equipos que los constituyen y las conexiones que los interrelacionan.

Algunas características en la representación de los diagramas de flujo son:

1 Son dibujos formados por líneas y símbolos que ayudan a entender cómo se realiza el flujo de materia y/o energía en un proceso o en un equipo.

2 Los símbolos representan las unidades de proceso y se escogen desde el punto de vista de la claridad y simplicidad, generalmente guardan cierto parecido con el equipo que representan aunque en otros casos son bloques o rectángulos.

3 Las líneas que se conectan a dichas unidades señalan conducciones a través de las que se transfieren materiales. Estas líneas tienen forma de flechas y se denominan corrientes del proceso, de esa manera, se puede conocer cuál es el sentido del flujo.

4 Las corrientes pueden ser de entrada, si el movimiento de los materiales se produce hacia el equipo, o de salida, si el movimiento se produce desde el equipo.

5 El sentido del flujo debe ser de izquierda a derecha siempre que sea posible, es decir, las materias primas entrarán por la izquierda y los productos saldrán por la derecha.

6 Tienen un único punto de inicio y un único punto de finalización.

7 Los gases (corrientes ligeras) deben salir por la parte superior de los equipos y los líquidos o sólidos (corrientes pesadas) por la zona inferior.

Importancia de los diagramas de flujo:

1 Facilitan la comprensión del proceso químico, ya que lo muestran a través de un dibujo que el cerebro reconoce e interpreta fácilmente. Un diagrama de flujo puede reemplazar varias páginas de texto.

2 Es la forma más clara de presentar la información y la que menos probabilidad tiene de ser mal interpretada.

3 Ayudan a pensar claramente porque son simples y fáciles de entender.

Utilidad de los diagramas de flujo:

1 Es una excelente herramienta para capacitar a los nuevos empleados, y también a los que desarrollan la tarea cuando se realizan mejoras en el proceso.

2 Permiten identificar, diagnosticar y resolver problemas en las operaciones en el día a día en la planta, e identificar las oportunidades de mejora del proceso. También permiten mostrar y eliminar los pasos redundantes, los flujos de los re-procesos, los conflictos y los cuellos de botella.

3 Pueden predecir los efectos de cambios en las condiciones de operación.

Hay varios tipos de diagramas de flujo que son utilizados para diferentes propósitos, y que difieren en su nivel de detalle y complejidad:

1 Diagramas de flujo de entradas-salidas.

2 Diagrama de flujo de bloques.

3 Diagrama de flujo esquemático.

4 Diagrama de flujo de procesos.

5 Diagrama de flujo de proceso e instrumentación (P&I).

6 Diagrama de flujo mecánico.

7 Diagrama de flujo isométrico.

En este apartado solo se van a estudiar los que representan al proceso desde un punto de vista global, es decir, los tres primeros, para tomar un primer contacto con los diagramas de flujo y más adelante se estudiarán el resto, que son algo más complejos, y que requiere de un aprendizaje previo sobre simbología y nomenclatura.

Diagramas de flujo de entradas-salidas

Es el más simple de los diagramas de flujo de proceso y tiene las siguientes características:

1 Mediante un solo bloque se representan todas las operaciones físicas y químicas que se producen en el proceso.

2 Las líneas con flechas representan las entradas de materias primas y las salidas de productos y, en su caso, subproductos del proceso.

3 Las materias primas entran por la izquierda y los productos salen por la derecha.

4 Se pueden mostrar los caudales o las cantidades de materias primas y productos.

Nota

La información que aporta este tipo de diagramas es la siguiente: las materias primas que entran en el proceso, los productos que salen, y los cambios físicos y químicos que se producen en el proceso.

Diagramas de flujo de bloques

Se trata de un diagrama simple, pero con algo más de información que el diagrama de flujo de entradas-salidas. Está formado por una serie de bloques, cajas o rectángulos conectados entre sí por corrientes mediante flechas que indican la secuencia del proceso.

Incluye la información crítica para entender un proceso. Normalmente se utiliza para traducir o resumir de manera gráfica un problema de balance de materia o energía, o para resumir un proceso complejo y que sea más fácil de entender. También puede realizarse como paso previo al diagrama de flujo de procesos.

El diagrama de flujo de bloques proporciona una idea general o global de un proceso o planta, sin entrar en ningún momento en detalles.

Este tipo de diagrama presenta las siguientes características:

1 Los procesos químicos se representan como un grupo de bloques que están interconectados, y cada uno de ellos es una unidad de proceso. En cada una de ellas se coloca la indicación del proceso o equipo que se representa o bien un número que se relaciona con su proceso o equipo en una leyenda. En función de lo que se quiera representar, cada unidad de proceso será un equipo o un proceso:

1 Si se quiere representar un proceso, cada bloque simbolizará un equipo o varios donde se llevará a cabo una operación como puede ser un reactor, una torre de destilación o un absorbedor. A este diagrama se le denomina diagrama de flujo de bloques de proceso.

2 Si se quiere representar una planta, cada bloque representará una parte de ella, una unidad o un proceso, con una función determinada que puede contener varios equipos de proceso. A este diagrama se le denomina diagrama de flujo de bloques de planta.

1 La interconexión entre las unidades de procesos o bloques se producen por medio de corrientes del proceso.Nota: en ellas se pueden indicar las variables de las corrientes, es decir, la sustancia, su caudal y su concentración, o pueden estar en una tabla anexa.

2 Si las corrientes del proceso se cruzan, la horizontal se mantendrá continua y la vertical se representará dividida o cortada.

Aunque en la industria química hay un número bastante importante de procesos diferentes, en este tipo de diagrama solo existen cuatro tipos de unidades de proceso dependiendo de su función. Estos son:

1 Mezcladores: combinan o aglutinan dos o más corrientes de entrada en una única corriente de salida.

1 Reactores: en ellos se producen una o varias reacciones químicas. Las corrientes de entrada están formadas por reactivos y las de salida por los productos de la reacción y los reactivos que no se consumen. En el caso más simple hay una corriente de entrada y otra de salida.

1 Divisores: dividen una sola corriente de entrada en dos o más corrientes de salidas. Si la corriente de entrada está formada por una mezcla de dos o más componentes, todas las corrientes de salida tendrán la misma composición que la entrada.

1 Separadores: separan una sola corriente de entrada en dos o más de salidas. Las distintas corrientes de salida tienen composiciones diferentes entre ellas y con la corriente de entrada. Esto es debido a operaciones físicas y no a reacciones químicas. En el caso más simple hay una corriente de entrada y dos de salida.

Los cuatro tipos de unidades de proceso se pueden conectar de muy diversas formas en un diagrama de bloques, de tal manera que las corrientes de salida de un bloque sean las corrientes de entrada de otros bloques.

La información que aporta este tipo de diagramas, además de la que suministra el de entradas-salidas, es el balance de materia (corrientes de entrada y salida y conversión), y cuáles son las principales unidades de proceso.

Nota

El inconveniente es que solo muestran las principales unidades del proceso y los materiales que fluyen entre ellas, pero en un proceso de una planta química no son prácticos debido a que se necesita tener mucha más información para ser operativos.

Diagramas de flujo esquemático

El diagrama de flujo esquemático, también llamado de masa, es un diagrama que no genera mucha más información que el de bloque, ya que la diferencia principal radica en que en vez de bloques se representan los equipos mediante dibujos o símbolos y que se incluyen otros equipos que no son los principales, pero que sí son necesarios para el proceso.

Estos símbolos conservan una apariencia física con los equipos de la industria química a la que simbolizan y que hace que la representación parezca más cercana a la realidad.

Hay una multitud de símbolos que representan los equipos en un diagrama de flujo esquemático, y que también se utilizan en otros que se estudiarán más adelante. Su nivel de detalle y exactitud en la representación es variable de una empresa o de una ingeniería a otra.

Este tipo de diagrama presenta las siguientes características:

1 Los procesos físicos y/o químicos aparecen representados como un grupo de equipos principales del proceso, y otros equipos, no tan importantes, interconectados entre sí.

2 Estos equipos se representan simbólicamente mediante “iconos”, tanto los que identifican operaciones unitarias específicas (equipos principales del proceso), como los que se utilizan para mover el material (bombas, cintas transportadoras, compresores, etc.), como los equipos para calentar o enfriar (intercambiadores de calor, hornos, evaporadores, etc.) y los servicios auxiliares que afectan a los equipos principales (vapor de agua, agua de enfriamiento, etc.).

3 A cada equipo se le asigna un nombre que lo describa, un número o una o varias letras para designarlos, y en una leyenda aparecerá su descripción. Por ejemplo, al horno H, al reactor R, al intercambiador de calor E o al tanque TK.

4 Las corrientes del proceso que se representan mediante líneas con flecha, conectan los equipos y representan entradas y salidas. Mientras sea posible, estas corrientes entrarán por la izquierda y saldrán por la derecha.

La información que aporta es la misma que en el diagrama de flujo de bloques, es decir, el balance de materia del proceso (corrientes de entrada y salida y conversión), cuáles son las principales unidades de proceso y los cambios físicos y químicos que se producen en estos. Además se indican cuáles son los equipos auxiliares necesarios para llevarlo a cabo.

Son los más utilizados en los procesos químicos debido a que dan una idea clara del proceso, sirven como medio de instrucción del personal relacionado con él, ayudan a la realización de los balances de materia y energía, y facilitan el diseño y acomodamiento de la planta.

El inconveniente de este tipo de diagramas, al igual que el de bloques es que solo muestran los equipos del proceso y los materiales que fluyen entre ellos, pero en un proceso de una planta química no son prácticos debido a que se necesita tener mucha más información para ser operativos.

Recuerde

Los diagramas de flujo esquemáticos se diferencian de los de bloques en que los primeros, en vez de bloques, tienen símbolos que representan a los equipos, y que además en ellos aparecen otros sistemas para mover el material, para calentar o enfriar e incluso, los servicios auxiliares.

2.2. Aplicaciones prácticas sobre diagramas de flujo

Aplicación práctica 1

Para el siguiente diagrama de flujo, de obtención de biodiesel, indique qué tipo de diagrama es y por qué, y realice una breve descripción del proceso que representa.

Solución

Es un diagrama de flujo de bloques de proceso, ya que se trata de un grupo de rectángulos o bloques interconectados. Cada uno de estos es un equipo o varios equipos de un proceso. Si fuese de planta, cada bloque sería un proceso, pero en este caso son procesos unitarios. Por ello, es un diagrama de bloque “de procesos”. Las distintas fases que se representan son las más importantes del desarrollo de obtención de biodiésel a partir de metanol y aceite vegetal. La interconexión entre bloques se hace por medio de flechas.

Se introduce en un reactor metanol, aceite y un catalizador que puede ser hidróxido sódico o de potasio, para llevar a cabo la reacción de transesterificación. Como el producto tiene pH básico, ya que la reacción ha utilizado como catalizador una sustancia básica, se añade un ácido mineral para neutralizarlo y reducir el pH. El producto de esta reacción es el biodiésel y como subproducto la glicerina, que se separan. Posteriormente se deshidrata y seca el biodiésel para eliminar el agua presente, y parte de este se recircula a la cabecera del proceso.

Aplicación práctica 2

Para el siguiente diagrama de flujo para la obtención de dimetiléter, metanol y etanol: indique qué tipo de diagrama es y por qué, y realice una breve descripción del proceso que representa.

Solución

Se trata de un diagrama de flujo esquemático porque se representan los equipos mediante dibujos o símbolos. Se incluyen además de los equipos principales que identifican operaciones unitarias físicas y químicas como reactor, separador o torre de destilación de platos, otros equipos que son necesarios para el proceso como el compresor, el calentador o los enfriadores y calentadores (estos dos últimos, que son intercambiadores de calor, no se nombran y se encuentran en la zona de arriba y abajo respectivamente de las torres de destilación). Todos estos símbolos tienen una apariencia física a los equipos que representan y van acompañados de su descripción. Todos los equipos están interconectados entre sí mediante líneas con flechas para indicar la dirección del proceso y representan entradas y salidas a los equipos.

El gas de síntesis antes de entrar en el reactor sufre un precalentamiento para aumentar la temperatura y estar en óptimo estado para que se lleve a cabo con mayor rendimiento o conversión la reacción de síntesis del dimetiléter, el metanol y el etanol. Después de la reacción se produce una separación del gas de síntesis que no ha reaccionado, de los tres productos de la reacción, recirculándose el gas de síntesis que no ha reaccionado y se vuelve a mezclar con el que se alimenta al proceso. Los tres productos sufren separaciones en dos torres de destilación, en la primera se separa el dimetiléter (menos denso o menos pesado) que sale por la parte superior de la torre como un primer producto, del metanol y etanol, que salen por la zona inferior. En la segunda torre, se separan los dos últimos productos, el metanol del etanol, siendo el primero menos denso y saliendo por la zona superior de la torre de destilación de platos, y el segundo por la zona inferior.