Diagramas de flujo de los procesos químicos

Introducción

En todo tipo de ingeniería se requiere de planos que especifiquen tamaños, formas, conexiones y corrientes. Estos planos sirven para calcular, construir o cotizar equipos o procesos. Los planos reciben el nombre de diagramas de flujo cuando representan la secuencia u operaciones que se llevan a cabo para fabricar cierto producto. Regina M. Murphy (2007) define a los diagramas de flujo de la siguiente manera:

Los diagramas de flujo de proceso son diagramas compactos y precisos que presentan una gran cantidad de información técnica acerca de los procesos químicos.

Los diagramas constituyen el lenguaje que usan los ingenieros del proceso químico. Cada diagrama de flujo tiene tres características en común: las materias primas que entran, los cambios físicos y químicos que tienen lugar dentro del proceso, y los productos que salen. Los diagramas difieren en su nivel de detalle y complejidad (y en el costo y la dificultad para generarlos).

Para ilustrar la diferencia entre el tipo de diagramas, utilizaremos los diagramas del proceso de hidrodesalquilación de tolueno, estos se encuentran en el libro Analysis, Synthesis and Design of Chemical Processes de Richard Turton y colaboradores.

Los diagramas ilustran el proceso en el cual, el tolueno y el hidrógeno se convierten en un reactor para producir benceno y metano. La reacción no se completa y se requiere un exceso de tolueno. Los gases no condensables se separan y descargan. El producto de benceno y el tolueno sin reaccionar se separan por destilación. El tolueno se recicla nuevamente al reactor y el benceno se elimina en la corriente del producto.

Diagrama de bloques (BFD - Block Flow Diagram)

En todos los tipos de diagramas de flujo se dibujan los equipos mayores de un proceso, y las corrientes que entran y salen de estos equipos. A veces los equipos se representan por rectángulos sobre los que se indica el nombre del equipo que simbolizan. Estos diagramas se conocen como diagramas de bloques. Cada bloque en el diagrama representa una función de proceso y, en realidad, un bloque puede consistir en varios equipos.

Este diagrama nos ofrece una visión muy general y clara del proceso y sobre todo de fácil comprensión al contener menos detalle. Las características que debe presentar un buen diagrama de bloque son las siguientes:

1. Las operaciones deben ser mostradas por bloques.
2. Las principales líneas de flujo se muestran con flechas que indican la dirección del flujo.
3. El flujo va de izquierda a derecha siempre que sea posible (los reciclados van de derecha a izquierda).
4. Los flujos ligeros (gases) se dirigen hacia la parte superior, con flujos pesados (líquidos y sólidos) se dirigen hacia el fondo.
5. Solo contiene información crítica para el proceso suministrado.
6. Si las líneas se cruzan, entonces la línea horizontal es continua y la línea vertical se divide.
7. Debe mostrarse un balance de material simplificado con su reacción, si es que la hay.

Diagrama de flujo (PFD - Process Flow Diagram)

Para el caso del diagrama de flujo son construidos de forma similar al diagrama de bloques, sin embargo, para este caso se emplean dibujos que representa la forma del los equipos. Los símbolos o representaciones del equipo real no son universales, pero guardan cierta similitud de un libro a otro.

El PFD contiene la mayor parte de los datos de ingeniería química necesarios para el diseño de un proceso químico. Como se menciono anteriormente, no hay estándares universalmente aceptados. El PFD de una compañía probablemente contendrá información ligeramente diferente a comparación del PFD para el mismo proceso de otra compañía. Sin embargo, la mayoría de los PFD transmiten información muy similar. Un PFD comercial típico contendrá la siguiente información:

1. Todos los equipos principales en el proceso estarán representados en el diagrama junto con una descripción del equipo. Cada pieza de equipo tendrá un número de equipo único y un nombre descriptivo.
2. Todos los flujos de flujo del proceso se mostrarán e identificarán mediante un número. Se incluirá una descripción de las condiciones del proceso y la composición química de cada corriente. Estos datos se mostrarán directamente en el PFD o se incluirán en una tabla de resumen de flujo adjunta.
3. Se mostrarán todos los flujos de servicios suministrados a los equipos principales que proporcionan una función de proceso.
4. Se mostrarán lazos de control básicos, que ilustran la estrategia de control utilizada para operar el proceso durante las operaciones normales.

Está claro que el PFD es un diagrama más complejo que un BFD. Sin embargo, es esencial que permanezca despejado y sea fácil de seguir, para evitar errores en la presentación e interpretación. A menudo, los PFD se dibujan en hojas de papel grandes (por ejemplo, tamaño D: 24 pulg. × 36 pulg.), Y se pueden requerir varias hojas conectadas para un proceso complejo.

En el diagrama anterior la cantidad de información del proceso que se muestra en el PFD se ha mantenido al mínimo. Un ejemplo más representativo de un PFD para el proceso de benceno se muestra a continuación.

La información básica que proporcionada un PFD es:

1. Topología de proceso: Ilustra la ubicación de los principales equipos y las conexiones que las corrientes de proceso hacen entre los equipos. Utiliza una simbologia para identificar los equipos, en lugar de bloques.
2. Información de corriente: Se puede ver que cada una de las secuencias del proceso se identifica mediante un número en una caja en forma de diamante ubicada en la secuencia. La dirección de la corriente se identifica por una o más puntas de flecha. Ademas especifica información relevante a las condiciones de operación del proceso, como la temperatura, presión y flujo.
3. Información del equipo: Este resumen en forma de tabla, proporciona la información necesaria para estimar los costos de compra de equipos y proporcionar la base para el diseño detallado de los equipos.

Cada PFD requerirá de muchos P&ID para mostrar todos los datos necesarios. Usualmente se realiza un P&ID para cada equipo del proceso.

Diagrama de tubería e instrumentación (P&ID - Piping and Instrumentation Diagram)

El diagrama de tuberías e instrumentación (P&ID), también conocido como diagrama de flujo mecánico (MFD), proporciona la información que necesitan los ingenieros para comenzar a planificar la construcción de la planta. La figura siguiente es un P&ID representativo para la sección de destilación del proceso de benceno.

La información proporcionada por el P&ID permite la generación de otros documentos, incluidos dibujos isométricos de tuberías, el modelo de tuberías, listas de equipos e instrumentos, diagramas de causa y efecto, filosofía de control, tablas de puntos de ajuste de alarma, tabla de designación de línea (LDT) o lista de líneas, tomas de material, diagramas de bucle, listas de vinculación y muchos más.

El P&ID es utilizado por otros grupos para preparar otros documentos de una planta química.

P&ID es un tipo de dibujo de ingeniería que describe todos los pasos del proceso de una planta de proceso. Básicamente es una planta de proceso en un papel. Un P&ID es un diagrama esquemático de tuberías, equipos de proceso y sistemas de control mediante un conjunto de símbolos predefinidos sin escala y sin orientación geográfica. Los símbolos de equipo suelen ser una vista lateral de la forma real del equipo y, si es posible, se muestran en relación con sus tamaños reales.

Referencias

• Antonio Valiente Barderas (1986). Problemas de balance de materia y energía en la industria alimentaria - LIMUSA.
• Regina M. Murphy. (2007). Introducción a los procesos químicos. McGraw-Hill.
• Richard Turton, Richard C. Bailie, Wallace B. Whiting, Joseph A. Shaeiwitz (2018) Analysis, Synthesis, and Design of Chemical Processes - 5Ed - Pearson.
• Ray Sinnott, Gavin Towler (2019). Chemical Engineering Design - Elsevier.