DE-01-INTRODUCCION-2022.pdf

MSc. Guillermo Ruiz, Dimensionamiento
de equipos
1
INTRODUCCIÓN: FUNDAMENTOS
DEL DISEÑO DE PROCESOS
Universidad Nacional Experimental “Francisco de Miranda”
Especialización de Ingeniería de Procesos
Facilitador: MSc. Guillermo Ruiz
Dimensionamiento de Equipos
Mayo, 2022

de equipos
2
CONTENIDO
●
Descripción general del proceso de refinación
●
Procesos típicos en refinación
●
Ingeniería de procesos
●
Equipos de procesos
●
Información del diseño de procesos

de equipos
3
OBJETIVOS DEL MÓDULO
●
Identificar los procesos comúnmente involucrados en la refinación de
petróleo
●
Reconocer las responsabilidades del ingeniero de procesos
●
Identificar los recursos disponibles para el ingeniero de procesos
●
Identificar los principales tipos de equipos de proceso

de equipos
4
Los procesos de refinación pueden ser agrupados de manera conveniente en tres
categorías generales:
●
Procesos de separación: emplean la temperatura, presión, solubilidad o el
tamaño de las moléculas para segregar las diferentes hidrocarburos de
acuerdo a su punto de ebullición y/o tamaño de molécula.
●
Procesos de conversión: emplean la temperatura, presión, tiempo de
residencia y/o uso de catalizadores, aprovechando la reactividad química de
las especies moleculares, para cambiar la estructura de los hidrocarburos
(mejorando sus propiedades)
●
Procesos de tratamiento: emplean métodos físicos/químicos y tiempo de
residencia para mejorar las propiedades de las corrientes de proceso .

de equipos
5
●
Procesos de separación: destilación, absorción, extracción, tamices
moleculares
●
Procesos de conversión: craqueo catalítico, reformación catalítica, craqueo
térmico/coquización, hidroconversión, isomerización, alquilación.
●
Procesos de tratamiento: tratamiento de gas con amina, tratamiento con
cáustico.

de equipos
6
●
Procesos de separación: destilación, absorción, extracción, tamices
moleculares
●
Procesos de conversión: craqueo catalítico, reformación catalítica, craqueo
térmico/coquización, hidroconversión, isomerización, alquilación.
●
Procesos de tratamiento: tratamiento de gas con amina, tratamiento con
cáustico.

de equipos
7
Proceso de refinación de petróleo crudo

de equipos
8
Destilación atmosférica
●
Alimentación: petróleo crudo crudo
●
Requerimientos de proceso:
especificaciones de contenido de
agua y sal es en el crudo.
●
Productos del proceso:
●
Gas: GLP, butanos, gas combustible
de refinería
●
Nafta liviana → Hidrotratamiento →
Isomerización: gas, isomerato
●
Nafta pesada → Hidrotratamiento →
Isomerización: gas, reformado
●
Keroseno → tratamiento con
cáustico: combustible de aviación.

de equipos
9
●
Productos del proceso: (cont.)
●
Gasóleo liviano →hidrotratamiento:
diesel
●
Gasóleo pesado →hidrotratamiento
→FCC: gas, butanos, pentanos,
nafta, gasóleos
●
Residuo atmosférico →destilación al
vacío

de equipos
10
Destilación al vacío
●
Alimentación: residuo atmosférico
●
Requerimientos de proceso:
sistema de vacío (bombas,
eyectores)
●
Productos del proceso:
●
Gasóleo de vacío →hidrotra-tamiento
→FCC: gas, butanos, pentanos, nafta,
gasóleo
●
Cortes lubricantes →desparafinado:
bases lubricantes
●
Residuo de vacío →coquización:
nafta, gasóleos.
●
Residuo de vacío → oxidación:
asfalto

de equipos
11
Hidrotratamiento: hidrodesulfuración (HDS)
●
Proceso de tratamiento destinado a eliminar el azufre combinado en los
compuesto obtenidos del fraccionamiento del petróleo crudo
●
Fundamento: reacción de hidrogenación de compuestos de azufre promovida
por un catalizador de lecho fijo
●
Requerimientos de proceso: hidrógeno, vapor, gas combustible (horno)
●
Catalizadores: Ni-Mo, Ni-Co soportados sobre Al2O3 / SiO2
●
La carga es calentada en un horno con el fin de aumentar su temperatura
hasta las condiciones óptimas para las reacciones de HDS
●
Separación y purificación de productos: se lleva a cabo en un absorbedor, una
columna de destilación y despojador con vapor de baja presión
●
Productos desulfurados: gas combustible, nafta, gasoil
●
Subproductos: H2S, agua ácida →tratamiento con amina (MEA/ MDEA)

de equipos
12
Hidrotratamiento: hidrodesulfuración (Cont.)

de equipos
13
Reformación catalítica
●
Proceso de transformación de hidrocarburos (C7 – C10) con bajo índice
de octanos en aromáticos e isoparafinas de alto índice de octanos.
●
Proceso endotérmico por lo que requiere grandes cantidades de
energía
●
Condiciones del proceso: 500°C, 5-25 bar
●
Las reacciones de reformación son promovidas por un catalizador
bifuncional de Platino sobre alúmina clorada. El platino actúa como
centro de deshidrogenación y la alúmina clorada propicia la formación
de compuestos cíclicos y la isomerización de naftenos
●
La alimentación al proceso debe ser hidrotratada para eliminar el S, N
y O dado que envenenan el catalizador
●
Productos: C5
+
, reformado (RON: 90 – 100), parafinas: 30-50% vol,
naftenos: 5-10% vol, aromáticos: 45-60% vol.

de equipos
14
Reformación catalítica (Cont.)

de equipos
15
Fundamentos
●
Es la aplicación de los principios científicos y de ingeniería para el diseño,
optimización, seguimiento y resolución de problemas de los procesos en
refinería
●
Responsabilidades involucradas:
●
Cálculos de balances de masa y energía
●
Diseño y clasificación de equipos
●
Resolución de problemas en equipos/procesos
●
Seguimiento y optimización del rendimiento de planta
●
Seguridad y operatividad

de equipos
16
Fundamentos del diseño
●
Es la conversión de un requerimiento pobremente definido en un producto
final bien especificado
●
Es una actividad creativa para alcanzar un objetivo
●
Es la actividad en la planta de proceso cuyo trabajo se lleva a cabo mediante
la aplicación de los principios de la ingeniería química a equipos y
operaciones del proceso
●
Está sujeto a muchos tipos de restricciones: algunas son universales y fijas,
otras son específicas pero flexibles
●
La aplicación de la ingeniería química y las disciplinas técnicas, económicas
y comerciales relacionadas al diseño y las operaciones de la planta de
procesos se describe como "Ingeniería de procesos"

de equipos
17
Fundamentos del diseño (Cont.)
●
La conceptualización, desarrollo y aplicación de un diseño o solución
aceptable es una actividad multidisciplinaria que requiere de personal
altamente calificado y tiempo para la selección de los métodos, tecnologías,
condiciones de procesos y materiales .
●
Este diseño o solución es aceptable si y solo si cumple con: las legislaciones,
regulaciones de seguridad, restricciones económicas, recursos disponibles,
leyes físicas, normas/estándares

de equipos
18
Aplicaciones de la ingeniería de procesos
●
Áreas de aplicación: diseño y operación
●
Categorías de diseño:
●
Nuevas plantas y equipamiento
●
Renovación de equipamiento existente: expansión, actualización
mecánica, eliminación de cuellos de botella
●
Reacondiciomiento
●
Actividades de operación
●
Operación normal de procesos
●
Resolución de problemas

de equipos
19
Recursos disponibles en ingeniería de procesos
●
Disciplinas fundamentales de la ingeniería química
●
Flujo de fluidos
●
Transferencia de calor
●
Transferencia de masa
●
Termodinámica
●
Cinética de las reacciones químicas
●
Herramientas de modelado riguroso
●
Simuladores de procesos
●
Software del proveedor de tecnologías
●
Correlaciones empíricas

de equipos
20
Recursos disponibles en ingeniería de procesos (Cont.)
●
Técnicas de cálculo simplificado (Short-cut)
●
Experiencia y sentido común

de equipos
21
Equipos de procesos
●
Representa la infraestructura requerida para un proceso
●
Ejemplos:
●
Intercambiadores de calor
●
Bombas y compresores
●
Instrumentación y control
●
Reactores, separadores y columnas de fraccionamiento
●
Calentadores
●
Válvulas y tuberías
●
Filtros y separadores
●
Depuradores

de equipos
22
Equipos de procesos
Clasificación de los equipos de procesos
●
Normalizados
●
Diseñados y fabricados a partir de criterios predefinidos de tamaño
y/o capacidad
●
La selección implica la coincidencia de los requerimientos del
proceso con los estándares y los diseños disponibles
●
A medida
●
Diseñados y fabricados para cumplir con requerimientos
específicos del proceso
●
Ejemplos: columnas de fraccionamiento, separadores, reactores

de equipos
23
Equipos de procesos
Clasificación de los equipos de procesos
●
Propietario
●
Equipos diseñados y fabricados de acuerdo al conocimiento
desarrollado y patentado por el fabricante para cumplir con los
rendimientos específicos del proceso
●
Ejemplos: separadores de tipo ciclón, depuradores tipo Venturi,
eyectores de chorro de vapor

de equipos
24
Información del diseño de procesos
Esta conformado por un conjunto de aspectos importantes para el diseño de un
proceso. Estos se listan a continuación:
●
Esquema de trabajo o “Flowchart”
●
Bases de diseño
●
Métodos de cálculo
●
Simulaciones por computadora
●
Exactitud y consistencia

de equipos
25
Cálculos de proceso
Esquema de trabajo o “flowchart”
Definición de requerimientos
Desarrollo de las bases de diseño
Recopilación y evaluación de datos
Diagramas de flujo
Dimensionamiento de equipos
Estimación de costos
Diseño final del proceso
Especificación de equipos
Documentación del proceso

de equipos
26
Bases de diseño
Esta etapa del diseño de plantas recopila información importante para la
conceptualización, cálculos y diseños de plantas. Dicha información esta
conformada por:
●
Capacidad de la planta
●
Información de corrientes de procesos y especificación de productos
●
Diagramas de flujo de procesos
●
Modalidades de operación
●
Filosofía de diseño
●
Información de los límites de batería de la planta
●
Información de requerimientos
●
Información de ubicación de la planta

de equipos
27
Filosofía de diseño
Esta definida por cuatro aspectos:
●
Rendimiento: definido por la eficiencia del proceso y equipos. Ejemplos:
fraccionamiento de productos, porcentaje de inundación, carga de platos,
vida del tubo
●
Flexibilidad: capacidad de la planta para integración, arranque/parada,
márgenes de seguridad, almacenamiento intermedio, expansión
●
Eficiencia: factor de flujo, duración de la corrida, recuperación de calor,
generación de servicios, mantenimiento en operación.
●
Fiabilidad: economía del proceso, capacidad de derivación “Bypass”,
patrones de diseño, sistemas seguridad y protección

de equipos
28
Tipos
●
Propiedades de componentes y cálculos de equilibrio
●
Balances de masa y energía
●
Dimensionamiento y diseño de equipos
Métodos
●
Riguroso
●
Empíricos
●
Simpificados “Short-cuts”

de equipos
29
Procedimientos
●
Secuencia de cálculos
●
Presentación de resultados

de equipos
30
Secuencia de cálculo del proceso
Simplificación de la información de las corrientes de proceso
●
Composición de las corrientes
●
Especificación de los productos en los límites de batería
●
Caudales (límites máximos y mínimos)
●
Condiciones en los límites de batería
Flujo de proceso preliminar
●
Diseño del esquema de flujo
●
Numeración de corrientes y equipos
●
Lista de equipos

de equipos
31
Condiciones de operación del proceso
●
Perfiles de presión estimados
●
Perfiles de temperatura estimados
●
Criterios de flujo y composición
Modelado del proceso
●
Desarrollo de diagramas de flujo del proceso
●
Selección de base de datos de propiedades físicas y datos de equilibrio
●
Definición de corrientes/componentes
●
Entrada de especificaciones de proceso
●
Cálculos de convergencia

de equipos
32
Balance de materiales y energía
●
Operación normal y alternativa
●
Evaluación y verificación de resultados
●
Selección de casos de diseño
Compilación de resultados
●
Caudales, composiciones, propiedades
●
Curvas de calor de corrientes de proceso
●
Composiciones de vapor y líquido
●
Propiedades físicas de las corrientes
●
Capacidad de intercambio de calor y carga de equipos

de equipos
33
Diagrama de flujo de procesos final
Balance de materiales y energía
●
Cálculo de capacidad de servicio o dimensionamiento
●
Definición de las características esenciales de diseño
●
Evaluación y selección de equipos
●
Preparación de las hojas de especificación de equipos

de equipos
34
Programas de simulación por computadora
Tipos de programas
●
Hojas de cálculo
●
Simulación en estado estacionario
●
Simulación dinámica
Algunas características a considerar
●
Precisión y alcance
●
Aplicabilidad al proceso
●
Facilidad en su uso
●
Limitaciones
●
Contexto de uso del simulador

de equipos
35
Precisión
Deben considerarse los siguientes aspectos al decidir el mejor nivel de precisión:
●
Suposiciones en las bases de diseño
●
Incertidumbre en los datos de entrada
●
Eficiencia de los métodos de cálculo

de equipos
36
Diagramas de flujo de ingeniería
Diagramas de bloque de bloques
●
Diagrama de flujo de procesos (DFP/ PFD)
●
Presentación detallada del esquema de flujo del proceso, ubicación de
equipos de proceso, cantidades de las corrientes y datos de procesos,
condiciones de operación y modo de control
Diagrama de tuberías e instrumentación (DTI / P&ID)
●
Representación detallada de todos los equipos, tuberías, válvulas y juntas,
indicadores, registradores e instrumentos de control incluyendo válvulas y
lazos de control, sistemas de emergencia, dispositivos de seguridad y alivio,
dispositivos y equipos auxiliares

de equipos
37
Diagramas de bloque de bloques
●
Diagrama de flujo de procesos (DFP/ PFD)
●
Presentación detallada del esquema de flujo del proceso, ubicación de
equipos de proceso, cantidades de las corrientes y datos de procesos,
condiciones de operación y modo de control
Diagrama de tuberías e instrumentación (DTI / P&ID)
●
Representación detallada de todos los equipos, tuberías, válvulas y juntas,
indicadores, registradores e instrumentos de control incluyendo válvulas y
lazos de control, sistemas de emergencia, dispositivos de seguridad y alivio,
dispositivos y equipos auxiliares

de equipos
38
Diagramas de control de proceso
●
Diagramas del sistema de monitoreo y control que incluyen controladores
lógicos programables y tableros de control
Diagrama de distribución del sistema
●
Configuración general orientada al proceso de las principales corrientes de
proceso y servicios con cantidades de flujo, balance de presión y controles
Planos de planta y elevación
●
Identifican las ubicaciones de los equipos, sus elevaciones relativas,
estructuras de soporte y los límites de frontera

de equipos
39
Bibliografía consultada
PDVSA (2017). Descripción general de la industria petrolera y petroquímica nacional.
Programa de formación de ingenieros de procesos CRP
Perry, R. H., Green, D. W., Maloney, J. O. (1997). Perry’s chemical engineer’s handbook
(7ma de.). McGraw-Hill Professional
Peters, M. S., Timmerhaus, K. D., West, R. E. (1991). Plant design and economics for
chemical engineers (4ta ed.). McGraw-Hill Professional

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