Procesos químicos.

La Materia que nos rodea ofrece grandes beneficios útiles
para nuestro desarrollo evolutivo, por lo tanto el Hombre se
ha preocupado por Observarla; Conocerla y Transformarla y
todo esto por una razón muy elemental ya que del mundo
natural que lo rodea debe extraer sus medios de vida. La
historia de la química abarca un periodo de tiempo muy
amplio, que va desde la prehistoria hasta el presente y está
ligada al desarrollo cultural del hombre y su conocimiento de
la naturaleza.
Historia de la Química.

Las civilizaciones antiguas ya usaban tecnologías que
demostraban su conocimiento del uso de la materia, y
algunas servirían de base a los primeros estudios de la
química. Entre ellas se cuentan: la extracción de los metales
de sus menas, la elaboración de aleaciones como el bronce,
la fabricación de cerámica, esmaltes y vidrio, las
fermentaciones de la cerveza y del vino, la extracción de
sustancias de las plantas para usarlas como medicinas o
perfumes y la transformación de las grasas en jabón.
Historia de la Química.

La Química es la rama de las Ciencias Naturales que estudia
las Propiedades, Composición y Estructura de la Materia
asimismo las Transformaciones de Estructura y Composición
que tienen lugar en la misma, tanto Naturalmente como
provocadas Artificialmente así como los intercambios de
Energía que acompañan a tales modificaciones.
La Química.

Procesos Químicos.
Un proceso químico a escala industrial es un
conjunto de operaciones que implican
reacciones químicas y transformaciones
físicas, interrelacionadas entre sí, dirigidas a
la obtención de determinados productos
finales a partir de materias primas que, en
general, se aportan a la fase inicial.

Lewis Rangel
Esquema simple de un proceso químico industrial
Procesos Químicos.

Productos intermedios, subproductos, residuos e
impurezas
Sustancias que intervienen en un proceso

Parámetros de un proceso químico

Tipos de Procesos Químicos.
Intermitentes o Por Lotes
Continuos o Semicontinuos
Estado Estacionario o Transitorio.

Procesos intermitentes o por lotes: En éste proceso la
alimentación se carga al comienzo del proceso en un
recipiente, y transcurrido cierto tiempo, se retira el contenido
de dicho recipiente. No hay transferencia de masa más allá
de los límites del sistema desde el momento en que se carga
la alimentación hasta que se retira el producto. Un ejemplo es
agregar con rapidez reactivos en un tanque y retirar los
productos y reactivos no consumidos transcurrido
determinado período, cuando el sistema haya alcanzado el
equilibrio.

Proceso continuo: En éste proceso las corrientes de
alimentación y descarga fluyen de manera continua durante
todo el proceso. Un ejemplo sería bombear una mezcla de
líquido a velocidad constante hacia una columna de
destilación y retirar de manera uniforme las corrientes de
productos por la parte inferior y superior.
Proceso Semicontinuos: Es cualquier proceso que no sea
intermitente o continuo. Un ejemplo es permitir que el
contenido de un recipiente con gas tras superar una cierta
presión escape a la atmósfera.

Proceso estacionario: Si los valores de todas las variables
del proceso (volumen, velocidad de flujo) no cambian con el
tiempo, se dice que el proceso opera en estado estacionario.
Proceso transitorio: Si cualquiera de las variables del
proceso (temperatura, presión) cambia con el tiempo se dice
que la operación es transitoria o no estacionaria. Por su
naturaleza, el proceso por lotes o semicontinuos son
operaciones en estado transitorio.

Representación de los procesos Químicos
Síntesis o
diseño
• Implica definir las entradas y salidas del sistema, en este las características de materias primas y
productos deseados y estipular la estructura del proceso que se requiere para llevar a cabo la
transformación deseada de los reactivos a productos.
Análisis o
simulación
• Definir las entradas o materias primas y el diagrama de flujo del proceso para indagar las salidas que
se pueden obtener.
Optimización
• Una vez que se agotan los grados de libertad en forma de variables de diseño, se plantea una función
objetivo que trata de minimizar algún tipo de entradas o costos del proceso, para en función de este
objetivo obtener las mejores variables de diseño.

Diagrama de Flujo
Que es un diagrama de flujo
El diagrama de flujo es una representación gráfica de la secuencia de pasos que se realizan
para obtener un cierto producto. En el deben estar indicadas todas las entradas y salidas del
sistema y de cada una de las subunidades en que se pueda dividir este, de manera que recoja
la información sobre las propiedades de las distintas entradas y salidas. Sirven para
proporcionar información clara, ordenada y concisa sobre el proceso global y sus diversas
partes.
Desarrollo de un diagramas de flujo
La transformación de materias primas disponibles en productos deseados comienza a
conceptualizarse mediante el desarrollo de un diagrama de flujo del proceso que se esta
diseñando.

Desarrollo de un Diagrama de Flujo
Definir las reacciones involucradas
Establecer la distribución de especies
Diseñar los sistemas de separación
Diseñar los sistemas de integración de energía
Incorporar criterios de seguridad de procesos
Analizar los aspectos ecológicos pertinentes
1
2
3
4
5
6

Definir las reacciones involucradas
Definir las reacciones involucradas. El objetivo de la primera etapa es llenar
con reacciones química el camino entre la entrada y la salida del sistema. Esto
define inicialmente el número de reactores que constituyen la parte
fundamentalmente del proceso. Se requiere una búsqueda y la recopilación
debe incluir las condiciones de la reacción, uso de catalizadores, grados de
conversión, etc. Esto implica que las reacciones ya se han explorado
experimentalmente y que en un momento dado forman parte, pueden llegar a
hacerlo, de un ambiente industrial.

Establecer la distribución de especies
Establecer la distribución de especies. La distribución de especies establece
las conexiones primarias entre los reactores: la materia prima de alguno de
ellos puede ser el producto de otro de los reactores, lo cual establece el orden
de los equipos de reacción en el diagrama de flujo.

Diseñar los sistemas de separación
Diseñar los sistemas de separación. La distribución de especies proporciona
también las necesidades de separación de componentes, debido a que
comúnmente la corriente de salida de un reactor tiene componentes
adicionales a los requeridos en otro reactor subsecuente, y a que los productos
del proceso requieren altos grados de pureza.

Diseñar los sistemas de integración de energía
El aspecto económico del sistema se mejora al aprovechar la energía de las
corrientes disponibles en el proceso, con el objeto de reducir el consumo de
energéticos en forma de servicios (vapor y agua de enfriamiento). Para esto,
es conveniente pensar en el diseño de redes de intercambiadores de calor a
partir de las corrientes involucradas en el proceso.

Incorporar criterios de seguridad de procesos
Los aspectos de seguridad en muchos casos son esenciales y debe
incorporarse desde la creación del proceso. Como aquellos casos donde la
interacción de dos componentes presentes en el proceso produce situaciones
explosivas. (Estos procesos pueden tratar con sustancias de alta reactividad
química, alta toxicidad, y alta corrosividad operando a altas presiones y
temperaturas, Estas características pueden llevar a una variedad de serias
consecuencias incluyendo explosiones, daño ambiental y a la salud de las
personas.) La incorporación de estrategias de control toman un papel
fundamental para lograr este objetivo.

Analizar los aspectos ecológicos pertinentes
Se requiere asegurar que el proceso maneja adecuadamente sus desechos sin
un daño ecológico. Esto ha dado pie un proceso conocido como tecnologías
limpias, lo que hoy en día constituye un requisito fundamental en la creación
de nuevos procesos.

• Diagrama de Flujo en Bloque (DFB)
– Diagrama en bloque de flujo de proceso
– Diagrama en bloque de flujo deplanta
• Diagrama de Flujo del Proceso (DFP)
• Diagrama de Tuberías e Instrumentación. (P&ID)

Diagramas de Flujo en Bloque (DFB)
Es una serie de bloques conectados con corrientes de
entrada y salida.
Este incluye condiciones de operación (temperatura y
presión) y otras informaciones importantes como conversión y
recuperación. No provee detalles sobre lo que está envuelto
en cada bloque.

Diagrama de flujo en bloque de proceso para la producción de benceno
Diagramas en bloque de flujo de proceso

La operación es mostrado por bloques
Las principales líneas de flujo mostradas con flechas siguen la dirección del flujo
Los flujos van de izquierda a derecha
Las corrientes de gases livianos van al tope, las corrientes pesadas (líquidos y sólidos) hacia el fondo.
Solo se muestra la información crítica
Si las líneas se cruzan, entonces la horizontal es continua y la vertical es partida.
Se provee un balance de materiales simple
Convenciones y formato recomendado para el trazado de un “diagrama en bloque de flujo de proceso”

Diagramas de Flujo en Bloque de planta
Diagrama de flujo en bloque de una planta de carbón a alcoholes combustibles de proceso

Lewis Rangel
Ambos tipos de diagramas son usados para explicar la
operación general de plantas químicas
Diagramas en bloque de flujo de planta

Diagramas de Flujo de Proceso (DFP)
Representa un gran salto del diagrama de flujo en bloque en
términos de la cantidad de información que contiene en
comparación con el DFB.
Contiene el global de los datos de ingeniería química
necesarios para el diseño de un proceso químico.

Todas las principales piezas de equipos en el proceso están representadas en el diagrama junto con una descripción
del equipo. Cada pieza de equipo tendrá asignado un número único y un nombre descriptivo.
Todas las corrientes del proceso serán mostradas e identificadas con un número. Se incluye una descripción de las
condiciones del proceso y de la composición química de cada corriente. Estos datos se pueden mostrar
directamente en el DFP o en una tabla resumen que acompaña al DFP.
Todas las corrientes de servicio suplidas a los principales equipos del proceso serán mostradas.
Los lazos de control básicos, que ilustran la estrategia de control usada para operar el proceso en condiciones
normales de operación, serán mostradas
Un DFP comercial típico contendrá esta información

Específicamente, cierta información será presentada en
tablas acompañantes y solo la información esencial del
proceso será incluida en el DFP. Los DFPs resultantes
retendrán claridad de presentación, pero el lector debe
referirse a las tablas resumen de equipos y flujos para extraer
la información requerida acerca del proceso.
La información básica provista por un DFP se puede clasificar en:
Topología del proceso
Información sobre las corrientes
Información sobre los equipos

Topología del proceso
La localización de los equipos y la interacción entre ellos y las
corrientes del proceso es referido como topología del proceso
Los equipos son representado como iconos que identifican
operaciones unitarias específicas. Aunque la “American Society of
Mechanical Engineers”, ASME, publica un juego de símbolos para
usar en la preparación de DFP, algunas compañías pueden usar sus
propios símbolos.

Diagrama de flujo del proceso de hidrodealquilación de tolueno.

Símbolos para la construcción de Diagramas de flujo de proceso.

Equipos de proceso Formato General XX-YZZA/B
XX son las letras de identificación para la clasificación de los equipos
C – Compresor o Turbina
E – Intercambiador de calor
H – Calentador, horno
P – Bomba
R – Reactores
T – Torres
TK- Tanque de almacenamiento
V – Vasijas
Y – designa un área dentro de la planta
ZZ – son la designación en números para cada item en una dada clase
de equipos.
A/B identifica unidades paralelas no mostradas en un DFP
Información suplementaria Descripción adicional de equipos dadas sobre el tope de un DFP.
Convenciones usadas para la identificación de equipos de proceso

Consideremos la unidad de operación P-101A/B, para ver el significado de
cada número y letra:
P-101A/B identifica que el equipo es una bomba
P-101A/B indica que la bomba está localizada en el área 100 de la planta
P-101A/B indica que esta bomba es la número 01 del área 100
P-101A/B indica que hay dos bombas idénticas P101A y P101B. Una
bomba opera la otra es de reserva.

Una lista de servicios comunes es dada en la Tabla siguiente, la cual provee una guía para la identificación de las
corrientes de proceso
Corrientes de proceso
Todas las convenciones se aplican
Símbolo encerrado en una caja en forma de diamante localizado en la línea de flujo
Identificación numérica (único para cada corriente)
Dirección de flujo mostrada por flechas sobre las líneas de flujo
Corrientes de servicio
lps Vapor de baja presión: 3 – 5 barg (sat)*
mps Vapor de presión media: 1 – 15 barg (sat)*
hps Vapor de alta presión: 40 – 50 barg (sat)*
htm medio de transferencia de calor (orgánico): a 400 ºC
cw agua de enfriamiento: de torre de enfriamiento 30 ºC retorna a menos de 45 ºC
wr agua de rio: de 25 ºC retorna a menos de 35 ºC
rw agua refrigerada: Entrada a 5 ºC retorna a menos de 15 ºC
rb brine refrigerado: entrada a –45 ºC retorna a menos de 0 ºC
cs Agua de desecho químico
ss Agua de desecho sanitario
el Calor eléctrico (especificar servicio 220, 440, 660 V)
ng Gas natural
fg Gas combustible
fo Fueloil
fw fire water
* Estas presiones son establecidas durante las etapas de diseño preliminaries y los valores típicos varían en el rango estipulado

Información sobre las corrientes
Para diagramas pequeños con pocas operaciones , las características de
las corrientes tales como temperatura, presión, composición y
velocidades de flujo pueden ser mostradas directamente en la figura,
adyacente a la corriente.
Esto no es práctico para un diagrama más complejo. En este caso, solo
el número de la corriente es provisto sobre el diagrama. La información
sobre las corrientes se coloca en una tabla resumen anexa al diagrama.

Información provista en un DFP
Información Esencial
Número de la corriente
Temperatura (ºC)
Presión (bar)
Fracción de vapor
Velocidad de flujo másico total (Kg/h)
Velocidad de flujo molar total (Kmol/h)
Velocidades de flujo de los componentes individuales (Kmol/h)
Información opcional
Fracciones molares de los componentes
Fracciones másicas de los componentes
Velocidades de flujo de los componentes individuales (Kg/h)
Velocidades de flujo volumétrico (m3/h)
Propiedades físicas significativas: Densidad, Viscosidad, Otras
Datos termodinámicos: Capacidad calórica, entalpía de la corriente
Nombre de la corriente

Corriente numero 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19
Temperatura C
Presión (bar)
Fracción de vapor
Flujo másico (Ton/h)
Flujo molar (kmol/h)
Flujo molar de los
componentes (kmol/h)
Hidrógeno
Metano
Benceno
Tolueno
25
1.90
0.0
10.0
108.7
0.0
0.0
0.0
108.7
59
25.8
0.0
13.3
144.
2
0.0
0.0
1.0
143.
2
25
25.5
1.0
0.82
301.
0
286.
0
15.0
0.0
0.0
225
25.2
1.0
20.5
120
4.4
735.
4
317.
3
7.6
144.
0
41
25.5
1.0
6.41
758.
8
449.
4
302.
2
6.6
0.7
600
25.0
1.0
20.5
120
4.4
735.
4
317.
3
7.6
144.
0
41
25.5
1.0
0.36
42.6
25.2
16.9
5
0.37
0.04
38
23.9
1.0
9.2
110
0.8
651.
9
438.
3
9.55
1.05
654
24.0
1.0
20.9
124
7
652.
6
442.
3
116.
0
36.0
90
2.6
0.0
11.6
142.2
0.02
0.88
106.3
35.0
147
2.8
0.0
3.27
35.7
0.0
0.0
1.1
34.6
112
3.3
0.0
14.0
185.2
0.0
0.0
184.3
0.88
112
2.5
0.0
22.7
290.7
0.02
0.88
289.4
6
1.22
112
3.3
0.0
22.7
290.7
0.0
0.0
289.4
6
1.22
38
2.3
0.0
8.21
105.6
0.0
0.0
105.2
0.4
38
2.5
1.0
2.61
304.6
178.0
123.2
2.85
0.31
38
2.8
1.0
0.07
4.06
0.67
3.10
0.26
0.03
38
2.9
0.0
11.5
142.2
0.02
0.88
106.3
35.0
112
2.5
1.0
0.01
0.90
0.02
0.88
0.0
0.0

Información sobre los equipos
El elemento final del DFP es el resumen de equipos. Este resumen provee la información
necesaria para estimar los costos de equipos y suministra las bases para el diseño
detallado de los equipos.
La información presentada en la Tabla 1.6 es usada para preparar la porción de resumen de
equipos del DFP para el proceso del benceno. En la Tabla 1.7, se muestra la tabla resumen
de equipos del DFP del proceso para obtener benceno. Los detalles de cómo se estiman y
escogen los parámetros de los equipos serán discutidos en el capítulo 9

Descripción de equipos para DFP y PIDs
Tipo de Equipo
Descripción del Equipo
Torres
Tamaño (altura y diámetro), Presión y Temperatura
Numero y tipo de bandejas
Altura y tipo de relleno
Materiales de Construcción
Intercambiadores de Calor
Tipo: Gas-Gas, Gas-liquido, liquido – liquido, condensador, vaporizador
Proceso: Necesidad de Intercambio de calor, Área, Temperatura y presión para ambas corrientes
Numero y paso de los tubos
Materiales de construcción: tubos y carcasa
Tanques
Ver recipientes
Recipientes
Altura, diámetro, orientación, presión, temperatura, Materiales de Construcción
Bombas
Flujo, descarga, presión, temperatura, P, tipo de motor, potencia de eje, materiales de construcción
Compresores
Velocidad de flujo de entrada, Temperatura, presión, tipo de motor, potencia del eje, materiales de construcción
Calentadores (fired)
Tipo, presión del tubo, temperatura del tubo, Intercambio de calor, combustible, material de construcción
Otros
Información critica

Combinación de la topología del proceso, datos de las corrientes y estrategia de control para dar un DFP:
Hasta este punto, hemos mantenido la cantidad de información del proceso mostrada en el DFP en un mínimo.
La información sobre las corrientes es añadida al diagrama por medio de avisos con diferentes formas que indican la
variable especificada así como las unidades escogidas.
La tabal de flujos presentada (Información provista en un DFP), el resumen de equipos presentado (Descripción de
equipos para DFP y PIDs), y el DFP constituyen juntos la información contenida sobre un DFP producido
comercialmente.
El DFP es el primer diagrama comprensivo dibujado para una nueva planta o proceso. Este provee la información
necesaria para entender el proceso químico. Además se da suficiente información sobre los equipos, balances de
material y energía para establecer el protocolo de control del proceso y preparar estimados de costos para
determinar la viabilidad económica del proceso.
El valor del DFP no finaliza con la construcción de la planta. Este es el documento que mejor describe el proceso y
es usado por los operadores e ingenieros. Debe ser consultado regularmente para diagnosticar problemas de
operación y para predecir el efecto de los cambios sobre el proceso

DIAGRAMAS DE TUBERÍAS E INSTRUMENTACIÓN (P&ID)
Un P&ID nos muestra todas las partes principales del proceso como
recipientes, líneas y maquinaria, pero con la instrumentación asociada
superpuesta en el mismo diagrama mostrando lo que se esta midiendo y que
se esta controlando.
provee la información necesaria para que los ingenieros comiencen a
planificar la construcción de la planta. El P&ID incluye todos los aspectos
mecánicos de la planta.

SIMBOLOS Y DIAGRAMAS
Son usados en el control de procesos para indicar:
1. La aplicación en el proceso.
2. El tipo de señales empleadas.
3. La secuencia de componentes interconectadas.
4. La instrumentación empleada.
La SOCIEDAD DE INSTRUMENTISTAS DE AMERICA (ISA) publica normas para
símbolos, términos y diagramas que son reconocidos en la industria.

Identificación del instrumento
Se utilizan letras y números para identificar a los instrumentos.
La primera letra: representa a la variable del proceso.
a) Flujo: F
b) Nivel: L
c) Presión: P
d) Temperatura: T
e) Peso: W
f) Tiempo: K
g) Humedad: M
h) Concentración: A

Exclusiones de un P&ID
1. Condiciones de operación T, P
2. Corrientes de flujo
3. Localización de los equipos
4. Pipe routing
a) Largos de tubería
b) Ajustes de tubería
5. Soportes, estructuras y fundaciones

Exclusiones de un P&ID
Para Equipos- Mostrar todas las piezas incluyendo
Unidades sobrantes
Unidades paralelas
Detalles resumidos de cada unidad
Para Tuberías- Incluir todas las líneas incluyendo drenajes, conexiones de muestra y
especificar
Tamaño (usar tamaños estándar)
Catalogo (espesor)
Materiales de construcción
Aislamiento (espesor y tipo)
Para Instrumentos- Identificar
Indicadores
Registradores
Controladores
Mostrar instrumentos en línea
Para Servicios-Identificar
Entrada de los servicios
Salida de los servicios
Salida a las facilidades de tratamiento de desechos
Convenciones en la construcción de Diagramas de tuberías e Instrumentación

Lewis Rangel
 Líneas de instrumentación (se dibujan más finas que las de proceso)
Conexión a proceso, o enlace mecánico o alimentación de instrumentos.
Señal neumática
Señal eléctrica
Señal eléctrica (alternativo)
Tubo capilar
Señal sonora o electromagnética guiada (incluye calor, radio, nuclear, luz)
Señal sonora o electromagnética no guiada
Conexión de software o datos
Conexión mecánica
Señal hidráulica

Las letras posteriores nos indican el tipo de medición
y las funciones del instrumento, por ejemplo, la
última letra indica la función principal del
instrumento y la penúltima letra indica la función
auxiliar .Adicionalmente puede existir una segunda
letra que me modifica el proceso principal.
Ejemplo: F R C 102 A

Para el Ejemplo mostrado
F R C 102 A
• Función Principal C: Controlador
• Función Auxiliar R: Registrador .
Entonces FRC significa Controlador Registrador de Flujo.

Localización de Instrumentación
Instrumento localizado en la planta
Instrumento localizado sobre el frente del panel en la sala de control
Instrumento localizado en la parte de atrás del panel en la sala de control
Significado de las letras de Identificación XYY
Primera Letra (X)
A Análisis
B Quemador de Llama
C Conductividad
D Densidad o gravedad específica
E Voltaje
F Velocidad de Flujo
H Mano (iniciado manualmente)
I Corriente
J Potencia
K Tiempo
L Nivel
M Humedad
O
P Presión o Vacío
Q Cantidad
R Radioactividad o Relación
S Velocidad o Frecuencia
T Temperatura
V Viscosidad
W Peso
Y
Z Posición
Segunda o Tercera Letra (Y)
Alarma
Elemento
Alto
Indicador
Estación de Control
Liviano o Bajo
Medio o intermedio
Orificio
Punto
Registro o Printer
Suiche
Transmisor
Válvula, Amortiguador
Bueno
Relee
Motor
Identificación de las conexiones del Instrumento
Capilarmente
Neumática
Eléctrica

ejemplo
Ejemplo de representación de un lazo de control: Lazo de control de p
representación de un lazo de control: Lazo de control de presión

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