Episodio 1: Diagramas de Ingeniería

¡Bienvenidos a las notas de nuestro primer episodio

En este episodio, Carlos González tuvo una charla muy interesante con la Ing. Hana Tanaka de Asahi Kasei (Japón) sobre la importancia fundamental de los diagramas en la ingeniería de procesos. Esta página expande lo discutido y te servirá como un recurso de estudio detallado.

🎧 Audio del Episodio: [Enlace al Podcast en Spotify]

Aplicación al Proyecto del Curso:

Este tema es la base para el desarrollo de su proyecto. Deberán ser capaces de interpretar la información de los PFDs para los cálculos de diseño de cada operación unitaria.
La primera entrega de su proyecto podría incluir la elaboración de un PFD detallado del proceso que seleccionen. </aside>

La esencia del diseño de procesos

Como se menciona en el podcast y se detalla en el Capítulo 2 de "Chemical Engineering Design" de Towler (2021), el diagrama de flujo (flowsheet) es el documento central en el diseño de procesos. Este muestra la disposición de los equipos seleccionados, las conexiones entre corrientes, sus caudales, composiciones y condiciones de operación fundamentales. Es, esencialmente, un modelo diagramático del proceso.

¿Por qué son tan importantes estos diagramas?

Son el principal medio de comunicación y registro de información del proceso entre ingenieros químicos.
Funcionan como base para el trabajo de grupos especializados en diseño de tuberías, instrumentación, equipos y distribución física de la planta (plant layout).
El personal de operaciones los emplea para preparar manuales de operación y capacitar a los operadores.
Durante la puesta en marcha y operación de la planta, el diagrama de flujo sirve como referencia para comparar el rendimiento operativo con el diseño original.
Cuando la planta requiere modernización o adaptación a nuevas especificaciones (revamp), el PFD original sirve como punto de partida para el nuevo diseño.

Tipos de diagramas de flujo (flowsheets)

Existen varios tipos de diagramas de flujo, cuyo uso varía según el nivel de detalle necesario en cada etapa del proyecto.

Diagrama de Bloques (Block Flow Diagram - BFD)

Es la forma más simple de diagrama de flujo. Cada bloque puede representar un equipo individual o una etapa completa del proceso.

BFD para un proceso de reformado con vapor para producir hidrógeno

Utilidad:

Permite visualizar procesos simples o proporcionar una vista general de procesos complejos, separándolos en sus etapas principales. Se utiliza comúnmente en informes, libros de texto y presentaciones para simplificar la representación del proceso. Los caudales y composiciones de las corrientes pueden mostrarse junto a las líneas de flujo o en tablas separadas. Se considera un BFD cualquier esquema de flujo que no muestre todos los equipos del proceso.

Convenciones Clave:

Se representan las operaciones en bloques.
Las líneas de flujo principales incluyen flechas que indican la dirección.
El flujo debe orientarse de izquierda a derecha cuando sea posible.
Los gases (corrientes ligeras) fluyen hacia arriba, mientras que líquidos y sólidos (corrientes pesadas) fluyen hacia abajo al salir de los equipos, excepto en compresores o turbinas.
Debe indicarse la reacción química principal cuando sea relevante para el bloque.
En los cruces de líneas, la horizontal permanece continua y la vertical se segmenta.

Diagrama de Flujo de Proceso (Process Flow Diagram - PFD)

Es un diagrama más detallado que el BFD, que muestra todos los equipos principales, las corrientes de proceso y los servicios auxiliares (utilities). Es el documento definitivo del proceso y debe ser claro, completo y preciso.

PFD simplificado de la producción de ácido nitrico

Contenido esencial:

Equipos Principales: Todos los equipos (reactores, columnas, bombas, intercambiadores, tanques de almacenamiento, etc.) deben tener un símbolo, un número de identificación único y un nombre descriptivo. La codificación sugerida sigue el formato XX-YZZ A/B (ejemplo: P-101 A/B).
Corrientes de Flujo: Todas las corrientes de proceso deben estar numeradas. Los datos para cada corriente se tabulan, generalmente al pie del diagrama. Esta tabla debe incluir:
Flujo de cada componente individual (preferiblemente en kg/h) o composición en fracción másica.
Flujo másico total de la corriente (kg/h).
Temperatura de la corriente (preferiblemente en °C).
Presión nominal de operación requerida.
Balance de Materia y Energía: Todo PFD completo debe incluir un balance detallado de materia y energía.
Válvulas de Control: Se debe indicar la ubicación de todas las válvulas de control, esenciales para el balance de presión y el dimensionamiento de bombas y compresores.

Información opcional:

Composición molar y/o flujos molares.
Entalpía de la corriente (kJ/h).
Propiedades físicas promedio (densidad, viscosidad).
Nombre de la corriente (ejemplo: "DESTILADO COLUMNA BENCENO").

Layout y presentación:

El flujo del proceso va de izquierda a derecha, con recirculaciones de derecha a izquierda.
Los equipos principales deben dibujarse aproximadamente a escala y bien espaciados. Los equipos auxiliares pueden dibujarse fuera de proporción para mayor claridad.
Las corrientes deben conectarse a los equipos según su fase y condiciones de operación (gases por arriba, líquidos por abajo en columnas de destilación).
En procesos complejos, se pueden usar múltiples hojas, señalando claramente las continuaciones de corrientes mediante círculos concéntricos dobles con el número de línea y hoja de continuación.
La tabla de flujos y datos se ubica debajo del layout. Los componentes se listan a la izquierda y pueden repetirse a la derecha en tablas extensas.
La numeración de corrientes debe ser consecutiva o usar series por secciones (ejemplo: serie 100 para alimentación, 200 para reacción).
Es obligatorio incluir datos para todas las corrientes, incluso cuando su composición no varíe, para evitar ambigüedades.
Precisión de Datos: Usar tres o cuatro cifras significativas para los flujos. Las impurezas críticas pueden mostrarse con mayor precisión o en ppm. Los flujos menores no significativos se marcan como "TRAZA". Para componentes ausentes, indicar "Nil" o cero.
Base de Cálculo: Especificar la base para los cálculos del PFD (horas de operación/año, rendimientos de reacción, temperatura de referencia) y las suposiciones principales.
Procesos Batch: Indicar cantidades por lote en vez de flujos horarios. En integración con procesos continuos, señalar las transiciones y flujos como "Normalmente sin flujo" (NNF), mostrando el caudal instantáneo.
Servicios Auxiliares: Mostrar solo las conexiones necesarias en cada equipo, usando abreviaturas estándar (CTW: Agua de Torre de Enfriamiento, MPS: Vapor de Media Presión). Incluir un glosario de abreviaturas.

Diagrama de Tuberías e Instrumentación (Piping and Instrumentation Diagram - P&ID)

Es la evolución del PFD que incorpora detalles exhaustivos de tuberías e instrumentación de control.

Utilidad:

Fundamental para el diseño detallado, construcción, operación, mantenimiento y, especialmente, para análisis de seguridad (como HAZOP) y capacitación de operadores.

Contenido Adicional al PFD:

Información detallada de tuberías: dimensiones, materiales y aislamiento.
Instrumentación completa: sensores, transmisores y controladores, cada uno con identificador único y tipo de señal.
Válvulas completas: manuales, de control, de seguridad (alivio de presión) y de retención (check), incluyendo dimensiones y tipos. Las válvulas de alivio típicamente se ajustan a 1.2 veces la presión de operación.
Líneas de muestreo, drenaje y venteo.
Sistemas de arranque y parada de emergencia.
Interconexiones con servicios auxiliares.
Detalles de la lógica de control.
(Nota: Se abordará con más detalle en el tema de Control de Procesos).

Simbología clave en PFDs

La representación gráfica estandarizada es vital para la comunicación efectiva. Aunque existen normas como ISO 10628 (más común en Europa) y BS 1553 (británica, pero con símbolos muy extendidos en la práctica industrial), muchas compañías desarrollan sus propios estándares internos o adaptaciones. Herramientas como Visio Profesional incluyen bibliotecas con estos símbolos.

Reactores, recipientes, mezcladores y tanques:
- (a) Tambor o recipiente vertical, (b) Recipiente horizontal, (c) Columna empacada/Reactor de lecho fijo, (d) Columnas de platos, (e) Autoclave/Reactor tanque agitado (CSTR), (f) Reactor tubular (PFR), (g) Reactor en serpentín, (h) Decantador de tres fases, (i) Mezclador en línea, (j) Difusor, (k) Tanque abierto, (l) Tanque cerrado, (m) Tanque con techo flotante, (n) Tanque con techo fijo, (o) Esfera de almacenamiento de gas licuado.
Equipos de transferencia de calor:
- (a) Intercambiador de calor (básico), (b) Calentador de fuego directo (radiante), (c) Calentador de fuego directo con recuperación de calor en sección convectiva, (d) Intercambiador de carcasa y tubos, (e) Enfriador por aire (Aeroenfriador), (f) Haz de tubos o rehervidor insertado, (g) Rehervidor tipo Kettle, (h) Intercambiador de tubos aletados, (i) Intercambiador de tubos en U, (j) Serpentín de calefacción o enfriamiento, (k) Intercambiador de placas, (l) Calentador eléctrico, (m) Torre de enfriamiento.
Equipos de manejo de fluidos (bombas, compresores, etc.):
- (a) Bombas centrífugas, (b) Bombas/Compresores reciprocantes, (c) Bomba/Ventilador de desplazamiento positivo, (d) Bomba de engranajes, (e) Compresor axial/centrífugo, (f) Turbina, (g) Eyector.
Equipos de manejo de sólidos:
- (a) Tolva/Silo, (b) Transportador de banda, (c) Transportador de tornillo, (d) Elevador, (e) Ciclón, (f) Mezclador de sólidos, (g) Extrusor, (h) Mezclador de cinta, (i) Triturador, (j) Molino de martillos, (k) Molino de bolas, (l) Filtro (básico), (m) Filtro de tambor, (n) Centrífuga, (o) Centrífuga de disco, (p) Torre de Prilling/Secador por aspersión, (q) Secador de banda, (r) Secador de bandejas, (s) Secador rotatorio, (t) Granulador o aglomerador rotatorio.
Símbolos generales y de conexión:

Importante: Prestar atención al contexto. Un símbolo de "mezclador" puede referirse a un mezclador en línea, un tanque de mezcla de sólidos en líquido o un agitador dentro de un tanque; el símbolo específico aclara la intención del diseñador.