FUNDAMENTOS DE DISEÑO DE PLANTAS PARA ESTUDIANTES DE INGENIERÍA QUÍMICA I

La idea de estos artículos consiste en recopilar en forma ordenada una serie de ideas que sirvan para que un egresado de la Carrera de Ingeniería Química pueda diseñar una planta pequeña de producción, que le sirva para generar su sustento, en vez de tener que salir a solicitar trabajo.

La “experiencia” necesaria para diseñar una planta

Existe la idea de que es necesario que el diseñador de una planta debe tener “experiencia” es el diseño de plantas. Yo discrepo respetuosamente de ese criterio y pienso que la experiencia adquirida durante el estudio de la Carrera de Ingeniería Química debería ser más que suficiente para que un egresado pueda diseñar una planta que tenga un reactor unas dos os tres bombas, unas pocas tuberías y quizá una columna de absorción o destilación, y que si durante los años de estudio no ha adquirido la “experiencia” de que hablamos, entonces se debe revisar el curriculum de la Carrera, porque la misión de un Ingeniero Químico es diseñar plantas de procesos químicos, salvo mejores criterios.

Lo que queda dicho implica que hacerle diseñar a un estudiante una planta de 500 toneladas por día de producción es una pérdida de tiempo, porque a ningún estudiante recién graduado le van a poner al frente del diseño de una planta grande, y porque de lo que hablaremos aquí es del diseño de plantas pequeñas.

Las “herramientas” necesarias para diseñar plantas

Pienso que cuando se habla de la “experiencia”, en realidad se quiere hacer referencia a las “herramientas” o –tal vez mejor dicho-, se hace referencia al conocimiento que se requiere para afrontar el diseño de una planta pequeña.

En este sentido, es obvio que se necesita manejar el dibujo, que ventajosamente hoy en día se hace mediante AutoCAD, que se requiere representar la simbología de equipos y otros componentes de una planta, para lo cual –hasta ahora, se recurre a los estándares ANSI, que ya están hechos desde hace muchísimos años.

También es evidente que se requiere del criterio adquirido durante el estudio de los fenómenos de transporte de masa, energía, y momentum, y de las normas específicas que se requieran respecto de tuberías y otros aditamentos que sean necesarios deben conocerse.

Estas son, entre otras, algunas de las razones por las que Diseño de Plantas es un curso de último semestre y se enseña cuando el alumno ya está formado como Ingeniero Químico, y no cuando recién entra a estudiar la Carrera de Ingeniería Química.

¿Cómo integrar las “herramientas” de diseño

Las herramientas o elementos de diseño consisten de los documentos de diseño, -y tal vez más importante que aquellos- en que el diseñador tenga las ideas claras acerca de lo que quiere hacer. Las herramientas son, entonces, las siguientes

El modelo mental del proceso (MMP)

El MMP es una imagen tridimensional de la configuración del proceso, que se forma en la mente del diseñador (usted, estimado lector). Esto es así porque nadie en su sano juicio hace las cosas sin pensarlas, y porque es usted el que quiere llevar a cabo una transformación química que –en la mayoría de los casos involucra reacción, que posiblemente usted ya la haya llevado a cabo en el laboratorio, o que usted conoce por referencias bibliográficas.

Si el caso es como queda dicho usted ya conoce, o tiene bastante adelantada la lógica del proceso, que implica los materiales que deben reaccionar, sus propiedades; y cuáles los materiales de construcción que deberá usar así como las temperaturas y presiones a las que va a realizar la reacción así como los equipos y tamaños aproximados que deberá interconectar, y en qué orden deberá hacerlo (a esto último se conoce como la configuración del proceso).

Una vez que tiene claro (o tan claro como sea posible) cuál debería ser la configuración del proceso deberá realizar los balances de masa y energía imprescindibles para conocer si se está hablando de una producción de mil cien, o de cien mil.

Habiendo transitado por el camino que queda indicado, deberá usted generar, a mano alzada (el AutoCAD viene después) un diagrama preliminar de flujo del proceso, y si su país no tiene industria petroquímica deberá usted imaginarse cómo ya qué precios obtendrá usted sus materias primas, como las transportará a la instalación industrial que en su mente ha concebido, y cómo se deshará usted de los productos de deshecho del proceso.

Si luego de haber realizado lo que queda indicado en el párrafo anterior el proceso todavía parece factible a nivel lógico (si no estamos hablando de 500 toneladas al día o 40,000 kW de potencia) entonces deberá usted pasar a emplear la primera herramienta del diseño de plantas, que describimos a continuación.

El diagrama de flujo del proceso (DFP)

Es una representación bidimensional que se dibuja usando simbología ANSI de Ingeniería Química en tantas láminas como sean necesarias (tamaños A0, A1, A2, etc.) en donde se representan los equipos y las principales tuberías del proceso conjuntamente con un balance de masa y energía.

Constituye el documento base del diseño porque en él constan todos los equipos principales del mismo, agrupados en plantas, las corrientes principales, numeradas, y en la parte inferior de cada lámina se representan los flujos másicos, conjuntamente y sus temperaturas.

La persona que lo posee, o lo examina, conoce –si es Ingeniero Químico- las cantidades de materia prima, de productos intermedios y de productos finales que el proceso produce e –indirectamente- las capacidades y condiciones de proceso de cada uno de los equipos que en él intervienen, que deben estar adecuadamente identificados utilizando el sistema “padre-hijo”, que se menciona brevemente más adelante, y que se conocen como “posiciones”.

Así, por ejemplo se puede hablar de la posición TK-100, de la bomba B-201, o de la válvula FCV-322, y se conoce –en nomenclatura ANSI (American National Standards Institute)- que el TK-100 es un “padre” que es el equipo más importante y que se encentra en la “posición 100”, y que la B-201 es una bomba, “hija” que pertenece a la posición 200; y que la FCV-322 es una válvula de control de flujo que pertenece a la posición 300.

Así como las posiciones y los equipos están denominados en las láminas de dibujo, deben estar marcados en caracteres de tamaño adecuado en la instalación industrial misma para que la persona que, con el DFP en la mano busca un equipo o una posición (los bomberos constituyen un buen ejemplo) pueda ubicarlo biunívocamente (a una posición corresponde un equipo, y cada equipo corresponde a una posición).

Respecto de esto, que tiene que ver con seguridad y eficiencia de proceso la siguiente regla enunciada por Chris Rutter, de Brady Worldwide, Inc. merece observarse, respetarse y seguirse: “In lean manufacturing, the general rule of thumb is that anyone should be able to walk into a workplace and identify the flow of work being done within 60 seconds.

Un ejemplo de notación padre-hijo se puede apreciar a continuación, en la Figura 1, donde se representa un reactor tanque agitado de fondo plano que es el “padre” de esa planta de la instalación industrial, y que –como tal- se ha denominado REACTOR R-200.

Figura 1. Ejemplo de uso de designación "Padre-Hijo

Figura 1. Ejemplo de uso de designación “Padre-Hijo”

Los “hijos”, son, en este caso, la válvula de descarga, la válvula de muestreo, y el motoreductor. En calidad de “hijos” sus numeraciones, sin perjuicio de los prefijos tales como VM, o M, que los crea el diseñador, deben empezar con el número 2 porque son “hijos” del del “Padre” 200, y deben consistir, de preferencia, de tres dígitos. Los designadores numéricos de los “hijos” no necesariamente deben ser consecutivos.

Los nombres tanto de los padres como de los hijos son teóricamente eternos, duran lo que dura la instalación industrial, y se deben aplicar en toda la documentación en que se haga referencia a ellos, como por ejemplo en las hojas de especificación, sin importar si se trata de un equipo de reemplazo.

Por ejemplo: Si en algún momento se debe reemplazar el MT-240, se debe generar una nueva hoja de especificación que indique las  características del nuevo MT-240, y que –aún si el reemplazo tiene las mismas características,  indique que se trata de un reemplazo del MT-240. Esto significa que el equipo reemplazante debe conservar la designación MT-240.

El sistema “padre-hijo” es importante, y conveniente, también desde el punto de vista administrativo ya que un encargado de llevar los inventarios no tiene por qué saber que la bomba B-422, pertenece a la posición 400, pero si se le explica cómo funciona el sistema “padre-hijo” podrá ubicar la bomba y no podrá menos que saber que forma parte de la posición 400.

En el caso del ejemplo se deberían haber generado designadores (que así se llama a la combinación alfanumérica que los distingue) para el eje motriz, para las turbinas y para cada una de sus paletas, así como para la chumacera horizontal que le da estabilidad al eje motriz.

El ejemplo de la conservación de la denominación es válido también para el R-200. Si debe ser reemplazado por un equipo más grande, por ejemplo, el descriptor seguirá siendo R-200 aunque su hoja de especificaciones cambie y en la nueva hoja deba constar que el nuevo equipo R-200 reemplaza al antiguo equipo de la misma denominación.

El adecuado mantenimiento y actualización de la documentación de una instalación industrial, constituida por plantas (de sulfonación, de neutralización, etc.) es importantísimo.

Si no se lleva a cabo adecuadamente al paso de los años nadie sabe cuáles son las tuberías que están enterradas, ni por donde van, ni las capacidades exactas de los equipos, ni los pesos, ni las características, lo que convierte toda reparación o mantenimiento en una aventura que no se sabe cuándo va a terminar, ni qué efectos pueda tener.

El diagrama de instrumentación y tuberías (P&ID)

Como su nombre lo indica el PID está constituido por un juego de planos que identifican, por código la longitud, el material, y el diámetro nominal de cada una de las tuberías de cada planta de la instalación, el fluido que transportan, así como la ubicación de los controladores conjuntamente con su designación de acuerdo a ISA (Instrument Society of America), sin perjuicio de que, en la instalación misma se usen los códigos de color que especifica la NFPA (National Fire Protection Association, nfpa.org).

Esta “herramienta” de diseño de plantas tiene que ser validada por medio de simulación porque “el papel aguanta todo, pero el proceso no”.

En la figura siguiente se puede apreciar que la simulación demostró que para que la bomba B1 dispusiese de un adecuado NPSH, hubo de colocarse un tanque (una capacitancia) corriente arriba de ella.

De antemano me adelanto a expresar mis disculpas de que en el diagrama de la Figura 2 no se usó el sistema “Padre-Hijo”, como habría sido del caso, ni las tuberías están identificadas por código porque el dibujo fue parte de un borrador de un libro que quedó sin escribirse.

Figura 2. Adición de tanque de carga para bomba B-2

Figura 2. Adición de tanque de carga para bomba B-1

Distribución en planta o Plant Layout

La tercera “herramienta” del Diseño de Plantas, es la Distribución en Planta o Plant Layout.

Consiste la herramienta en un juego de planos en el que las plantas de la instalación industrial se ven vista en planta (desde arriba) y en elevación, con los cortes que sean necesarios, o preferiblemente en tres dimensiones, o en maqueta.

La vista en planta sirve para visualizar lo que se conoce como patios de tuberías, que muestran las bandejas de tuberías y las siluetas de los equipos así como las zonas de circulación de vehículos, las zonas de circulación de peatones (obreros que trabajan en la instalación y visitantes) así como los espacios imprescindibles necesarios para realizar el mantenimiento preventivo de calderos e intercambiadores de calor que implican la remoción física de haces de tubos, y –last but not least- los espacios y accesos necesarios para el montaje de equipo pesado, y para el equipo de montaje como grúas, por ejemplo.

Breves comentarios al uso de las “herramientas” del Diseño de Plantas

Es necesario enfatizar que el alcance de estos comentarios que pretendo irlos desarrollando, si es posible con un caso muy sencillo que ilustre la aplicación de las herramientas se limita a plantas pequeñas, pero que así y todo las herramientas deben aplicarse para que el diseño tenga calidad profesional y el crecimiento de la planta tenga una adecuada documentación.

Un aspecto muy importante de las herramientas que quedan mencionadas, es que su aplicación no es siempre secuencial, sino más bien iterativa, y que esto se debe a que, por ejemplo, el momento en que la simulación indica, como se muestra en la Figura 2, que se debe incluir el tanque TK-300, hay que hacer espacio para su instalación, y que eso puede muy bien significar la reubicación de los equipos de una o varias plantas, el alargamiento de las tuberías, y –naturalmente- la inclusión del tanque mencionado el DFP, lo que implica rehacer el DFP lo que, aún con el AutoCAD, es un trabajo que toma tiempo y debe recomenzarse desde el principio.

En todo caso y tal vez como recomendación final de este artículo se debe indicar que el nivel de detalle de las tres herramientas mencionadas debe ser suficiente como para ubicar, en el país o en el extranjero, todos los elementos, equipos, tuberías y accesorios que se requieran para llevar adelante y concluir el proyecto; y que –además-, para ejecutar la matriz de factibilidad económico-financiera del proyecto, es imprescindible que la ingeniería del proyecto deba haberse ejecutado en detalle, hasta el último tornillo.

Algunas referencias útiles

Faccini, H. F. (1983). Ejecución de Proyectos de Ingeniería. Bogotá, Colombia: ECOPETROL.

ISA. Instrumentation Symbols and Identificaction (ANSI/ISA-S51-1984(R1992) ed.). ISA.

ANSI/ASME 36.19M-Stainless Steel Pipe. (n.d.). From http://www.engineeringtoolbox.com/ansi-stainless-steel-pipes-d-247.html

 

Acerca de

Professor of modeling and simulation, and process design at Escuela Politécnica Nacional, in Quito, Ecuador. . In the past I was a P4, P5, and D1 at the Organization for the Prohibition of Chemical Weapons, located in the Kingdom pf the Netherlands

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