1. MSc. Guillermo Ruiz, Dimensionamiento
de equipos
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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

2. MSc. Guillermo Ruiz, Dimensionamiento
de equipos
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CONTENIDO
●
Descripción general del proceso de refinación
●
Procesos típicos en refinación
●
Ingeniería de procesos
●
Equipos de procesos
●
Información del diseño de procesos

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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

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Descripción general del proceso de refinación
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 .

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Los procesos de refinación pueden ser agrupados de manera conveniente en tres
categorías generales:
●
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.
Descripción general del proceso de refinación

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Los procesos de refinación pueden ser agrupados de manera conveniente en tres
categorías generales:
●
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.
Descripción general del proceso de refinación

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Proceso de refinación de petróleo crudo

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Procesos típicos en refinación
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.

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Procesos típicos en refinación
●
Productos del proceso: (cont.)
●
Gasóleo liviano →hidrotratamiento:
diesel
●
Gasóleo pesado →hidrotratamiento
→FCC: gas, butanos, pentanos,
nafta, gasóleos
●
Residuo atmosférico →destilación al
vacío

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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
Procesos típicos en refinación

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Procesos típicos en refinación
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)

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Procesos típicos en refinación
Hidrotratamiento: hidrodesulfuración (Cont.)

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Procesos típicos en refinación
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.

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Reformación catalítica (Cont.)
Procesos típicos en refinación

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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
Ingeniería de procesos

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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"
Ingeniería de procesos

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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
Ingeniería de procesos

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Ingeniería de procesos
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

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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
Ingeniería de procesos

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

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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

22. MSc. Guillermo Ruiz, Dimensionamiento
de equipos
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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

23. MSc. Guillermo Ruiz, Dimensionamiento
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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

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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

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

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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

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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

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

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Cálculos de proceso
Procedimientos
●
Secuencia de cálculos
●
Presentación de resultados

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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

31. MSc. Guillermo Ruiz, Dimensionamiento
de equipos
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Secuencia de cálculo del proceso
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

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de equipos
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Secuencia de cálculo del proceso
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

33. MSc. Guillermo Ruiz, Dimensionamiento
de equipos
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Secuencia de cálculo del proceso
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

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de equipos
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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

35. MSc. Guillermo Ruiz, Dimensionamiento
de equipos
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Cálculos de proceso
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

36. MSc. Guillermo Ruiz, Dimensionamiento
de equipos
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Diagramas de flujo de ingeniería
Diagramas de bloque de bloques
●
Suposiciones en las bases de diseño
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

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Diagramas de flujo de ingeniería
Diagramas de bloque de bloques
●
Suposiciones en las bases de diseño
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

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Diagramas de flujo de ingeniería
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

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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