Una planta química es una planta de proceso industrial que fabrica (o procesa de otro modo) productos químicos , generalmente a gran escala. [1] El objetivo general de una planta química es crear nueva riqueza material mediante la transformación química o biológica y/o la separación de materiales. [2] Las plantas químicas utilizan equipos, unidades y tecnología especializados en el proceso de fabricación. Otros tipos de plantas, como las instalaciones de producción de polímeros, productos farmacéuticos, alimentos y algunas bebidas, plantas de energía , refinerías de petróleo u otras refinerías , plantas de procesamiento de gas natural y bioquímicas, tratamiento de agua y aguas residuales y equipos de control de la contaminación utilizan muchas tecnologías que tienen similitudes con la tecnología de las plantas químicas, como los sistemas de fluidos y los sistemas de reactores químicos. Algunos considerarían que una refinería de petróleo o un fabricante de productos farmacéuticos o polímeros es efectivamente una planta química.
Las plantas petroquímicas (plantas que utilizan productos químicos derivados del petróleo como materia prima o materia prima ) suelen estar ubicadas junto a una refinería de petróleo para minimizar los costos de transporte de las materias primas producidas por la refinería. Las plantas de productos químicos especiales [3] y de productos químicos finos suelen ser mucho más pequeñas y no tan sensibles a la ubicación. Se han desarrollado herramientas para convertir el costo base de un proyecto de una ubicación geográfica a otra. [4]
Las plantas químicas utilizan procesos químicos , que son métodos detallados a escala industrial, para transformar las sustancias químicas que se utilizan como materia prima en productos. El mismo proceso químico se puede utilizar en más de una planta química, con capacidades posiblemente de diferente escala en cada planta. Además, una planta química en un sitio puede construirse para utilizar más de un proceso químico, por ejemplo, para producir múltiples productos.
Una planta química normalmente tiene grandes recipientes o secciones llamadas unidades o líneas que están interconectadas por tuberías u otro equipo de movimiento de materiales que puede transportar corrientes de material. Dichas corrientes de material pueden incluir fluidos ( gas o líquido transportados en tuberías) o, a veces, sólidos o mezclas como lodos . Un proceso químico general se compone comúnmente de pasos llamados operaciones unitarias que ocurren en las unidades individuales. Una materia prima que entra en un proceso químico o planta como insumo para ser convertida en un producto se llama comúnmente materia prima o simplemente alimento . Además de las materias primas para la planta, en su conjunto, una corriente de entrada de material para ser procesado en una unidad particular puede considerarse de manera similar como alimento para esa unidad. Las corrientes de salida de la planta en su conjunto son productos finales y, a veces, las corrientes de salida de unidades individuales pueden considerarse productos intermedios para sus unidades. Sin embargo, los productos finales de una planta pueden ser productos químicos intermedios utilizados como materia prima en otra planta para su posterior procesamiento. Por ejemplo, algunos productos de una refinería de petróleo pueden usarse como materia prima en plantas petroquímicas, que a su vez pueden producir materias primas para plantas farmacéuticas.
Tanto la materia prima como el producto o ambos pueden ser compuestos o mezclas individuales. A menudo no vale la pena separar por completo los componentes de estas mezclas; los niveles específicos de pureza dependen de los requisitos del producto y de la economía del proceso.
Los procesos químicos pueden ejecutarse en forma continua o por lotes .
En la operación por lotes , la producción se produce en pasos secuenciales en el tiempo en lotes discretos. Se introduce (o carga ) un lote de materia prima en un proceso o unidad, luego se lleva a cabo el proceso químico y luego se retiran el producto y cualquier otro producto. Esta producción por lotes se puede repetir una y otra vez con nuevos lotes de materia prima. La operación por lotes se utiliza comúnmente en plantas de menor escala, como la producción farmacéutica o de productos químicos especiales, con el fin de mejorar la trazabilidad y la flexibilidad. Las plantas continuas se utilizan generalmente para fabricar productos básicos o petroquímicos , mientras que las plantas por lotes son más comunes en la producción de productos químicos finos y especiales, así como en la fabricación de ingredientes farmacéuticos activos (API).
En la operación continua , todos los pasos se llevan a cabo de forma continua en el tiempo. [5] Durante la operación continua habitual, la alimentación y la extracción del producto son corrientes continuas de material en movimiento, que junto con el proceso en sí, tienen lugar de forma simultánea y continua. Las plantas o unidades químicas en operación continua suelen estar en un estado estable o un estado estable aproximado. El estado estable significa que las cantidades relacionadas con el proceso no cambian a medida que pasa el tiempo durante la operación. Dichas cantidades constantes incluyen las tasas de flujo de la corriente , las tasas de calentamiento o enfriamiento, las temperaturas , las presiones y las composiciones químicas en cualquier punto (ubicación) determinado. La operación continua es más eficiente en muchas operaciones a gran escala como las refinerías de petróleo. Es posible que algunas unidades funcionen de forma continua y otras estén en operación por lotes en una planta química; por ejemplo, consulte Destilación continua y Destilación por lotes . La cantidad de materia prima primaria o producto por unidad de tiempo que una planta o unidad puede procesar se conoce como la capacidad de esa planta o unidad. Por ejemplo: la capacidad de una refinería de petróleo puede expresarse en términos de barriles de petróleo crudo refinado por día; alternativamente, la capacidad de una planta química puede expresarse en toneladas de producto producido por día. En la operación diaria real, una planta (o unidad) funcionará a un porcentaje de su capacidad total. Los ingenieros suelen suponer un tiempo de funcionamiento del 90 % para las plantas que trabajan principalmente con fluidos y un tiempo de actividad del 80 % para las plantas que trabajan principalmente con sólidos.
Las operaciones unitarias específicas se llevan a cabo en tipos específicos de unidades. Aunque algunas unidades pueden operar a temperatura o presión ambiente, muchas unidades operan a temperaturas o presiones más altas o más bajas. Los recipientes en las plantas químicas suelen ser cilíndricos con extremos redondeados, una forma que puede ser adecuada para soportar alta presión o vacío . Las reacciones químicas pueden convertir ciertos tipos de compuestos en otros compuestos en reactores químicos . Los reactores químicos pueden ser lechos empacados y pueden tener catalizadores heterogéneos sólidos que permanecen en los reactores a medida que los fluidos se mueven a través de ellos, o pueden ser simplemente recipientes agitados en los que ocurren las reacciones. Dado que la superficie de los catalizadores heterogéneos sólidos a veces puede "envenenarse" por depósitos como el coque , puede ser necesaria la regeneración de los catalizadores. Los lechos fluidizados también se pueden utilizar en algunos casos para garantizar una buena mezcla. También puede haber unidades (o subunidades) para mezclar (incluida la disolución), separar , calentar, enfriar o alguna combinación de estos. Por ejemplo, los reactores químicos a menudo tienen agitación para mezclar y calentamiento o enfriamiento para mantener la temperatura. Al diseñar plantas a gran escala, se debe tener en cuenta el calor producido o absorbido por las reacciones químicas . Algunas plantas pueden tener unidades con cultivos de organismos para procesos bioquímicos como la fermentación o la producción de enzimas .
Los procesos de separación incluyen filtración , sedimentación , extracción o lixiviación, destilación , recristalización o precipitación (seguida de filtración o sedimentación), ósmosis inversa , secado y adsorción . Los intercambiadores de calor se utilizan a menudo para calentar o enfriar, incluida la ebullición o condensación , a menudo junto con otras unidades como torres de destilación. También puede haber tanques de almacenamiento para almacenar materia prima, productos intermedios o finales, o desechos. Los tanques de almacenamiento suelen tener indicadores de nivel para mostrar qué tan llenos están. Puede haber estructuras que sostengan o soporten unidades a veces enormes y su equipo asociado. A menudo hay escaleras, escaleras de mano u otros escalones para que el personal llegue a los puntos de las unidades para tomar muestras, inspeccionarlas o realizar tareas de mantenimiento. Un área de una planta o instalación con numerosos tanques de almacenamiento a veces se denomina parque de tanques , especialmente en un depósito de petróleo .
Los sistemas de fluidos para transportar líquidos y gases incluyen tuberías y conductos de diversos diámetros, diversos tipos de válvulas para controlar o detener el flujo, bombas para mover o presurizar líquidos y compresores para presurizar o mover gases. Los recipientes, conductos, tuberías y, a veces, otros equipos a temperaturas altas o muy bajas suelen estar cubiertos con material aislante para la seguridad del personal y para mantener la temperatura en el interior. Los sistemas y unidades de fluidos suelen tener instrumentación, como sensores de temperatura y presión, y dispositivos de medición de flujo en ubicaciones seleccionadas de una planta. Los analizadores en línea para el análisis de propiedades físicas o químicas se han vuelto más comunes. A veces, se pueden utilizar disolventes para disolver reactivos o materiales, como sólidos, para su extracción o lixiviación, para proporcionar un medio adecuado para que se lleven a cabo determinadas reacciones químicas o para que puedan tratarse como fluidos.
En la actualidad, los aspectos fundamentales del diseño de plantas químicas son realizados por ingenieros químicos . Históricamente, este no siempre fue el caso, y muchas plantas químicas fueron construidas al azar antes de que se estableciera la disciplina de la ingeniería química . La ingeniería química se estableció por primera vez como profesión en el Reino Unido cuando George E. Davis dictó el primer curso de ingeniería química en la Universidad de Manchester en 1887 en forma de doce conferencias que cubrían varios aspectos de la práctica química industrial. [6] Como consecuencia, George E. Davis es considerado el primer ingeniero químico del mundo. Hoy en día, la ingeniería química es una profesión y aquellos ingenieros químicos profesionales con experiencia pueden obtener el estatus de ingeniero "Colegiado" a través de la Institución de Ingenieros Químicos .
En el diseño de plantas, por lo general menos del 1 por ciento de las ideas para nuevos diseños llegan a comercializarse. Durante este proceso de solución, por lo general, se utilizan estudios de costos como una evaluación inicial para eliminar diseños no rentables. Si un proceso parece rentable, se consideran otros factores, como la seguridad, las limitaciones ambientales, la capacidad de control, etc. [2] El objetivo general en el diseño de plantas es construir o sintetizar “diseños óptimos” en las proximidades de las limitaciones deseadas. [7]
Muchas veces, los químicos investigan reacciones químicas u otros principios químicos en un laboratorio , generalmente a pequeña escala en un experimento de "tipo lote". La información química obtenida es luego utilizada por los ingenieros químicos, junto con su propia experiencia, para convertirla en un proceso químico y aumentar el tamaño o la capacidad del lote. Comúnmente, se construye una pequeña planta química llamada planta piloto para proporcionar información de diseño y operación antes de la construcción de una planta grande. A partir de los datos y la experiencia operativa obtenidos de la planta piloto, se puede diseñar una planta a mayor escala para una capacidad mayor o total. Una vez que se determinan los aspectos fundamentales del diseño de una planta, los ingenieros mecánicos o eléctricos pueden involucrarse con los detalles mecánicos o eléctricos, respectivamente. Los ingenieros estructurales pueden involucrarse en el diseño de la planta para garantizar que las estructuras puedan soportar el peso de las unidades, tuberías y otros equipos.
Las unidades, corrientes y sistemas de fluidos de plantas o procesos químicos pueden representarse mediante diagramas de flujo de bloques , que son diagramas muy simplificados, o diagramas de flujo de procesos , que son algo más detallados. Las corrientes y otras tuberías se muestran como líneas con puntas de flecha que muestran la dirección habitual del flujo de material. En los diagramas de bloques, las unidades a menudo se muestran simplemente como bloques. Los diagramas de flujo de procesos pueden utilizar símbolos más detallados y mostrar bombas, compresores y válvulas principales. Los valores probables o rangos de caudales de material para las diversas corrientes se determinan en función de la capacidad deseada de la planta mediante cálculos de balance de materiales. Los balances de energía también se realizan en función de los calores de reacción , las capacidades térmicas , las temperaturas esperadas y las presiones en varios puntos para calcular las cantidades de calefacción y refrigeración necesarias en varios lugares y para dimensionar los intercambiadores de calor. El diseño de una planta química se puede mostrar con más detalle en un diagrama de tuberías e instrumentación (P&ID) que muestra todas las tuberías, tubos, válvulas e instrumentación, generalmente con símbolos especiales. Mostrar una planta completa suele ser complicado en un P&ID, por lo que a menudo solo se muestran unidades individuales o sistemas de fluidos específicos en un solo P&ID.
En el diseño de la planta, las unidades se dimensionan para la capacidad máxima que cada una puede tener que manejar. De manera similar, los tamaños de tuberías, bombas, compresores y equipos asociados se eligen para la capacidad de flujo que tienen que manejar. Los sistemas de servicios públicos, como la energía eléctrica y el suministro de agua , también deben incluirse en el diseño de la planta. Es posible que se deban incluir líneas de tuberías adicionales para procedimientos operativos no rutinarios o alternativos, como arranques y paradas de plantas o unidades. El diseño de sistemas de fluidos generalmente incluye válvulas de aislamiento alrededor de varias unidades o partes de una planta para que una sección de una planta pueda aislarse en caso de un problema, como una fuga en una unidad. Si se utilizan válvulas accionadas neumática o hidráulicamente, se necesita un sistema de líneas de presurización hacia los actuadores. Todos los puntos donde se puedan tener que tomar muestras de proceso deben tener líneas de muestreo, válvulas y acceso a ellas incluidos en el diseño detallado. Si es necesario, se deben tomar disposiciones para reducir la alta presión o temperatura de una corriente de muestreo, como incluir una válvula reductora de presión o un enfriador de muestras.
Las unidades y los sistemas de fluidos de la planta, incluidos todos los recipientes, tuberías, tubos, válvulas, bombas, compresores y otros equipos, deben estar clasificados o diseñados para poder soportar todo el rango de presiones, temperaturas y otras condiciones que posiblemente puedan encontrar, incluidos los factores de seguridad apropiados . También se debe verificar la compatibilidad de los materiales de todas esas unidades y equipos para garantizar que puedan soportar la exposición a largo plazo a los productos químicos con los que entrarán en contacto. Cualquier sistema cerrado en una planta que tenga un medio de presurización posiblemente más allá de la clasificación de su equipo, como calefacción, reacciones exotérmicas o ciertas bombas o compresores, debe tener una válvula de alivio de presión de tamaño adecuado incluida para evitar la sobrepresurización por seguridad. Con frecuencia, todos estos parámetros (temperaturas, presiones, flujo, etc.) se analizan exhaustivamente en combinación a través de un análisis Hazop o de árbol de fallas , para garantizar que la planta no tenga ningún riesgo conocido de peligro grave.
Dentro de las limitaciones a las que está sujeta la planta, los parámetros de diseño se optimizan para un buen desempeño económico, garantizando al mismo tiempo la seguridad y el bienestar del personal y de la comunidad circundante. Para lograr flexibilidad, una planta puede diseñarse para que funcione dentro de un rango de parámetros de diseño óptimos en caso de que cambien las condiciones económicas o de la materia prima y sea conveniente volver a optimizarla. En tiempos más modernos, se han utilizado simulaciones por computadora u otros cálculos informáticos para ayudar en el diseño o la optimización de plantas químicas.
En el control de procesos , la información recopilada automáticamente de varios sensores u otros dispositivos en la planta se utiliza para controlar varios equipos para operar la planta, controlando así el funcionamiento de la planta. Los instrumentos que reciben dichas señales de información y envían señales de control para realizar esta función automáticamente son controladores de procesos . Anteriormente, a veces se usaban controles neumáticos . Ahora son comunes los controles eléctricos . Una planta a menudo tiene una sala de control con pantallas de parámetros como temperaturas clave, presiones, caudales y niveles de fluido, posiciones operativas de válvulas clave, bombas y otros equipos, etc. Además, los operadores en la sala de control pueden controlar varios aspectos de la operación de la planta, que a menudo incluyen anular el control automático. El control de procesos con una computadora representa una tecnología más moderna. Según la posible composición cambiante de la materia prima, los requisitos cambiantes de los productos o la economía u otros cambios en las restricciones, las condiciones operativas pueden volver a optimizarse para maximizar las ganancias.
Como en cualquier entorno industrial, hay una variedad de trabajadores que trabajan en las instalaciones de una planta química, a menudo organizados en departamentos, secciones u otros grupos de trabajo. Dichos trabajadores suelen incluir ingenieros , operadores de planta y técnicos de mantenimiento. Otro personal en el sitio podría incluir químicos, gerentes/administradores y trabajadores de oficina. Los tipos de ingenieros involucrados en operaciones o mantenimiento pueden incluir ingenieros de procesos químicos, ingenieros mecánicos para el mantenimiento de equipos mecánicos e ingenieros eléctricos/informáticos para equipos eléctricos o informáticos .
Grandes cantidades de materia prima líquida o producto pueden entrar o salir de una planta por tuberías , vagones cisterna o camiones cisterna . Por ejemplo, el petróleo suele llegar a una refinería por tuberías. Las tuberías también pueden transportar materia prima petroquímica desde una refinería hasta una planta petroquímica cercana. El gas natural es un producto que llega desde una planta de procesamiento de gas natural hasta los consumidores finales por tuberías o conductos. Por lo general, grandes cantidades de materia prima líquida se bombean a las unidades de proceso. Se pueden enviar cantidades más pequeñas de materia prima o producto hacia o desde una planta en tambores . El uso de tambores de aproximadamente 55 galones de capacidad es común para envasar cantidades industriales de productos químicos. Los trabajadores pueden agregar lotes más pequeños de materia prima desde tambores u otros contenedores a las unidades de proceso.
Además de alimentar y operar la planta, y empaquetar o preparar el producto para su envío, se necesitan trabajadores de la planta para tomar muestras para análisis de rutina y resolución de problemas y para realizar mantenimiento de rutina y no rutinario. El mantenimiento de rutina puede incluir inspecciones periódicas y reemplazo de catalizador desgastado, reactivos del analizador, varios sensores o partes mecánicas. El mantenimiento no rutinario puede incluir la investigación de problemas y su posterior reparación, como fugas, incumplimiento de las especificaciones de alimentación o producto, fallas mecánicas de válvulas, bombas, compresores, sensores, etc.
Cuando se trabaja con productos químicos, la seguridad es una preocupación para evitar problemas como accidentes químicos . En los Estados Unidos , la ley exige que los empleadores proporcionen a los trabajadores que trabajan con productos químicos acceso a una hoja de datos de seguridad del material (MSDS) para cada tipo de producto químico con el que trabajan. El proveedor prepara una MSDS para un producto químico determinado y la proporciona a quien compra el producto químico. Se deben observar otras leyes que cubren la seguridad química, los residuos peligrosos y la contaminación, incluidos estatutos como la Ley de Conservación y Recuperación de Recursos (RCRA) y la Ley de Control de Sustancias Tóxicas (TSCA), y regulaciones como las Normas Antiterroristas de Instalaciones Químicas en los Estados Unidos. Los equipos de materiales peligrosos ( Hazmat ) están capacitados para lidiar con fugas o derrames de productos químicos. El Análisis de Peligros de Proceso (PHA) se utiliza para evaluar los peligros potenciales en las plantas químicas. En 1998, la Junta de Investigación de Peligros y Seguridad Química de los EE. UU. comenzó a funcionar.
Las plantas químicas que se utilizan especialmente para la fabricación de productos químicos básicos y petroquímicos se encuentran en relativamente pocos lugares de fabricación en todo el mundo, en gran medida debido a las necesidades de infraestructura. Esto es menos importante para las plantas de lotes de productos químicos finos o especiales . No todos los productos básicos/petroquímicos se producen en un solo lugar, pero a menudo se producen grupos de materiales relacionados, para inducir la simbiosis industrial, así como la eficiencia de los materiales, la energía y los servicios públicos y otras economías de escala . Estos lugares de fabricación a menudo tienen grupos comerciales de unidades llamadas plantas químicas que comparten servicios públicos e infraestructura a gran escala, como centrales eléctricas, instalaciones portuarias, terminales de carreteras y ferrocarriles. En el Reino Unido, por ejemplo, hay cuatro lugares principales para la fabricación de productos químicos básicos: cerca del río Mersey en el noroeste de Inglaterra, en Humber en la costa este de Yorkshire, en Grangemouth cerca del estuario de Forth en Escocia y en Teesside como parte del Clúster de la Industria de Procesos del Noreste de Inglaterra (NEPIC). [8] Aproximadamente el 50% de los productos petroquímicos del Reino Unido, que también son productos químicos básicos, son producidos por las empresas del clúster industrial de Teesside, en la desembocadura del río Tees, en tres grandes parques químicos en Wilton , [9] Billingham y Seal Sands .
La corrosión en las plantas de procesos químicos es un problema importante que consume miles de millones de dólares al año. La corrosión electroquímica de los metales es pronunciada en las plantas de procesos químicos debido a la presencia de vapores ácidos y otras interacciones electrolíticas. Recientemente, el FRP ( plástico reforzado con fibra ) se utiliza como material de construcción. La especificación estándar británica BS4994 se utiliza ampliamente para el diseño y la construcción de recipientes, tanques, etc.