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 y/o separación química o biológica 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 bioquímicas y de procesamiento de gas natural , tratamiento de agua y aguas residuales y equipos de control de la contaminación utilizan muchas tecnologías que tienen similitudes. hasta tecnología de plantas químicas, como sistemas de fluidos y sistemas de reactores químicos. Algunos considerarían que una refinería de petróleo o un fabricante de productos farmacéuticos o polímeros son efectivamente una planta química.
Las plantas petroquímicas (plantas que utilizan productos químicos del petróleo como materia prima o materia prima ) generalmente están ubicadas adyacentes a una refinería de petróleo para minimizar los costos de transporte de las materias primas producidas por la refinería. Las plantas de productos químicos especializados [3] y de química fina suelen ser mucho más pequeñas y no tan sensibles a la ubicación. Se han desarrollado herramientas para convertir el costo de un proyecto base de una ubicación geográfica a otra. [4]
Las plantas químicas utilizan procesos químicos , que son métodos detallados a escala industrial, para transformar las materias primas químicas en productos. El mismo proceso químico se puede utilizar en más de una planta química, posiblemente con capacidades de escala diferente en cada planta. Además, se puede construir una planta química en un sitio para utilizar más de un proceso químico, por ejemplo para producir múltiples productos.
Una planta química generalmente tiene recipientes o secciones grandes llamadas unidades o líneas que están interconectadas por tuberías u otros equipos de movimiento de materiales que pueden transportar corrientes de material. Tales corrientes de materiales pueden incluir fluidos ( gases o líquidos transportados por tuberías) o, a veces, sólidos o mezclas como lodos . Un proceso químico general se compone comúnmente de pasos llamados operaciones unitarias que ocurren en unidades individuales. Una materia prima que se utiliza en un proceso o planta química como insumo para convertirla en un producto se denomina comúnmente materia prima , o simplemente alimento . Además de las materias primas para la planta en su conjunto, una corriente de entrada de material a procesar en una unidad particular también puede considerarse alimentación para esa unidad. Los flujos de salida de la planta en su conjunto son productos finales y, a veces, los flujos 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.
La materia prima, el producto o ambos pueden ser compuestos o mezclas individuales. A menudo no merece la pena separar completamente los componentes de estas mezclas; Los niveles específicos de pureza dependen de los requisitos del producto y la economía del proceso.
Los procesos químicos pueden ejecutarse en operación continua o por lotes .
En la operación por lotes , la producción ocurre en pasos secuenciales de tiempo en lotes discretos. Un lote de materia prima se alimenta (o carga ) en un proceso o unidad, luego se lleva a cabo el proceso químico y luego se eliminan los productos y cualquier otra salida. Esta producción por lotes puede repetirse 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 de productos farmacéuticos o productos químicos especializados, 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 especializados , así como en la fabricación de ingredientes farmacéuticos activos (API).
En funcionamiento continuo , todos los pasos se desarrollan continuamente en el tiempo. [5] Durante el funcionamiento continuo habitual, la alimentación y la retirada del producto son flujos continuos 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 generalmente se encuentran en un estado estacionario o aproximadamente en un estado estacionario. El estado estacionario significa que las cantidades relacionadas con el proceso no cambian a medida que pasa el tiempo durante la operación. Dichas cantidades constantes incluyen caudales de corriente , velocidades de calentamiento o enfriamiento, temperaturas , presiones y 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 continuamente y otras funcionen por lotes en una planta química; por ejemplo, consulte Destilación continua y Destilación por lotes . La cantidad de materia prima o producto primario por unidad de tiempo que una planta o unidad puede procesar se denomina 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 la planta química puede expresarse en toneladas de producto producido por día. En la operación diaria real, una planta (o unidad) operará a un porcentaje de su capacidad total. Los ingenieros suelen asumir un tiempo de funcionamiento del 90 % para plantas que trabajan principalmente con fluidos y un tiempo de actividad del 80 % para plantas que trabajan principalmente con sólidos.
Las operaciones unitarias específicas se llevan a cabo en tipos específicos de unidades. Aunque algunas unidades pueden funcionar a temperatura o presión ambiente, muchas unidades funcionan 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 empaquetados y pueden tener catalizadores sólidos heterogéneos que permanecen en los reactores a medida que los fluidos se mueven, o pueden ser simplemente recipientes agitados en los que se producen reacciones. Dado que la superficie de los catalizadores sólidos heterogéneos a veces puede "envenenarse" debido a depósitos como el coque , puede ser necesaria la regeneración de los catalizadores. En algunos casos también se pueden utilizar lechos fluidizados para asegurar una buena mezcla. También puede haber unidades (o subunidades) para mezclar (incluida la disolución), separación , calentamiento, enfriamiento o alguna combinación de estos. Por ejemplo, los reactores químicos suelen tener agitación para mezclar y calentamiento o enfriamiento para mantener la temperatura. Al diseñar plantas a gran escala, se debe considerar el calor producido o absorbido por 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 (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 la condensación , a menudo junto con otras unidades, como torres de destilación. También puede haber tanques de almacenamiento para almacenar materias primas, productos intermedios o finales o residuos. 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 masivas y sus equipos asociados. A menudo hay escaleras, escalas u otros escalones para que el personal llegue a puntos en las unidades para muestreo, inspección o 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 tubos de varios diámetros, varios tipos de válvulas para controlar o detener el flujo, bombas para mover o presurizar líquidos y compresores para presurizar o mover gases. Los recipientes, tuberías, tubos y, a veces, otros equipos a temperaturas altas o muy bajas suelen estar cubiertos con aislamiento para la seguridad del personal y para mantener la temperatura en el interior. Las unidades y sistemas 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 análisis de propiedades químicas o físicas se han vuelto más comunes. A veces se pueden utilizar disolventes para disolver reactivos o materiales como sólidos para extracción o lixiviación, para proporcionar un medio adecuado para que se desarrollen determinadas reacciones químicas o para que puedan tratarse como fluidos.
Hoy en día, los aspectos fundamentales del diseño de plantas químicas los realizan los ingenieros químicos . Históricamente, esto no siempre fue así y muchas plantas químicas se construyeron 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 impartió el primer curso de ingeniería química en la Universidad de Manchester en 1887 en forma de doce conferencias que cubrían diversos 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, normalmente menos del 1 por ciento de las ideas para nuevos diseños llegan a comercializarse. Durante este proceso de solución, normalmente, los estudios de costos se utilizan como evaluación inicial para eliminar diseños no rentables. Si un proceso parece rentable, entonces se consideran otros factores, como seguridad, limitaciones ambientales, controlabilidad, 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 , comúnmente a pequeña escala en un experimento "tipo discontinuo". Luego, los ingenieros químicos utilizan la información química obtenida, junto con su propia experiencia, para convertirla en un proceso químico y aumentar el tamaño o la capacidad del lote. Por lo general, 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 ampliada 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 detalles mecánicos o eléctricos, respectivamente. Los ingenieros estructurales pueden participar 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 se pueden representar mediante diagramas de flujo de bloques que son diagramas muy simplificados, o diagramas de flujo de procesos que son algo más detallados. Los arroyos 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 del proceso pueden utilizar símbolos más detallados y mostrar bombas, compresores y válvulas principales. Los valores o rangos probables de tasas de flujo de material para las diversas corrientes se determinan en función de la capacidad deseada de la planta utilizando cálculos de balance de materiales. Los balances de energía también se realizan en función de los calores de reacción , las capacidades caloríficas , las temperaturas esperadas y las presiones en varios puntos para calcular las cantidades de calentamiento y enfriamiento necesarios en varios lugares y 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, 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 único P&ID.
En el diseño de la planta, las unidades están dimensionadas para la capacidad máxima que cada una pueda tener que manejar. De manera similar, los tamaños de tuberías, bombas, compresores y equipos asociados se eligen según la capacidad de flujo que deben manejar. Los sistemas de servicios públicos, como los de energía eléctrica y suministro de agua , también deberían incluirse en el diseño de la planta. Es posible que sea necesario incluir tuberías adicionales para procedimientos operativos no rutinarios o alternativos, como arranques y paradas de plantas o unidades. El diseño de sistemas de fluidos comúnmente 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. Cualquier punto donde sea necesario tomar muestras del proceso debe tener líneas de muestreo, válvulas y acceso a ellas incluidas en el diseño detallado. Si es necesario, se deben tomar medidas para reducir la alta presión o temperatura de una corriente de muestreo, incluyendo una válvula reductora de presión o un enfriador de muestra.
Las unidades y sistemas de fluidos de la planta, incluidos todos los recipientes, tuberías, válvulas, bombas, compresores y otros equipos, deben estar clasificados o diseñados para poder soportar toda la gama de presiones, temperaturas y otras condiciones que puedan encontrarse. , incluido cualquier factor de seguridad apropiado . También se debe verificar la compatibilidad de los materiales de todas estas unidades y equipos para garantizar que puedan resistir la exposición prolongada a los productos químicos con los que entrarán en contacto. Cualquier sistema cerrado en una planta que tenga medios para presurizar posiblemente más allá de la clasificación de su equipo, como calefacción, reacciones exotérmicas o ciertas bombas o compresores, debe tener incluida una válvula de alivio de presión del tamaño adecuado para evitar la sobrepresurización por razones de seguridad. Con frecuencia todos estos parámetros (temperaturas, presiones, flujo, etc.) se analizan exhaustivamente en combinación mediante un análisis Hazop o de árbol de fallas , para garantizar que la planta no tiene ningún riesgo conocido de peligro grave.
Dentro de cualquier restricción a la que esté sujeta la planta, los parámetros de diseño se optimizan para lograr un buen desempeño económico y al mismo tiempo garantizar la seguridad y el bienestar del personal y la comunidad circundante. Para mayor flexibilidad, una planta puede diseñarse para operar en un rango alrededor de algunos parámetros de diseño óptimos en caso de que la materia prima o las condiciones económicas cambien y sea deseable una reoptimización. En tiempos más modernos, se han utilizado simulaciones por computadora u otros cálculos por computadora para ayudar en el diseño u 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 hacer funcionar 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 utilizaban controles neumáticos . Los controles eléctricos ahora son comunes. 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, incluyendo a menudo la anulación del control automático. El control de procesos con una computadora representa una tecnología más moderna. Con base en posibles cambios en la composición de la materia prima, cambios en los requisitos o la economía de los productos, 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 trabajando en las instalaciones de una planta química, a menudo organizados en departamentos, secciones u otros grupos de trabajo. Estos trabajadores suelen incluir ingenieros , operadores de plantas y técnicos de mantenimiento. Otro personal en el sitio podría incluir químicos, gerencia/administración 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 o producto fluido pueden entrar o salir de una planta a través de tuberías , vagones cisterna o camiones cisterna . Por ejemplo, el petróleo suele llegar a una refinería por oleoducto. Los oleoductos también pueden transportar materia prima petroquímica desde una refinería a una planta petroquímica cercana. El gas natural es un producto que llega desde una planta procesadora de gas natural hasta los consumidores finales a través de ductos o tuberías. Generalmente se bombean grandes cantidades de materia prima líquida 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 procesamiento.
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 el mantenimiento de rutina y no rutinario. El mantenimiento de rutina puede incluir inspecciones periódicas y reemplazo de catalizadores desgastados, reactivos del analizador, diversos sensores o piezas mecánicas. El mantenimiento no rutinario puede incluir investigar problemas y luego solucionarlos, 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 de materiales (MSDS) para cada tipo de producto químico con el que trabajan. El proveedor prepara y proporciona una MSDS para un determinado producto químico a quien compra el producto químico. Se deben observar otras leyes que cubren la seguridad química, los desechos peligrosos y la contaminación, incluidos estatutos como la Ley de Recuperación y Conservación de Recursos (RCRA) y la Ley de Control de Sustancias Tóxicas (TSCA), y regulaciones como las Normas Antiterroristas para Instalaciones Químicas en los Estados Unidos. Los equipos de materiales peligrosos (materiales peligrosos) están capacitados para hacer frente a fugas o derrames de productos químicos. El análisis de peligros de proceso (PHA) se utiliza para evaluar peligros potenciales en plantas químicas. En 1998, la Junta de Investigación de Riesgos y Seguridad Química de EE. UU. entró en funcionamiento.
Las plantas químicas utilizadas particularmente para la fabricación de productos químicos y petroquímicos están ubicadas en relativamente pocos lugares de fabricación en todo el mundo debido en gran parte a necesidades de infraestructura. Esto es menos importante para plantas de lotes de productos químicos finos o especializados . 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 empresariales de unidades llamadas plantas químicas que comparten servicios públicos e infraestructura a gran escala, como centrales eléctricas, instalaciones portuarias y 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 Firth of 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 empresas agrupadas industriales en 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 construcción de recipientes, tanques, etc.