Planta química

Una planta química es una planta de procesos industriales 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 a través de 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, centrales eléctricas , 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 sistemas de fluidos y sistemas de reactores químicos. Algunos considerarían que una refinería de petróleo o un fabricante de productos farmacéuticos o polímeros es, en efecto, una planta química.

Las plantas petroquímicas (plantas que utilizan productos químicos derivados del petróleo como materia prima ) suelen ubicarse 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 especializados ^{[ 3 ]} y de productos químicos finos suelen ser mucho más pequeñas y menos 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 materias primas químicas en productos. Un mismo proceso químico puede emplearse en varias plantas, con capacidades posiblemente diferentes en cada una. Asimismo, una planta química en un mismo emplazamiento puede diseñarse para utilizar más de un proceso químico, por ejemplo, para producir múltiples productos.

Una planta química suele tener grandes recipientes o secciones llamadas unidades o líneas interconectadas por tuberías u otros equipos de transporte de materiales. Estos flujos de materiales pueden incluir fluidos ( gas o líquido transportados por tuberías) o, a veces, sólidos o mezclas como lodos . Un proceso químico general se compone comúnmente de etapas llamadas operaciones unitarias, que tienen lugar en las unidades individuales. Una materia prima que ingresa a un proceso o planta química para ser convertida en un producto se denomina comúnmente materia prima . Además de las materias primas para la planta en su conjunto, un flujo de entrada de material que se procesa en una unidad en particular también puede considerarse materia prima para esa unidad. Los flujos de salida de la planta en su conjunto son productos finales , y a veces los flujos de salida de las unidades individuales pueden considerarse productos intermedios para sus respectivas 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 utilizarse 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 individuales o mezclas. 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 de la viabilidad económica del proceso.

Las operaciones unitarias específicas se llevan a cabo en unidades específicas. Si bien algunas unidades pueden operar a temperatura o presión ambiente, muchas 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 contener alta presión o vacío . Las reacciones químicas pueden convertir ciertos tipos de compuestos en otros compuestos en reactores químicos . Los reactores químicos pueden ser de lecho fijo y pueden tener catalizadores heterogéneos sólidos que permanecen en los reactores mientras 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. 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), separar , calentar, enfriar o alguna combinación de estas. 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 considerar 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, incluyendo ebullición o condensación , frecuentemente junto con otras unidades como torres de destilación. También puede haber tanques de almacenamiento para almacenar materia prima, productos intermedios o finales, o residuos. Los tanques de almacenamiento suelen tener indicadores de nivel para mostrar su nivel de llenado. Puede haber estructuras que contengan o soporten unidades a veces masivas y su equipo asociado. A menudo hay escaleras, andamios u otros escalones para que el personal acceda 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 el transporte de líquidos y gases incluyen tuberías de diversos diámetros, válvulas de distintos tipos para controlar o detener el flujo, bombas para mover o presurizar líquidos y compresores para presurizar o mover gases. Los recipientes, tuberías y, en ocasiones, otros equipos que operan a temperaturas altas o muy bajas suelen estar recubiertos con aislamiento para la seguridad del personal y para mantener la temperatura en su interior. Los sistemas y unidades de fluidos suelen contar con instrumentación, como sensores de temperatura y presión y dispositivos de medición de flujo , en ubicaciones específicas de la planta. Los analizadores en línea para el análisis de propiedades químicas o físicas se han vuelto más comunes. En ocasiones, se utilizan disolventes para disolver reactivos o materiales, como sólidos, para su extracción o lixiviación, para proporcionar un medio adecuado para que se produzcan ciertas reacciones químicas o para que puedan tratarse como fluidos.

Hoy en día, los aspectos fundamentales del diseño de plantas químicas son realizados por ingenieros químicos . Históricamente, no siempre fue así, y muchas plantas químicas se construyeron de forma improvisada 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 abarcaban diversos aspectos de la práctica química industrial. ^{[ 5 ]} Por consiguiente, 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 la certificación de ingeniero colegiado a través de la Institución de Ingenieros Químicos .

En el diseño de plantas, normalmente menos del 1 % de las ideas para nuevos diseños llegan a comercializarse. Durante este proceso de solución, generalmente se utilizan estudios de costos como una evaluación inicial para descartar diseños no rentables. Si un proceso parece rentable, se consideran otros factores, como la seguridad, las restricciones ambientales, la controlabilidad, etc. ^{[ 2 ]} El objetivo general en el diseño de plantas es construir o sintetizar "diseños óptimos" en el entorno de las restricciones deseadas. ^{[ 6 ]}

Con frecuencia, los químicos investigan reacciones químicas u otros principios químicos en un laboratorio , generalmente a pequeña escala mediante experimentos por lotes. La información química obtenida es utilizada posteriormente por ingenieros químicos, junto con su propia experiencia, para convertirla en un proceso químico y aumentar el tamaño o la capacidad del lote. Habitualmente, se construye una pequeña planta química, denominada planta piloto, para obtener información sobre el diseño y la operación antes de la construcción de una planta a gran escala. A partir de los datos y la experiencia operativa obtenidos en la planta piloto, se puede diseñar una planta a mayor escala para alcanzar su capacidad máxima. Una vez determinados los aspectos fundamentales del diseño de la planta, los ingenieros mecánicos o eléctricos pueden participar en los detalles mecánicos o eléctricos, respectivamente. Los ingenieros estructurales pueden participar en el diseño de la planta para garantizar que las estructuras soporten el peso de las unidades, las tuberías y demás equipos.

Las unidades, corrientes y sistemas de fluidos de las plantas o procesos químicos pueden representarse mediante diagramas 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 indican la dirección habitual del flujo de material. En los diagramas de bloques, las unidades suelen representarse simplemente como bloques. Los diagramas de flujo de procesos pueden utilizar símbolos más detallados y mostrar bombas, compresores y válvulas principales. Los valores o rangos probables de los caudales de material para las distintas corrientes se determinan en función de la capacidad deseada de la planta mediante cálculos de balance de materia. También se realizan balances de energía en función de los calores de reacción , las capacidades caloríficas , las temperaturas y presiones esperadas en varios puntos para calcular las cantidades de calefacción y refrigeración necesarias en diferentes lugares y para dimensionar los intercambiadores de calor. El diseño de la planta química puede mostrarse con mayor detalle en un diagrama de tuberías e instrumentación (P&ID), que muestra todas las tuberías, tubos, válvulas e instrumentación, normalmente 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 se dimensionan según la capacidad máxima que cada una pueda manejar. De igual manera, las dimensiones de las tuberías, bombas, compresores y equipos asociados se eligen según la capacidad de flujo que deban manejar. Los sistemas de servicios públicos, como el suministro de energía eléctrica y 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 el arranque y la parada de la planta o de las unidades. El diseño de sistemas de fluidos suele incluir válvulas de aislamiento alrededor de las distintas unidades o partes de la planta, de modo que una sección pueda aislarse en caso de un problema, como una fuga en una unidad. Si se utilizan válvulas de accionamiento neumático o hidráulico, se necesita un sistema de líneas de presurización para los actuadores. En cualquier punto donde se deban tomar muestras del proceso, se deben incluir en el diseño detallado las líneas de muestreo, las válvulas y el acceso a las mismas. Si es necesario, se deben prever medidas para reducir la alta presión o temperatura de la corriente de muestreo, como una válvula reductora de presión o un enfriador de muestras.

Las unidades y sistemas de fluidos de la planta, incluyendo todos los recipientes, tuberías, válvulas, bombas, compresores y demás equipos, deben estar diseñados o clasificados para soportar todo el rango de presiones, temperaturas y demás condiciones a las que puedan estar expuestos, incluyendo los factores de seguridad pertinentes . Asimismo, se debe verificar la compatibilidad de los materiales de todas estas unidades y equipos para garantizar su resistencia a la exposición prolongada a los productos químicos con los que entrarán en contacto. Cualquier sistema cerrado de la planta que pueda generar presión superior a la capacidad nominal del equipo, como por ejemplo, mediante calentamiento, reacciones exotérmicas o ciertas bombas o compresores, debe contar con una válvula de alivio de presión del tamaño adecuado para evitar la sobrepresión y garantizar la seguridad. Con frecuencia, todos estos parámetros (temperaturas, presiones, caudal, etc.) se analizan exhaustivamente en conjunto mediante un análisis HAZOP o de árbol de fallos , para asegurar que la planta no presente ningún riesgo conocido de peligro grave.

Dentro de las limitaciones a las que está sujeta la planta, los parámetros de diseño se optimizan para lograr un buen rendimiento económico, garantizando al mismo tiempo la seguridad y el bienestar del personal y la comunidad circundante. Para mayor flexibilidad, una planta puede diseñarse para operar dentro de un rango alrededor de ciertos parámetros de diseño óptimos, en caso de que cambien las condiciones de la materia prima o las económicas y sea necesario reoptimizarla. En la actualidad, se utilizan simulaciones y otros cálculos informáticos para ayudar en el diseño u optimización de plantas químicas.

Las plantas químicas utilizadas particularmente para la fabricación de productos químicos básicos y petroquímicos se ubican en relativamente pocos lugares de fabricación en todo el mundo, debido principalmente a las necesidades de infraestructura. Esto es menos importante para las plantas de lotes de productos químicos especializados o finos . No todos los productos químicos 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 materiales, energía y servicios públicos y otras economías de escala . Estos lugares de fabricación a menudo tienen clústeres de empresas 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 ubicaciones principales para la fabricación de productos químicos básicos: cerca del río Mersey en el noroeste de Inglaterra, en el 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). ^{[ 7 ]} Aproximadamente el 50% de los productos petroquímicos del Reino Unido, que también son productos químicos básicos, son producidos por las empresas del clúster industrial en Teesside en la desembocadura del río Tees en tres grandes parques químicos en Wilton , ^{[ 8 ]} Billingham y Seal Sands .

La corrosión en las plantas de procesamiento químico es un problema grave que genera pérdidas de miles de millones de dólares anuales. La corrosión electroquímica de los metales es frecuente en estas plantas debido a la presencia de vapores ácidos y otras interacciones electrolíticas. Recientemente, el plástico reforzado con fibra (PRF ) se utiliza como material de construcción. La norma británica BS4994 se emplea ampliamente para el diseño y la construcción de recipientes, tanques, etc.

• Industria química
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• Tanques y recipientes de PRFV : equipos para plantas de procesamiento químico fabricados en PRFV.
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• Petroquímico
• Clúster de la industria de procesos del noreste de Inglaterra
• Instituto de Ingenieros Químicos
• Gráfico S
• Operaciones de la unidad

• Comité de Normas ASME B73, Bombas para Productos Químicos
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