Este artículo presenta información sobre el equipo de proceso básico, el almacenamiento, el diseño de la planta y las consideraciones operativas en las industrias de procesos químicos, incluidos los elementos y conceptos principales que se aplican ampliamente en toda la industria química. Sin embargo, gran parte del equipo requerido en el procesamiento químico es altamente especializado y no puede generalizarse ampliamente. Se revisa información más detallada sobre toxicidad y materiales peligrosos y seguridad del proceso en otra parte de este Enciclopedia.

Hay dos categorías básicas de diseño en las industrias de procesamiento químico: diseño de planta, que cubre todas las unidades de proceso, servicios públicos, áreas de almacenamiento, áreas de carga/descarga, edificios, talleres y depósitos, y diseño de unidad o proceso, que cubre solo la ubicación del equipo para un proceso específico, también denominado bloque de proceso.

Distribución de la planta

Emplazamiento

La ubicación o ubicación de una planta en general se basa en una serie de factores generales, como se muestra en la tabla 1 (CCPS 1993). Estos factores varían considerablemente según la ubicación, los gobiernos y las políticas económicas. De estos diversos factores, las consideraciones de seguridad son una preocupación extremadamente importante y, en algunos lugares, pueden ser el factor principal que rige la ubicación de la planta.

Tabla 1. Algunos factores generales de selección del sitio

• Densidad de población alrededor del sitio.
• Ocurrencia de desastres naturales (terremoto, inundación, etc.)
• Vientos predominantes y datos meteorológicos
• Disponibilidad de energía, vapor y agua.
• Consideraciones de seguridad
• Regulaciones de aire, agua y residuos y su complejidad
• Accesibilidad a materias primas y mercados.
• Transporte
• Permisos de emplazamiento y complejidad de su obtención
• Requisitos de interacción en desarrollos industriales
• Disponibilidad y costos de mano de obra
• Incentivos de inversión

Un aspecto importante de la seguridad de la planta en el emplazamiento es la definición de una zona de amortiguamiento entre una planta con procesos peligrosos y plantas cercanas, viviendas, escuelas, hospitales, carreteras, vías fluviales y corredores de aviones. Algunas consideraciones generales de seguridad se presentan en la tabla 2. La zona de amortiguamiento es importante porque la distancia tiende a reducir o mitigar las exposiciones potenciales de varios accidentes. Se puede definir la distancia necesaria para reducir las concentraciones tóxicas a niveles aceptables a través de la interacción atmosférica y la dispersión de materiales tóxicos de una liberación accidental. Además, el lapso de tiempo entre una liberación tóxica y la exposición del público creada por una zona de amortiguamiento se puede utilizar para advertir a la población a través de programas de respuesta de emergencia planificados previamente. Dado que las plantas tienen varios tipos de instalaciones que contienen materiales tóxicos, se deben realizar análisis de dispersión en los sistemas potencialmente peligrosos para garantizar que la zona de amortiguamiento sea adecuada en cada área que rodea el perímetro de la planta.

Tabla 2. Consideraciones de seguridad para la ubicación de la planta

• Zona de amortiguamiento
• Ubicación de otras instalaciones peligrosas en las inmediaciones
• Inventario de materiales tóxicos y peligrosos
• Adecuación del suministro de agua contra incendios
• Acceso a equipos de emergencia
• Disponibilidad de apoyo de respuesta de emergencia de industrias adyacentes y la comunidad.
• Condiciones meteorológicas extremas y vientos dominantes
• Ubicación de carreteras, vías fluviales, vías férreas y corredores aéreos
• Restricciones ambientales y de eliminación de desechos durante emergencias
• Drenaje y pendiente de grado
• Mantenimiento e inspección

El fuego es un peligro potencial en las plantas e instalaciones de proceso. Los grandes incendios pueden ser una fuente de radiación térmica que también puede ser mitigada por la distancia. Las llamaradas elevadas también pueden ser una fuente de radiación térmica durante una operación de emergencia o de arranque/parada. Una bengala es un dispositivo que quema automáticamente los gases de escape o libera vapores de emergencia en posiciones elevadas o ubicaciones especiales en el suelo. Estos deben ubicarse lejos del perímetro de la planta (para protección de la comunidad) y debe prohibirse el acceso de los trabajadores a un área en la base de la antorcha. Si no se opera correctamente, el arrastre de líquido a la antorcha puede provocar la quema de gotas de líquido. Además del fuego, puede haber explosiones dentro del equipo o una nube de vapor que produzca ondas expansivas. Aunque la distancia reducirá un poco la intensidad de la explosión sobre la zona de amortiguamiento, la explosión aún tendrá un efecto en la comunidad cercana.

También se debe considerar el potencial de escapes accidentales o incendios de las instalaciones existentes que pueden estar cerca del sitio propuesto. Los incidentes potenciales deben modelarse y evaluarse para determinar el posible efecto en el diseño de planta propuesto. Las respuestas de emergencia a un evento externo deben evaluarse y las respuestas deben coordinarse con otras plantas y comunidades afectadas.

Otras Consideraciones

Dow Chemical Company ha desarrollado otro enfoque para el diseño de la planta basado en un nivel aceptable de Daño a la propiedad máximo probable (MPPD) y Riesgo de interrupción del negocio (B1) (Dow Chemical Company 1994a). Estas consideraciones son importantes tanto para las plantas nuevas como para las existentes. El índice de incendios y explosiones de Dow es útil en diseños de plantas nuevas o en la adición de equipos a plantas existentes. Si se determina que los riesgos calculados a partir del índice son inaceptables, se deben aumentar las distancias de separación. Alternativamente, los cambios de diseño también pueden reducir el riesgo potencial.

Diseño general

En el diseño general de una planta, los vientos predominantes son una consideración importante. Las fuentes de ignición deben ubicarse contra el viento de las posibles fuentes de fugas. Los calentadores, las calderas, los incineradores y las antorchas que funcionan con fuego se encuentran en esta categoría (CCPS 1993). La ubicación de los tanques de almacenamiento a favor del viento de las unidades de proceso y los servicios públicos es otra recomendación (CCPS 1993). Las regulaciones ambientales han llevado a una reducción significativa de las fugas de los tanques (Lipton y Lynch 1994).

Las distancias mínimas de separación se han descrito en varias publicaciones para unidades de proceso, equipos y diferentes funciones de la planta (CCPS 1993; Dow Chemical Company 1994a; IRI 1991). Las instalaciones generales que normalmente tienen separaciones de distancia recomendadas en los diseños generales de la planta se muestran en la tabla 3. Las recomendaciones de distancia real deben definirse cuidadosamente. Si bien los calentadores a fuego y los hornos de proceso no se muestran en la tabla 3, son un elemento importante y las separaciones de distancia recomendadas deben incluirse en un diseño de proceso unitario.

Tabla 3. Instalaciones generalmente separadas en diseños generales de planta

• Unidades de proceso
• Granjas de tanques
• Instalaciones de carga y descarga
• Bengalas
• Energía, calderas e incineradores
• Torres de enfriamiento
• Subestaciones, grandes patios de interruptores eléctricos
• casas de control central
• Almacenes.
• Laboratorios analíticos
• Sistemas de bloqueo y medición de servicios públicos entrantes
• Mangueras contra incendios, monitores fijos, depósitos y bombas contra incendios de emergencia
• Áreas de tratamiento de residuos
• Mantenimiento de edificios y áreas.
• Edificios administrativos

Además, los caminos son necesarios para el acceso de vehículos o equipos de emergencia y mantenimiento y requieren una colocación cuidadosa entre las unidades de proceso y en las distintas secciones de la planta. Deben establecerse espacios libres aceptables para los bastidores de tuberías elevados y otros equipos elevados junto con los espacios libres laterales en los cruces de caminos y las entradas a todas las instalaciones.

Los requisitos de diseño pueden basarse en distancias de separación mínimas recomendadas (CCPS 1993; NFPA 1990; IRI 1991; Mecklenburgh 1985) o determinarse a través de un análisis de riesgos (Dow Chemical Company 1994a).

Disposición de la unidad de proceso

La Tabla 3 presenta un resumen general del diseño de las separaciones de la planta. Las unidades de proceso están contenidas dentro del bloque específico que se muestra en el diseño general. El proceso químico generalmente se muestra en detalle en los diagramas de proceso e implementación (P&ID). El diseño de un proceso requiere consideraciones más allá de las distancias de separación de equipos específicos, algunas de las cuales se muestran en la tabla 4.

Tabla 4. Consideraciones generales en el diseño de una unidad de proceso

• Definición de áreas para futuras expansiones y accesibilidad de unidades
• Accesibilidad del equipo de reparación para mantenimiento frecuente
• Requisitos de espacio para la reparación de equipos individuales (p. ej., área necesaria para tirar del paquete del intercambiador de calor o accesibilidad para la válvula de control)
• Barreras para equipos de alta presión o reactores con potencial de explosión
• Requisitos mecánicos y de espacio para la carga/descarga de reactores o torres llenos de sólidos
• Espacio para ventilar explosiones de polvo.
• Separación de equipos abiertos o mantenidos con frecuencia de tuberías, recipientes, etc. de alta temperatura.
• Edificios o estructuras especiales y espacio libre necesario (p. ej., una sala de compresores con un puente grúa interno o una grúa externa)

El ensamblaje de equipos en cualquier unidad de proceso en particular variará considerablemente, dependiendo del proceso. La toxicidad y las características peligrosas de las corrientes y los materiales dentro de las unidades también varían ampliamente. A pesar de estas diferencias, se han desarrollado estándares de distancia mínima para muchos elementos del equipo (CCPS 1993; NFPA 1990; IRI 1991; Mecklenburgh 1985). Los procedimientos para calcular las posibles fugas y exposiciones tóxicas de los equipos de proceso que también pueden afectar la distancia de separación están disponibles (Dow Chemical Company 1994b). Además, el análisis de dispersión se puede aplicar cuando se han calculado estimaciones de fugas.

Equipo y distancia de separación

Se puede utilizar una técnica matricial para calcular el espacio necesario para separar el equipo (CCPS 1993; IRI 1991). Los cálculos basados ​​en condiciones de procesamiento específicas y una evaluación de riesgos del equipo pueden dar como resultado distancias de separación que difieren de una guía de matriz estándar.

Se pueden desarrollar listas extensas para una matriz refinando las categorías individuales y agregando equipos. Por ejemplo, los compresores se pueden dividir en varios tipos, como los que manejan gas inerte, aire y gases peligrosos. Las distancias de separación para los compresores accionados por motor pueden diferir de las máquinas accionadas por motor o por vapor. Las distancias de separación en las instalaciones de almacenamiento que albergan gases licuados deben analizarse en función de si el gas es inerte.

Los límites de la batería de proceso deben definirse cuidadosamente. Son las líneas divisorias o los límites de la parcela para una unidad de proceso (el nombre deriva del uso temprano de una batería de hornos en el procesamiento). Otras unidades, carreteras, servicios públicos, tuberías, zanjas de desagüe, etc., se trazan en función de los límites de la batería. Si bien la ubicación del equipo de la unidad no se extiende a los límites de la batería, se deben definir las distancias de separación del equipo de los límites de la batería.

Salas de control o casetas de control

En el pasado, cada unidad de proceso se diseñaba con una sala de control que proporcionaba el control operativo del proceso. Con la llegada de la instrumentación electrónica y el procesamiento controlado por computadora, las salas de control individuales han sido reemplazadas por una sala de control central que controla varias unidades de proceso en muchas operaciones. La sala de control centralizada es económicamente ventajosa debido a la optimización del proceso y al aumento de la eficiencia del personal. Todavía existen unidades de proceso individuales y, en algunas unidades especializadas, las casas de control más antiguas que han sido suplantadas por salas de control centralizadas aún pueden usarse para el monitoreo de procesos locales y para el control de emergencia. Aunque las funciones y ubicaciones de la sala de control generalmente están determinadas por la economía del proceso, el diseño de la sala de control o la sala de control es muy importante para mantener el control de emergencia y para la protección de los trabajadores. Algunas consideraciones para las casas de control central y local incluyen:

• presurizar la casa de control para evitar la entrada de vapores tóxicos y peligrosos
• diseño de la casa de control para resistencia a explosiones y explosiones
• establecer una ubicación que tenga un riesgo mínimo (basado en la distancia de separación y la probabilidad de escapes de gas)
• purificar todo el aire de entrada e instalar una ubicación de chimenea de entrada que minimice la entrada de vapores tóxicos o peligrosos
• Sellado de todas las salidas de alcantarillado de la casa de control.
• instalación de un sistema de extinción de incendios.

Reducción de inventario

Una consideración importante en los diseños de procesos y plantas es la cantidad de materiales tóxicos y peligrosos en el inventario general, incluido el equipo. Las consecuencias de una fuga son más graves a medida que aumenta el volumen de material. En consecuencia, el inventario debe minimizarse siempre que sea posible. El procesamiento mejorado que reduce la cantidad y el tamaño de las piezas del equipo reduce el inventario, reduce el riesgo y también da como resultado una menor inversión y una mayor eficiencia operativa.

Algunas posibles consideraciones de reducción de inventario se muestran en la tabla 6. Cuando se instale una nueva instalación de proceso, el procesamiento debe optimizarse teniendo en cuenta algunos de los objetivos que se muestran en la tabla 5.

Tabla 5. Pasos para limitar el inventario

• Reducción de la reducción del inventario de tanques de almacenamiento a través de un mejor control de procesos, operación y control de inventario justo a tiempo
• Eliminar o minimizar el inventario de tanques en el sitio a través de la integración de procesos
• Uso del análisis y desarrollo de variables de reacción para la reducción del volumen del reactor
• Sustitución de reactores por lotes por reactores continuos, lo que también reduce la retención aguas abajo
• Disminución de la retención de la columna de destilación a través de reducciones de volumen de fondos y retención de bandejas con bandejas o empaques más avanzados
• Sustitución de calderines de marmita por calderines termosifón
• Minimización de los volúmenes de los tambores de sobretensión y de los tambores de fondo
• Mejorar el diseño y el tamaño de las tuberías para minimizar la retención
• Donde se producen materiales tóxicos, minimizando la retención de la sección tóxica

Instalaciones de almacenamiento

Las instalaciones de almacenamiento en una planta de procesamiento químico pueden albergar alimentos líquidos y sólidos, productos químicos intermedios, subproductos y productos de proceso. Los productos almacenados en muchas instalaciones sirven como intermediarios o precursores de otros procesos. El almacenamiento también puede ser necesario para diluyentes, solventes u otros materiales de proceso. Todos estos materiales se almacenan generalmente en tanques de almacenamiento sobre el suelo (AST). El tanque subterráneo todavía se usa en algunos lugares, pero el uso generalmente es limitado debido a problemas de acceso y capacidad limitada. Además, las fugas potenciales de tales tanques de almacenamiento subterráneos (UST) presentan problemas ambientales cuando las fugas contaminan el agua subterránea. La contaminación general de la tierra puede dar lugar a posibles exposiciones atmosféricas con fugas de materiales con mayor presión de vapor. Los materiales filtrados pueden ser un problema potencial de exposición durante los esfuerzos de remediación del suelo. Las fugas de UST han resultado en regulaciones ambientales estrictas en muchos países, como los requisitos para tanques de doble pared y monitoreo subterráneo.

Los tanques de almacenamiento típicos sobre el suelo se muestran en la figura 1. Los AST verticales son tanques de techo cónico o abovedado, tanques de techo flotante con techo flotante cubierto o no cubierto o tanques de techo flotante externo (EFRT). Los tanques de techo convertido o cerrado son EFRT con cubiertas instaladas en los tanques que con frecuencia son domos de tipo geodésico. Dado que los EFRT con el tiempo no mantienen una forma perfectamente circular, es difícil sellar el techo flotante y se instala una cubierta en el tanque. Un diseño de domo geodésico elimina las armaduras de techo necesarias para los tanques de techo cónico (FRT). El domo geodésico es más económico que un techo cónico y, además, el domo reduce las pérdidas de materiales al medio ambiente.

Figura 1. Tanques de almacenamiento sobre el suelo típicos

Normalmente, los tanques se limitan al almacenamiento de líquidos donde la presión de vapor del líquido no supera los 77 kPa. Cuando la presión excede este valor, se utilizan esferoides o esferas, ya que ambos están diseñados para operar a presión. Los esferoides pueden ser bastante grandes pero no se instalan donde la presión puede exceder ciertos límites definidos por el diseño mecánico. Para la mayoría de las aplicaciones de almacenamiento de presión de vapor más alta, las esferas son normalmente el contenedor de almacenamiento y están equipadas con válvulas de alivio de presión para evitar el exceso de presión. Un problema de seguridad que se ha desarrollado con las esferas es el vuelco, que genera un exceso de vapor y da como resultado descargas de la válvula de alivio o en situaciones más extremas, como la ruptura de la pared de la esfera (CCPS 1993). En general, los contenidos líquidos se estratifican y si se carga material tibio (menos denso) en el fondo de la esfera, el material tibio sube a la superficie con el material superficial más frío y de mayor densidad rodando hacia el fondo. El material de la superficie caliente se vaporiza, elevando la presión, lo que puede resultar en una descarga de la válvula de alivio o sobrepresión de la esfera.

Disposición del tanque

El diseño del tanque requiere una planificación cuidadosa. Hay recomendaciones para las distancias de separación de tanques y otras consideraciones (CCPS 1988; 1993). En muchos lugares, las distancias de separación no están especificadas por código, pero las distancias mínimas (OSHA 1994) pueden ser el resultado de varias decisiones aplicables a las distancias y ubicaciones de separación. Algunas de estas consideraciones se presentan en la tabla 6. Además, el servicio del tanque es un factor en la separación del tanque para tanques presurizados, refrigerados y atmosféricos (CCPS 1993).

Tabla 6. Separación de tanques y consideraciones de ubicación

• La separación basada en las distancias de capa a capa puede basarse en referencias y estar sujeta al cálculo de la distancia de radiación térmica en caso de incendio en un tanque adyacente.
• Los tanques deben estar separados de las unidades de proceso.
• La ubicación del tanque, preferiblemente a favor del viento desde otras áreas, minimiza los problemas de ignición en el caso de que un tanque libere una cantidad significativa de vapor.
• Los tanques de almacenamiento deben tener diques, que también son requeridos por ley en la mayoría de las regiones.
• Los tanques se pueden agrupar para la utilización de diques comunes y equipos de extinción de incendios.
• Los diques deben tener capacidad de aislamiento en caso de emergencia.

Los diques son necesarios y tienen un tamaño volumétrico nominal para contener el contenido de un tanque. Cuando hay varios tanques dentro de un dique, la capacidad volumétrica mínima del dique es equivalente a la capacidad del tanque más grande (OSHA 1994). Las paredes del dique pueden construirse con tierra, acero, hormigón o mampostería sólida. Sin embargo, los diques de tierra deben ser impenetrables y tener una parte superior plana con un ancho mínimo de 0.61 m. Además, el suelo dentro del área del dique también debe tener una capa impenetrable para evitar cualquier fuga de productos químicos o aceite en el suelo.

Fuga del tanque

Un problema que se ha ido desarrollando a lo largo de los años es la fuga del tanque como resultado de la corrosión en el fondo del tanque. Con frecuencia, los tanques tienen capas de agua en el fondo del tanque que pueden contribuir a la corrosión, y puede ocurrir corrosión electrolítica debido al contacto con la tierra. Como resultado, se han instituido requisitos reglamentarios en varias regiones para controlar las fugas en el fondo del tanque y la contaminación del agua y el suelo subterráneo por contaminantes en el agua. Se ha desarrollado una variedad de procedimientos de diseño para controlar y monitorear las fugas (Hagen y Rials 1994). Además, también se han instalado dobles fondos. En algunas instalaciones se ha instalado protección catódica para controlar aún más el deterioro del metal (Barletta, Bayle y Kennelley 1995).

Toma de agua

La descarga manual periódica de agua desde el fondo del tanque puede resultar en exposición. La observación visual para determinar la interfaz a través de un drenaje manual abierto puede provocar la exposición del trabajador. Se puede instalar una descarga cerrada con un sensor de interfaz y una válvula de control que minimice la posible exposición de los trabajadores (Lipton y Lynch 1994). Hay una variedad de sensores disponibles comercialmente para este servicio.

Tanques de sobrellenado

Con frecuencia, los tanques se sobrellenan, lo que genera riesgos potenciales para la seguridad y la exposición de los trabajadores. Esto puede evitarse con instrumentos redundantes o de dos niveles que controlen las válvulas de bloqueo de entrada o las bombas de alimentación (Bahner 1996). Durante muchos años, las líneas de desbordamiento se instalaron en los tanques de productos químicos, pero terminaban a poca distancia por encima de una abertura de drenaje para permitir la observación visual de la descarga de desbordamiento. Además, el drenaje tuvo que dimensionarse para una tasa de llenado superior a la máxima para garantizar un drenaje adecuado. Sin embargo, dicho sistema es una fuente potencial de exposición. Esto se puede eliminar conectando la línea de desbordamiento directamente al desagüe con un indicador de flujo en la línea para mostrar el desbordamiento. Aunque esto funcionará satisfactoriamente, esto resulta en la sobrecarga del sistema de drenaje con un volumen muy grande de contaminantes y problemas potenciales de salud y seguridad.

Inspección y limpieza de tanques.

Periódicamente, los tanques se retiran de servicio para su inspección y/o limpieza. Estos procedimientos deben controlarse cuidadosamente para evitar la exposición de los trabajadores y minimizar los riesgos potenciales para la seguridad. Después del drenaje, los tanques se enjuagan frecuentemente con agua para eliminar los restos de líquido del proceso. Históricamente, los tanques se limpiaban de forma manual o mecánica cuando era necesario. Cuando se drenan los tanques, se llenan de vapor que puede ser tóxico y puede estar dentro de un rango combustible. Es posible que el lavado con agua no afecte significativamente la toxicidad del vapor, pero puede reducir los posibles problemas de combustión. Con techos flotantes, el material debajo del techo flotante se puede lavar y drenar, pero algunos tanques aún pueden tener material en el sumidero. Este material del fondo debe eliminarse manualmente y puede presentar problemas de exposición potencial. Es posible que se requiera que el personal use equipo de protección personal (EPP).

Normalmente, los tanques cerrados y cualquier volumen por debajo de los techos flotantes se purgan con aire hasta que se alcanza un nivel de concentración de oxígeno específico antes de que se permita la entrada. Sin embargo, las mediciones de concentración deben obtenerse continuamente para garantizar que los niveles de concentración tóxica sean satisfactorios y no cambien.

Ventilación de vapor y control de emisiones.

Para tanques de techo fijo o de techo flotante convertido (CFRT), la ventilación a la atmósfera puede no ser aceptable en muchos lugares. El venteo de presión-vacío (PV) (que se muestra en la figura 2) estos tanques se retiran y los vapores fluyen a través de un conducto cerrado hacia un dispositivo de control donde los contaminantes se destruyen o recuperan. Para ambos tanques, se puede realizar una purga inerte (p. ej., nitrógeno). ser inyectado para eliminar el efecto de vacío diurno y mantener una presión positiva para el dispositivo de recuperación. En el tanque CFRT, el nitrógeno elimina el efecto diurno y reduce los vapores a la atmósfera a través de un respiradero PV. Sin embargo, las emisiones de vapor no se eliminan. A Se dispone de una gran cantidad de dispositivos y técnicas de control que incluyen combustión, absorbedores, condensadores y absorción (Moretti y Mukhopadhyay 1993; Carroll y Ruddy 1993; Basta 1994; Pennington 1996; Siegall 1996). La selección de un sistema de control es una función de los objetivos finales de emisión. y costos de operación e inversión.

En los tanques de techo flotante, tanto externos como internos, los sellos y los controles de accesorios auxiliares minimizan efectivamente las pérdidas de vapor.

Riesgos para la seguridad

La inflamabilidad es una preocupación importante en los tanques y se requieren sistemas de extinción de incendios para ayudar en el control y la prevención de zonas de incendio ampliadas. Los sistemas de agua contra incendios y las recomendaciones de instalación están disponibles (CCPS 1993; Dow Chemical Company 1994a; NFPA 1990). El agua se puede rociar directamente sobre un incendio bajo ciertas condiciones y es esencial para enfriar tanques o equipos adyacentes para evitar el sobrecalentamiento. Además, la espuma es un agente extintor de incendios eficaz y se pueden instalar equipos de espuma permanentes en los tanques. La instalación de equipos de espuma en equipos móviles de extinción de incendios debe revisarse con un fabricante. Las espumas ambientalmente aceptables y de baja toxicidad ahora están disponibles que son efectivas y comparables a otras espumas para extinguir incendios rápidamente.

Procesando equipamiento

Se requiere una amplia variedad de equipos de proceso en el procesamiento de productos químicos como resultado de los numerosos procesos, requisitos de procesos especializados y variaciones en los productos. En consecuencia, no se puede revisar todo el equipo químico en uso hoy en día; esta sección se concentrará en el equipo de aplicación más amplia que se encuentra en las secuencias de procesamiento.

Reactores

Hay un gran número de tipos de reactores en la industria química. La base para la selección del reactor es una función de una serie de variables, empezando por clasificar si la reacción es discontinua o continua. Con frecuencia, las reacciones por lotes se convierten en operaciones continuas a medida que aumenta la experiencia con la reacción y se dispone de algunas modificaciones, como catalizadores mejorados. El procesamiento de reacción continuo es generalmente más eficiente y produce un producto más consistente, lo cual es deseable para cumplir con los objetivos de calidad del producto. Sin embargo, todavía hay una gran cantidad de operaciones por lotes.

Reacción

En todas las reacciones, la clasificación de una reacción como exotérmica o endotérmica (que produce calor o requiere calor) es necesaria para definir los requisitos de calentamiento o enfriamiento necesarios para controlar la reacción. Además, se deben establecer criterios de reacción fuera de control para instalar sensores y controles de instrumentos que puedan evitar que una reacción se salga de control. Antes de la operación a gran escala de un reactor, se deben investigar y desarrollar procedimientos de emergencia para garantizar que la reacción fuera de control se contenga de manera segura. Algunas de las diversas soluciones potenciales son equipos de control de emergencia que se activan automáticamente, inyección de un químico que detiene la reacción e instalaciones de ventilación que pueden acomodar y contener el contenido del reactor. La operación de la válvula de seguridad y la ventilación es extremadamente importante y requiere un equipo en buen estado y en funcionamiento en todo momento. En consecuencia, con frecuencia se instalan múltiples válvulas de seguridad entrelazadas para garantizar que el mantenimiento de una válvula no reduzca la capacidad de alivio requerida.

En caso de que una válvula de seguridad o ventilación se descargue debido a un mal funcionamiento, el efluente de descarga debe contenerse en prácticamente todas las circunstancias para minimizar los riesgos potenciales para la seguridad y la salud. Como resultado, el método de contención de la descarga de emergencia a través de tuberías junto con la disposición final de la descarga del reactor debe analizarse cuidadosamente. En general, el líquido y el vapor deben separarse y el vapor debe enviarse a una antorcha o recuperación y el líquido debe reciclarse cuando sea posible. La eliminación de sólidos puede requerir algún estudio.

Lote

En los reactores que involucran reacciones exotérmicas, una consideración importante es el ensuciamiento de las paredes o las tuberías internas por el medio de enfriamiento utilizado para mantener la temperatura. La eliminación del material contaminado varía considerablemente y el método de eliminación depende de las características del material contaminado. El material sucio se puede eliminar con un solvente, un chorro de boquilla de alta presión o, en algunos casos, manualmente. En todos estos procedimientos, la seguridad y la exposición deben ser cuidadosamente controladas. El movimiento de material dentro y fuera del reactor no debe permitir la entrada de aire, lo que puede resultar en una mezcla de vapor inflamable. Los vacíos deben romperse con un gas inerte (p. ej., nitrógeno). La entrada de embarcaciones para inspección o trabajo se puede clasificar como entrada en un espacio confinado y se deben observar las reglas para este procedimiento. Se debe comprender la toxicidad dérmica y de vapor y los técnicos deben tener conocimientos sobre los peligros para la salud.

ASESORIA CONTINUA

Los reactores de flujo continuo se pueden llenar con líquido o vapor y líquido. Algunas reacciones producen lodos en los reactores. Además, hay reactores que contienen catalizadores sólidos. El fluido de reacción puede ser líquido, vapor o una combinación de vapor y líquido. Los catalizadores sólidos, que promueven una reacción sin participar en ella, normalmente se encuentran dentro de rejillas y se denominan lechos fijos. Los reactores de lecho fijo pueden tener lechos simples o múltiples y pueden tener reacciones exotérmicas o endotérmicas, y la mayoría de las reacciones requieren una temperatura constante (isotérmica) en cada lecho. Esto requiere con frecuencia la inyección de corrientes de alimentación o un diluyente en varios lugares entre lechos para controlar la temperatura. Con estos sistemas de reacción, la indicación de la temperatura y la ubicación del sensor a través de los lechos son extremadamente importantes para evitar un desbocamiento de la reacción y cambios en el rendimiento o la calidad del producto.

Los lechos fijos generalmente pierden su actividad y deben regenerarse o reemplazarse. Para la regeneración, los depósitos en el lecho pueden quemarse, disolverse en un solvente o, en algunos casos, regenerarse mediante la inyección de un producto químico en un fluido inerte en el lecho, restaurando así la actividad del catalizador. Dependiendo del catalizador, se puede aplicar una de estas técnicas. Cuando se queman lechos, el reactor se vacía y se purga de todos los fluidos del proceso y luego se llena con un gas inerte (generalmente nitrógeno), que se calienta y recircula, elevando el lecho a un nivel de temperatura específico. En este punto, se agrega un volumen muy pequeño de oxígeno a la corriente inerte para iniciar un frente de llama que se mueve gradualmente a través del lecho y controla el aumento de temperatura. Cantidades excesivas de oxígeno tienen un efecto perjudicial sobre el catalizador.

Eliminación de catalizador de lecho fijo

La remoción de catalizadores de lecho fijo debe controlarse cuidadosamente. Los reactores se drenan del fluido del proceso y luego el fluido restante se desplaza con un fluido de lavado o se purga con vapor hasta que se haya eliminado todo el fluido del proceso. La purga final puede requerir otras técnicas antes de que el recipiente se pueda purgar con un gas inerte o aire antes de abrir el recipiente o descargar el catalizador del recipiente bajo un manto inerte. Si se usa agua en este proceso, el agua se drena a través de una tubería cerrada a un alcantarillado de proceso. Algunos catalizadores son sensibles al aire o al oxígeno y se vuelven pirofóricos o tóxicos. Estos requieren procedimientos especiales para eliminar el aire durante el llenado o vaciado de los recipientes. La protección personal junto con los procedimientos de manejo deben definirse cuidadosamente para minimizar las exposiciones potenciales y proteger al personal.

La eliminación del catalizador gastado puede requerir un tratamiento adicional antes de enviarlo a un fabricante de catalizadores para su reciclaje o en un procedimiento de eliminación ambientalmente aceptable.

Otros sistemas catalizadores

El gas que fluye a través de un lecho de catalizador sólido suelto expande el lecho y forma una suspensión que es similar a un líquido y se denomina lecho fluido. Este tipo de reacción se utiliza en varios procesos. Los catalizadores usados ​​se eliminan como una corriente lateral de gas y sólidos para su regeneración y luego se devuelven al proceso a través de un sistema cerrado. En otras reacciones, la actividad del catalizador puede ser muy alta y, aunque el catalizador se descarga en el producto, la concentración es extremadamente baja y no plantea ningún problema. Cuando no se desee una alta concentración de sólidos de catalizador en el vapor del producto, se debe eliminar el arrastre de sólidos antes de la purificación. Sin embargo, quedarán rastros de sólidos. Estos se eliminan para su eliminación en una de las corrientes de subproductos, que a su vez deben clarificarse.

En situaciones en las que el catalizador gastado se regenera mediante la combustión, se requieren amplias instalaciones de recuperación de sólidos en los sistemas de lecho fluidizado para cumplir con las restricciones ambientales. La recuperación puede consistir en varias combinaciones de ciclones, precipitadores eléctricos, filtros de mangas y/o depuradores. Cuando la quema se produce en lechos fijos, la preocupación básica es el control de la temperatura.

Dado que los catalizadores de lecho fluidizado se encuentran frecuentemente dentro del rango respiratorio, se debe tener cuidado durante el manejo de sólidos para garantizar la protección de los trabajadores con catalizadores frescos o recuperados.

En algunos casos, se puede usar una aspiradora para quitar varios componentes de una cama fija. En estas situaciones, un chorro de vacío impulsado por vapor es frecuentemente el productor de vacío. Esto produce una descarga de vapor que frecuentemente contiene materiales tóxicos aunque en muy baja concentración en la corriente en chorro. Sin embargo, la descarga de un chorro de vapor debe revisarse cuidadosamente para determinar las cantidades de contaminantes, la toxicidad y la posible dispersión si se descarga directamente a la atmósfera. Si esto no es satisfactorio, la descarga del chorro puede requerir condensación en un sumidero donde se controlan todos los vapores y el agua se envía al sistema de alcantarillado cerrado. Una bomba de vacío rotativa funcionará en este servicio. Es posible que no se permita que la descarga de una bomba de vacío alternativa se descargue directamente a la atmósfera, pero en algunos casos puede descargarse en una línea de antorcha, incinerador o calentador de proceso.

Safety

En todos los reactores, los aumentos de presión son una preocupación importante ya que no se debe exceder la clasificación de presión del recipiente. Estos aumentos de presión pueden ser el resultado de un control deficiente del proceso, un mal funcionamiento o una reacción descontrolada. En consecuencia, se requieren sistemas de alivio de presión para mantener la integridad del recipiente evitando la sobrepresión del reactor. Las descargas de las válvulas de alivio deben diseñarse cuidadosamente para mantener un alivio adecuado en todas las condiciones, incluido el mantenimiento de las válvulas de alivio. Es posible que se requieran varias válvulas. Si se diseña una válvula de alivio para descargar a la atmósfera, el punto de descarga debe elevarse por encima de todas las estructuras cercanas y se debe realizar un análisis de dispersión para garantizar la protección adecuada de los trabajadores y las comunidades cercanas.

Si se instala un disco de ruptura con una válvula de seguridad, también se debe encerrar la descarga y designar la ubicación de descarga final como se describe anteriormente. Dado que la ruptura de un disco no se volverá a asentar, un disco sin válvula de seguridad probablemente liberará la mayor parte del contenido del reactor y el aire puede ingresar al reactor al final de la liberación. Esto requiere un análisis cuidadoso para asegurar que no se cree una situación inflamable y que no ocurran reacciones altamente indeseables. Además, la descarga de un disco puede liberar líquido y el sistema de ventilación debe estar diseñado para contener todos los líquidos con vapor descargado, como se describe anteriormente. Las liberaciones atmosféricas de emergencia deben ser aprobadas por las autoridades reguladoras antes de la instalación.

Los agitadores mezcladores instalados en los reactores están sellados. Las fugas pueden ser peligrosas y, si ocurren, el sello debe repararse, lo que requiere el apagado del reactor. El contenido del reactor puede requerir manipulación o precauciones especiales y un procedimiento de parada de emergencia debe incluir la terminación de la reacción y la disposición del contenido del reactor. La inflamabilidad y el control de la exposición deben revisarse cuidadosamente para cada paso, incluida la disposición final de la mezcla del reactor. Dado que una parada puede ser costosa e implicar una pérdida de producción, se han introducido mezcladores magnéticos y sistemas de sellado más nuevos para reducir el mantenimiento y las paradas del reactor.

La entrada a todos los reactores requiere el cumplimiento de procedimientos seguros de entrada a espacios confinados.

Torres de fraccionamiento o destilación

La destilación es un proceso mediante el cual las sustancias químicas se separan mediante métodos que aprovechan las diferencias en los puntos de ebullición. Las torres familiares en plantas químicas y refinerías son torres de destilación.

La destilación en varias formas es un paso de procesamiento que se encuentra en la gran mayoría de los procesos químicos. El fraccionamiento o la destilación se pueden encontrar en los pasos del proceso de purificación, separación, extracción, azeotrópico y extractivo. Estas aplicaciones ahora incluyen la destilación reactiva, donde ocurre una reacción en una sección separada de la torre de destilación.

La destilación se realiza con una serie de bandejas en una torre, o se puede realizar en una torre llena de relleno. Los empaques tienen configuraciones especiales que permiten fácilmente el paso de vapor y líquido, pero brindan suficiente área de superficie para el contacto vapor-líquido y un fraccionamiento eficiente.

Operación

Normalmente se suministra calor a una torre con un rehervidor, aunque el contenido de calor de corrientes específicas puede ser suficiente para eliminar el rehervidor. Con el calor del rehervidor, se produce una separación vapor-líquido en múltiples pasos en las bandejas y los materiales más livianos ascienden a través de la torre. Los vapores de la bandeja superior se condensan total o parcialmente en el condensador superior. El líquido condensado se recolecta en el tambor de recuperación de destilados, donde parte del líquido se recicla a la torre y la otra parte se retira y se envía a una ubicación específica. Los vapores no condensados ​​pueden recuperarse en otro lugar o enviarse a un dispositivo de control que puede ser una cámara de combustión o un sistema de recuperación.

Presión

Las torres suelen funcionar a presiones superiores a la presión atmosférica. Sin embargo, las torres se operan con frecuencia al vacío para minimizar las temperaturas del líquido que pueden afectar la calidad del producto o en situaciones en las que los materiales de la torre se vuelven una preocupación mecánica y económica debido al nivel de temperatura que puede ser difícil de alcanzar. Además, las altas temperaturas pueden afectar al fluido. En las fracciones de petróleo pesado, las temperaturas muy altas en los fondos de las torres suelen dar lugar a problemas de coquización.

Los vacíos se obtienen normalmente con eyectores o bombas de vacío. En las unidades de proceso, las cargas de vacío consisten en algunos materiales ligeros de vapor, inertes que pueden haber estado en la corriente de alimentación de la torre y aire de fugas. Normalmente, el sistema de vacío se instala después de un condensador para reducir la carga orgánica al sistema de vacío. El tamaño del sistema de vacío se basa en la carga de vapor estimada, con eyectores que manejan cargas de vapor más grandes. En ciertos sistemas, una máquina de vacío puede conectarse directamente a una salida de condensador. Una operación típica del sistema eyector es una combinación de eyectores y condensadores barométricos directos donde los vapores del eyector tienen contacto directo con el agua de enfriamiento. Los condensadores barométricos son grandes consumidores de agua y la mezcla de vapor y agua da como resultado altas temperaturas de salida del agua que tienden a vaporizar cualquier rastro de compuesto orgánico en el sumidero barométrico atmosférico, aumentando potencialmente las exposiciones en el lugar de trabajo. Además, se agrega una gran carga de efluentes al sistema de aguas residuales.

Se logra una gran reducción de agua junto con una reducción sustancial en el consumo de vapor en los sistemas de vacío modificados. Dado que la bomba de vacío no manejará una gran carga de vapor, se usa un eyector de vapor en la primera etapa en combinación con un condensador de superficie para reducir la carga de la bomba de vacío. Además, se instala un tambor de sumidero para operación sobre el suelo. El sistema más simple reduce la carga de aguas residuales y mantiene un sistema cerrado que elimina posibles exposiciones al vapor.

Safety

Todas las torres y tambores deben estar protegidos contra la sobrepresión que puede resultar de un mal funcionamiento, incendio (Mowrer 1995) o fallas en los servicios públicos. Una revisión de peligros es necesaria y es requerida por ley en algunos países. Un enfoque general de gestión de seguridad de procesos que se aplica a la operación de procesos y plantas mejora la seguridad, minimiza las pérdidas y protege la salud de los trabajadores (Auger 1995; Murphy 1994; Sutton 1995). La protección es proporcionada por válvulas de alivio de presión (PRV) que descargan a la atmósfera oa un sistema cerrado. La PRV generalmente se monta en la parte superior de la torre para aliviar la gran carga de vapor, aunque algunas instalaciones ubican la PRV en otras ubicaciones de la torre. La PRV también se puede ubicar en el tambor superior de recuperación de destilados siempre que no se coloquen válvulas entre la PRV y la parte superior de la torre. Si se instalan válvulas de bloqueo en las líneas de proceso al condensador, entonces la PRV debe instalarse en la torre.

Cuando se alivia la sobrepresión de la torre de destilación, en ciertos escenarios de emergencia, la descarga de PRV puede ser excesivamente grande. Una carga muy alta en una línea de ventilación de descarga de un sistema cerrado puede ser la carga más grande del sistema. Dado que una descarga de PRV puede ser repentina y el tiempo total de alivio puede ser bastante corto (menos de 15 minutos), esta carga de vapor extremadamente grande debe analizarse cuidadosamente (Bewanger y Krecter 1995; Boicourt 1995). Dado que esta carga máxima corta y grande es difícil de procesar en dispositivos de control como absorbedores, adsorbentes, hornos, etc., el dispositivo de control preferible en la mayoría de las situaciones es una antorcha para la destrucción del vapor. Normalmente, varias PRV están conectadas a un encabezado de línea de bengala que, a su vez, está conectado a una sola bengala. Sin embargo, la bengala y el sistema general deben diseñarse cuidadosamente para cubrir un gran grupo de posibles contingencias (Boicourt 1995).

Riesgos para la salud

Para el alivio directo a la atmósfera, se debe realizar un análisis de dispersión detallado de los vapores de descarga de la válvula de alivio para garantizar que los trabajadores no estén expuestos y que las concentraciones en la comunidad estén dentro de las pautas de concentración permitidas. Al controlar la dispersión, es posible que se deban elevar las líneas de descarga de la válvula de alivio atmosférico para evitar concentraciones excesivas en las estructuras cercanas. Puede ser necesaria una pila similar a una bengala muy alta para controlar la dispersión.

Otra área de preocupación es ingresar a una torre para mantenimiento o cambios mecánicos durante una parada. Esto implica ingresar a un espacio confinado y expone a los trabajadores a los peligros asociados. El método de enjuague y purga antes de la apertura debe llevarse a cabo con cuidado para garantizar exposiciones mínimas al reducir las concentraciones tóxicas por debajo de los niveles recomendados. Antes de comenzar con las operaciones de lavado y purga, se debe reducir la presión de la torre y se deben cegar todas las conexiones de tubería a la torre (es decir, se deben colocar discos metálicos planos entre las bridas de la torre y las bridas de la tubería de conexión). Este paso debe administrarse cuidadosamente para garantizar exposiciones mínimas. En diferentes procesos, los métodos para limpiar la torre de fluidos tóxicos varían. Con frecuencia, el fluido de la torre se desplaza con un fluido que tiene características de muy baja toxicidad. Este fluido de desplazamiento luego se drena y se bombea a una ubicación seleccionada. La película de líquido restante y las gotitas se pueden vaporizar a la atmósfera a través de una brida superior que tiene una persiana especial con una abertura entre la persiana y la brida de la torre. Después de la vaporización, el aire ingresa a la torre a través de la abertura ciega especial a medida que la torre se enfría. Se abren una boca de inspección en la parte inferior de la torre y otra en la parte superior de la torre, lo que permite el soplado de aire a través de la torre. Cuando la concentración interna de la torre alcanza un nivel predeterminado, se puede ingresar a la torre.

Intercambiadores de calor

Existe una amplia variedad de intercambiadores de calor en la industria de procesos químicos. Los intercambiadores de calor son dispositivos mecánicos para la transferencia de calor hacia o desde una corriente de proceso. Se seleccionan de acuerdo con las condiciones del proceso y los diseños del intercambiador. Algunos de los tipos de intercambiadores comunes se muestran en la figura 2. La selección del intercambiador óptimo para un servicio de proceso es algo complicada y requiere una investigación detallada (Woods 1995). En muchas situaciones, ciertos tipos no son adecuados debido a la presión, la temperatura, la concentración de sólidos, la viscosidad, la cantidad de flujo y otros factores. Además, el diseño de un intercambiador de calor individual puede variar considerablemente; Hay disponibles varios tipos de tubos de dirección flotantes e intercambiadores de láminas (Green, Maloney y Perry 1984). La cabeza flotante normalmente se selecciona donde las temperaturas pueden causar una expansión excesiva del tubo que, de otro modo, no podría mantener la integridad en un intercambiador de placa de tubo fijo. En el intercambiador de cabeza flotante simplificado de la figura 2, la cabeza flotante está contenida completamente dentro del intercambiador y no tiene ninguna conexión con la cubierta de la carcasa. En otros diseños de cabeza flotante, puede haber empaquetamiento alrededor de la placa tubular flotante (Green, Maloney y Perry 1984).

Figura 2. Intercambiadores de calor típicos

Fuga

El empaque de las placas tubulares flotantes está en contacto con la atmósfera y puede ser una fuente de fugas y exposición potencial. Otros intercambiadores también pueden tener posibles fuentes de fugas y deben examinarse cuidadosamente. Como resultado de sus características de transferencia de calor, los intercambiadores de placas y marcos se instalan a menudo en la industria química. Las placas tienen varias ondulaciones y configuraciones. Las placas están separadas por juntas que evitan la mezcla de las corrientes y proporcionan un sello externo. Sin embargo, los sellos limitan las aplicaciones de temperatura a unos 180 ºC, aunque las mejoras en los sellos pueden superar esta limitación. Dado que hay varias placas, las placas deben comprimirse correctamente para garantizar un sellado adecuado entre ellas. En consecuencia, es necesaria una instalación mecánica cuidadosa para evitar fugas y peligros potenciales. Dado que hay una gran cantidad de focas, es importante monitorear cuidadosamente las focas para minimizar las posibles exposiciones.

Los intercambiadores enfriados por aire son económicamente atractivos y se han instalado en una gran cantidad de aplicaciones de proceso y en varias ubicaciones dentro de las unidades de proceso. Para ahorrar espacio, estos intercambiadores a menudo se instalan sobre tramos de tubería y con frecuencia se apilan. Dado que la selección del material del tubo es importante, en la industria química se utiliza una variedad de materiales. Estos tubos están conectados a la placa de tubos. Esto requiere el uso de materiales compatibles. La fuga a través de una grieta en el tubo o en la placa del tubo es una preocupación ya que el ventilador hará circular los vapores de la fuga y la dispersión puede resultar en exposiciones potenciales. La dilución con aire puede reducir significativamente el riesgo potencial de exposición. Sin embargo, los ventiladores se apagan con frecuencia bajo algunas condiciones climáticas y, en estas circunstancias, las concentraciones de fugas pueden aumentar, lo que aumenta las exposiciones potenciales. Además, si no se reparan los tubos con fugas, la fisura puede empeorar. Con líquidos tóxicos que no se vaporizan fácilmente, pueden gotear y provocar una posible exposición dérmica.

Los intercambiadores de calor de carcasa y tubos pueden desarrollar fugas a través de cualquiera de las diversas bridas (Green, Maloney y Perry 1984). Dado que los intercambiadores de calor de carcasa y tubos varían en tamaño, desde áreas de superficie pequeñas a muy grandes, el diámetro de las bridas exteriores suele ser mucho mayor que el de las bridas de tubería típicas. Con estas bridas grandes, las juntas no solo deben resistir las condiciones del proceso, sino también proporcionar un sello bajo las variaciones de carga de los pernos. Se utilizan varios diseños de juntas. Es difícil mantener constantes las tensiones de carga de los pernos en todos los pernos de la brida, lo que genera fugas en muchos intercambiadores. La fuga de la brida se puede controlar con anillos de sellado de brida (Lipton y Lynch 1994).

Las fugas en los tubos pueden ocurrir en cualquiera de los tipos de intercambiadores disponibles, con la excepción de los intercambiadores de placas y algunos otros intercambiadores especiales. Sin embargo, estos últimos intercambiadores tienen otros problemas potenciales. Cuando los tubos se filtran en un sistema de agua de refrigeración, el agua de refrigeración descarga el contaminante en una torre de refrigeración que puede ser una fuente de exposición tanto para los trabajadores como para la comunidad cercana. En consecuencia, el agua de refrigeración debe ser monitoreada.

La dispersión de los vapores de las torres de enfriamiento puede extenderse como resultado de los ventiladores en las torres de enfriamiento de tiro forzado e inducido. Además, las torres de convección natural descargan vapores a la atmósfera que luego se dispersan. Sin embargo, la dispersión varía considerablemente según las condiciones climáticas y la elevación de la descarga. Los materiales tóxicos menos volátiles permanecen en el agua de enfriamiento y la corriente de purga de la torre de enfriamiento, que debe tener suficiente capacidad de tratamiento para destruir los contaminantes. La torre de enfriamiento y el depósito de la torre deben limpiarse periódicamente y los contaminantes se suman a los peligros potenciales en el depósito y en el relleno de la torre. La protección personal es necesaria para gran parte de este trabajo.

Limpieza de intercambiadores

Un problema con los tubos en el servicio de agua de refrigeración es la acumulación de material en los tubos como resultado de la corrosión, los organismos biológicos y la deposición de sólidos. Como se describió anteriormente, los tubos también pueden tener fugas a través de grietas, o pueden ocurrir fugas cuando los tubos se enrollan en estrías en la placa de tubos. Cuando ocurre cualquiera de estas condiciones, se requiere la reparación del intercambiador y los fluidos del proceso deben eliminarse del intercambiador. Esto requiere una operación completamente contenida, que es necesaria para cumplir con los objetivos de exposición ambiental, de seguridad y de salud.

Generalmente, el fluido del proceso se drena a un receptor y el material restante se elimina del intercambiador con un solvente o material inerte. Este último material también se envía a un receptor de material contaminado mediante drenaje o presión con nitrógeno. Cuando haya material tóxico en el intercambiador, se debe monitorear el intercambiador para detectar cualquier rastro de material tóxico. Si los resultados de las pruebas no son satisfactorios, se puede vaporizar el intercambiador para vaporizar y eliminar todo rastro de material. Sin embargo, la ventilación de vapor debe conectarse a un sistema cerrado para evitar que el vapor se escape a la atmósfera. Si bien la ventilación cerrada puede no ser absolutamente necesaria, a veces puede haber más material contaminante en el intercambiador, lo que requiere una ventilación de vapor cerrada en todo momento para controlar los peligros potenciales. Después de la vaporización, un respiradero a la atmósfera admite aire. Este procedimiento general es aplicable al lado o lados del intercambiador que contienen material tóxico.

Los productos químicos que se utilicen para limpiar los tubos o el lado de la carcasa deben circular en un sistema cerrado. Normalmente, la solución de limpieza se recircula desde un sistema de camión cisterna y la solución contaminada en el sistema se drena a un camión para su eliminación.

Bomba

Una de las funciones de proceso más importantes es el movimiento de líquidos y en la industria química todo tipo de materiales líquidos se mueven con una amplia variedad de bombas. Las bombas enlatadas y magnéticas son bombas centrífugas sin sello. Los impulsores de bomba magnéticos están disponibles para su instalación en otros tipos de bomba para evitar fugas. Los tipos de bombas utilizadas en la industria de procesos químicos se enumeran en la tabla 7.

Tabla 7. Bombas en la industria de procesos químicos

• Centrífugo
• Alternativo (émbolo)
• Enlatado
• Magnético
• Turbina
• Equipo
• Diafragma
• Flujo axial
• Tornillo
• Cavidad móvil
• lóbulo
• Veleta

Sellado

Desde el punto de vista de la salud y la seguridad, el sellado y la reparación de bombas centrífugas son preocupaciones importantes. Los sellos mecánicos, que constituyen el sistema predominante de sellado del eje, pueden tener fugas y, en ocasiones, explotar. Sin embargo, ha habido importantes avances en la tecnología de sellos desde la década de 1970 que han dado como resultado reducciones significativas de fugas y una mayor vida útil de la bomba. Algunas de estas mejoras son sellos de fuelle, sellos de cartucho, diseños de cara mejorados, mejores materiales de cara y mejoras en el control variable de la bomba. Además, la investigación continua en tecnología de sellos debería resultar en mejoras tecnológicas adicionales.

Donde los fluidos de proceso son altamente tóxicos, con frecuencia se instalan bombas enlatadas o magnéticas sin fugas o sin sello. Los períodos de servicio operativo o el tiempo medio entre mantenimiento (MTBM) han mejorado notablemente y, en general, varían entre tres y cinco años. En estas bombas, el fluido de proceso es el fluido lubricante para los cojinetes del rotor. La vaporización del fluido interno afecta negativamente a los cojinetes y, a menudo, hace que sea necesario reemplazarlos. Las condiciones de líquido en las bombas se pueden mantener asegurándose de que la presión interna en el sistema de cojinetes sea siempre mayor que la presión de vapor líquido a la temperatura de funcionamiento. Al reparar una bomba sin sello, es importante drenar completamente un material de volatilidad relativamente baja y debe revisarse cuidadosamente con el proveedor.

En las bombas de proceso centrífugas típicas, el empaque se ha reemplazado esencialmente con sellos mecánicos. Estos sellos generalmente se clasifican como sellos mecánicos simples o dobles, y este último término cubre los sellos mecánicos en tándem o dobles. Hay otras combinaciones de sellos dobles, pero no se usan tanto. En general, se instalan sellos mecánicos en tándem o dobles con fluidos líquidos amortiguadores entre los sellos para reducir las fugas del sello. El American Petroleum Institute (API 1994) emitió estándares de sellos mecánicos para bombas centrífugas y rotativas que cubren la especificación e instalación de sellos mecánicos simples y dobles. Ahora se encuentra disponible una guía de aplicación de sellos mecánicos para ayudar en la evaluación de los tipos de sellos (STLE 1994).

Para evitar fugas excesivas o reventones debido a un sello defectuoso, se instala una placa prensaestopas después del sello. Puede tener un líquido de lavado de prensaestopas para mover la fuga a un sistema de drenaje cerrado (API 1994). Dado que el sistema de prensaestopas no es un sello completo, hay disponibles sistemas de sellos auxiliares, como los bujes del acelerador. Se instalan en el prensaestopas que controla las fugas excesivas a la atmósfera o el reventón del sello (Lipton y Lynch 1994). Estos sellos no están diseñados para un funcionamiento continuo; después de la activación, funcionarán hasta dos semanas antes de fallar, lo que brindará tiempo para que las operaciones cambien las bombas o realicen ajustes en el proceso.

Se encuentra disponible un sistema de sello mecánico más nuevo que esencialmente reduce las emisiones al nivel cero. Este es un sistema de sello mecánico doble con un sistema de amortiguación de gas que reemplaza la amortiguación líquida en el sistema de sello mecánico doble estándar (Fone 1995; Netzel 1996; Adams, Dingman y Parker 1995). En los sistemas de líquido amortiguador, las caras del sello están separadas por una película lubricante extremadamente delgada de líquido tampón que también enfría las caras del sello. Aunque ligeramente separados, existe una cierta cantidad de contacto de cara que da como resultado el desgaste del sello y el calentamiento de la cara del sello. Los sellos de gas se denominan sellos sin contacto, ya que una cara del sello con muescas curvas bombea gas a través de las caras del sello y construye una capa de gas o dique que separa completamente las caras del sello. Esta falta de contacto da como resultado una vida útil muy larga del sello y también reduce la pérdida por fricción del sello, lo que reduce notablemente el consumo de energía. Dado que el sello bombea gas, hay un flujo muy pequeño hacia el proceso y hacia la atmósfera.

Riesgos para la salud

Una de las principales preocupaciones con las bombas es el drenaje y el lavado para preparar la bomba para el mantenimiento o la reparación. El drenaje y la eliminación abarcan tanto los fluidos de proceso como los fluidos intermedios. Los procedimientos deben requerir la descarga de todos los fluidos en un sistema de drenaje de conexión cerrada. En el prensaestopas de la bomba, donde un casquillo de garganta separa el impulsor del prensaestopas, el casquillo actúa como un vertedero al retener algo de líquido en el prensaestopas. Los orificios de drenaje en el buje o un drenaje en la caja de empaquetadura permitirán la eliminación completa del líquido del proceso a través del drenaje y lavado. Para los fluidos amortiguadores, debe haber un método para drenar todo el fluido del área del sello doble. El mantenimiento requiere la extracción del sello y, si el volumen del sello no se drena y enjuaga por completo, los sellos son una fuente potencial de exposición durante la reparación.

Polvos y polvos

El manejo de polvos y polvos en equipos de procesamiento de sólidos es una preocupación debido al potencial de incendio o explosión. Una explosión dentro del equipo puede atravesar una pared o recinto como resultado de la presión generada por la explosión que envía una onda combinada de presión y fuego al área de trabajo. Los trabajadores pueden estar en riesgo y los equipos adyacentes pueden verse gravemente afectados con efectos drásticos. Los polvos o polvos suspendidos en el aire o en un gas con oxígeno presente y en un espacio confinado son susceptibles de explosión cuando está presente una fuente de ignición con suficiente energía. Algunos entornos típicos de equipos explosivos se muestran en la tabla 8.

Tabla 8. Fuentes potenciales de explosión en equipos

Una explosión produce calor y una rápida expansión del gas (aumento de la presión) y, por lo general, provoca una deflagración, que es un frente de llama que se mueve rápidamente pero a una velocidad inferior a la del sonido para estas condiciones. Cuando la velocidad del frente de la llama es mayor que la velocidad del sonido o tiene una velocidad supersónica, la condición se denomina detonación, que es más destructiva que la deflagración. La explosión y la expansión del frente de llama ocurren en milisegundos y no brindan tiempo suficiente para las respuestas estándar del proceso. En consecuencia, se deben definir las características potenciales de incendio y explosión del polvo para determinar los peligros potenciales que pueden existir en los diversos pasos del procesamiento (CCPS 1993; Ebadat 1994; Bartknecht 1989; Cesana y Siwek 1995). Esta información puede luego proporcionar una base para la instalación de controles y la prevención de explosiones.

Cuantificación del peligro de explosión

Dado que las explosiones generalmente ocurren en equipos cerrados, se realizan varias pruebas en equipos de laboratorio especialmente diseñados. Si bien los polvos pueden parecer similares, no deben utilizarse los resultados publicados, ya que las pequeñas diferencias en los polvos pueden tener características de explosión muy diferentes.

Una variedad de pruebas realizadas en polvo pueden definir el riesgo de explosión y la serie de pruebas debe abarcar lo siguiente.

La prueba de clasificación determina si una nube de polvo puede iniciar y propagar llamas (Ebadat 1994). Los polvos que tienen estas características se consideran polvos de Clase A. Los polvos que no se encienden se denominan Clase B. Los polvos de Clase A requieren una serie adicional de pruebas para evaluar su potencial de explosión y peligro.

La prueba de energía mínima de ignición define la energía de chispa mínima necesaria para la ignición de una nube de polvo (Bartknecht 1989).

En el análisis y la gravedad de las explosiones, los polvos del Grupo A se prueban como una nube de polvo en una esfera donde se mide la presión durante una explosión de prueba basada en la energía mínima de ignición. La presión de explosión máxima se define junto con la tasa de cambio de presión por unidad de tiempo. A partir de esta información, se determina el valor característico específico de la explosión (Kst) en bar metros por segundo y se define la clase de explosión (Bartknecht 1989; Garzia y Senecal 1996):

Kst(bar·m/s) Clase de explosión del polvo Resistencia relativa

1-200 St 1 Algo más débil

201-300 St 2 Fuerte

300+ St 3 Muy fuerte

Se ha probado una gran cantidad de polvos y la mayoría estaban en la clase St 1 (Bartknecht 1989; Garzia y Senecal 1996).

En la evaluación de polvos que no son de nube, los polvos se prueban para determinar condiciones y procedimientos operativos seguros.

Ensayos de prevención de explosiones

Las pruebas de prevención de explosiones pueden ser útiles cuando no se pueden instalar sistemas de supresión de explosiones. Proporcionan alguna información sobre las condiciones de operación deseables (Ebadat 1994).

La prueba de oxígeno mínimo define el nivel de oxígeno por debajo del cual el polvo no se encenderá (Fone 1995). El gas inerte en el proceso evitará la ignición si el gas es aceptable.

La concentración mínima de polvo se determina para establecer el nivel operativo por debajo del cual no se producirá la ignición.

Pruebas de peligro electrostático

Muchas explosiones son el resultado de igniciones electrostáticas y varias pruebas indican los peligros potenciales. Algunas de las pruebas cubren la energía mínima de ignición, las características de carga eléctrica del polvo y la resistividad del volumen. A partir de los resultados de las pruebas, se pueden tomar ciertas medidas para evitar explosiones. Los pasos incluyen el aumento de la humedad, la modificación de los materiales de construcción, la conexión a tierra adecuada, el control de ciertos aspectos del diseño del equipo y la prevención de chispas (Bartknecht 1989; Cesana y Siwek 1995).

control de explosiones

Básicamente, existen dos métodos para controlar las explosiones o los frentes para que no se propaguen de un lugar a otro o para contener una explosión dentro de un equipo. Estos dos métodos son supresores químicos y válvulas de aislamiento (Bartknecht 1989; Cesana y Siwek 1995; Garzia y Senecal 1996). Según los datos de presión de explosión de las pruebas de gravedad de explosión, hay disponibles sensores de respuesta rápida que activarán un supresor químico y/o cerrarán rápidamente las válvulas de barrera de aislamiento. Los supresores están disponibles comercialmente, pero el diseño del inyector supresor es muy importante.

Respiraderos de explosión

En los equipos en los que puede ocurrir una explosión potencial, con frecuencia se instalan venteos de explosión que se rompen a presiones específicas. Estos deben diseñarse cuidadosamente y la ruta de escape del equipo debe definirse para evitar la presencia de trabajadores en esta área de ruta. Además, se debe analizar la incidencia en el equipo en la trayectoria de la explosión para garantizar la seguridad del equipo. Puede ser necesaria una barrera.

Carga y descarga

Los productos, productos intermedios y subproductos se cargan en camiones cisterna y vagones de ferrocarril. (En algunos casos, según la ubicación de las instalaciones y los requisitos de atraque, se utilizan buques cisterna y barcazas). La ubicación de las instalaciones de carga y descarga es importante. Si bien los materiales que se cargan y descargan generalmente son líquidos y gases, los sólidos también se cargan y descargan en ubicaciones preferidas según el tipo de sólidos que se mueven, el riesgo potencial de explosión y el grado de dificultad de transferencia.

escotillas abiertas

Al cargar camiones cisterna o vagones de ferrocarril a través de escotillas que se abren en la parte superior, una consideración muy importante es minimizar las salpicaduras a medida que se llena el contenedor. Si la tubería de llenado está ubicada muy por encima del fondo del contenedor, el llenado produce salpicaduras y la generación de vapor o el desprendimiento de una mezcla de líquido y vapor. Las salpicaduras y la generación de vapor se pueden minimizar ubicando la salida del tubo de llenado muy por debajo del nivel del líquido. El tubo de llenado normalmente se extiende a través del contenedor a una distancia mínima por encima del fondo del contenedor. Dado que el llenado de líquido también desplaza el vapor, los vapores tóxicos pueden ser un peligro potencial para la salud y también presentar problemas de seguridad. En consecuencia, los vapores deben ser recogidos. Los brazos de llenado están disponibles comercialmente con tubos de llenado profundos y se extienden a través de una cubierta especial que cierra la abertura de la escotilla (Lipton y Lynch 1994). Además, una tubería de recolección de vapor se extiende una corta distancia por debajo de la tapa de escotilla especial. En el extremo aguas arriba del brazo, la salida de vapor está conectada a un dispositivo de recuperación (p. ej., un absorbedor o un condensador), o el vapor puede devolverse al tanque de almacenamiento como una transferencia de balance de vapor (Lipton y Lynch 1994).

En el sistema de escotilla abierta del camión cisterna, el brazo se eleva para permitir el drenaje en el camión cisterna y parte del líquido del brazo se puede presurizar con nitrógeno a medida que se retira el brazo, pero las tuberías de llenado durante esta operación deben permanecer dentro de la escotilla. apertura. A medida que el brazo de llenado sale por la escotilla, se debe colocar un balde sobre la salida para recoger los goteos del brazo.

Vagones

Muchos vagones tienen escotillas cerradas con patas de llenado profundas muy cerca del fondo del contenedor y una salida de recolección de vapor separada. A través de un brazo que se extiende hasta la escotilla cerrada, se carga el líquido y se recolecta el vapor de manera similar al método del brazo de la escotilla abierta. En los sistemas de carga de vagones, después de cerrar la válvula en la entrada del brazo, se inyecta nitrógeno en el lado del contenedor de los brazos para soplar el líquido restante en el brazo hacia el vagón antes de que se cierre la válvula de llenado del vagón (Lipton y Lynch 1994) .

camiones cisterna

Muchos camiones cisterna se llenan por el fondo para minimizar la generación de vapor (Lipton y Lynch 1994). Las líneas de llenado pueden ser mangueras especiales o brazos maniobrables. Los acopladores de ruptura en seco se colocan en los extremos de la manguera o del brazo y en las conexiones inferiores del camión cisterna. Cuando el camión cisterna está lleno y la línea se bloquea automáticamente, el brazo o la manguera se desconecta en el acoplamiento drybreak, que se cierra automáticamente cuando se separan los acoplamientos. Los acoplamientos más nuevos han sido diseñados para desconectarse con casi cero fugas.

En la carga inferior, el vapor se recolecta a través de un respiradero de vapor superior y el vapor se conduce a través de una línea externa que termina cerca del fondo del contenedor (Lipton y Lynch 1994). Esto permite el acceso de los trabajadores a las conexiones del acoplamiento de vapor. El vapor recogido, que se encuentra a una presión ligeramente superior a la atmosférica, debe recogerse y enviarse a un dispositivo de recuperación (Lipton y Lynch 1994). Estos dispositivos se seleccionan en función del costo inicial, la eficacia, el mantenimiento y la operabilidad. Generalmente, el sistema de recuperación es preferible a una antorcha, que destruye los vapores recuperados.

control de cargal

En los camiones cisterna, los sensores de nivel se instalan de forma permanente dentro de la carrocería del camión para indicar cuándo se ha alcanzado el nivel de llenado y enviar una señal a una válvula de bloqueo de control remoto que detiene el flujo hacia el camión. (Lipton y Lynch 1994). Puede haber más de un sensor en el camión cisterna como respaldo para garantizar que el camión no se sobrellene. El sobrellenado puede resultar en serios problemas de exposición para la seguridad y la salud.

Los vagones de servicio químico dedicado pueden tener sensores de nivel montados internamente en el vagón. Para vagones no dedicados, un totalizador de flujo controla la cantidad de líquido enviado al vagón y cierra automáticamente la válvula de bloqueo del control remoto en un ajuste predeterminado (Lipton y Lynch 1994). Se deben investigar ambos tipos de contenedores para determinar si queda líquido en el contenedor antes de llenarlo. Muchos vagones tienen indicadores de nivel manuales que se pueden usar para este servicio. Sin embargo, cuando el nivel se muestre abriendo un pequeño conducto de ventilación a la atmósfera, este procedimiento solo debe realizarse en condiciones aprobadas y controladas adecuadamente debido a la toxicidad de algunos de los productos químicos cargados.

Descarga

Cuando los productos químicos tienen una presión de vapor muy alta y el vagón o camión cisterna tiene una presión relativamente alta, el producto químico se descarga bajo su propia presión de vapor. Si la presión de vapor cae a un nivel que interferirá con el procedimiento de descarga, se puede inyectar gas nitrógeno para mantener una presión satisfactoria. El vapor de un tanque del mismo producto químico también se puede comprimir e inyectar para aumentar la presión.

Para los productos químicos tóxicos que tienen una presión de vapor relativamente baja, como el benceno, el líquido se descarga bajo presión de nitrógeno, lo que elimina el bombeo y simplifica el sistema (Lipton y Lynch 1994). Los camiones cisterna y vagones para este servicio tienen presiones de diseño capaces de manejar las presiones y variaciones encontradas. Sin embargo, se mantienen presiones más bajas después de descargar un contenedor hasta que se vuelve a llenar el camión cisterna o el vagón de ferrocarril; la presión se reconstruye durante la carga. Se puede agregar nitrógeno si no se ha alcanzado suficiente presión durante la carga.

Uno de los problemas en las operaciones de carga y descarga es el drenaje y purga de líneas y equipos en las instalaciones de carga/descarga. Los drenajes cerrados y particularmente los drenajes de punto bajo son necesarios con purgas de nitrógeno para eliminar todos los rastros de los químicos tóxicos. Estos materiales pueden recolectarse en un tambor y devolverse a una instalación de recepción o recuperación (Lipton y Lynch 1994).

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