Planta piloto

A planta piloto es un sistema de producción pre-comercial que emplea nueva tecnología de producción y/o produce pequeños volúmenes de nuevos productos basados en tecnología, principalmente con el propósito de aprender sobre la nueva tecnología. Los conocimientos obtenidos se utilizan para diseñar sistemas de producción a gran escala y productos comerciales, así como para determinar nuevos objetivos de investigación y apoyar las decisiones de inversión. Otros propósitos (no técnicos) incluyen obtener apoyo público para las nuevas tecnologías y cuestionar las regulaciones gubernamentales. La planta piloto es un término relativo en el sentido de que las plantas piloto son típicamente más pequeñas que las plantas de producción a gran escala, pero se construyen en una gama de tamaños. Además, como las plantas piloto están destinadas a aprender, suelen ser más flexibles, posiblemente a expensas de la economía. Algunas plantas piloto se construyen en laboratorios utilizando equipos de laboratorio de stock, mientras que otras requieren importantes esfuerzos de ingeniería, cuestan millones de dólares, y se combinan y fabrican a medida de equipos de proceso, instrumentación y tubería. También pueden utilizarse para formar personal para una planta a gran escala. Las plantas piloto tienden a ser más pequeñas en comparación con las plantas de demostración.

Terminología

Una palabra similar a la planta piloto es la línea piloto. Esencialmente, las plantas piloto y las líneas piloto cumplen las mismas funciones, pero "planta piloto" se utiliza en el contexto de sistemas de producción de materiales (bio)químicos y avanzados, mientras que "línea piloto" se utiliza para la nueva tecnología en general. El término ' laboratorio de kilo' también se utiliza para pequeñas plantas piloto que se refieren a las cantidades de salida esperadas.

Gestión de riesgos

Las plantas piloto se utilizan para reducir el riesgo asociado a la construcción de grandes plantas de proceso. Lo hacen de varias maneras:

• Se utilizan simulaciones informáticas y métodos semi-empíricos para determinar las limitaciones del sistema de escala piloto. Estos modelos matemáticos son probados en una planta física a escala piloto. Se utilizan diversos métodos de modelado para la ampliación. Estos métodos incluyen:
  • Estudios de similitud química
  • Modelado matemático
    • simulación de procesos químicos
    • Análisis Elemental Finito (FEA)

      

    • Dinámicas Fluidas Computacionales (CFD)

Estos métodos teóricos de modelado devuelven lo siguiente:

• Balances de masa y energía finalizados
• Diseño y capacidad del sistema optimizados
• Recursos necesarios
• Limitaciones del sistema
• La base para determinar el costo para construir el módulo piloto

• Son sustancialmente menos costosos para construir que plantas a gran escala. El negocio no pone tanto capital en riesgo en un proyecto que puede ser ineficiente o poco confiable. Además, los cambios de diseño se pueden hacer más barato a escala piloto y los quinks en el proceso se pueden arreglar antes de que se construya la planta grande.
• Proporcionan datos valiosos para el diseño de la planta a gran escala. Los datos científicos sobre reacciones, propiedades materiales, corrosividad, por ejemplo, pueden estar disponibles, pero es difícil predecir el comportamiento de un proceso de cualquier complejidad. Los datos de ingeniería de otro proceso pueden estar disponibles, pero estos datos no siempre se pueden aplicar claramente al proceso de interés. Los diseñadores utilizan datos de la planta piloto para perfeccionar su diseño de la instalación de escala de producción.

Si un sistema está bien definido y se conocen los parámetros de ingeniería, no se utilizan plantas piloto. Por ejemplo, una empresa que quiera ampliar la capacidad de producción mediante la construcción de una nueva planta que haga lo mismo que una planta existente puede optar por no utilizar una planta piloto.

Además, los avances en la simulación de procesos en computadoras han aumentado la confianza de los diseñadores de procesos y han reducido la necesidad de plantas piloto. Sin embargo, todavía se utilizan, ya que ni siquiera las simulaciones más modernas pueden predecir con precisión el comportamiento de sistemas complejos.

Dependencia de escala de las propiedades de la planta

A medida que un sistema aumenta de tamaño, las propiedades del sistema que dependen de la cantidad de materia (con propiedades extensivas) pueden cambiar. La relación entre el área superficial y el líquido en una planta química es un buen ejemplo de tal propiedad. A pequeña escala química, por ejemplo en un matraz, hay una proporción relativamente grande de superficie y líquido. Sin embargo, si la reacción en cuestión se amplía para que quepa en un tanque de 500 galones, la relación entre el área de superficie y el líquido se vuelve mucho menor. Como resultado de esta diferencia en la relación entre el área de superficie y el líquido, la naturaleza exacta de la termodinámica y la cinética de reacción del proceso cambian de forma no lineal. Esta es la razón por la que una reacción en un vaso de precipitados puede comportarse de manera muy diferente a la misma reacción en un proceso de producción a gran escala.

Otros factores

Otros factores que pueden cambiar durante la transformación a una escala de producción incluyen:

• Kinetics de reacción
• Equilibrio químico
• Propiedades materiales
• Dinámica fluida
• Termodinámica
• Selección de equipo
• Agitación
• Uniformidad / homogeneidad

Después de que se hayan recopilado los datos de la operación de una planta piloto, se puede construir una instalación de mayor escala de producción. Alternativamente, se puede construir una planta de demostración, que normalmente es más grande que una planta piloto, pero más pequeña que una planta de producción a gran escala, para demostrar la viabilidad comercial del proceso. A veces, las empresas continúan operando la planta piloto para probar ideas para nuevos productos, nuevas materias primas o diferentes condiciones operativas. Alternativamente, pueden funcionar como instalaciones de producción, aumentando la producción de la planta principal.

Báscula de banco versus piloto versus demostración

Las diferencias entre la escala de laboratorio, la escala piloto y la escala de demostración están fuertemente influenciadas por la industria y la aplicación. Algunas industrias utilizan indistintamente planta piloto y planta de demostración. Algunas plantas piloto se construyen como módulos portátiles que pueden transportarse fácilmente como una unidad contenida.

Para los procesos por lotes, en la industria farmacéutica, por ejemplo, las pruebas a escala de laboratorio generalmente se realizan en muestras de 1 a 20 kg o menos, mientras que las pruebas a escala piloto se realizan con muestras de 20 a 100 kg. La escala de demostración consiste esencialmente en operar el equipo a velocidades de alimentación comerciales completas durante períodos de tiempo prolongados para demostrar la estabilidad operativa.

Para procesos continuos, en la industria petrolera, por ejemplo, los sistemas a escala de banco suelen ser sistemas de microrreactor o CSTR con menos de 1000 ml de catalizador, que estudian reacciones y/o separaciones de un solo paso. Las plantas piloto normalmente tendrán reactores con un volumen de catalizador de entre 1 y 100 litros y, a menudo, incorporarán separación de productos y reciclaje de gas/líquido con el objetivo de cerrar el equilibrio de masa. Las plantas de demostración, también denominadas plantas de semifábrica, estudiarán la viabilidad del proceso a escala precomercial, con volúmenes típicos de catalizador en el rango de 100 a 1.000 litros. El diseño de una planta a escala de demostración para un proceso continuo se parecerá mucho al de la futura planta comercial prevista, aunque con un rendimiento mucho menor, y su objetivo es estudiar el rendimiento del catalizador y la vida útil operativa durante un período prolongado, generando al mismo tiempo cantidades significativas de producto para pruebas de mercado.

En el desarrollo de nuevos procesos, el diseño y la operación de la planta piloto y de demostración a menudo se realizarán en paralelo con el diseño de la futura planta comercial, y los resultados de los programas de pruebas piloto son clave para optimizar el diagrama de flujo de la planta comercial. Es común en los casos en que la tecnología de proceso se ha implementado con éxito que los ahorros a escala comercial resultantes de las pruebas piloto superen significativamente el costo de la planta piloto en sí.

Pasos para crear una planta piloto personalizada

Las plantas piloto personalizadas se diseñan habitualmente con fines de investigación o comerciales. Pueden variar en tamaño desde un sistema pequeño sin automatización y de bajo flujo, hasta un sistema altamente automatizado que produce cantidades relativamente grandes de productos en un día. No importa el tamaño, los pasos para diseñar y fabricar una planta piloto funcional son los mismos. Ellos son:

1. Pre-ingeniería - completar un diagrama de flujo de proceso (PFD), diagramas básicos de tuberías e instrumentación (P plagaID) y diseños de equipos iniciales.
2. Modelado y optimización de ingeniería - se crean modelos 2D y 3D, utilizando un software de simulación para modelar los parámetros de proceso y escalar los procesos químicos. Estos softwares de modelado ayudan a determinar las limitaciones del sistema, los cambios químicos y físicos no lineales, y el tamaño potencial del equipo. Se producen saldos masivos y energéticos, los dibujos de P plagado y los arreglos generales.
3. Se desarrollan estrategias de automatización para el sistema (si es necesario). La programación del sistema de control comienza y continuará mediante la fabricación y montaje
4. Fabricación y montaje - después de que se haya determinado un diseño optimizado, el piloto personalizado se fabrica y monta. Las plantas piloto pueden ser montadas in situ o fuera del sitio como esquiados modulares que serán construidos y probados en un entorno controlado.
5. Pruebas - pruebas de sistemas completados, incluidos los controles del sistema, se lleva a cabo para asegurar una función adecuada del sistema.
6. Instalación y puesta en marcha - si se construye fuera de sitio, se instalan los esquiados piloto en el sitio. Después de que todo el equipo esté en marcha, la puesta en marcha completa del sistema se completa mediante la integración del sistema con las instalaciones y los controles existentes. El funcionamiento completo es probado y afirmado.
7. Formación - capacitación del operador es completa y se entrega documentación completa del sistema.