Planta piloto

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Una planta piloto es un sistema de producción precomercial 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. El conocimiento obtenido se utiliza luego para el diseño de sistemas de producción a gran escala y productos comerciales, así como para la identificación de objetivos de investigación adicionales y el apoyo a las decisiones de inversión. Otros propósitos (no técnicos) incluyen obtener apoyo público para nuevas tecnologías y cuestionar las regulaciones gubernamentales. ^[1] Planta piloto es un término relativo en el sentido de que las plantas piloto suelen ser más pequeñas que las plantas de producción a gran escala, pero se construyen en una variedad de tamaños. Además, como las plantas piloto están destinadas al aprendizaje, normalmente son más flexibles, posiblemente a expensas de la economía. Algunas plantas piloto se construyen en laboratorios utilizando equipo de laboratorio estándar, mientras que otras requieren esfuerzos de ingeniería sustanciales, cuestan millones de dólares y se ensamblan y fabrican a medida a partir de equipos de proceso, instrumentación y tuberías. También se pueden utilizar para capacitar al personal para una planta a gran escala. Las plantas piloto tienden a ser más pequeñas en comparación con las plantas de demostración.

Una palabra similar a planta piloto es línea piloto . ^[2] Básicamente, las plantas piloto y las líneas piloto realizan las mismas funciones, pero el término "planta piloto" se utiliza en el contexto de sistemas de producción de materiales (bio)químicos y avanzados, mientras que el término "línea piloto" se utiliza para nuevas tecnologías en general. El término "kilolaboratorio" también se utiliza para plantas piloto pequeñas en referencia a las cantidades de producción esperadas. ^[3]

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

• Se utilizan simulaciones por computadora y métodos semiempíricos para determinar las limitaciones del sistema a escala piloto. Luego, estos modelos matemáticos se prueban en una planta piloto física. Se utilizan varios métodos de modelado para la ampliación a escala. Estos métodos incluyen: ^[4]
  • Estudios de similitud química
  • Modelado matemático
    • Simulación de procesos químicos
    • Análisis elemental finito (FEA)

      

    • Dinámica de fluidos computacional (CFD)

Estos métodos de modelado teórico devuelven lo siguiente:

• Balances de masa y energía finalizados
• Diseño y capacidad del sistema optimizados
• Requisitos del equipo
• Limitaciones del sistema
• La base para determinar el costo de construcción del módulo piloto

• Son sustancialmente más económicas de construir que las plantas a gran escala. La empresa no arriesga tanto capital en un proyecto que puede ser ineficiente o inviable. Además, los cambios de diseño se pueden realizar de forma más económica en la escala piloto y los problemas del proceso se pueden solucionar antes de construir la gran planta.
• Proporcionan datos valiosos para el diseño de la planta a escala real. Puede haber datos científicos disponibles sobre reacciones, propiedades de los materiales y corrosividad, por ejemplo, pero es difícil predecir el comportamiento de un proceso de cualquier complejidad. Puede haber datos de ingeniería de otros procesos, pero estos datos no siempre se pueden aplicar claramente al proceso de interés. Los diseñadores utilizan los datos de la planta piloto para refinar su diseño de la instalación a 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 desee ampliar su 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 por ordenador han aumentado la confianza de los diseñadores de procesos y han reducido la necesidad de plantas piloto. Sin embargo, todavía se utilizan porque ni siquiera la simulación más avanzada puede predecir con precisión el comportamiento de sistemas complejos.

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 dicha propiedad. En una escala química pequeña, en un matraz, por ejemplo, hay una relación entre el área superficial y el líquido relativamente grande. Sin embargo, si la reacción en cuestión se amplía para que quepa en un tanque de 500 galones, la relación entre el área superficial y el líquido se vuelve mucho menor. Como resultado de esta diferencia en la relación entre el área superficial y el líquido, la naturaleza exacta de la termodinámica y la cinética de reacción del proceso cambian de manera no lineal. Es por eso 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 que pueden cambiar durante la transformación a escala de producción incluyen:

• Cinética de reacción
• Equilibrio químico
• Propiedades del material
• Dinámica de fluidos
• Termodinámica
• Selección de equipos
• Agitación
• Uniformidad / homogeneidad

Una vez que se han recopilado los datos de la operación de una planta piloto, se puede construir una instalación de mayor escala para la producción. Otra posibilidad es 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. Otra posibilidad es que funcionen como instalaciones de producción, aumentando la producción de la planta principal.

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 los términos planta piloto y planta de demostración indistintamente. Algunas plantas piloto se construyen como módulos portátiles que se pueden transportar fácilmente como una unidad compacta.

En el caso de los procesos por lotes, por ejemplo en la industria farmacéutica, la prueba a escala de laboratorio se realiza normalmente con muestras de entre 1 y 20 kg o menos, mientras que la prueba a escala piloto se realiza con muestras de entre 20 y 100 kg. La prueba a escala de demostración consiste básicamente en hacer funcionar el equipo a velocidades de alimentación comerciales completas durante períodos de tiempo prolongados para demostrar la estabilidad operativa.

En el caso de los procesos continuos, por ejemplo, en la industria petrolera, los sistemas a escala de laboratorio suelen ser microrreactores o sistemas CSTR con menos de 1000 ml de catalizador, que estudian reacciones o separaciones en un solo paso. Las plantas piloto suelen tener reactores con un volumen de catalizador de entre 1 y 100 litros, y a menudo incorporan separación de productos y reciclado de gas/líquido con el objetivo de cerrar el balance de masa. Las plantas de demostración, también conocidas como plantas semi-oficiales, estudiarán la viabilidad del proceso a escala precomercial, con volúmenes de catalizador típicos en el rango de 100 a 1000 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, al tiempo que se generan 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 realizan en paralelo con el diseño de la futura planta comercial, y los resultados de los programas de pruebas piloto son fundamentales para optimizar el diagrama de flujo de la planta comercial. Es común en los casos en que se ha implementado con éxito la tecnología de procesos que los ahorros a escala comercial resultantes de las pruebas piloto superen significativamente el costo de la planta piloto en sí.

Las plantas piloto personalizadas suelen diseñarse con fines comerciales o de investigación. Su tamaño puede variar desde un sistema pequeño sin automatización y con un flujo bajo hasta un sistema altamente automatizado que produce cantidades relativamente grandes de productos en un día. Sin importar el tamaño, los pasos para diseñar y fabricar una planta piloto en funcionamiento son los mismos. Son:

1. Preingeniería: completar un diagrama de flujo de proceso (PFD), diagramas básicos de tuberías e instrumentación (P&ID) y diseños iniciales de equipos.
2. Modelado y optimización de ingeniería: se crean modelos 2D y 3D mediante un software de simulación para modelar los parámetros del proceso y escalar los procesos químicos. Este software de modelado ayuda a determinar las limitaciones del sistema, los cambios químicos y físicos no lineales y el dimensionamiento potencial del equipo. Se producen balances de masa y energía, diagramas de tuberías e instrumentación (P&ID) finales y dibujos de disposición general.
3. Se desarrollan estrategias de automatización para el sistema (si es necesario). Comienza la programación del sistema de control y continuará durante la fabricación y el ensamblaje.
4. Fabricación y montaje: una vez que se ha determinado un diseño optimizado, se fabrica y se monta el piloto personalizado. Las plantas piloto se pueden montar en el lugar o fuera del lugar como plataformas modulares que se construirán y probarán en un entorno controlado.
5. Pruebas: se realizan pruebas de los sistemas completados, incluidos los controles del sistema, para garantizar el funcionamiento adecuado del sistema.
6. Instalación y puesta en marcha: si se construye fuera del sitio, se instalan plataformas piloto en el sitio. Una vez que todo el equipo está en su lugar, se completa la puesta en marcha completa del sistema mediante la integración del sistema con los servicios y controles existentes en la planta. Se prueba y confirma el funcionamiento completo.
7. Capacitación: se ha completado la capacitación del operador y se ha entregado la documentación completa del sistema.

• Ingeniería química
• Investigación de operaciones
• Ingeniería de procesos

• M. Levin (Editor), Ampliación de los procesos farmacéuticos (Medicamentos y la industria farmacéutica), Informa Healthcare, 3.ª edición, ISBN 978-1616310011 (2011) 
• M. Lackner (Editor), Scale-up in Combustion, ProcessEng Engineering GmbH, Viena, ISBN 978-3-902655-04-2 (2009). 
• M. Zlokarnik, Scale-up in Chemical Engineering, Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 2.ª edición, ISBN 978-3527314218 (2006). 
• Richard Palluzi, Plantas piloto: diseño, construcción y operación, McGraw-Hill, febrero de 1992.
• Richard Palluzi, Plantas Piloto, Ingeniería Química, marzo de 1990.