Procesos Industriales

Procesos Industriales

1. INTRODUCCION

La tarea central del ingeniero es, por excelencia, el diseño. El desarrollo del diseño de un proceso determinado comienza con la detección de un problema, cuya solución sea socialmente útil. La detección del problema puede -y suele- ser externa al desarrollo del proyecto, sin embargo, forma parte integral del proyecto y, por ende, debe formar parte de su fundamentación.

En el diseño de un proceso productivo, se debe partir del conocimiento exacto de las tareas críticas que resultan imprescindibles a la hora de poder prestar los servicios o fabricar los productos. Por lo tanto, el primer ejercicio que se debe realizar es el de inventariar tareas y pasos necesarios en la actividad productiva.

Una vez bien definidos el problema y su solución conceptual, se debe desarrollar una etapa de clasificación, dimensionamiento y explicación de los aspectos científicos (o fundamentales) de la solución. Normalmente esta etapa se refleja en una memoria, (es decir, texto, tablas, fórmulas y cálculos) que describe lo conocido hasta la fecha. Cuan óptimo y actualizado resulte el proyecto estará comprometido en esta temprana etapa. En esta etapa se suelen generar varias alternativas y la elección de la óptima depende de la factibilidad técnica, de su impacto ambiental y de sus costos (factibilidad económica).

Por ejemplo, para neutralizar acidez, se dispone de amplios conocimientos fundamentales que recorren desde los conceptos de ácidos y bases hasta los equilibrios de soluciones complejas; la memoria (o informe) de fundamentos de ingeniería de un proyecto de neutralización podría iterar extensamente sobre estos aspectos, sin embargo, la idea es sólo citar los conocimientos a utilizar y concentrarse en sus implicaciones directas de proceso: así, se podrá pensar en un sistema en base a cal (que por ser sólida genera un nuevo problema de sales de calcio que deben ser dispuestas en forma ambientalmente segura) o en un sistema en base a dosificación de hidróxidos solubles (p.e. de sodio que es un reactivo más caro que la cal pero que no produce residuos). Cada posible reactivo y reactor genera alternativas distintas de proceso que deben ser evaluadas en términos comparativos, destacando sus méritos o deméritos.

A continuación se debe establecer una noción del proceso. La noción de proceso se establece en etapas de complejidad creciente.

Cada paso se orienta a una reducción de la incertidumbre asociada a la solución; es decir, conforme avanza el proyecto, es cada ves más clara la forma final de la solución, hasta llegar a la planta construida y operando.

La forma específica de las soluciones inicialmente planteadas, se refleja en diagramas de flujo (flow-sheet) de cada proceso propuesto. Usualmente, en un mismo proyecto se deben examinar las particularidades de varios diagramas de flujo alternativos, cada uno basado en principios distintos o en secuencias distintas de operaciones del proceso. El objetivo de esta etapa es poder optar por un número reducido (idealmente, uno) de alternativas que se seguirán desarrollando. Sin embargo, la decisión para llegar a una sola propuesta de proceso puede requerir desarrollar etapas más avanzadas del proyecto para varias alternativas, sobre todo si las propuestas tienen impactos ambientales diversos, cuyos costos de amortiguación (mitigación) podrían favorecer una alternativa que, inicialmente, parecía más atractiva.

Conocidos los flow-sheet, que resuelven el problema propuesto y que se justifican conceptualmente, se procede a dimensionar los equipos de proceso, mediante metodologías que dependen de la naturaleza del proceso pero que en general son simples, por ejemplo, suponer estado estacionario del proceso. El dimensionamiento tiene por objetivo crucial la obtención de tamaño y costo de cada solución alternativa, con una precisión baja (20 a 30 por ciento) pero que permita, en orden de magnitud, seleccionar las alternativas que deben seguir desarrollándose en las etapas posteriores del proyecto. Durante el dimensionamiento y su costeo puede ocurrir que el proyecto sea eliminado y se resuelva que la solución al problema detectado es de tal magnitud que se deberá continuar sin resolverlo hasta que se generen nuevos conocimientos fundamentales que den factibilidad a la solución (se habla de quiebres tecnológicos). Esta etapa del diseño en ingeniería de procesos es conocida como diseño de equipos, a diferencia del diseño de plantas, que conforman dos especialidades distintas.

Posterior al dimensionamiento de equipos, es necesario diseñar la operación del proceso. Es decir, exactamente cómo se consigue que el proceso propuesto funcione. Un primer -y obvio- aspecto será la disposición de cañerías que permitan el transporte de fluidos y materiales desde una operación a otra; esta tarea suele ser conocida como el piping o el diseño de canalizaciones. Por otra parte, se deberán disponer válvulas, bombas motores, medidores de caudal, etc., que permitan manejar el proceso en el punto (velocidad, concentración, demanda, etc.) requerido; esta tarea es llamada la instrumentación del proceso. La operación del proceso puede ser automática o manual, asunto que incidirá sobre la complejidad de la tarea de diseño y de su futura operación; pero, en cualquier caso, se deberá disponer de elementos que permitan manejar la planta a fin de satisfacer la demanda planteada por el problema bajo análisis.

1.1 Diagramas de flujo en Ingeniería Química

Existen variados tipos de diagramas de flujo, que reflejan un grado creciente de precisión (o disminución de la incertidumbre), necesario a lo largo de un proyecto. Se clasifican bajo distintos nombres, según sea la fuente de información, y su estructura se basa en símbolos que no han sido del todo estandarizados (en concreto, cada biblioteca de símbolos suele ser única y reflejan, de la mejor forma posible, el equipo físico de cada caso). Hablaremos aquí de:

o Diagramas en bloques

o Diagramas simplificados del equipo

o Diagramas detallados del equipo

o Diagramas de instrumentación

o Diagramas auxiliares

1.1.1 Diagramas en Bloques

Los diagramas en bloques son, prácticamente, ideogramas de proceso, en términos principalmente fundamentales. Es decir, si se desea separar un compuesto "A" de una solución, simplemente se dispondrá una caja negra que corresponde a un proceso de separación. Que tal proceso sea factible y que exista la tecnología necesaria es asunto de etapas posteriores. En cuanto la factibilidad se resuelve, la caja es reemplazada por un equipo concreto, en un tipo de diagrama posterior.

1.1.2 Diagramas simplificados de los equipos del proceso

Es el diagrama de ingeniería más simple (es decir, no de carácter fundamental), donde se muestran (en forma de iconos) los equipos necesarios para una planta de proceso y la interconexión entre ellos se representa por líneas que enlazan un equipo con otro.

Este diagrama es apenas un pequeño paso más detallado que el diagrama de flujo conceptual, consistente de simples cajas de funcionalidad, sin mayor preocupación sobre la forma específica de los transportes necesarios. Pero en este diagrama de los equipos del proceso se captura, sin embargo, cada equipo necesario para cumplir la funcionalidad de la caja negra y los sistemas de transporte, al menos de materiales. En cada equipo se especifican los grados de conversión, las eficiencias y otros parámetros gruesos que reflejan el requisito de diseño de cada uno. El ingeniero que desarrolla este diagrama sabe, previamente, que los equipos que ha puesto en el diagrama existen o que se les puede construir; sin embargo, no ha realizado cálculos precisos de las dimensiones, materiales de construcción, costos detallados, etc.

1.1.3 Diagramas detallados de equipos

Este diagrama incluye las tuberías del proceso, las válvulas, los desagües, las desviaciones, las ventilaciones, los reciclos y todos los equipos de proceso.

El diagrama detallado no suele ser necesario para la estimación inicial de costos; su aporte es valioso, más bien, en el cálculo afinado de costos de la planta. Existen algunos sistemas CAD que incorporan un buen nivel de avance hacia este tipo de diagrama.

En este nivel de detalle, los costos se estiman por coeficientes globales, nacidos de la empírica. Por ejemplo, conocida la inversión en los equipos principales (desde el punto de vista de la inversión, es decir, los más grandes y costosos), se estiman los costos de: instalaciones eléctricas; instrumentación; servicios de calor y frío; canalizaciones, operación; de manutención; etc. mediante coeficientes (15%, 20%, 5%, etc.)

1.1.4 Diagrama de distribución de equipos e instalaciones (Lay-out)

Conocidos los equipos principales y las instalaciones de servicio necesarias (por ejemplo, si deben llegar camiones de despacho de productos, se deberá considerar el área necesaria para su entrada, salida y maniobras de carga o descarga), se desarrolla un diagrama que especifique donde está cada equipo y donde está cada instalación (estacionamiento de ejecutivos, garaje, caldera, subestación eléctrica, casino, sala cuna, etc.) Este diagrama se suele conocer como el Lay-out del proyecto o de la Planta. Su precisión incide sobre la precisión de la estimación de costos de terrenos y sobre las pérdidas de carga asociadas a los equipos (las cotas pueden significar que se deban instalar bombas de impulsión que, de variar la localización de equipos, se podrían ahorrar). En este curso se supondrá que los alumnos conocen suficientemente los diagramas

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