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DISEÑO DE PLANTAS QUIMICA 1/24 INTRODUCCION AL DISEÑO DE PLANTAS DE PROCESO
Ma. Elena Tovar de Rivera
Unidad Temática I
Título: INTRODUCCION AL DISEÑO DE PLANTAS DE PROCESO
Contenido:
I. Introducción
II. Fases técnica y económica del proyecto
III. La ingeniería química en el diseño de plantas
IV. El proceso del diseño
V. Consideraciones prácticas en el diseño
VI. El enfoque del diseño
VII. Calidad en el diseño
VIII. Introducción del CAD/CAM/CAE
Objetivos Terminales de aprendizaje:
Bibliografía:
- “Diseño de plantas y su evaluación económica para el Ing. Químico” PETERS.
- “Manual de proyectos de desarrollo económico” NACIONES UNIDAD.
- “Diseño y economía de los procesos de Ing. Química” ULRICH
- “Calidad de diseño” H. KOWSOLEEA
- Conceptualizar los aspectos referidos al diseño de plantas de proceso
- Comprender la importancia de la sistematización del proceso de diseño de
plantas de proceso.
- Resaltar la importancia de la comunicación de ideas en la ingeniería de
diseño.
- Comprender la necesidad de emplear criterios de calidad y aseguramiento
del diseño.
- Introducir conceptos básicos de los sistemas CAD/CAM/CAE
DISEÑO DE PLANTAS QUIMICA 2/24 INTRODUCCION AL DISEÑO DE PLANTAS DE PROCESO
Ma. Elena Tovar de Rivera
I. INTRODUCCIÓN
El desarrollo de nuevas plantas industriales, así como la expansión o re-dimensionamiento de la
ya existente, exige el empleo de leyes, principios y teorías de la Ingeniería Química,
adecuadamente combinadas con una valoración práctica de los límites que imponen las
condiciones industriales.
En este sentido el diseño es un proceso esencialmente creativo. El desarrollo de una planta o de
un proceso nuevo a partir de la idea inicial hasta lograr su materialización económicamente
factible, es un problema frecuentemente complejo. Sin embargo esta tarea se puede facilitar en
cierta medida si el proyecto de diseño se desarrolla de manera sistemática. La siguiente secuencia
es recomendada por diferentes autores.
Lo anterior nos muestra que la realización de un proyecto de diseño de una planta, exige una
variedad de conocimientos como ser:
“Los científicos hacen que se conozcan las
cosas,
el ingeniero hace que las cosas funcionen”
1. Concepción del proyecto
2. Valoración preliminar económica y de mercado
3. Obtención y desarrollo de la información para el diseño final
4. Evaluación Económica
5. Desarrollo de la Ingeniería de detalle
6. Gestión de compras de materiales y equipos
7. Construcción y montaje
8. Puesta en marcha y ensayos iniciales
9. Producción
- Investigación
- Estudio de mercado
- Diseño de equipos
- Estimación de costos
- Diseño asistido por computadora, etc.
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La participación del Ingeniero Químico en cada una de estas etapas se puede dar en dos niveles:
Si bien una sola persona no puede ser un experto en todas las fases relacionadas con el diseño de
plantas, debe estar familiarizado con los problemas generales y con el enfoque de cada una de sus
fases. Por lo tanto para que el proyecto completo del diseño tenga éxito es necesario que todos los
grupos de ingenieros que trabajan en los diversos aspectos del mismo, estén estrechamente
relacionados, constituyendo un solo equipo y por un solo fin.
II. FASES TÉCNICA Y ECONÓMICA DEL PROYECTO
En su etapa de estudio el proyecto de diseño de plantas de procesamiento se puede definir como
el conjunto de antecedentes que permite juzgar las ventajas y desventajas que presenta la
asignación de recursos económicos para el proceso productivo. Si se decide llevar a cabo la
iniciativa, se entra en una etapa de realización, y el proyecto pasa ha ser el conjunto de
antecedentes que permite el montaje de la unidad productora (planta). En el primer caso – la
etapa de estudio o anteproyecto – el aspecto económico es el que se considera principalmente,
mientras que en el segundo - proyecto definitivo – se da mayor interés en el aspecto técnico.
En todo proyecto hay una fase técnica y otra económica, que están íntimamente ligadas y que se
consideran recíprocamente, el proyecto mejorará su calidad en la medida en que haya logrado la
adecuada combinación técnica – económica, esto implica el trabajo en equipo de ingenieros y
economistas.
III. LA INGENIERIA QUIMICA EN EL DISEÑO DE PLANTAS
El término general de diseño de plantas incluye todos los aspectos de la ingeniería relacionados
con el desarrollo de una planta nueva o la modificación o ampliación de una planta existente.
Durante el desarrollo el ingeniero químico deberá evaluar económicamente nuevos procesos,
Un rol creativo central, o
asesoramiento
FASE
ECOMOMICA
FASE
TECNICA
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Ma. Elena Tovar de Rivera
diseñar partes de máquinas o equipos para la nueva empresa o desarrollar un esquema de
distribución de la planta para coordinar la operación completa.
En muchos casos, se utiliza el término ingeniería de proceso en relación con la evaluación
económica y con el análisis económico en general de procesos industriales, mientras que diseño
de procesos se refiere al cálculo de equipos e instalaciones necesarias para realizar el proceso,
algunos ingenieros limitan el alcance del término de diseño de plantas a las cuestiones
directamente vinculadas con la planta, como:
Se pueden distinguir los siguientes términos:
La industria química, que es el conjunto de actividades dedicadas a la manufactura de
elementos químicos y de sus compuestos y derivados.
Una empresa química es una unidad económica de producción y distribución de los
productos químicos.
Una planta química es la parte de una empresa dedicada expresamente a la producción
química. La ubicación de una de estas plantas químicas tiene que tener en cuenta una serie
de condiciones, como la distancia a los puntos de obtención de las materias primas, etc.
Todo proceso industrial nace en un laboratorio, donde se hacen los cálculos precisos, pero el
proyecto del proceso en una planta de producción debe prever aspectos que no se consideran en
un laboratorio antes de la puesta en marcha de un proceso de producción. Para ello se construyen
las llamadas plantas piloto, donde se comprueba la viabilidad del proceso de fabricación y se
evalúan los rendimientos y los posibles riesgos sobre un funcionamiento muy parecido al que
tendría la planta definitiva.
3.1 Tipos y sectores de la industria química
La preparación industrial de un producto suele ser muy diferente (en cuanto a los procesos
utilizados) a la obtención de dicho producto en un laboratorio, pues en éste último se suelen
utilizar métodos más sencillos, pero menos eficaces. En un principio las operaciones de la
industria química tan sólo diferían de las de los laboratorios en pequeñas modificaciones o
aumentos del tamaño de los aparatos y máquinas utilizadas. En la actualidad cualquier proceso
químico tiene que seguir una serie de pasos obligados (que asegurarán el perfeccionamiento de
dicho proceso) antes de convertirse en proceso industrial (además, no se desarrollará a gran
escala hasta que se haya demostrado su rentabilidad): en primer lugar es necesario un estudio
detallado en un laboratorio de la viabilidad de las reacciones, estos estudios previos a la
utilización de una reacción con fines industriales son esenciales y tienen como objetivo el
conocimiento de las condiciones óptimas en las que se debería llevar a cabo una reacción de
forma que se obtenga el máximo rendimiento posible en el menor tiempo; tras estos primeros
estudios se harán ensayos en plantas o instalaciones piloto, momento en el cual habrá que
su distribución,
sus instalaciones de servicios generales y
su localización.
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enfrentarse con los problemas prácticos que se plantean en las industrias; una vez hecho todo
esto, el proceso de producción se llevará a cabo en la planta industrial.
3.2 Plantas químicas
Las plantas químicas se clasifican según el tipo de productos que se fabrican, y el empleo que
después se les da:
Plantas químicas básicas o de cabecera En ellas se trabaja con materias primas naturales,
para fabricar productos sencillos semielaborados (transforman las materias primas como
hulla, petróleo, gas natural, fosfatos, sal o celulosa en una amplia gama de productos
como amoniaco, ácidos, alquitranes, carburantes, abonos, cauchos sintéticos, explosivos,
disolventes, barnices, textiles químicos y plásticos, etc.). Las materias primas que utilizan
las obtienen del aire (oxígeno y nitrógeno), del agua (hidrógeno, el agua se utiliza como
disolvente y reactivo), de la tierra (minerales, carbón y petróleo) o de la biosfera (madera,
caucho, grasas, etc.). Este tipo de industrias se suelen encontrar en lugares cercanos a las
fuentes de suministro. Requieren grandes inversiones financieras en la forma de capital o
de infraestructuras y dos de las ramas más importantes de esta industria son la
carboquímica (en la que el carbón mediante las reacciones de descomposición química
proporciona alquitrán, amoniaco y benzol, así como ácidos, abonos, gasolina, caucho
sintético, colorantes y productos plásticos; aunque la carboquímica había sido desbancada
casi completamente por la petroquímica, ahora puede verse reforzada con las nuevas
bases industriales y socioeconómicas que contemplan los pros y los contras de la
dependencia del petróleo para la economía y respecto al medio ambiente) y la industria
petroquímica (en la cual se refina el petróleo crudo o bruto para elaborar un sinfín de
productos como keroseno, gasoil, lubrificantes, disolventes, pinturas, detergentes,
herbicidas, abonos, aislantes, productos sintéticos, cosméticos y plásticos).
Plantas químicas intermedias. Los productos intermedios son compuestos estables que
pueden originar cada uno unos cuantos productos finales, pero que no son directamente
utilizables por el consumidor. Como ejemplo de este tipo de productos se pueden citar el
fenol o el cloruro de vinilo, los cuales pueden producir diversas resinas y plásticos.
Plantas de química fina. Fabrican productos intermedios pero de elevada pureza y
rigurosas especificaciones de calidad. Son productos que se emplean en la fabricación de
preparados farmacéuticos, reactivos de laboratorio, aditivos de alimentación, etc.
Plantas químicas transformadoras o finales. Son las que a partir de los productos
intermedios generan nuevos productos que podrán ser utilizados en otros sectores. Estos
productos tienen las características deseadas para su uso final, pero todavía no poseen la
presentación adecuada para su consumo. Tienen un gran valor añadido y están sometidos
a una gran fluctuación en la demanda
Plantas químicas de consumo. Los productos de consumo son los finales, una vez
envasados, con los aditivos correspondientes y la concentración adecuada para su empleo.
Una misma industria puede actuar como transformadora y de consumo. Son las que a
partir de los productos semielaborados provenientes de las industrias de base generan
nuevos productos que saldrán al mercado o bien podrán ser utilizados en otros sectores.
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También se pueden clasificar según el volumen de producción y en el grado de diferenciación del
producto obtenido por una u otra empresa:
Productos de gran volumen de producción, no diferenciados según el fabricante.
Productos de gran volumen de producción, pero específicos de un fabricante concreto
Productos químicos finos, de pequeño volumen de producción no diferenciados.
Especialidades, de pequeño volumen de producción y específicos de una marca.
3.3 Sectores de la industria química
Se pueden distinguir cuatro grandes sectores:
Minería y metalurgia. Aparecen subsectores según el metal o mineral que traten. Los más
destacables son el sector siderúrgico, el del aluminio y el del cobre
Química inorgánica. Incluye la producción de ácidos, bases, óxidos, gases nobles, sales de
flúor, de cloro, de bromo, de yodo, de azufre, nitrógeno, fósforo y silicio, entre otras, así
como la producción de agua oxigenada y haluros no metálicos.
Química orgánica. Incluye toda la química del carbono y sus derivados. Entre sus
subsectores se incluye la química farmacéutica, perfumería y cosmética.
Química agrícola industrial. Se ocupa de aumentar el aprovechamiento de los productos
agrícolas, especialmente los no alimentarios. Se persigue la máxima explotación de los
recursos vegetales.
A parte de estos campos ya existentes, están apareciendo algunos nuevos dedicados a la
obtención y explotación de nuevos materiales, a la química medioambiental, etc.
VI. EL PROCESO DE DISEÑO
¿Qué es diseñar?
Diseño, creatividad, invención
El diseño de ingeniería abarca esencialmente las siguientes tres actividades, entre muchas otras:
- La palabra diseño se deriva del latín designare, que significa “señalar o marcar”.
- El diccionario de presenta las siguientes definiciones “esbozar, trazar o planear, como acción o
trabajo…para concebir, inventar, idear”.
- El diseño de ingeniería ha sido definido como:
Concebir, crear, inventar, idear
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El diseño es un componente universal de la práctica de la ingeniería. Sin embargo la complejidad
de las cuestiones de ingeniería generalmente requiere que el estudiante disponga de un conjunto
de problemas bien estructurados, elaborados para conceptualizar temas particulares relacionados
con un problema específico. Los libros de texto presentan problemas que toman la forma de
“dadas A, B, C y D, hallar E”. Desafortunadamente, los problemas de ingeniería de la vida real
casi nunca están estructurados así. Los problemas reales de diseño con mayor frecuencia son no
estructurados. Así la siguiente expresión gráfica nos da una idea del asunto:
Ante este panorama el recién egresado de ingeniería buscará en vano entre sus libros de texto los
métodos para resolver tal cuestión. Este enunciado no estructurado generalmente lleva a lo que
algunos llaman “síndrome de la hoja en blanco”.
El ingeniero de diseño, en la práctica, afronta continuamente el desafió de estructurar el problema
no estructurado.
Generalmente, el problema, tal como se le presenta al ingeniero, estará mal definido e
incompleto.
Antes de realizar cualquier intento para analizar la situación planteada, primero debe definir
con mucho cuidado el problema, mediante un planteamiento de ingeniería, con el fin de
asegurarse de que cualquier solución propuesta resolverá correctamente el problema
planteado.
“…el proceso de aplicar las diversas técnicas y principios científicos con el
objeto de determinar un dispositivo, un proceso o un sistema con detalles
suficientes que permitan su realización…”
El diseño puede ser simple o enormemente
complejo, fácil o difícil, matemático o no
matemático; y puede implicar un problema trivial
o uno de gran importancia”
“Lo que se necesita es un cachivache para
introducir este tiliche en ese orificio en el tiempo
señalado para la transferencia de este otro
chisme”.
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Algunas veces otros factores diferentes al costo son los que afectan la decisión final. Como son:
Algunos diseñadores, a manera de protegerse, suelen expresar una filosofía conservadora de
diseño:
¿Eficiencia? Sí, pero al menor costo posible
No sea que su excelente solución de ingeniería, sea finalmente
desechada debido que resuelve el problema equivocado; es decir:
uno diferente del que en realidad tenía el cliente.
Es decir que, contrariamente a muchos de los problemas que resuelve como tarea el estudiante
de ingeniería química, no hay absolutamente una única solución correcta al problema de
diseño. Sin embargo, generalmente hay una “mejor” solución.
Contaminación ambiental
Ruido
Número de empleados
Seguridad
En la mayoría de los casos una de las
alternativas de solución será económicamente
más ventajosa.
“No importa tanto cuan costosa sea la planta, pero es mejor que inicie sus
operaciones adecuadamente y opere de manera eficiente desde el principio”.
¿?!!
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4.1 Los proyectos en ingeniería Química
Los proyectos en ingeniería química, puede ser divididos en tres tipos, dependiendo del grado de
innovaciones involucradas:
Modificaciones y adiciones, a una planta existente, usualmente llevado a cabo por el
grupo de diseño de la planta.
Nueva capacidad de producción para responder a un cambio (aumento) en la demanda.
Usualmente es una repetición de los diseños existentes, solamente con cambios menores
en el diseño.
Nuevos procesos, desarrollados desde la investigación en el laboratorio, continuando por
la planta piloto, hasta un proceso comercial. Aquí deben establecerse los diseños del
proceso, de las operaciones y de case todas las unidades de equipo.
4.1.1 Organización de un proyecto en Ingeniería Química
El trabajo de diseño requerido en la ingeniería de un proceso químico de manufactura, puede ser
dividido en dos grandes fases:
Fase 1: Diseño del proceso, abarcando las etapas desde la selección inicial del proceso hasta la
confección del diagrama de flujo del proceso, incluyendo la selección, especificación y diseño del
equipo. En una organización de diseño, esta fase es responsabilidad del grupo de diseño de
procesos, y el trabajo debe ser realizado principalmente por Ingenieros Químicos. El grupo de
diseño de procesos puede también ser responsable de la preparación de los diagramas de tubería e
instrumentación.
Fase 2: El diseño mecánico detallado del equipo; las estructuras del diseño civil y eléctrico y el
diseño y especificación de los servicios auxiliares. Estas actividades serán de responsabilidad de
grupos especiales de diseño, teniendo expertos en las diversas disciplinas de ingeniería. Otro
grupo especialista será responsable de la estimación de costos, y la compra y obtención de
equipos y materiales.
La organización de un típico grupo de proyecto se muestra en la figura 1 y la secuencia de los
pasos en el diseño, construcción y puesta en marcha de una planta de procesos químicos es
mostrada en la figura B
El proyecto de diseño deberá iniciarse con una especificación clara, definiendo el producto,
capacidad, materias primas, procesos y lugar de ubicación. Si el proyecto se base en un proceso y
productos establecidos, debe hacerse una especificación cabal antes de iniciar el proyecto. Para
un producto nuevo la especificación será desarrollada por una evaluación económica de posibles
procesos, basados en investigación de laboratorio, pruebas de planta piloto e investigación del
mercado para el producto.
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Fig. 1: ORGANIZACIÓN DE UN GRUPO DE PROYECTO
4.2 Fases del diseño
Si bien la manera de enfocar los problemas de diseño difiere de un ingeniero a otro y de un
problema de diseño a otro. La metodología general es similar y se puede resumir en 6 fases
principales:
Concepción y definición
Desarrollo del diagrama de flujo del proceso
Diseño y selección de equipo
Análisis Económico
Optimización
Implantación de la planta
Organización de la planta
SECCION DE PROCESOS
Evaluación de los procesos
Diagrama de flujo
Especificaciones de equipo
SECCION DE CONSTRUCCION
Construcción y arranque
SECCION DE
ADQUISICION
Valoración
Inspección
Inventario
SECCIONES ESPECIALIZADAS DE DISEÑO
Distribución
- Trabajos civiles y
estructurales
- Servicios
- Tuberías y accesorios
- Electricidad
Equipamiento de
maquinarias y
equipos de procesos
DIRECTOR
DEL
PROYECTO
- Recipientes
- Control e
instrumentación
- Compresores,
bombas y turbinas
Reporte
Técnico
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4.2.1 Concepción y definición del proyecto
Este primer paso con frecuencia es realizado por usted, por su jefe, un cliente, o algunas personas
a quienes concierne el proyecto, diciendo: “Lo que se necesita es…”. Típicamente este enunciado
será breve y carente de detalle. Quedará muy lejos de proporcionarle un enunciado de problema
estructurado.
Podemos resumirlo de la siguiente forma:
Eliminación de posibilidades
Cuando el análisis técnico indica que hay algunos diseños potencialmente viables, el óptimo o
mejor disponible debe ser seleccionado. El proceso de selección generalmente incluye un análisis
comparativo de las soluciones de diseño disponibles. Una matriz de decisión ayuda algunas veces
a identificar la mejor solución, y obliga a considerar una variedad de factores en forma
sistemática.
Definición de condiciones y capacidades
A estas alturas ya se conocen la (s) materia (s) prima (s), los productos y los procesos que son
objeto de estudio, luego se deberá definir las principales variables de cada alternativa. Esta etapa
contiene un elemento de arte, de esta manera, la habilidad se desarrolla con la experiencia
práctica y teórica.
1
Entendimiento del proceso
2
Eliminación de
posibilidades
(Seleccionar)
3
Definición de condiciones y
capacidades
Tabla de decisiones
Sentido común,
intuición,
experiencia
Información de la empresa
Manuales de Ingeniería Química
Revistas Técnicas, Tesis de grado
Congresos, Consultores
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4.1.3 Desarrollo del diagrama
Una vez que sea identificada la necesidad, la solución del problema de diseño tendrá
posiblemente una serie de posibilidades de solución, un consejo muy acertado es partir con la
generación del diagrama de flujo del proceso, el cual reducirá la complejidad del problema.
El diagrama de flujo indica la secuencia de equipos y operaciones unitarias en el proceso
completo, para facilitar la visualización de los procedimientos de producción y para indicar
transferencia de masa y de energía. Existen diagramas de flujos cualitativos y cuantitativos, los
cuales muestran información necesaria en un proceso determinado.
Los diagramas de flujo deben contener además de símbolos normalizados que representan a los
equipos, líneas de flujo de las corrientes del proceso, número de equipos, condiciones a las que se
lleva a cabo los procesos (temperatura, presiones, flujos, etc.). Estos datos podrán ser datos de
entrada del proceso o ser calculados con las formulaciones de balances de masa y de energía.
4.1.4 Diseño del equipo El Costo del equipo es un elemento importante en el proceso económico. El diseño parcial,
cuando menos, es necesario antes que puedan establecerse los costos del mismo.
Para los estimados del pre-diseño, el equipo debe ser especificado rápidamente y sin gran detalle.
Una vez que se ha decidido positivamente por el equipo, se procede a diseño detallado del
proyecto (Ingeniería de detalle). Las técnicas de precisión necesarias para esta tarea son
similares a las empleadas en operaciones unitarias y/o cinética, pero todos los detalles tales como
por ejemplo:
la disposición de los tubos,
el espesor de las paredes de los recipientes,
los materiales de construcción
los planos, etc.
Deben especificarse hasta el grado de que se pueda:
4.1.5 Análisis económico
¿Qué recuperación puede esperarse del dinero invertido?. Para contestar esta pregunta se debe
realizar un análisis económico, es decir, los costos del proceso deben combinarse con los de
materia prima, mano de obra, equipo y otros costos para proporcionar un estimado económico
exacto para el prospecto de la operación de manufactura. El valor del dinero en el tiempo, la
inflación, los impuestos y otros factores influyen en las ganancias. Estos aspectos serán
estudiados con más detalle en próximos capítulos.
ordenar el equipo a algún proveedor o
proceder a su fabricación en planta.
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4.1.6 Optimización
Optimización, en el ámbito de la ingeniería, es un término técnico que tiene una connotación de
medición cuantitativa y análisis matemático, lo que implica encontrar el mejor método para llevar
a cabo un proceso, es decir alcanzar un punto óptimo.
En este contexto la optimización del diseño se entenderá la acción de elegir la mejor manera de
realizar cualquier proceso u operación de entre las diversas alternativas existentes.
El ingeniero Químico es el responsable de esta tarea para ello debe incorporar a su diseño los
métodos y equipos que permitan obtener resultados óptimos.
El término diseño óptimo debe ser entendido en un contexto técnico y económico, así:
Diseño económicamente óptimo
Consiste en seleccionar un proceso, operación o equipo de tal modo que el costo total sea
mínimo. Cuando existen varias opciones técnicamente económicas.
Los gastos variables anuales totales incluyen: los gastos de operación variables anuales y los
gastos variables anuales relacionados con el capital (costo fijo). En la figura 2. Se muestra
esquemáticamente la forma de evaluar una solución óptima económica.
Diseño operativo óptimo
La gran mayoría de los procesos químicos requieren condiciones definidas para sus variables de
proceso con miras a la optimización de resultados óptimos. (Temperatura, presión, tiempo, etc.).
En muchos casos es posible separar parcialmente estas condiciones óptimas del proceso de
consideraciones económicas. En este caso la optimización se denomina diseño operativo óptimo.
Sin embargo es bueno recordar que las decisiones cuantitativas, en su gran mayoría, están
determinadas con consideraciones económicas. Por ello el diseño operativo óptimo es tan solo un
paso en el desarrollo de un diseño óptimo económico. En la figura 3 se muestra
esquemáticamente un ejemplo de un diseño operativamente óptimo.
En posteriores capítulos se estudiaran con más detalle las técnicas adecuadas para lograr un
diseño óptimo.
4.1.7 Implantación de plantas – distribución en planta
Es el proceso de ordenación física de los elementos industriales de modo que constituyan un
sistema productivo capaz de alcanzar los objetivos fijados de la forma más adecuada y eficiente
posible. Esta ordenación ya practicada o en proyecto, incluye tanto los espacios necesarios para el
movimiento del material, almacenamiento, trabajadores indirectos y todas las otras actividades o
servicios, como el equipo de trabajo. Es decir conseguir un movimiento seguro y económico del
material y los operarios involucrados en la planta de producción
- Diseño económicamente óptimo,
- Diseño operativo óptimo
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4.1.8 Organización de la planta
La organización es el proceso donde se determina la estructura orgánica, los procedimientos, los
sistemas de trabajo y la distribución apropiada de los recursos humanos de la planta.
4.1.9 Reporte técnico
El informe técnico del diseño, puede representar el único producto tangible de meses o años de
trabajo. Un reporte eficiente no puede ser preparado con un esfuerzo deficiente de ingeniería,
pero un reporte malo puede, a menudo lo hace, oscurecer de algún modo una ingeniería
excelente.
La comunicación de ideas y resultados es un aspecto muy importante de la ingeniería. Los
ingenieros en la práctica de su profesión dedican una gran parte de su tiempo a la comunicación
con otros, ya sea verbal o por escrito. Redactan propuestas e informes técnicos, realizan
presentaciones e interactúan con el personal de apoyo. Cuando se realiza un diseño, generalmente
es necesario presentar los resultados a un cliente, a colegas o un jefe. La forma usual de
presentación es un reporte técnico formal Por lo tanto, es muy importante que el estudiante de
ingeniería desarrolle aptitudes de comunicación.
El esquema o croquis de diseño
El diseño de ingeniería usa el dibujo como una forma de comunicar y documentar ideas. Los
ingenieros de diseño y el resto de los componentes del equipo de diseño deben hablar el mismo
idioma: El idioma del dibujo técnico industrial. Un diseñador de ingeniería, aunque no sea el
responsable de la producción del dibujo en sí, debe ser capaz de entender todos los aspectos de la
imagen. Mínimamente, debe ser capaz de hacer bosquejos que se le puedan dar al dibujante
técnico para la preparación del dibujo final.
Puede usted ser la persona más lista en el mundo, pero nadie lo sabrá si usted
no sabe comunicar sus ideas de manera clara y concisa.
“Un dibujo
vale más que mil Palabras”
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4.1.9.1 Estructura del reporte
En un reporte técnico se tiene tres objetivos principales:
Un bosquejo rígido para todos los reportes y situaciones es inflexible. Pero para un comienzo es
útil un formato de esqueleto.
Un reporte técnico contiene cuatro divisiones:
1. Presentar información técnica
2. Servir como depósito de datos
3. Promover o definir la acción
- Un segmento de procedimiento inicial,
- El resumen,
- Un cuerpo,
- Un segmento de procedimiento final.
Cuenta la historia que al principio, Dios, después de crear la
especie humana, definió las profesiones. “Anticipando que
finalmente habría disputa entre los químicos e ingenieros,
Dios decidió asentar la sucesión de una vez por todas, por lo
que dictó a su mecanógrafo:
“todo lo que hace un ingeniero químico es correcto (right).”
Infortunadamente, el mecanógrafo del Señor escribió mal la
última palabra.
En ocasiones, muchos de nosotros podemos estar de acuerdo
en que todo lo que un ingeniero químico hace es escribir
(write). Alguien siente que no siempre lo hacemos muy bien
y que a veces empeoramos.
(Ulrich)
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4.1.9.2 Documentación del proyecto
Como muestra en la Fig. 1 y descrita en la sección 4.1.1, el diseño y construcción de un proyecto
en ingeniería química requiere la cooperación de muchos especialistas. La cooperación efectiva
depende del grado de comunicación entre los diferentes grupos, toda organización de diseño tiene
procedimientos formales para manipular información y documentación del proyecto. La
documentación del proyecto incluirá:
1. correspondencia general dentro del grupo de diseño y con:
departamento de administración
Vendedores de equipo
Personal local
Clientes
2. Hojas de cálculo
Cálculos de diseño
Estimación de costos
3. Dibujos (planos)
Diagrama de flujo (flowsheets)
Diagramas de tuberías e instrumentación
Diagramas de distribución (layout)
Planos de lugar de ubicación (implantación)
4. Hojas de especificación de componentes
Equipo principal
Equipo auxiliar
5. Ordenes de compra
Cotizaciones
Facturación
4.1.9.3 Hojas de cálculo
El ingeniero de diseño debería desarrollar el hábito de hacer los cálculos de tal manera que
puedan ser fácilmente entendidos y comprobados por otros. Es buena práctica el incluir en los
cálculos las hojas de base de cálculos y cualquier asunción y aproximación hecha, con suficiente
detalle sobre los métodos, modelación y además de las operaciones aritméticas; para ser
verificados.
4.1.9.4 Dibujo en ingeniería
En general hace mucho tiempo, el dibujo ha sido el medio más importante de transmisión de
ideas mediante líneas.
El diseño de ingeniería usa el dibujo como una forma de comunicación y documentar ideas.
Un diseñador aunque no sea responsable por la producción del dibujo técnico en sí, debe ser
capaz de interpretar los planos y por lo tanto debe entenderlos.
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Los dibujos de ingeniería presentan información técnica a muchos individuos que pueden ser
ingenieros, gerentes, proveedores, mecánicos instaladores o reparadores. Por lo tanto para que
éstos sean comprendidos deben ser sometidos a ciertas normas de exigencia.
En el campo de Ingeniería Química, el dibujo tiene que ver con los diagramas y el diseño de
equipos de plantas. El ingeniero químico debe tener buena información respecto a los tipos de
maquinaria empleada tales como molienda, secado, mezclado, evaporado, destilación, etc. Y debe
ser capaz de diseñar o seleccionar maquinaria transportadora de material sólido y fluido.
Para esto se debe tener conocimiento de los principios del dibujo de ingeniería, normas, etc.
Actualmente se hace uso de sistemas de diseño tales como el CAD (Diseño Asistido por
Computador) los cuales son ampliamente utilizados.
En resumen todos los dibujos del proyecto son hechos normalmente en hojas normalizadas con el
nombre de la compañía (si es el caso), título y número del proyecto; título del dibujo y número de
identificación, nombre del dibujante y número de identificación, claramente colocados en un
recuadro en la parte inferior de la página. Los dibujos deben confeccionarse con símbolos
convencionales y normalizados.
4.1.9.4 Hojas de especificaciones Normalmente se usan hojas de especificaciones estándares para transmitir la información
requerida para detallar el diseño o adquirir los equipos tales como intercambiadores, bombas,
columnas, etc. La información debe ser presentada clara y sin ambigüedades, para chequear las
listas de equipos y verificar que toda la información requerida este incluida.
4.1.9.5 Manuales de proceso
Los manuales de proceso son frecuentemente preparados por el grupo de diseño de procesos para
describir el proceso y las bases de diseño del mismo. Junto con los “flowsheets”, ellos
proporcionan una descripción técnica del proceso.
4.1.9.6 Manuales de operación
Los manuales de operación dan las instrucciones pormenorizadas, paso a paso para la operación
del equipo de proceso. Ellos normalmente deben ser preparados por el personal operativo de la
compañía, y deberán usarse para la instrucción y adiestramiento de los operarios.
V. CONSIDERACIONES PRÁCTICAS EN EL DISEÑO
- El ingeniero debe tomar en cuenta los problemas físicos involucrados en la operación final y
en el mantenimiento del equipo. Es decir cuando se realiza la distribución de la planta, las
válvulas de control más importantes deben ubicarse en lugares fácilmente accesibles por los
operarios. Debe existir espacio suficiente para la operación de mantenimiento. (revisar,
desarmar, reparar un determinado equipo)
- Si bien es posible determinar con exactitud por ejemplo el diámetro de la cañería para un
diseño económicamente óptimo, (3.45 pulg.), pero sería poco práctico mandar a fabricar un
caño de este diámetro interno, el ingeniero debe elegir un diámetro estándar (3 ½ pulg.) de
manera que las tuberías se puedan adquirir en el mercado normal.
Una regla general de diseño de equipos establece que siempre que resulte
posible debe optarse por partes o equipos estándares.
DISEÑO DE PLANTAS QUIMICA 18/24 INTRODUCCION AL DISEÑO DE PLANTAS DE PROCESO
Ma. Elena Tovar de Rivera
- En una columna, por ejemplo por cálculo analítico se ha determinado el plato de
alimentación, pero las condiciones de la columna pueden variar en la práctica, por lo que es
bueno prevenir e incluir diversas entradas en los platos de encima y por debajo del plato
calculado.
Estos son algunos de los problemas prácticos que debe enfrentar un ingeniero Químico en el
momento de diseñar una planta. Es decir que las leyes y principios económicos deben combinarse
con una comprensión de los problemas prácticos comunes.
IX. EL ENFOQUE DEL DISEÑO
El enfoque general de todo diseño de planta supone una combinación cuidadosamente balanceada
de la teoría, práctica, originalidad y sentido común.
En el trabajo de diseño, se debe manejar muchas clases diferentes de información: experimental,
analítica y empírica. Se puede obtener de bibliografía valores exactos, por ejemplo: capacidades
caloríficas, densidades, datos de constantes de equilibrio líquido-vapor, propiedades física, etc.
Pero no siempre se dispone de valores exactos, entonces se puede obtener valores aproximados
utilizando métodos que permitan estimarlos. (por ejemplo uso de la ley de los gases ideales para
una característica de un gas real como son el aire, los hidrocarburos de baja masa molecular, el
error que se comete al usar esta ley es despreciable con respecto a otras incertidumbre propias de
cálculos de diseño.)
Al enfocar el problema de diseño, el ingeniero debe formular hipótesis porque no siempre
existen valores absolutamente exactos o métodos de cálculo adecuados. En otros casos se usan
métodos aproximados porque el tratamiento exacto supondría cálculos largos y laboriosos sin que
la exactitud mejore apreciablemente. Al introducir hipótesis en el cálculo también se introduce
cierta incertidumbre en sus resultados por lo que las suposiciones deben hacerse cuando son
necesarias y son correctas en su esencia.
Otro aspecto que el ingeniero no debe perder de vista es que cualquier problema de diseño esta
dado por las condiciones y limitaciones económicas. Debe tener presente los costos y los
probables beneficios. Debe tomar en cuanta el volumen de producción. Debe preguntarse ¿Qué
tipo de producto desea el cliente?
X. CALIDAD EN EL DISEÑO
Es un hecho que muchos problemas en la fabricación y en uso de un producto tienen su origen en
la fase de diseño. El 70 – 80% de todos los problemas, costos y retrasos han nacido en el
Departamento de Ingeniería. Además parece que la introducción de la preocupación por calidad
entre los diseñadores, es bastante difícil.
Los diseñadores tienen una mentalidad creativa y no les gusta trabajar con muchas reglas o
sistemas, para ellos esas reglas y sistemas son nada más que obstáculos para su creatividad. Por la
posición estratégica que ocupa el proceso de diseño dentro una empresa, es importante que un
diseñador encuentre el equilibrio entre las diferentes zonas de tensión en las que tiene que
trabajar
DISEÑO DE PLANTAS QUIMICA 19/24 INTRODUCCION AL DISEÑO DE PLANTAS DE PROCESO
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La Calidad en el diseño se logra en general al aprender a manejar las siguientes tres zonas de
tensión:
1. La zona de tensión entre: Sueño y Acción
Diseñar y desarrollar siempre se hace con la intención de introducir algo nuevo o mejor en el
mercado, sin embargo relativamente pocas empresas logran introducir un nuevo producto de
buena calidad de una sola vez en el mercado. Por lo general la causa de eso es que el Diseño no
satisface las demandas del cliente, porque evidentemente existen muchas condiciones limitadas.
(la Acción).
2. La zona de tensión entre: Precios y Prestación
La calidad en el mundo comercial se define con la relación entre el precio y la prestación.
Uno de los criterios más importantes que definen la calidad de un diseño son los costos que
derivan por el fabricante y el cliente. Esos costos determinan en su mayor parte el precio de
venta.
Para el fabricante los costos son:
- Costos de producción (incluso los costos internos de calidad)
- Costos de asistencia post-venta (servicio, reparaciones, garantía, costos externos de calidad)
- Costos de responsabilidad por el producto (ley internacional)
Los costos para el cliente son:
- Costos de empleo/costos de operación
- Costos de mantenimiento
- Costos de seguridad (fallo – accidentes)
3. La zona de tensión entre: Creatividad y Reglas La primera condición para obtener una empresa innovadora, es obviamente tener personal técnico
de alta calidad. Además el personal tiene que ser motivado y tiene que tener una mente creativa.
Sin embargo un problema es que los “técnicos de mercado” y los diseñadores tiene una
perspectiva diferente sobre el mismo producto. Para lograr algo y para obtener óptimos
resultados, los departamentos tienen que trabajar juntos y comunicarse entre ellos.
Hay que dar espacio libre al personal, para que miren más adelante, eso crea espacio para
iniciativas propias. Al lado de eso hay reglas que tienen que ser mantenidas estrictamente, como
1. La zona de tensión entre: Sueño y Acción
2. La zona de tensión entre: Precio y Prestación
3. La zona de tensión entre: Creatividad y Reglas.
Franqueza y flexibilidad estimulan la
innovación en una empresa.
DISEÑO DE PLANTAS QUIMICA 20/24 INTRODUCCION AL DISEÑO DE PLANTAS DE PROCESO
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las normas para dibujos de diseños, cálculos de fuerzas, planificación del diseño y verificación
del diseño (control)
Las dos actitudes (innovadora y controladora) son importantes. El equilibrio entre las dos
actitudes genera resultados en una empresa.
Creatividad
El diseñador tiene que ser creativo encontrando la solución óptima, cuando se trata de:
Reglas
El diseñador tiene que seguir las reglas técnicas profesionales estrictamente, pero también las
reglas nacionales e internacionales. Como:
Además tiene importancia que hoy día el productor sea responsable por lo que ha hecho
(responsabilidad por el producto). La argumentación en caso de daño, se desplaza desde el
usuario hasta el proveedor, y él tiene que demostrar que ha tomado todos los pasos adecuados y
necesarios para obtener un producto seguro. También por esta razón existe la necesidad de
manejar sistemas de control y aseguramiento de la calidad durante el proceso de diseño (ISO-
9001)
Es una tarea compleja, pero retadora para la gerencia de un departamento de diseño para
encontrar y mantener este equilibrio
Control significa disciplina, mantener
las normas, reglas y acuerdos.
Control sin innovación produce paralización
Innovación sin control produce grandes riesgos
- Diseño para clientes
- Diseño para la producción
- Diseño para la instalación
- Diseño para mantenimiento
- Diseño para el ambiente
- Diseño a un precio competitivo
- Determinaciones de la ley (nacional e internacional)
- Determinaciones ambientales
- Preceptos de seguridad
- Certificación de la seguridad del producto
- Certificación de la calidad del sistema
DISEÑO DE PLANTAS QUIMICA 21/24 INTRODUCCION AL DISEÑO DE PLANTAS DE PROCESO
Ma. Elena Tovar de Rivera
Resumen de Calidad en Diseño
Objetivos de Calidad para nuevos productos:
Aseguramiento del proceso
1. Objetivos
4. Iterar y mejorar
3. Controlar
Ciclo de control
Este equilibrio se llama:
“Una creatividad controlada”
2. Realización
- Performance
- Estética
- Precio competitivo
- Simplicidad del uso
- Aseguramiento de post – venta
- Seguridad del uso
- Entrega a tiempo
- Productivo
- Confiabilidad
- Mantenibilidad
- Durabilidad
- Una atención rápida, amable y eficiente a las quejas
- Compatibilidad ambiental
Para proseguir con el mejoramiento continuo en una empresa, la atención a la
calidad de diseño tiene una gran importancia.
DISEÑO DE PLANTAS QUIMICA 22/24 INTRODUCCION AL DISEÑO DE PLANTAS DE PROCESO
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XI. TECNOLOGIA CAD
El ingeniero Químico tiene muchas herramientas que puede usar para el desarrollo de una
adecuado diseño de plantas. Muchos problemas encontrados en el desarrollo y diseño de procesos
pueden ser resueltos rápidamente con alto grado de perfección con el uso de computadores de alta
velocidad y al menor costo que con un calculador manual.
Generalmente los factores de seguridad y sobre diseño, pueden reducirse con un ahorro sustancial
en la inversión de capital como muchos cálculos son por naturaleza repetitivos y entonces son
fácilmente adaptables a una solución por computadora.
9.1 Hacia la automatización de la producción
CAD – Computer Arded Design (Diseño Asistido por Computadora)
CAM – Computer Arded Manufacturing (Fabricación Asistida por Computadora)
CAE – Computer Arded Engeneering (Ingeniería Asistida por Ordenador)
.
El Diseño Asistido por Computadora es un sistema que ofrece la posibilidad de crear y de
transformar informaciones gráficas en datos digitales que pueden ser tratados por un ordenador y
conservados en una base de datos.
Tecnología CAD es una tecnología de diseño que:
Ofrece la posibilidad de crear y transformar información gráfica en datos digitales que pueden
ser tratados por una computadora.
Libera al ingeniero de las tareas engorrosas y rutinarias de proceso de diseño.
Permite al diseñista disponer de más tiempo para las tareas creativas.
Permite un nivel de calidad y costo inalcanzable.
9.2 la importancia estrategia del CAD La posición de una empresa en el mercado está determinada por una cantidad creciente de
factores.
1. Define los objetivos de calidad de su proyecto que
concuerdan con las necesidades y especificaciones del
cliente.
2. Realice estos objetivos en una manera controlada.
3. Controle si los objetivos se han cumplido.
4. Tome acciones para el mejoramiento.
Precio, la calidad y el tiempo de entrega.
Es un paso más hacia la automatización total de la
empresa, que se centra en el diseño de productos y en su
posterior fabricación.
DISEÑO DE PLANTAS QUIMICA 23/24 INTRODUCCION AL DISEÑO DE PLANTAS DE PROCESO
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La disponibilidad de la información adecuada en el momento adecuado es de importancia vital.
La base del suministro de información está en los datos de producto o de diseño. Las aplicaciones
CAD contribuyen a la disponibilidad rápida de información actualizada en las diferentes fases de
un proceso productivo.
9.3 CAD como sistema de diseño inteligente
Los sistemas CAD actuales ofrecen muchas posibilidades para vincular aplicaciones diferentes,
propias del proceso productivo con el sistema. Algunas aplicaciones en base a sistemas CAD son:
El CAD está a la cabeza de la automatización del
proceso primario y por ello influye en las demás
fases del proceso.
1. Generación automática de lista de partes (equipos)
2. Recuento de cantidades para la elaboración de lista de materiales
3. Transmisión directa de valores de parámetros desde un programa de cálculo y/o
simulación hacia el sistema CAD
4. Introducción automática de datos geométricos desde el sistema CAD hacia un
sistema de programación con control numérico
5. La vinculación de lista de partes del diseño con tareas de fabricación y
mantenimiento
6. Vinculación directa de datos del diseño con el sistema de gestión de la producción,
para fines logísticos.
En la forma actual, el CAD no excluye la inteligencia humana al no
automatizar el proceso creativo. La capacidad del ordenador se aplica a la
realización de operaciones no creativas y engorrosas.
Los sistemas CAD se utilizan frecuentemente sólo como - sistemas de
dibujo – quedando sin aprovechar de este modo los recursos de estos
sistemas para la generación de diseño.
DISEÑO DE PLANTAS QUIMICA 24/24 INTRODUCCION AL DISEÑO DE PLANTAS DE PROCESO
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OPTIMIZACION DEL DISEÑO
Fig. 2 Optimización Económica
Valores de optimización
0
50
100
150
200
250
300
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
Variable de optimización
Gasto
s v
ari
ab
les u
nit
ari
os a
nu
ale
s
Gastos variables
anuales totales
Gastos variables
anuales relacionados
con el capital.
Gastos de operación
variables anuales
Vopt.
Temperatura óptima de operación
50
55
60
65
70
75
80
85
90
95
100
1 2 3 4 5 6 7
Tempetratura en el convertidor, C
% d
e SO
2 en
la e
ntra
da, c
onve
rtido
a SO
3 (re
ndim
ient
o)Fig. 3 Optimización operativa
Conversión determinada
por la velocidad de la
reacción entre SO2 y O2
Conversión determinada
por el equilibrio entre
SO2, O2 y SO3
Topt.
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