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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:
- Diagramas en bloques
- Diagramas simplificados del equipo
- Diagramas detallados del equipo
- Diagramas de instrumentación
- Diagramas auxiliares
1.1.1 Diagramas en Bloques
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 de distribución de equipos e instalaciones de plantas o, en su defecto, que el concepto es suficientemente claro.
1.1.5 Diagramas de Instrumentación y Cañerías
Este diagrama especifica tanto la conexión hidráulica de un equipo con otro en forma precisa (diámetro y longitud de cañerías o canaletas, pérdidas de carga asociadas a singularidades, etc.) como los aparatos que permiten el manejo concreto del proceso. En muchos casos se pueden indicar los requisitos de instrumentación en los propios diagramas simplificados, pero, si la instrumentación es compleja, resulta necesario desarrollar un diagrama más detallado, destacando todos los reguladores e instrumentos.
El diagrama de instrumentación, junto al diagrama simplificado de
equipos, recibe el nombre de Diagrama de Instrumentación y Cañerías ,
referido habitualmente como el P&ID, representando la abreviación de Piping and Instrumentation Diagram.
Todos los diagramas anteriores son valiosos si disminuyen progresivamente la incertidumbre asociada a un proceso y si son útiles para generar los planos de detalle que corresponden a las etapas finales del diseño del proyecto. Se debe tener siempre presente que los informes excesivamente verbosos son malos informes
1.2 INSTRUMENTACION DE PROCESOS La incorporación de instrumentos al proceso se desarrolla para reducir progresivamente la incertidumbre asociada a la operación de un proceso, y se avanza en distintos grados de refinamiento. Se debe entender, en primer lugar, que una válvula no es, en su función, particularmente distinta a una bomba de impulsión ya que se podría plantear que una bomba de impulsión es un equipo de proceso que eleva la presión de una línea, mientras que una válvula la disipa (pierde carga o presión). ¿Sería razonable clasificar las bombas como equipo y las válvulas como instrumentos?
No cabe duda que, así planteado, bombas y válvulas son equipos y así se considerará en este texto, particularmente para incorporar aquellos casos en que la elevación de presión no es por necesidades de transporte sino que de la reacción o la separación (por ejemplo, separación de oxígeno y nitrógeno del aire mediante tamices moleculares). Esta aclaración, sin embargo, no excluye que en el diagrama de instrumentación deben figurar todas las bombas y válvulas necesarias. Además, es responsabilidad de la etapa de instrumentación asegurar la instalación de válvulas y bombas que permitan la correcta operación del proceso (por ejemplo, en el caso de un filtro de lavado discontinuo, las válvulas son instrumentos).
Los instrumentos , en cambio, serán aparatos (es decir, también equipos, pero de otro tipo) dedicados a funciones de manejo concreto del proceso. Es decir, un manómetro y un termómetro son instrumentos (amen de ser equipos); pero, si el manejo requiere que la presión y la temperatura estén en un valor determinado, se deberá saber qué variables de operación modificar para que la presión y la temperatura esté en un valor determinado. Por ejemplo, podría ser necesario variar un flujo de reactivo, con lo que la válvula (si es un gas, p.e.) o la bomba (si es un líquido, p.e.) que se use para la regulación será un instrumento.
La operación propuesta para el proceso se sintetiza en el diagrama de instrumentación y canalizaciones de la planta, que contiene la forma precisa de interconectar las operaciones y la forma precisa de manejar la planta. Junto al diagrama se debe redactar la memoria de instrumentación y canalizaciones , que describe en forma precisa las acciones que se deben realizar cuando la planta está en uno u otro estado (se utiliza el término estado para referirse a un vector que contiene todas las variables de proceso; pero, con el término estado, se debe poner atención al contexto pues para los ingenieros eléctricos el estado de una variable es definir si está activa o inactiva: p.e. el estado de una válvula sería abierta o cerrada). En síntesis, se debe establecer cómo llevar la planta al estado deseado (usualmente algún óptimo bien definido en el diseño).
Al igual que para las unidades de proceso, los instrumentos deben costearse gruesamente, ya que la empírica indica que estos conforman una parte importante del costo de las plantas (del orden del 15% como empírica estándar). Conforme el proyecto avanza a ingeniería de detalles , se deberán obtener cotizaciones (primero "presupuestarias" y luego a firme) de cada instrumento asociado, contactando para ello a los proveedores del caso, y/o cotizaciones de fabricación de ser el caso.
Más adelante figuran varios diagramas P&ID que pueden ser utilizados como ilustración a esta discusión y puede ser recomendable verlos en este momento. Las figuras contienen elementos típicos de un P&ID pero, a veces, adolecen de rótulos en los equipos, especificaciones del propósito, etc. los que deben ser estudiados en el texto atinente a cada figura.
2. DESARROLLO DEL P&ID Una vez aclarada (en los estudios de ingeniería básica o de fundamentos) la tecnología a utilizar, se debe establecer la forma de manejo de la planta (su operación ). Un ejemplo evidente es que si una planta debe cumplir requisitos de producción cambiantes en el tiempo, se deberá contar con un sistema de modificación de los flujos a través de la planta (en este caso se habla de conseguir que los procesos obedezcan un requisito, o consigna de producción). Un segundo ejemplo se puede obtener al considerar que los procesos están sujetos a influencias ambientales que podrían ser importantes y, sin embargo, el diseño considera que tales influencias deban ser nulas (en este caso se habla de conseguir que los procesos sean inmunes a las perturbaciones ambientales).
Para los ingenieros de proceso, es muy natural diseñar los equipos de la planta en estado estacionario, de manera que las ecuaciones modelo (típicamente en la forma de ecuaciones diferenciales) se
*** Sobrecarga** : cuando la carga es superior a la capacidad y el proceso no puede operar todo lo deseado y aparecen inventarios de productos. *** Cuello de botella** : recursos que limitan la capacidad y originan sobrecarga. *** Tiempo de producción** : tiempo necesario para realizar una o varias operaciones. Se descompone en tiempo de espera, de preparación, de operación y de transferencia.
- Tiempo de espera: tiempo que está el producto hasta que comienza la operación
- Tiempo de preparación: tiempo que se necesita para disponer adecuadamente los recursos que van a efectuar la operación
- Tiempo de operación: tiempo consumido por los recursos en efectuar la operación
- Tiempo de transferencia: tiempo necesario para transportar una cantidad de producto que ya ha sido sometido a una operación a otra nueva El único de estos tiempos que agrega valor es el tiempo de operación , la administración debe buscar la forma de hacer que los demás sean mínimos. *** Capacidad productiva** : es la cantidad de recursos, principalmente fuerza laboral y maquinaria, que están disponibles en el proceso productivo. *** Proceso de flujo continuo** : proceso donde el flujo de producto sigue siempre una secuencia de operaciones que viene establecida por las características del producto. Dentro de ellos se tienen:
- Procesos continuos: aquellos que producen sin pausa alguna y sin transición entre operación y operación, generalmente se usan en productos totalmente estandarizados.
- Procesos en serie: procesos en los que hay una transición entre las operaciones y están diferenciadas por requerir la aplicación de maquinaria o mano de obra distinta en cada operación.
*** Procesos de flujo en lotes** : en estos procesos cualquier cambio entre productos de la misma familia requiere una preparación previa de la maquinaria. La preparación supone un tiempo en que la línea de producción estará parada, lo que implica a su vez un coste valorable en términos de producción no hecha que hay que recuperar con la producción de lotes de muchas unidades y así distribuir ese costo entre más unidades. *** Procesos de flujo alternado** : producen en lotes pero de cantidades mínimas, incluso unidades. Se requiere que los tiempos de preparación estén minimizados para que sea rentable. *** Procesos de flujo intermitente** : procesos de producción que no tienen una secuencia fija de operaciones, el flujo de operaciones esta determinado por el producto procesado y para ello no hay una máquina específica sino diferentes máquinas capaces de hacer diferentes tareas.
*** Procesos sin flujo** : procesos donde se disponen las operaciones alrededor del producto. No existe ningún flujo diseñado a priori, por ello son especialmente útiles para los productos por diseño.
3. DISEÑO DEL PROCESO PRODUCTIVO
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 las 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.
A partir de este inventario de tareas, se deben utilizar diagramas de flujos que agrupen de manera aprensible las tareas en fases del proceso, a fin de determinar su interrelación y su prioridad.
La definición de este flujo de tareas es propia de cada empresa y está sujeto a características tales como el objetivo de posicionamiento, cultura e inquietudes personales del personal, niveles de calidad deseados, etc.
Para ordenar correctamente el conjunto de estas tareas, se puede utilizar usar varios métodos. Hay que tener en cuenta que no se trata de definir procesos productivos óptimos o no. Técnicamente, cada empresa puede y debe decidir cómo quiere prestar sus servicios o fabricar sus productos.
Métodos sencillos para ordenar las tareas pueden ser:
- Pensar en el conjunto de actividades necesarias desde que se entra en contacto con un cliente hasta que se le cobran los servicios o productos.
4. DEBILIDADES DEL PROCESO PRODUCTIVO
En el funcionamiento de cualquier proceso productivo se originan ciertas debilidades que es necesario detectar lo antes posible puesto que su existencia puede motivar pérdidas de calidad en el producto final o pérdidas económicas para la empresa.
Tiempos muertos
Es el tiempo en el que no se está realizando un trabajo útil. Es muy importante, por ejemplo, en el caso de tareas que no pueden empezarse hasta que se terminan otras. Los recursos humanos o materiales están inactivos hasta que finalizan las tareas precedentes. Esto supone un coste y una ineficacia del proceso productivo. También se producen tiempos muertos por causas consideradas inevitables, por ejemplo por avería de una máquina.
