DISEÑO Y GESTION DE PLANTAS INDUSTRIALES INDUSTRIALES PROCESO DE PRODUCCIÓN
La industria es el conjunto de procesos y actividades que tienen como finalidad transformar las materias primas en productos elaborados, elaborado s, de forma masiva. Existen diferentes diferen tes tipos de industrias, según sean los productos que fabrican. Un proceso de producción es el conjunto de actividades orientadas a la transformación de recursos o factores productivos en bienes y/o servicios. En este intervienen la información y la tecnología, que interactúan con personas. Su objetivo último es la satisfacción de la demanda y la obtención de utilidad.
El estudio del proceso de producción es específico para cada proyecto industrial; depende, además de otros factores como:
El tamaño, La localización y la tecnología disponible en el medio.
Estas tres variables son un todo indesligable, deben hacerse conjuntamente, ya que una de ellas, puede afectar el comportamiento de las otras.
El análisis de manera separada de cualquiera de estas, es solo para fines académicos y didácticos. Los procesos productivos requieren de la aplicación de diversas herramientas y técnicas para facilitar su comprensión. Todo proceso productivo, requiere ser evaluado; la evaluación general de este es el Balance de Materiales y Energía.
Ejemplo: Diagrama de un Proceso de Fabricación de Planchas de Cuero Reconstituido, evidenciando el Balance de Materiales.
Históricamente se utilizó los estudios de tiempos, de movimientos que llevaron a lograr el entendimiento sobre la dinámica y el funcionamiento de dichos procesos. Los nuevos desarrollos en el campo de la producción y operaciones agregan otras herramientas para facilitar la descripción de los procesos y contribuir a la automatización; entre estas herramientas se puede mencionar:
Diagramas de flujo, Diagrama de proceso, Diagramas de ruta o recorrido, entre otros.
Es recomendable determinar un diagrama de flujo del proceso, así como las operaciones a efectuar en forma secuencial.
El diagrama del proceso debe ir acompañado de la descripción de cada una de las operaciones y las características del proceso como: o o o o o
Temperatura Pureza Impurezas Humedad Energía
Masas o Caudal o Presión, etc. o
Bajo las cuales se llevará a cabo el proceso productivo
Diagrama del Proceso de Flujo de Masa de la producción de etanol por 100 tonm de azúcar
Las operaciones se eligen en base a dos criterios:
Diagrama del Proceso Productivo de Alto Horno para Siderurgia
Diagrama del Proceso Productivo del Cemento
FACTORES DETERMINANTES DE UN PROCESO PRODUCTIVO Cualquier proceso está influenciado por diversos factores que modifican su desarrollo y desempeño; es por esto que es importante conocer y comprender los factores que integran el proceso productivo de la organización, los mismos que deben interactuar mutuamente:
Gestión: Define el tipo de administración y liderazgo ejercido en la organización para la gestión del proceso. Materiales: Establece el tipo de materiales, las forma de manipularlos y las cantidades en que deben ser desplazados. Métodos: Define procedimientos, actividades y tareas utilizadas para elaborar el producto o prestar el servicio; corresponde al Know How desarrollado por la organización y aplicado en el proceso. La gente: Representada en personas, que facilitan la realización del proceso y que están involucradas directa o indirectamente en el mismo. La tecnología: Representa la maquinaria, equipos, herramientas y dispositivos que facilitan el desarrollo del proceso. El ambiente del trabajo: incluye aspectos como el clima organizacional, condiciones de seguridad industrial, medicina e higiene del trabajo, factores ergonómicos y demás riesgos profesionales asociados y que afectan al proceso productivo. El capital: Dinero y recursos financieros que requiere el proceso. Monitoreo: Seguimiento, evaluación y control; sistema que pone en evidencia el desempeño del proceso y que permite identificar las desviaciones que presenta el desarrollo normal del proceso.
Comprender el efecto de cada uno de estos factores en el sistema productivo de la organización, facilita la administración de los procesos productivos.
Esta comprensión contribuye a la optimización de los procesos de fabricación de productos o prestación de servicios, porque se entiende el efecto de cada factor en los resultados del proceso productivo.
TIPOS DE PROCESOS DE PRODUCCION Básicamente, existen cuatro tipos de proceso de producción diferentes: 1. Producción bajo pedido: Modalidad productiva que solamente se fabrica un producto a la vez y cada uno es diferente, no hay dos iguales, por lo que se considera un proceso de mano de obra intensiva.
Los productos pueden ser hechos a mano o surgir como resultado de la combinación de fabricación manual e interacción de máquinas y/o equipos. 2. Producción por lotes: Con la frecuencia que sea necesario, se produce una pequeña cantidad de productos idénticos. Podría considerarse como un proceso de producción intensivo en mano de obra; sin embargo, lo habitual es incorporar patrones o plantillas que simplifican la ejecución.
Las máquinas se pueden cambiar fácilmente para producir un lote de un producto diferente, si se plantea la necesidad. 3. Producción en masa: Denominada a la manufactura de cientos de productos idénticos, generalmente en una línea de fabricación.
Este proceso, implica el montaje de una serie de sub-conjuntos de componentes individuales y, generalmente, gran parte de cada tarea se halla automatizada lo que permite utilizar menor número de trabajadores, sin perjuicio de la fabricación de un elevado número de productos. 4. Producción continua: Permite fabricar gran cantidad de productos idénticos y, a diferencia de la producción en masa, la línea de producción se mantiene en funcionamiento 24 horas al día, siete días a la semana; de esta forma, se consigue
maximizar el rendimiento y eliminar costos adicionales de arrancar y parar el proceso de producción.
BALANCE DE MATERIA y ENERGÍA EN PROCESOS PRODUCTIVOS Es una herramienta técnica utilizada para analizar las entradas y salidas de los distintos procesos industriales de una empresa, con la cual, se puede identificar los desechos producidos por uso ineficiente de los recursos.
El balance de materia es la expresión matemática del principio de conservación de la materia, por lo tanto en cualquier proceso se dará:
Es decir, que en un proceso se obtendrá todo lo que entra, junto con lo que se produzca en él, descontando lo que se destruya. En un proceso por cargas: La materia entra a la zona de trabajo de una sola vez y sale después del tiempo de proceso, siendo el balance:
Donde:
=++ E: materia que ingresa o entra. S: materia que sale. A: materia que se acumula o produce. D: materia que desaparece.
En un proceso continuo: Las materias entran continuamente en la zona de trabajo y salen del mismo modo. El balance se encontrará una vez alcanzado el estado estacionario. En este caso no se podrá producirse acumulaciones de materia y en la ecuación intervendrán los caudales másicos, siendo la ecuación:
Donde:
Ė=Ṡ+ Ḋ Ė = caudal másico que entra.
Ṡ = caudal másico que sale
Ḋ = caudal másico que desaparece.
Balances:
En este caso el balance global se establecerá para el cálculo de las masas que intervienen:
=+
Se establecerá para el cálculo de los caudales másicos que intervengan, expresándolos por lo general en kg/s; no se utilizará caudales volumétricos, porque no son sumatorios y se modifican al modificarse la temperatura o presión; la ecuación será:
= +
En el proceso descrito por este diagrama de flujo, intervienen dos componentes los sólidos y el agua en la que se encuentran disueltos a mayor o menor concentración. En tal sentido, el balance podrá establecerse para cada uno de estos componentes, siendo la propiedad a considerar el caudal másico de componente, que se medirá en kg/s. La concentración de cada componente se deberá expresar en la única unidad adecuada a este cálculo: fracción másica, por lo tanto si en los datos aparecen las concentraciones expresadas en otras unidades, el primer paso será convertirlas a fracción másica
Las unidades de cada uno de los términos de las ecuaciones de los balances de componentes son:
Con lo que se comprueba que en los dos casos, se está trabajando con unidades de caudal de cada uno de los componentes.
CASO DE ESTUDIO (Análisis de flujo de materiales): HACIENDO CAFÉ Dos tazas de café deben ser elaboradas. Para hacer esto, el café en grano es extraído de una caja (no tomar en consideración esta caja) y molido en un molinillo para café. Se coloca un filtro en una cafetera. La cafetera se llena con agua y se comienza su calentamiento con energía eléctrica, después de aproximadamente diez minutos la infusión de café esta lista y puede ser servida en tazas. La energía necesaria para el proceso y el calor perdido no se toman en consideración, así como aquellas etapas de proceso concernientes a la "producción del filtro", "compra de café", "cultivo de café", "tostado del café", "envasado del café", "almacenaje del café", "tratamiento de agua", "consumo por el usuario" y "disposición del filtro usado". El principal objetivo de este análisis es reducir la cantidad de residuos sólidos que deben ser eliminados. El siguiente listado resume los pasos individuales: 1. Parámetros considerados: flujo de material (café en grano, agua, filtro), no requieren ser detallados en este caso. 2. Alcance del Balance: Las secuencias del proceso son ignoradas. 3. Período de Balance: Una colada como período representativo que comprende todas las actividades relevantes y materiales en las cantidades usuales. 4. Secuencia de Proceso : “Haciendo café“, sub -secuencias: Molida del café, hervido de agua, mezclado extractivo.
Desarrollando gráficamente haciendo uso del Diagrama de Sankey:
Ejercicio 1: En una planta química, se requiere calcular la masa de concentrado al 50% de sólidos que se obtendrían en su proceso productivo, que contiene un evaporador por cargas, cuando se tratan 500 kg de diluido con un 10% de sólidos:
Solución: En este caso el balance se montará sobre uno de los componentes: sólido o agua. Como se requiere calcular el concentrado producido, la solución más sencilla se alcanzará con un balance de sólidos: En primero lugar se convertirá las concentraciones de diluido y concentrado a fracción másica de sólidos y se establecerá el balance correspondiente, para 100kg:
10 ó ó ó = 100 =0,10 50 ó =0,50 ó ó = 100 ó = ó 500 0,10 = 0,50 = 100 . Ejercicio 2: Calcular cuánta alfalfa, con un 80% de humedad, se debe alimentar a un secadero para producir 5000 kg/h de alfalfa deshidratada, con un 5% de humedad: Solución:
Se trata de un proceso en continuo, y se manejarán caudales másicos; como no se pide el agua eliminada, el balance se establecerá sobre los sólidos, que en este caso se denomina extracto seco (ext. Seco). El primer paso será utilizar las unidades adecuadas para el caudal másico y concentraciones:
1 ℎ ℎ. ℎ. ℎ.=5000 ℎ (3600 ) =1,39 . = 100100−80 =0,20
100−5 . = 100 =0,95 ℎ. Efectuando balance de extracto seco:
.. . = .ℎ. . ℎ. .. 0,20 =1,39 0,95 ..=6,60 / Ejercicio 3: Se tiene un proceso productivo de procesamiento de pulpa de tomate triturada, en el cual, se desea calcular la cantidad de tomate triturado del 5% de sólidos, que debe añadirse a 400 kg. de un tomate concentrado del 50% de sólidos, para que la mezcla final tenga un contenido de sólidos del 30%. Solución:
.+ .= +=……..1 400 .+ .= Determinación de la cantidad de sólidos:
+ = ……….2 ó = 50% ó =0.50
ó ó = 5% =0.05 ó = 30% ó =0.30 Reemplazando en la ecuación (2) y resolviendo con la ecuación (1)
400 0.50 +0.05 = 0.3 400 + = ; = 320 . Ejercicio 4: En una planta agroindustrial ubicada en la ciudad de moro, se ha determinado que un néctar de mango debe contener 100 kg de puré de mango, 30 kg. de azúcar, 170 kg. de agua y 10 kg. de ácido nítrico. Se desea determina el diseño de sus almacenes de materia prima considerando la interrogante: ¿qué cantidad de materias primas se deben emplear para producir 5300 kg/hr de néctar de mango? Solución: Diagramando el proceso:
Mango: 100 kg. -> 310 kg. /hr. X -> 5300 kg. /hr. X = 1709.64 kg. de puré de mango. Azúcar: 30 kg. -> 310 kg. /hr. X -> 5300 kg. /hr. X = 512.90 kg. de azúcar. Agua: 170 kg. -> 310 kg. /hr. X -> 5300 kg. /hr. X = 2906.50 kg. de agua. Ácido cítrico: 10 kg. -> 310 kg. /hr. X -> 5300 kg. /hr. X = 179.96 kg. de ácido cítrico.
Ejercicio 5: En un proceso productivo de un licor de fantasía, se utiliza una corriente de 1000 kg/hr que contiene 10% de alcohol, 20% de a zúcar y el resto de agua, el cual se mezcla en un homogenizador con otra mezcla de 2000 kg/hr, la misma que contiene 25% de alcohol, 50% de azúcar y el resto de agua. El ingeniero de planta desea determinar la composición en % de la mezcla resultante. Solución: Esquematizando:
Ejercicio 6: Se requiere ampliar la capacidad de almacenamiento de leche en una planta procesadora de lactios; considerando que la leche se transporte desde un estanque de almacenamiento hacia un pasteurizador a razón de 18000 kg/hr; durante el día la leche cruda deberá ser agregada al estanque desde cisternas a un caudal de 6000 kg/hr.
Determinar la capacidad en litros de este estanque, para operar el pasteurizador 8 hr/día, si el estanque deberá estar lleno al comenzar este; considerar la densidad de la leche en 1030 kg/m3. Solución: Graficando el proceso:
La recarga Lc se hace durante 8hr/día
8 ℎ.+ = 8 ℎ. 6000 ℎ 8 ℎ.+ = 18000 8 ℎ. = 96000 . = 96000 = 93,20 3 1030 3 = 93200
Ejercicio 7: En un proceso productivo de alimentos balanceados para aves “EL GALLO CLAUDIO S.A.”, se tiene dos tipos de ingredientes para los
alimentos, uno cuyo costo es de US$ 5/kg, y el otro de US% 6.5/kg. Un cliente potencial monopsonico, requiere que se le fabrique alimento balanceado en bolsas de 100 kg, a un precio de US$ 5.40/kg. Se le pide a Ud. como Ingeniero de Procesos, determinar la mezcla adecuada para satisfacer dicho requerimiento.
Solución: Graficando el proceso productivo.
Balance de materia:
+ = = 100 ∗ $ + ∗ $ = ∗ $ $ 6.50$ $ ∗5 +∗ =∗5.40 = 100 − Resolviendo ecuaciones los resultados nos da:
= 100 − 26.667 . = 73.33 Ejercicio 8: El gráfico muestra el proceso de fabricación de un producto a partir de dos componentes que se obtienen en las estaciones de trabajo A1 y A2. Dichos componentes son ensamblados en la estación B y posteriormente procesados en las estaciones C y D.
Los tiempos de cada estación de trabajo indican la cantidad de trabajo que debe realizar el trabajador en dicha estación para cada unidad de producto. Se requiere determinar la capacidad de producción de dicho proceso. S olución:
