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DISEÑO DE PLANTAS Ing. W. Castillo FLUJOGRAMA DE PROCESOS. SELECCIÓN DE UN PROCESO AGROINDUSTRIAL. PROCESOS INTEGRADOS. EXPERIMENTACIÓN EN PLANTA PILOTO. ING. WILLIAMS CASTILLO MARTINEZ
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DISEÑO DE PLANTAS
Ing. W. Castillo
FLUJOGRAMA DE PROCESOS.
SELECCIÓN DE UN PROCESO
AGROINDUSTRIAL.
PROCESOS INTEGRADOS.
EXPERIMENTACIÓN EN PLANTA PILOTO.
ING. WILLIAMS CASTILLO MARTINEZ
DISEÑO DE PLANTAS
Ing. W. Castillo
INTRODUCCIÓN
PRODUCTOS MANUFACTURADOS POR LA
INDUSTRIA SON IMPORTANTES PARA LA
SOCIEDAD MODERNA
LOS PROCESOS NACEN DE LA IMAGINACIÓN DE
INVESTIGADORES E INGENIEROS.
EL DISEÑADOR=> IDEA CON VALOR=> PROCESO
INDUSTRIAL COMPETITIVO
INNOVACIÓN Y EFICIENCIA=>MOTIVACIÓN
USO RACIONAL DE RECURSOS
DISEÑO DE PLANTAS
Ing. W. Castillo
INTRODUCCIÓN
MAS RETOS Y MAYOR COMPLEJIDAD
INNOVACIÓN Y CREATIVIDAD
USO DE MÉTODOS SISTEMÁTICOS DE DISEÑO
FACTIBILIDAD Y GENERACIÓN DE ALTERNATI-
VAS
REFINACIÓN Y OPTIMIZACIÓN ANTES DE
DIMENSIONAMIENTO DE EQUIPOS
DISEÑO DE PLANTAS
Ing. W. Castillo
PROYECTO DE DISEÑO
DISEÑO DE PLANTAS
Ing. W. Castillo
DESARROLLO SUSTENTABLE
EL MEDIO AMBIENTE SE ENCUENTRA BAJO UNA
AMENAZA TRIPLE:
AGOTAMIENTO DE RECURSOS
EL AUMENTO DE LA CONTAMINACIÓN (AIRE, AGUA O
SUELO)
REDUCCIÓN DE LA CAPACIDAD DE ABSORCIÓN DEL
AMBIENTE
DISEÑO DE PLANTAS
Ing. W. Castillo
DESARROLLO SUSTENTABLE
INVESTIGACIÓN, DESARROLLO Y DISEÑO
DE PROCESOS
MINIMIZACIÓN Y RECICLO DE RESIDUOS
IDENTIFICACIÓN DE USO INEFICIENTES DE
MATERIAS PRIMAS Y ENERGÍA
DISEÑO DE PLANTAS
Ing. W. Castillo
DESARROLLO SOSTENIBLE
COMPONENTE
SOCIO-CULTURAL
COMPONENTE
ECONÓMICO
COMPONENTE
AMBIENTAL
Materias
primas para
la producción
industrial y
sumidero de
residuos y
desechos
industriales
Calidad de
vida y
derechos
humanos
DISEÑO DE PLANTAS
Ing. W. Castillo
¿QUÉ ES UN PROCESO INDUSTRIAL?
DISEÑO DE PLANTAS
Ing. W. Castillo
¿QUÉ ES UN PROCESO INDUSTRIAL?
1. Conjunto de etapas requeridas para que las materias
primas e insumos se transformen en productos,
subproductos y residuos.
2. Las etapas de un proceso industrial son actividades
unitarias, donde se dan cambios físicos, trasformaciones
químicas o ambos, de acuerdo a determinadas
condiciones de operación: presión, temperatura y otras.
DISEÑO DE PLANTAS
Ing. W. Castillo
¿QUÉ ES UN PROCESO INDUSTRIAL?
1. Existe un rendimiento, una conversión y una
selectividad, dependiendo de la actividad unitaria.
2. Cada actividad unitaria requiere un equipo principal y
equipos complementarios.
3. El proceso industrial es conceptual y se operativiza en
una instalación industrial (planta).
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Ing. W. Castillo
FUNDAMENTOS PARA EL DISEÑO DE UN PROCESO SOSTENIBLE (PROCESO INDUSTRIAL SOSTENIBLE)
DISEÑO DE PLANTAS
Ing. W. Castillo
ANTECEDENTESAÑO ACONTECIMIENTO
1980 Se introduce el concepto de Desarrollo Integral (Mario Bunge)
1987Se publica el Informe Nuestro Futuro Común (Comisión Bruntland)
1990 Se publica el Acta Pollution Prevention PP (Estados Unidos)
1991Se establece la base conceptual de la Green Chemistry (Química Verde)
1992Se realiza la Cumbre de Río de Janeiro (Agenda 21 y Centros de Producción más Limpia)
1993Anastas y Warner dan a conocer los 12 Principios de la Green Chemistry.
1997 Benyus plantea la necesidad de considerar el Biomimetismo
2001Se realiza el CHEMRAWN XIV - World Congress on Green Chemistry (IUPAC)
2002Mc Donough y Braungard introducen el diseño de la cuna a la
cuna
DISEÑO DE PLANTAS
Ing. W. Castillo
PROCESOS
INDUSTRIALES
SOSTENIBLES
PRINCIPIOS
DE LA
INGENIERÍA
INGENIERÍA
VERDEQUÍMICA
VERDE
DISEÑO
INTEGRADO DE
LA CUNA A LA
CUNA
BIOMIMETISMO
ECOLOGÍA
INDUSTRIAL
FUNDAMENTOS
DISEÑO DE PLANTAS
Ing. W. Castillo
PRINCIPIOS DE LA INGENIERÍA PARA EL DISEÑO
DE PROCESOS Y PLANTAS INDUSTRIALES
• Selección de etapas para transformar las materiasprimas e insumos en productos y subproductos,mediante el consumo racional de energía.
• Selección de equipos para favorecer la transferencia demasa y energía.
• Diseño de equipos para efectuar reacciones químicascon elevados rendimientos.
• Minimización de costos asociados a la producción, sindescuidar los costos ambientales (control decontaminantes, tratamiento de residuos y manejo dedesechos).
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Ing. W. Castillo
LA QUÍMICA VERDE Y LA SÍNTESIS IDEAL
Utiliza
materiales
fácilmente
disponibles
Reacción
simple
Operación
segura
Rendimiento
del 100%
Minimiza la
cantidad de
solventes
Un sólo paso
Cero
residuos
Ambiental-
mente
saludable
SÍNTESIS
IDEAL
DISEÑO DE PLANTAS
Ing. W. Castillo
PRINCIPIOS DE LA QUÍMICA VERDE
N° PRINCIPIO
1 Prevenir la generación de residuos
2 Economía de los átomos
3 Síntesis químicas menos peligrosas (tóxicas)
4 Diseño de productos químicos seguros
5 Empleo de disolventes seguros
6 Disminución del consumo de energía
7Empleo de materias primas provenientes de recursos
renovables
8 Reducción de productos derivados
9Uso de procesos catalíticos homogéneos, heterogéneos y
microheterogéneos
10 Diseño para la degradación
11 Análisis de contaminantes en tiempo real
12 Minimización de riesgos de accidentes químicos
DISEÑO DE PLANTAS
Ing. W. Castillo
LOS NUEVE PRINCIPIOS DE LA INGENIERÍA VERDE
N° PRINCIPIO
1Emplear sistemas de análisis y herramientas de evaluación de impacto
ambiental, integradas a la ingeniería de proceso y producto
2Conservar y mejorar los ecosistemas naturales a la vez que se protege la
salud humana y el bienestar de la población.
3 Aplicar el concepto del ciclo de vida.
4Asegurar, en la medida de lo posible , que la materia prima (y la energía),
que entra al sistema sea segura y no tóxica.
5 Minimizar el uso de los recursos naturales no renovables.
6 Prevenir la generación de residuos.
7
Desarrollar y aplicar soluciones de ingeniería, teniendo en cuenta la
situación geográfica, los aspectos sociales y culturales de las
comunidades situadas en el entorno.
8Buscar soluciones de ingeniería innovadoras, con la finalidad de alcanzar
la sostenibilidad.
9Involucrar a la comunidad en el desarrollo de soluciones a problemas
ambientales.
DISEÑO DE PLANTAS
Ing. W. Castillo
BIOMIMETISMO
(JANINE BENYUS, 1997)
El biomimetismo se inspira en lanaturaleza para poder tomarideas y resolver problemas.
En la hoja de una planta,minúsculos reactores realizan lafunción fotosintética y la falla deuno o varios de estos reactores,no induce en ningún caso a lafalla global del proceso. Por ello,se está buscando laintensificación de los procesosutilizando microrreactores.
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Ing. W. Castillo
DISEÑO INTEGRADO DE LA CUNA A LA CUNA(MC DONOUGH Y BRAUNGARD, 2002)
• Reconcepción de los sistemas y de sus problemas.
• La reconcepción es más beneficiosa que la
reingeniería y esta a su vez de la simple optimizaciónB
EN
EF
ICIO
S
Reconcepción
del problema
Reingeniería
del sistema
Optimización del
sistema actual
DISEÑO DE PLANTAS
Ing. W. Castillo
ECOLOGÍA INDUSTRIAL
En la naturaleza los “residuos” no existen como tales,
ya que los desechos de unos individuos son los
alimentos (y fuente de energía) de otros (cadenas
tróficas).
Los procesos industriales deben encadenarse
productivamente.
Se deben utilizar energías renovables, siempre que
sea posible.
DISEÑO DE PLANTAS
Ing. W. Castillo
ENCADENAMIENTO PRODUCTIVO
PARQUES INDUSTRIALES
ECOEFICIENTES (PIE)
DISEÑO DE PLANTAS
Ing. W. Castillo
• Un parque industrial ecoeficiente está constituido por
un grupo de plantas industriales localizadas en una
misma área geográfica.
• Estas (empresas) buscan mejorar sus desempeño
económico y ambiental.
PARQUES INDUSTRIALES
ECOEFICIENTES
DISEÑO DE PLANTAS
Ing. W. Castillo
• El trabajo coordinado les permite obtener un beneficio
colectivo mayor, que trabajando individualmente.
• Existen dos tipos: PIE que agrupa a empresas que
realizan diferentes actividades productivas y PIE en
que las empresas realizan la misma actividad.
PARQUES INDUSTRIALES
ECOEFICIENTES
DISEÑO DE PLANTAS
Ing. W. Castillo
PROCESOS INDUSTRIALES
SOSTENIBLES
CASOS
DISEÑO DE PLANTAS
Ing. W. Castillo
PROCESO INDUSTRIAL A PARTIR DE RECURSOS RENOVABLES
PRODUCCIÓN DE PULPA Y PAPELA PARTIR DE RECURSOS FORESTALES
DISEÑO DE PLANTAS
Ing. W. Castillo
BOSQUENATURAL TALA DESCORTEZADO ASTILLADO COCCION
LAVADO
BLANQUEO
PULPABLANQUEADA
COMPUESTOSAZUFRE
EMISIONES YEFLUENTES DE COMPUESTOS
DE AZUFRE
AGUAS RESIDUALES
AGUA
COMPUESTOS DE CLORO
EMISIONES YEFLUENTES DE COMPUESTOS
DE CLORO
SECADO
Especiesmaderables R1
ENERGÍA
ENERGÍA
DIAGRAMA DE BLOQUES PARA LA OBTENCIÓN DE PULPABLANQUEADA
PRODUCCIÓN “SUCIA”PROCESO NO SOSTENIBLE (O INSOSTENIBLE)
R2 R3
R4
R5
R6
R7
DISEÑO DE PLANTAS
Ing. W. CastilloPROCESO SOSTENIBLE PARA LA OBTENCIÓN DE PULPA
BLANQUEADA
BOSQUEPLANTADO TALA DESCORTEZADO ASTILLADO COCCION
LAVADO
BLANQUEO
PULPABLANQUEADA
COMPUESTOSAZUFRE
EMISIONES YEFLUENTES DE COMPUESTOS
DE AZUFRE
AGUAS RESIDUALES
AGUA
TOTALMENTE LIBRE DE CLORO
(TLC)
EMISIONES YEFLUENTES DE COMPUESTOS
DE CLORO
SECADO
Especiesmaderables R1
ENERGÍA
ENERGÍA
PRODUCCIÓN “LIMPIA”PROCESO INDUSTRIAL SOSTENIBLE
R2 R3
R4
R5
R6
R7
a R a R a R
a R
a R
DISEÑO DE PLANTAS
Ing. W. Castillo
Planta Botnia, Fray Bentos. Uruguay
DISEÑO DE PLANTAS
Ing. W. Castillo
ELABORACIÓN DE PAPEL
PULPABLANQUEADA
MEZCLADO REFINACIÓN REGULACIÓN DE CONSISTENCIA
LAMINACIÓN
SECADO
PAPEL
AGUA
AGUASBLANCAS
AGUA ADITIVOS
ACABADO
ENERGÍA energía
AGENTE
DISEÑO DE PLANTAS
Ing. W. Castillo
¿QUIÉNES HACEN POSIBLE QUE LA OPERACIÓN DE UNA PLANTA INDUSTRIAL SEA SOSTENIBLE?
DISEÑO DE PLANTAS
Ing. W. Castillo
MATERIAS
PRIMAS E
INSUMOS
MAQUINARIAS
Y EQUIPOS
INSTRUMENTOS
DE MEDICIÓN
Y CONTROL
SISTEMAS DE
DEPURACIÓN
DE GASES,
AGUAS Y
SUELOS
SERVICIOS
DE DISEÑO Y
SIMULACIÓN
DE PROCESOS
SERVICIOS DE
TRATAMIENTO
DE RESIDUOS
SERVICIOS DE
SISTEMAS DE
GESTIÓN
SERVICIOS DE
SEGURIDAD Y
PREVENCIÓN DE
ACCIDENTES
PLANTA
INDUSTRIAL
(PROCESO
INDUSTRIAL
SOSTENIBLE)
PROVEEDORES
DISEÑO DE PLANTAS
Ing. W. Castillo
INGENIERÍA DE PROCESOS
La globalización y las cada vez mas
estrictas restricciones ambientales, traerán cambios
mayores en las herramientas y métodos de la
ingeniería de procesos. Debido a la larga vida de
algunos equipos ya instalados los cambios pueden
tardar, pero llegaran.
TENDENCIAS EN EL DISEÑO DE PROCESOS
DISEÑO DE PROCESOS
DISEÑO DE PLANTAS
Ing. W. Castillo
INGENIERÍA DE PROCESOS
INGENIERÍA
DE PROCESO
REDUCCIÓN EN COSTOS DE
CAPITAL PROCESOS
FLEXIBLES REDUCCIÓN
INVENTARIO
DESEMPEÑO AMBIENTAL
SEGURIDAD DEL PROCESO
CALIDAD Y
CONTROL
AHORRO DE ENERGÍA
MATERIAS PRIMASEFICIENTES
TENDENCIAS EN EL DISEÑO DE PROCESOS
DISEÑO DE PROCESOS
DISEÑO DE PLANTAS
Ing. W. Castillo
INGENIERÍA DE PROCESOS
El nuevo paradigma de la ingeniería de
procesos está en la integración del diseño de
procesos con la investigación y desarrollo.
Pruebas de laboratorio iniciales podrían originar
diagramas de flujo alternos y las simulaciones orientar
en las condiciones de operación óptimas.
El uso de datos de planta pueden servir para la
calibración de los modelos termodinámicos.
TENDENCIAS EN EL DISEÑO DE PROCESOS
DISEÑO DE PROCESOS
DISEÑO DE PLANTAS
Ing. W. Castillo
Integración de Procesos surge para darle un uso
eficiente a la energía. Los ahorros significantes de
energía se logran analizando el problema de todo
el proceso.
El diseño de procesos tradicional consiste en una
jerarquía de fases que se pueden representar en el
diagrama cebolla.
SÍNTESIS DE PROCESO E INTEGRACIÓN
DE PROCESOS
DISEÑO DE PROCESOS INTEGRADO
DISEÑO DE PLANTAS
Ing. W. Castillo
SÍNTESIS DE PROCESO E INTEGRACIÓN
DE PROCESOS
DISEÑO DE PROCESOS INTEGRADO
DISEÑO DE PLANTAS
Ing. W. Castillo
Las dos capas internas, Reactor y Separación, definen
el entorno de balance de material. Mas aún, ellos
definen la estructura básica del diagrama de flujo, que
es el objeto de una actividad de diseño llamada Síntesis
de Proceso. Las capas mas externas, Recuperación de
Calor y Servicios Industriales tienen que ver con el
entorno de balance de calor.
Hoy en día se consideran la Síntesis de Procesos y
la Integración de procesos como actividades
complementarias=>DISEÑO INTEGRADO DE
PROCESOS
SÍNTESIS DE PROCESO E INTEGRACIÓN
DE PROCESOS
DISEÑO DE PROCESOS INTEGRADO
DISEÑO DE PLANTAS
Ing. W. Castillo
Hoy en día se consideran la Síntesis de Procesos y
la Integración de procesos como actividades
complementarias=>DISEÑO INTEGRADO DE
PROCESOS
SÍNTESIS DE PROCESO E INTEGRACIÓN
DE PROCESOS
DISEÑO DE PROCESOS INTEGRADO
Enfoque Diseño Integrado de procesos
DISEÑO DE PLANTAS
Ing. W. Castillo
A continuación se presentan las tendencias en
investigación con aplicaciones en el diseño de procesos.
Uso eficiente de materias primas
1. Sistemas de reactores novedosos
Se están desarrollando nuevas tecnologías para los sistemas de
reacciones químicas, mas allá de los clásicos CSTR y PFR.
2. Análisis de sistemas con reciclo
Debido a la estrecha integración en materia y energía, pueden
ocurrir grandes interacciones entre las unidades. Tomando el control
de los problemas que surgen con los reciclos se pueden lograr mejores
diseños de plantas complejas.
3. Separación reactiva
Colocando la reacción y la separación en la misma unidad puede
conducir a ahorros en costos de capital y operación. La destilación
reactiva es uno de los ejemplos.
TENDENCIAS EN EL DISEÑO INTEGRADO DE PROCESOS
DISEÑO DE PROCESOS INTEGRADO
DISEÑO DE PLANTAS
Ing. W. Castillo
Uso eficiente de materias primas
5. Separación de mezclas no ideales
La síntesis de secuencias de separación de mezclas no ideales se
maneja hoy en dia por medio de los mapas de curvas de residuos
6. Diseño de redes de intercambio de masa
De forma similar a la integración energética, se están desarrollando
técnicas para la optimización de operaciones basada en el
intercambio de masa.
7. Manejo del hidrógeno
El hidrógeno es hoy un producto de gran importancia debido a su uso
en gran escala en refinación y el futuro de las celdas combustibles. El
método “pinch hidrógeno” va en esa línea.
TENDENCIAS EN EL DISEÑO INTEGRADO DE PROCESOS
DISEÑO DE PROCESOS INTEGRADO
DISEÑO DE PLANTAS
Ing. W. Castillo
Eficiencia energética
1. Columnas complejas
Las columnas complejas pueden reducir drásticamente los costos de
separación desempeñando varias tareas a la vez.
2. Sistemas de destilación térmicamente acoplados
Las columnas de destilación acopladas pueden ofrecer ahorros de energía
sustanciales.
3. Cogeneración
Consiste en la producción simultánea de calor y energía. Este método es
particularmente atractivo en el caso de procesos que envuelven
reacciones exotérmicas.
4. Diseño de sistemas de baja temperatura
La refrigeración es una operación costosa. Se pueden lograr ahorros
significativos considerando sistemas multietapas y en cascada, asi como
también fluidos mixtos refrigerantes.
5. Diseño automático de redes de intercambiadores de calor
Puede aumentar dramáticamente la productividad del diseñador,
liberando mas tiempo para las tareas conceptuales.
TENDENCIAS EN EL DISEÑO INTEGRADO DE PROCESOS
DISEÑO DE PROCESOS INTEGRADO
DISEÑO DE PLANTAS
Ing. W. Castillo
Reducción de emisiones
1. Diseño del sistema de agua
Se han desarrollado métodos “water pinch” para racionalizar el
reciclo de agua de proceso y optimizar la cargaa la planta de aguas
residuales.
2. Minimización de emisiones de gases de escape
La minimización de la emisión de gases como CO2, SO2, y otros
gases ácidos es un tópico clave en el diseño sustentable de procesos.
Debe ser manejado integrando los sistemas de servivios industriales,
la recuperación de calor y la cogeneración, asi como también con
modificaciones de proceso.
3. Caracterización ecológica de procesos
Una aproximación sistemática basada en diagramas de flujo estado
estacionario y dinámico puede flujo, dinámico, aplicarse en vista de
ecobalances de impurezas y materiales peligrosos.
TENDENCIAS EN EL DISEÑO INTEGRADO DE PROCESOS
DISEÑO DE PROCESOS INTEGRADO
DISEÑO DE PLANTAS
Ing. W. Castillo
Control y Operatividad
1. Diseño integrado y control
La relación entre diseño y controlabilidad es un tópico moderno en la
integración de procesos.
2. Control global de la planta
Es una actividad de diseño que se encarga de establecer la mejor
estrategia para controlar toda la planta y su relación con el diseño y
el control de las unidades.
TENDENCIAS EN EL DISEÑO INTEGRADO DE PROCESOS
DISEÑO DE PROCESOS INTEGRADO
DISEÑO DE PLANTAS
Ing. W. Castillo
APROVECHAMIENTO INTEGRAL DEL LECHE (QUESO)
(EJERCICIO PROPUESTO)
DISEÑO DE PLANTAS
Ing. W. Castillo
APROVECHAMIENTO INTEGRAL DEL LIMON (CITRICOS)
(EJERCICIO PROPUESTO)
DISEÑO DE PLANTAS
Ing. W. Castillo
APROVECHAMIENTO INTEGRAL DEL PESCADO
(EJERCICIO PROPUESTO)
DISEÑO DE PLANTAS
Ing. W. Castillo
APROVECHAMIENTO INTEGRAL DEL CAÑA DE AZUCAR
(EJERCICIO PROPUESTO)
