Procesos industriales I
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PROCESOS INDUSTRIALES
Escuela Profesional de Ingeniería Industrial
M.Sc. Jaime Muñoz Portugal
PROCESOS INDUSTRIALES
Ingeniería química = Estudio y diseño de procesos industriales que producen cambios físicos, químicos o bioquímicos en los materiales
Operación unitaria Es una etapa del proceso habilitada con el
equipo adecuado, donde se incorporan materiales, insumos o materias primas y ocurre un cambio físico o reacción química, operaciones que son acciones básicas que forman parte del proceso.
Ejemplo: La saponificación para producir jabones, el blanqueo en la industria del papel, o la destilación fraccionada en la industria del petróleo para producir combustibles.
PROCESOS Y OPERACIONES UNITARIAS
No sería una decisión intelectual correcta el tratar de estudiar el número casi infinito de procesos industriales que se llevan a cabo en la industria química, metalúrgica y farmaceútica diariamente, lo cual sería impracticable, si no hubiera operaciones de proceso comunes a todos ellos. Lo cual es una ventaja.
El diseño de un proceso industrial consta de operaciones físicas y químicas que se llevan a cabo en forma secuencial ordenada dentro de una empresa industrial, en algunos casos son específicas del proceso considerado, pero en otros, son operaciones comunes a varios procesos, pero que requieren de diferentes insumos para su ejecución.
Un proceso industrial consta de los siguientes items que presentados ordenadamente guardan la siguiente secuencia:
1.- Materias Primas 2.- Operaciones físicas de acondicionamiento 3.- Reacciones químicas 4.- Operaciones físicas de acabado 5.- Productos
Cada una de estos items requiere de un control específico, de ejecución y de calidad
Todo proceso industrial consta de una serie secuencial de etapas que reciben el nombre de OPERACIONES UNITARIAS, como humidificación, evaporación, extracción por solventes, absorción, transporte de fluidos, refrigeración, pasteurización, secado, sedimentación, cristalización, filtración, destilación.
O. U O. U O. U O. U
Materia prima producto
Proceso unitario
Ingeniería Industrial = Estudio y diseño de sistemas integrados por recursos humanos, tecnología, energía y materiales en la producción de bienes y servicios
En el campo industrial nuestro, generalmente los ingenieros industriales saben de sistemas informáticos o trabajan junto con ingenieros de sistemas, ingenieros químicos, e ingenieros mecánicos - eléctricos de mantenimiento principalmente. Puede que haya otras disciplinas de la ingeniería con las cuales interactuar.
Todo proceso industrial implica dentro de su ejecución, generalmente una operación de reacción química o proceso unitario; y/o operaciones de cambios de estado de agregación, es decir operaciones que implican cambios en las propiedades físicas de estado: reducción de tamaño, cristalización, destilación, etc.
Proceso automatizado implica operaciones de ejecución controlada por cerebros electrónicos programables
Proceso
Es una secuencia de actividades que tienen un inicio y un final, donde hay entradas y salidas, Acciones o eventos organizados interrelacionados, orientados a obtener un resultado específico y predeterminado, como consecuencia del valor agregado que aporta cada una de las fases que se llevan a cabo en las diferentes etapas
La materia prima, que puede o no cambiar de estado físico durante el proceso, es transferida, medida, mezclada, calentada, enfriada, filtrada, almacenada o manipulada de alguna manera para producir el producto final
PROCESO: Conjunto de las fases sucesivas de un fenómeno natural o de una operación artificial
PROCESO INDUSTRIAL: Conjunto de etapas que siguen una secuencia lógica con el fin de transformar los insumos y materia prima en producto acabado
FÁBRICA : Es el lugar físico donde se integran los recursos energéticos, tecnológicos, humanos y financieros para convertir la materia prima en producto. La disposición de este lugar obedece a una lógica que sigue el curso de la producción establecido en un diagrama de flujo que determinan la disposición de las maquinas y equipos industriales, y la distribución óptima de materias primas y productos.
PROCESO
Un proceso está constituido por:
Equipos de proceso, instrumentos de control, máquinas y herramientas; software y hardware.
Logística de abastecimiento, selección de proveedores, qué se recibe; de dónde y de quién.
Instrucciones de Trabajo. Métodos ó procedimientos de mantenimiento,
calibración y control. Recursos humanos: destrezas; experiencia. Fuerza Ventas; cómo, cuándo; a quién se entrega. Medición de objetivos y metas de calidad,
seguridad, resultados y rendimientos.
PROCESO INDUSTRIAL Un proceso de fabricación, también denominado proceso
industrial, de manufactura o de producción:
Es el conjunto de operaciones necesarias para modificar las características de las materias primas que pueden ser de naturaleza muy variada tales como su tamaño, geometría o forma, fisicoquímicas como la densidad, peso específico, viscosidad, y estructurales como su composición química, en un producto con mayor valor agregado y con un valor de uso para el consumidor, producto que cumple con tener propiedades y especificaciones de calidad referidas en una Norma Técnica Nacional o en todo caso de empresa o internacional.
Operaciones que se realizan en el ámbito de la industria
CLASIFICACIÓN DE LOS PROCESOS INDUSTRIALES
I) PROCESOS MECÁNICOS
• Proceso de fundición y moldeo
• Proceso de soldadura • Proceso de mecanizado • Mecanizados especiales • Conformados de
superficies • Tratamientos térmicos • Tratamientos de
superficies
II) PROCESOS QUÍMICOS
• Industrias extractivas • Industria química y
petroquímica • Industria textil • Industria alimentaria • Industria manufacturera
con armado en línea • Industria de la madera • Industria del plástico y
resinas
DESDE EL PUNTO DE VISTA DEL TIPO DE REACTOR:
Los procesos pueden clasificarse como
1.- Intermitentes o por lotes (Bach )
2.- Continuos 3.- Semi-continuos
Clasificación de los procesos químico industriales
Tipos de procesos industriales
Procesos en la industria del refinación del petróleo Procesos en la industria del hierro y el acero Procesos en la industria de minerales no metálicos Procesos en la industria química inorgánica Procesos en la industria química orgánica Procesos en los sectores agroindustriales: papel,
madera, alimentos de mayor valor agregado Procesos en la industria de plásticos Procesos en la industria del cuero Procesos en la industria textil
PROCESO INDUSTRIAL
Representación gráfica del curso de la producción o fabricación de un producto indicando la secuencia de etapas que lo componen, identificándolas de acuerdo a su función e indicando las líneas de interacción entre ellas.
DIAGRAMA DE FLUJO
Diagrama de Flujo de la Elaboración de Conservas y Congelados Vegetales
CONTROL Y SELECCION DE MATERIA PRIMA
PESADO
CLASE DEGALLETA
GALLETA DULCEGALLETA WAFER
AMASADO
FERMENTADO
LAMINADO
CORTADO
HORNEADO
ENFRIADO
PREPARACION PASTAPREPARACION CREMA
HORNEADO
OBLEAENCREMADO
ENFRIADO
CORTADO
APILADO
DIAGRAMA DE FLUJO DEL PROCESO DE FABRICACION DE GALLETAS
GRANEL ACOMODADO EMPAQUETADO
GALLETA SALADA
FABRICACION DE LEVADURA
Control de Procesos El controlar un proceso, se refiere a como se controlan
las variables inherentes al mismo para:
Reducir la variabilidad de propiedades del producto final Incrementar la eficiencia Reducir el impacto ambiental Mantener el proceso dentro de los límites de calidad y
seguridad que corresponda
Para ello, se requiere de instrumentos de control, que van de los más simples y manuales, otros son semi automáticos, hasta un control automatizado de proceso completo.
MATERIALES DE ENTRADA DE UN PROCESO INDUSTRIAL
Toda industria consiste en un proceso de transformación de unos materiales en otros de mayor utilidad, lo cual está representado económicamente con lo que se conoce como valor agregado.
Materiales que ingresan al proceso Materias primas Materiales secundarios Materiales auxiliares
Productos finales Sub productos o productos secundarios Productos residuales Productos de desecho
MATERIALES DE SALIDA DE UN PROCESO INDUSTRIAL
DIAGRAMACIÓN DE PROCESOS INDUSTRIALES
La diagramación es la representación gráfica de un proceso de producción, y consiste en representar gráficamente la secuencia de ejecución de operaciones hasta obtener el producto acabado, en lo que se denomina flow sheet o diagrama de flujo o flujograma; para lo cual existen normas de simbología y de datos, que en algunos casos varían de acuerdo a la normatividad y grado de desarrollo industrial de cada país. Sin embargo existe un consenso internacional que no hay que dejar de lado en la diagramación de procesos industriales de producción de bienes básicos tradicionales
ESQUEMAS PARA DIAGRAMAS DE FLUJO
PROCESO DE REFINACIÓN DEL AZÚCAR
PROCESO DE PRODUCCIÓN DEL CEMENTO
PROCESO DE PRODUCCIÓN DEL AMONIACO
PROCESO DE PRODUCCIÓN DE CHOCLATE
Proceso de Producción de Cobre
PLANTA CONCENTRADORA
PROCESO HIDROMETALURGICO
PROCESO SIDERURGICO
OPERACIONES UNITARIAS DE REACCIÓN QUIMICA
La oxidación es una reacción química que produce la transformación de un cuerpo en otro conocido como óxido , esto como consecuencia de la acción de oxígeno o de un oxidante como el permanganato de potasio o el bicromato de potasio
Existen diferentes tipos de oxidación de acuerdo al medio circundante al material, puede haber oxidación atmosférica, oxidación marina, etc.
OXIDACIÓN
La Combustión es una reacción química de oxidación rápida que va acompañada de desprendimiento de energía bajo en forma de calor y luz. Para que éste proceso se dé, es necesario la presencia de un combustible, un comburente y calor. El material que es capaz de arder y se combina con el oxígeno, se conoce como combustible. El más utilizado en la industria es el Diesel - 2
COMBUSTIÓN
El horneado es el proceso de cocción a base de calor seco transferido por aire previamente calentado por sistemas eléctricos o quemadores de combustible, esta operación se realiza en un horno, y consiste en someter a un material a la acción del calor sin mediación de ningún elemento líquido
Los hornos industriales difieren de acuerdo al producto a fabricar. Los hay en la industria de alimentos como en la industria metalúrgica.
HORNEADO
La hidrogenación es un tipo de reacción química (redox) cuyo resultado final visible es la adición de hidrógeno (H2) a otro compuesto
En la industria de los aceites vegetales, la hidrogenación es un proceso químico mediante el cual los aceites se transforman en grasas sólidas mediante la adición de hidrógeno a altas presiones y temperaturas, y en presencia de un catalizador.
HIDROGENACIÓN
La saponificación es una reacción química por la cual un ácido graso: palmítico, esteárico, margárico u oleico unido a un álcali y agua, da como resultado jabón y glicerina.
SAPONIFICACIÓN
Proceso mediante el cual las moléculas simples, iguales o diferentes, reaccionan entre sí por adición o condensación y forman otras moléculas de peso doble, triple, etc.
La polimerización es un proceso químico por el que los reactivos, monómeros (compuestos de bajo peso molecular) se agrupan químicamente entre sí, dando lugar a una molécula de gran peso, llamada polímero, o bien una cadena lineal que generalmente es de carbonos. O en una macromolécula
Los polímeros son de una importancia enorme en nuestra sociedad actual. Sería un campo de especialización importante para el ingeniero industrial
POLIMERIZACIÓN
La fermentación es un proceso de tipo catabólico, es decir, de transformación de moléculas complejas, en moléculas simples, dentro del metabolismo. Así la fermentación es un proceso catabólico de oxidación que tiene lugar de forma incompleta, siendo además un proceso totalmente anaeróbico (sin presencia de oxígeno), dando como producto final un compuesto de tipo orgánico, el cual caracteriza por lo general, a los distintos tipos de fermentaciones existentes, pudiendo así realizar una clasificación y una diferenciación
FERMENTACIÓN
CÁLCULOS DE INGENIERÍA
Dado que el campo de acción del ingeniero industrial se ha incrementado en los últimos años con el surgimiento de nuevas tecnologías como la biotecnología y bioingeniería, ciencia e ingeniería de materiales, ingeniería del medio ambiente, y otros. Cada una de ellas presenta aspectos particulares, pero una de las semejanzas es que todos los sistemas implicados en ellas se refieren a procesos diseñados para transformar materia prima en un producto determinado
Muchos de los problemas que surgen en relación con el diseño de nuevos procesos o el análisis de procesos existentes son del siguiente tipo:
“ dadas las cantidades y las propiedades de la materia prima, calcule las cantidades y las propiedades de los productos o viceversa “
OBJETIVO El objetivo es aplicar un método
sistemático para resolver problemas del tipo señalado. La técnica requiere identificar y expresar correctamente las variables del sistema y plantear y resolver las ecuaciones que relacionan dichas variables. Para ello requerimos:
Un buen manejo del Sistema Internacional Conocimiento de las propiedades físicas y
químicas: variables de proceso en un sistema determinado y su uso dimensionalmente correcto en el planteo de ecuaciones
SISTEMA INTERNACIONAL DE UNIDADES
Análisis Dimensional Parte de la Física que estudia la forma
en que se relacionan las magnitudes derivadas con las fundamentales
Fines del análisis dimensional Se utiliza para expresar las magnitudes
derivadas en función de las fundamentales
Sirve para comprobar la veracidad de las fórmulas físicas
Sirve para deducir fórmulas a partir de datos experimentales
Ecuación Dimensional Es una expresión matemática que
relaciona magnitudes derivadas puestas estas en función de su equivalente en magnitudes fundamentales estableciendo una igualdad dimensional.
Principio de Homogeneidad En toda fórmula física se debe cumplir
que cada uno de sus términos separados por signos de suma y resta deben tener las mismas dimensiones
NOTA: Los números, los ángulos, los
logaritmos y las funciones trigonométricas, no tienen dimensiones ,en el análisis dimensional tienen el valor de 1
VARIABLES DE PROCESO Presión La presión se define como la relación de
la fuerza ejercida sobre el área de un sistema material
La unidad SI de presión es el Pascal = Newton / m2
La presión en un fluido se transmite por igual en todas las direcciones del mismo
La presión hidrostática ejercida sobre un punto en el interior de un fluido equivale a P = ρ g h ρ = Densidad g = gravedad h = altura
La presión absoluta de un sistema se expresa como P abs = P man + P atm
Temperatura Es una medida que esta relacionada
con la energía cinética de las moléculas de un sistema.
La gradiente de temperatura puede definirse como la fuerza motriz que produce transferencia de calor entre dos sistemas
01/05/2023 69
Comparación de escala ºC y ºK
01/05/2023 70
Escalas de Temperatura
273CK 0
1.8KR
321.8TF0
Incrementos de Temperatura
CK 0
FR 0
C8.1F 0
460FR 0
VARIABLES DE PROCESO Volumen específico Es el volumen por unidad de masa. Es el
recíproco de la densidad. v = 1/ρ = V/m (m³/kg, ft³/lbm) Densidad
Es la relación entre la masa de un cuerpo y su volumen. Se simboliza con la letra del alfabeto griego ro
ρ = m / V = masa / Volumen (kg/m³, lbm/ft³)
Densidad relativa o Gravedad Específica
La densidad relativa o aparente expresa la relación entre la densidad de una sustancia y una densidad de referencia, resultando una magnitud adimensional y, por tanto, sin unidades
Escala Baumé Se utiliza para líquidos más ligeros y
más pesados que el agua. Para más ligeros que el agua:
Para más pesados que el agua:
Escala API Es la escala adoptada por el Instituto
Americano del Petróleo para expresar la densidad de productos derivados del petróleo. Teniendo en cuenta que la mayoría de éstos productos son más ligeros que el agua existe sólo la siguiente expresión:
Peso específico
Es la relación entre el peso de un cuerpo y su volumen. Se simboliza con la letra del alfabeto griego gamma "γ".
γ = ρ . g = densidad . gravedad ( N/m³, lbf/ft³ )
Peso específico relativo Es la relación entre el peso específico
de un cuerpo y el peso específico del agua para el caso de líquidos y sólidos.
Viscosidad
Los líquidos se caracterizan por una resistencia al flujo llamada viscosidad. La viscosidad de un líquido crece al aumentar el número de moles y disminuye al crecer la temperatura. La viscosidad también está relacionada con la complejidad de las moléculas que constituyen el líquido: es baja en los gases inertes licuados y alta en los aceites pesados. Es una propiedad característica de todo fluido (líquidos o gases). La viscosidad es una medida de la resistencia al desplazamiento de un fluido cuando existe una diferencia de presión.
La expresión matemática de la viscosidad es
Donde : µ es la viscosidad Tensión cortante o esfuerzo cortante ז v Velocidad del fluido y longitud en una dirección o eje
FLUJO MÁSICO Al movimiento de material o masa de
un punto a otro se le denomina flujo Se denomina flujo másico ( m ) a la
masa transportada en la unidad de tiempo
Flujo másico = masa / tiempo El flujo másico en condiciones estables
es el mismo en todos los puntos de un ducto o tubería y puede calcularse a partir de la ecuación: m = v A ρ
FLUJO VOLUMÉTRICO Al volumen transportado en la unidad
de tiempo se le denomina flujo volumétrico
Flujo volumétrico = volumen / tiempo
Flujo másico = Flujo volumétrico x Densidad
Variables de Composición Porcentaje en peso. El porcentaje en peso de cada
componente se obtiene dividiendo su peso respectivo por el peso total del sistema y multiplicando por 100
Se utiliza generalmente para expresar la composición de mezclas de sólidos y líquidos. En general no se emplea para mezclas de gases.
Porcentaje en Volumen El tanto por ciento en volumen de cada
componente se obtiene dividiendo su volumen individual por el volumen total de sistema y multiplicando por 100.
Se utiliza para expresar la composición de mezclas de gases.
Fracción molar Si el sistema es una mezcla de varias
sustancias, siendo “i” una de ellas; el número de moles de "i" dividido por el número total de moles de la mezcla es la fracción molar de "i"
Peso Molecular Promedio ó Masa Molecular Media
Es equivalente a la suma de los productos de cada una de las fracciones moleculares de cada sustancia por su peso molecular correspondiente.
Concentración Es una medida de la cantidad de soluto
disuelto en un volumen de solución Molaridad (M) = g-mol de soluto/lt de
solución Molalidad (m) = g-mol de soluto/kg de
solvente Normalidad (N) = equivalente-g de
soluto/lt soluc
BASE DE CALCULO ( B.C. ) Normalmente, todos los cálculos
relacionados con un problema dado se establecen con respecto a una cantidad específica de una de las corrientes de materiales que entran o salen del proceso. Esta cantidad de materia se designa como base de cálculo y se deberá establecer específicamente como primera etapa en la solución del problema. Con frecuencia el planteamiento del problema lleva consigo la base de cálculo.
Cuando se conoce la composición en peso de una mezcla se recomienda tomar una base de 100 unidades de masa o peso, ejemplo: 100 g, 100 kg, 100 lb. Si por el contrario se conoce la composición molar de la mezcla, la recomendación es tomar 100 unidades molares de la mezcla, ejemplo: 100 g-mol, 100 kg-mol, 100 lbmol.
Se dice que un material es húmedo cuando el agua es uno de sus componentes
BASE HUMEDA Cuando la composición de un sistema
incluye al agua se dice que está en base húmeda
BASE SECA Cuando en la composición se excluye el
agua (aún estando presente), se dice que está en base seca
En algunas operaciones, especialmente en el secado de sólidos, se acostumbra a expresar el contenido de humedad por unidad de peso de sólido seco o por unidad de peso de sólido húmedo. A ésta modalidad multiplicada por 100 se le denomina porcentaje de humedad en base seca y en base húmeda respectivamente.
En el caso de algunas mezclas gaseosas, la composición está dada sin tener en cuenta uno de los componentes. En éste caso, dicho componente no aparece en los porcentajes, aunque sí está presente en la mezcla y se dice que la composición es libre de un componente