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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



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.



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



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.



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.



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



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”.



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”.

¿?!!



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.



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



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



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.



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



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”



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)



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.



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.



- 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



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.



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



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.



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.



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.



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.

diseño plantas-tovar.pdf

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