CAPITULO 7

5/22/2018 CAPITULO 7

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Captulo 7: Heursticas de Diseo

CAPITULO 7HEURSTICAS DE DISEO Y PLANEACIN

Este captulo presenta dos temas basados en la planificacin y en mtodos heursticos.

El primero es el Diseo Conceptual desarrollado por James Douglas, quien

empleando la planeacin jerrquica y reglas heursticas acumuladas en aos de

prctica logra un mtodo inicial para la mejora de casos base. El segundo tema se

refiere a la planificacin productiva de plantas de proceso de operacin discontinua,

que es el punto de partida para el diseo de tales instalaciones. Este segundo tema

merece hoy en da especial relevancia dada su importancia en tecnologas emergentescomo materiales especializados y procesos biolgicos.

7.1 HEURSTICAS IMPORTANTES EN EL DISEO

A lo largo de los aos los Ingenieros de Procesos han ido acumulando saber derivado

de la experiencia directa en el diseo. Mucha de la informacin generada y de las

reglas empleadas para el diseo no tienen el debido sustento tcnico, pero ha sido

verificada empricamente en un gran cantidad de casos. A modo de ilustracin se

presentan a continuacin algunas de estas reglas heursticas.

Impurezas en la Alimentacin de Procesos

Si existen impurezas en la alimentacin al proceso que reaccionan, preferiblees removerlas antes del procesamiento, pues constituyen una interferencia para

las reacciones qumicas.

Si las impurezas son inertes y estn presentes en elevada concentracin, perose pueden separar fcilmente por destilacin, es preferible retirarlas antes del

procesamiento.

Si la impureza en la alimentacin es tambin producto de una reaccinqumica del proceso, evaluar la posibilidad de insertar la corriente del proceso

en el punto donde se recupera la impureza.


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Si una corriente gaseosa contiene impurezas ligeras, que ebullen antes que elpropileno, es conveniente procesarlas.

Nmero de Corrientes de Producto

Se asume que el efluente del reactor contiene todos los componentes de la

alimentacin y todos los componentes formados en las reacciones qumicas ocurridas.A menos, que algn componente sea inestable de modo que reacciona totalmente.

Si uno o ms de los componentes de la alimentacin es altamente corrosivo, opodra polimerizarse o descomponerse en sub-productos indeseables, y si se

puede forzar esta reaccin hasta conversin completa con el propsito de

eliminar estos materiales indeseables, entonces se retiran de la lista. Luego, se

clasifican todos los componentes en el efluente del reactor del modo siguiente:

Reactante: para reciclo

Componente de reaccin intermedia: para reciclo

Sub-producto reversible: para reciclo o separacin

Azeotropo con reactante: reciclo del azetropo o ruptura del

azetropo y reciclo del reactante

Producto primario: salida del proceso

Sub-producto valioso: salida del proceso

Sub-producto combustible: salida del proceso

Sub-producto de desecho: salida del proceso

Luego se ordenan los componentes por el punto normal de ebullicin y seagrupan los componentes vecinos del mismo tipo. Se asume que el nmero decorrientes ser igual al nmero de grupos.

Este anlisis se basa en el supuesto de que la destilacin es normalmente el mtodo de

separacin ms barato y que sera un gasto intil separar dos componentes y luego

darles idntico tratamiento, es decir, enviarlos al almacn como combustible o a las

instalaciones de tratamiento de desechos.

Heursticas para el Reciclo y la Purga

Si un compuesto que puede ser reactante, impureza en la alimentacin o sub-producto

ebulle a temperatura menor que el propileno (-48 C), se asume una corriente de

reciclo gaseoso con una corriente de purga que deber mantener la concentracin del

reactante de inters a un nivel aceptable. Esta heurstica se basa en que el propileno

puede ser condensado con agua de refrigeracin operando a elevada presin, luego

todos los materiales menos voltiles que el propileno pueden ser recuperados por

destilacin o alguna operacin equivalente, empleando agua de refrigeracin. Es

sabido que en las plantas de etileno se separa el etano del etileno por destilacin

usando condensadores refrigerados. Inclusive se separa por el mismo mtodo al

nitrgeno del oxgeno. Sin embargo, para la mayora de procesos el costo de la

separacin de reactantes gaseosos es muy elevado. Pero, una tecnologa emergente en

la separacin de componentes gaseosos es la separacin por membranas o filtracin

molecular, que ha tenido xito en la recuperacin de hidrgeno y gases ligeros

limpios.


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Heursticas para Reactores Mltiples

Si en un proceso ocurren reacciones en simultneo y algunas de estas reacciones son

favorecidas a diferentes temperaturas o presiones, o si se emplean diferentes

catalizadores para distintos pasos en el esquema de reacciones, entonces es

conveniente usar varios reactores. Dado que se conocen los pasos en las reacciones

qumicas, as como las condiciones de operacin y el tipo de catalizador a emplear,

luego ser sencillo asociar el nmero de etapas en la reaccin con el nmero de

reactores a implementar.

As como las reglas heursticas anteriores, existen muchas otras para guiar el diseo

de equipos y de procesos.

7.2EL MTODO DEL DISEO CONCEPTUALEl mtodo del Diseo Conceptual formulado por James Douglas [1985] es una tcnica

concebida para el desarrollo de estructuras de proceso competitivas.El mtodo presenta las siguientes limitaciones:

a) Se aplica slo a procesos que involucran reacciones qumicas

b) Se aplica slo a procesos que manipulan fluidos: lquidos y vapores.

c) No ha definido con precisin su aplicacin a procesos discontinuos

d) No genera estructuras de proceso iniciales sino que requiere un caso base para su

desarrollo.

e) Aparentemente el mtodo aplica el principio de monitoreo, es decir, que las

decisiones tomadas en una etapa del diseo pueden ser revisadas y corregidas en

niveles posteriores. Sin embargo, no presenta con claridad cules son los

indicadores adecuados para revisar decisiones anteriores.

Las caractersticas fundamentales de ste mtodo de diseo son las siguientes:

1. Considera slo el objetivo econmico

2. Se basa en un conjunto de heursticas

3. Es un procedimiento evolucionario, que parte por considerar aspectos del balance

de materiales para posteriormente introducir el diseo de las unidades

operacionales bsicas y finalmente aplica la integracin de redes de intercambio decalor

4. Aplica la planeacin jerrquica dividiendo las decisiones del diseo en cinco

etapas.

El instrumento de anlisis que emplea el mtodo es la evaluacin de la sensibilidad

del indicador econmico respecto a las variables independientes del balance de

materiales.

Las etapas planteadas por Douglas para el diseo de procesos son las siguientes:


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1. Seleccin de la modalidad de operacin: continua o discontinua

2. Determinacin de la estructura de entrada / salida del proceso

3. Definicin de la estructura de reciclos internos y clculo de reactores

4.

Seleccin de los sistemas de separacin5. Integracin Calrica del proceso

A continuacin se presenta con mayor detalle el mtodo del Diseo Conceptual,

orientado principalmente para procesos petroqumicos continuos.

Tabla 7.2.- Procedimiento Jerrquico para Procesos con Fluidos

ETAPA DETALLE

1.-Batch? Slo se aplica para procesos continuos

2.-Estructurade Entrada y

Salida

Se deben purificar las corrientes de alimentacin al proceso antesde su ingreso?

Debe recuperarse un sub-producto reversible o ms bien

recircularse hasta extincin?

Se requiere una corriente de purga?

Cuntas corrientes de productos son necesarias? Se necesita una

corriente de reciclo gaseoso y una corriente de purga? La separacin

por membrana es hoy una alternativa muy atractiva.

El oxgeno del aire o del agua debe recuperarse y reciclarse?

Cul es el potencial econmico? EP2 = Valor Neto de Productos =

Precio de Productos - Costo de Reactantes.

3. Estructura

de Reciclo

1. Se necesitar un compresor para el reciclo de la corrientegaseosa?

2. El reactor se operar adiabticamente. por fogueo directo oenfriamiento o se requerir un fluido diluyente para la

disipacin del calor?

3. Se desea desplazar la conversin del equilibrio?

De cuntas corrientes de reciclo se dispone?

Se deber usar exceso de algn reactivo?

Cuntos reactores se emplearn en el proceso? Existir alguna

separacin de componentes entre los reactores?


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Cul es el potencial econmico? EP3 = EP2 Costo de Capital

anualizado de ReactoresCosto de Operacin de ReactoresCosto

de Capital anualizado de Compresores Costo de Operacin de

Compresores.

4. Sistema deSeparacin

Cul es la estructura del sistema de recuperacin de lquidos yslidos?

Cul es la mejor ubicacin para el sistema de recuperacin de

calor?

Qu separaciones se pueden realizar por destilacin?

Qu secuencia de columnas de destilacin se deber emplear?

Cmo se separarn los componentes incondensables?

Cmo se lograrn separar los otros componentes de inters?

Los incondensables del ciclo gaseoso se eliminarn, emplearncomo combustible o reciclarn?

Cmo se lograrn las otras separaciones?

Cul es el potencial econmico? EP4 = EP3 Costo de Capital

anualizado de sistema de Separacin Costo de Operacin de

Sistema de Separacin

6. Integracin

Calrica del

Proceso

Cules son las cargas mnimas de enfriamiento y calentamiento?

Cuntos Intercambiadores de Calor se requieren y de qu tamaos?

Cul es el potencial econmico? EP6 = EP5 Costo de Capitalanualizado de Intercambiadores de calor Costo de Operacin de

IC.

7.3 AMPLIACIN DEL DISEO CONCEPTUAL

Procesos Qumicos con Slidos

Rossiter and Douglas [1986] han aplicado el mtodo del Diseo Conceptual para el

caso de procesos que involucran la separacin de slidos. Por ejemplo, la separacin

de ismeros del xileno se realiza por cristalizacin, en lugar de destilacin debido a la

proximidad en los puntos de ebullicin de estos componentes. Cuando se tienecristalizacin en un proceso, usualmente tambin esta presente filtracin (o

centrifugacin) y secado. En la tabla siguiente se presenta la informacin de entrada

necesaria para el diseo de un sistema que procesa slidos.

Tabla 7.2.- Informacin Inicial para un Proceso que Trabaja con Slidos

RUBRO DETALLE

Productos 1. Flujo de productos y su pureza

2. Tamao de partculas (distribucin) y propiedades de materiales

3. Precio de productos en funcin de su pureza


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Materias

Primas

1. Composicin y estado fsico de todas las materias primas

2. Precio de cada materia prima en funcin de su pureza

Generacin de

Slidos

1. Mtodos disponibles para producir los slidos con

caractersticas deseadas

2. Datos de solubilidad de los productos slidos y posibles

impurezas

3. Estequiometra de reaccin y datos de selectividad

Restricciones

en el

procesamiento

1. Lmite de temperatura debido a la inestabilidad de los productos

2. Lmites en la densidad de lodos de cristalizacin (o

precipitacin) debido al decaimiento en la calidad de los productos

o en propiedades de flujo a alta concentracin de slidos

Datos de

Planta yUbicacin

1. Costo de servicios: combustible, vapor de diversas calidades,

agua de enfriamiento, refrigerantes, etc.

2. Disponibilidad de instalaciones para disposicin de desechos y

sus costos.

Fuente.- Rossiter & Douglas. Chem. Eng. Res. Des., 64 :175 (1986)

Tabla 7.3.- Procedimiento Jerrquico para Procesos con Slidos

ETAPA DETALLE

1.-Batch? Slo se aplica para procesos continuos

2.-Estructura

de Entrada y

Salida

Se deben purificar las materias primas antes del procesamiento?

Se deben procesar las impurezas?

Se requiere una corriente de purga?

Cuntas corrientes de productos son necesarias?

Cul es el potencial econmico? EP2 = VNP costo de

purificacin o eliminacin de impurezas

3. Estructura

de Reciclo y

Cristalizadores

Qu tipo de cristalizador se debe usar?

La reaccin se podra dar en el cristalizador o fuera de l?

Cuntas etapas de cristalizacin son necesarias?

Cuntas corrientes de reciclo existen?

Cul es el potencial econmico? EP3 = EP2 Costo de Capital de

CristalizadorCosto de Operacin de Cristalizador

4. Sistema de

Separacin

Cmo se puede recuperar el producto primario?

Qu tipo de sistema de recuperacin de slidos se requiere?

Cmo se puede separar el slido del residuo?

Se requiere la separacin de componentes lquidos?


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Cul es la ubicacin de las unidades de separacin? Purga,

corriente de reciclo o ambas?


Sistema de Separacin Costo de Operacin de Sistema de

Separacin

5. Secado de

Productos

Qu tipo de secador se debe emplear?

Qu perdidas se pueden esperar?


Secador - Costo de Operacin de Secador

6. Sistema

Energtico

Cules son las cargas mnimas de enfriamiento y calentamiento?

Cuntos Intercambiadores de Calor se requieren y de qu tamaos?


Intercambiadores de calorCosto de Operacin de IC.

Procesos Discontinuos

El diseo de plantas de proceso discontinuo definitivamente es ms complicado que el

de plantas de proceso continuo, pues se requiere seleccionar las unidades de

procesamiento y definir una programacin adecuada de las operaciones, estableciendo

la necesidad de unidades de almacenamiento intermedio, la fusin de unidades entre

s y la posibilidad de tener partes del proceso que operen de modo continuo.

Como una primera simplificacin Douglas [1988, p.409] propone empezar el diseo

de los procesos discontinuos como si fuesen continuos y luego aplicar elprocedimiento propuesto por Malone y sus colaboradores [1985], que se resume en la

siguiente tabla:

Tabla 7.4.- Diseo Conceptual para Procesos Discontinuos

ETAPA DETALLE

1. Diseo

Continuo

Disear el proceso como si fuese continuo. Usar este

procedimiento para encontrar la mejor alternativa de

procesamiento y definir las variables de diseo dominantes. Si no

se disponen de unidades continuas para alguna etapa de

procesamiento, iniciar con un estimado del diagrama de flujo que

muestre cada etapa de proceso individualmente.

2. Reemplace

cada equipo

a. Incluir slo un tanque de almacenamiento intermedio para el

reciclo


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continuo por

unidad batchb. Calcular el tiempo de ciclo ptimo para cada equipo

minimizando el costo total anual de procesamiento:

Este clculo provee un lmite en el costo para el caso enque se requiera almacenamiento intermedio

Los resultados proveern una indicacin del incentivoeconmico para modificar el proceso en las formulaciones

qumicas (rutas de reaccin)

Regularmente el costo de cada operacin en el procesobatch optimizado exceder el costo de la correspondiente

unidad para procesamiento continuo.

Los resultados son empleados luego como una gua para lafusin de unidades

c. Calcular el diseo ptimo fijando el tiempo de ciclo de cada

unidad igual.

Este clculo provee un lmite de costo cuando hay unautilizacin mxima del equipo

Sin embargo, en este caso, no existe flexibilidad en eldiseo

Nuevamente se determinar si existe incentivo econmicopara modificar la formulacin del producto

3. Considerar la

fusin de

unidades Batch

adyacentes para

el diseo en 2.b

a. Fusionar las unidades con ciclos de operacin y tamaos

semejantes

b. Comparar los costos de los equipos fusionados con aquellos de

los equipos individuales correspondientes:

Si los costos de los equipos continuos son menores,retener las unidades continuas.

De otro modo, mantener las unidades batch fusionadasc. Continuar fusionando unidades hasta que el costo total

incremente

4. Considerar el

uso de unidadesen paralelo

a. La meta es lograr la mxima utilizacin del equipo

b. La proporcin de los ciclos de operacin debe ser ajustada a la

proporcin inversa del nmero de unidades

c. En general, no se emplean ms de tres unidades en paralelo

5.

Almacenamiento

Adicionar el almacenamiento intermedio necesario para programar

la planta y optimizar el diseo

6. Optimizacin Optimizar la mejor alternativa de Estructura de Proceso

incluyendo almacenamiento

7. Operabilidad Verificar la operabilidad del proceso usando un simulador de

procesos discontinuos.


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Otros Procesos de Manufactura

Con objeto de ampliar la cobertura del Mtodo de Douglas, que es formulado para

procesos qumicos, se proponen las siguientes modificaciones.

1. Clasificar los sub-sistemas de un proceso en tres tipos:

a) De acondicionamiento

b) Principal

c) De acabado

2. Incluir en el mtodo el procesamiento de slidos

3. Alterar las etapas del diseo del siguiente modo:

1)

Determinacin de estructura de entrada/salida2) Definicin de la estructura de reciclos

3) Diseo de los procesos principales

4) Diseo de los procesos de acondicionamiento

5) Diseo de los procesos de acabado

6) Integracin calrica

7) Evaluacin Integral del sistema de procesamiento

Con la primera modificacin se consigue incluir procesos industriales que no

involucran reacciones qumicas, como extraccin de colorantes, obtencin de aceites

y esencias, entre otros.

Tambin gracias a la primera modificacin es posible incluir procesos que implican el

procesamiento de slidos. A continuacin se presenta el ejemplo de la obtencin de

harina y aceite de pescado. En este caso las etapas de procesamiento principales son

las siguientes: recepcin, lavado, seleccin, pesado, coccin, secado, prensado,

adicin de estabilizantes y embalaje, para el caso de la harina. Las operaciones de

acondicionamiento seran: recepcin, lavado, seleccin y pesado. Las operaciones

principales seran: coccin, secado y prensado. Las operaciones de acondicionamiento

seran las finales: adicin de estabilizantes y embalaje.

.

7.4 PRODUCCIN EN PLANTAS DE OPERACINDISCONTINUA

La operacin discontinua de procesos de pequea escala es una prctica tradicional en

nuestro medio. Hoy en da se han generado mtodos para optimizar el uso de

instalaciones y recursos en plantas de operacin discontinua, que usualmente procesan

varios productos y cuya caracterstica principal debe ser la flexibilidad, tanto en la

oferta de diversos productos como en la posibilidad de procesar materias primas

alternativas.


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La operacin discontinua de procesos tiene gran relevancia en plantas cuyos

productos tienen alto valor agregado, y por ello requieren tecnologa de avanzada

para satisfacer especificaciones muy exigentes.

El bajo rendimiento global de este tipo de procesos puede mejorar mediante una

adecuada utilizacin de todos los recursos disponibles (logstica de produccin) en

plantas actualmente existentes, y una concepcin flexible (logstica de proceso) en

plantas de nueva creacin

1. INTRODUCCIN A LA OPERACIN DISCONTINUA.Para operaciones en pequea y mediana escala que suponen un alto valor

agregado (por ejemplo en la fabricacin de productos qumicos especiales,

farmacuticos, pinturas, materiales y productos de tecnologa avanzada, etc.), no

se justifica la alta inversin de capital que supone el procesamiento en continuo,

siendo ms conveniente la utilizacin de un modo de produccin discontinua. En

los Estados Unidos se calcula que un 60 % de las ventas en el sector qumico

corresponde a aquellos productos que han sido elaborados en este tipo de plantas.Por lo tanto, conseguir un diseo y una operacin eficientes de plantas de

operacin discontinua, es un avance indispensable para la supervivencia

econmica en un mercado cada vez ms competitivo.

A la fecha, existe nicamente una metodologa muy limitada para el diseo y

operacin de tales procesos discontinuos y no es accesible a la mediana y

pequea industria quienes, en definitiva, emplean este modo de operacin.

Las plantas con funcionamiento discontinuo se caracterizan por su potencial

flexibilidad; permitindose hacer frente a algunas de las siguientes variables de

mercado y produccin:

Variacin significativa en materias primas. Elaboracin de productos que requieren la utilizacin de los mismos equipos. Naturaleza de algunas de las fases de produccin. Estacionalidad inherente a la demanda del mercado. Breve perodo de tiempo de almacenamiento de algunos de los productos.Dentro del tipo de plantas que funcionan de forma discontinua, existe una gran

variedad en su forma de operacin, utilizacin del equipo disponible y factores

econmicos. Dependiendo de estas caractersticas, el planteamiento del problema

y su resolucin requieren de procedimientos alternativos.

Segn la estructura de produccin, las plantas de proceso discontinuo se

clasifican en:

a. Plantas Multi-producto: son aquellas que tienen varios productos similarescon procesos de fabricacin y orden de utilizacin de los equipos

semejantes.

b. Plantas Multi-propsito: son las que obtienen productos distintos conprocesos de fabricacin y orden de utilizacin de los equipos diferenciados.

En la planta se pueden obtener diferentes productos al mismo tiempo y elmismo producto puede seguir distintos caminos de produccin.


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c. Multi-plantas, son las instalaciones que tienen la estructura de dos o masplantas multiproducto operando en paralelo.

Los componentes bsicos de una planta de operacin discontinua quedarn

determinados por sus necesidades de produccin (demanda externa e interna), las

tareas a realizar y el orden que a seguir para obtener un producto a partir de sus

materias primas, y los equipos disponibles para ello.

Las plantas reales pueden pertenecer a una o varias de las categoras indicadas; el

grado de dificultad en el diseo depender de la complejidad que crece esencialmente

con el grado de flexibilidad exigido

Se tienen dos niveles de trabajo interdependientes en las Plantas de Operacin

Discontinua (POD):

El diseo o dimensionamiento de los equipos de proceso que corresponda aun costo ptimo de operacin y una inversin de capital mnima; y,

La planificacin de la produccin y secuenciacin de tareas: conociendo lasespecificaciones de la planta y ciertos requisitos de produccin, hay que

determinar cuando y en que cantidades se deben fabricar los diversos

productos (problema de planificacin de la produccin), decidir en qu

equipos se deben llevar a cabo las diversas tareas del proceso de produccin,

y en que preciso momento deben comenzar y finalizar tales tareas (problema

de asignacin de tareas y secuenciacin de operaciones).

A continuacin se presenta un anlisis detallado de la logstica de los procesos de

operacin discontinua.

2. ELEMENTOS DE LA OPERACIN DISCONTINUA2.1. CARACTERSTICAS GENERALES.

Una POD est constituida por un conjunto de equipos de proceso de varios

tipos y tamaos, capaces de llevar a cabo una serie de tareas diferentes en

modo de operacin discontinua o semicontinua. Un sistema discontinuo

puede contener reactores, filtros, secadores, cristalizadores, destiladores,

tanques de almacenamiento, intercambiadores de calor, etc.

Tales equipos estn frecuentemente estandarizados en cuanto a tamao,

materiales de construccin, condiciones de operacin extremas, sistemas deseguridad y control y otras especificaciones.

Una POD tpica es una unidad de produccin, consistente en una red de

unidades, como las descritas anteriormente, que se utilizan para procesar lotes

de productos. Generalmente, dichos lotes o cargas se agrupan en campaas de

duracin apropiadas que se repiten peridicamente. Un producto particular

puede aparecer en varias campaas, cuya duracin depender de cada

producto individual.

Clases de productos bsicos:


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a. Productos finales: de venta a clientes externos o que se transfieren a otrasplantas de la misma empresa.

b. Productos intermedios: se utilizan como material base en la fabricacinde otros productos dentro de la misma planta.

c. Productos base: pueden emplearse como material base (materia prima) enla misma planta y tambin ser objeto de venta a clientes externos en otrasplantas de produccin de la misma empresa.

2.2. TAREAS Y RECETAS.Cada uno de los productos diferir principalmente, en los detalles de su receta

y en los requisitos de cada etapa de fabricacin. Por ello, la receta contiene

toda la informacin que define la secuencia de tareas para la obtencin de un

cierto producto. Dicha informacin suele incluir:

- Etapas qumicas y fsicas y de las sub-tareas necesarias.- Recursos indispensables para cada etapa (sub-tarea).- Asignacin de los equipos o tareas de proceso.

Por ejemplo, cierta tarea de reaccin puede incluir:

1. Llenar el reactante A.2. Calentar.3. Aadir el reactante B.4. Agitar y calentar.5. Enfriar.6. Decantar.7. Enfriar.

La agrupacin de sub-tareas en tareas es una decisin de ingeniera de proceso. Por

ejemplo, el paso (6) se podra realizar en un tanque separado. Los tamaos de los

lotes resultantes de la tarea de asignacin a mdulos de fabricacin son las cantidades

de producto obtenido en las diversas cargas. Cada sub-tarea tiene un factor de tamao

(S ) que se define como:

aCporFinaloductodeCantidadaCportareaSubenocesadaCantidadS

arg___Pr__arg____Pr_

Luego, el factor de tamao de la tarea i para el productoj (Sij) ser el mximo de

todos los factores de las subtareas comprendidas. Puesto que los factores de tamao

son factores de escala, la masa ( o volumen) requerida para una tarea determinada es

el factor tamao dividido por el tamao de la carga; o, al contrario, para una

asignacin dada de mdulos de equipos a tareas, el tamao de carga est limitado por

la etapa de produccin con una relacin inferior de tamao de carga a factor tamao.

La receta de cada producto es la descripcin de su procesamiento y debe ir

acompaada por una lista, en orden cronolgico, de las tareas que deben ejecutarse.

La descripcin del proceso incluir tambin los diagramas de flujo que muestran latransferencia de material entre las diversas tareas y permiten por consiguiente, el


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clculo de los balances de materia y energa para cada producto. Pueden surgir

complicaciones si las unidades disponibles para tareas especificas no son idnticas o

pertenecen a diversos tipos; entonces se reduce la flexibilidad de la planta

discontinua.

TIEMPO DE CICLO LIMITANTE.

La asignacin de tareas a equipos de la planta junto con la descripcin del proceso,

determina la secuenciacin de tareas. Tal informacin incluye tiempo de reaccin,

velocidades de transferencia, tiempo de calentamiento y enfriamiento, etc. El

diagrama de Gantt consiste en una representacin grfica de barras que muestra el

nivel de utilizacin de las unidades de proceso y almacenamiento por los diversos

productos y a lo largo del tiempo. Se llama tiempo de ciclo limitante (CT) al tiempo

comprendido entre fabricaciones de lotes de un mismo producto (excluyendo los

retrasos derivados de la puesta en marcha de la campaa). Se trata de un concepto

bsico que debe distinguirse de otro elemento particularmente importante: el tiempototal de proceso o periodo de tiempo entre el comienzo de la accin inicial y el

acabado de la accin al final de la misma carga.

La expresin matemtica del tiempo del ciclo, si cada unidad utilizada nicamente

una vez esta disponible en cualquier momento, resulta ser:

T = max. tj

Dondetes el tiempo total para procesar una carga en la unidad j. Cuando se procesa

ms de una carga en operacin con solapamiento, el ciclo de tiempo se reduce, como

se muestra en la Figura....

El elemento bsico que controla el proceso de produccin es el tiempo de ciclo

limitante de cada producto (LCT). Este LCT es de hecho el cuello de botella que

limita la utilizacin del equipo en el proceso. La red de proceso ideal contemplara

todas las etapas de proceso utilizadas plenamente a lo largo del LCT. Sin embargo,

las diferencias entre tiempos de proceso de unidades de equipos individuales hacen

imposible el obtener la red ideal en casos prcticos reales. Los tiempos muertos y el

mismo LCT pueden reducirse sustancialmente utilizando estrategias adecuadas

como:

Utilizacin de unidades en paralelo fuera de fase. Combinacin y descomposicin de tareas. Reglas de transferencia entre tareas. Utilizacin de almacenamiento intermedio.

4. CARACTERISTICAS ESTRUCTURALES

Utilizacin de Unidades en Paralelo.


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El uso de unidades en paralelo fuera de fase para reducir LCT puede comprenderse

mejor observando la Figura 5

La adicin de unidades en paralelo fuera de fase implica no slo la reduccin en LCT

sino tambin en los tamaos de otros equipos implicados. Este hecho puede afectar

esencialmente las decisiones en el diseo y la operacin de la planta, siempre que el

costo de los equipos implicados sea elevado. La estrategia seleccionada para aadir

unidades en paralelo afectar principalmente a la flexibilidad de produccin de la

planta frente a un mercado sujeto a condiciones de demanda cambiante. Por ejemplo,

aadir unidades en paralelo iguales en cierta etapa resultar en caminos de produccin

mltiples pero se mantendr siempre un mismo tamao de carga. En cambio, el

utilizar unidades en paralelo de tamao desigual genera caminos mltiples de

produccin y tamaos de lote diversos. La seleccin adecuada de tamao para las

diferentes unidades en paralelo interconectadas fuera de fase, es un problema

complejo y de inters prioritario en la gestin global de la produccin.

Combinacin y Descomposicin de Tareas.

Descomponiendo una cadena de tareas asignada a cierta etapa discontinua puede

ofrecer resultados similares al caso de utilizacin de unidades fuera de fase.

Nuevamente, el LCT y los tamaos de todos los equipos implicados quedan

reducidos. Otro mecanismo bsico para reducir los tiempos muertos consiste en la

combinacin de tareas consecutivas. La combinacin de tareas por s sola, puede no

afectar al LCT pero s disminuir el nmero total de unidades de proceso, y, como

consecuencia la inversin de capital. Figura 7.

Una forma ms general de combinacin incluye la aplicacin de esta estrategia entreetapas no consecutivas, reutilizando el equipo adecuado para la tarea no

consecutiva. De nuevo, el LCT no quedar afectado mientras que la suma de

tiempos de las tareas llevadas a cabo en los equipos compartidos es menor que el

LCT original para la cadena de produccin encargada de llevar a cabo un

subconjunto de tareas establecidas en la receta de un producto dado. Por ello, se

reducir el costo del equipo en dicha cadena de produccin. Figura 8...........Parael caso presentado en la Figura, si no es posible un modo de operacin con

solapamiento, el LCT resultante ser de 44 horas.


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La introduccin del almacenamiento intermedio puede desacoplar dos subprocesos

que operen aditivamente. La utilizacin de tanques de almacenamiento permite el

intercambio entre cargas consecutivas que utilizan un equipo compartido, as como la

demora en el proceso de una carga hasta que el equipo compartido quede disponible

Figura 9.

La capacidad de almacenamiento determinar el alcance del desacoplamiento entre

subprocesos. Por lo tanto, conviene seleccionar esta capacidad lo suficientemente

grande como para desacoplar tiempos de ciclo, de tal forma que las cadenas deproduccin puedan operar como dos procesos totalmente independientes.

Estrategias de Transferencia entre Tareas.

La receta de cada producto determina las condiciones que gobiernan la estabilidad y

duracin relativa de tareas adyacentes, es decir, es necesario establecer polticas de

transferencia entre tareas. Existen tres clases de reglas de inters especial que

gobiernan la transferencia de los productos de los equipos en la etapa i a los equipos

en la etapa i + l:

1. Tiempo de espera nula (ZW): bajo esta regla no puede existir retraso entre elmomento en que el producto finaliza el proceso en la etapa i y el instante en

que comienza el proceso en la etapa i + l. (Figura 10b.)

2. Sin almacenamiento intermedio (NIS): establece que no existen facilidades dealmacenamiento entre etapas de proceso, pero que los equipos de la etapa

pueden retener el material hasta que quede libre una unidad en la siguiente

etapa. La probabilidad de retencin del material bajo proceso introduce

flexibilidad temporal (Figura 10.c).

3. Almacenamiento intermedio limitado (FIS): el nmero de cargas o volumen dematerial que ha finalizado el proceso en la etapa i + l est limitado a cierto

valor preestablecido. Si dicho valor es infinito, el almacenamiento ser

ilimitado (UIS).

En la prctica, cada etapa de proceso estar sujeta a diferentes reglas de transferencia.

En tal caso, la red de proceso opera bajo condiciones de almacenamiento intermediomixto (MIS).


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5. LA LINEA DE PRODUCCION Y SUS ELEMENTOSCadenas de Produccin.

La fabricacin de un producto determinado en POD demanda una receta que contenga

la informacin precisa que defina la secuencia de tareas que deben ser ejecutadas.Pueden generarse lneas de produccin competitivas consistentes en unidades de

equipo y almacenamiento intermedio asignados a la fabricacin de un producto

especfico. Dicho producto se puede manufacturar en una secuencia peridica de

cargas que pueden ser de igual o de distinto tamao.

Es posible desacoplar la produccin de varios productos o de uno solo en subprocesos

llamados trenes o cadenas de produccin, gracias al uso de almacenamiento

intermedio.

Luego, un tren ser la secuencia ininterrumpida de equipos por desacoplamiento de

un almacenamiento intermedio y se le asignar un subconjunto de tareas de la receta

para la fabricacin de cierto producto. Figura 12. Cualquier subconjunto de equipobatch o semicontinuo en un tren se denominar sub-tren. Segn sea el tipo de las

unidades de proceso involucradas, un conjunto de unidades semi-continuas asociadas

que deben operar simultneamente forman un tren semi-continuo. De forma similar,

una unidad discontinua y los sub-trenes semicontinuos que sirven para transferir

materiales desde y hacia la unidad discontinua se denominan sub-tren discontinuo.

El balance de materia de los trenes desacoplados por el almacenamiento intermedio

genera la siguiente relacin entre tiempos de ciclo y tamao de carga de los trenes

anterior (B1,T1) y posterior (B2,T2):

B1/T1 = B2/T2 (2)As se alcanza el desacoplamiento de dos subprocesos, ya que no existe ni

acumulacin ni agotamiento en la unidad de almacenamiento intermedio (S).

Las unidades continuas implican entrada y salida simultnea de material y no generan

acumulacin. Como consecuencia, las unidades anteriores y posteriores,

interconectadas por una unidad continua, estarn ocupadas todo el tiempo de

operacin de la unidad continua. La Figura 13muestra cmo las unidades 1 y 3 sehallan en operacin durante todo el tiempo de proceso de la unidad continua 2. El

tiempo de procesado de la unidad 3 incluir el de llenado (d) asociado al vaciado de la

unidad 1, ligada a travs de la operacin de la unidad semicontinua 2, el enfriado (e) y

vaciado (f) en el tanque 4.

Calculo de Tiempos de Proceso

El tiempo de proceso (P) es el necesario para llevar a cabo una tarea. A menudo

puede calcularse como la suma de un trmino constante y de otro variable

dependiente de la cantidad de material manipulado (usualmente dependiente del

tamao de carga) y el equipo empleado (intercambiador, reactor encamisado, etc.).

P = Po + C (B)d (3)


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Siendo:

Po trmino constante, independiente del tamao de carga,

d es un exponente dependiente del equipo (tabla 11).

Tabla 7.4.- Valores del Exponente en el Clculo del Tiempo de Proceso

Equipo Operacin d

Filtro a presin constante Batch 2

Secador Batch 1

Calefactor / Enfriador Batch 0,50,66

Reactor Batch 1

Filtro Continuo -2

Intercambiador de Calor Continuo -1

Reactor de Mezcla Completa Continuo -1

Fuente.- Puigjaner & Espua.

Para las unidades semi-continuas, el tiempo de proceso (q) es linealmente

dependiente del tamao de carga:

q = B* D/R (4)

Donde:

D factor de utilizacin de la unidad semi-continua

R velocidad de proceso.

El tiempo de proceso puede ser tambin funcin de variables de estado como la

conversin en el caso de reacciones qumicas.

Tiempo de proceso = f (conversin) (5)

El clculo del tiempo entre cargas sucesivas de un mismo producto (tiempo de

ciclo) debe tener en cuenta el tiempo de proceso (p) para llevar a cabo cada tarea,

los tiempos de vaciado y llenado de la unidad asignada, la naturaleza continua o

discontinua de dicha unidad, y otros factores estructurales ya comentados, como la

operacin en faseofuera de fasede las unidades en paralelo, las combinaciones

de las tareas no consecutivas, el modo de operacin con solapamiento o sin l,

etc.

Si no existen facilidades para almacenamiento intermedio, pero es posible retener

el material en unidades discontinuas (NIS), el clculo del tiempo de ciclo bsico


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para m unidades discontinuas, en paralelo y operando fuera de fase viene dado

por:

m

qPqt

ef

Cada unidad se utiliza slo una vez en cada ciclo y todas las unidades estndisponibles durante el mismo periodo de tiempo.

Cuando el producto a obtener contiene etapas discontinuas y semi-continuas el

tiempo de ciclo ser:

T = Max (q, t de todas las etapas) (7)

En las unidades en fase no influye el tiempo de ciclo.

Condiciones de Almacenamiento Intermedio

Consideremos ahora la posibilidad de combinar tareas no consecutivas. La Figura 14muestra la combinacin de las etapas rys no consecutivas precedidas por el sub-trenb. El sub-tren lest localizado entre las etapas combinadas; el sub-tren que incluye l,

r ys se denominarm y su tiempo de ciclo ser:

Tm = tr + tk + ts (8)

El tiempo de ciclo global:

T = max (Ta, Tb, Tm) (9)

Para el modo de operacin sin solapamiento,el tren mqueda afectado por una sola

carga cada vez.

s

n

i

j tttrTm 1

Donde tison los tiempos en cada etapa que pertenecen al subsistema k (i = 1,,n).

Segn este modo de operacin, las etapas r y s y las etapas intermedias que

pertenecen a kse pueden procesar sin ninguna necesidad de retardo o almacenamiento

auxiliar.

La combinacin de tareas no consecutivas en operacin sin solapepuede dar comoresultado un aumento considerable del tiempo de ciclo. Y ser, por consiguiente,

apropiada solamente si la suma de los tiempos del proceso de las diversas etapas del

tren m es menor que el tiempo de ciclo limitante.

Un modo ms eficiente de combinar tareas no-consecutivas consistir en permitir el

mximo de cargas presentes en el tren men cualquier instante. En este caso el tiempo

de proceso del tren m ser:

Tm= max (tr+ ts, max[Ti,iEk])

Pero, tal mejora en el tiempo de ciclo puede requerir cierto retraso en el proceso de las

etapas intermedias e incluso un almacenamiento auxiliar. La condicin con la que se

produce retraso o necesidad de almacenamiento viene expresada por:


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Sea el residual de la divisin tj por T

= mod {tj /T} (12)

y el tiempo de retraso requerido en el proceso de una carga en la ltima etapa

intermedia del sub-tren k: entonces:

Si + tr + ts T (13)

El tiempo requerido es = 0; de lo contrario:

= T - (14)

Las condiciones de almacenamiento son las siguientes: sea tnel tiempo de proceso de

la ltima etapa del sub-tren intermedio k; de aqu:

Si tn+

< T no se requiere almacenamientoSi Tn + > T se requiere almacenamiento.

Si tn + = T y si existe otra etapa intermedia discontinua jk con tj

CAPITULO 7

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