diseño de plantas cap iii 2012

DISEÑO DE PLANTAS DE PROCESOS AGROINDUSTRIALES

Capítulo IIFilosofía del Diseño Industrial

Ing. Anibal Vasquez Ch.

EPIIA - UNSA

1. Definición

• Acción armónica entre materiales, maquinaria, equipos y hombres para servir a los fines de la producción y obtener el máximo rendimiento técnico y económico.

Diseño Urbano Atención necesidades del

hombre: vivienda, colegios, etc.

Diseño Industrial Diseño de instalaciones

Industriales Plantas, Fábricas

2.Evolución del Concepto de Planta

• Industria Artesanal• Revolución Industrial s. XVIII• La Industria crece alrededor de las ciudades, no importa el

hombre• Taylorismo, no tiempos muertos• S. XX luchas sociales, importancia al hombre• Expansionismo, Teoría de los SISTEMAS

2.1 Nuevo Concepto de Planta

“Lugar donde hay que producir, con arreglo a un determinado proceso de fabricación, en las condiciones más económicas cumpliendo además con unas condiciones óptimas de trabajo y sociales para el trabajador”.

Procesamiento de la Soja para

obtener alimentos análogos

3. Necesidad del Conocimiento del Proceso Tecnológico para el Diseño de la Planta

• ¿Qué se va a producir?– La contestación la da el propietario que tiene diversas

motivaciones.

• ¿Para qué va a servir?– Está en función al tipo de producto a producir y la validez del

proceso tecnológico.

• ¿Para quién lo vamos a hacer?– Importancia que el conjunto industrial debe dar a las máquinas

y al hombre.

Proceso general para obtener alcohol y derivados

4. Consideraciones diferentes al proceso que influyen en el Diseño

• Factores Económicos– Requerimientos mínimos compatibles con el costo mínimo y gastos de

producción.

• Factores Humanos– Tener en cuenta factores psicológicos, fisiológicos y sociales que

tiendan hacia el logro de la comodidad en el trabajo.

• Factores Ecológicos Ambientales– Las plantas constituyen un agente de deterioro ecológico, se debe de

tomar en cuenta un estudio de Impacto Ambiental.

• Factores Estéticos– Que exista armonía en toda la planta a un mínimo costo.

Elaboración de Conservas Congeladas

Derivados de la Caña de Azúcar

5. RAZÓN DE SER DE UN DISEÑO INDUSTRIAL

6.1 Naturaleza del Diseño

• El diseño es una actividad creativa y una de las más gratificantes y satisfactorias actividades emprendidas por un ingeniero.

• Es la coordinación de ideas para llevar a cabo un proyecto deseado.

• El diseño no existe al inicio del proyecto. El diseñista lo inicia con un objetivo específico en mente, una necesidad, y por el desarrollo y evaluación de posibles diseños, que él considera como el mejor camino para llegar al objetivo.

6.2 El Objetivo del Diseño

Chaddock (1975), definió al diseño como “La conversión de un requerimiento indefinido en una costumbre satisfecha”

En el diseño de plantas agroindustriales, la necesidad puede ser la necesidad pública por un producto o la oportunidad comercial de la empresa.

Dentro del conjunto de objetivos, el diseñista deberá reconocer los objetivos; los requerimientos de varias unidades que hagan el proceso total.

El diseñista deberá hacer una exposición de los requerimientos según sea posible. Las exigencias son aquellas partes de la especificación inicial que

pueden ser idealmente deseables, pero pueden ser modificadas.

6.3 Restricciones al Diseño

• Posiblemente se deberán considerar varios caminos alternativos para llegar al objetivo, varios diseños serán buenos, dependiendo de la naturaleza de las restricciones.

• Algunas restricciones serán fijas, invariables, tal como aquellas que surgen de las leyes físicas, regulaciones gubernamentales, y estandarizaciones, que están fuera de la influencia del diseñista pueden denominarse como factores o restricciones externas.

• Dentro de estos límites, habrá un número de diseños posibles limitados por otras restricciones, las restricciones internas, sobre las cuales, el diseñista tendrá algún control.

6.3 Restricciones al Diseño

6.4 Códigos y Normalizaciones

• La necesidad para normalizar (“estandarizar”) surge primero en la evolución de la moderna Ingeniería Industrial, Whitworth introdujo el primer tornillo “estándar” para dar una medida de intercambiabilidad entre diferentes fabricantes en 1841.

6.5 Factores de Diseño

• El diseño es un arte inexacto.• Para conseguir que las especificaciones de diseño sean

satisfactorias, son incluidos factores para dar un margen de seguridad en el diseño.

• Factores de diseño son también aplicados en el diseño de procesos para dar igual tolerancia en el diseño.

• Estos factores deberían ser concordantes dentro de la organización del proyecto, y claramente indicados en los documentos.

6.6 Sistema de Unidades

• En todos los países industrializados hay la tendencia a la aceptación del Sistema Internacional de Unidades o el llamado SI de unidades.

• Sin embargo, en la práctica de los métodos de diseño, los datos y normalizaciones los cuales el diseñista deberá usar están normalmente disponibles en las unidades tradicionales y científicas.

• Usualmente la mejor práctica es hacer todos los cálculos de diseño en las unidades en las cuales se va a presentar los resultados; pero, si es preferido trabajar en el SI de unidades, los datos pueden ser convertidos al SI de unidades, hacer los cálculos, y convertir los resultados al sistema que sea requerido.

• Hay varios métodos alternativos los cuales pueden ser usados para una operación o un proceso dados.

• Cada uno de estos procesos contiene muchas alternativas posibles incluyendo variables tales como la composición, temperatura, presión y tipo de catalizador.

• Es responsabilidad del ingeniero de Industria Alimentaria, seleccionar el mejor proceso e incorporar las técnicas de diseño de equipo las cuales den los mejores resultados.

• Si hay dos o más alternativas para obtener exactamente resultados finales equivalentes, la alternativa preferida debería ser la que involucre el menor costo total.

6.7 Diseño Óptimo

6.7.1 Diseño Económico Óptimo

• Si hay dos o más alternativas para obtener exactamente resultados finales equivalentes, la alternativa preferida debería ser la que involucre el menor costo total.

• El ingeniero muchas veces selecciona un diseño final sobre la base de las condiciones que den un menor costo total.

• En muchos casos, sin embargo, los diseños serán exactamente equivalentes. Es entonces necesario considerar la calidad del producto o la operación así como el costo total.

6.7.1 Diseño Económico Óptimo

• Un ejemplo típico de un diseño económico óptimo es determinar el diámetro de tubería a usar cuando se bombea una cantidad de fluido desde un punto hacia otro.

Determinación del diámetro económico

optimo de tubería

6.7.2 Operación Óptima

• Muchos procesos requieren definir condiciones de temperatura, presión, tiempo de contacto, u otras variables si se desean obtener mejores resultados.

• Esto es muchas veces posibles al hacer una separación de estas condiciones optimas de las consideraciones económicas directas.

• Por lo tanto el diseño de una operación óptima es usualmente un simple instrumento o una etapa en el desarrollo de un diseño económico optimo.

6.8 Diseño asistido por computadora

• Muchos problemas encontrados en el desarrollo y diseño de procesos pueden ser resueltos rápidamente con un alto grado de perfección con el uso de computadoras de alta velocidad.

• En adición al entendimiento de los principios de la ingeniería y economía, y sus aplicaciones, el ingeniero de diseño necesita usar herramientas especiales para hacer un gran número de cálculos requeridos en un proyecto de diseño.

• Uso de Simuladores en el Diseño de Plantas Agroindustriales– ChemCad– HYSYS.

ChemCad®

HYSYS®

6.9 Los Proyectos en Ingeniería Agroindustrial

• Los proyectos en ingeniería agroindustrial, pueden ser divididos en tres tipos, dependiendo del grado de innovaciones involucradas:1. Modificaciones y adiciones, a una planta existente, usualmente

llevado a cabo por el grupo de diseño de la planta.2. 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.

3. 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 casi todas las unidades de equipo.

6.9.1 Organización de un Proyecto en Ingeniería Agroindustrial.

• El trabajo de diseño requerido en la ingeniería de un proceso agroindustrial 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 en Industrias Alimentarias o Agroindustriales.

– Fase 2. - El diseño mecánico• Diseño 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.

Organización de un Grupo de Proyecto

6.9.2 Documentación del Proyecto

• La documentación del proyecto incluirá:– Correspondencia general dentro del grupo de diseño y con:

• Departamentos de administración• Vendedores de equipo• Personal local• Clientes

– Hojas de cálculo• Cálculos de diseño• Costos

– Dibujos• Diagramas de flujo (“flowsheets”)• Diagramas de tubería e instrumentación• Diagramas de distribución (planos)• Planos del lugar de ubicación• Dibujos arquitectónicos

– Hojas de especificación• Para equipo principal y auxiliar

– Ordenes de compra• Cotizaciones• Facturaciones

Estructura de un Proyecto de Ingeniería Agroindustrial

6.10 Concepción y Definición del Proyecto

• La concepción de un proyecto surge sobre la base de satisfacer una necesidad pública o empresarial, esta necesidad puede satisfacerse con un bien o un servicio, lo cual define el tipo de proyecto a ejecutar.

• En resumen podemos identificar como alternativas de un proyecto:1. Manufacturar un producto ( existente o nuevo)2. Aprovechar un recurso3. Modificar un proceso actual4. Tratamiento de un residuo, etc.

6.11 Eliminación de Posibilidades

• Es extremadamente raro que para llegar a un objetivo exista una sola alternativa.

• El diseñista inicia el proyecto con el establecimiento de todas las soluciones posibles limitadas por las restricciones externas, y por un proceso de evaluación y selección

• El proceso de selección puede considerarse que va a través de las siguientes etapas:1. Diseños posibles (estimados): dentro de las restricciones externas.2. Diseños Plausibles (factibles): dentro de las restricciones internas3. Diseños probables: probables candidatos4. Mejor Diseño (optimo): la mejor solución al problema.

• El proceso de selección se volverá más detallado y más perfecto a medida que el diseño progrese, desde el área de posible a probable solución.

6.12 Definición de Capacidades

• El dimensionamiento de un proyecto puede darse sobre la base de:1. Un estudio de mercado para el producto que se desea manufacturar.2. Un análisis de cantidad y calidad de los recursos naturales que se

puedan aprovechar, tal como es el caso de una planta para la extracción de taninos a partir de la tara.

3. Un análisis de la cantidad y composición de los subproductos y/o materiales de desecho de una planta, que deban ser procesados. Por ejemplo la melaza en un ingenio azucarero para producir alcohol.

6.13 Estudio de Mercado

• Práctica Nº 01

7. Diseño del Proceso

• El objetivo del diseño de una Planta de procesos es: diseñar una planta capaz de producir un específico o un rango de productos al tonelaje deseado y al precio correcto.

• Muchas veces pueden y deben tomarse decisiones subjetivas durante el diseño de un proceso.

• Un ingeniero en Industrias Alimentarias, debe siempre estar dispuesto a considerar nuevos diseños.

• Por ejemplo, considere el proceso comercial de fermentación de melaza para para producir etanol. Este proceso puede llevarse a cabo de las siguientes formas:– Fermentación discontinua ("batch")– Fermentación alimentada ("semibatch")– Fermentación continua– Reactores de enzimas o células inmovilizadas

7.1 Tipos de Diseño

• Los métodos para llevar a cabo un proyecto de diseño dependiendo del grado de exactitud y detalles requeridos pueden dividirse en:

1. Diseños preliminares o estimados rápidos2. Diseños estimados detallados3. Diseños exactos del proceso o diseños

detallados

7.2 Diseño Preliminar (o estimados rápidos)

• Si se tiene disponible suficiente información, se puede desarrollar un diseño preliminar en conjunción con los recursos preliminares disponibles

• El siguiente paso consiste en la preparación de un diagrama de flujo simplificado mostrando las etapas del proceso.

• Un balance de materiales y energía completos, y un conocimiento de las especificaciones de las materias primas y productos, rendimientos velocidades de reacción y tiempos de operación.

• Tan pronto como el equipo necesario sea establecido, los servicios y la mano de obra requerida pueden ser determinados y tabulados. Estimados de la inversión de capital y el costo total del producto completan los cálculos de diseño preliminar.

• La evaluación de costos en el diseño preliminar es de gran ayuda para el ingeniero en ulteriores evaluaciones de alternativas.

• Finalmente es importante que el diseño preliminar sea llevado a cabo tan pronto como se tenga suficiente información del análisis de factibilidad o del desarrollo del proceso.

7.3 Diseño de Estimados Detallados

• El diseño preliminar y los trabajos de desarrollo del proceso dan los resultados necesarios para un diseño de estimados detallados. En este nivel se deben considerar los siguientes factores:1. Proceso de manufactura2. Balances de materia y energía3. Rangos de temperatura y presión4. Especificación de materias primas y producto5. Fermentadores6. Materiales de construcción7. Servicios requeridos8. Ubicación de la planta

• Cuando la información precedente se incluye en el diseño, se puede estimar adecuadamente la inversión de capital, costos de manufactura y beneficios potenciales.

7.4 Diseño Exacto (o diseño detallado)

• Un diseño sólido (o detallado) puede prepararse para la adquisición de equipo y construcción desde un diseño de estimados detallados.

• Se deben hacer planos detallados para la construcción de equipo espacial y preparar las especificaciones para la adquisición de los equipos y materiales.

• Se debe preparar un plano completo de la distribución de la planta y desarrollar los planos e instrucciones para la construcción.

• Se deben incluir diagramas de tuberías y otros detalles de construcción. Se deben hacer especificaciones para almacenes, laboratorios, guardianía, vestuarios, facilidades de transporte, etc.

• El diseño final del proceso debe ser desarrollado con el asesoramiento de personas experimentadas en varios campos de la ingeniería.

8. Etapas en el Diseño de un Proceso

8.1 Objetivo del Diseño

• Esta definición abarca:– Tipo de proyecto a ejecutar– Que producto se debe manufacturar– Cuál debe ser la calidad (pureza) del producto– Cuál será la capacidad de la planta– Qué materias primas se van a usar y en que cantidad– Cuál debe ser la rentabilidad mínima para el futuro proyecto.

• Estos y otros puntos son los que en conjunto definen el proyecto que se debe diseñar, obviamente el objetivo principal es alcanzar una rentabilidad que satisfaga las expectativas de los inversionistas.

8.2 Recolección de datos

• El diseñista debe primero recolectar toda la información necesaria.

• Esta información debe incluir datos sobre los posibles procesos, funcionamiento de equipo y datos sobre propiedades físicas.

• Esta etapa puede ser una de las más frustrantes y que consuman mayor tiempo en aspectos de diseño.

• Muchas organizaciones de diseño deberán preparar una base manual de datos, pero la mayor parte de las organizaciones deben tener manuales especializados sobre diseño.


• La siguiente es una lista de ítems que deben considerarse para emprender el diseño de un proceso.

1. Materias primas (disponibilidad, cantidad, calidad, costo)

2. Servicios y equipo disponible en la actualidad

3. Servicios y equipos que deben ser comprados

4. Estimación de costos de producción e inversión total

5. Utilidades (probables y óptimas, por kg. de producto y por año, retorno sobre la inversión)

6. Materiales de construcción

7. Consideraciones de seguridad


8. Mercados (oferta y demanda presente y futura, usos actuales, usos nuevos, hábitos presentes de los compradores, carácter, ubicación y número de posibles consumidores)

9. Competencia (datos estadísticos de producción total, comparación de varios procesos de manufactura, especificaciones del producto de los competidores)

10. Propiedades de los productos (propiedades físicas y químicas, especificaciones, impurezas, efectos de almacenamiento)

11. Ventas y servicios de ventas (métodos de venta y distribución, propaganda requerida, servicios técnicos requeridos)

12. Necesidad de recipientes y restricciones para el envío del producto13. Localización de la planta14. Situación de la patente y restricciones legales.10000

8.3 Generación de Posibles Soluciones

• La parte creativa del diseño de procesos es la generación de posibles soluciones al problema (caminos para llegar al objetivo) por análisis, evaluación y selección.

• En esta actividad el diseñista debe contar con una amplia experiencia previa de él y el resto de su equipo. El trabajo y el costo para desarrollar nuevos procesos son usualmente inestimables.


• Desarrollo del Proceso

– Cuando la potencialidad del proyecto sea establecida claramente, el proyecto estará listo para la fase de desarrollo.

– En este punto, puede construirse una planta piloto o una planta comercial.

– Datos de diseño e información de otros procesos son obtenidos durante la etapa de desarrollo.

– Esta información es usada para llevar a cabo las fases adicionales del proyecto de diseño.


• Diagramas de Flujo

– Para facilitar el procedimiento de diseño, es ideal la planificación y esta es ayudada por el desarrollo del Diagrama de Flujo del Proceso (PFD).

– El PFD describe la ruta del proceso, mostrando los flujos de material y energía entre aquellas unidades de proceso que constituyen la planta.

– Frecuentemente hay numerosas posibilidades y suposiciones potenciales. Aún con esta incertidumbre, en general es posible determinar un diagrama de flujo.

– Cuando los estudiantes no sepan por donde empezar un nuevo proyecto, se les aconseja comenzar por el diagrama de flujo, con la confianza de que por medio de este ejercicio se evaluará un método potencialmente fructífero.


• Balances de Materia y Energía– El próximo paso después de crear Diagrama de Flujo, es poner su

complemento, cuantificando los flujos de materia y energía a lo largo de la planta.

– Efectuando los balances, se debe:• Justificar las asunciones y aproximaciones • Usar el código mnemotécnico (la etiqueta de identificación) para

etiquetar las unidades • Usar números (o letras) de corrientes para identificar corrientes de

entrada y salida • Usar nomenclatura consistente • Evitar el uso de números pequeños mediante la elección conveniente

de unidades • Ser consistente en el uso de cifras significativas en los cálculos • Complementar los cálculos generados por la computadora con los

cálculos manuales


• Diseño del Equipo

– El costo del equipo es un elemento importante en la economía del proceso.

– El diseño parcial, cuando menos, es necesario antes que puedan establecerse los costos del mismo.

– Para estimados del diseño preliminar el equipo debe ser especificado rápidamente y sin gran detalle.

– Si se prosigue con un diseño detallado se deben emplear métodos rigurosos para el diseño y especificación de equipo.

8.4 Selección y Evaluación

• Varios métodos diferentes de manufactura pueden ser aprovechables para hacer el mismo producto, y estos procesos deben ser comparados en orden a seleccionar el mejor bajo las actuales condiciones.

• La comparación debe hacerse con el diseño final del proceso.• Sin embargo, en muchos casos, algunos de los posibles

procesos pueden ser eliminados por una comparación de las variables esenciales, y los cálculos detallados de diseño para cada proceso pueden no ser requeridos.

• Los siguientes ítems deben ser considerados en una evaluación de este tipo:1. Factores técnicos

a) Flexibilidad del procesob) Operación continúac) Controles especiales involucradosd) Rendimientos comercialese) Dificultades técnicas involucradasf) Requerimiento de energíag) Auxiliares especiales requeridosh) Posibilidad de futuros desarrollosi) Seguridad y peligro de contaminación involucrada

2. Materias primasa) Disponibilidad presente y futurab) Procesamiento requeridoc) Requerimientos de almacenamientod) Problemas en la manipulación de los materiales


3. Productos de desecho y subproductosa) Cantidad producidab) Costo (valor)c) Mercados potenciales y usosd) Manera de eliminarlose) Aspectos de contaminación

3. Equipoa) Disponibilidadb) Materiales de construcciónc) Costos inicialesd) Costos de instalación y mantenimientoe) Reemplazos requeridosf) Diseños especiales

3. Localización de la plantaa) Cantidad de terreno requeridob) Facilidades de transportec) Proximidad a los mercados y suministro de materias primasd) Disponibilidad de servicios y facilidades de energíae) Disponibilidad de mano de obraf) Climag) Restricciones legales e impuestos


6. Costosa) De materias primasb) De energíac) Depreciación y otras cargas fijasd) Requerimiento de mano de obra especializadae) Costos sobre el procesof) Condición realg) Derechas de patenteh) Controles del medio ambiente

6. Factor tiempoa) Plazo para terminar el proyectob) Tiempo requerido para desarrollar el procesoc) Oportunidad de mercadod) Valor del dinero

6. Consideraciones del procesoa) Tecnología disponibleb) Materia prima común con otros procesosc) Estabilidad del producto dentro de la Compañíad) Objetivos generales de la Compañía



• Operación “Batch” versus Continua

– En muchos casos los costos pueden reducirse usando un proceso continúo en lugar de uno intermitente.

– Se requiere menor mano de obra y el control del equipo y la calidad del producto mejora y uniformiza.

– Considerando que la operación “batch” fue común en los inicios de la industria de procesos, el mayor numero de procesos han sido cambiados parcial o completamente a operación continúa.

– El advenimiento de muchos tipos nuevos de instrumentos de control ha hecho posible esta transición.

– El ingeniero de Industria Alimentaria debe conocer las ventajas inherentes a cualquier tipo de operación continúa.


• Evaluación Económica

– La mayor parte de los estudios de posibilidades conducen a la misma pregunta: ¿qué recuperación puede esperarse del dinero invertido?.

– Para contestar esto, los costos del proceso deben combinarse con los de la materia prima, mano de obra, equipo y otros costos para proporcionar un estimado económico exacto para el proyecto.

– Aún cuando la manipulación detallada de los parámetros económicos sea el campo de los economistas y no de los ingenieros, generalmente el economista no está calificado para diseñar equipo, definir la materia prima y evaluar otros costos del proceso.

– En la práctica, es más fácil para un ingeniero cubrir esta falla si aprende las técnicas económicas elementales, que para un economista aprender ingeniería.


• Optimización

– Una combinación de economía e ingeniería y la optimización son necesarias en cualquier proyecto de ingeniería donde existan posibilidades alternas de diseño.

– Como frecuentemente este es el caso, en general la optimización se lleva a cabo en puntos diferentes en la mayoría de los procesos de diseño.

– En algunas situaciones, la elección óptima puede ser un simple asunto de sentido común si el ingeniero ha tenido experiencia en el pasado con decisiones alternas similares.

8.5 Diseño Final

• El reporte de diseño puede representar el único producto tangible de meses o años de esfuerzo.

• Un reporte eficiente no puede ser preparado con un esfuerzo deficiente de ingeniería, pero un reporte mediocre o malo puede (y a menudo lo hace) oscurecer de alguna manera una ingeniería excelente.

• Este es otro puente entre la ingeniería y la humanidad que debe cruzar y cruzarlo bien el ingeniero si su trabajo va a ser reconocido y compensado adecuadamente.

9. Construcción y Operación

• Cuando se tiene una decisión definida para proceder con la construcción de la planta, es cuando hay una exigencia inmediata para iniciar rápidamente la construcción de la planta.

• El tiempo, por consiguiente es particularmente importante en la construcción de la planta.

• Estos factores pueden tomarse en consideración durante el desarrollo de los planos finales y pueden justificar el uso de técnicas de Evaluación y Revisión del Proyecto (PERT) o el Método de la Ruta Crítica (CPM).

• El ingeniero deberá trabajar junto con el personal de construcción durante la etapa final de implementación para asistir en la interpretación de los planos y aprender los métodos para perfeccionar diseños futuros.

• El ingeniero también debe estar disponible durante el inicio de la operación hasta que la planta opere efectiva y eficientemente.

PLANTAS DE PROCESADO DE ALIMENTOS

2.

1. IntroducciónLas plantas de procesado de alimentos tienen como finalidad

técnica la de convertir materias primas perecederas en productos alimenticios más o menos estables, utilizando métodos seguros para sus procesos de transformación y conservación y asegurando una elaboración higiénica de los alimentos.

Una planta de procesado de alimentos es el conjunto formado por:Sistema de procesoSistemas auxiliaresEdificaciones

2. Sistema de Proceso

• Se define como un conjunto secuencial de operaciones unitarias aplicadas a la transformación de materias primas en productos aptos para el consumo, es decir, es el conjunto de equipos que realizan todas las operaciones unitarias necesarias para conseguir dicha transformación.

2. Sistema de Proceso

• El conjunto del Sistema de Proceso está constituido por dos subconjuntos:– Uno de carácter inmaterial: la Tecnología del

Sistema de Proceso, o simplemente, Tecnología de Proceso (know how).

– Otro de carácter material: la Ingeniería del Sistema de Proceso o, simplemente, Ingeniería de Proceso (equipos).

3. Sistemas AuxiliaresDeben considerarse dentro de la idea global de la solución

del Sistema de Proceso, una vez fijadas las condiciones de proceso, los Sistemas Auxiliares se diseñan para satisfacer las demandas predeterminadas.

Los Sistemas Auxiliares tienen una importante contribución en los costes de producción, hasta un 30-40% del total, según el tipo de planta de proceso, a través de las partidas de consumo de agua, electricidad, combustible, gastos de mantenimiento de estos Sistemas Auxiliares, control y tratamiento de residuos.

3. Sistemas Auxiliares

• Los Sistemas Auxiliares incluyen:– Sistemas de manejo de materiales• Instalaciones de manejo de sólidos• Instalaciones de manejo de líquidos• Instalaciones de manejo de gases


– Sistemas de manejo de energía• Instalaciones de vapor• Instalaciones de manejo de combustibles• Instalaciones de fluidos térmico• Instalaciones frigorífi cas• Instalaciones de recuperación de energía• Instalaciones eléctricas

3. Sistemas AuxiliaresSistemas de servicios, se pueden incluir aquí, entre

otros, los siguientes ejemplos:Instalaciones de tratamiento de agitas residualesSistemas de seguridad:Instalaciones de alumbrado de seguridad. Instalaciones de seguridad

contra robosInstalaciones de seguridad contra incendios

Instalaciones de agua a presión contra incendiosInstalaciones de extintores de polvo y gas inerte contra incendiosInstalaciones de alarma contra incendiosInstalaciones de salidas de emergencia


– Sistemas de control, aseguran que el sistema de proceso funcione en las condiciones deseadas, incluyen:• Instalaciones de control automático de proceso

4. Edificaciones

• El edificio es el alojamiento de los sistemas que hacen posible la función principal de la industria alimentaria: la elaboración de alimentos.

• Su diseño debe realizarse teniendo en cuenta particularmente su funcionalidad como alojamiento.

• Estas edificaciones deben proporcionar, fundamentalmente, un control sobre las condiciones ambientales que rodean al sistema de proceso y a los sistemas auxiliares.

5. Diseño de la planta de Proceso de Alimentos

• Con la descomposición de la Planta de Proceso en tres subconjuntos. el problema complejo de la búsqueda del diseño óptimo de una industria agroalimentaria a un coste mínimo se puede también descomponer en tres subproblemas menos complejos en principio:– El diseño óptimo de cada uno de los Sistemas de Proceso– El diseño óptimo de cada uno de los Sistemas Auxiliares– El diseño óptimo de los edificios que albergan a los

Sistemas de Proceso y a los Sistemas Auxiliares


• De los tres subconjuntos en que se ha descompuesto el diseño de una planta de procesado de alimentos, el primero y fundamental es el diseño óptimo de cada uno de los sistemas de procesos, los otros vendrán derivados de éste y su diseño será consecuencia de la alternativa elegida en esta primera fase.


• Ahora bien, una buena distribución en planta implica necesariamente la definición de métodos de manejo de materiales y de flujo de personas,

• En consecuencia el diseño de un sistema de proceso debe definir una distribución de instalaciones físicas que optimice las interrelaciones entre personal de operación, flujo de materiales, flujo de información y los métodos de fabricación requeridos para alcanzar los objetivos de la empresa eficientemente, económicamente y con seguridad.


Los principales objetivos del diseño del sistema de proceso, entendido como se acaba de describir, son:Facilitar el proceso de fabricaciónMinimizar el manejo de materialesOptimizar el flujo de personalMantener la flexibilidad de la distribución y operaciónMantener un alto volumen de trabajo en procesoControlar la inversión en equipamientoHacer un uso económico del edificioPromover una utilización eficiente de la energíaProporcionar a los empleados confort y seguridad para hacer su

trabajo

CAPITULO 3

Introducción y Generalidades

1.1. Introducción. Los conocimientos que se adquieren en la carrera de Ingeniería en

Alimentos, solo son elementos de los que el Ingeniero se vale para cumplir sus objetivos fundamentales, que son:

♦ El mejoramiento de la eficiencia técnico – productiva de procesos industriales existentes, bien mediante la modificación de sus condiciones de operación, o através de cambios en el equipamiento que conforman la Planta.

♦ Coadyuvar a crear y establecer nuevos procesos y/o nuevas Plantas Industriales, que permitan satisfacer las necesidades crecientes de todo tipo de sociedad.

El Diseño de Plantas, como materia de Ingeniería está relacionado con el segundo objetivo y tiene como finalidad el proporcionar al Ingeniero las herramientas e instrumentos que le permiten participar de una forma directa en el proceso, a través del cual la nueva capacidad productiva es creada.

Por lo tanto, hay que hacerse tres preguntas:

a) ¿ Cómo se llega a crear la nueva capacidad industrial?b) ¿ Cuál es la secuencia de hechos mediante la cual la Planta es

creada?c) ¿ Cuáles problemas pueden obstaculizar esta secuencia y cómo

pueden ser resueltos los mismos? Las respuestas a las preguntas son obtenidas cuando se hace una estructuración armónica, coherente y eficiente acerca del Diseño de la Planta. El camino que se tome, conjuntamente con los conocimientos relacionados sobre la materia, llevarán al éxito de la idea planteada.

El objetivo del diseño de plantas en la industria de alimentos es conseguir la distribución óptima de todas las actividades industriales, incluyendo el

personal, equipamiento, almacenes, sistemas de mantención de materiales, y todos los otros servicios

anexos que sean necesarios.

Esta eficiencia en el ordenamiento se centrará en ladistribución de las áreas de trabajo y del equipo que sea la más económica para llevar a cabo el proceso productivo, al mismo tiempo, que sea la más segura y satisfactoria para el personal y para el entorno de la planta industrial.

1.2. Visión histórica del Diseño de Plantas• El ordenamiento de áreas y locales de trabajo es tan antiguo como el desarrollo

del hombre. Las primeras distribuciones en planta eran producto del hombre que llevaba a cabo el trabajo, o del arquitecto que proyectaba el edificio. Según definió Miguel Ángel: “la arquitectura no es otra cosa que orden, disposición, bella apariencia y proporción de las partes, conveniencia y distribución”.

• A partir del impacto proporcionado por la revolución industrial, hace más de 150

años, se transformó en objetivo económico, para los propietarios de empresas industriales, el estudiar la ordenación de sus fábricas.

• Se dieron cuenta también, de que un área de procesamiento, limpia y ordenada, era una ayuda tangible. Es entonces que en los primeros años del siglo XX, la especialización del trabajo empezó a ser tan útil y necesaria, que el manejo de los materiales comenzó a recibir una atención significativa, en lo referido a movimiento entre dos operaciones.

• Con el tiempo, los propietarios o sus administradores empezaron a crear conjuntos de especialistas para estudiar los problemas de la distribución. Con ellos llegaron los principios y técnicas que hoy en día se conocen.

• Primitivamente solo se tendía a agrupar las máquinas y los procesos similares; a alinear las áreas de trabajo en filas ordenadas, delimitando pasillos y conservándolos limpios; y finalmente, se procuró colocar el material en un extremo del conjunto, haciéndolo circular en dirección al otro extremo de la planta. Ahora se sabe que estos principios eran incompletos, y en algunos casos, contradictorios, por lo que se refiere a la práctica más perfecta de la distribución en planta. En realidad, eran más bien detalles en una situación dada, que principios fundamentales.

• A medida que las condiciones han cambiado, estos principios también se

han modificado, y aún hoy en día el concepto de distribución está evolucionando constantemente. Existen, eso sí, una serie de principios básicos que permanecen inalterables, y que serán tratados en los próximos capítulos del presente libro.

• Dado que el diseño de plantas persigue conseguir la ordenación física de

todos los elementos industriales, se hace necesario la aplicación de una sistemática que permita obtener una distribución en planta óptima.

1.3. Generalidades.1.3.1. Objetivos del Diseño de Plantas Alimentarias. • Dar a conocer la estrategia general que se emplea

para crear nuevas Plantas industriales y en general nuevas capacidades productivas.

• Establecer las dificultades principales que surgen durante el proceso de creación de las nuevas capacidades industriales y sus principales métodos de solución.

• Facilitar la participación directa y activa del personal que tiene relación con todo el proceso de toma de decisiones mediante el cual, surgen las nuevas capacidades de producción.

1.3.2. Etapas en la creación de las nuevas capacidades industriales. Planificación perspectiva del desarrollo industrial. El proceso creativo de nuevas capacidades de producción en la industria de

alimentos es complejo, e involucra las etapas siguientes: a) Definir, tanto cuantitativa como cualitativamente, las necesidades que se

deseen satisfacer. Esta etapa implica: • Determinar la calidad que se requiere en los productos cuyos

consumos se van a cubrir, establecido por un conjunto de factores de orden social y económico.

• Definir las cantidades de productos que serán consumidos en diferentes períodos de tiempo que se analiza.

• Establecer la distribución geográfica de los consumos de los productos en cada año del horizonte de tiempo analizado.

b) Una vez que se conoce, qué se debe producir, cuánto se va a producir y dónde será consumido lo que se va a producir, es necesario plantear las alternativas de solución al problema existente.

c) Selección de variantes o alternativas que de una forma más eficiente, desde el punto de vista técnico-económico resuelve el problema de la satisfacción de las demandas planteadas. La selección de la variante de mayor efectividad involucra:

• Valoración cualitativa de las diferentes variantes de forma tal de eliminar las que son peores, lo que simplificará la realización de los estudios económicos ulteriores para escoger la variante de mayor efectividad, centrando la atención en aspectos tan importantes como:

- Requerimientos especializados.

- Efecto sobre la contaminación ambiental.

- Calidad de la producción terminada.

- Grado de flexibilidad.

• La elaboración de estudios económicos con el objeto de establecer comparativamente la eficiencia económica de las alternativas que no fueron eliminadas durante la valoración cualitativa realizada.

d) Determinada la mejor variante de desarrollo perspectivo, se prepara la documentación necesaria para su estudio y aprobación por parte del personal a cargo.

e) Aprobada la estrategia de desarrollo perspectivo propuesta se inicia el proceso encaminado a materializar en la práctica las obras definidas.

La información que permite diseñar las nuevas capacidades industriales se recoge en

documentos que se conocen con diferentes nombres, las denominaciones más comunes dada por las Empresas especializadas en la ejecución de Proyectos de Inversión son: “tarea de proyección o tarea de inversión”. Para cada nueva capacidad de producción se prepara una tarea de proyección.

El contenido de la Tarea de Proyección es, por lo general: 1º Capacidad de la Planta y nivel de flexibilidad esperado.2º Estructura de la producción.3º Calidad de los productos terminados.4º Ubicación física de la Planta.5º Características de la materia(s) prima(s) a utilizar.6º Características del agua y energía eléctrica disponible para el proceso.7º Información geológica y topográfica del terreno donde se ubicará la Planta.8º Información sobre las condiciones climáticas.9º Vinculación con centros industriales cercanos.10º Información sobre carreteras y otras vías de comunicación cercanas a la instalación que

se piensa construir.11º Métodos para la recepción de materia prima y entrega de productos terminados.12º Información sobre requerimientos de la instalación.

f) Confeccionada la tarea de proyección, se procede al diseño de la nueva capacidad industrial, lo que implica:

• Elaborar los diagramas de flujo, es decir, plantear gráficamente el

ordenamiento de los equipos y procesos que conformarán la Planta, así como su interrelación.

• Seleccionar el equipamiento a emplear.• Desarrollar los balances de materiales y energía del proceso y establecer los

indicadores de consumo.• Dimensionar tecnológicamente el equipamiento de la Planta.• Diseñar el sistema de medición y regulación de la nueva Planta.• Elaborar los proyectos de ingeniería mecánica, civil y eléctrica.• Confeccionar el presupuesto de la obra.• Terminados los proyectos de la nueva Planta, se lleva a cabo su construcción

y montaje.• Por último se ponen en marcha las instalaciones y se ajustan

tecnológicamente, de forma tal que sean capaces de producir a la capacidad proyectada.

La nueva necesidad productiva pudiera resolverse, ampliando la capacidad de producción de Plantas existentes, instalando nuevos centros productores y/o efectuando importaciones de productos.

Algunas preguntas pudieran ser formuladas sobre todo el problema analizado

previamente: • ¿Cómo se conoce cuáles son los niveles hasta los que resulta posible

ampliar la capacidad productiva de los centros fabriles existentes?.• ¿Cómo se determinan las opciones tecnológicas que pueden ser utilizadas

en él o en los nuevos centros productores?.• ¿Cómo se definen los posibles lugares de ubicación del nuevo centro

productor o de los nuevos centros productores? La respuesta a las preguntas obliga a efectuar estudios técnicos preliminares,

que deben ser realizados antes de que se proceda a conformar las distintas alternativas.

1.3.3. Determinación de los niveles de ampliación de la capacidad productiva, alcanzables en los centros fabriles

existentes.

Análisis de las posibilidades de intensificar la producción, motivado por:

a) Inestabilidad en el suministro de la materia prima acompañada por una capacidad de almacenamiento insuficiente.

b) Irregularidades en la demanda del producto terminado, cíclico o estacional, y puede producir paralizaciones de la producción, si existe una capacidad de almacenamiento insuficiente para el producto terminado.

c) Paradas de Planta o reducciones del ritmo productivo.d) Deficiencias en los sistemas de medición y regulación del proceso.e) Tiempos de mantenimiento del proceso excesivamente grandes por problemas de

carácter organizativo.f) Limitaciones de carácter tecnológico.g) Deficiencias en la organización de la producción.

• La intensificación de la capacidad de producción instalada da lugar primeramente a la realización de un estudio que abarcaría los aspectos siguientes:

- Análisis estadístico del nivel de producción de la fábrica, al año, por día o por hora, según esté estipulado.

- Análisis tecnológico de las desviaciones que existan de la capacidad real alcanzable en la Planta, en relación con la capacidad estipulada en el diseño, con el objetivo de definir cuáles son los equipos que limitan tecnológicamente la misma.

- Determinación de tiempos de parada por imprevistos y sus causas. Cálculos de las pérdidas de producción asociadas.

- Determinación de los tiempos con producciones por debajo de la capacidad instalada y sus causas. Cálculo de las pérdidas

de producción por este concepto.

- Análisis de los tiempos empleados para la realización de los mantenimientos planificados.

- Determinación de las soluciones para la restauración de las capacidades de diseño anual de la Planta, entre las que pueden encontrarse:

♦ Ampliación de capacidades de almacenamiento.♦ Sustitución de equipos tecnológicos.♦ Instalación de equipos en paralelo a los existentes.♦ Mejoramiento de la organización de la producción y el

mantenimiento.

1.3.3.1. Ampliación de la capacidad de la planta

Lograda la utilización plena y eficiente de la capacidad instalada, la misma puede ampliarse a niveles superiores, existiendo al respecto diferentes alternativas. La determinación de las alternativas de ampliación de la capacidad instalada, trae aparejado la realización de un estudio que debe ajustarse a los aspectos que se señalan a continuación:

1ºDeterminación de las limitaciones tecnológicas en los procesos productivos.

2ºElaboración de las variantes de ampliación de la capacidad de producción. Estas variantes se plantean mediante el estudio cuidadoso de las opciones siguientes:

a) La sustitución de equipos existentes por otros de mayor capacidad.

b) Modificación de equipos existentes.

c) Adición de nuevos equipos.

d) La modificación del régimen operacional.

e) La construcción de nuevas líneas de producción.

3º Tamizado de las variantes planteadas. Los factores que deberán ser estudiados son los siguientes:

- Efecto de la ampliación sobre la calidad de la producción terminada.

- Efecto de la ampliación sobre los servicios auxiliares. Este implica:

- Servicio de generación de vapor. - Facilidades de suministro de agua de enfriamiento y proceso. - Sistema de suministro de energía eléctrica. - Sistema de abastecimiento de combustible. - Sistema de suministro de aire.

- Requerimiento de las facilidades generales de la Planta. - Modificaciones requeridas en los sistemas de recepción de materia prima y materiales de la

producción y posibilidades de realización. - Cambios necesarios en facilidades de trasiego de productos intermedios y de entrega de la

producción terminada. - Aumentos exigidos en las capacidades de almacenamiento y posibilidades de satisfacer los

mismos. - Modificaciones en talleres, laboratorios, etc.

- Exigencia para la eliminación de la contaminación ambiental.

1.3.4. Selección de las tecnologías para los centros de producción. La determinación de las opciones precede mediante la

aplicación de determinados criterios:

• Estructura de producción.• Calidad de la producción terminada.• Grado de flexibilidad.• Efecto sobre contaminación ambiental.• Efectividad técnico – económica.• Requerimientos especializados.

1.3.5. Selección de los posibles lugares deubicación de los nuevos centros productores.

1º Selección preliminar de los posibles puntos de ubicación utilizando la información disponible sobre los aspectos siguientes:

a) Parámetros técnicos de los nuevos centros productores, tales como: requerimiento de área, agua, nivel de aporte a contaminación ambiental, requerimiento de fuerza de trabajo, etc.

b) Características de los lugares de ubicación, siendo las más importantes:• Existencia de terreno apropiado.• Cercanías a fuentes de suministro de materia prima.• Distancia del lugar a las zonas de consumo.• Accesibilidad del lugar, es decir, existencia de vías de

comunicaciones, etc.• Disponibilidad de agua y electricidad.• Disponibilidad de fuerza de trabajo.• Nivel de contaminación ambiental de la zona.

2º Hacer tamizado de las proposiciones originales elaboradas, para lo que es necesario:

• Visitas a distintos organismos que puedan suministrar datos o informaciones sobre los posibles lugares de ubicación, así como opiniones que puedan conducir a la eliminación de algunas de las variantes propuestas.

• Visitar los lugares previamente seleccionados con el fin de obtener criterios sobre las posibilidades reales de los mismos.

• 3º Compatibilización de las variantes concebidas con los requerimientos técnicos específicos, tales como: tipo y carga de las construcciones, exigencia de desechos de residuales, normas de seguridad, etc.

1.3.6. Obstáculos principales en la creación de la nueva capacidad industrial.

• A. Elaboración de variantes.• B. La necesidad de optimizar.• C. La dificultad en la ponderación de los

factores que inciden en el proceso de creación de las nuevas capacidades de producción.

1.3.6.1. El problema de la elaboración de las variantesEsta es la primera dificultad. La calidad de la solución a un problema primitivo

cualquiera depende del planteamiento adecuado de sus posibles variantes de

solución

“ de nada sirve el mejor análisis económico si se excluyen del mismo variantes que por su naturaleza pueden resolver el problema primitivo de una forma más eficaz que cualquiera de las alternativas sometidas al criterio económico”.

El papel fundamental lo desempeña la capacidad analítica, el poder creador y la experiencia de los profesionales que intervienen en la elaboración de las variantes: Un examen detallado de las circunstancias y factores que afectan el problema, una evaluación profunda de sus antecedentes, “un examen exhaustivo de la literatura técnica existente y capacidad imaginativa, son los recursos fundamentales a emplear”.

1.3.6.2. La necesidad de optimizar

La optimización en la solución de un problema surge por la necesidad de minimizar recursos y esfuerzos y esta se hace patente cuando se procede a diseñar tecnológicamente un proceso. La optimización tecnológica da lugar a: • La elaboración de un modelo matemático del equipo o unidad del

proceso que se vaya a optimizar.• La organización de la información matemática de una forma

adecuada, de tal manera que la computación del problema resulte fácil.

• La selección de un criterio de efectividad o criterio a optimizar, el cual puede ser un parámetro económico o cualquier parámetro físico del equipo o unidad.

• La optimización del criterio de efectividad seleccionado, empleando técnicas matemáticas especiales de optimización.

1.3.6.3. Dificultades en la ponderación de los factores que inciden en el proceso de creación de las nuevas

capacidades de producción.

Aunque al realizar una proyección de lo que resulta más conveniente hacer para resolver un problema primitivo, se emplea el conocimiento existente sobre las leyes del desarrollo económico y cuando al proyectar físicamente una nueva Planta se ponen en juego todos los conocimientos existentes que gobiernan el comportamiento de los procesos tecnológicos de producción, es necesario señalar que este conocimiento siempre será: Imperfecto; no acabado y reflejará la realidad de una forma aproximada.

Existen factores cuya influencia no es capaz de poderse predecir cuando se está en la concepción, construcción y puesta en marcha de una industria de alimentos, aún cuando se tengan los suficientes conocimientos respecto al tema.Independientemente de que sea completamente conocida la instalación en su conjunto como obra civil e infraestructura y que el equipo de especialistas posea una trayectoria relacionada con este tipo de industrias,pueden ocurrir desviaciones de las predicciones y en cierta forma afectar la calidad del pronóstico.

diseño de plantas cap iii 2012

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