PROCESOS INDUSTRIALES

Escuela Profesional de Ingeniería Industrial

M.Sc. Jaime Muñoz Portugal

PROCESOS INDUSTRIALES

Ingeniería química = Estudio y diseño de procesos industriales que producen cambios físicos, químicos o bioquímicos en los materiales

Operación unitaria Es una etapa del proceso habilitada con el

equipo adecuado, donde se incorporan materiales, insumos o materias primas y ocurre un cambio físico o reacción química, operaciones que son acciones básicas que forman parte del proceso.

Ejemplo: La saponificación para producir jabones, el blanqueo en la industria del papel, o la destilación fraccionada en la industria del petróleo para producir combustibles.

PROCESOS Y OPERACIONES UNITARIAS

No sería una decisión intelectual correcta el tratar de estudiar el número casi infinito de procesos industriales que se llevan a cabo en la industria química, metalúrgica y farmaceútica diariamente, lo cual sería impracticable, si no hubiera operaciones de proceso comunes a todos ellos. Lo cual es una ventaja.

El diseño de un proceso industrial consta de operaciones físicas y químicas que se llevan a cabo en forma secuencial ordenada dentro de una empresa industrial, en algunos casos son específicas del proceso considerado, pero en otros, son operaciones comunes a varios procesos, pero que requieren de diferentes insumos para su ejecución.

Un proceso industrial consta de los siguientes items que presentados ordenadamente guardan la siguiente secuencia:

1.- Materias Primas 2.- Operaciones físicas de acondicionamiento 3.- Reacciones químicas 4.- Operaciones físicas de acabado 5.- Productos

Cada una de estos items requiere de un control específico, de ejecución y de calidad

Todo proceso industrial consta de una serie secuencial de etapas que reciben el nombre de OPERACIONES UNITARIAS, como humidificación, evaporación, extracción por solventes, absorción, transporte de fluidos, refrigeración, pasteurización, secado, sedimentación, cristalización, filtración, destilación.

O. U O. U O. U O. U

Materia prima producto

Proceso unitario

Ingeniería Industrial = Estudio y diseño de sistemas integrados por recursos humanos, tecnología, energía y materiales en la producción de bienes y servicios

En el campo industrial nuestro, generalmente los ingenieros industriales saben de sistemas informáticos o trabajan junto con ingenieros de sistemas, ingenieros químicos, e ingenieros mecánicos - eléctricos de mantenimiento principalmente. Puede que haya otras disciplinas de la ingeniería con las cuales interactuar.

Todo proceso industrial implica dentro de su ejecución, generalmente una operación de reacción química o proceso unitario; y/o operaciones de cambios de estado de agregación, es decir operaciones que implican cambios en las propiedades físicas de estado: reducción de tamaño, cristalización, destilación, etc.

Proceso automatizado implica operaciones de ejecución controlada por cerebros electrónicos programables

Proceso

Es una secuencia de actividades que tienen un inicio y un final, donde hay entradas y salidas, Acciones o eventos organizados interrelacionados, orientados a obtener un resultado específico y predeterminado, como consecuencia del valor agregado que aporta cada una de las fases que se llevan a cabo en las diferentes etapas

La materia prima, que puede o no cambiar de estado físico durante el proceso, es transferida, medida, mezclada, calentada, enfriada, filtrada, almacenada o manipulada de alguna manera para producir el producto final

PROCESO: Conjunto de las fases sucesivas de un fenómeno natural o de una operación artificial

PROCESO INDUSTRIAL: Conjunto de etapas que siguen una secuencia lógica con el fin de transformar los insumos y materia prima en producto acabado

FÁBRICA : Es el lugar físico donde se integran los recursos energéticos, tecnológicos, humanos y financieros para convertir la materia prima en producto. La disposición de este lugar obedece a una lógica que sigue el curso de la producción establecido en un diagrama de flujo que determinan la disposición de las maquinas y equipos industriales, y la distribución óptima de materias primas y productos.

PROCESO

Un proceso está constituido por:

Equipos de proceso, instrumentos de control, máquinas y herramientas; software y hardware.

Logística de abastecimiento, selección de proveedores, qué se recibe; de dónde y de quién.

Instrucciones de Trabajo. Métodos ó procedimientos de mantenimiento,

calibración y control. Recursos humanos: destrezas; experiencia. Fuerza Ventas; cómo, cuándo; a quién se entrega. Medición de objetivos y metas de calidad,

seguridad, resultados y rendimientos.

PROCESO INDUSTRIAL Un proceso de fabricación, también denominado proceso

industrial, de manufactura o de producción:

Es el conjunto de operaciones necesarias para modificar las características de las materias primas que pueden ser de naturaleza muy variada tales como su tamaño, geometría o forma, fisicoquímicas como la densidad, peso específico, viscosidad, y estructurales como su composición química, en un producto con mayor valor agregado y con un valor de uso para el consumidor, producto que cumple con tener propiedades y especificaciones de calidad referidas en una Norma Técnica Nacional o en todo caso de empresa o internacional.

Operaciones que se realizan en el ámbito de la industria

CLASIFICACIÓN DE LOS PROCESOS INDUSTRIALES

I) PROCESOS MECÁNICOS

• Proceso de fundición y moldeo

• Proceso de soldadura • Proceso de mecanizado • Mecanizados especiales • Conformados de

superficies • Tratamientos térmicos • Tratamientos de

superficies

II) PROCESOS QUÍMICOS

• Industrias extractivas • Industria química y

petroquímica • Industria textil • Industria alimentaria • Industria manufacturera

con armado en línea • Industria de la madera • Industria del plástico y

resinas

DESDE EL PUNTO DE VISTA DEL TIPO DE REACTOR:

Los procesos pueden clasificarse como

1.- Intermitentes o por lotes (Bach )

2.- Continuos 3.- Semi-continuos

Clasificación de los procesos químico industriales

Tipos de procesos industriales

Procesos en la industria del refinación del petróleo Procesos en la industria del hierro y el acero Procesos en la industria de minerales no metálicos Procesos en la industria química inorgánica Procesos en la industria química orgánica Procesos en los sectores agroindustriales: papel,

madera, alimentos de mayor valor agregado Procesos en la industria de plásticos Procesos en la industria del cuero Procesos en la industria textil

PROCESO INDUSTRIAL

Representación gráfica del curso de la producción o fabricación de un producto indicando la secuencia de etapas que lo componen, identificándolas de acuerdo a su función e indicando las líneas de interacción entre ellas.

DIAGRAMA DE FLUJO

Diagrama de Flujo de la Elaboración de Conservas y Congelados Vegetales

CONTROL Y SELECCION DE MATERIA PRIMA

PESADO

CLASE DEGALLETA

GALLETA DULCEGALLETA WAFER

AMASADO

FERMENTADO

LAMINADO

CORTADO

HORNEADO

ENFRIADO

PREPARACION PASTAPREPARACION CREMA

HORNEADO

OBLEAENCREMADO

ENFRIADO

CORTADO

APILADO

DIAGRAMA DE FLUJO DEL PROCESO DE FABRICACION DE GALLETAS

GRANEL ACOMODADO EMPAQUETADO

GALLETA SALADA

FABRICACION DE LEVADURA

Control de Procesos El controlar un proceso, se refiere a como se controlan

las variables inherentes al mismo para:

Reducir la variabilidad de propiedades del producto final Incrementar la eficiencia Reducir el impacto ambiental Mantener el proceso dentro de los límites de calidad y

seguridad que corresponda

Para ello, se requiere de instrumentos de control, que van de los más simples y manuales, otros son semi automáticos, hasta un control automatizado de proceso completo.

MATERIALES DE ENTRADA DE UN PROCESO INDUSTRIAL

Toda industria consiste en un proceso de transformación de unos materiales en otros de mayor utilidad, lo cual está representado económicamente con lo que se conoce como valor agregado.

Materiales que ingresan al proceso Materias primas Materiales secundarios Materiales auxiliares

Productos finales Sub productos o productos secundarios Productos residuales Productos de desecho

MATERIALES DE SALIDA DE UN PROCESO INDUSTRIAL

DIAGRAMACIÓN DE PROCESOS INDUSTRIALES

La diagramación es la representación gráfica de un proceso de producción, y consiste en representar gráficamente la secuencia de ejecución de operaciones hasta obtener el producto acabado, en lo que se denomina flow sheet o diagrama de flujo o flujograma; para lo cual existen normas de simbología y de datos, que en algunos casos varían de acuerdo a la normatividad y grado de desarrollo industrial de cada país. Sin embargo existe un consenso internacional que no hay que dejar de lado en la diagramación de procesos industriales de producción de bienes básicos tradicionales

ESQUEMAS PARA DIAGRAMAS DE FLUJO

PROCESO DE REFINACIÓN DEL AZÚCAR

PROCESO DE PRODUCCIÓN DEL CEMENTO

PROCESO DE PRODUCCIÓN DEL AMONIACO

PROCESO DE PRODUCCIÓN DE CHOCLATE

Proceso de Producción de Cobre

PLANTA CONCENTRADORA

PROCESO HIDROMETALURGICO

PROCESO SIDERURGICO

OPERACIONES UNITARIAS DE REACCIÓN QUIMICA

La oxidación es una reacción química que produce la transformación de un cuerpo en otro conocido como óxido , esto como consecuencia de la acción de oxígeno o de un oxidante como el permanganato de potasio o el bicromato de potasio

Existen diferentes tipos de oxidación de acuerdo al medio circundante al material, puede haber oxidación atmosférica, oxidación marina, etc.

OXIDACIÓN

La Combustión es una reacción química de oxidación rápida que va acompañada de desprendimiento de energía bajo en forma de calor y luz. Para que éste proceso se dé, es necesario la presencia de un combustible, un comburente y calor. El material que es capaz de arder y se combina con el oxígeno, se conoce como combustible. El más utilizado en la industria es el Diesel - 2

COMBUSTIÓN

El horneado es el proceso de cocción  a base de calor seco transferido por aire previamente calentado por sistemas eléctricos o quemadores de combustible, esta operación se realiza en un horno, y consiste en someter a un material a la acción del calor sin mediación de ningún elemento líquido

Los hornos industriales difieren de acuerdo al producto a fabricar. Los hay en la industria de alimentos como en la industria metalúrgica.

HORNEADO

La hidrogenación es un tipo de reacción química (redox) cuyo resultado final visible es la adición de hidrógeno (H2) a otro compuesto

En la industria de los aceites vegetales, la hidrogenación es un proceso químico mediante el cual los aceites se transforman en grasas sólidas mediante la adición de hidrógeno a altas presiones y temperaturas, y en presencia de un catalizador.

HIDROGENACIÓN

La saponificación es una reacción química por la cual un ácido graso: palmítico, esteárico, margárico u oleico unido a un álcali y agua, da como resultado jabón y glicerina.

SAPONIFICACIÓN

Proceso mediante el cual las moléculas simples, iguales o diferentes, reaccionan entre sí por adición o condensación y forman otras moléculas de peso doble, triple, etc.

La polimerización es un proceso químico por el que los reactivos, monómeros (compuestos de bajo peso molecular) se agrupan químicamente entre sí, dando lugar a una molécula de gran peso, llamada polímero, o bien una cadena lineal  que generalmente es de carbonos. O en una macromolécula

Los polímeros son de una importancia enorme en nuestra sociedad actual. Sería un campo de especialización importante para el ingeniero industrial

POLIMERIZACIÓN

La fermentación es un proceso de tipo catabólico, es decir, de transformación de moléculas complejas, en moléculas simples, dentro del metabolismo. Así la fermentación es un proceso catabólico de oxidación que tiene lugar de forma incompleta, siendo además un proceso totalmente anaeróbico (sin presencia de oxígeno), dando como producto final un compuesto de tipo orgánico, el cual caracteriza por lo general, a los distintos tipos de fermentaciones existentes, pudiendo así realizar una clasificación y una diferenciación

FERMENTACIÓN

CÁLCULOS DE INGENIERÍA

Dado que el campo de acción del ingeniero industrial se ha incrementado en los últimos años con el surgimiento de nuevas tecnologías como la biotecnología y bioingeniería, ciencia e ingeniería de materiales, ingeniería del medio ambiente, y otros. Cada una de ellas presenta aspectos particulares, pero una de las semejanzas es que todos los sistemas implicados en ellas se refieren a procesos diseñados para transformar materia prima en un producto determinado

Muchos de los problemas que surgen en relación con el diseño de nuevos procesos o el análisis de procesos existentes son del siguiente tipo:

“ dadas las cantidades y las propiedades de la materia prima, calcule las cantidades y las propiedades de los productos o viceversa “

OBJETIVO El objetivo es aplicar un método

sistemático para resolver problemas del tipo señalado. La técnica requiere identificar y expresar correctamente las variables del sistema y plantear y resolver las ecuaciones que relacionan dichas variables. Para ello requerimos:

Un buen manejo del Sistema Internacional Conocimiento de las propiedades físicas y

químicas: variables de proceso en un sistema determinado y su uso dimensionalmente correcto en el planteo de ecuaciones

SISTEMA INTERNACIONAL DE UNIDADES

Análisis Dimensional Parte de la Física que estudia la forma

en que se relacionan las magnitudes derivadas con las fundamentales

Fines del análisis dimensional Se utiliza para expresar las magnitudes

derivadas en función de las fundamentales

Sirve para comprobar la veracidad de las fórmulas físicas

Sirve para deducir fórmulas a partir de datos experimentales

Ecuación Dimensional Es una expresión matemática que

relaciona magnitudes derivadas puestas estas en función de su equivalente en magnitudes fundamentales estableciendo una igualdad dimensional.

Principio de Homogeneidad En toda fórmula física se debe cumplir

que cada uno de sus términos separados por signos de suma y resta deben tener las mismas dimensiones

NOTA: Los números, los ángulos, los

logaritmos y las funciones trigonométricas, no tienen dimensiones ,en el análisis dimensional tienen el valor de 1

VARIABLES DE PROCESO Presión La presión se define como la relación de

la fuerza ejercida sobre el área de un sistema material

La unidad SI de presión es el Pascal = Newton / m2

La presión en un fluido se transmite por igual en todas las direcciones del mismo

La presión hidrostática ejercida sobre un punto en el interior de un fluido equivale a P = ρ g h ρ = Densidad g = gravedad h = altura

La presión absoluta de un sistema se expresa como P abs = P man + P atm

Temperatura Es una medida que esta relacionada

con la energía cinética de las moléculas de un sistema.

La gradiente de temperatura puede definirse como la fuerza motriz que produce transferencia de calor entre dos sistemas

01/05/2023 69

Comparación de escala ºC y ºK

01/05/2023 70

Escalas de Temperatura

273CK 0

1.8KR

321.8TF0

Incrementos de Temperatura

CK 0

FR 0

C8.1F 0

460FR 0

VARIABLES DE PROCESO Volumen específico Es el volumen por unidad de masa. Es el

recíproco de la densidad. v = 1/ρ = V/m    (m³/kg, ft³/lbm) Densidad

Es la relación entre la masa de un cuerpo y su volumen. Se simboliza con la letra del alfabeto griego ro

ρ = m / V = masa / Volumen    (kg/m³, lbm/ft³)

Densidad relativa o Gravedad Específica

La densidad relativa o aparente expresa la relación entre la densidad de una sustancia y una densidad de referencia, resultando una magnitud adimensional y, por tanto, sin unidades

Escala Baumé Se utiliza para líquidos más ligeros y

más pesados que el agua. Para más ligeros que el agua:

Para más pesados que el agua:

Escala API Es la escala adoptada por el Instituto

Americano del Petróleo para expresar la densidad de productos derivados del petróleo. Teniendo en cuenta que la mayoría de éstos productos son más ligeros que el agua existe sólo la siguiente expresión:

Peso específico

Es la relación entre el peso de un cuerpo y su volumen. Se simboliza con la letra del alfabeto griego gamma "γ".

γ = ρ . g = densidad . gravedad    ( N/m³, lbf/ft³ )

Peso específico relativo Es la relación entre el peso específico

de un cuerpo y el peso específico del agua para el caso de líquidos y sólidos.

Viscosidad

Los líquidos se caracterizan por una resistencia al flujo llamada viscosidad. La viscosidad de un líquido crece al aumentar el número de moles y disminuye al crecer la temperatura. La viscosidad también está relacionada con la complejidad de las moléculas que constituyen el líquido: es baja en los gases inertes licuados y alta en los aceites pesados. Es una propiedad característica de todo fluido (líquidos o gases). La viscosidad es una medida de la resistencia al desplazamiento de un fluido cuando existe una diferencia de presión.

La expresión matemática de la viscosidad es

Donde : µ es la viscosidad Tensión cortante o esfuerzo cortante ז v Velocidad del fluido y longitud en una dirección o eje

FLUJO MÁSICO Al movimiento de material o masa de

un punto a otro se le denomina flujo Se denomina flujo másico ( m ) a la

masa transportada en la unidad de tiempo

Flujo másico = masa / tiempo El flujo másico en condiciones estables

es el mismo en todos los puntos de un ducto o tubería y puede calcularse a partir de la ecuación: m = v A ρ

FLUJO VOLUMÉTRICO Al volumen transportado en la unidad

de tiempo se le denomina flujo volumétrico

Flujo volumétrico = volumen / tiempo

Flujo másico = Flujo volumétrico x Densidad

Variables de Composición Porcentaje en peso. El porcentaje en peso de cada

componente se obtiene dividiendo su peso respectivo por el peso total del sistema y multiplicando por 100

Se utiliza generalmente para expresar la composición de mezclas de sólidos y líquidos. En general no se emplea para mezclas de gases.

Porcentaje en Volumen El tanto por ciento en volumen de cada

componente se obtiene dividiendo su volumen individual por el volumen total de sistema y multiplicando por 100.

Se utiliza para expresar la composición de mezclas de gases.

Fracción molar Si el sistema es una mezcla de varias

sustancias, siendo “i” una de ellas; el número de moles de "i" dividido por el número total de moles de la mezcla es la fracción molar de "i"

Peso Molecular Promedio ó Masa Molecular Media

Es equivalente a la suma de los productos de cada una de las fracciones moleculares de cada sustancia por su peso molecular correspondiente.

Concentración Es una medida de la cantidad de soluto

disuelto en un volumen de solución Molaridad (M) = g-mol de soluto/lt de

solución Molalidad (m) = g-mol de soluto/kg de

solvente Normalidad (N) = equivalente-g de

soluto/lt soluc

BASE DE CALCULO ( B.C. ) Normalmente, todos los cálculos

relacionados con un problema dado se establecen con respecto a una cantidad específica de una de las corrientes de materiales que entran o salen del proceso. Esta cantidad de materia se designa como base de cálculo y se deberá establecer específicamente como primera etapa en la solución del problema. Con frecuencia el planteamiento del problema lleva consigo la base de cálculo.

Cuando se conoce la composición en peso de una mezcla se recomienda tomar una base de 100 unidades de masa o peso, ejemplo: 100 g, 100 kg, 100 lb. Si por el contrario se conoce la composición molar de la mezcla, la recomendación es tomar 100 unidades molares de la mezcla, ejemplo: 100 g-mol, 100 kg-mol, 100 lbmol.

Se dice que un material es húmedo cuando el agua es uno de sus componentes

BASE HUMEDA Cuando la composición de un sistema

incluye al agua se dice que está en base húmeda

BASE SECA Cuando en la composición se excluye el

agua (aún estando presente), se dice que está en base seca

En algunas operaciones, especialmente en el secado de sólidos, se acostumbra a expresar el contenido de humedad por unidad de peso de sólido seco o por unidad de peso de sólido húmedo. A ésta modalidad multiplicada por 100 se le denomina porcentaje de humedad en base seca y en base húmeda respectivamente.

En el caso de algunas mezclas gaseosas, la composición está dada sin tener en cuenta uno de los componentes. En éste caso, dicho componente no aparece en los porcentajes, aunque sí está presente en la mezcla y se dice que la composición es libre de un componente