Optimización de Procesos Industriales: Etapas, Diagramas y Balance de Materia

PROCESO INDUSTRIAL

Es una secuencia de actividades mediante la cual se producen bienes y servicios.
-La materia prima, que puede o no cambiar de estado físico en el proceso, es transferida, medida, mezclada, calentada, enfriada, filtrada, almacenada o manipulada de alguna manera para producir el producto final.

Las materias primas son transportadas hasta las fábricas, donde son transformadas en productos terminados, con el fin de satisfacer las necesidades de los clientes. Las personas siguen necesitando nuevos productos, por lo tanto, otras materias primas son transformadas en otros productos.

Ingeniería de Procesos

Herramientas o Técnicas de Aplicación

• Los procesos industriales son constituidos por las operaciones unitarias de la ingeniería.
• Las operaciones unitarias se realizan en diferentes equipos: reactores, bombas, separadores, mezcladores, etc.
• Existe un número limitado de operaciones unitarias.

Restricciones o Funciones Objetivo

• Maximizar la producción.
• Minimizar los costos.
• Maximizar la calidad.
• Maximizar la seguridad.
• Minimizar los impactos ambientales.
• Minimizar el uso de los recursos.

-Proceso: conjunto o secuencia de operaciones unitarias que modifican una materia prima para transformarla en un producto comercial o insumo.

-Operación unitaria: etapa de un proceso, donde se realiza una modificación específica de una corriente.

Diagrama de bloques: esquema simplificado del proceso donde se representan las principales etapas.

Diagrama de flujos

Representación esquemática del proceso, donde se ilustran sus características esenciales:

• Secuencia en que ocurren las operaciones unitarias.
• Equipos utilizados para realizar cada operación.
• Flujos de materia y energía.

ETAPAS EN LA INGENIERÍA DE PROCESOS

SÍNTESIS (diseño)

Definir entradas y salidas de un sistema (características de las materias primas y productos deseados y estipular la estructura del proceso que se requiere para llevar a cabo la transformación deseada).

ANÁLISIS (simulación)

Definir las entradas o materias primas y el diagrama de flujo del proceso para indagar las salidas que se pueden obtener.

Optimización

Se plantea una función objetivo, que trata de minimizar algún tipo de entradas o costos del proceso, o bien de maximizar algún tipo de salidas o beneficios del proceso, para en función de este objetivo obtener las mejores variables de diseño.

Etapas del diagrama de flujo

1. Definir las reacciones involucradas.
2. Establecer la distribución de especies.
3. Diseñar los sistemas de separación.
4. Diseñar los sistemas con integración de energía.
5. Incorporar criterios de seguridad de proceso.
6. Analizar los aspectos ecológicos pertinentes.

Proceso continuo

• Alta producción.
• Un único producto.
• No existen severas limitaciones.
• Buen periodo de vida del catalizador.
• El proceso es conocido.
• Mercado establecido.

Proceso Batch

• Producciones bajas.
• Especificaciones del producto.
• Severas limitaciones.
• Corto periodo de vida del catalizador.
• El producto es nuevo.
• Incertidumbre en el diseño.

Sistema termodinámico

Conjunto de elementos que interactúan entre sí, y pueden interactuar con su exterior. Tiene muy bien definida su frontera.

(Cantidad de materia o región del espacio elegida para estudio)

-Frontera: límites del sistema, que pueden ser fijos o móviles.

-Medio, alrededores o entorno: Masa o región fuera del sistema.

Sistemas Abiertos

Existe intercambio de materia y energía con el exterior. Ejemplo: automóvil (entra combustible, aire, salen gases de escape, energía, otros).

Sistemas Cerrados

Existe solo intercambio de energía con el exterior. No hay intercambio de masa. A su vez se pueden dividir en:

Sistemas No Aislados

Solo intercambio energético con el exterior. Ejemplo: el equipo de frío de un refrigerador doméstico.

Sistemas Aislados

No hay intercambio ni de masa ni de energía con el exterior. Ejemplo: termo cerrado ⇒ sistema adiabático. (En la práctica estos sistemas son una abstracción cómoda para analizar situaciones).

Un balance de materia (B.M)

de un proceso es una contabilidad exacta de todos los materiales que entran, salen, se acumulan o se agotan en un intervalo de tiempo dado. ETAPAS:

1. Hacer diagrama simple del proceso. Diagrama de bloques que muestran la corriente de entrada con flecha apuntando hacia adentro y la corriente de salida con flecha apuntando hacia afuera. Incluir en cada flecha, composiciones, cantidades, temperaturas y otros detalles de la corriente.
2. Escribir las ecuaciones químicas involucradas si es necesario.
3. Seleccionar una base para el cálculo.
4. Proceder al balance de materiales que puede ser un balance total o un balance por cada componente.

La estequiometría es el estudio cuantitativo de reactivos y productos en una reacción química.