TEMA 5 Etapas EN EL Diseño DE Plantas Industriales PDF

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Profesora: Maria de la Menta Ballesteros...

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Introducción Fases del desarrollo del diseño Distribución de la planta Ubicación de la planta Análisis económico

1. INTR INTRODU ODU ODUCCIÓ CCIÓ CCIÓN N El diseño de procesos se inicia con la concepción del proceso de fabricación de productos competitivos en calidad y coste aceptables por la demanda. Hay procesos biotecnológicos que no son rentables, por eso no llegan a escala industrial, como las microalgas. Por eso al diseñar un proyecto se debe pensar en el potencial económico y los gastos. Después se lleva a cabo un estudio preliminar de las operaciones básicas que requieren la transformación de las materias primas necesarias en productos acabados (síntesis del proceso). Esta etapa conduce a varias alternativas que serán analizadas hasta obtener el diagrama de flujo final del proceso después de una optimización. Programa Visio de Microsoft Office, para hacer el diagrama de flujo completo, que debe hacerlo cualquier persona que quiera diseñar una industria completa. La etapa final consiste en el diseño del equipo de proceso, su interconexión, instrumentación y servicios auxiliares (ingeniería del detalle). Ej: planos, válvulas, etc. El diseño de procesos continuos y discontinuos se lleva a cabo mediante simulación integrando todos los elementos que requiere el proceso de fabricación (ingeniería de proceso) junto a un adecuado sistema de dimensionado (ingeniería de diseño) de tales elementos para producir el diagrama de flujo del proceso deseado. Es decir, que hay que saber el tamaño de los equipos principales: tanques, centrífugas… Cualquier buen diseño debe tener en cuenta simultáneamente los siguientes factores clave:  

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Aceptación de una amplia variedad de materias primas. Si usamos un suero o material lignocelulósico deberíamos explorar distintas posibilidades, valorar cual conviene más. Previsión de ampliación a nuevos productos o variantes. Si queremos hacer zumo y no hay naranjas, ese tiempo se dedica a hacer zumos de otras cosas u otros productos. Son flexibles a la entrada de materia prima, porque esta tiene cierta estacionalidad. Sobre todo en alimentación, las fábricas que triunfan son las que son flexibles. Igual ejemplo con las cremas solares de las farmacéuticas en invierno. Deben tener una variedad de productos si hay limitación estacional. Hay que tenerlo especialmente en cuenta si el perfil de demanda es variable, y este problema lo tienen todas las industrias, porque pueden comprar más o menos en distintos tiempos. Integración energética. Si usamos alguna corriente de agua para refrigerar, el agua que sale caliente la podemos reutilizar para otra cosa. El residuo secundario también podríamos buscarle alguna salida. Buscar todas las formas posibles de disminuir el coste energético. Alto grado de automatización Previsión de perfiles de demanda variable (incierta), Flexibilidad en las operaciones de la planta. Hace referencia a la flexibilidad de los equipos. Si estamos limitados por una centrífuga, que tienen cierto tamaño, pueden no haber más, por lo que tendrías que comprar dos. Si se fastidia un biorreactor puedes tener otro diferente de repuesto.

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Minimización de residuos y emisiones que cumplan la legislación medioambiental. Mirar límites de vertidos para la producción de fármacos. Si se superan habría que hacer una depuradora industrial con fango activo para depurar los residuos. Evaluación de riesgos y estrategias de control de calidad. Todas las industrias tienen que pasar controles de calidad. Plantas tipo multiplanta (las biotecnólogas): son flexibles en cuanto a los productos que producen y trabajan en discontinuo. Es muy difícil meter una industria biotec en continuo.

Tendencias actuales favorecen el diseño de plantas flexibles de carácter discontinuo o de tipo multiplanta.

2. FASE FASESS DE DELL DE DESARRO SARRO SARROLLO LLO DEL DISE DISEÑO ÑO -

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Etapa de investigación. Nuevos productos o rutas de síntesis. Leer, ver cómo está el estado del arte. Lo primero es gastar mucho dinero en investigación. Si hay una síntesis orgánica, se investigará en la ruta de síntesis, para acortarla al mínimo. O producción de un nuevo producto (licor de naranja fermentado). Alternativas y mejoras a nuestro proceso. Etapa de desarrollo. Solventar problemas de escalado, esquemas de purificación y recuperación: escala industrial segura y rentable. Ya estamos pasando a una escala piloto, es lo siguiente que tenemos que hacer cuando pasamos del nivel de Laboratorio. SI no la haces no sabes si va a funcionar a nivel industrial. El escalado final da lugar a la Etapa de diseño. Diseño detallado de la ingeniería de proceso y del equipo necesario. Su tamaño depende, pero es ya grandecito, depende del producto y cómo se produzca este. Aparecen problemas que no estaban a nivel de laboratorio y que no habíamos tenido en cuenta. Muchas industrias pinchan aquí. Problemas de purificación también. Hay que plantearse volver a la etapa de investigación, cambiar el medio de cultivo, etc.

Diseño y dimensionamiento de los componentes de la planta de proceso para que sean de la capacidad y superficie adecuadas. Se diseña cada equipo y sus conexiones con el fin de asegurar que soporten las condiciones de operación. También se producen planos detallados y se negocia con los fabricantes. -e monta el plano y la planta. A la entrega de los materiales se construye la planta y se pone en marcha.

3. TOM TOMA AD DE E DEC DECISIO ISIO ISIONES NES Es necesario realizar una evaluación preliminar del diseño provisional basado en datos correctos aunque incompletos. Hay que ver qué áreas del problema de diseño quedan por resolver. Para todo esto se hace la simulación del proceso. Debe incluirse un sistema de control para la operación manual y examinar los requerimientos de puesta en marcha de la planta. También hay que estudiar qué materiales representan un coste elevado y evaluar los efectos de las corrientes de reciclado. El dimensionando de equipos se lleva a cabo mediante procedimientos abreviados (short-cut) tales como los proporcionados por los simuladores comerciales (Aspen Plus, Hysys, etc.). La característica más importante del diseño del proceso es que este debe funcionar. Debe mantener el nivel de producción deseado de forma satisfactoria. El diseño debe ser flexible para producir los materiales según las especificaciones ya que la planta no opera nunca según las condiciones exactas de diseño. El diseño es optimizado en base a una función objetivo (ej. suma de costes de operación). Además raramente se trabaja a plena capacidad ya que la demanda varia con cierto grado de incertidumbre.

La localización del equipo (layout) debe realizarse conjuntamente con la estimación del presupuesto de equipos e instalaciones de la planta. Finalmente, al determinar los costes hay que evaluar los riesgos financieros del proyecto. Decisiones que hay que tomar para montar una industria paso a paso:

1. Se Selecc lecc lección ión del pr proces oces oceso. o. El primer paso consiste en la síntesis del proceso utilizando operaciones unitarias estándar. Predeterminado en gran manera por la etapa de desarrollo. La cinética y tipo de reactor ya se han seleccionado pero los pasos de separación o purificación de productos o reciclado de reactivos están menos definidos. Los métodos usados a nivel de laboratorio deben revisarse. Básicamente es saber qué proceso queremos y qué le ocurre a ese proceso, qué variables le afectan, modelos, qué tipo de fermentador usar, etc. Deberíamos saber ya qué pasos para la separación y purificación necesitaríamos. Tener ya en mente el diagrama. Revisar lo que está hecho a nivel de laboratorio. Pensar también la capacidad de nuestra planta, que está ligado a lo que vamos a vender.

2. Se Selecc lecc lección ión de ccapacid apacid apacidad ad ad.. La capacidad de la planta se debe fijar dadas las implicaciones técnicas y económicas que dependen de ella. La capacidad dependerá de las ventas previstas para el producto, de tamaños estándar de equipos o de reconocida experiencia comercial en sectores determinados. La incertidumbre de las ventas añade un factor de riesgo a la hora de tomar decisiones sobre la inversión a realizar lo que debe tenerse en cuenta desde la etapa de desarrollo del proceso. Los reactores van a tener una capacidad que es la que van a tener, no depende de lo que pensemos. Hay que buscar si existen esos biorreactores y cómo son. Ver que es real lo que estamos pensando. Algunos por experiencia se sabe que son los que mejor funcionan. Eso hay que tenerlo en cuenta en la simulación, copiando con las características con las que nos lo van a vender, porque va a ser ese y no otro customizado. Depende de contratos con compañías y eso. Hay que ser flexible porque los contratos y producciones cambian.

3. Se Selecc lecc lección ión de la top topogra ogra ografía. fía. La topografía del proceso describe el orden en que los diversos equipos están interconectados formando la red del proceso. Es importante saber el orden en que los diversos pasos deben llevarse a cabo, donde usar equipos en paralelo, el uso de una o varias corrientes, etc. Estas decisiones son importantes en la etapa de diseño del sistema de recuperación. La topografía tiene que ver con el diagrama de flujos, con cómo se conectan cada cosa. Puede resultar útil hacer conexiones diferentes para trabajar en paralelo, o volver para atrás, etc. Hay que tener previsto una válvula que nos permita rebombear el flujo hacia atrás, etc.

4. Se Selecc lecc lección ión de las con condici dici diciones ones de op oper er eración ación del proc proceso. eso. Las condiciones óptimas del proceso como T, P, concentraciones, tiempos de residencia, porcentajes de recuperación deben identificarse ya que afectan a los costes de inversión y operación. La aplicación de reglas empíricas es una práctica habitual pero cada vez más se está utilizando la simulación para ajustar y refinar estas condiciones. Es muy importante fijar los rendimientos. Siempre se trabaja con certidumbre, aunque luego cambie de laboratorio a nivel industrial, pero al menos tenemos esos datos. Por eso se trabaja cada vez más con simulación.

5. Se Selecc lecc lección ión inicia iniciall del eq equipo. uipo. Para establecer las condiciones de operación (paso 4) deben estudiarse los susbsistemas: intercambiadores, reactores y columnas. No es posible separar el diseño del proceso del diseño del equipo. Es necesaria la investigación paralela del diseño del equipo para evaluar la economía del proceso según las condiciones de operación. Qué reactor, qué centrífuga, qué intercambiador, etc. Hay que detallar qué sistemas vamos a utilizar., incluídas bombas, válvulas… y sus características: capacidad, tipo de sistema de separación, etc. El diseño de todo el proceso está íntimamente ligado al diseño de cada equipo. Si queremos una destilación va a depender mucho de cómo sea ese sistema de separación.

6. PPolític olític olíticaa de repu repuest est estos. os. Está dentro de la etapa de diseño e impone condiciones en la selección del equipo. La decisión de instalar un equipo y su repuesto depende de la fiabilidad del equipo, coste y consecuencias de seguridad para la planta en caso de fallo. De aquí se deriva una política de mantenimiento que debe tener en cuenta la incertidumbre a que está sujeto el fallo del equipo. Esta información no se encuentra fácilmente. Hay muchas industrias que se ven limitadas por la política de repuestos. Puede que el repuesto sea carísimo o no haya. Siempre que usemos un reactor va a haber que calibrar todas las sondas. Las de pH son muy sensibles y se pueden romper, cargándose todo el cultivo. Si la política de repuestos es tal, pues habrá que colocarla en un sitio u otro del reactor.

7. C Contr ontr ontrol. ol. La planta debe ser controlable. A medida que progresa el diseño el esquema de control puede ser más específico. Es necesario un análisis cuantitativo que puede llevarse a cabo mediante simulación dinámica del proceso para hallar qué sistemas son más estables o robustos. Persigue que haya check points que queremos que estén bien regulados. Ej: Hasta este punto el pH no puede subir de tal, y hay que buscarse las vueltas para que se cumpla.

8. Se Segur gur guridad. idad. La industria conlleva peligros debido a materiales utilizados y a las técnicas sofisticadas. La mayor parte de catástrofes ocurren en la etapa de diseño del proceso. Son importantes la selección adecuada de materias primas y condiciones de operación, las decisiones sobre capacidad, topografía, etc. Por ello los estudios de seguridad se deben llevar a cabo en todas las etapas de investigación, desarrollo y diseño. En la etapa de investigación en cuanto a materias primas e intermedios y en las de desarrollo y diseño se considera la seguridad de la planta en su conjunto. Las condiciones de seguridad pueden cambiar del nivel de laboratorio al escalado. Puede que hagamos una mezcla explosiva o de burbujeo que sólo ocurra a cantidades grandes, no en el laboratorio.

4. DISTR DISTRIBU IBU IBUCIÓN CIÓN DE LLA A PL PLANTA ANTA Una vez sabemos todos los pasos para diseñar la planta ahora tenemos que ver cómo distribuirlos. La distribución en planta implica la ordenación de espacios necesarios para movimiento de material, almacenamiento, equipos o líneas de producción, equipos industriales, administración, servicios para el personal, etc. Podríamos ponerlo simplemente uno detrás de otro, o en habitaciones diferentes, etc.

OBJE OBJETIV TIV TIVOS: OS: Generalmente se focaliza teniendo en cuenta 4 objetivos principales: 1. Unidad o integración. Deben integrarse todos los factores que afecten a la distribución. La mejor distribución es la que integra personal, materiales, maquinaria, actividades auxiliares y cualquier otro factor, de modo que resulte el compromiso mejor entre todas estas partes. Salvo si algo es muy peligroso. Generalmente se quiere que todo esté cerca para facilitar el trabajo. 2. Circulación mínima. El movimiento de productos debe seguir una distancia mínima. También se debe minimizar el movimiento de personal o información. A igualdad de condiciones, es siempre mejor la distribución que permite que la distancia a recorrer por el material sea la menor posible. También, en igualdad de condiciones, es mejor aquella distribución que ordene las áreas de trabajo de modo que cada operación o proceso esté en el mismo orden o secuencia en que se transformen, tratan o montan los materiales. La economía se obtiene utilizando de un modo efectivo todo el espacio disponible, tanto en horizontal como en vertical. 3. Seguridad. La seguridad en el movimiento y el trabajo de personas y materiales es una exigencia en cualquier diseño de distribución en planta. Además debe realizarse el diseño para que el esfuerzo sea mínimo para el trabajador. A igualdad de condiciones, será siempre más efectiva la distribución que haga el trabajo más satisfactorio y seguro para los trabajadores. Debemos tener seguridad plena en lo que estoy haciendo. Hay que entrar en habitaciones con uniformes especiales, o distancia de seguridad si hay radiación o explosiones, etc. 4. FLEXIBILIDAD (SIEMPRE). La flexibilidad en el diseño de la distribución en planta es necesaria para atender a los cambios que ocurrirán en el corto y medio plazo en volumen y en proceso de producción con el fin de facilitar reajustes o ampliaciones. A igualdad de condiciones será siempre más efectiva la distribución que pueda ser ajustada o reordenada con menos costo o inconvenientes. Debes tener flexibilidad para poder mover las cosas. Capacidad para cerrar una válvula y poder mover de sitio tu fermentador. Es mejor tener equipos no fijos.

Por lo general, la mayoría de las distribuciones quedan diseñadas eficientemente para las condiciones de partida; sin embargo, a medida que la organización crece y/o ha de adaptarse a los cambios internos y externos, la distribución inicial se vuelve menos adecuada, hasta llegar el momento en el que la redistribución se hace necesaria. Los motivos que justifican esta última se deben a tres tipos básicos de cambios: - En el volumen de producción, que puede requerir un mayor aprovechamiento del espacio. El propio reactor puede ser flexible para no tener que usar otro, que tenga margen. - En la tecnología y en los procesos, que pueden motivar un cambio en recorridos de materiales y personal, así como en la disposición relativa a equipos e instalaciones. Ej: una mejor técnica de purificación. - En el producto, que puede hacer necesarias modificaciones similares a las requeridas por un cambio en la tecnología.

TIPOSS DE DIS DISTRIB TRIBUCIÓN PLANTA 4.1. TIPO TRIB UCIÓN EN PLAN TA Dependiendo de en qué se focalice la industria suelen identificarse tres formas básicas de distribución en planta: las orientadas al producto y asociadas a configuraciones continuas o repetitivas, las orientadas al proceso y asociadas a configuraciones por lotes, y las distribuciones por posición fija, correspondientes a las configuraciones por proyecto.

1. D DISTRI ISTRI ISTRIBUCI BUCI BUCIÓN ÓN EEN N PL PLAN AN ANTA TA PO POR R PPROD ROD RODUCTO UCTO La distribución en planta por producto es la adoptada cuando la producción está organizada, bien de forma continua o bien repetitiva, siendo el caso más característico el de las cadenas de montaje. Es una operación relativamente sencilla, en cuanto que se circunscribirá a colocar una máquina tan cerca como sea posible de su predecesora. Las máquinas se sitúan unas junto a otras a lo largo de una línea, en la secuencia en que cada una de ellas ha de ser utilizada; el producto sobre el que se trabaja recorre la línea de producción de una estación a otra, a medida que sufre las operaciones necesarias. Materia Prima  operación 1  operación 2 …  operación i  PRODUCTO Con esta distribución se consigue mejorar el aprovechamiento de la superficie requerida para la instalación. El material en curso de fabricación se desplaza de un puesto a otro, lo que conlleva la mínima cantidad del mismo menor manipulación y recorrido en transportes. Se trabaja con poca cantidad por lo que no necesitas stock. Arrancas de una cosa y vas añadiendo partes (ej: coches). A su vez, admite un mayor grado de automatización en la maquinaria. Sin embargo, no permite la adaptación inmediata a otra fabricación distinta para la que fue proyectada por lo que no hay flexibilidad en el proceso. Cualquier cosa que ocurra en la cadena de montaje va a afectar a odo lo que viene después, son industrias muy rígidas. Además la inversión es muy elevada y todos dependen de todos siendo también los trabajos muy monótonos. Cuando se fabrican elementos aislados sin automatización la anomalía solamente repercute en los puestos siguientes del proceso. La distribución en línea requiere maquinaria de elevado costo por tenderse hacia la automatización, por esto, la mano de obra no requiere una cualificación profesional alta. Además otras ventajas son el manejo de materiales reducido, mínimos tiempos de fabricación y simplificación de tareas, sistemas de planificación y control de la producción.

2. DIS DISTRIBU TRIBU TRIBUCIÓ CIÓ CIÓN N EN PL PLANT ANT ANTA A POR PR PROCESO OCESO Es el tipo de distribución que suelen seguir casi todas las empresas biotecnológicas. Las operaciones del mismo tipo se realizan dentro del mismo sector. La distribución en planta por proceso se adopta cuando la producción se organiza por lotes. Son procesos en discontinuo. El personal y los equipos que realizan una misma función general se agrupan en una misma área, de ahí que estas distribuciones también sean denominadas por funciones o por talleres. En algunas secciones los puestos de trabajo son iguales y en otras tienen alguna característica diferenciadora. El esquema no es tan lineal. El material se desplaza entre puestos diferentes dentro de una misma sección o desde una sección a la siguiente que le corresponda pero el itinerario nunc...