Post on 03-Oct-2015
description
W.Reategui 1
UNIVERSIDAD SAN IGNACIO DE LOYOLA
INGENIERA INDUSTRIAL Y COMERCIAL
CURSO
TECNOLOGA INDUSTRIAL.
CAPITULO I
Introduccin a los procesos industriales
Conceptos generales de procesos de manufactura (tecnologa industrial). Materias primas y productos. Smbolos, diagramas de
flujo y aplicaciones
Prof. W. Retegui
W.Reategui 2
Esquema de Evaluacin
Cada uno de los rubros del esquema de evaluacin y la nota final del curso son
redondeados a nmeros enteros. La nota final del curso es el promedio ponderado
de los rubros de evaluacin permanente, examen parcial y examen final.
No Tipo de Evaluacin Ponderacin
1 Evaluacin Permanente 40%
2 Evaluacin Parcial 30%
3 Examen Final 30%
W.Reategui 3
Ponderacin y Cronograma para la Evaluacin Permanente (50%)
Tipo de Evaluacin
Ponderacin Desagregada
de la Evaluacin
Permanente
Ponderacin Desagregada
Semana Fecha Evaluacin a
Rezagar
Nro Descripcin %
Prcticas calificadas
60
1 Practica Calificada 1 33 3 SI
2 Practica Calificada 2 33 6 SI
3 Practica Calificada 3 33 12 SI
TOTAL 100
NO se elimina ninguna Prctica Calificada. El promedio de las Prcticas Calificadas se redondea a dos decimales.
Laboratorios y Trabajos virtuales
40
1 Trabajo 1 33 5 NO
2 Trabajo 2 33 12 NO
3 Trabajo de investigacin con
exposicin 34 11 NO
TOTAL 100
Promedio de la nota de los informes de investigacin. El promedio se redondea a nmeros enteros
W.Reategui 4
INSTRUCCIONES A TENER EN CUENTA : CICLO 2014-2
I) P.Calificadas:
No est permitido el uso de apuntes, separatas, cuaderno del curso o libros.
Desarrollar la prueba slo con lapicero.
El uso de la calculadora es personal.
No se permite el uso de Laptops o celulares.
En la evaluacin se tomar en cuenta el orden, la limpieza, la ortografa y el uso correcto de unidades.
Devolver todo lo entregado.
No est permitido usar como hoja de borrador la hoja de examen.
En clase: No deber usar su celular, es una falta de respeto.
W. Retegui 5
Competencias del Perfil Profesional
1. Planifica, administra y controla procesos y operaciones de produccin y comercializacin de bienes y servicios, diseando y evaluando sistemas integrados por activos y capital humano, analizando y diseando mtodos de trabajo, controlando sistemas de seguridad e higiene industrial y de impacto ambiental de los procesos productivos.
2. Lidera y conduce efectivamente equipos multidisciplinarios para el logro de objetivos comunes, promoviendo y aplicando prcticas preventivas en gestin ambiental, a fin de tomar decisiones comprometidas con la responsabilidad social.
W.Reategui 7
Competencias del Curso
Nmero Competencias generales del curso Nmero Competencias especificas del curso
1 Elabora e interpreta diagramas de flujo y de bloques para la representacin de los procesos.
1.1. Construye diagramas de flujo de un proceso industrial.
1.2. Identifica en el diagrama de flujo las diferentes variables de un proceso productivo.
2 Identificar y diferenciar las diferentes etapas de los procesos tecnolgicos: operaciones unitarias y Procesos unitarios.
2.1. Evala los requerimientos de masa de cada etapa del proceso productivo.
2.2. Evala los requerimientos de energa de cada etapa del proceso productivo.
3 Analizar las variables de operacin, los parmetros de proceso y las condiciones de calidad de los procesos de manufactura.
3.1. Realiza balances de masa y energa en base a un diagrama de flujo.
3.2. Reconoce las variables a controlar con la finalidad de mantener el equilibrio de un proceso productivo.
4 Evala loa aspectos ambientales en la produccin industrial
4.1. Evala las materias primas usadas en el proceso productivo.
4.2. Evala las caractersticas de los efluentes y los posibles tratamientos a aplicar.
W.Reategui 8
I. QUMICA INDUSTRIAL
La industria de procesos qumicos esta involucrada en la produccin de una amplia variedad de productos que mejora la calidad de nuestras vidas y genera ingresos para las compaas y sus accionistas.
En general , los procesos qumicos son complejos, cuyo esquema de produccin se muestran a travs de diagramas de flujo.
El camino ms efectivo para comunicar informacin a cerca de un proceso es a travs del uso de diagramas de flujo.
Los procesos qumicos frecuentemente involucran sustancias de : alta reactividad qumica alta toxicidad alta corrosividad y operan a altas presiones y temperaturas. Estas caractersticas pueden conducir a una variedad de
consecuencias potencialmente serias, incluyendo explosiones, daos ambientales, y amenazas a la salud de las personas.
W.Reategui 9
Qumica Industrial es la rama de la qumica que aplica los conocimientos qumicos a la produccin de forma econmica de materiales y productos qumicos especiales con el mnimo impacto adverso sobre el medio ambiente.
La adaptacin del laboratorio a la fbrica es la base de la industria qumica, que suele reunir en un solo proceso continuo y estacionario (aunque tambin opera por cargas) las operaciones unitarias que en el laboratorio se efectan de forma independiente.
Estas operaciones unitarias son las mismas sea cual sea la naturaleza especfica del material que se procesa. Algunos ejemplos de estas operaciones unitarias son :
la molienda de las materias primas slidas
el transporte de fluidos
la destilacin de las mezclas de lquidos
la filtracin
la sedimentacin
la cristalizacin de los productos
y la extraccin de materiales de matrices complejas.
W.Reategui 10
II. SISTEMA DE CONTROL DE PROCESOS
Los procesos industriales exigen el control de la fabricacin de los diversos productos obtenidos. Los procesos son muy variados y en muchos muy complejos y abarcan muchos tipos de productos:
Fabricacin de productos derivados del petrleo
Productos alimenticios
La siderurgia
La minera
La industria de papel
La industria textil
La industria pesquera
La industria azucarera
La industria de plsticos
La industria de fertilizantes
La industria del cemento
La industria de detergentes
Centrales generadoras de energa
W.Reategui 11
En todo proceso es necesario controlar y mantener constantes algunas magnitudes, tales como la presin, el caudal, el pH, la temperatura, el
nivel, la conductividad, la humedad etc.
Los instrumentos de medicin y control permiten mantener y regular estas constantes en condiciones ms idneas que las que el propio
operador podra realizar.
Debido a los instrumentos de medicin y control es posible fabricar productos complejos en condiciones estables de calidad y de
caractersticas .
Los procesos industriales a controlar pueden dividirse en dos grupos: Procesos continuos y procesos discontinuos.
En ambos procesos, deben de mantenerse en general las variables
( presin, caudal, temperatura etc) en un valor deseado fijo , o en un
valor variable con el tiempo de acuerdo a una relacin predeterminada,
o bien guardando una relacin determinada con otra variable.
W.Reategui 12
W.Reategui 13
Proceso Industrial
W.Reategui 14
El sistema de control que permite el mantenimiento de las variables puede definirse como aquel que compara el valor deseado con el valor de la variable o condicin a controlar y toma una decisin de correccin de acuerdo con la desviacin existente en forma autnoma.
Un sistema de control consta de un conjunto de unidades :
Sensor o elemento primario
Transmisor o elemento secundario
Controlador o cerebro del sistema de control.
Elemento final de control, se trata de una vlvula, bombas de velocidad variable, motores elctricos.
El conjunto de unidades recibe el nombre de lazo de control, que puede ser abierto o cerrado.
El lazo de control abierto: calentamiento de agua en un tanque mediante una resistencia elctrica.
El lazo de control cerrado: regulacin de la temperatura en un intercambiador de calor
W.Reategui 15
Un sistema de control abierto o cerrado tiene elementos definidos :
Elemento de medida, Elemento de transmisin, Elemento controlador, Elemento indicador, Elemento registrador, Elemento final.
W.Reategui 16
Un sistema de control tiene tres operaciones bsicas:
Medicin(M): la medicin de la variable que se controla se hace generalmente mediante la combinacin de sensor y transmisor.
Decisin(D): con base en la medicin, el controlador decide qu hacer para mantener la variable en el valor deseado .
Accin(A): como resultado de la decisin del controlador se debe efectuar una accin en el sistema, generalmente sta es realizada por
el elemento final de control.
Estas tres operaciones, M, D y A son obligatorias para todo sistema de control.
Registrador de temperatura
W.Reategui 17
Circuito para controlar la temperatura en un intercambiador de calor
W.Reategui 18
W.Reategui 19
Q(L/min)
W.Reategui 20
III. RAZONES PRINCIPALES PARA EL CONTROL DE PROCESO
El control automtico de un proceso es una manera de mantener la variable controlada en el punto de control, a pesar de las
perturbaciones.
Razones por las cuales es necesario el control automtico:
Evitar lesiones al personal de la planta o dao al equipo. La seguridad siempre debe estar en la mente de todos, sta es la
consideracin ms importante.
Mantener la calidad del producto ( composicin, pureza, color, etc) en un nivel continuo y con un costo mnimo.
Mantener la tasa de produccin de la planta al costo mnimo.
Para tener xito en la prctica del control automtico de un proceso industrial, es importante que el ingeniero conozca: flujo de fluidos,
transferencia de calor, principios de termodinmica, principios de
reacciones qumicas, proceso de separacin, etc.
W.Reategui 21
IV. DIAGRAMA DE FLUJO DE PROCESO(PFD) Y DIAGRAMA DE FLUJO DE BLOQUES DE PLANTA
W.Reategui 22
W.Reategui 23
W.Reategui 24
IV.CLASES DE INSTRUMENTOS
Los transmisores son instrumentos que captan la variable de proceso a travs del elemento primario y la transmiten a distancia a un
instrumento indicador, registrador, controlador o una combinacin de
estos.
Las seales ms usadas en la industria son :
Neumtica ( 3 a 15 psi o 0,206 a 1,033bar, o 0,21 a 1,05kg/cm2)
Electrnica (4 a 20mAcc o 1 a 5mAcc, o 10 a 50mAcc)
Digital ( es apta directamente para ordenadores)
Otras seales empleadas son : la hidrulica y la telemtica.
Transductores son instrumentos que reciben una seal de entrada funcin de una o ms cantidades fsicas y la convierten modificada o
no a una seal de salida. Son transductores: un rel, un elemento
primario, un transmisor, un convertidor PP/I ( presin del proceso a
intensidad, un convertidor PP/P ( presin del proceso a neumtica).
W.Reategui 25
Los convertidores son instrumentos que reciben una seal de entrada neumtica (3-15 psi) o electrnica ( 4-20mAcc) procedente de un instrumento y despus de modificarla envan la resultante en forma de seal de salida estndar.
Ejemplo: un convertidor P/I ( seal de entrada neumtica a seal de salida electrnica.
Ejemplo: un convertidor I/P ( seal de entrada electrnica a seal de salida neumtica).
Los receptores reciben las seales procedentes de los transmisores y las indican o registran. Los receptores controladores envan otra seal de salida normalizada a los valores indicados ( 3 a 15psi en seal neumtica o 4 a 20mAcc en seal electrnica) que actan sobre el elemento final de control.
Controladores comparan la variable controlada ( presin, nivel, temperatura) con un valor deseado y ejercen una accin correctiva de acuerdo con la desviacin.
Elemento final de control recibe la seal del controlador y modifica el caudal del fluido o agente a controlar.
W.Reategui 26
Medidas de presin
La presin es una fuerza por unidad de superficie y puede expresarse en unidades tales como pascal, bar, atmsferas, kilogramos por
centmetro cuadrado y psi( libras por pulgada cuadrada) .
W.Reategui 27
Medidas de caudal
En la mayora de las operaciones realizadas en los procesos industriales y en las efectuadas en laboratorio y en planta piloto es muy importante la medicin de los caudales de lquidos y gases.
Mtodos:
A) Medidores volumtricos
1) Presin diferencial (placas de orificio y toberas, tubo venturi, tubo Pitot, Tubo Annubar)
2) rea variable ( rotmetro)
3) Velocidad
4) Fuerza
5) Tensin inducida
B) Medidores de caudal de masa
1) Trmico
2) Momento
3) Fuerza de coriolis
W.Reategui 28
La placa de orificio es el elemento primario para la medicin de flujo ms sencillo, es una lamina plana circular con un orificio concntrico, excntrico
segmentado y se fabrica de acero inoxidable.
La placa de orificio tiene una dimensin exterior igual al espacio interno que existe entre los tornillos de las bridas del montaje, el espesor del disco
depende del tamao de la tubera y la temperatura de operacin, en la cara
de la placa de orificio que se conecta por la toma de alta presin, se coloca
perpendicular a la tubera y el borde del orificio, se tornea a escuadra con
un ngulo de 900 grados, al espesor de la placa se la hace un biselado con
un chafln de un ngulo de 45 grados por el lado de baja presin, el
biselado afilado del orificio es muy importante, es prcticamente la nica
lnea de contacto efectivo entre la placa y el flujo, cualquier rebaba,
distorsin del orificio ocasiona un error del 2 al 10% en la medicin,
adems, se le suelda a la placa de orificio una oreja, para marcar en ella su
identificacin, el lado de entrada, el nmero de serie, la capacidad, y la
distancia a las tomas de presin alta y baja.
En ocasiones a la placa de orificio se le perfora un orificio adicional en la parte baja de la placa para permitir el paso de condensados al medir gases,
y en la parte alta de la placa para permitir el paso de gases cuando se
miden lquidos.
W.Reategui 29
W.Reategui 30
Rotmetros: El rotmetro es un medidor de rea variable que consta de un tubo
transparente que se amplia y un medidor de "flotador" (ms pesado que el
lquido) el cual se desplaza hacia arriba por el flujo ascendente de un fluido en la
tubera. El tubo se encuentra graduado para leer directamente el caudal. La
ranuras en el flotador hace que rote y, por consiguiente, que mantenga su
posicin central en el tubo. Entre mayor sea el caudal, mayor es la altura que
asume el flotador.
W.Reategui 31
Una tobera es un dispositivo que convierte la energa potencial de
un fluido (en forma trmica y de presin) en energa cintica.
Las toberas son elementos que reducen progresivamente el rea
transversal por donde circula un fluido. Tiene como objetivo
aumentar la velocidad del fluido al restringir el rea por donde se
mueve y, simultneamente tiene como consecuencia una cada en la
presin del fluido. El difusor, por el contrario, desacelera el fluido al
aumentar el rea transversal por donde circula ocasionando un
aumento en su presin.
W.Reategui 32
IV. APLICACIONES EN LA INDUSTRIA ESQUEMAS TIPICOS DE CONTROL
1) Calderas de vapor: Las calderas de vapor se utilizan en la mayora de las
industrias, pues muchos procesos industriales emplean grandes cantidades
de vapor. La caldera se caracteriza por una capacidad nominal de
produccin de vapor en toneladas/h a una presin especificada y con una
capacidad adicional de caudal en horas punta de consumo de la fbrica.
La caldera es un aparato que trabaja a presin, est construida en parte con acero laminado a semejanza de muchos contenedores de gas, su
funcionamiento se rige por las leyes de la termodinmica y su correcta
operacin depende de la combustin, la transferencia de calor y de las
medidas de seguridad.
Estos equipos basan su funcionamiento en las leyes de la termodinmica; la primera ley conocida tambin como el principio de la
conservacin de la energa establece que: ''la energa no puede ser creada
ni ser destruida, solo puede ser transformada'' y en la mayora de casos es
imposible convertir completamente toda la energa de un tipo en otro sin
prdidas, es decir que no existe mquina perfecta.
Y en la segunda ley de la termodinmica se establece la direccin unidireccional en la que deben llevarse a cabo los procesos termodinmicos
desde los cuerpos de mayor temperatura hacia los de menor temperatura.
W.Reategui 33
El vapor se genera a travs de la transferencia de calor en las tuberas en las que el fluido, originalmente en estado lquido, se calienta y cambia al estado gaseoso.
Los tres aspectos ms importantes para considerar en el mantenimiento de calderas estn enfocados principalmente en el:
proceso de combustin el tratamiento qumico del agua y en los sistemas seguridad de la caldera. Proceso de combustin: La regulacin de la combustin
se basa en mantener constante la presin de vapor en la caldera, tomndose sus variaciones como una medida de la diferencia entre el calor tomado de la caldera como vapor y el calor suministrado.
W.Reategui 34
Las calderas emiten a la atmsfera diversos compuestos contaminantes que contribuyen al efecto invernadero, a la degradacin de la capa de ozono, a la alteracin del clima y por consiguiente al deterioro del medio ambiente. En las calderas la emisin de contaminantes tiene su origen en los gases resultantes del proceso de la combustin. En funcin de la eficiencia obtenida en el proceso se determina el valor de estas emisiones, por lo que se debe asegurar que la combustin se realice de forma tal que se logre el mximo aprovechamiento de la energa disponible y al mismo tiempo que este proceso sea amigable con el ambiente.
W.Reategui 35
Los principales factores que influyen en lograr estos parmetros son la
calidad del combustible utilizado (bunquer, diesel, madera, biomasa,
etc,) y el porcentaje de exceso de aire. Existen tcnicas y agentes
importantes dentro del mantenimiento de calderas para asegurar la
calidad de combustin que van desde monitorear peridicamente las
calibraciones y ajustes hasta la aplicacin de aditivos en el combustible
los cuales reducen el impacto ambiental y logran importantes ahorros
para la empresa.
Tratamiento qumico del agua: Es muy importante asegurar un
adecuado proceso de transferencia de calor de la combustin al
proceso de evaporacin del agua. El agua naturalmente pura contienen
minerales, la cual al ser expuesta a temperatura para evaporarla hace
que se concentren ciertos compuestos como calcio, magnesio y
sulfatos, los cuales se adhieren a las paredes de los tubos del lado del
agua, formando lo que conocemos como incrustaciones, las cuales
tienen como caracterstica ser excelentes aislantes del calor, por lo cual
no son deseados en la transferencia de calor entre el proceso de
combustin y la generacin del vapor de una caldera.
W.Reategui 36
La formacin de incrustaciones es energticamente inconveniente y por lo tanto traen consigo perdidas econmicas importantes para la
empresa. Para combatir este problema se realiza un tratamiento
qumico anti-incrustante para mantener disueltas las partculas
de estos compuestos volvindolas insolubles en el agua y
logrando la separacin de los mismos y luego eliminadas por medio
de la purga del sistema.
Sistema de proteccin y seguridad de la caldera: Una caldera fuera de control puede convertirse en lo equivalente a una bomba con
el poder de destruir todo a su alrededor debido a la energa
acumulada en su interior. Por esta razn la caldera se convierte en
una de las maquinas industriales con mayores medidas de seguridad.
Estas poseen sistemas de proteccin redundantes, los dispositivos
primarios son elementos como presostatos de trabajo y en el segundo
nivel estn los presostatos de seguridad.
W.Reategui 37
Una caldera debe ser capaz de:
a) Aportar una energa calorfica suficiente en la combustin del fuel-
oil o del gas con aire.
b) Desde el punto de seguridad, el nivel debe estar controlado y
mantenido dentro de unos lmites determinados.
c) Es necesario garantizar una llama segura en la combustin.
d) El sistema de control debe ser seguro en la puesta en marcha, en la
operacin y en el paro de la caldera.
e) El funcionamiento debe ser optimizado para lograr una rentabilidad
y economa adecuada, lo cual requiere optimizar la combustin.
W.Reategui 38
2) Secadores y evaporadores
Los secadores tienen por finalidad obtener un producto slido con poca humedad, mientras que los evaporadores concentran el
producto en forma lquida al evaporar el agua.
Es difcil medir directamente la humedad del producto, se controla en su lugar la temperatura variable que depende indirectamente de
la humedad.
El producto en forma de polvo hmedo entra en el circuito despus del horno y se seca durante el recorrido por el tubo vertical.
El control suele ser en cascada, siendo la variable primaria la temperatura de salida t la variable secundaria la temperatura
despus del horno.
W.Reategui 39
Secador de evaporacin rpida -control en cascada
aire horno
W.Reategui 40
El secador rotativo, consiste en un cilindro de gran longitud en cuya entrada se introduce el producto hmedo y a cuyo travs circula el
aire caliente.
Secador rotativo
W.Reategui 41
Los evaporadores existen en muchos tamaos, formas y tipos. El evaporador continuo tiene una produccin regular .
Segn el nmero de veces que la solucin es calentada se tiene varios tipos de evaporadores:
Evaporador simple efecto
Evaporador de doble efecto
Evaporador de triple efecto o ms.
El control consiste en fijar un flujo constante de vapor a la calandria , se controla el nivel del evaporador variando la entrada del
producto, y se regula la concentracin midiendo la elevacin del
punto de ebullicin en el evaporador y el condensado a la misma
presin absoluta, y actuando sobre la salida del producto.
W.Reategui 42
Evaporador simple efecto
W.Reategui 43
3) Columna de destilacin
La operacin de destilacin consiste en separar una mezcla por diferencia de composicin entre un lquido y su vapor.
Esta operacin se realiza en forma continua en las denominadas columnas o torres de destilacin donde por un lado asciende el vapor del lquido hasta salir por el tope de la columna y por el otro va descendiendo el lquido hasta llegar a la base.
Estos pasos tiene lugar una mezcla entre las dos fases, de tal modo que pueden efectuarse extracciones a distintos niveles de la columna para obtener productos ms o menos pesados.
Las variables importantes que regulan el funcionamiento de la columna son:
La presin en la cabeza de la columna
El caudal
La composicin y la temperatura de alimentacin.
El calor aadido y las caloras extradas as como
Los caudales de destilado y de producto extrado en la base.
W.Reategui 44
W.Reategui 45
W.Reategui 46
W.Reategui 47
W.Reategui 48
La presin de la columna se regula mediante un controlador de presin en cascada con un controlador de caudal de los gases incondensables que escapan del condensador.
El caudal de la alimentacin se regula con un controlador de caudal que mantiene un caudal constante, gracias a una banda proporcional bastante estrecha ( alta ganancia).
La composicin de la alimentacin tiene gran importancia en el funcionamiento de una columna. El cromatgrafo es el analizador ms empleado.
La temperatura de la alimentacin es tambin importante. Para controlarla se emplea un intercambiador de calor con vapor.
El calor aadido en la columna se efecta a travs de un intercambiador de calor instalado en la base o en un plato intermedio.
Un controlador de caudal de vapor ajusta estas caloras aportadas.
W.Reategui 49
Como complemento se instala un controlador de nivel en la base de la columna que lo ajusta mediante una vlvula de control que acta
sobre la extraccin.
Las caloras extradas tienen lugar en el condensador de los gases que salen de la cabeza de la columna. Un controlador de caudal de
agua de refrigeracin del condensador ajusta estas caloras.
Es obvio que las variables que influyen en el funcionamiento de la columna de destilacin son muy diversas y que cada una de ellas, si
vara acta como una perturbacin en todo el proceso, por lo que
existen formas variadas de control.
W.Reategui 50
4) Intercambiador de calor
La mayora de los procesos industriales emplean intercambiadores de calor en operaciones tales como precalentamiento,
pasteurizacin, esterilizacin y refrigeracin.
Existen varios sistemas de control de los intercambiadores de calor debido a los mltiples factores que deben considerarse:
La presin del vapor o del fluido de alimentacin
La fluctuaciones en el caudal del producto
Las variaciones en la temperatura del producto
Las variaciones del calor especfico
Los retardos del proceso etc.
W.Reategui 51
W.Reategui 52
W.Reategui 53
W.Reategui 54
W.Reategui 55
Referencias
[1] Creus Sol Antonio, Instrumentacin industrial, 6ta edicin, Alfaomega Grupo editor S.A de C.V, ISBN 970-15-0246-9, 1998.
[2] Carlos A, Smith, Armando B. Corripio, control automtico de procesos, Editorial Limusa S.A de C.V, ISBN 968-18-3791-8, 1996.
[3] Richard Turton, Richard C. Bailie, Wallace B. Whiting, Joseph A.Shaeiwitz, Analysis, Synthesis, and Design of Chemical Processes, Second Edition, ISBN 0-13-064792-6, Prentice Hall PTR, 2003
[4] B. Wayne Bequette, Process Control, Pretince Hall International Series, 2003
W.Reategui 56