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DEP RT MENTO ESCUEL

C DEMICO DE INGENIER

C DEMICO PROFESION L DE INGENIERI

QUIMIC MBIENT L

DISEÑO DE PL NT S INDUSTRI LES  Manual de Practicas de Aula

José Luis Silva Villanueva José Luis Silva Castro Ciudad Universitaria de Trujillo 2016  

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Asignatura: iseño de Plantas Industriales Industriales  

Escuela Académico Profesional de Ingeniería Ambiental

Copyright © 2016

Departamento Académico de Ingeniería Química Facultad de Ingeniería Química Universidad Nacional de Trujillo Todos los derechos reservados.

Impreso en Perú.

Elaborado por: a)

b)

J os é Luis Si lva Vi llanu llanueva eva Doctorr en Ciencias e Ing eniería Docto eniería J osé Luis S ilva Castro  Maestro  Maes tro en C ienci ien ci as, Men Menci ci ón en G es tión A mbiental

 S olo para para us uso o interno, prohi bida su rreproduc eproducci ción ón parci parcial al o ttota otall si n el respectivo permiso del autor… caso contrario infr ing en lla a lley ey

 

2

 

Presentación

El curso de Diseño de Plantas Industriales es un curso de carácter obligatorio en la formación académica del Ingeniero Ambiental y se orienta a la comprensión de los conceptos y principios básicos del diseño de plantas de procesos industriales, el conocimiento de nuevas tecnologías y la disponibilidad de nuevos instrumentos de control, han llevado a la ingeniería ambiental a aceptar los principios de ingenierìa quìmica al desarrollo y compresión en el diseño de las operaciones y procesos en tecnología ambiental. Actualmente, el diseño y construcción de instalaciones y plantas industriales ocupa un papel fundamental en el desarrollo de las sociedades modernas, permitiendo satisfacer las, cada vez mayores, demandas de consumo mediante sistemas más sofisticados y eficientes. Los sistemas de producciòn se ecuentran abocados a las tecnologias limpias y al desarrollo sostenible. La figura 1 indica un sistema de  producción industrial, donde se observan los sectores de la producción industrial importantes.

Figura 1. Sistema de Producción Industrial

 

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Un ejemplo práctico que se desarrolla en el ámbito industrial es el Proceso Productivo de Harina de Pescado. A continuación, una breve descripción, acompañada acompañada con su diagrama de flujo respectivo.

Producción Producció n de Harina de Pescado: a.  Descarga de materia prima Inicia desde que las embarcaciones arriban a puerto y se acoderan a la chata y en sus bodegas se introduce una manguera de succión el cuál mediante un vacío producido por una bomba de descarga se absorbe el pescado de las  bodegas, esta envía agua de mar con el pescado a través de una tubería submarina de 16” Ø hasta nuestra planta teniendo una relación Agua:

Pescado aproximada de 1:1 en bomba Moyno. El transporte del pescado desde las embarcaciones hacia la fábrica debe hacerse con el menor daño posible empleando el agua de mar como medio de transporte, de tal forma que en todo momento se evite el destrozo del  pescado y con ello no se fac facilite ilite el proceso autolítico autolítico y microbiano.

b.  Pesaje  El pescado es transportado hacia las tolvas de pesaje, en este trayecto se va realizando la separación del agua de mar del pescado, en las cuales se va  pesando el pescado pescado recibido. La balanza cue cuenta nta con una pre-tolva y una tolva de pesaje, estas balanzas son automáticas y se reporta tanto la hora de descarga, el peso por tolvada y el total de la pesca descargada por embarcación. c.  Almacenamiento Almacenamiento de Materia Prima El pescado es almacenado en 8 pozas de concreto de 330, 170, 170, 330, 220, 220, 240 y 250 TM de capacidad c/u. Por la presión a que esta sometido el pescado en estas pozas, se origina la sanguaza, que es una mezcla de agua, sangre y restos de sólidos de pescado. La sanguaza recibe un tratamiento específico, recuperándose íntegramente.

d.  Cocción La operación unitaria de cocción tiene como objetivo: (a) Coagular las  proteínas, (b) Esterilizar, con el fin de detener la actividad enzimática y microbiana, (c) Liberar la grasa de las células adiposas y el agua. La etapa de cocción se inicia cuando los transportadores helicoidales extractores de las pozas alimentan los elevadores tipo rastra, para llevar el  pescado hasta el tolvín de ddistribución istribución a cocinas. cocinas. El proceso de cocción se desarrolla en nuestra planta en 2 cocinadores mixtos que consisten en un equipo cilíndrico, con un eje calefaccionado de forma de tornillo, que permite el avance de la carga, y una cámara, también calefaccionada, que tiene además de su función térmica la de aislamiento además de tener ingresos de vapor directo.

 

4

 

e.  Pre-desaguado   El objetivo del pre-desaguado es efectuar un drenaje previo al prensado con la finalidad de aumentar su capacidad. Toda la masa que sale del cocinador no puede ser tomada por la prensa sin disminuir en forma considerable su rendimiento y con ello también toda t oda la planta de procesamiento. El pre-desaguado o pre-prensado se realiza en Pre – strainers, strainers, ya que durante la cocción no se produce ninguna separación física y el material que entra es el mismo que el que sale. La mayor parte del material líquido que se produce en esta etapa se puede separar por drenaje lo cual se consigue generalmente  pasando el material cocido a lo largo de un transportador con un tambor giratorio perforado, el cual permite eliminar el líquido producido en la tapa de cocinado compuesto por aceite, agua y sólidos.

f.  Prensado  La operación de prensado tiene como objetivo la separación de agua y grasa de tal forma que la torta de prensa contenga la menor cantidad posible de estos dos componentes y el licor de prensa sea pobre en sólidos. Esta operación empieza cuando la masa obtenida de los Pre – strainers strainers llega a las 3  prensas que consisten consisten esenc esencialmente ialmente en una ja jaula ula cilíndrica por la que pasa pasa el  pescado empujado por un tornillo sinfín de volumen de paso decreciente en sentido longitudinal, de esta manera se produce una separación de líquidos y sólidos. La parte sólida de prensa, la cual aproximadamente de 4 esa conocida 5 % decomo grasatorta y una humedad quecontiene bordea aproximadamente entre 45% y 50%. La parte líquida se le denomina Licor de prensa, la cual contiene aproximadamente 5% de sólidos y 10% de grasa.

g.  Secado El objetivo es deshidratar la torta de prensa, torta de separadora y concentrado de agua de cola, unidos y homogenizados previamente, sin afectar la calidad del producto. La principal razón es reducir la humedad del material a niveles en donde no sea posible el crecimiento microbiano ni se  produzcan reacciones reacciones químic químicas as que pue puedan dan deteriorar el pproducto roducto Esta operación se realiza en dos etapas, de la l a siguiente manera:

Secado 1ra Etapa.-  Esta operación se realiza en 5 secadores Rotadisc, los cuáles son de forma cilíndrica, con un eje calefaccionado de forma de tornillo y una camisa también calefaccionada, los cuales funcionan mediante el ingreso de vapor a través de la chaqueta y del eje así como de los helicoides,  produciéndose un contacto indirecto con la torta que ingresa a los secadores conteniendo aproximadamente un 54 a 60% (torta de  prensa 45 -50% más la torta de separadoras separadoras 61-63% y el concentrado concentrado 65-70%), el concentrado que se adiciona tiene 30-36°brix, donde se deshidrata la torta que ingresa a los secadores eliminando el agua hasta llegar a obtener un Scrap en la salida de los secadores con un rango de 18-22% de Humedad aproximadamente.  

de se secado cado ind indirecto, irecto, diseñada diseñ ada para para El el Secado 2da Etapa. -  Etapa deshidratado del scrap proveniente de los secadores rotadisco. 5

 

equipo consiste de un cilindro de doble pared en cuyo interior se ubica longitudinalmente tubos que giran conjuntamente con el cuerpo. Tanto los tubos como el cuerpo de secador son alimentados con vapor proveniente de las calderas. Su diseño con tubos montados en bancos o paquetes le permite una fácil mantención. El banco  puede ser retirado efectuando la reparación en el exterior del secador y permitiendo que éste siga funcionando. Este equipo se encuentra en un amplio rango de capacidades con una evaporación de hasta 8000 kg/h de agua en condiciones óptimas de operación.

Secado 3ra Etapa.-  Esta operación se lleva a cabo mediante la utilización de aire calentado de un intercambiador que utiliza aceite térmico, el cuál llega a una temperatura de unos 320°C y el aire calentado ingresa hacia un cilindro rotatorio que contiene paletas internas las cuales permiten el avance del scrap permitiendo el secado de esta, el scrap baja su humedad de 18  –   22% proveniente del secador de tubos hasta una humedad de 8% aproximadamente. aproximadamente. Los finos transportados por el exhaustor de gases son recuperados en 2 ciclones y enviados al transportador helicoidal colector del secador de aire caliente luego el scrap seco es transportado mediante transportadores helicoidales al equipo purificador, donde se recuperan r ecuperan impurezas que puedan afectar la calidad del producto final.

h.  Enfriado La harina sale del secador de aire caliente a una temperatura aproximadamente de 75°C y es conducida hacia un enfriador, el cuál funciona mediante una circulación circulación de aire a través de un cilindro rotativo por donde atraviesa la harina. Para la recuperación de los finos, se tiene un sistema de filtros manga. Los finos son enviados hacia la siguiente fase que es la molienda. La harina tiene t iene una temperatura que varía de 25°C a 35°C. i.  Molienda El objetivo de la molienda es la reducción del tamaño de los sólidos hasta que se satisfagan las condiciones y especificaciones dadas por los compradores. En esta etapa se recoge los sólidos tanto gruesos como finos (recuperados en los ciclones) y son enviados hacia dos molinos de martillo flotantes, provista de una malla interior con diámetro de agujero ¼”, los cuáles pulverizan la harina hasta niveles mínimos; lo cual se comprueba al realizar pruebas con un tamiz N°12 teniendo una aprobación no menor del 95%. Para la recuperación de finos de harina, se tiene instalado filtros mangas. Luego la harina es trasladada a la zona de ensaque mediante transportadores helicoidales, haciéndose pasar a través del purificador de harina, donde se recuperan impurezas que puedan afectar la calidad de la harina. La temperatura es, en promedio, igual a 29°C. La molienda del scrap es de suma importancia, porque una buena apariencia granular incidirá favorablemente en la aceptación del producto en el

 

mercado. 6

 

 j.  Adición de antioxidante Las grasas de las harinas de pescado se estabilizan mediante la adición de antioxidante, inmediatamente después después de la fabricación. La harina se eleva mediante transportadores helicoidales hasta una tolva,  provista de un equipo de adición de antioxidante que consiste en una bomba, motovariador y un sistema de aire comprimido. La cantidad agregada antes de ser envasada la harina fluctúa entre 650 a 700  ppm, lo cual viene viene a ser de 6650 50 a 700 gr. ppor or tonelada de ha harina. rina.

k.  Ensaque La harina de pescado tratada con antioxidante, es transportado por medio de un transportador helicoidal hacia la balanza ensacadora, estas poseen un  pantalón de ensaque sobre la cual se vierte la harina en sacos de 50 Kg. cada uno, el pesaje se realiza en una balanza electromecánica, con tolva volumétrica semiautomática, los sacos son cocidos y trasladados por medio de transportadores de tablillas horizontales e inclinados, seguidamente son trasladados a un almacén de campo en donde son apilados en rumas de 50 TM (1000 sacos), para su posterior venta y embarque. l.  Envasado La harina es teenvasada sacos de polipropileno laminados aproximadamente aproximadamen 50 Kg. cadaensaco es identificado con un número de rumadey logotipo de la empresa. Además del número de ruma, cada saco se encuentra identificado por el logotipo de la empresa y un círculo rojo que indica la  presencia de antioxidante.

 

Figura 2. Obtención de Harina de Pescado 7

 

En la última década de dictado del curso de Diseño de Plantas Industriales siempre ha existido el problema de abundancia de información, sobre todo para industria química, y a la vez poca retención de parte del alumno para su proceso de enseñanza-aprendizaje; enseñanza -aprendizaje; siendo este el motivo fundamental para elaborar una descripción  práctica de información útil para tal fin. Estas razones han obligado a redactar un breve Manual de Practicas de Aula   del Curso de Diseño de Plantas Industriales, que contenga temas como: Selección del Proceso Industrial, Estudio del Mercado,

Demanda y Oferta, Balance de Materia y Energía, Construcción de Equipos y la Ingeniería del Diseño de Equipos, Localización de la Planta, Distribución de Equipos en la Planta, Estudio de Impacto Ambiental, Evaluación Económica y otros de interés practico para el alumnado. 

Pero toda elaboración de un documento técnico -manual- no se encuentra exenta a problemas. Recurrimos a su benevolencia y comprensión por algunas limitaciones en el desarrollo desarrollo del mismo, y se espera que la ppresente resente oobra bra tenga el el agrado y reconocimiento de vuestra parte, y quedamos de ustedes para cualquier consulta o aclaración al respecto.

Se agradece a los colegas de los Departamentos Académicos involucrados por sus aportes valiosos y de sobremanera a los alumnos; razón fundamental ser y estar con ustedes. De otro lado a los colegas de las diversas universidades de Trujillo y de otro lugar, así como a los que laboran en el ámbito laboral privado, por su apoyo incondicional a los temas t emas presentados.

Los Autores

Ciudad Universitaria Universitaria de Tr Trujillo, ujillo, Diciembre del 2016

 

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INDICE Presentación

03

Practica N°1. Diseño de Planta Industriales.

11

Practica N°2. Selección de un Proceso.

15

Practica N°3. Estudio de Mercado.

21

Práctica N°4. Balance de Materia y Energía

25

Seminario N° 1. Elaboración de la Maqueta.

32

Practica N° 6: Dimensionamiento de Equipos por Métodos Cortos Practica N° 7. Diseño de Equipos Parte I

37 48

Practica N° 8. Diseño de Equipos Parte II

58

Practica N° 9. Diseño de Equipos Parte III

69

Practica N° 10. Diseño de Equipos Parte IV

76

Seminario N° 2. Diseño y Elaboración Planta Industria Alimentaria .

83

Práctica N° 12. Elaboración del Impacto Ambiental.

91

Práctica N° 13. Ubicación de Planta Industrial

96

Práctica N° 14. Distribución de Planta Industrial

99

Práctica N° 15. Evaluación Económica

105

Seminario N° 3. Preparación y Evaluación de Proyectos  Anexos 

119  119  133

Acerca de los Autores

139  

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Práctica N° 1 Diseño de Plantas Industriales. OBJETIVOS 1.  Conceptualizar Diseño de Planta Industrial 2.  Ejemplificar Plantas Industriales FUNDAMENTO TEÓRICO 1.  Introducción El diseño es una actividad creativa y como tal puede ser una de las más gratificantes y satisfactorias ac actividades tividades emp emprendidas rendidas por un ingeniero. En síntesis, es la coordinación de ideas para llevar a cabo un proyecto deseado. El diseño no existe al inicio del proy proyecto. ecto. El diseñista lo inicia con un objetivo específico en mente, una necesidad, y por el desarrollo y evaluación de posibles diseños, arriba al cual, él considera como el mejor camino para llegar al objetivo. Observar Observar la Figura 1, donde se muestra el diagrama de que explica brevemente las etapa etapass del diseño de un proceso proceso industrial.

Figura 1.1 Diagrama de bloques bloques de un Proceso Proceso Industrial

Los procesos industriales presentan características especiales en nuestra cultura y economía. La información planteada en este tema incluye una descripción de los elementos esenciales que conforman el proceso industrial, su importancia y características generales. En la Figura 2, muestra el Esquema

 

General de un Proceso Industrial, donde se aprecian los equipos empleados.  11

 

Figura 1.2 Proceso Kraft sin Blanquear

2.  ¿Qué es un Proceso Industrial? Es una secuencia de actividades mediante la cual se producen bienes y servicios. Un ejemplo de un proceso industrial es la obtención de tela a partir de algodón. Ver la Figura 3 aadjunta djunta

Figura 1.3 Proceso Industrial

 

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Es una actividad que implica un trabajo conjunto entre quienes están encargados directamente de planear todo el proceso ya sea para una Planta Nueva o para una expansión de una ya existente; para el reordenamiento de una Planta o para hacer  pequeños reajustes y quienes estarán en contacto directo con el diseño que se  plantee los empleados. empleados. Para la obtención de un determinado producto serán necesarias multitud de operaciones individuales de modo que, dependiendo de la escala de observación,  puede denominarse p  prr oceso ceso tanto al conjunto de operaciones desde la extracción de los  los recursos naturales necesarios hasta la venta del producto como a las realizadas en un puesto de trabajo con una determinada máquina/herra máquina/herramienta. mienta. La producción, la transformación industrial, la distribución, la comercialización y el consumo son las etapas del proceso productivo.

PRACTICA Esbozar un diagrama de bloques y/o si puede uno de equipo, que permita el inicio de un diseño de planta industrial:

a.  En una operación de procesamiento de alimentos, el gerente de la planta solicita una consulta técnica o recomendación sobre cómo reducir la demanda biológica de oxígeno oxígeno (BDO) de las aguas residuales. Las au autoridades toridades mun municipales, icipales, en contra parte piden r a una compañía consultora que les ayude a resolver el  problema generado. generado.  b.  La elaboración de alcohol etílico hoy en Perú, sigue la tecnología de la fermentación de azucares; sin embargo, una novedosa materia prima está  presente como es el gas natural andino. Diseño los procesos al respecto y elabore una matriz que determine las ventajas y desventajas de tales métodos de  producción.

c.  La fruta se limpia y se elimina la dermis y los pedúnculos, luego se lava y se tritura, la fruta contiene 85% de agua y 15% se sólidos solubles. Una vez triturada, se mezcla con azúcar en una proporción de 45 a 55% en peso, en este  paso también se agrega agrega pectina y ácido cítrico, con lo cual el pH alcanza un valor valor de 3.5. Luego la mezcla se somete a evaporación de 80° C por 30 minutos, con lo cual se elimina agua y la concentración de sólidos en el producto resulta ser del 70% en peso. 

 

13

 

d.  Indicar el tipo de Proceso Industrial mostrado en la figura

Figura 1.4 Proceso industrial típico

BIBLIOGRAFÍA BIBLIOGRAFÍ A RECOMENDADA

1.  Ulrich G. 1986 DISEÑO Y ECONOMIA DE LOS PROCESOS DE INGENIERIA QUIMICA  Nueva Editorial Interamericana S.A de C.V. México D.F. México. 2.  Austin G. 1989. MANUAL DE PROCESOS QUIMICOS EN LA INDUSTRIA . Tomos I, II y III, Editorial 1ra Edición en español. McGraw-Hill/Interamericana de México S.A. México. 3.  Leidinger O. 1997 PROCESOS INDUSTRIALES Fondo Editorial de la Pontificia Universidad Católica del Perú. Lima, Perú.

 

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Práctica N° 2 Selección de un Proceso OBJETIVOS 1.  Seleccionar Procesos Industriales 2.  Discernir entre varias opciones

FUNDAMENTO TEÓRICO 1.  Introducción: Generalmente un ingeniero ingeniero de procesos tiene relac relación ión en una de de dos actividades; la construcción de una planta de manufactura (esto incluye la expansión, modificación o mejora de una planta ya existente) o la decisión de construirla o no. En ambos casos se requieren habilidades similares, pero el dinero, el tiempo y la profundidad involucrados son mayores en la primera. En la Figura 1, se observa las áreas que se involucran en el Proceso de Diseño

Figura 2.1 Áreas involucradas en el Proceso de Diseño.

2.  Selección del Pr Proceso oceso Productivo La selección del proceso industrial es una decisión estratégica que involucra seleccionar que tipos de procesos industriales se debe considerar. La decisión involucra decisiones en diversos campos tales como recursos humanos, equipos, materiales, tecnología entre otros. El diseño conceptual o síntesis de proceso es la etapa en la cual se arma la topología del proceso, es decir el esquema o

 

diagrama de flujolasbásico queprimas presenta operaciones necesarias  para transformar materias en la lossecuencia productosdedeseados deseados. . Por simple que 15

 

 parezca, la conceptualización del proceso es un tema complejo de alta responsabilidad, responsabilida d, ya que los errores de esta etapa se trasladarán y amplificarán en las etapas siguientes. En esta etapa cuenta mucho la experiencia del ingeniero de  procesos, ya que él tendrá que seleccionar las operaciones y procesos unitarios que se deben incluir en el proceso, considerando por supuesto aspectos no sólo técnicos sino económicos y ambientales; además, no una única solución, por lo cual es necesario ponderar los pros y contra de cada alternativa posible.  posible.  Este tipo de decisiones se toman, por lo general, en alguno de los siguientes casos: i.  ii.  iii.  iv.  v. 

Cuando hay modificaciones importantes en el producto. Cuando hay problemas de calidad Cuando ha cambiado la demanda del producto. Cuando la competencia va adelante por cambio tecnológico. Cuando hay cambios en los insumos o han variado.

Hay que recordar que un cambio en el proceso hace que la rentabilidad se vea afectada o disminuya. El análisis de procesos  hace el estudio de los procesos existentes con la finalidad deProcesos. mejorarlos. Se suele usar Diagramas Diagramas de Flujo; Mapas de Procesos Procesos y Cuadros de

Nota importante: En los procesos químicos, se hace necesario un análisis termodinámic termodinámicoo, para ver la factibilidad del proceso es decir que sea espontáneo, La espontaneidad indica que la energía libre de Gibbs deber negativa, es decir ΔG < 0, y además la constante de equilibrio mucho mayor que 1, Ke >>1. Esto se obtiene de la expresión: ΔG = - RT lnKe

Por otro lado, la velocidad con que se plasma la reacción química debe ser llevada a cabo mediante un análisis de la cinética  de la reacción en la cual se obtiene la expresión:

De donde n = orden de la reacción  y k = constante de velocidad. Estudian los factores que afectan a la reacción química Muchos procesos necesitan calor para llevarse a cabo, mientras que otros liberan cantidades ingentes cantidades de calor, denominada entalpía, ΔH. Recordar que, a la hora del diseño de un proceso en régimen continuo, se tienen en cuenta las ventajas, así como las desventajas que puede ofrecer. Se debe de analizar principalmente las desventajas para que sean eliminadas o para minimizar sus efectos en el proceso en conjunto.

 

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La Figura 2, muestra una Planta Industrial propuesta, la cual fue seleccionada de otra alternativa...

Figura 2.2 Producción de papel, a partir de madera ¿habrá otra materia prima local, que pueda ser utilizada para obtener papel?

PRACTICA 1.  Observar los diagramas adjuntos y describir el proceso industrial presentado. Busque en internet otras alternativas a la Planta Industrial propuesta. 2.  Presentar un breve análisis termodinámico y cinético de la reacción r eacción principal del  proceso industrial industrial propuesto.

 

Figura 2.3 Vista de una Planta Industrial Petroquímica 17

 

Figura 2.4 Producción del Acero

Figura 2.5 Producción mineral de la mina

 

18

 

Figura 2.6 Producción Producción de Energía a pa partir rtir de Biomasa Biomasa

 

Figura 2.7 Elabora Elaboración ción de Ladrillo 19

 

BIBLIOGRAFÍA BIBLIOGRAFÍ A RECOMENDADA

1.  Austin G. 1989. MANUAL DE PROCESOS QUIMICOS EN LA INDUSTRIA. Tomos I, II y III,  Editorial 1ra Edición en Español. Mc.GrawHill/Interamericana de México S.A. México. 2.  Leidinger O. 1997 PROCESOS INDUSTRIALES  Fondo Editorial de la Pontificia Universidad Católica del Perú. Lima, Perú. 3.  Jiménez A.2003 DISEÑO DE PROCESOS EN INGENIERIA QUIMICA  Editorial Reverté S.A. Barcelona. España. 4.  Sinnott R. y G. Towler 2012 DISEÑO EN INGENIERIA QUIMICA Traducción de la 5ta edición original. Editorial Revertè S.A. Barcelona. España

 

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Práctica N° 3 Estudio de Mercado OBJETIVOS: 1.  Determinar la demanda de un producto o servicio 2.  Reportar el modelo del mercado.

FUNDAMENTO TEORICO El E studi studi o d de e M er ca cad do proporciona información que sirve de apoyo para la toma de decisiones, decisiones, la cual está encamina encaminada da a determinar si las ccondiciones ondiciones del mercado mercado no son un obstáculo para llevar a cabo el diseño de la planta o el proyecto. En el ámbito de  proyectos de Plantas Industriales, eell estudio de mercado mercado tiene como finalidad determinar si existe o no una demanda insatisfecha que justifique, bajo ciertas circunstancias, la  puesta en marcha de un programa de producción de ciertos bienes y servicios en un espacio de tiempo. Para que esta etapa sea útil en el proceso de decisión, se debe realizar desde un  punto de vista histórico, en donde se evalúe el desenvolvimiento desenvolvimiento del sector y las variables macroeconómicas más importantes, luego analizar la situación actual, pero lo más importante es la situación futura estimada, debido a que el diseño se llevara a cabo en ese contexto. En el estudio de mercado se desarrolla: Descripción del producto; Estudio de la demanda, Estudio de la oferta, Estudio de precios, Estudio de loa canales de distribución. Siendo su principal produc producto to del estudio de mercado, mercado, determinar determinar el tamaño de la planta industrial.  La de definición finición del estud estudio io de merca mercado do es contar contar con información suficiente para que condicione su funcionamiento. A partir del tamaño de la planta se determinará la l a maquinaria que hay que instalar las necesidades de espacio y terreno, así como la distribución en planta, entre otros. La Figura 1, nos indica la relación del estudio de mercado con el análisis de la demanda, el análisis de la oferta y el análisis del producto.

 

Figura 3.1 Estudio de Mercado 21

 

DATOS PRIMARIOS  Son aquellos que no han sido recopilados anteriormente por parte de organismos que trabajan en la obtención y elaboración de datos y que por consiguiente, son observados y anotados por el investigador de mercados, a partir de las fuentes directas constituidas principalmente por consumidores, comerciantes mayoristas, comerciantes minoristas, importadores, exportadores y productores. DATOS SECUNDARIOS  Son aquellos que ya han sido recopilados y elaborados y que provienen  principalmente de publicaciones publicaciones oficiales o privadas privadas o de entidades qque ue elaboran estadísticas.

Figura 3.2 Estudio de Mercado

TÉCNICAS DE PROYECCIÓN DE LA DEMANDA Se emplea para los datos históricos, que constituyen las variables referenciales  para el proyectista. La validez de los resultados de la proyección está íntimamente ligada con la calidad de los datos de entrada que que sirven la base para el pronóstico. Se emplea una serie de d e tiempo. a)  Ecuación de Regresión  Y = A +B*X

 

Figura 3.3 Método de Regresión Lineal 22

 

 b)  Método de la tasa de crecimiento  DN = D0(1+i)N

PN = Po (1 + i) N, que es la fórmula del inte interés rés compuesto. compuesto.

Figura 3.4 El estudio de mercado ha de depender de su comportamiento característico.

PRACTICA Resolver el cuestionario, todos los grupos. Seleccionar cada grupo 02 productos de consumo popular en su localidad,  buscando en Internet o cualquier otra fuente secundaria de datos, si existen datos estadísticos de tales la demanda obtener la regresión de los datos con productos. el tiempo. Cuantificar Si hubiera una variable yexplicativa, indicar el comportamiento futuro en diferentes escenarios, tanto optimistas como pesimistas. Supóngase que durante los años 2005 al 2013, el número de helados  producidos y/o y/o vendidos en Trujillo fueron:

Año

2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013

Producción

15432

17406

16616

18532

18480

Ajustar esta serie. Utilizar ambos métodos.

16405

19680

22210

20525  

23

 

Una empresa exportadora Néctares del Conga S.A. exporta el rico mango, de gran acogida internacional, de acuerdo a data histórica publicada:

Años 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010

Exportación, Ton 4835 7340 7570 12170 8750 10540 21730 22500

La empresa hoy ocupa el 12% del mercado y en los próximos 4 años espera alcanzar el 20% del mercado. Estimar el nivel de exportación exportación  para alcanzar alcanzar su objetivo emp empresarial. resarial. Sugerencia usar toda la bondad del MS-EXCEL.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS: 1.  Rodríguez V, R. Bao y L. Cárdenas 2005 FORMULACION Y EVALUACION DE PROYECTOS INDUSTRIALES  1ra  Edición Universidad San Martín de Porres. Lima Perú. 2.  Sapag N y R. Sapag 2008 PREPARACIÓN Y EVALUACION  DE PROYECTOS  5ta Edición Editorial McGraw Hill-Interamericana. Hil l-Interamericana. México. 3.  Andía W. 2009 PROYECTOS DE INVERSIÓN. Guía para su Formulación y Evaluación Estratégica 3ra reimpresión  Edición Lima-Perú.

 

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Práctica N° 4 Balance de Materia y de Energía OBJETIVOS: 1.  Calcular los balances de masa y energía 2.  Reportar la tabla resumen del proceso industrial.

FUNDAMENTO TEORICO Los problemas de balance de masa y energía se basan en una aplicación correcta de las leyes de conservación de masa y la energía, respectivamente. Pero también se pueden complicar en su solución, solución, lo cual dependerá de la sapiencia sapiencia y experiencia del alumno. Para los cálculos de aplicación de estos balances de masa y energía, es preciso seguir una adecuada metodología que facilite el análisis final del proceso a calcular, de modo que se tendrá que: a.  Esbozar el esquema del proceso, usando la simbología apropiada y los datos de  b.  operación Plantear elconocidos. problema vía ecuaciones algebraic algebraicas as c.  Efectuar los cálculos, vía sustitución de datos den las ecuaciones planteadas

BALANCE DE MATERIA. El balance de materia se basa en la Ley de la Conservac ión de la Masa “Todo proceso hay exactamente la misma cantidad de sustancia presente antes y después que el proceso haya sucedido. Sólo se transforma la materia”. Los tipos más frecuentes de balances

son: 1.  Operaciones de Inventario. 2.  3.  4.  5. 

Operaciones de Combinación. Operaciones de Separación. Operaciones de Combinación –  Separación  Separación Operaciones de Reciclo, Bypass

Existen dos tipos de balance: a.  Balance Total: Que gira en torno a las corrientes circulantes en el proceso.  b.  Balance Parcial: Que gira en torno a las composiciones de los sustancias que acompañann a las corrientes. acompaña  

25

 

M1 = M2  Operaciones con Inventario

Transporte de Fluidos, Transferencia de calor

M2 

M1 

Operaciones de Combinación

M3 

Mezclado, Agitación

M1 + M2 = M3

M1*x1 + M2*x2 =M3*x3 

M2  M1 

Operaciones de Separación

M3 

Destilación, Evaporación, Filtración

M1 = M2 + M3

M1 

Operaciones de Combinación

M1*x1 = M2*x2 + M3*x3

M2 

 – Separación Absorción, Extracción, N2 

Secado, Humidificación

M1 + N1 = M2 + N2

N1 

M1*x1 + N1*y1 = M2*x2 + N2*y2   

Figura 4.1 Esquema de Balance de Materia 26

 

En los equipos de transferencia de masa, se introducen dos corrientes que viajan a contracorriente o corriente directa. En otros casos, parte de los reactantes o productos de vuelven a procesar para que se mezclen con los ingredientes o reactivos.

Figura 4.2 Operaciones con Recirc Recirculación ulación

En otros casos parte de los ingredientes o reactivos pasan al, proceso y otra parte le da vuelta sin entrar, es decir se produce desviación, by-pass o retorno.

Figura 4.3 Operaciones de Derivación

Además, existen balances para más de una unidad

 

27

 

Figura 4.1. Ejemplo de Diagrama de Flujo para 02 unidades. Se realizan balances de materia para los subsistemas (B, C, D y E) y para el sistema completo (A). Los puntos B y D son puntos de mezcla

BALANCE DE ENERGIA El balance energía se basa en la Ley de Conservaciòn de la Energìa.,que indica que en un proceso:la energìa no se crean se destruye solo se transforma . En este balance se toma en cuenta las transferncias de energìa a travès de los lìmites del sistema. Es importante resaltar que ciertos tipos de energía estan involucradas con la masa, mientras que otras no, como elcalor(Q) y el tra trabajo(W), bajo(W), tal como se muestra muestra en la figura 4.5.

Figura 4.5. Balance de Energía  

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Figura 4.6 Resumen de Preparació Preparación n de Balance Balancess de Ma Materia teria y Ener Energía gía de las Operacioness y Procesos Unitarios. Operacione

PRACTICA 1.

Una fábrica de conservas recibe en un día, 12 ton de productos crudos, 5 ton de latas, 0,5 ton de cartones y 0,3 ton de otros mate materiales. riales. De las 12 ton de  productos crudos, crudos, 10 ton llegan a ser productos proce procesados, sados, 1,2 ton acaba acabann como residuos de productos, con los que se alimenta, al ganado y el resto se arroja con las aguas residuales de la planta. Cuatro ton de latas se almacenan internamente  para su uso posterior y el resto se usa para envasar el producto. Cerca del 3 por ciento de las latas utilizadas están dañadas. Estas se almacenan por separado y se reciclan. Los Los cartones se utilizan para emp empaquetar aquetar los productos enlatados, menos el 3 por 100, que están dañados y son separados subsiguientemente para reciclarlos. De estos materiales, se almacena el 25 por ciento internamente para su utilización posterior, el 50 por 100 llega a ser papel residual, del cual se separa el 35 por 100 para su reciclaje y el resto se desecha como residuos mezclados; y el 25 por 100 se convierte en una mezcla de residuos sólidos. Suponer que los materiales separados para el reciclaje se recolectan diariamente.

 

29

 

Prepare un balance de masas para la fábrica de conservas para este día y un diagrama de flujo de materiales que represente a todos los materiales; así mismo determina la cantidad de residuos por tonelada de producto. 2.

Una empresa productora de salchicha de pescado tiene una producción de 200 toneladas anualmente. La producción se distribuye de la manera siguiente Tipo producto Salchicha Salchichóntipo Viena Salchicha tipo Frankfort Salchicha Cóctel

% peso

Peso unitario, g

48 12 10 30

50 125 80 15

Se propone manejar paquetes de 20 piezas para los tipos Viena y Frankfort, 50  piezas para tipo Cóctel y 10 piezas para el Salchichón ¿Cuántos paquetes de cada tipo se producirán en un año? Sugerencia: Trabaje sus datos en kg.

3.  Los chiller (Es un equipo que genera agua helada, son utilizados en diferentes aplicaciones tanto en el aire acondicionado o en la industria) en una planta de  procesamiento de aves enfrían los pollos, poniendo en contacto  procesamiento los pollos con una mezcla de agua y hielo. Los pollos entran al chiller a 38°C y salen a 4°C. El Departamento de Agricultura de los Estados U Unidos nidos requiere un rebose de 0.5 0.5 galones de agua por pollo procesado, y este debe ser reemplazado por agua fresca para mantener el nivel del líquido en el chiller. Hielo derretido es parte de este requerimiento de rebose. Si la planta procesa 7000 pollos/h y el promedio  por pollo es de 0.98 kg, con contenido de grasa del 17%, 18% de solidos no grasos y 65 % de agua. Calcular la relación de peso de hielo y agua que debe ser adicionada al chiller para tener la cantidad requerida de rebose y el nivel de enfriamiento. Agua fresca está a 15°C, y el rebose está a 1.5 °C. El calor latente de fusión del hielo es de 334860 J/Kg. 

4.  Para fabricar formaldehido se hace reaccionar una mezcla de metano y aire en un lecho catalítico, en el cual tiene lugar la reacción 

Al reactor se alimenta aire fresco fresco y metano a 177°C y ppresión resión atmosférica. Para mejorar el rendimiento se introduce 100% de exceso de aire respecto al estequiométrico. A pesar pesar de ello, sólo se transforma transforma a formaldehido el 15% del del metano alimentado, quemándose 0.5% del mismo a CO 2 y H2O. Los gases calientes abandona el reactor a 192 °C. Para eliminar el calor desprendido en la reacción se hace circular agua a 27°C por una camisa exterior, de la que sale a

 

42°C. En un ensayo de 4 horas se obtuvieron en los productos de reacción 13.3 kg de agua. Calcular el caudal de agua de refrigeración necesaria. 30

 

Data Adicional:

5. Problemas Adicionales 1.  Problema 5.8 Fermentación de etanol Texto   Principios de ingeniería de los bioprocesos P. Doran pág. 112. 2.  Problema 20. Texto  Balance de materia y energía: Proceso Procesoss industriales R. Monsalvo et al. pág. 99

REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS 1.  Felder, R. y Rousseau, W. 1991. PRINCIPIOS ELEMENTALES DE LOS PROCESOS QUÍMICOS. 2da Edición. Addison - Wesley Iberoamericana,, S.A. E. U. A. Iberoamericana 2.  Henley, E. y Rosen, E. 1995. CÁLCULO DE BALANCES DE MATERIA Y ENERGÍA. Editorial Reverté, S. A. España 3.  Himmelblau, D. 1997. PRINCIPIOS BÁSICOS Y CÁLCULOS EN INGENIERÍA QUÍMICA. 6 ta Edición. Prentice - Hall Hispanoamericana, S. A. México. 4.  Doran P.1998 PRINCIPIOS DE INGENIERÍA DE LOS BIOPROCESOS Editorial Acribias S.A. S.A: Zaragoza, España España.. 5.  Valiente, A. 1999. PROBLEMAS DE BALANCE DE MATERIA Y ENERGÍA EN LA INDUSTRIA ALIMENTARIA. 2ª.  Edición. Editorial Limusa, S. A. de C. V. México.  

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Seminario N° 1 Elaboración de la Maqueta OBJETIVOS: 1.  Diseñar todo el proceso 2.  Construir una maqueta acerca del producto o servicio elegido.

FUNDAMENTO TEORICO Este trabajo pretende elaborar proyectos de diseño en las asignaturas específicas de ingeniería química e ingeniería ambiental, involucrando a docentes y alumnos de manera de profundizar el conocimiento de los distintos procesos y equipos estudiados. Los proyectos de diseño se basan en la utilización de maquetas tradicionales y electrónicas con lo que se pretende aumentar la visión espacial de equipos y plantas industriales. Al realizar una maqueta, el alumno se ve obligado a interpretar los planos y diagramas que la representan por lo que deben elaborar mentalmente una representación tridimensional del objeto con el fin de el transformar los materiales de que dispone en una maqueta a escala que coincida con objeto representado. Asimismo, este tipo de actividad fomenta el trabajo en grupo, un estilo de tareas muy valorado en el ámbito  profesional en el el que están próximos a ingresar. Las maquetas logradas en esta etapa fueron mostradas y explicadas a los alumnos de 1er año en una charla taller realizada y fueron expuestas en el edificio de la Facultad hasta el final del año en un lugar de acceso a aulas para ser observadas por todos los alumnos que circulaban por el sector. Los beneficiarios directos del proyecto son los alumnos involucrados, promoviendo tareas de diseño e investigación y un acercamiento a la  profesión. Se espera espera promover eell espíritu investigativo e ingenieril en los alumnos alumnos..

 

FIGURA 1. Esquema de una maque maqueta ta industrial 32

 

FIGURA 2. Alumnos explicando los pr procesos ocesos representados representados en las maqueta maquetass

Escala: La escala es la relación matemática que existe entre las dimensiones reales y las del dibujo del  dibujo que representa la realidad sobre un plano o un mapa. Es la relación de  proporción que existe entre las medidas medidas de un mapa con las originales. Es decir, cuantas cuantas veces fue reducida la superficie original para ser representada. Las escalas se escriben en forma de razón de razón donde el antecedente indica el el valor  valor del plano y el consecuente el valor de la realidad. Por ejemplo la escala 1:500, significa que 1 cm 1 cm del plano del plano equivale a 5 m en la realidad. Ejemplos: 1:1, 1:10, 1:500, 5:1, 50:1, 75:1. Si lo que se desea medir del dibujo es una superficie, una superficie,   habrá que tener en cuenta la relación de áreas de figuras semejantes, por ejemplo un cuadrado de 1cm de lado en el dibujo. Para Planta Grande 1:100;

Planta Chica 1:40 (Preferible Hoja Oficio).

Tubería: A escala la longitud, más no el diámetro. Usar aalambre lambre galvanizado. galvanizado. Equipos: Materiales de desech desechoo y a escala tanto Diámetro como Altura. Bombas: Representación proporcional.

Plano Unitario: Muestra el área de proceso y la distribución de los equipos (LAY-

 

OUT). Siguen las pautas del texto Rase y Barrow Ingeniería de Proyecto para Plantas de Procesos. 33

 

FIGURA 3. Distribución de P Planta. lanta. Ejemplo de PLAN PLANTA TA DE PRODUCCIÓN D DE E DETERGENTES SINTÉTICOS. Algunas reglas más ccomunes: omunes: 1.  Área de proceso (parte central), área de auxiliares y área de edificaciones (a los costados opuestos del plano). 2.  Tanques de stock, lejos del área de proceso. 3.  Tanques de retención en el área de proceso. 4.  Espacio disponible al tendido de equipo. Es relacionado con la elevación de los mismos y con equipos de transferencia de masa. 5.  Las bombas deben colocarse a 1m de distancia 6.  Los intercambiadores, intercambiadores, reactore reactores, s, suficiente espacio para mantenimiento. 7.  Color plateado para los equipos de proceso. 8.  Oficinas son Estructura Cerradas y Planta de Proceso Estructura Abierta.  9.  Dar espacio que circule las maquinas herramientas. 10. Dar espacio para la futura expansión. Ver texto Vilbrandt y Dryden Industriales. 

Ingeniería Química del Diseño de Plantas

TRABAJO PRACTICO: Conocido su Proceso y Ta Tamaño maño de Plan Planta ta y usando Material Reciclable esbozar esbozar el Layout de su Proyecto. Presentarlo en una Hoja Tamaño Oficio.

 

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Figura 4. Ejemplos de Distribución de Plantas Industriales para Confeccionar Maqueta  

35

 

BIBLIOGRAFIA BIBLIOGRAF IA RECOMENDADA

1.  Rase, F.; Barrow, M. H. 1983. INGENIERÍA DE PROYECTOS DE PLANTAS DE PROCESO, C.E.C.S.A. México. 2.  Vilbrandt, F. C.; Dryden, C. E. 1983. INGENIERÍA QUÍMICA DEL DISEÑO DE PLANTAS INDUSTRIALES. Editorial Grijalbo S.A. México. 3.  Perry R. & D. Green 1984 PERRY’S CHEMICAL ENGINEER HANDBOOK 6th Edition Editorial McGraw-Hill New York.USA. 4.  Ulrich G. 1986 DISEÑO Y ECONOMIA DE LOS PROCESOS DE INGENIERIA QUIMICA  Nueva Editorial Interamericana S.A de C.V.. México D.F. México. 5.  Austin G. 1989. MANUAL DE PROCESOS QUIMICOS EN LA INDUSTRIA . Tomos I, II y III,  1ra  Edición en español. Editorial McGraw-Hill/Interamericana de México S.A, México. 6.  6.  Peters M and K. Timmerhaus 1992 PLANT DESIGN AND ECONOMICS FOR CHEMICAL ENGINEERS Editorial McGraw Hill Company New York. USA. 

 

36

 

Práctica N° 6 Dimensionamiento de Equipos por Métodos Cortos OBJETIVOS: 1.  Establecer tipo métodos métodos cortos para diseño ddee equipos 2.  elegido. Construir una tabla para discernir tal situación, acerca del producto o servicio

FUNDAMENTO TEORICO Muchos ingenieros proyectistas (químicos e incluso ambientales) han adquirido una razonable destreza para desarrollar cálculos detallados y precisos para llevar ll evar a cabo el diseño, el análisis, el predecir la operación de los diferentes equipos  presentes en los procesos iindustriales. ndustriales. Esta experiencia se denomina métodos de cálculos cortos y hay una serie de lineamientos y pautas para utilizarlos en el diseño rápido de equipos.

Dichos métodos están basados en técnicas heurísticas, las cuales pueden ayudar en la realización rápida de los cálculos preliminares. Pero son métodos falibles y difíciles de justificar y se deben considerar como una ayuda hacia la solución del  problema. Una regla heurística es una declaración relacionada con el dimensionamiento de equipo, las condiciones de operación o el funcionamiento de un equipo que rreduce educe las necesidades de cálculo. Estas reglas son valiosas para diseños preliminares y estimación de costos. Más aún, ellas dan las perspectivas y el fundamento por medio del cual se pueden valorar la racionalidad de los cálculos detallados y asistidos por computador.

 

Figura 6.1 Maqueta una Planta Industrial 37

 

Tabla 6.1. Factores de Diseño y Esca Escalamiento lamiento de Equipos

 

38

 

Tabla 6.2. Requerimientos de potencia y velocidades de agitación en tanque con pantalla

Tabla 6.3. Tensión máxima para recipientes a presión

 

(Referencia: Diseño de Plantas de Luis Moncada Albitres versión on line)

39

 

Tabla 6.4. Reglas heurísticas de capacidades máxima y mínima utilizadas normalmente .

 

 

40

 

Tabla 6.5 Reglas heurísticas heurísticas sobr sobree el efecto efecto de los m materiales ateriales típicos de construcción construcc ión en el color del producto, la corrosión, la abrasión y el efecto sobre los catalizadores

Tabla 6.6 Velocidades de reactores químicos Reacción Química Cracking catalítico Tostación concentrado

Velocidad Kg/h.m2  1200 - 2000 100 - 250

 

Calcinación 250 - 500 (Referencia: Vilbrant ycaliza Dryden_ Ingeniería Química del Diseño de Plantas) 41

 

Métodos Cortos de Diseño (Resumen Capítulo 7 Introducción a la Ingeniería de Procesos. Margarita González Bambilla)

1.  Línea de flujo, bomba y motores: a.  Velocidad fluidos Descripción Velocidad (pie/s) Descarga bomba Succión bomba Vapor o gas Con diámetro (D)

5 + D/3 1.3 + D/6 20 D

Caída Presión (lb/pulg2/100 pies) 2.0 0.4 0.5

b.  Válvula de Control ΔP = 10 psi. c.  Potencia de una bomba

: eficiencia. d.  Para potencia de 74 kW (100 HP) se utili utilizan zan motores eléctricos Turbinas de vapor si potencia es mayor 77 kW. e.  Eficiencia de bomba centrífuga: Gastoo (gal/min) Gast (gal/min) Gasto Gasto (m /min) 0.378 100 1.89 500 37.80 10000

Eficiencia Eficiencia (%) 45 70 80

f.  Tipos de bombas Flujos (m3/min)

0.06 –  19  19 0.08 –  –   378 0.0387  190  190 0.0378 –  37.9  37.9

Cabeza(pies)

Eficiencia(%)

Bomba

500

65 - 80

Centrífuga

40 50,000 100,000

 –  65 50 –  85  80  80 70 - 90

Axiales Rotatorias Reciprocantes

2.  Compresores, Compresores, ventiladores, sopladores: a.  Flujos compresibles:

b.  Flujo isotérmico: 2

 

G: velocidad másica Kg/s. m   42

 

c.  Se usan Ventiladores para ΔP = 12 pulgadas de agua  Sopladores con ΔP =40 lb/pulg2 (2.75 bar) Compresores con ΔP > 100 psi.   d.  Relación de compresión, RC = p 2/p1  RC Eficiencia, % 1.5 50 2.0 75 3a6 80 - 85 p2: presión de descarga p1: presión de succión e.  Eficiencia de compresor rotatorio: 70% f.  Para compresor multietapa

g.  Potencia teórica de un compresor- gas ideal. 

Te: Temperatura entrada de los gases 3.  Tipos de Recipientes de Proceso: Volumen Tipos de Tanque (recipiente) < 3,800 L Tanque verticales 3,800 - 38,000 L

> 38,000L

Tanques horizontales sobre concreto Tanques verticales sobre concreto  

a.  Relación optima L/D = 3 (2.5 a 5.0) b.  Tiempo de residencia 5 min SEPARADORES 5 –  10 min RECIPIENTES QUE ALIMENTAN A TORRE. c.  Velocidad del gas en separador (m/s) k = 0.0305 recipientes sin malla. k = 0.11 recipientes para condensación, con malla.  

43

 

4.  Equipo de Intercambio Térmico: a.  Intercambiado Intercambiadores res y envolvente a contracorr contracorriente, iente, F T = 0.9. (FT: factor térmico) Si F T < 0.85 reconfigurar intercambiador intercambiador..

b.  Características: Diámetro Envolvente (pie) (cm) 30 1.0 60 2.0 90 3.0

Área (pie2) 100 400 1100

Intercambia Intercambiador dor 2 (m ) 9.3 37.2 102.0

c.  Por los tubos debe circular fluidos corrosivos, sucios y de mayor  presión, mientras que por la envolvente envolvente circulan fluidos vviscosos. iscosos. d.  La diferencia de temperatura mínima entre la corriente de proceso y la de servicios auxiliares es de 10°C. Fluidos convencionales es de 5°C y refrigerantes es de 10°C. e.  Para propósitos de diseño, la temperatura de entrada del agua de enfriamiento es de 30°C y la de salida no debe ser mayor a 45°C. 

f.  Coeficientes Globales de Transferencia de Calor Servicio Agua –  Líquido  Líquido Condensadores Líquido – Líquido Líquido Líquido –  Gas  Gas Gas –  Gas  Gas Hervidor 

Coeficiente (W/m2.°C) 850 850 280 60 30 1140

g.  Intercambiadores de Doble Tubo, son competitivos para cargas térmicas requeridas para 100 –  200  200 pies2 de área. h.  Para transferencia de calor por conducción Temperaturas -  130 °C 345 °C 870 –  1040  1040 °C 1040 ° C a más

Aislantes Aire entrampado Magnesia Asbestos o mezcla tierra diatomeas Cerámicos

i.  Espesores adecuados Temperatura Pared Temperatura Espesor Optimo 200 °F 1.27 cm 0.5 pulg 95 °C 400 F 2.54 cm 1.0 pulg 200 °C 600 °F 3.20 cm 1.25 pulg 315 °C

 

44

 

5.  Torres de Separación: a.  Separación α12 = b.  Caso separar mezclas multicomponentes: i.  efectuar la separación más fácil ii.  con variación significativa de volatilidad, separar el componente más volátil. iii.  con variación significativa de concentración, pero las volatilidades relativas son semejantes, se recomienda separar los componentes en orden decreciente de concentración.

c.  R opt opt = 1.2R min min  d.  NP = 2 Nmín 

e.  f.  Mezclas binarias Punto de Burbuja Punto de Rocío g.  Espaciado entre platos es de 0.5  –  0,61  0,61 m h.  Factor de Absorción de Kremser-Brown-Souders A = L/(mV) varía entre 1.25 a 2.0.

i.  Eficiencia de platos Torre de destilación 60 - 90 % Absorción 10 –  20  20 %  j.  Altura máxima de de la torre 53 m (17 (1755 pies). Otro criterio criterio es 20 < L/D < 30. k.  Para torres empacadas su diámetro es menor a 91.4 cm (3pie). l.  HETP = Z/N, en donde Z=altura del relleno y N=Número de platos teóricos. Para torre de diámetro 1 pulg., HETP= 0.40 a 0.55 m diámetro 2 pulg., HETP = 0.75 a 0.90 m

 

m.  Torres con D>0.9m añadir 1.3 altura y 1.8 m en fondo. 45

 

n.  Para alturas de empaque hasta 0.9 m, se utilizan materiales con estructura geométrica definida como materiales no estructurados. estructurados. o.  Caída de presión Tipo de Torre Absorbedores Regeneradores Atmosférica A vacío

∆P

cm agua/m empaque 2.1 –  3.3  3.3 0.8 - 2.1 3..3 –  6.7  6.7 0.8 –  3.3  3.3

8.33 Valor máximo p.  Torres de dispersión se construyen con alturas entre 6 y 12 m. q.  Las torres empacadas deben operara en niveles de líquidos próximos al 70% de inundación. 6.  Reactores a.  La tasa de reacción para cada tiempo se establece en el laboratorio. b.  Proporcione Proporcioness para tanque agitado HL = D. Para presiones atas es más económico geometrías más delgadas. c.  Caso reactor catalítico, el diámetro de partícula en lechos fluidizados, dP = 0.1 mm; en lechos escurrido, dP = 1mm y en lechos fijos, dP = 2 a 5 mm. d.  Potencia del reactor de 0.1  –   0.3 kW/m3, pero aumenta hasta 3 veces cuando se requiere transferencia de calor. e.  Reactores por lote se llevan a cabo en recipientes agitados para tasas de producción pequeñas diarias, o cuando los tiempos de reacción son muy grandes. f.  Reacciones relativamente lentas en fase líquida de deben ben llevar llevarse se a cabo en recipientes agitados continuos. Utilizarlos en serie, es más económico. g.  Reactores tubulares son útiles cuando tienen altas tasas de producción en tiempos de residencia pequeños y cuando se requiere transferencia d calor. h.  Efecto de la temperatura en la tasa de reacción es el doble cada 10°C.

i.  La tasa de reacción en sistemas heterogéneos normalmente por el transporte de calor o de masaes y controlada no por la cinética de la reacción. 7.  Evaporadores a.  Evaporadores verticales de tubos largos sson on los más comunes. Diámetros de 19 y 63 mm y longitudes entre 3.6 y 9 m.  b.  Circulación forzada forzada dentro del tubo con con velocidades velocidades de 4.5 6 m/s. c.  Elevación del punto de ebullición ebullición para sólidos disueltos es de 5.4 a 10.8 °C. d.  La economía de vapor de n etapas es 0.8 n lb evapo evaporado/lb rado/lb va vapor por externo.  

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8.  Mezcladore Mezcladoress y Agitadores:

a.  Agitación moderada con velocidades de 0.1 a 0.2 pies/s Una agitación intensa para velocidades de 0.7 a 1.0 pies/s. b.  Intensidad de la agitación Operación Mezclado Reacción homogénea Reacción transferencia calor Mezclado L –  L  L Mezclado L –   G G Lodos

Potencia (HP/1000 galones) 0.2 0.5 –   –  0.5  1.5  1.5 1.5 –  5.0  5.0 50 5.0  –  10  10 10

c.  Proporción H = D Di = 1/3 D d.  La potencia requerida para mezclar G  –   L puede ser 25  –   50% menor que la requerida para mezclar líquido sólo.

PRACTICA Con la información consultada e internet, diseñar los equipos de su planta iindustrial ndustrial usan métodos cortos de cálculo.

BIBLIOGRAFIA CONSULTADA 1.  Perry R. & D. Green 1984 PERRY’S CHEMICAL ENGINEER HANDBOOK 6th Edition Editorial McGraw-Hill New York. USA. 2.  Rase H. y M Barrow 1984 INGENIERIA DE PROYECTOS PARA PLANTAS DE PROCESO 9na reimpresión CECSA Mèxico.  3.  Jiménez A. 2003. DISEÑO DE PROCESOS EN INGENIERIA QUIMICA. Editorial Reverté S.A. Barcelona. España. 4.  González M. 2013 INTRODUCCION A LA INGENIERIA DE PROCESOS Editorial LIMUSA S.A. de C.V. México DF. México.

 

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Práctica N° 7 Diseño de Equipos. Parte I: Transporte de Fluidos y Transferencia de Calor  

OBJETIVOS: 1.  Establecer tipo de equipo utilizado en Transporte de Fluidos y Transferencia de Calor. 2.  Diseñar equipos de Transporte de Fluidos y Transferencia de Calor.

FUNDAMENTO TEORICO Transporte de Fluidos Un fluido fluye (discurre) por cualquier conducto, contiene energía que consiste en energía interna, energía energía potencial, energía ddee presión y energía cinética. cinética. El fluido fluye a través de conductos cilíndricos y otros, siendo el valor Número de Reynolds  determinante para saber si el régimen laminar (Re5000). El numero adimensional de Reynolds se define como Re=d*u*ρ/µ.  Las  propiedades físicas importantes so sonn la densidad (ρ) y la viscosidad (µ). 

El fluido se transporta venciendo resistencia que enfrenta en la tubería y accesorios para llegar a su destino. Una instalación de bomba para el transporte de fluido entre los  puntos a y b, se muestra en la figura adjunta. La bomba le transmite fuerza en forma de  presión, denominada ímpetu o momento, y hace que el fluido se desplace entre ambos  puntos. Se aplica la ecuación del balance de continuidad y del balance de energía mecánica.

Figura 7.1 Esquema de una instalación de tr transporte ansporte de fluidos

 

48

 

Ecuación de Continuidad:

m1 = m2

… (1) 

Ecuación de Energía Mecánica: … (2)  El valor α, cuando el régimen es turbulento es α = 1 

El valor de  hF  ó  ΣF se determina por Pérdidas de Carga, que incluye al factor de Fanning. La determinación práctica de este factor cuando se conocen las propiedades físicas del fluido (densidad y viscosidad), las características de la tubería (diámetro y longitud) y el caudal del fluido se lleva a cabo del modo siguiente:

1.  Se determina la velocidad a partir del diámetro y el caudal. 2.  Se calcula el valor de R e.  3.  4.  5.  6. 

Se determina ε/D de la gráfica 1-3 (Texto ( Texto Ocón y Tojo) Se determina f de la gráfica 1-4 (Texto Ocón y Tojo) Se determina la longitud equivalente de la figura 1-2 (Texto ( Texto Ocón y Tojo) Se calcula perdidas de energía: 

hF ó ΣF = f * (LT/D)*(u2/2gc) 

.… (3)

Se indica que LT= Longitud tubería recta + Longitud equivalente 

Luego esta en información aplica ecuación energía mecánica, paradeterminar encontrar Wla, expresada m o sea se igual a Hen. la Esta últimadeinformación sirve para potencia de la bomba, de modo que: …. (4)

En donde Q: caudal circulante, m3/s ρ: densidad del fluido Kg/m3 

W: altura de bombeo, m

 

factor: 76 Kg-m/s = 1 HP η: eficiencia 50 –  80  80 % 49

 

Diseño y Selecciòn del Equipo de Bombeo: Tabla 7.1. Velocidades recomendadas para fluidos en tuberìa

En En  hidráulica, hidráulica,   la NPSH (acrónimo acrónimo  de Net Positive Suction Head ), ), también conocido como ANPA (Altura Neta Positiva en la Aspiración) y CNPA (Carga Neta Positiva en Aspiración), es una cantidad utilizada en el análisis de la cavitación de una instalación hidráulica. La NPSH es un parámetro importante en el diseño de un circuito de  bombeo de bombeo  que ayuda a conocer la cercanía de la instalación a la  la  cavitación.  Si la  presión punto Este del circuito es menor de vapor del líquido, esteo entrará en algún cavitación. fenómeno, similarquea la la presión vaporización, puede dificultar impedir la circulación de líquido, y causar daños en los elementos del circuito.

NPSH = HS –   –  H  HPV …. (5)  en donde HS : Carga Total de Succión, pies o m. HPV: Carga por Presión de Vapor, pie o m

 

Figura 7.2. 7.2. ¿Cómo calcular NP NPSH SH disponible?. 50

 

El NPSH está relacionado con el fenómeno de la cavitación. Al igual que la altura de elevación, el caudal de impulsión y la potencia absorbida, representa una de las características más importantes para una bomba. Se distingue entre el NPSH de la instalación (NPSHA o NPSHdisponible ) y el NPSH de la bomba (NPSHP o NPSHrequerido).

NPSHdisp.> NPSHreq. ….. (6)  Supóngase que el valor NPSHdisponible  de una instalación sea de 3 m. La bomba seleccionada en función del caudal y de la altura de elevación dispone de un valor NPSHrequerido  de 4 m. Al comprob comprobarse arse la condición (6), se hace hace evidente que la instalación de bombeo no puede funcionar. Si la condición (6) no se cumple, es decir, si el valor NPSH disp. es inferior al valor  NPSHreq., la bomba funciona en cavitación, es decir, el líquido se evapora en el interior de la bomba. Las consecuencias son las siguientes: a) caída del caudal y de la presión de impulsión, b) fuerte formación de ruidos y vibraciones, aparición de efectos de abrasión en los impulsores y posiblemente destrucción de los mismos.

Transferencia Transferenc ia de Calor: Sólo se produce transferencia de calor cuando existe una diferencia de temperatura, y toda transferencia de calor cesa cuando las temperaturas se igualan. i gualan. El calor se transmite de tres formas: a)  Conducción: El calor se transfiere por contacto directo entre un cuerpo a otro.  b)  Convección : El calor se transfiere por líquidos y gases calentados, que al ser más liviano que el aire tienden a elevarse. c)  Radiación: El calor se transfiere a través del espacio por ondas calóricas que viajan en línea recta en todas direcciones.

 

Figura 7.3 Mecanismos de Transferen Transferencia cia de Calor: Conducción, Convección y Radiación Radiación 51

 

Un intercambiador de calor es un dispositivo diseñado para transferir  calor   calor entre dos medios, que estén separados por una barrera o que se encuentren en contacto. Son parte esencial de los dispositivos de calefacción, calefacción,   refrigeración, refrigeración,   acondicionamiento de aire,  aire,   producción de energía de energía y procesamiento procesamiento químico.  químico.   .

Figura 7.4 Intercambiadores de D Doble oble tubo y de Casco y Coraz Corazaa

Ecuaciones Básicas para el Análisis Térmico de Intercambiadores de Calor Calor del fluido caliente 

qC = (m*CP)C(TC1-TC2) Calor del fluido frio

qF = (m*CP)F(TF1-TF2) Calor Transmitido

qT = U*A*ΔTln en donde A = π*D*L  El valor de U Coeficiente Global de Transferencia de Calor  suele también se obtiene de datos tabulados.  De las ecuaciones anteriores, se obtiene el valor del área de transferencia, A,

 

 por lo que el problema problema se reduce reduce a determinar previame previamente: nte: 52

 

i. 

El coeficiente global de transferencia de calor, U

en donde hX  coeficiente individual de transferencia de calor k conductividad térmica de pared metálica x espesor de la pared metálica Los coeficientes de trasferencia de calor por convección se definen de la correlación de Dittus & Boelter:

Nu = 0.023 Re0.8Prn tomando el valor de n= 0.3, cuando el fluido se enfría y n=0.4 cuando el fluido se calienta. Un dato interesante es que las propiedades físicas de los fluidos se toman a un valor de temperatura media, respectivamente. De la expresión anterior de donde donde Nu= Núme Número ro de Nussetl k = conductividad térmica fluido, W/m.K D = diámetro del tubo interno, m hi = coeficiente de película, W/m2.K

ii. 

El diferencial de temperatura media logarítmica, ΔTln

Figura 7.5 Caída Media Media Log Logarítmica arítmica de Temperatura  

53

 

Intercambiadores Intercambiado res de calor multietapas

qT = U*A*(FT*ΔTln)  en donde FT es el Factor de Corrección Breve explicación Mediante la ecuación de diseño se evalúa el área requerida por el problema y se compara con el área disponible calculada en base al número de tubos, longitud y diámetros elegidos. Se presentan dos casos: a) Si el área requerida es superior a la disponible se ha supuesto un valor de Uo muy alto y debe disminuir aumentando el tamaño de la carcasa al inmediato superior; o de una forma un poco más rápida disminuyendo el Uo supuesto anteriormente en un 5% aproximadamente y repitiendo el cálculo  b) Si el área disponible es superior superior a la requerida se tiene que: • Si el área en exceso es inferior al 10%, el problema se considera term terminado. inado.  • Si el área en exceso está ubicada entre un 10% y 15% y las condiciones de proceso

exigen una buena cercanía de temperaturas de salida pueden espaciarse los bafles para aumentar el área requerida hasta que el exceso del área sea inferior al 10%. Si se requiere mucha aproximación se procede a reducir el tamaño de la carcasa al inmediato inferior calculando de nuevo el intercambiador, en caso contrario se puede dar por terminado el problema. •carcasa Si el porcentaje de inferior exceso en dellaárea superior al 15%alsearreglo disminuye el tamaño de el la al inmediato tablaescorrespondiente elegido, o se toma

valor de Uo obtenido en la última prueba y se disminuye en un 5% o 10% aproximadamente y se inicia de nuevo el cálculo.

Figura 7.6 Factor Térmico de Corrección, FT, para Caída Media Logarítmica. Intercambiador Coraza y Tubos1-2 (Un paso por coraza y dos o más pasos por tubos).

 

54

 

PRACTICA Transporte de Fluidos 1.  Una instalación fabril consume 40 m 3/h de agua que toma de un río  próx  pr óx im o situado a 15 m de desnivel del depósito de la fábrica. Calcúlese el costo diario de bombeo si el agua se conduce a través de una tubería de 3 ”  de acero comercial y de 240 m de longitud total, incluyendo los accesorios. El kilovatio  –   hora cuesta 0,30 pesetas, y el rendimiento es del 80%. Considera la temperatura de 20°C. 2.  Para concentrar una solución de NaCl se bombea desde un deposito almacén hasta un evaporador, a través de una tubería lisa de 3 cm de diámetro interno, a razón de 200 m 3/día. A la temperatura de bombeo la densidad de la solución es de 1150 kg/m3 y su viscosidad de 2.5 centipoises. Calcular a.  La pérdida de presión por fricción si la longitud total de la tubería es de 50 m.  b  b..  La potencia necesaria para vencer la fricción. c.  Si el Kw-h, cuesta $0.01, calcule el costo mensual. 3.  .

 

55

 

4.  Un dispositivo colocado al final de una tubería se puede utilizar para medir el caudal que circula por la misma. El agua circula por la tubería horizontal. En la rama vertical el fluido esta estático habiendo subido una altura h 1., la sección de la tubería en el punto 1, es 10 cm 2 y la salida 5 cm 2, si el caudal volumétrico que circula por la tubería es Q=10-3m/s. Hallar h1. 5.  Cálculo del NPSH Elevación = 500 pies arriba del nivel del mar. Temperatura del Agua Carga de Succión (Hs) == 21°C 13 pies Capacidad = 300 Galones por Minuto (GPM) Longitud del Tubo de Succión (Acero) = 13 pies  pies 

Transferencia de Calor 1.  Un carpintero construye una pared. Hacia el exterior coloca una lámina de madera (k = 0.08 W/mK) de 2 cm de espesor y hacia el interior una capa de espuma aislante (k = 0.01 W/mK) de 3,5 cm de espesor. La temperatura de la superficie interior es de 19º C, y la exterior es  – 10º 10º C. Calcular: a)  la temperatura en la unión entre la madera y la espuma,  b)  la razón de flujo de calor por m2 a través de esta pared. 2.  En un intercambiador de calor se desea enfriar 1000 Kg/h de aceite (Cp = 2 J/gK) desde 80 °C hasta 60 °C. Para lograr el enfriamiento se dispone de 1100 Kg/h de agua (Cp = 4.18 J/g- K) a 25 °C. Sí el coeficiente total de transferencia de calor, basado en el área exterior de los tubos, se mantiene constante en 500 W/m2-K, determine el área de transferencia de calor necesaria si se emplea: I.  II. 

Un intercambiador doble tubo en arreglo en paralelo Un intercambiador doble tubo en arreglo a contracorriente

3.  Se requiere diseñar un intercambiador de calor de doble tubo para recuperar calor de desecho de una salmuera geotérmica. Se debe enfriar un flujo de 7.2 Kg/s de salmuera de 340 K a 308 K por medio de 9 Kg/s de agua a 300 K. Se estima que el coeficiente global de transferencia de calor en ausencia de ensuciamiento es de 1500 W/m2-K, y que la resistencia por ensuciamiento del lado de la salmuera es de 0.002 (W/m-K )-1. ¿Cuál es el área de transferencia de

 

56

 

calor que debería tener el intercambiador? El calor específico medido de la salmuera es de 3480 J/Kg-K. ¿Recomendaría emplear un intercambiador de calor doble tubo para este servicio?, justifique su respuesta. 4.  Consideremos una fermentación aerobia con glucosa que se transforma en  biomasa y consume 0.42 g O 2/m3s. Suponer que se tiene una agitación donde se aplica 4 kW/m3 y que se evaporan 19 kg de agua/h. (Calor latente: 2430 Kj/kg agua). En a figura adjunta se observa el esquema del equipo:

La geometría de la agitación en el fermentador se considera estándar (D T=T=H) con el diámetro del agitador centrado, D = 1m de tipo turbina con N=1 rps. Se introduce una hélice de enfriamiento (serpentín) mediante una bomba que enfría a flujo de agua fría de 10°C a 0.003 m3/s, en un tubo de cobre de 5 cm y pared de 2 mm, siendo la conductividad térmica del cobre 50 W/m.K y el valor de hsuciedad  = 10 4  W/m2.K. Calcular el área de la hélice de enfriamiento o serpentín de enfriamiento.  Sugerencia: Calcular calor a eliminar Calcular temperatura de agua de refrigeración Longitud de serpentín de enfriamiento Calcular el coeficiente global de transferencia de calor Calcular caída media logarítmica Calcular el área de transferencia de calor.

BIBLIOGRAFIA BIBLIOGRAFI A CONSULTADA 1.  Kern, D.Q. 1974. PROCESOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR , 8ª impresión. CECSA. México. 2.  Ocón G. y J. Tojo  1978. PROBLEMAS DE INGENIERIA QUIMICA, Tomos: I y II . Aguilar de Ediciones S.A. Madrid. España 3.  Levenspiel O. 1996 FLUJO DE FLUIDOS E INTERCAMBIO DE CALOR Editorial Reverté S.A. Barcelona. España. 4.  Mc Cabe W., Smith J. y P. Harriott 2002 OPERACIONES UNITARIAS EN INGENIERÍA QUÍMICA Editorial Mc Graw Hill/Interamericana de Editores

 

S.A: México DF. México. 57

 

Práctica N° 8 Diseño de Equipos  Parte II: Transferencia de Masa y Operaciones de Separación  OBJETIVOS: 1.  Establecer tipo de equipo utilizado en Transferencia de Masa y Operaciones de Separación. 2.  Diseñar equipos de Transferencia de Masa M asa y Operaciones de Separación.

FUNDAMENTO TEORICO Los fenómenos de transporte tienen lugar en aquellos  procesos,  procesos,   conocidos como  procesos de transferencia, en los que se establece el movimiento de una  propiedad (momentum, masa o energía) en una o varias direcciones bajo la acción la  acción de una una fuerza  fuerza impulsora. Al movimiento de una propiedad se le llama flujo. Los procesos de transferencia de masa   son importantes ya que la mayoría de los  procesos químicos requieren de la purificación inicial de las materias primas o de la separación final de  productos y subproductos. Para esto en general, se utilizan las operaciones de transferencia de masa. Con frecuencia, el costo el costo principal  principal de un un proceso  proceso deriva de las separaciones (Transferencia de Masa). Los costos  por separación o  purificación dependen directamente de la l a relación entre la concentración inicial y final fi nal de las sustancias separadas; sí esta relación es elevada, también serán los costos de  producción.    producción. En muchos casos, es necesario conocer la velocidad de transporte de masa a fin de diseñar o analizar el equipo industrial para operaciones unitarias, en la determinación de la eficiencia la  eficiencia de etapa, que debe conocerse para determinar el número de etapas reales que se necesita para una separación dada. Algunos de los ejemplos del papel que juega la transferencia de masa en los procesos industriales son: la remoción de materiales contaminantes de las corrientes de descarga de los gases y aguas contaminadas, la difusión de neutrones dentro de los reactores nucleares, la difusión de sustancias al interior de poros de carbón activado, la rapidez de las reacciones químicas catalizadas y  biológicas así así como el acondicionamiento acondicionamiento del aire, del aire, etc.  etc. La Ley de Fick   es el modelo matemático que describe la transferencia molecular de masa, en sistemas o procesos donde puede ocurrir solo difusión o bien difusión más convección. JA = DAB*(dCA/dZ) El término operaciones de separación, en ingeniería química,  química,  se refiere a todas aquellas operaciones básicas cuyo objetivo es separar total o parcialmente uno o varios compuestos de una mezcla.  La separación de los compuestos puede basarse en multitud de fenómenos, tales como los de transporte de masa,  masa,  equilibrios termodinámicos, termodinámicos,   fenómenos físicos, fenómenos  físicos, interacciones  interacciones químicas  químicas u otros. Hay métodos que permite determinar las etapas de equilibrio o platos teóricos, de una forma rápida y precisa, resaltando el Método de McCabe-Thiele*. Otros métodos usan Graficas, Nomogramas y ecuaciones

 

algebraicas. 58

 

*

Método McCabe-Thiele En química, En  química,   el enfoque gráfico presentado por McCabe y Thiele en 1925, en 1925,   conocido como el método de McCabe-Thiele, se considera el más simple y quizás el más ilustrativo para el análisis de la destilación la  destilación fraccionada fraccionada binaria.  binaria. Este método usa el hecho de que la composición de cada  cada  plato teórico (o etapa de equilibrio) está totalmente determinada por la  la fracción molar de uno de los dos componentes del destilado. El método de McCabe-Thiele se basa en el supuesto de desbordamiento de molar constante que exige que: Los calores molares de vaporización de los componentes de la alimentación son iguales. Así para cada mol de líquido vaporizado se condensa un mol de vapor. Los efectos del calor, tales como calores de disolución y la transferencia de calor hacia y desde la columna de destilación se consideran despreciables.

Procedimiento Procedimien to para Destilación 1.  Trazar el diagrama de equilibrio del componente más volátil. 2.  Se traza la diagonal (0,0:1,1) 3.  Se localiza los puntos XF, X D  y X W, los cuales fueron previamente calculados y se proyectan sobre la diagonal. 4.  Se traza la línea de operación de la alimentación, a partir del punto XF   proyectada en en la diagonal, esta línea de operac operación ión puede tener hasta 5 posicion posiciones es de acuerdo a las características de la alimentación.

 

Figura 8.1 Condiciones de Alime Alimentación ntación en un De Destilador stilador 59

 

5.  Se traza la línea de operación superior a partir del punto (XD) proyectado sobre la diagonal con la inclinación ya sea con la formula. Aquí se encuentra un punto de intersección con la línea de alimentación, F.

6.  Se traza la línea de operación inferior uniendo los puntos X n proyectado sobre la diagonal y el punto que encontramos en el paso 5. 7.  Se trazan escalones iniciando desde el punto XD  proyectado en la diagonal,  primero horizontalmente hacia la izquierda hasta la curva, luego verticalmente hasta la línea de operación superior sucesivamente hasta llegar a la línea de alimentación, en donde los siguientes escalones se siguen trazando de la misma forma entre la curva y la línea de operación inferior. Si el último escalón no es completo se calcula la parte proporcional del escalón que le corresponde. 8.  Se localiza el plato de alimentación como aquel escalón que cruza con la línea de alimentación. 9.  Se cuentan los escalones, identificándolos con platos ideales, Uno de ellos será siempre la caldera. 10. Vea el ejemplo gráfico,

 

Figura 8.2 Calculo de Etapas Teór Teóricas icas en una Colum Columna na de Destilación 60

 

Procedimiento para Absorción 1.  Calculo de la torre: Altura, N etapas Gráfico y Algebraico Diámetro 2.  Métodos Gráficos

Figura 8.3. Criterio de Absorción Se aprecia que que la línea de operación está por encim encimaa de la línea de equilibrio porque en cada etapa hay más soluto en el gas que en la interfase.

Método grafico análogo a Mc Cabe Thiele, considerar: Línea de operación recta: Gas portador insoluble y solvente no volátil. El calor de absorción es despreciable. La operación es isotérmica.

 

Figura 8.4 Aplicación del método de McCabe-Thiele 61

 

3.  Método Analítico

  En donde

A : Factor de Ab Absorciòn sorciòn A = L/Gm H: Constante de Henry. x : composición del soluto en fase líquida y : composición del solutoen fase gas

Columna de Relleno: Las torres empacadas se usan para el contacto continuo a contracorriente de un gas y un líquido en la absorción y también para el contacto de un vapor y un líquido en la destilación. La torre consiste en una columna cilíndrica que contiene una entrada de gas y un espacio de distribución en el fondo, una entrada de líquido y un dispositivo de distribución en la parte superior, una salida de gas en la parte superior, una salida de líquido en el fondo y el empaque o relleno de la torre. El gas entra en el espacio de distribución que está debajo de la sección empacada y se va elevando a través de las aberturas o intersticios del relleno, así se pone en contacto con el líquido descendente que fluye a través de las mismas aberturas. El empaque proporciona una extensa área de contacto íntimo entre el gas y el líquido. Se han desarrollado muchos tipos diferentes de rellenos para torres. Estos empaques y otros rellenos comunes se pueden obtener comercialmente en tamaños de 3 mm hasta unos 75 mm. La mayoría de los empaques  para torres están construidos con materiales inertes y económicos tales como arcilla,  porcelana o grafito. La característica de un buen empaque es la de tener una gran  proporción de espacios vacíos entre el orden del 60 y el 90%. El relleno permite que volúmenes grandes del a contracorriente con respecto al gas que fluye a relativamente través de las aberturas, conlíquido caídaspasen de presión del gas relativamente bajas. La ecuación de diseño indica que

Z = HTOG * NTOG  en donde HTOG: Altura del Elemento de Transferencia, unidades de longitud G/K ya Kya Coeficiente Global Global de Transferencia Transferencia de Masa Masa

NTOG: Numero de Elemento de Transferencia, adimensional adimensional  

62

 

El valor de la integral puede puede calcularse calcularse por la formula explicitada explicitada en en :

La parte analítica implica que la expresión numérica anterior, se puede descomponerse en expresiones menores menores que mejore la performance de una una columna de relleno. Implica el conocimiento del tipo de relleno relleno y sus sus características características hidráulicas para este fin. Literatura como Treybal Treybal R. y Ocón y Tojo ayudan al respecto. respecto.

 

Figura 8.5 Número de Elementos de Transmisión 63

 

Figura 8.6 Operaciones Unitarias de Separación por Transferencia Simultánea de calor y Masa.

Figura 8.7 Planta de Destilación Alcohólica, Alcohólica, Control de una Columna de destilación

 

Figura 8.8 Absorción Gaseosa. Gaseosa. Lavador de Gases. Con parte parte del relleno 64

 

PRACTICA

1.  Un aceite que contiene 2,55% en moles de un hidrocarburo volátil se somete a stripping con vapor de agua en una columna de platos. Se desea reducir el contenido de hidrocarburo hasta el 0,05%. Se emplean 4 kmol de vapor por cada 100 kmol de aceite tratado. El aceite no es volátil y la columna tiene un sistema interno de calefacción que mantiene constante la temperatura impide la condensación vapor de y  agua. La, donde relación del en hidrocarburo viene dada pordel la expresión:  = 33 x   =  y esvapor-líquido la fracción molar el vapor y  x  la fracción molar en el líquido. Calcular el número de platos teóricos necesarios.  2.  En una torre de relleno se recupera amoníaco de una corriente de aire en la que se encuentra en una concentración del 5% mediante absorción con agua. El flujo de gas es de 1,25 m3 N/(s.m2) y el del líquido de 1,95 kg/(s.m2). La temperatura de entrada del gas es de 295 K y la del agua de 293 K. El coeficiente global de transferencia de materia (K G.a.PT) tiene un valor de 0,113 kmol/(s.m3) y la  presión total t otal es de 101,3 kPa. Los perfiles p erfiles de composición y temperatura de la fase líquida en la columna se recogen en la tabla. Determinar la altura de la columna si se separa el 95% del amoníaco. Desarrollar un procedimiento de cálculo para el diseño de una columna de absorción no isotérmica, considerando que está aislada térmicamente (adiabática) y que la transferencia de calor entre fases es despreciable.

Datos de equilibrio Fase Líquida x (frac. molar)

Calor de disolución (kJ/kmol disolución)

Temperatura (K)

0,00

-0

293,0

0,005

-181

295,4

0,01

-363

297,8

0,015

-544

300,2

0,02

-723

302,6

0,025

-905

304,8

 

65

 

3.  Una columna de rectificación se alimenta con 100 kg mol/h de una mezcla de 50% mol de benceno y 50% mol de tolueno a 101.32 kPa de presión absoluta. La alimentación es un líquido a su punto de ebullición. El destilado debe contener 90% mol de benceno y el residuo 10% mol de benceno. La relación de reflujo es 4.5:1. Calcule: A)  Los kg mol/h de residuo, los kg mol/h de destilado B)  El número de platos teóricos necesarios. C)  La razón de reflujo mínimo, R m  D)  El número mínimo de platos teóricos a reflujo total. Haga uso de los siguientes datos de equilibrio para la alimentación de benceno-tolueno. Fracción mol de benceno a 101.325 KPa XA

yA

1.000

1.000

0.780

0.900

0.581

0.777

0.411

0.632

0.258

0.456

0.130

0.261

0

0  

66

 

4.  Una lámina de peso inicial de 5 kg contiene inicialmente 50 % de humedad, siendo sus dimensiones 50x100x10 cm. La humedad de equilibrio cuando está en contacto con el aire a 25°C y 35% de humedad es del 5% del del peso total. En la tabla siguiente se da la velocidad de secado para el contacto con el aire anteriormente indicado ya una velocidad determinada… El secado se realiza por

una sola cara. Calcular el tiempo de secado necesario para obtener un producto con una humedad final del 20%, base humedad. Peso de lámina húmeda, kg

9.1 7.2

5.3 4.2

3.3 2.9

2.7

Velocidad de secado, Kg/m2.hr

4.9

4.4

3.4

1.0

Sugerencia

4.9

3.9

2.0

tsecado= (Ls/A)dX/NC

5.  Se desea reducir el contenido de SO2 de una corriente de aire desde 2% hasta 0,1% molar empleando agua como liquido absorbente. ¿Cuál es el caudal mínimo de agua necesario para efectuar la separación deseada, por cada mol/h de gas a tratar?, la constante de Henry a las condiciones de operación se puede considerar como 40 bar.  6.  Se tiene un torre empacada que usa gua como líquido lavador para remover 200  ppm de fenol (PM=92) con una corriente de aire de 30000 pie3/min a 30°C. calcular la cantidad de agua necesaria para remover el 95 % del soluto en cuestión. Ahora Ahora si la torre trabaja a 60% del punto de inundación, calcular el diámetro de la torre, la altura y la caída de presión. El empaque de la torre es Montura Berl de 1 pulgada.

Datos: m = 0.04 Gc = 36.25 lb/s= 1.25 lbmol/s ScC  = 1.824 ρC = 0.07249 lb/pie3  ρS = 62.4 lb/pie3 ScS = 34.64  

67

 

BIBLIOGRAFIA BIBLIOGRAFI A CONSULTADA 1.  Ocón J. y G. Tojo  1978.  PROBLEMAS DE INGENIERIA QUIMICA, Tomos: I y II, Aguilar S.A. de Edic Ediciones. iones. Madrid. Espa España. ña. 2.  Treybal R. 1980  OPERACIONES CON TRANSFERENCIA DE MASA  McGraw-Hill México DF. México. 3.  Geankoplis Ch. 1998. PROCESOS DE TRANSPORTE Y OPERACIONES UNITARIAS. Compañía Editorial Continental S.A. de C.V. México. 

 

68

 

Práctica N° 9 Diseño de Equipos. Parte III: Reactores Ambientales 

OBJETIVOS: 1.  Establecer tipo de Reactor utilizado en Tratamiento Ambiental 2.  Diseñar reactores para uso ambiental.

FUNDAMENTO TEORICO La operación básica química, la reacción química se llevaba a cabo cuando unos reactivos son transformados en unos productos, rompiendo enlace y formando nuevos  productos. Se emplean los reac reactores tores químicos. En un Reactor Ambiental, el diseño consiste básicamente en determinar el tiempo y/o tamaño de la operación para obtener las cantidades deseadas de productos. Deben suponerse conocidos la ley de velocidad (así como las constantes involucradas en ella), y los parámetros termodinámicos para el balance de energía (sobre todo en operaciones no isotérmicas); la estimación de datos de velocidad resulta básica, tanto con fines de diseño como para la “selección cinética de alternativas”.  Los reactores ambientales, son dispositivos mecanicos donde se lleva a cabo una degradaciòn de un contaminante y/o producción de un producto valioso, es decir con valor agregado. En los equemas adjuntos ssee puede puedenn apreciar los diferentes tipos de reactores ambientales:

 

Figura 9.1 Reactor Químico y Reactor Biológico 69

 

Diseño de Reactores Como su propio nombre indica, el diseño de reactores  es la ciencia y el arte de seleccionar, crear y diseñar   reactores reactores químicos con un propósito específico: llevar de reactivos a productos de la forma más eficiente posible. Probablemente esta disciplina es la que establece a la ingeniería química como una rama independiente de la ingeniería. Para tal fin es necesario conocer tanto la cinética la  cinética como la termodinámica la termodinámica de las reacciones de interés. En la figura 9.2, se aprecia el esquema de un reactor químico.

Figura 9.2. Esquema de un reactor químico: Un CSTR y un PFR con chaquetea Introducción al Balance de Materia y Energía Sea el comportamiento de un reactor químico, con una reacción:

, de modo que

 

70

 

En donde

a : área sección transversal del reactor. : densidad. F : flujo de masa que entra y sale del reactor. r eactor. h : nivel del fluido dentro del tanque. xA, xB : fracción en peso de los componentes A y B. Cp: calor específico. Ts : temperatura del vapor. As: área intercambio calórico. Us: coeficiente de transmisión. ΔH: calor de reacción. 

k 0: factor de frecuencia fr ecuencia de Arrenhius EA: energía de activación R : constante universal de los gases.

Diseño del Reactor Ambiental Muchas veces aparece como definición de velocidad de reacción la siguiente expresión:

Esta expresión se hace válida para sistemas discontinuos. Los sistema de flujos se diseñan normalmente a estado estacionario y no hay diferencial con respeto a tiempo. Las ecuaciones de diseño son:

1.  Reactor Intermitente (Batch):  Trabaja a estado no estacionario y es el más sencillo sería un tanque agitado. La composición es uniforme en cualquier instante. La ecuación de diseño:

2.  Reactor Continuo Agitado (CSTR): Trabaja en régimen estacionario y supone que la reacción alcanza la máxima conversión en el instante en que la alimentación entra al tanque. Este reactor se caracteriza porque considera que existe un mezclado perfecto y la velocidad de reacción y la concentración son idénticas en todo todo el tanque. La ecuación de diseño:

∆x 3.  Reactor Flujo en Pistòn (PFR): Trabaja en regimen estaconario. En este tipo de rector la composiciòn del fluìdo varia de un punto a travès de la direcciòn del flujo. La ecuación de diseñ diseño: o:  

71

 

Figura 9.3 Tipos de Reactores Ambientales más usados

Figura 9.4 Clasificación de reactores  

72

 

Al diseñar reactores, el método gráfico  es apropiado para determinar el volumen de reactor. Se  plotea plotea 1/r A versus XA ó CA, obteniéndose una gráfica característica como la adjunta:  Se aprecia comportamiento para Reactor Batch o Reactor Flujo en Pistón y Reactor Tanque Agitado de Mezcla Completa.

Figura 9.5 Obtención de Áreas de Reactores De las ecuaciones anteriores se obtienen las siguientes expresiones:

CSTR PFR Breve Explicación: Se puede observar que si curva cinética es siempre creciente, el área bajo la curva para un CSTR   siempre es mayor que para un PFR ; manteniéndose todas las demás condiciones iguales. Esto quiere decir en pocas palabras, que, si desea igual conversión, se necesita un reactor más grande en el caso de un CSTR  que  que en un PFR  y  y así se diseña un reactor químico. Puede haber combinación de reactores para lograr alguna conversión apropiada.

 

73

 

PRACTICA

1.  Ensayos de laboratorio sobre hidrolisis del anhídrido acético con a concentraciónn inicial, C  = 0.215 mol/L han concentració h an dado los siguientes resultados: A0 t(min) 1 3 5 7 10 15 CA0 10°C 0.2037 0.1830 0.1633 0.1473 0.1280 0.0942 CA0 20°C 0.1920 0.1536 0.1222 0.1385 0.0695 0.0401 CA0 60°C 0.0619 0.0051 0.0004 0.0 0.0 0.0 Un reactor discontinuo se carga con 250 kg s de la disolución de anhídrido en agua, con la misma concentración y una densidad de 1.050 kg/L a 15°C. La capacidad calórica puede considerarse constante (0.9 kcal/Kg.°C) y el calor de reacción es de -50 kcal/mol. Calcular el tiempo preciso para alcanzar una conversión del 80% en las siguientes condiciones: a.  Operación isotérmica a 15°C  b.  Operación adiabática con una temperatura inicial de 15°C. 2.  En un reactor CSTR fue operado a varias tasas de flujo para colectar data de tasa específica de crecimiento. La data se muestra a continuación

S (mg/L) 20.2 10.0 6.6 5.0 4.0

µ (h- ) 0.66 0.50 0.40 0.33 0.28

Calcular la máxima tasa especifica de crecimiento ( µMAX) y la constante de tasa velocidad media (K S). Sugerencia : Desarrolle el problema con aplicación de Ecuación de Monod.

3.  Considere la conversión irreversible de un reactante simple A  a simple producto P, de acuerdo a la reacción A -  P. Evalué la siguiente data para determinar si la reacción es de orden cero, primer orden, segundo orden u otro. También determine la magnitud de la constante k Tiempo (minutos)

Concentración A (g/L)

0 11

1.00 0.50

20 48 105

0.25 0.10 0.05

 

74

 

4.  En un reactor reactor discontinuo, se planifica la co conversión nversión de A -   R. La reacción se lleva a cabo en fase líquida y la data es la siguiente: si guiente: 

CA (mol/L) 0.1

-rA (mol/l.min) 0.1

0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 1.0 1.3 2.0

0.3 0.5 0.6 0.5 0.25 0.10 0.06 0.05 0.045 0.042

Calcular el tiempo de reacción para que la concentración inicial de 1.3 mol/ L descienda a una concentración final del 0.3 ml/L

5. 

BIBLIOGRAFIA BIBLIOGRAF IA RECOMENDADA 1.  Levenspiel O. 1974  INGENIERÍA DE LAS REACCIONES QUÍMICAS. Editorial Revertè Revertè S.A S.A.. Barcelona. Perú. 2.  Mines R. and L. Lackey 2009 INTRODUCTION TO ENVIRONMENTAL ENGINEERING Editorial Source Prentice Hall USA . 

 

75

 

Práctica N° 10 Diseño de Equipos  Parte IV: Equipos Misceláneos  OBJETIVOS: 1.  Establecer tipo de equipo utilizado en diversos campos de la ingeniería ambiental 2.  Diseñar equipos de uso misceláneos para aplicarlos en Ingeniería Ambiental.

FUNDAMENTO TEORICO Estos equipos forman parte de los llamados equipos auxiliares. En este rubro está el secado, humidificación, humidificación, caldera, espesadores, molinos y todo aquellos que sean útil para el proceso industrial. Puede aplicarse Métodos Cortos.

Figura 10.1 Secador y Tor Torre re de Enfriamiento

Figura 10.2 Determinación de propiedades propiedades de una mezcla air aire-vapor e-vapor de agua  

76

 

Figura 10.3. Diseño de Torre de Enfriamiento Z = HTOG*NTOG =

Figura 10.4 Cinética de Secado

 

Figura 10.5 Componentes de un Secador Industrial 77

 

Figura 10.6 Distribución de Temperatura a lo largo del Secador Rotatorio.

Figura 10.7 Esquema de Balance de Materia y Energía

Resumiendo Ls(X2 - X1) = Gs (Y1 - Y2) Ls ( HS2 –   –   H HS1) = Gs (HY1  –   –  H  HY2) + qP Q = Ua VS ∆TLN  en donde VS= volumen de secador, m3 Kcal/h.m3.°C GS = velocidad másica del aire, kg/h.m2  D = diámetro, m Z = HTOG*NTOG=

,m

CS : Calor húmedo= 0.245 +0.46Y  

78

 

Figura 10.8 Caldero de Vapor

Calculando la Superficie de Radiación

en donde Co = Coeficiente Coeficiente del cu cuerpo erpo negr negroo ε

= Coeficiente de emisión del cuerpo radiante. (0.65 - 0.75)

Ts = temperatura temperatura absoluta salid salidaa de gase gasess Tp = temperatura t emperatura absoluta de paredes del tubo Capacidades de la Caldera   Las calderas son clasificadas por la cantidad de vapor que puede producir en un cierto  período de  de tiempo tiempo  a una cierta temperatura. Las unidades más grandes producen 454,545 kg (1,000,000 lb) de vapor por hora. Las calderas se clasifican a 1 HP (0.745 fuerza  por  por cada 15.7 kg (34.5 lb) de agua que pueda evaporar por hora. kilowatts) de  de fuerza Otra definición es 1 HP (0.745 kilowatts) por cada 0.93 m 2 (10 pie2) de superficie de calentamiento en una caldera acuotubular ó 1.11 m2  (12 pie2) de superficie de calentamiento en una caldera humotubular. Equivalencias:  1 HP (0.745 kilowatts) hr de caldera = 15 lt. (4 galones) de agua evaporada por hora. 1 kg (2.2 lb) de evaporación por hora = 1 lt.(0.26 galones )evaporado por hora. 1 galón de evaporación por hora = 8.34 lbs de agua por hora. 1 HP de caldera = 15 kg (33.36 lb) de agua por hora.

 

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Calculando Ablandadores Tabla 10.1 Clasificación de Dureza del Agua Grano por galón Menos de 1gpg 1 –  3,5  3,5 3,5 –  7,0  7,0 7,0o –   10,5gpg 10,5 más

Tipo de dureza Suave Ligeramente Dura Moderadamente Moderadamen te Dura Dura Dura Muy

Datos de Técnicos de Diseño: Un pie cubico de resina tiene una capacidad de 25,000 granos a 9 libras de sal pero puede variar si varía la cantidad de sal que se utiliza para regenerarla. La capacidad estimada de 1 pie cúbico de resina al regenerarse con: 6 libras de sal = 20,000 granos Ahorra sal pero se regenera con más frecuencia 9 libras de sal = 25,000 granos Consumo normalmente usado 12 libras de sal = 28,000 granos Mayor consumo pero menos regeneraciones La capacidad de un suavizador varía de acuerdo a los pies cúbicos de resina y a la cantidad de sal que se utiliza para regenerar. 1 galón de agua disuelve 3 lb de sal o bien 1 litro de agua disuelve 360 gramos de sal. Por otro lado un pie cúbico de resina también tiene un flujo de agua que es capaz de suavizar: Flujo  Normal por pie cúbico: cúbico: 5 gpm Flujo P Pico ico por pie cúbico: 7.5 7.5 gpm hasta 50% adicional 

Figura 10.9 Esquema de un Ablandador Ablandador para Agua para Calde Caldero. ro. Ejemplo de Cálculos para seleccionar seleccionar suavizador d dee calderas:  Ahora estamos listos para proceder con un enfoque típico para seleccionar un suavizador de agua. Primero se reúne la información acerca de todos los aspectos del sistema de caldera discutidos en esta sección. Primero habrá que hacer un listado de todos los factores de nuestro diseño. La siguiente representa una planta de caldera típica de la cual podemos calcular la demanda la  demanda para  para un suavizad suavizador. or. (1) DETERMINAR LA DUREZA DEL AGUA  El análisis recibido o tomado está en partes por millón (ppm) o mg/l. Si se usa sistema inglés convertir a granos por galón (gpg). 400 ppm ÷ 17.1 = 23 gpg

 

80

 

(2) DETERMINAR LOS HP DE LA CALDERA  La capacidad de la caldera es en kg (libras) por hora de vapor. Convertir a HPs. 784 kg (1,725 lbs) por hora ÷ 15.7 (34.5) = 50 HP (3) DETERMINAR EL MAXIMO DE LITROS (GALONES) POR HORA DE AGUA DE RELLENO  La capacidad de la caldera es de 50 HP. Convertir los HP a litros (o galones) por hora de agua de relleno. 50 HP x 16 lt (4.25 gal.) por hora de relleno (4) DETERMINAR LA CANTIDAD DE CONDENSADO REGRESADO AL SISTEMA RELLENO  Y CALCULAR EL REQUERIMIENTO NETO DE AGUA DE El relleno por hora es de 800 litros (211 galones). El condensado regresado es del 50% o 400 litros (105.5 galones) por hora. 800-400= 400 litros (211 –  105.5  105.5 = 105.5 galones) de relleno netos por hora (5) DETERMINAR LOS REQUERIMIENTOS TOTALES DIARIOS DE RELLENO  400 litros (105.5 galones) de relleno netos por hora. El sistema de caldera opera 16 horas al día. 400 litros (105.5 galones) por hora x 16 horas = 6,400 litros (1,688 galones) por cada día de operación. (6) DETERMINAR LOS GRAMOS COMO CaCO3  (o GRANOS) DE DUREZA TOTALES QUE DEBERAN SER REMOVIDOS DIARIAMENTE  6,400 litros (1,688 galones) por día con una dureza de 400 ppm o 400 mg/l o 0.4 g/l (23 granos por galón). 6,400 litros x 0.4 g/lt = 2,560 g (1,688 galones x 23 gpg = 38,824 granos) de dureza seca necesitan ser removidos del agua cada día. La respuesta en nuestro sexto paso de 2,560 gramos (38,824 granos) de dureza seca para ser removidos del agua diariamente, nos lleva a nuestro enfoque final al seleccionar un suavizador de agua. Debido a la naturaleza la  naturaleza de la iimportancia mportancia de obtener agua suave para el agua de alimentación de la caldera, debemos dejar un margen de error en nuestro  proceso de selección. selección. Comúnmen Comúnmente, te, este margen es del 15%. La multiplicación multiplicación de 2,560 gramos (38,824 granos) por día x 1.15 da por resultado una demanda total de remoción de 2,944 gramos (44,648 granos) por día que necesitan ser removidos.

 

Figura 10.10 Tanque a Pre Presión sión y Almacenam Almacenamiento iento de Líquidos 81

 

Figura 10.11 Molinos Industriales

PRACTICA De acuerdo a los equipos de su planta industrial esboce el diseño de los equipos misceláneos. Use información de la literatura, internet y proveedores.

BIBLIOGRAFIA BIBLIOGRAFI A CONSULTADA 1.  Rase H. y M. Barrow 1977 INGENIERIA DE PROYECTO PARA PLANTAS DE PROCESO CECSA México D.F. México. 2.  Perry R. & D. Green 1984 PERRY’S CHEMICAL ENGINEER HANDBOOK 6th Edition Editorial McGraw-Hill New York. USA. 3.  Walas S. 1990 CHEMICAL PROCESS EQUIPMENT. Selection and Design. Butterworth-Heinemann, a division of Reed Publishing (USA) Inc. USA. 4.  Peters M and K. Timmerhaus 1992 PLANT DESIGN AND ECONOMICS FOR CHEMICAL ENGINEERS 4th Edition. Editorial McGraw Hill Company  New York. USA. 5.  Sinnott R. y G. Towler 2009 DISEÑO EN INGENIERÍA QUÍMICA Editorial Reverté S.A. Barcelona. España  

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Seminario N° 2 Diseño de y Distrib Distribuciòn uciòn de una Planta de Industria Alimentaria Objetivos: 1.  Reunir datos para para la construcción de una planta industrial. 2.  Emplear métodos cortos y método de Guerchet para una construcción de  planta industrial. Fundamento Teórico: En primer lugar se debe buscar representar el conocimiento que se tiene de la planta o fabrica, tal como la calificación necesaria de la materia prima de cada  producto,concentración  producto,conc entración del líquido de gobierno, temperatura de cierre, tiempo y temperaturas de esterilización. Además de contar con normas de control de calidad.

1.  ¿Qué se va a fabricar y cuánto?: Tipo de Pro Producto ducto Duraznos Peras Tomates al natural Mermeladas de durazno Duraznos al banquete Pimientos Salsa concentrado tomate

Canti Cantidad dad en tarr tarros os 520,000 1,500 53,440 62,600 9,5000 108,900 395,000 1 tarro = 560 gramos neto.

2.  Agrupación de los diversos procesos: 2.1. Líneas con Exhauster: Duraznos, pera, tomates al natural, cerezas, damascos,, cabezas de esparragos damascos esparragos,, arverjitas y pimientoss 2.2. Líneas sin Exhauster: Mermeladas de duraznos mermeladas de damascos y salsa concnetrada de tomates. El exhauster es un túnel con una cinta transportadora, donde se realiza la aplicación de vapor saturado al producto para generar el vacío necesario para la etapa posterior de tapado. Esta maquinaria también es conocida como un Eyector en el cual el fluido de succión es un gas. El fluido motriz puede ser un líquido o un gas. El eyector es una bomba de vacío, movida por vapor, que no tiene partes móviles y que es capaz de alcanzar presiones absolutas de entre 1 micrón y 30" pulgadas de Hg.

 

Figura Exhauster Industrial 83

 

3.  Estudios de la líneas: Líneas con Exhauster: El durazno debe tener una línea propia, ya que el proceso así lo indica. En esta línea se procesan los damascos y pueden procesarse los  pimientos. Luego hay necesidad de planear 2 líneas para las arverjas, tomates al natural, cabezas de esparragos, cerezas, peras,etc. Ya que pueden procesar 2  productos diferentes diferentes en forma simultánea. simultánea. Líneas sin Exhauter: Son una línea para tomate, que es totalmente automática con capacidad mínima de 1500 kg/h y una línea de mermelada.

4.  Calculo de los Equipos: Para efecto de poder entender el asunto se evaluará la línea de durazno, ya que nos dará una idea cabla de las necesidades de espacio. 4.1. Estaciones de Trabajo :  Número de Rayadoras Rayadoras y Deshuesadoras: Deshuesadoras:

Tiempo para deshuesar = 0.008 horas Tiempo de Producción = 2600 * 0.008 = 20.8 horas. Se necesitan 24 deshuesadora. Las mesas de trabajo deben ir de par (12 mesas). Como cada espacio es de 1.2 m por ca cada da mesa de trab trabajo. ajo.

12 * 1.2 = 14.4 metros 4.2.  Para la Selección: Como un operario chambea 7200 tajadas de durazno por hora, y como se tratan 2600 tarros, que es aproximadamente aproximadamente 26,000 tajadas., luego

Por seguridad dar 6 operarios ( 3 mesas). Cada lugar de trabajo deshuesadora es de 0.85 metros, luego

3*0.85= 2.5 metros 4.3. Mesa de Envase y Selección Final: Se asume que un operario puede llenar un tarro de conservas en 0.0007 horas (2.52 segundos), luego:

 

2600 * 0.0007 = 1.8 horas 84

 

Se asume que por aumento de producción se necesitan 3 operarios. operarios . La estación de trabajo por cada operario es de 1 metro de largo, por lo que la mesa debe tener por lo menos 4 metros.

4.4. Cuadro Resumen Equipos Seleccionador Raya-Deshuesado Peladora Selección Envase Almibadora Exhauster Tapadora Area Total

Largo , m Ancho, m Altura, m Espacio, m Are Area, m 1.7 0.8 18.0 7.2 1.2 0.9 0.6 63.0 14.4 3.2 2.1 0.5 6.6 9.0 0.75 0.9 0.5 4.8 2.5 0.9 0.8 0.6 4.8 4.0 0.6 2.9 0.7 4.4 2.0 0.3 5.6 0.5 7.0 6.0 1.15 0.78 1.8 0.7 1.8 1.3 108.8

5.  Superficies Necesarias 5.1.Bodega de recepción : Mes de máximo volumen Febrero 2016  Días de trabajo : 24 Productos Duraznos Peras Tomates naturales Mermelada durazno Pimientos Salsa concentrada Total

N° tarros 520,000 1,500 53,440 62,600 108,960 395,000

Kilogramos 327,600 945 89,245 32,552 56,659 288,350 795,351

Se procesaran

Se conoce que para esta pla planta nta existe el equiva equivalente lente 1 m2 = 220 kg Por lo que la superficie será:

Añadiendo un 10% por seguridad queda 165 m2  

85

 

5.1.1.  Sala de Elaboración: Línea de durazno 108.9 m2. Se supone que las otras 2 líneas son iguales a esta, de modo que:   108.8 * 3 = 326.4 m2 Cuadro Resumen 2

Ambiente Fabrica Sala de Elaboración Línea de Mermelada Línea de Tomate  Autoclave SubTotal 1 Margen de se seguridad, guridad, incluye pasillos Total

Area,m 326.4  10.0 40.0  15.0 391.4 258.6 650.0

5.1.2.  Bodega de Semielaborados: Producción 570, 000 tarros –  Tarros de 560 g Producción diaria = Si se aperchan en montones ordenados de 88 cm, de altura y 8 hileras de tarros parados, obtendremos:  N° tarros por hilera = Superficie de tarro = 0.0065 m2 2

Superficie media = 2,980 * 0.006 0.00655 = 19. 4 m .

Producción 100,000 tarros –  Tarros  Tarros de 200 g Producción diaria = Si se aperchan en montones ordenados de 90 cm, de altura y 12 hileras de tarros parados, obtendremos:  N° tarros por hilera = 2

 

Superficie de tarro = 0.0042 m Superficie media = 365 * 0.004 0.00422 = 1.5 m2. 86

 

Producción 450,000 tarros –  Tarros  Tarros de 125 g Producción diaria = Si se aperchan en montones ordenados de 70 cm, de altura y 15 hileras de tarros parados, obtendremos:  N° tarros por hilera = Superficie de tarro = 0.0042 m2 Superficie media = 1,2 1,250* 50* 0. 0.0042 0042 = 5.2 5.2 m2. Cuadro Resumen Ambientes fabrica Superficie media 1 Superficie media 2 Superficie media 3 SubTotal 1

Area , m2  19.4 1.5 5.2 26.1 10.4 36.5

SeguridadSubTotal 40% 22

Producción por una semana 36.5 * 7 = 254.5 m2 Superficie de 2 etiquetadoras ( 20 m2 c/u) = 40.0 m2  Total  = 300.0 m2 

5.1.3.  Bodega de Productos Elaborados Tarro, g

835 560 360 280 200 125 Total

CANTIDAD unidades

20000 1442260 996000 874600 217920 600400

VOLUMEN APERCHADO cm3 

960 755 440 377 310 190

VOLUMEN VOLUMEN VOLUMEN TOTAL EN CAJON TOTAL 3 3 cm   cm   cm3 

19200 1088900 438240 141224 67552 114076 1869198

1100 825 485 438 356 218

22000 1261977 483060 164075 77559 130887 2139578

Se supone que: 10 % del volumen total aperchado: 0.10*1869 = 187 m3  60% del volumen total encajonado:0.60*2139 = 128 m 3 Superficie necesaria para aperchado de tarros sin encajar. 187/2 = 93.5 m2  Superficie necesaria producción encajonada. 1280/4.5 = 250.0 m2 

 

87

 

Calculando Área = 93.5 + 285 = 379.0 m2 Área con seguridad (pasillos) = 379*1.2 = 455 m 2

5.1.4.  Calderas Se procesan 33 toneladas/día (1375 kg/h) Capacidad disponible 5 HP/ton (20% emergencia) 33*5*1.2 = 200 HP Se recomienda una superficie de 50 m2 5.1.5.  Baños y Servicios Se supone para la planta industrial 83 hombres y 59 mujeres Artefacto Área Número Área Número Empleado Unitaria Artefacto Hombre Artefactos Hombre Mujer W.C. 0.8 5 1.0 5 Urinarios 0.3 5 1.5 0 Lavatorio 0.3 5 1.5 4 Duchas 1.0 2 2.0 1 Total 9.0

Área Mujer 4.0 0 1.2 1.0 6.2

Casilleros (35x40 cm) cuya área es de 0.14m2 

2

Hombres Mujeres ---  0.14*83  0.14*59 ==11.62 8.26mm 2 

Ambiente Baño Casilleros Espacio

Cuadro Resumen Hombres 9.0 11.6 30.9 50.5

Mujeres 6.2 8.3 21.8 36.3

Con margen Área Baño y Servicios = 100 m 2  5.1.6.  Bodega varios Contiene azúcar, hojalata, misceláneos. Stock máximo de azúcar = 12500 Kg, en sacos de 50 kg.  Número de sacos = 12500/250 = 250 sacos sacos.. 3 Volumen de cada saco = 0.060 m . Margen seguridad Volumen = 250*0.060*1.3= 20 m3 . Aperchado en montones de 2 metros de altura. alt ura. 2 Superficie = 20/2 = 10 m Stock Máximo de Hojalatas = 900 cajones. Volumen de cada caja = 0.025 m3 Margen seguridad Volumen = 900*0.025*1.3 = 30 m2 Aperchado en montones de 2 metros de altura. alt ura. 2 Superficie 30/2 = 15 m Resumen de Superficie de Bodega = 25 m2 Considerando una superficie 4 veces mayor Superficie actual de la Bodega = 100 m 2

 

88

 

5.1.7.  Otros ambientes 2   Fábrica de Envases : Aproximadamente 150 m   Envases: es: Para una semana de trabajo,   Taller de fábrica de Envas 2 aproximadamente 80m   2   Resumiendo: 230 m   2   Taller Mecánico: 20 m con dos bancos mecánicos . 2   Comedor : 30 m  

CUADRO RESUMEN TOTAL AMBIENTES DE FABRICA Bodega de recepción Sala de elaboración Bodega de Semielaboración Bodega Elaboración Caldero Servicios Higiénicos Bodega de varios Fabrica Envases Taller Mecánico Comedor

SUPERFICIES,m 165 650 324 455 50 100 10 231 15 30

Total

2120

6.  Distribución Ideal de la Planta: Se conoce como la técnica de planificar e integrar las rutas de los componentes de un producto para obtener, de la manera más efectiva y económica, las interrelaciones entre los hombres, equipo y movimiento de los materiales. La filosofía de distribución pregona un flujo en forma de U. SALA DE PROCESOS (1) Recepción y pesaje (2) Selección y calibrado (3) Lavado y desinfección (4) Mesón de pelado y envasado (5) Extracción de pulpa (6) Sala de Control de Calidad (7) Extracción de jugo (8) Marmitas doble fondo (9) Autoclave (10) Selladora-tapabot Selladora-tapabotellas ellas (11) Empaque y rotulado (12) Lavaplatos doble (13) Sala de caldera (14) Bodega de insumos i nsumos (15) Bodega de productos (16) Vestidores de hombres (17) Baños de hombres (18) Vestidores de mujeres (19) Baños de mujeres

 

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Figura 1. Distribución de Equipos de Planta de IIndustria ndustria Alimentar Alimentaria ia

Trabajo Practico A su proyecto y/o informe de de investigación unentro diagrama flujo, y  postule la distribución distribución futura sus equiposelabore y oficina de lade maqueta. maqueta.

Referencia Bibliográfica 1.  Administración de Cooperación Internacional. 1961 MANUAL DE ADMINISTRACION DE FABRICAS DE CONSERVAS. Editorial ICHA México. 2.  Grupo de Postrecolección y Refrigeración …  DISEÑO DE PLANTAS INDUSTRIALES DE PROCESADO MINIMO. Universidad Politécnica de Cartagena. España. (versión on line)  

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Trabajo Práctico N° 12 Evaluación del Impacto Ambiental

OBJETIVOS: 1.  Entender conceptos ambientales. 2.  Evaluar Impacto Ambiental de un proyecto.

TEORIA: Cuando una actividad antropogenica o industrial se lleva a cabo, siempre ha de ocasionar impacto en su entorno. En este sentido, uno de los desafíos del crecimineto económico es su articulación con las mejoras de las condiciones de vida y distribución de los beneficios económicos en la población y también con la preservación de los recursos naturales.

Figura 12.1 Impactos Ambientales Algunos Conceptos Breves 1.  Impacto ambiental Es la alteración  que se produce en el ambiente cuando se lleva a cabo un  proyecto o una actividad. Las obras públicas como la construcción de una carretera, un pantano o un puerto deportivo; las ciudades; las industrias; una zona de recreo para pasear por el campo o hacer escalada; una granja o un campo de cultivo; cualquier actividad de estas tiene un impacto sobre el medio.  

La alteración no siempre es negativa. Puede ser favorable o desfavorable para el medio . 

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2.  Estudio de Impacto Ambiental : Estudio de evaluación, descripci´on y determinación de impactos de los aspectos físicos, químicos , biológicos, sociales, económicos y culturales en el área de influencia del proyecto, con la finalidada de determinar las condiciones existentes y capacidades del entorno, analizar el ecossitema y prever los riesgos directos e indirectos, indicando medidas de prevención y de control.  3.  Evaluación del Impacto Ambiental: Proceso analítico en el que se examinan sistemáticamente las posibles consecuencias ecológicas de la ejecución de  proyectos y programas y de la aplicación de políticas.

Figura 12.2 Simulacion del impacto generado por contaminante desechado al medio ambiente, generando un impacto negativo. 

Metodología de Evaluación del Impacto Ambiental  Numerosos métodos métodos han sido desarro desarrollados llados y usados en eell proceso de eva evaluación luación del impacto ambiental (EIA) de proyectos. Sin embargo, ningún método por sí sólo,  puede ser usado para satisfacer la variedad y tipo de actividades que intervienen en un estudio de impacto, por lo tanto, el tema clave está en seleccionar adecuadamente los métodos más apropiados para las necesidades específicas de cada estudio de impacto. Las características deseables en los métodos que se adopten comprenden los siguientes aspectos: 1) Deben ser adecuados a las tareas que hay que realizar. 2) Deben ser independientes de los puntos de vista personales del equipo evaluador. 3) Deben ser económicos en términos de costes y requerimiento de datos, tiempo de aplicación, cantidad de personal y equipos. Siguiendo un formato estandard de la EPA ( Enviromental Agency Protection) que reemplaza en forma breve, escritos de cientos de paginas sobre Evaluación del Impacto Ambiental, se puede presentar una evaluación del impacto ambiental. En el

 

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texto I ntrod ntroduct uctii on tto o E nvir nviro omenta ntall E ngi ne nee er i ng de Vesilind y Morgan (2004) sugiere de tres pasos para escribir una evaluación del impacto ambiental que incluye: inventario, valoración y evaluación. 1.  Inventario: Este primer paso preparar para un inventario de las condiciones medioambientaless del sitio propuesto y sitio alternativo que existen al tiempo del medioambientale reporte permitiendo recientes tendencias. 2.  Valoración: El método indica, primero, un factor de importancia ( IF) y un factor magnitud (MF) que son para el área que preocupa. escala parecida de 0 a de 5 se usa normalmente. Analizando el valor, se indica Una una no importancia  para IF y mínimo efecto para MF. De otro modo un valor de 5 indica una alta importancia y máximo efecto tanto para los factores IF  como para MF, respectivamente. Así mismo, el efecto de cada de preocupación medioambiental se le asigna un valor. Si el efecto ( E  ) es benéfico vale +1 y es perjudicial vale -1 . Luego el impacto ambiental (EI) se obtiene de la expresión siguiente:

3.  Evaluación: Es paso final para escribir la Evaluación del impacto ambiental, donde se analiza los resultados obtenidos de la performance de la valoración. Conclusiones finales se presentan al informe final.  

Ejemplo: Una nueva planta de tratamiento de agua residual se va a construir para servicio a un  poblado cerca de la provincia de Trujillo, área metropolitana. El diseño anticipado de las instalaciones fabriles  es de capacidad de 113,550 m3/día (aproximadamente 30 millones de galones por día). Se han propuesto dos alternativas para la disposición del efluente de la instalación fabril. Alternativa 1: Recomendar descarga descarga el efluente al río Moche. Alternativa 2: Sugerir esparcir el efluente a una foresta f oresta de eucaliptos (silvicultura). Use las siguientes tablas para evaluar las alternativas: Alternativa 1: Descargar al río Moche Área de Preocupació Preocupaciónn Polución del aire Polución fuente de agua Ruido Olor Polución agua superficial Chacra con arboles Vida salvaje

IF 0 0 1 3 5 0 5

MF 0 0 1 2 5 0 4

E -1 -1 -1 -1 -1 +1 -1

EI 0 0 -1 -6 -25 1 -20   -20  

-51

93

 

Alternativa 2: Silvacultura Área de Preocupació Preocupaciónn Polución del aire Polución fuente de agua Ruido Olor Polución agua superficial Chacra con arboles Vida salvaje

IF 4 4 1 2 4 5 4

MF 3 5 2 3 3 4 4

E -1 -1 -1 -1 -1 +1 +1

EI -12 -20 -2 -6 -12 20 16 -14

Solución Se aplica ecuación

EI =

Conclusión : El impacto global (EI) para la alternativa alternativa 1 es -51, mientras que para alternativa 2 es -14. Basado en este breve analisis, la alternativa 2 deberia ser seleccionada porque minimiza efectos adversos al medio ambiente.

PRACTICA

1.  En su proyecto industrial presentar una breve evaluacion del impacto ambiental, según Método de Vesilind y Morgan. 2.  La ciudad de Trujillo tiene dos alternativas para manipular lo lodos d su planta de tratamiento de gaus residuales. La primera alternativa involucra incinerar i ncinerar el lodo estabilizado, el cual luego se dispone como ceniza en un vertedero. La segunda alternativa alternativa es llevarlo afuera de lavciudad, atraves atraves de camiones y aplicarlo a la tierra de agricultura. Resolver la cuestion.

Alternativa 1 Area de preocupación Polución del aire Polución fuente de agua Ruido Olor Congestión Trafico

Factor Importancia 5 4 1

Factor Magnitud 5 2 1

22

21

Termino Efecto

Impacto Ambiental

 

94

 

Alternativa 2 Area de preocupación Polución del aire Polución fuente de agua Ruido Olor Congestión Trafico

Factor Importancia 5 4 3 4 2

Factor Magnitud 4 5 2 5 1

Termino Efecto

Impacto Ambiental

Sugerencia Evaluar Termino Efecto Ei . Beneficio (E = +1), Perjudicial (E = -1)

Referencia bibliográfica 1.  Víctor Cloquell et al. 2004 LOCALIZACIÓN INDUSTRIAL E IMPACTO AMBIENTAL. Editorial Universidad Politécnica de Valencia. España. 2.  Jesús Collazos Cerrón 2005 MANUAL DE EVALUACIÓN AMBIENTAL DE PROYECTOS Editorial San Marcos Lima. Perú. 3.  Héctor Rodríguez Díaz 2009 ESTUDIOS DE IMPACTO AMBIENTAL. Editorial Escuela Colombiana de Ingeniería. Colombia.

4.  Mines R. and L. Lackey 2009 INTRODUCTION TO ENVIROMENTAL ENGINEERING. Prentice Hall. New Jersey. USA.

 

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Trabajo Práctico N° 13 Ubicaciòn de Planta OBJETIVOS: 1.  Ubicar la planta industrial 2.  Discernir sobre puntos estrategicos de localización

TEORIA Ubicación de la Planta Industrial

Figura 13.1 Localización de Planta Industrial, indicando Micro y Macrolocalización.

La ubicación física de la organización es un aspecto muy importante en la práctica administrativa, ya que ésta mantiene una estrecha relaciónno entre la con productividad y el alto grado de eficiencia. Para ser productivos y eficientes basta una estructura armónica, ni sistemas y procedimientos de trabajo idóneos; es necesario estar ubicados geográficamente en un lugar estratégico, considerando factores externos como: accesibilidad, mano de obra disponible, consumidores, proveedores, condiciones ambientales, entre otros. Factores éstos que van a determinar en gran proporción su  permanencia en en el mercado co competitivo. mpetitivo.

Localización: En el estudio de localización se involucran dos aspectos diferentes: Macrolocalización: Es decir, la selección de la región o zona más adecuada, evaluando las regiones que preliminarmente presenten ciertos atractivos para la industria que se trate. Microlocalización: Es decir, la selección específica del sitio o terreno que se encuentra en la región que ha sido evaluada como la más conveniente.

 

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En ambos casos el procedimiento de análisis de localización abordará las fases de: 1.  2.  3.  4. 

Análisis preliminar. Búsqueda de alternativas de localización. Evaluación de alternativas. Selección de localización.

Factores que afectan a la localización  Las fuentes de abastecimiento. Los mercados, la localización de los clientes los clientes o usuarios. La localización de la competencia. La calidad La calidad de vida. La mano de obra. Los suministros básicos. Los medios Los  medios de transporte. de transporte.   Las condiciones climatológicas de la zona. El marco jurídico. Los impuestos Los  impuestos y los servicios públicos. Los terrenos y la construcción. la construcción.  

Figura 13.2 Factores de localización industrial

Métodos de Análisis para Localización de Planta Industrial: 1.  Método de los Factores Ponderados. 2.  Método del Centro de Gravedad.  

3.  Método del Transporte.  4.  Método Delfi.

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Método de los Factores Ponderados El equipo de estudio creado para la localización de una nueva planta de fabricación de leche condensada ha identificado un conjunto de criterios importantes para el éxito éxit o de la decisión, al mismo tiempo ha distinguido el grado de importancia de cada una de las alternativas, en una escala del 0 al 10.

Factores Proximidad a proveedores Costos laborales Transportes Impuestos Costos instalación Puntuación Total

% Peso Relativo 30 30 20 15 5

Alternativas A B C 10 7 7 7 9 5 6 6 9 7 6 9 2 8 7 6.65 7.30 7.45

La puntuación total para cada alternativa se calcula como la suma de las puntuaciones  para cada factor ponderado, según su importancia relativa. Así por ejemplo para la  puntuación de la alternativa A se obtiene del modo sig siguiente: uiente:

PA =7x0.30+5x0.30+9x0.20+6x0.15+7x0.05 = 6.65  Las alternativas B  y C parecen ser mejores que A. Entre las dos alternativas alternativas restantes, restantes, hay una pequeña diferencia a favor de C.

PRACTICA Elaborar el cuadro resumen acerca de la ubicación de la planta

REFERENCIA BIBLIOGRÁFICA 1.  Víctor Cloquell et al. 2004 LOCALIZACIÓN INDUSTRIAL E IMPACTO AMBIENTAL. Editorial Universidad Politécnica de Valencia. España. 2.  Bertha Díaz, Benjamín Jarufe y María M aría Teresa Noriega 2007.DISPOSICIÓN DE  

Fondo Editorial Lima –  Perú. PLANTA.  Universidad de Lima Fondo

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Práctica N° 14 Layout: Distribución de Planta  OBJETIVOS: 1.  Establecer tipo de producción empleado en los procesos. 2.  Calcular los requerimientos de espacios en la planta industrial.

TEORÍA Layout  es un término de la lengua inglesa que no forma parte del diccionario  de la Real Academia Española (RAE). El concepto puede traducirse como “disposición” o “plan” y tiene un uso extendido en el ámbito de la  la  tecnología.  En la jerga empresaria, cuando se hace referencia a la disposición física de las instalaciones en una planta, establecimiento fabril, taller u oficina, se habla de layout . Se trata de un término utilizado para designar la disposición física de espacios, equipamientos y puestos de trabajo, y el desplazamiento de personas, insumos y  productos, minimizar losinformación costos de almacenamie almacenamiento, nto, manejo y transporte, un lado, y buscando facilitar los flujos de y los procesos de entrada y salida por de  productos, por otro. Existen diferentes tipos de distribuciones de planta, la razón es que responde a diferentes necesidades de producción. La distribución de planta es la manera en que se distribuyen las máquinas, equipos, herramientas, operadores, mobiliario, etc., en una instalación industrial. La distribución de planta determina la ruta que el producto en  proceso sigue desde que entra al sistema de producción como materia prima hasta que sale como producto terminado.

Tipos de Distribución del Producto

 

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Método de Guerchet Habiendo definido el número de máquinas y conociendo los requerimientos de personal, se definen las estaciones de trabajo y de determinan las áreas requeridas, tal como se aprecia en la Figura 14.1.

Figura 14.1 Aplicación del Método de GUERCHET Por este método se hace necesario identificar el número total de maquinarias y equipos llamados elementos estáticos y también el número de operarios y el equipo de acarreo llamados elementos móviles.

Superficie Estática (Ss): Es el espacio que ocupa una máquina en un plano horizontal.

SS = largo *. ancho Superficie Gravitacional (Sg): Es el área reservada para el movimiento del trabajador tr abajador y materiales alrededor del puesto de trabajo.

Sg = SS * n en donde n = número de lados Superficie de Evolución (Se):  Es el área reservada para el movimiento de los materiales, equipos y servicios de las diferentes estaciones de trabajo, a fin de conseguir un normal desarrollo del proceso productivo.

Se = (Ss + Sg) K en donde  

altura de de equipo máquinas o equiposfijas. móviles.  hhm j   altura o maquinas

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Tabla 14.1 Valores típicos de K, de acuerdo al tipo de empresa

Consideraciones: 1.  Para los operarios se considera una superficie estática de estática de 0.5 m2 y una altura promedio de 1.65 m. 2. 2.   Los almacenes debidamente separados de las áreas de proceso, mediante paredes, mallas entro otros, no forman parte del análisis Guerchet. 3.  Los equipos cuya vista en planta sea planta sea un círculo círculo (tanques,  (tanques, entre otros), normalmente se considera n = 2  2 y el cálculo de la superficie estática, S estática,  SS = π r . 4.  El método desarrollado da los requerimientos aproximados de área, quedando por hacer los ajustes necesarios según las circunstancias establecidas.  establecidas. 

Tabla 14.2 Ejemplo de Distribución de Planta Industrial Descripción Equipos Batidora Cortadora Balanza Cámara Fermentación 

Mesa Trabajo Horno Rotatorio Operarios

Cantidad (n)

Largo (m)

1 1 1 1 1 1 2

0.61 0.75 0.55 1.50 1.80 1.50 0

Ancho Altura Lados (m) (m) (N) 0.41 0.50 0.40 1.20 2.10 1.00 0

0.56 1.35 0.62 2.10 1.10 1.89 1.65

1 2 2 1 4 1 0

SS m2 

Sg m2 

Se m2 

ST m2 

0.25 0.38 0.22 1.80 2.70 1.50 0.50

0.25 0.75 0.44 1.80

0.32 0.72 0.42 2.29

0.82 1.84 1.08 5.89

10.9 10.8

5.59 22.09 

22.09 33.39

0

0

0 65.00

Total

Promedio de Elementos Móviles Promedio de Elementos Estáticos K

1.794 1.409 0.636

 

Figura 14.2 Distribución de Planta

101

 

Ejemplo: La empresa Los Cedros ha crecido en el mercado y espera relanzar un nuevo  producto y quiere adquirir una serie de equipos, que haga más eficiente a la empresa en los próximos cinco años. Calcular el área de distribución.

Tabla 14.1 Equipos empleador en fabrica Los Cedros MaquinariaEquipo

 N° Elementos n 1 Lijadora banda 2 Mesa de trabajo 1 Cepilladora 1 Calibrador 1 Tarugador Maquina Múltiple 1 Espigadora 1 Cortadora 1 Aspiradora Mult 1 Circular 1 Trabajadores 2

 N° Lados  N 3 3 3 3 3 3 3 1 3 3 0

Largo

Ancho

Altura

L 4.00 2.00 2.50 1.50 1.60 5.00 1.50 1.50 4.50 1.15 0

a 1.00 1.00 0.80 1.50 1.00 1.00 1.30 1.25 1.00 1.00

h 0.80 1.00 1.30 1.60 1.80 1.40 1.50 1.00 2.00 1.20 1.65

Tipo Elemento E/M E E E E E E E E E E M

Solución

MaquinariaEquipo  Lijadora banda Mesa de trabajo Cepilladora Calibrador Tarugador Maquina Múltiple

Espigadora Cortadora Aspiradora Mult  Total

Superficie Estática SS (m2)  4.00 2.00 2.00

Superficie Gravitacional Sg (m2)  12.00 6.00 6.00

2.25 1.60 6.50 1.88 1.50 4.50

6.75 4.80 19.50 5.63 1.50 13.50

Superficie Evolución Se (m2)  9.41 4.71 4.71 5.29 3.76 15.29 4.41 1.76 10.78

Superficie Total ST (m2)  25.38 12.69 12.69 14.28 10.15 41.25 11.90 4.76 28.56 161.66

Calculando K K=

Área de Distribución = 161.66 x 1.3 = 210 m2 

 

102

 

Figura 14.3 Layout de Plantas Plantas Industriale Industrialess  

103

 

PRACTICA 1.  Se dispone de un area de 30 m de largo y 18 m de ancho. Se requiere acomodar 33 telares que miden cada uno 3.0 m de largo por 2.0 m de ancho y 0.90 m de alto. Los telares serían operados en 3 turnos por operarios que miden aproximadamente 1.90 m, 1.80 m. y 1.70 m de alto. Utilice el Método de Guerchet para verificar si el espacio disponible es suficiente. Tenga en cuenta que los telares pueden operar ppor or una sola ca cara ra. 2.  Establecer en un plano o maqueta la distribución adecuada de los elementos (equipos) de su proyecto. Utilice el Método de Guerchet.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1.  Rodríguez V., R Bao y L. Cárdenas 2005. FORMULACION Y EVALUACION DE PROYECTOS INDUSTRIALES  Editorial Universidad de San Martín de Porres. Facultad de Ingeniería y Arquitectura. Lima Perú. 2.  Edwin Garavito Hernández 2016. DISEÑO DE SISTEMAS PRODUCTIVOS  Universidad Industrial de Santander. Colombia (versión on line)

 

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Trabajo Práctico N° 15 Evaluación Económica del Proyecto Industrial OBJETIVOS: 3.  Evaluar criterios economicos. 4.  Calcular Inversión Fija. 5. Costo deEconómico Fabricación. 6.   Calcular Calcular Analisis .

TEORIA: La Evaluaciòn Económica se basa en: 1.  Inversiòn Fija 2.  Costo de Producciòn 3.  Rentabilidad econòmica

Inversiòn Fija Tabla 15.1 Comparación de Métodos de Estimación de Costos W.T. Nichols Ind. Eng. Chem. 43, 2297 (1951)

 

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Método Indice de Costo Marsha Marshallll y Switf Para actualizar el costo de algun equipo del periodo A hacia el periodo B se hace cesario multiplicar el costo del periodo B por la relacion Index B al Index A, de acuerdo a la ecuación : Esta ecuación es factible factible y adecuada dentro de un lapso de 10 añ años. os.

 

Figura 15.1. Indice Marshall y Switf y Costo de Planta

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Métodos Factoriales Método de Lang, Propuesto, inicialmente por Lang (1947) concluye que se puede expresar el coste de una planta como un múltiplo del coste de todo el equipo base. A este término de proporcionalidad se le denominó, factor de Lang,

I = FL ∑ CDEL . En donde

I = Costo Total Módulo. CDEL = Costo del mejor eequipo. quipo. FL = Factor de Lang.

Tabla 15.2 Factores de Lang Tipo de Planta Química Sólido (Cementera... ) Mixta (Fertilizante...) Fluidos (Refinería...)

Factor Lang 3.10 3.63 4.74 

Método Exponencial o de Escalón La inversión fija en una planta nueva se estima a partir del valor de una planta pl anta similar ya construida y de la relación exponencial de las capacidades 

Por otro lado, el método se utiliza para estimación es de orden de magnitud o de estudio y requiere que los procesos en las dos plantas sean similares

Método Relaciones Turnover

 

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Ejemplo en Planta Industrial Si una planta de oxígeno líquido de 700 t/d fue construida en 1970 por U$S10 millones. ¿Cuánto nos saldrá en el año 2000 una planta de 700 t/d de oxígeno líquido? Si multiplicamos el costo de 1970 por la relación de los índices del CE evaluados para los años 2000 y 1970, obtendremos el costo de la planta en el año 2000. El efecto inflacionario está considerado dentro del mismo índice por lo que son innecesarias correcciones adicionales.

Este número no es adecuado, en principio, debido a que durante estos treinta años han ocurrido un sinnúmero de cambios. Algunos de estos cambios involucran el proceso de  producción de oxígeno líquido. Hay muchas etapas más eficientes, etapas omitidas y etapas agregadas. El resultado neto es una mejora en la eficiencia de producción, resultando en un menor costo de producción por tonelada.

Ejemplo en la Industria pesquera En general, los costos no crecen en la misma proporción que lo hace el tamaño. Por este motivo, cuando se dispone de datos para un proyecto similar, pero de diferente capacidad del deseado, pueden aproximarse los costos de plantas o equipos. La relación  puede expresarse expresarse en la forma

En donde I2 inversión deseada para la capacidad Q2  I1 inversión conocida para la capacidad Q1. El exponente x se conoce como factor costo-capacidad  y tiende al valor promedio de 0.6. Para el caso de la industria pes pesquera quera se da dann algunos valores valores..

Tabla 15.3 Factores costo-capital para equipos en industria pesquera

 

108

 

Figura 15.2 Inversión en un Intercambia Intercambiador dor de Cabezal Flotante, Flotante, 1990 (Peters y Timmerhaus, 1991)

Figura 15.3 15.3 Aplicación del fac factor tor de 6 centésimos para para un interc intercambiador ambiador de casco y tubos (Peters y Timmerhaus, 1991)  

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Costo de Manufactura Los Costos de Producción son aquellos que se genera generann en el proceso de transformaciòn de las materias primas. Se integran por sus tres elementos de producciòn: matera prima directa, mano de obra directa y costos directos de producciòn.

Figura 15.4. Trabajadora en Centro de Producción Ejemplo de Cálculo del Costo de Producción Paula ha decidido que quiere ser una emprendedora y poner una empresa que produzca mermeladas. Para esto ha contratado a tres personas que la ayudarán a preparar y envasar las mermeladas. mermeladas. El sueldo fijado es de S/. 900 al mes a cada uno. Encontró Encontró un  pequeño local local para alquilar que le servirá para empezar empezar su negocio. Su primo Roberto le comentó que si quería saber si estaba teniendo ganancias tenía que calcular cuánto le estaba costando producir sus mermeladas. Además, el saber cuánto le costaba producir un solo pomo de mermelada la ayudaría poner un precio para el producto que le  permitiera recuperar su inversión y además tener un margen de ganancia. Paula ha decidido debe sacar necesarios obtener costos fijos,lista los costos variables,que el costo total los y elcálculos costo unitario. Lo para primero quelos hizo fue una donde dividió todos sus costos en fijos y variables. Producción 500 unidades de mermelada 

Costos Fijos:  Factor Sueldos empleados Sueldo de Paula Alquler local Herramients y utensilios Servicios Mobiliario Sub Total 1

Monto S/. 800.00 1300.00 900.00 250.00 250.00 200.00 3700.00

 

110

 

Costos Variables: Factor

Monto S/.

Fresas Piñas  Naranjas Azucar Envases Gas SubTotal 2

300.00 300.00 300.00 250.00 150.00 100.00 1400.00

Costo Total = Costos Fijos + Costos Variables Costo Total = 3700 + 1400 = 5100.00 Costo de Producción Producción Unitario = 5100 5100/500 /500 = S/. 10.20 Con esta informaciòn Paula puede saber cuanto debe invertir su pproducción. Para la venta, habra que venderlo venderlo a màs de S/.10.20, pu pudiendo diendo ser un aproxiam aproxiamdo do del 20%  –   40% .

 

Figura 15.5 Costo Total de Fabricaciòn

111

 

Tabla 15.4 Factores de Costo Costo de Fabricac Fabricaciòn. iòn.

 

112

 

Metodos para determinar Mano de Obra 1.  Método basado en Diagrama de Flujo Tabla 15.5. Trabajadore Trabajadoress por Tur Turno no

2. Método de Wessels

Figura 15.6 15.6 Metodo de We Wessels ssels para requerimientos de Mano de de Obra Explicación:  La línea 1 se aplica para producciones discontinuas, la línea 2 para procesos continuos muy automatizados y la línea 3 es una intermedia entre estas dos. Así, por ejemplo, para una Planta con una capacidad de 30 Ton/día y trabajando discontinuamente tenemos, por el gráfico anterior, que se necesitan 2 horas-hombres/Ton/etapa. Y si dicha Planta tiene 4 etapas (trituración, evaporación, secado y centrifugación), entonces se precisan 8 horashombre por Tonelada de producto  

Método para calcular la Depreciación Económica Un activo tiene un costo inicla de 50000 um con un valor de salvamente de 10000 um en un perido de 5 años. Calcular la depreciacion anual  

DLR = (50000 –  10000)/ 5 = 8000 um

113

 

Figura 15.7 Diagrama del valor de libros para la depreciación

Rentabilidad Econòmica La rentabilidad económica  mide la tasa de devolución producida por un beneficio económico (anterior a los intereses y los impuestos) i mpuestos) respecto al capital total, incluyendo todas las cantidades prestadas y el patrimonio el patrimonio neto (que sumados forman el el activo  activo total). Además, total).  Además, es totalmente independiente de la estructura financiera de la empresa. Esta rentabilidad debe ser mayor al menos que una inversión con poco riesgo. Dos parámetros muy usados a la hora de calcular la viabilidad de un proyecto son el VAN (Valor Actual Neto) y el TIR (Tasa Interna de Retorno). Se basan en lo mismo.

 

114

 

Figura 15.8 Relación entre TIR y VAN Aplicando MS-EXCEL 1.  Función TIR: Devuelve la tasa tasa interna de retorno retorno de una serie de flujos de caja.  Sintaxis:  =TIR (matriz que contiene los flujos de caja; valor estimado de la TIR)

Debido a que EXCEL calcula el TIR mediante un proceso de iteraciones sucesivas, opcionalmente se puede indicar un va valor lor aproximado al al cual se estima que se aproximaría la TIR, si no se especifica ningún valor, EXCEL utilizará 10%.

 

115

 

  Funciòn VAN: En Excel la función para el cálculo del VAN se llama VNA. Esta función devuelve el valor actual neto a partir de un flujo de fondos y de una tasa de descuento. Se observa que esta func función ión tiene un argume argumento nto más que la función  para el cálculo de la TIR, la tasa de descuento. descuento. Se debe tener en cuenta, que EXCEL tiene en cuenta los pagos futuros como ocurridos al final de cada período,  por lo que el primer valor que se indique en la m matriz atriz de pagos será actualizado a la tasa de interés que indiquemos. Por esto no se debe incluir a la inversión inicial en esta matriz, sino que la matriz debe incluir sólo los pagos futuros.

2.

Sintaxis: =VNA (tasa de descuento; matriz que contiene el flujo de fondos futuros)+ inversión inicial

 

116

 

Cuadro Resumen Análisis Económico

Nombre de la Planta Producción Anual (n) Inversión Total 

1.  2.  3.  4.  5. 

(IT)

Costo de Producción  Precio de Venta Ganancia Bruta  Impuesto (39%)  Ganancia Neta 

(nC) (nP) (Ga) (Imp)  (Gd)

Retorno sobre la Inversión

Tiempo de Repago

Figura 15. 9 Conceptualización del Punto de Equilibrio  

117

 

PRACTICA Elaborar el cuadro resumen acerca de la evaluación económica de su proyecto industrial  propuesto.

REFERENCIA BIBLIOGRÁFICA

1.   Naciones Unidas 1982 MANUAL PARA LA EVALUACIÓN DE PROYECTOS INDUSTRIALES .Naciones Unidas New York USA.   2.  Peters M. and K. Timmerhaus 1991 PLANT DESIGN AND ECONOMICS FOR CHEMICAL ENGINEERS, 4th Edition Singapur Mc Graw-Hill.  3.  Sapag N y R. Sapag 2008 PREPARACIÓN Y EVALUACION  DE PROYECTOS  5ta Edición. Editorial McGraw-Hill Interamericana de Editores S.A. de C.V. México DF. México 4.  Baca G. 2010 FUNDAMENTOS DE INGENIERIA ECONOMICA Editorial McGraw-Hill Interamericana de Editores S.A. de C.V. México DF .México.

 

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Seminario N° 3 PREPARACION Y EVALUACION DE PROYECTOS EN BIOTECNOLOGIA

1.  TITULO: DISEÑO DE UNA PLANTA PILOTO PARA LA PRODUCCION DEL BIOPOLIMERO XANTANA. 2.  OBJETIVOS:  2.1.  Evaluar el comportamiento de las variables intermitentes del  bioproceso. 2.2.  Diseñar el bioproceso. 2.3.  Evaluar económicamente el bioproceso. 3.  INTRODUCCION: La idea central del presente trabajo es el diseñar una planta piloto para la  producción del del biopolímero xantana, xantana, y como tal manejar manejar las variables casi casi a nivel de laboratorio para acercarse a la realidad. Se sustenta en un estudio preliminar de mercado, los datos experimentales obtenidos a nivel de laboratorio y sobre todo a las estimaciones obtenidas por extrapolación y escalamiento. Por otro lado, se diseña la secuencia particular de las operaciones unitarias presentes en el bioproceso, acompañadas por un diagrama de flujo detallado. Finalmente se estima la inversión de capital, el costo de producción y la evaluación económica respectiva (1). La humanidad se plantea el reto de desarrollarse sosteniblemente y sobre todo con una participación social y comunitaria con los más necesitados y desamparados, por esta razón, en pleno tercer milenio se hace necesario contar con un ambiente saludable, armonioso y sostenible para las nuevas generaciones; generacione s; aun cuando la creciente e inmensa capacidad capacidad tecnológica tecnológica de la intervención intervención del hombre sobre sobre la naturaleza naturaleza ha permitido realizar realizar transformaciones que han de satisfacer las necesidades humanas y en algunos casos ocasionando desajustes, factibles de corrección. En esta perspectiva, los polímeros se comportan como uno de los materiales de una vasta aplicación en su labor de permitir que la humanidad satisfaga sus necesidade necesidades. s. Un polímero es una macromolécula que es sintetizada mediante algún proceso químico y/o  biológico. Si el proceso es del tipo ti po biológico se denomina biopolímero y como claros ejemplos de estos tenemos en las proteínas, el ADN y los  polisacáridos. Estas últimas son producidas tanto a nivel vegetal como microbiano (1,2).  

Los polisacáridos polímeros por derivados plantas, como los el almidón, han sidoo utilizados muchosdeaños, sin tales embargo,  polisacáridos microbianos están llegando a ser muy importantes como

119

 

nuevos materiales e ingredientes para una variedad de aplicaciones. Los  biopolímeros de origen microbiano tienen 2 características fundamentales: primero su alta capacidad para alterar las propiedades de flujo del agua y segundo la posibilidad de formar geles. Pero además  poseen ciertas ventajas sobre otros polímeros debido a que su producción no dependen de las condiciones climáticas, contaminación ambiental o fallas en las cosechas; así mismo dichos productos son menos susceptibles a variar su calidad y la producción puede ser controlada cuidadosamente. cuidadosa mente. Pero su gran desventaja es su elevado costo (3,4).

Biopolímero Xantana: La goma Xantana es un heteropolisacárido constituido por unidades monoméricas que contienen glucosa, manosa y ácido glucomónico en relaciones molares 2.8 2.8 : 2 : 2 respectivamente. El peso peso molecular molecular  promedio es cercano a los dos millones y su distribución de pesos moleculares es muy poco disperso. La molécula tiene sustituyentes de acetilo y ácido pirúvico. En el gráfico 1,1 se esquematiza la unidad monomérica de la Xantana. El hecho de que se trata de un polisacárido ramificado explica, en parte, las extraordinarias características de capacidad viscosificante y estabilidad que presentan las soluciones de esta goma, lo que ha hecho que sus aplicaciones sean muy amplias en varias industrias, incluyendo a la de los alimentos.  La presencia de ácido glucurónico y de ácido pirúvico confiere al Xantana un carácter aniónico marcado. En los productos comerciales, estas funciones están neutralizadas por los cationes Na+, K + o Ca++. Esta presentación se justifica por el hecho de que las moléculas de Xantana adoptan una conformación en simple o doble hélice pudiendo asemejarse a bastoncillos rígidos que no tienen ninguna tendencia a asociarse entre ellos. Esta estructura rígida es fusible y puede dar lugar a un estado desordenado menos viscoso. En presencia de pequeñas cantidades de sal, el estado ordenado se estabiliza y la temperatura de transición sobrepasa los 100 º C.

Figura 1 Cultivo de Xa  Xant ntho hom mona nass campest stri  ri  

 

120

 

CH3OH

CH3OH

O O

OH

O

OH O

O n

OH O

CH2OCCH3 O OH HO O COO -M+ O

M+ = Na, K, 1/2 Ca

OH COO -M+

O-CH2

C CH3

O

OH

O

OH OH O

Figura 2 Unidad Estructural de la Goma Xantana

Aplicaciones de la goma Xantana La propiedad principal de la Xantana en solución es su capacidad para controlar las características de flujo de soluciones o suspensiones acuosas. La estructura ramificada de su molécula y su alto peso molecular confiere a la Xantana una elevada capacidad viscosificante. La viscosidad aparente se incrementa exponencialmente con la concentración. Al 1 % se puede lograr viscosidades aparentes cercanas a los 2000 cps. En este sentido, es superior a otros polisacáridos tales como la dextrona, la carboximetilcelulosa o el alginato. Entre las propiedades reológicas que poseen las soluciones de Xantana, destaca la  pseudoplas  pseudoplasticidad que se refiereal aaumentar la propiedad que tienen soluciones de disminuir laticidad viscosidad aparente la deformación de sus fluido; esto es, las soluciones

se

“adelgazan”

con

la

agitación.

Una

forma

de

representar

matemáticamente el comportamiento reológico de las soluciones de Xantana es mediante le denominada “Ley de la potencia”:   τ =

donde:

k

n

τ : Esfuerzo de corte (N / m2 ) γ : Gradiente de deformación (seg  – 1)

Índice de consistencia (N.segn / m2 ) n : Índice de flujo (adimensional)

 K  :

 

121

 

Esta ecuación indica que bajo condiciones fijas de deformación (γ), el índice k   representa la viscosidad del fluido, mientras que el índice n  es una medida de su  pseudoplasticidad.  pseudoplas ticidad. Esto es, a mayor k , mayor capacidad viscosificante, y a menor n, la solución se “adelgaza” más con la agitación.  

4.  PREPARACION Y EVALUACION DEL PROYECTO: 4.1. 

ESTUDIO DEL MERCADO Objetivo: Determinar la demanda que existe y existirá en un plazo. Esta investigación de la demanda permitirá hacer las predicciones que sirvan de base a la determinación de la capacidad de la planta y a la evaluación económica de la misma. Consideraciones: Se conoce que la producción mundial de la goma xantana está en el orden de 5 x 10 6  Kg/año  (3), siendo USA, México y Brasil Brasil los principales países productores. productores. En ese sentido México, cuya biotecnología es de punta,  produce alrededor de 2000 Ton/año, razón por la cual se  pretende una producción anual del 7.5% de esta capacidadestimar en el Perú Luego, la demanda crecerá en función de crecimiento demográfico de la población y será del 2.5% anual. Estas consideraciones se dan un criterio básico de predicción  prudente para la planta piloto.

Cálculo: Demanda al año 2000: D0 = 2000 * 0.75 = 150 Ton Demanda al año 2010: Dt = D0(1+t)n = 150*(1+0.075) 10 = 192 Ton Demanda propuesta : Dt = 190 Ton. 4.2. 

UBICACIÓN DE PLANTA Objetivo: Elegir aquella ubicación que permita las mayores ganancias entre las alternativas que se consideren factibles. Consideraciones:  Considerando región, influyen factores primarios. Considerando sitio, influyen factores específicos. (4)

Cálculo: Aplicando el Método de Factores de Balanceo   

 

122

 

Tabla 1. Método Factores de Ponderación FACTOR DE PONDERACION UBICACION Materia prima 10 Mercado 9 Energía 8 Agua 8 Transporte Mano de Obra Incentivos Contaminación Clima Comunidad Totales

7 6 5 5 2 4

EVA LUACION LAREDO CIUDAD UNT 9 8 6 6 5 5 4 4 6 5 4 4 2 4

6 5 5 4 2 2

CUEN TA LAREDO CIUDAD UNT 90 80 54 54 40 40 32 32 42 30 20 20 4 16 348

42 30 25 20 4 8 335

Siendo elegido la localidad de Laredo.

4.3. 

SINTESIS Y SELECCIÓN DE PROCESOS Objetivo: Determinar los procesos de producción óptima para la utilización eficiente y eficaz de los recursos disponibles. Consideraciones: La goma Xantana es producida mediante el cultivo de la bacteria Xanthom anthomonas onas cam campe pestr strii s, la cual es fitopatógena que afecta,  principalmente, a las las coles, coliflores y nabos. nabos. Esta bacteria bacteria puede ser aislada del suelo o de plantas infestadas. En escala industrial, el cultivo de  Xa  Xant ntho hom mona nass campest strr is  se lleva a cabo en grandes fermentadores agitados mecánicamente con suministro continuo de aire estéril y a una temperatura cercana a los 28 º C. El medio de cultivo consiste, primordialmente, de una fuente de carbono (glucosa o sacarosa son las más usadas), una de nitrógeno y una de fósforo, además de ciertos elementos minerales que pequeñas cantidades. cantidades. Los heteropolisacáridos como la xantana son sintetizados mediante reacciones multienzimáticas dentro de la célula. El proceso se inicia con la l a síntesis de las unidades oligosacáridas que a su vez provienen de precursores, azúcares activados en la forma de azúcar –  nucleótidos  nucleótidos –  fosfatados,  fosfatados, los cuales se unen secuencialmente secuencialmente a un lípido isoprenoinoide para iniciar la polimerización. El lípido también sirve como acarreador del polímero formado a través de la  

membrana celular de donde es liberado. Los genes responsables de la  biosíntesis de xantana xantana ya han sido identificados y clonados.

123

 

El medio de cultivo y el propio fermentador deben ser cuidadosamente esterilizados. En vista de que la producción de esta goma es muy sensible al pH, éste debe ser controlado a valores cercanos a la neutralidad. La xantana se sintetiza principalmente cuando la bacteria ha dejado de crecer. Usualmente, la concentración final que se logra es entre 20 y 30 g./l, con rendimientos sobre el azúcar que oscilan entre 50 y 70% y productividades típicas de 0,5 gramos por litro-hora. Síntesis de xantana Las  Xanthomonas se encargan de producir un exopolisacárido, con unidades pentasacárido pentasacárido,, el cual protege a la bacteria bacteria de la deshidratación, y a su vez reduce el contacto de la bacteria con moléculas tóxicas y se lleva a cabo la formación de la biopelícula (biofilm) que actúa durante la cancrosis, favoreciéndola toma de agua  para reducir el humedecimiento, humedecimiento, ver ver Figura 3.

El extremo amino terminal presenta homología con enzimas del tipo azúcar-nucleótido epimerasa, mientras que el extremo carboxilo terminal presenta homología con glicosiltransferasa glicosiltransferasa.. Cancrosis:  Es una enfermedad endémica de frutas y vegetales. Producida por  Xanthomonas citri.  Una infección severa puede causar defoliación, muerte regresiva de la rama, decadencia general del árbol, caída prematura de la fruta, y manchas en la misma. Los árboles severamente infectados se vuelven débiles, improductivos y no rentables.  rentables. 

Figura 3. Síntesis de xantana, por medio de una polimerización y exportación. En vista de que durante la fermentación el caldo se torna muy viscoso y pseudoplástico, el diseño del fermentador es un factor crítico para lograr la homogeneidad en el tanque y un adecuado suministro de oxígeno a las células. Una vez concluida la fermentación, lo que sucede entre 48 y 96 horas después de inocular, el caldo se esteriliza con el fin de destruir al fitopatógeno y, adicionalmente, para mejorar las características reológicas de la goma en solución. Si la xantana es purificada, como es el caso del de gradolasalimenticio, se llevandela caldo cabo operaciones que producto permiten remover células bacterianas de fermentación.

 

124

 

Posteriormente, éste se enfría y la xantana se recupera mediante  procedimientos tales como la precipitación con alcohol (principalmente isopropílico) o bien mediante sales cuaternarias de amonio. Recientemente se ha propuesto a la ultrafiltración como una operación unitaria que representa grandes ventajas en el proceso de recuperación. Con el fin de lograr ciertas características especiales en el producto final, el polisacárido final puede ser tratado químico, física o biológicamente, durante su recuperación recuperación.. El proceso es una fermentación sumergida aeróbica empleando como fuente de carbono: glucosa o melaza, ya que ésta contiene ciertas vitaminas y otros constituyentes; se aísla la goma del licor de fermentación por precipitación con alcohol isopropílico.

Figura 4. Diagrama del Proceso Proceso de Obtención Obtención Goma Xantana

 

125

 

4.4. 

BALANCE DE MATERIAY ENERGIA Objetivo: Realizar los balances de materia y energía, el diseño y selección de cada equipo empelado empelado en el bioproceso. A partir del  balance global de la planta, o sea de la producción requerida anual, del tiempo de operación total y de los ciclos, determinando los  balances en cada equipo, estableciénd estableciéndose ose cada una de las corrientes que entran y salen de cada subsistema. Consideraciones: Producción anual : 190 Ton Proceso batch (1 batch = 8000 h/año). Tiempo del proceso: 100 horas. Concentraciónn final del producto : 20  –  30 Concentració  30 g/L Rendimientos : 50 –  70  70 % A nivel de laboratorio : 0.75 g goma/g goma/g glucosa glucosa Productividad típica : 0.5 g/L-h Temperatura : 25 –  30°  30° C  pH : 5 –  7  7 Aireación: 25 % en exceso exceso al requerido. requerido. Ecuación de laboratorio

1 g C6H1206 + 0.23 g O 2 + 0.01 g NH 3 = 0.75g XANTANA + 0.09 g CELULAS + 0.27 g CO2 + 0.134 g H 20.

Cálculo: Producción Anual = 192 000 Kg 1. Cantidad de Sustrato De la ecuación estequiomética 1 Kg Glucosa ---- 0.75 Kg Xantana X Kg Glucosa Glucosa ---- 192 000 Kg Xantana X = 256 000 Kg Glucosa/año

2. Volumen del Biorreactor Volumen Caldo Anual , k g  1año / 8000 horas año   (0.75 g  /  g )(0.5 g  / h  L)(1k g / 1000 g ) 192000

V caldo

64000 L / año  

Número Total Batch,  N  batch = (8000 h/año)/(100 h/batch ) = 80 batch/año  

126

 

Volumen Total Batch V batch = (64000 L/año)/(80 batch/año) = 800 L

Número de Fermentadores  Nfermentador  = 02 (Arbitrario)

Volumen Líquido Reactor Vreactor  =  = V batch / Nfermentador  =  = 400 L Volumen Diseño Reactor V biorreactor = 500 L H/D = 2 3. Vapor de Esterilización:

Cantidad de Vapor a 212 °F

V  st eam

12 121 1

20 C  800 Kg  / batch (1 Kcal /  Kg . C )   (545 Kcal /  Kg )

150 Kg  / batch  

Tiempo de Esterilización Θesterilización = 3 horas/ batch.

Requerimiento de Vapor Steam = Vsteam / Θesterilización = 50 Kg/h

4  Calentador Q = (500 L)(1 Kg/L)(1 Kcal/Kg.°C)(50°C) = UAΔTLN Q = 2500 Kcal/h = (150 Kcal/m2.h°C)(50°C)A

A = 3.5 m2 5. Consumo de Oxígeno De la ecuación estequiometrica 0.23 Kg Oxígeno ----- 0.75 0.75 Kg Xantana Y Kg Oxígeno ----- 192 0000 Kg Xantana Y = 58 880 Kg/año.

 

127

 

Yhorario  = (58 880 880 Kg/año)/(8000 h/año) = 7.36 Kg/h Yhorario  = 0.123 Kg/min Evaluando con exceso del 25% Yhorario  = 1.25(0.123) = 0.154 Kg/min. Aplicando PV = n RT, con base base 1 min

V 

(0.154 Kg / 29 Kg / mol )(0.082 L

atm / mol . K )(273

25)

(1atm)

0.13 L / min

 

Flujo de aire Qair  =  = 0.13 L/min.

4.5. 

Diseño de Otros Equipos

Base: 1 ciclo de producción = 1 batch = 100 horas. 4.6. 

Tanque precipitador Considerando Consideran do que Vsolvente/VLíquido = 2

VTK  =  = VL + VS = 3(800) = 2400 2400 L H/ D = 2 4.7. 

Secador Rotatorio Asumiendo: Goma Xantana con 30 % humedad Velocidad Máxima de Secado Constante, Ls  = 50 Kg/h.m2  Gasto de Flujo Gaseoso, GV =50 lb/h.pie2 S = 1000 + 300 = 1300 Kg/batch

 A

1300 Kg  / batch (50 Kg  / h

  100 h / batch) m )(100 2

0.26 m 2  

H/D = 6  

4.8. 

Caldero 6

Caldero de tubo directo con mínima carga calor de 10 BTU/h 128

 

Con capacidad de producción 104 lb/h vapor

4.9. 

Tanque Receptor VTK-R  =  = 1000 L

4.10.  Tanque Almacén VTK-A = 1000 L

4.11.  Bombas Centrífugas De caudal variable

4.12.  Equipo de Destilación Vdestilador  =  = 1600 L (2000 L) Columna Batch de Plato de Burbujeo de 10 platos Con calefacción y condensación E0 = 60 %

Consumo de Energía De acuerdo a los equipos usados, y asumiendo comportamiento dinámico

Tabla 2 Resumen Resumen Consumo Consumo de Energía Energía EQUIPO

CANTIDAD

CONSUMO (HP)*

1. Bombas

10

1½

2. Agitador Reactor

01

20

3. Calefacción Secado

01

15

4. Columna Destilación

01

30

5. Otros equipos 

Total

20

100

*Factor de conversión 1 Kilovatio = 1.341 HP  

129

 

5. 

EVALUACION ECONOMICA a.  Elementos de Matemáticas Financieras: Tasa de Interés, i:  Se suele decir el “dinero crea dinero”. Luego la manifestación del valor del dinero en el tiempo se denomina interés, el cual es la medida del aumento entre la suma original solicitada en préstamo o invertida y la cantidad final acumulada que se adeuda. Interés = Cantidad total acumulada –  Inversión  Inversión original Interés = Cantidad presente de la deuda  –  Préstamo  Préstamo original

Interés Compuesto, Compuesto, S = P(1 + i)n  en donde

S: capital acumulado P: valor presente I : tasa de interés n : vida

b.  Criterios de Evaluación Valor Presente, VAN: Método de evaluación muy popular,  porque los gastos o entradas futuras se transforman en dinero equivalente ahora. Y se puede ver la ventaja económica de una alternativa sobre una o más alternativas. ( I   E )

VAN 

(1

i ) t 

 I 0  

en donde I : Ingresos E : Egresos I0 : Inversión total i : tasa de interés interés atractivo atractivo t : tiempo.

Tasa Interna de Retorno, TIR: Para que una inversión aparezca más rentable para los inversionistas, éstos deben esperar recibir más dinero que lo invertido. TIR

0

( I   E )   (1 r ) t 

I 0  

en donde r : tasa tasa de interés mínima a la que se puede operar sin  pérdida.

 

En otras palabras, cuando VAN (VP)=0, define la TIR  del  del proyecto. 130

 

Figura 5 Relación del VAN con el TIR

c.  EVALUACION ECONOMICA Inversión Total Tabla 3. Resumen Costo del del Equipo de Proceso Unidad

Equipos

Capacidad

Costo

Factor

Costo

Unitario $

I M&S 

Total $

2.05  

123000

04

Tanque

1000 L

15000

01

Tanque

2500 L

20000

41000

02

Biorreactores

500 L

30000

123000

01

Secador

1800 L

10000

20500

01

Destilador

2000 L

20000

41000

01

Caldero

106BTU/h

20000

41000

01

Calentador

5 m2

10000

20500

10

Bombas

--

300

3000 413000

Total

Como es una planta mixta y la inversión de equipos principales representa casi el 75% de la inversión total de equipos, luego

CDEL = 396600/0.75 = 550700 I = FL ΣCDEL = 1 998 920

I=2

x106$

 

131

 

I=FL ∑CDEL .

°

Año

Índice M&S

1990

915

2016 1880 Factor 1880/915 = 2.05 2.05 

Figura 5. Índice M&S y CE Tabla 4 . Indice de Costos Aproximados

   

132

 

Costo de Producción

S/. 60 /Kg

Costo de Producción 

(Estimado en el 75% del Precio de Venta: S/. 80.00 / kg)

Evaluación Económica

Nombre de la Planta: PRODUCCION BIOPOLIMERO XANTANA Lugar: Laredo

Producción Producció n Anual Inversión Total  ITEM

Régimen: Discontinuo

(n) (IT)

192,000 kg 2 000,000 $  COSTO ANUAL COSTO UNITARIO

Costo de Producción

(nC)

11 520000

60.00

Precio de Venta

(nP)

15 360000

80.00

Ganancia Bruta

(Ga)

3 840000

Impuesto a la Renta

(Tax)

1 152000

Ganancia Neta

(Gd)

2 688000

Retorno sobre la Inversión

Tiempo de Repago

= 74.4 %

= 1,92 años

 

133

 

5.  BIBLIOGRAFIA a.  Vilbrandt F. y C. Dryden 1963 INGENIERÍA QUÍMICA DEL DISEÑO DE PLANTAS INDUSTRIALES   Editorial Grijalbo S.A. México D.F. México  b.  J. Kalk and A. Longlykke 1980 C ost Est E stii matio tion n F or B i ot ote echnolo chnologg y Pr P r oye yect ctss  in ASM Manual of Industrial Microbiology and Biotechnology New York.USA. c.  Peters M. and K. Timmerhaus 1980  PLANT DESIGN AND ECONOMICS FOR CHEMICAL  Engineers 3th  Edition McGraw-Hill Book Company. New York-USA d.  Crueger, W. y A. Crueger. 1989. BIOTECNOLOGÍA: MANUAL DE MICROBIOLOGÍA INDUSTRIAL.  Edititorial Acribia S.A. 3ra Edición. Zaragoza. e.  Galindo, E. 1990. ENGINEERING AND MICROBIOLOGICAL ASPECTS IN THE PRODUCTION OF MICROBIAL POLYSACCHARIDES. Instituto de Biotecnología, UNAM. Cuernavaca. pág 169-177. f.  Pérez, S. 1994. TÓPICOS SOBRE BIOTECNOLOGÍA;  Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología. Edititorial Libertad. Lima. Perú g.  Sapag N. 2011 PROYECTOS DE INVERSION: Formulación y Evaluación 2da Edición Editorial Pearson Prentice Hall Mexico. Internet 1.  Identificación en campo de síntomas de cancro de los cítricos y los procedimientos de descontaminación Mongi Zekri, Megan Dewdney, Jamie Burrow, and Pamela Roberts. UF. University of Florida. The Institute of Food and Agriculture Science. Extension.2015

 

134

 

NEXOS 

 

135

 

Contenido del Informe de Práctica

Elementos indispensables de contenido:

 claramente el título de la práctica. 1. Título de la práctica: Escribir  claramente

2. Objetivos: Son los objetivos propuestos por el profesor para cada práctica. 3. Fundamento Teórico: Esla presentación de la revisión bibliográfica que el alumno hace respecto al tema tratado y sirve de marco teórico para su informe.

4. Materiales y reactivos: El alumno presenta una lista de materiales usados en su práctica separando los materiales y equipos de los reactivos. Puede acompañar un diagrama de equipo usado.

5. Procedimiento: El alumno detalla todo el procedimiento realizado durante el desarrollo de su práctica, usando el verbo en tiempo pasado y sin indicar los resultados. El procedimiento debe ser claro de tal manera que cualquier persona que lea la secuencia de pasos pueda realizar la práctica sin dificultad. Se puede detallar también con esquemas.

6. Cálculos y Resultados: Se escribe un ejemplo de cálculo usando los datos adquiridos en la parte experimental, si son repetitivos se los presenta en un cuadro de resultados. Si no existen cálculos matemáticos los resultados son las observaciones hechas durante el desarrollo de la, práctica.  

7. Discusión de Resultados: El alumno hace un comentario de los resultados obtenidos, comentando su opinión opinión respecto a si estos son buenos, malos y por qué en cada uno de los casos, es decir se justifican los resultados sean buenos o malos.

8. Conclusiones: El alumno presenta las conclusiones a las que arribó después del trabajo experimental, estas están relacionadas con los objetivos propuestos en cada práctica.

9. Bibliografía:  Aquí deben aparecer los libros con resultados y que le ayudaron a cumplir con cada parte del informe, debe presentarse tal como aparece en el silabo e indicando las páginas consultadas.

 

136

 

Contenido de un Ensayo

Elementos indispensables de contenido:

1. Título: Definición del tema del ensayo en un máximo de 10 palabras, englobando las ideas principales y/o la hipótesis que se pretende evaluar   2. Resumen inicial:  (2 párrafos)  En él se sintetizarán los contenidos fundamentales que se desarrollan a lo largo del ensayo. Puede ser qué pretende demostrar el ensayo. ensayo.   3. Introducción o justificación:  (2/3 párrafos) En estos párrafos se explicará la importancia del tema que se trata, su relación con la materia de que se trata, etc.   etc. 4. Exposición del tema objeto del ensayo:  (3/4 páginas)  Es el cuerpo central del ensayo. En estas dos páginas (como máximo) se expondrá la elaboración personal de las argumentaciones que se consideren oportunas para defender la posición sobre el tema objeto de ensayo.  ensayo.   5. Conclusiones: (2/3 párrafos)  En estos párrafos se establecerán las conclusiones conclusione s oportunas que se deriven de lo argumentado a lo largo del ensayo en forma de puntos o apartados que son consecuencia delas argumentaciones hechas.   hechas. 6. Aplicación a la práctica: (1/2 páginas)En esta parte se concretará la propuesta en ejemplos de cómo se podría aplicar esas conclusiones en el ejercicio cotidiano de trabajo en los centros educativos: qué implicaría en el terreno del proyecto educativo de centro y/o del proyecto curricular, de la legislación vigente y/o de la normativa interna del centro, de la organización del centro y/o de la dinámica de trabajo en las aulas, etc.  etc.   7. Bibliografía: (1/2 página)  En esta parte última se hará referencia a la bibliografía utilizada y citada a lo largo de la exposición utilizando para ello las normas.   normas.

8. Anexo: Fotocopias Presentar en un anexo titulado tit ulado “fotocopias” los documentos citados en la bibliografía:• Los artículos o capítulos de libros citados en fotocopia completa• La consulta a internet impresa• La fotocopia de la portada y del índice del libro citado• La fotocopia de las páginas del diccionario dicc ionario citadas y de la portada del diccionario  diccionario 

 

137

 

Contenido de una Práctica de Aula

En las clases prácticas, generalmente se analizan ejercicios y supuestos, normalmente de carácter cuantitativo. Se trata de aplicar los conocimientos teóricos a la resolución de casos y problemas concretos. Las etapas que suelen seguirse en las clases prácticas son: a) El profesor selecciona selecciona una situación situación que se refleja refleja en unos datos pa para ra su análisis, y de los cuales, a través de unos métodos seleccionados, se llegarán a ciertos resultados o conclusiones. b) Se entrega el enunciado a los estudiantes, preferiblemente antes de la clase. c) Lectura del ejercicio antes de su resolución, permitiendo aclarar posibles dudas. Resolución n del ejercicio, procurando que todos colaboren en la búsqueda d) Resolució de la solución, discusión y análisis de los resultados obtenidos. Las clases prácticas suelen basarse en unos conocimientos teóricos previos. Permiten un desarrollo desarrollo de las enseñanzas enseñanzas teóricas que posibilita posibilita la clarificación de conceptos, la eliminación de fallos en el aprendizaje anterior y el desarrollo de habilidades. Es deseable y permitiendo permitiend o una participación activa del alumno. Se trata de que el alumno participe en el ejercicio y encuentre la solución del problema planteado. De tal modo, que en clase se puedan analizar los procedimientos de solución seguidos, los resultados obtenidos y las dudas o aspectos no comprendidos por los estudiantes. La participación activa de los alumnos en la resolución de un ejercicio facilita el aprendizaje y la capacidad de resolución de los problemas. En este caso, el profesor realiza una tarea de asesoramiento y guía en la búsqueda de soluciones adecuadas a la cuestión planteada. Las clases prácticas permiten poner al alumno en contacto con instrumentos de resolución de problemas y toma de decisiones en casos concretos, que les acercan a las situaciones reales y permiten comprender la aplicación práctica de los modelos teóricos. Mediante la evaluación se pretendía determinar el grado de cumplimiento del propósito pretendido a través de una actividad de aprendizaje, comparando las las ejecuciones ejecuciones de los estudiantes estudiantes con los objetivos objetivos fijados en forma de comportamiento. comportamiento.

 

138

 

ACERCA DE LOS AUTORES

JOSÉ LUIS SILVA VILLANUEVA (Lima, 1958) Ingeniero Químico - UNT Maestro en Ciencias, Mención en Microbiología Industrial y Biotecnología-UNT. Biotecnología-UNT. Maestro en Ingeniería Química -UNT. Doctor en Ciencias e Ingeniería - UNT. Doctorado en Ingeniería Ambiental y Biotecnología -USP Docente del Departamento Académico de Ingeniería Química - UNT.

JOSÉ LUIS SILVA CASTRO (Trujillo, 1977) Arquitecto - UCV Maestro en Ciencias, Mención en Gestión Ambiental –UNT Maestría en Ingeniería Civil, Mención en Dirección de Empresas de la Construcción - UCV Docente del Departamento Académico de Ingeniería de Materiales - UNT

UNT: Universidad Nacional de Trujillo. UCV: Universidad César Vallejo de Trujillo. USP: Universidad San Pedro de Chimbote.