Plantas Industrialesy Control Ambiental

Ing. Julio Espinoza ValeraDocente

Plantas Industriales y Control AmbientalUnidad I:

La Actividad Industrial y los Procesos Industriales•Procesos Industriales, generalidades• Ubicación de Plantas y métodos de selección de alternativas

27/04/23 3

Procesos Industriales• Un Proceso Industrial también denominado proceso de fabricación,

manufactura o producción, es el conjunto de operaciones necesarias para modificar las características de las materias primas. Dichas características pueden ser de naturaleza muy variada tales como la forma, la densidad, la resistencia, el tamaño o la estética y se realizan en el ámbito de la industria.

• Aunque hay varios procesos industriales y ninguno es idéntico, es importante saber que los principios que aplica en los procesos son semejantes en sus principios.

27/04/23 4

Procesos Industriales• Un proceso es

una secuencia de actividades que tienen un inicio y un final, donde hay entradas y salidas, donde se genera valor agregado.

27/04/23 5

Procesos IndustrialesClasificación de los Procesos

Industriales:• Desde la Materia:

– Procesos Físicos: donde no se cambia la estructura molecular del material. Por ejemplo: corte, pulido, pintura de un molde, estirado.

– Procesos Químicos: donde si cambia la estructura molecular del material. Ejemplo: combustión, corrosión, fermentación.

– Procesos Biológicos: donde se emplea material vivo. Por ejemplo: procesamiento de frutas, biotecnología.

27/04/23 6

Procesos IndustrialesClasificación de los Procesos

Industriales:• Desde la Tecnología:

– Procesos Manuales: las operaciones las realiza el operario y ellos aportan la energía. Ejemplo: Tallado manual de madera.

– Procesos Mecanizados: combina las operaciones manuales con maquinaria. Ejemplo: Torneado, realizado por un técnico.

– Procesos Automatizados: el proceso se realiza con tecnología avanzada para que se controle y elabore los productos con las máquinas sin intervención del hombre. Ejemplo, fabricación de un carro con robots.

27/04/23 7

Procesos IndustrialesClasificación de los Procesos

Industriales:• Desde la Economía:

– Procesos del sector primario: lo realizan las empresas para obtener materias primas de los recursos naturales. Ejemplo: agricultura, minería.

– Procesos del sector secundario : lo realizan las empresas que transformas las materias primas en productos. Ejemplo: textiles, químicos, cosméticos, alimentos, confecciones.

– Procesos del sector terciario : los realizan las empresas con los productos de los sectores anteriores. Ejemplo: telecomunicaciones, banca, escuelas, hospitales.

27/04/23 8

Procesos IndustrialesProcesos Unitarios y operaciones unitaria• Un Proceso Unitario a diferencia de las operaciones unitarias, es en donde se

presentan los fenómenos físicos y en algunos casos químicos, en cambio en las operaciones unitarias son principios fundamentales de física.

• Por ejemplo, en la combustión de carbón, los materiales que entran y salen difieren químicamente uno de otros: carbón y el aire de entrada, y los gases y residuos que salen de la cámara de combustión. La combustión es por consiguiente un proceso unitario. Los procesos unitarios también están referidos como las conversiones químicas.

• Junto con las operaciones unitarias (conversiones físicas), los procesos unitarios (conversiones químicas) forman la estructura básica de un proceso industrial químico.

27/04/23 9

Procesos IndustrialesCLASIFICACIÓN DE LOS PROCESOS UNITARIOS. • Son aquellos que requieren de una o más operaciones, en las que ocurren

transformaciones químicas.• Los procesos unitarios están clasificados de acuerdo con el tipo de reacción química

involucrada. En 1945, en su texto "The Chemical Process Industries" el profesor R. N. Shreve clasificó los principales procesos unitarios de la siguiente manera:

27/04/23 10

Procesos IndustrialesProcesos Unitarios y operaciones unitaria• Se llama Operación Unitaria a una parte indivisible de cualquier proceso de transformación,

sea físico, químico o de naturaleza biológica, de una materia prima en otro producto de características diferentes.

• Se entiende que los procesos de transformación en general y las operaciones unitarias, en lo particular, tienen como objetivo el modificar las condiciones de una determinada cantidad de materia en forma más útil a nuestros fines.

• Esta transformación puede realizarse de distintas formas:– modificando la masa o composición del cuerpo primario ya sea mezclándolo, separándolo o

haciéndolo reaccionar químicamente; – modificando la calidad de la energía que posee el cuerpo en cuestión, ya sea por enfriamiento,

vaporización, aumento de presión; – modificando las condiciones relativas a la cinética del cuerpo primario, ya sea aumentando o

disminuyendo su velocidad o modificando la dirección que tiene en el espacio.• De hecho, los cambios mencionados son los únicos cambios posibles que un cuerpo puede

experimentar. Un cuerpo está absolutamente definido cuando están especificadas:– la cantidad de materia y su composición;– la energía total (cualquiera que sea el tipo de energía) de que el cuerpo esté dotado;– las componentes de dirección y velocidad de que está animado

27/04/23 11

Procesos IndustrialesCLASIFICACIÓN DE LAS OPERACIONES

UNITARIAS. Las operaciones unitarias son de naturaleza física. Se

pueden dividir en 5 grandes grupos:1. Flujo de fluidos.2. Transmisión de calor.3. Mezclado.4. Separación: Destilación, extracción, absorción,

adsorción, evaporación, cristalización, humidificación, secado, filtración y centrifugación.

5. Manejo de sólidos: Compresión, molienda, tamizado y fluidización. No hay una clara división entre algunas operaciones. El funcionamiento de un evaporador continuo requiere de conocimientos sobre flujo de fluidos, transferencia de calor; así mismo la cristalización, como en la obtención del hidrosulfito, puede ocurrir en la evaporación, etc.

27/04/23 12

Procesos IndustrialesCLASIFICACIÓN DE LAS OPERACIONES UNITARIAS. • Cada operación unitaria tiene una fuerza impulsora, un gradiente en alguna

propiedad, que da cuenta del mecanismo principal de transferencia:

27/04/23 13

Procesos IndustrialesCLASIFICACIÓN DE LAS OPERACIONES UNITARIAS. Transferencia de masa.

Definición Operación Aparatos EjemplosDestilación Separar mezcla

líquida por diferencia de volatilidad

Simple, súbita, rectificación, extractiva

- Columna de platos- Columna de relleno(parking towers)

Petróleo, solventes, licores

Absorción Purificar gas de un comp. por contacto con líq.

- similar destilación- torres - centrífugos

Eliminación de gases ácidos de corrientes.

Extracción(lixiviación o

lavado)

Mezcla (liq-liq o sol-liq) en disolvente selectivo.

-contacto por etapas -contacto continuo

- columnas - Soxhlet

Petróleo, extracción de aceites, lixiviado de minerales.

Adsorción Eliminar comp. de fase fluida mediante sólido que lo retiene.

-lecho fijoAlumina, silica gel, carbón

-columnas de lecho fijo en paralelo

Secar gases, olor, solventes.

Intercambio iónico

Sustitución de iones de disolución por otros en sólido.

-resina catiónica-resina aniónica

-dos columnas para operación y regeneración

Ablandar agua, desminera-lización.

27/04/23 14

Procesos IndustrialesCLASIFICACIÓN DE LAS OPERACIONES UNITARIAS. Destilación.Separación de componentes de una mezcla líquida en base a su diferente

volatilidad (presiones de vapor)

27/04/23 15

Procesos IndustrialesCLASIFICACIÓN DE LAS OPERACIONES UNITARIAS. Absorción.• Purificar gas de un componente poniendo en contacto con solvente líquido

27/04/23 16

Procesos IndustrialesCLASIFICACIÓN DE LAS OPERACIONES UNITARIAS. Extracción• Disolución de un componente de una mezcla (liq.-liq. o sol.-liq.) en disolvente selectivo.

27/04/23 17

Procesos IndustrialesCLASIFICACIÓN DE LAS OPERACIONES UNITARIAS. Por Transferencia de Calor

27/04/23 18

Procesos IndustrialesCLASIFICACIÓN DE LAS OPERACIONES UNITARIAS. Por Transferencia de Calor

27/04/23 19

Procesos IndustrialesCLASIFICACIÓN DE LAS OPERACIONES UNITARIAS. Por Transferencia de Calor y Masa

27/04/23 20

Procesos IndustrialesCLASIFICACIÓN DE LAS OPERACIONES UNITARIAS. Por Transporte d Cantidad de Movimiento.

27/04/23 21

Procesos IndustrialesCLASIFICACIÓN DE LAS OPERACIONES UNITARIAS. Operaciones físicas complementarias.

27/04/23 22

Ubicación de PlantasIntroducción.• El proceso de ubicación del lugar

adecuado para instalar una planta industrial requiere el análisis de diversos factores, y desde los puntos de vista económico, social, tecnológico y del mercado entre otros.

• La localización industrial, la distribución del equipo o maquinaria, el diseño de la planta y la selección del equipo son algunos de los factores a tomar en cuenta como riesgos antes de operar, que si no se llevan a cabo de manera adecuada podrían provocar serios problemas en el futuro y por ende la pérdida de mucho dinero.

27/04/23 23

Ubicación de PlantasFactores Claves en la Ubicación de PlantasAntes de decidir la ubicación más conveniente, las empresas valoran los

siguientes factores en función de sus necesidades y del deseo de ahorrar costes y, en consecuencia, de aumentar los beneficios.

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

27/04/23 24

Ubicación de Plantas

27/04/23 25

Ubicación de Plantas

27/04/23 26

Ubicación de Plantas

27/04/23 27

Ubicación de PlantasMétodo de Factores PonderadosTécnica de localización más utilizada.Útil para las localizaciones industriales y de servicios.Pasos:• 1. Determinar una relación de los factores relevantes.• 2. Asignar un peso a cada factor que refleje su importancia relativa.• 3. Fijar una escala a cada factor. Ejm: 1-10 ó 1-100 puntos.• 4. Hacer que los directivos evalúen cada localización para cada factor.• 5. Multiplicar la puntuación por los pesos para cada factor y obtener el total para

cada localización.• 6. Hacer una recomendación basada en la localización que haya obtenido la mayor

puntuación, sin dejar de tener en cuenta los resultados obtenidos a través de métodos cuantitativos.

27/04/23 28

Ubicación de PlantasMétodo de Factores PonderadosEjemplo:• El equipo de estudio creado para la

localización de una nueva planta de fabricación ha identificado un conjunto de criterios importantes para el éxito de la decisión; al mismo tiempo, ha distinguido el grado de importancia de cada una de las alternativas en una escala de 0 a 10. Todo esto se recoge en la Tabla.

• Tabla: Puntuaciones de las distintas alternativas.

FactoresPeso

relativo (%)

Alternativas

A B C

Proximidad a Proveedores 30 7 7 10

Costos laborales 30 5 9 7

Transportes 20 9 6 6Impuestos 15 6 6 7Costos instalación 5 7 8 2

Puntuación total 6,65 7,3 7,45

27/04/23 29

Ubicación de PlantasMétodo de Factores PonderadosEjemplo:• La puntuación total para cada alternativa se calcula

como la suma de las puntuaciones para cada factor ponderadas según su importancia relativa. Así, por ejemplo, la puntuación total recibida por la alternativa A se obtendría como:

• PA = 7 x 0,30 + 5 x 0,30 + 9 x 0,20 + 6 x 0,15 + 7 x 0,05 = 6,65

• Las alternativas B y C parecen ser mejores que A, por lo que se podrá rechazar esta ultima. Entre las dos restantes, hay una pequeña diferencia a favor de C, aunque quizás no definitiva. Vemos que C tiene la ventaja principal de estar muy próxima a la fuente de abastecimiento de materia prima, lo cual es un factor importante, mientras que su punto débil es el costo de instalación, que es bastante elevado.

27/04/23 30

Ubicación de PlantasAnálisis del Punto de Equilibrio de Localización.•Al localizar una determinada instalación pueden ser afectados los ingresos y los costos. El análisis del punto de equilibrio puede ser utilizado para determinar los rangos dentro de los cuales cada alternativa resulta ser la mejor. Este estudio se puede hacer matemática o gráficamente siguiendo los pasos que se enumeran a continuación:

– Determinar los costos variables y los costos fijos para cada sitio. Recuerde que los costos variables son la parte del costo total que varía en forma directamente proporcional al volumen de producción.

– Trazar en una sola gráfica las líneas de costo total para todos los sitios.– Identificar los rangos aproximados en los cuales cada una de las localizaciones provee el

costo más bajo.– Resolver algebraicamente para hallar los puntos de equilibrio sobre los rangos

pertinentes.

27/04/23 31

Ubicación de PlantasAnálisis del Punto de Equilibrio de Localización.Ejemplo:•Para la localización de una industria se han preseleccionado 4 lugares entre los que hay que elegir cual es el más adecuado. Para ello se han analizado posibles costos, los cuales se detallan a continuación:

Costos fijos - Sitios a Elegir Costos variables - Sitios a Elegir

  A B C D   A B C D

Alquileres 140 200 300 250 Materiales 5 3 4 5

Impuestos 100 300 400 300 Mano de obra 6 5 8 8

Producción 360 400 500 350 Transportes 7 6 2 3

Otros 300 400 400 350 Otros 3 3 1 3

Totales 900 1300 1600 1250 Totales 21 17 15 19

27/04/23 32

Ubicación de PlantasAnálisis del Punto de Equilibrio de Localización.Ejemplo:•Representando gráficamente los datos se obtiene dos alternativas de localización: A y B•DI = IA - IB•DCT = CTA - CTB•Alternativa A•De donde se concluye que para volúmenes de producción inferiores a 100 la solución es ubicar en A; para valores entre 100 y 150 en B y para mayores de 150 en C.

27/04/23 33

Ubicación de PlantasMétodo del Centro de Gravedad• Es una técnica de localización de instalaciones individuales en la que se consideran las

instalaciones existentes, las distancias que las separan y los volúmenes de artículos que se han de despachar.

• Procedimiento: Empieza colocando ubicaciones existentes en un sistema de cuadrícula con coordenadas. El objetivo es establecer las distancias relativas entre las ubicaciones. El centro de gravedad se encuentra calculando las coordenadas X e Y que dan por resultado el costo mínimo de transporte

Pasos del método del Centro de Gravedad• Situar las posibles localizaciones en la red de coordinadas:

– La red tiene un origen y una escala arbitraria.– Mantiene distancias relativas.

• Calcular las coordinadas X e Y para hallar “el centro de gravedad”, el cual:– Da la localización del centro de distribución.– Minimiza el coste de transporte

27/04/23 34

Ubicación de PlantasMétodo del Centro de Gravedad.•Puede utilizarse para la ubicación de un almacén que demanda servicio a varias tiendas detallistas, para ubicar plantas de fabricación teniendo en cuenta el punto desde donde se reciben los productos o materias primas y el punto(s) al cual(es) se dirige su salida (destino). Este método tiene en cuenta la localización de los mercados y los costos de transporte. El problema consiste en una localización central que minimice el costo total de transporte (CTT), el cual se supone proporcional a la distancia recorrida y al volumen o peso de los materiales trasladados hacia o desde la instalación, por lo que se expresa:

27/04/23 35

Ubicación de PlantasMétodo del Centro de Gravedad.Ejemplo•Una refinería necesita ubicar una instalación de almacenamiento intermedia entre su planta de refinamiento en A y sus principales distribuidores. Las coordenadas y los consumos de los diferentes distribuidores y de la planta son las siguientes

Lugar Coordenadas

Consumos

(litros por mes en millones)

A (325;75) 1500

B (400;150) 250

C (450;350) 450

D (350;400) 350

E (25;450) 450

27/04/23 36

Ubicación de PlantasMétodo del Centro de Gravedad.Ejemplo

27/04/23 37

Ubicación de PlantasMétodo del Transporte.•Es una técnica de aplicación de la programación lineal, un enfoque cuantitativo que tiene como objetivo encontrar los medios menos costosos (óptimos) para embarcar abastos desde varios orígenes (fábricas, almacenes o cualquier otro de los puntos desde donde se embarcan los bienes) hacia varios destinos (cualquiera de los puntos que reciben bienes). En los problemas de localización, este método se puede emplear para el análisis de la mejor ubicación de un nuevo centro, de varios a la vez, y en general, para cualquier reconfiguración de la red.

Para utilizar el método de transportación hay que considerar los siguientes pasos:1.Los puntos de origen y la capacidad o abasto por período, para cada uno.2.Los puntos de destino y la demanda por período para cada uno.3.El costo de embarque por una unidad desde cada origen hacia cada destino.

27/04/23 38

Ubicación de PlantasMétodo del Transporte.•El primer paso en el procedimiento de este tipo de problema es establecer una matriz de transportación, la cual tiene como objetivo resumir de manera provechosa y concisa todos los datos relevantes y continuar los cálculos del algoritmo.•Para crear la matriz de transportación deben seguirse los siguientes pasos:

1. Crear una fila que corresponda a cada planta (existente o nueva) que se este considerando y crear una columna para cada almacén.

2. Agregar una columna para las capacidades de las plantas y una fila para las demandas de los almacenes, e insertar después sus valores numéricos específicos.

3. Cada celda que no se encuentre en la fila de requisitos ni en la columna de capacidad representa una ruta de embarque desde un aplanta hasta un almacén. Insertar los costos unitarios en la esquina superior derecha de cada una de esas celdas.

27/04/23 39

Ubicación de PlantasMétodo del Transporte.Ejemplo•Una empresa del sector textil que opera en toda la península Ibérica dispone de la siguiente configuración:

– Dos plantas de fabricación en Setúbal y Valencia, con capacidades de 900 y 1 500 unidades respectivamente.

– Cuatro almacenes regionales de distribución que sirven a los clientes de sus respectivas zonas en Barcelona, Madrid, Lisboa y Sevilla con demandas de 700, 800, 500 y 400 unidades.

•En los próximos años, la empresa espera un crecimiento de la demanda del orden del 25%, lo cual ha llevado a la dirección de la misma a plantearse la apertura de una nueva fábrica. A la vista de los criterios que la empresa estima importantes para la localización de la nueva planta, existen dos alternativas a considerar: La Coruña (alternativa 1) y Málaga (alternativa 2). La elección recaerá en aquella que provoque los menores costos de transporte entre las fábricas y los almacenes, dado que ambas parecen ser igualmente convenientes respecto a otros factores. La siguiente tabla recoge los costos de transporte unitarios entre cada origen y destino.

27/04/23 40

Ubicación de Plantas

Método del Transporte.•La apertura de la nueva planta en La Coruña o en Málaga va a provocar una reasignación distinta de los intercambios entre las fábricas y los almacenes. Para conocer como afectaría una y otra alternativa habría que resolver el problema de transporte en cada caso. Las correspondientes soluciones aparecen en las tablas que se muestran a continuación, que dan lugar respectivamente a los costos:•CTc = 625·2+275·6+875·2+400·3+225·5+600·4 = 9 375 u•CTm = 275·4+625·2+875·2+625·3+100·3+500·2 = 7 275 u•De los resultados obtenidos se deriva que Málaga es la mejor localización para el criterio empleado.

Costos unitarios Barcelona Madrid Lisboa Sevilla

Setúbal 6 4 2 6Valencia 2 3 7 5La Coruña 6 4 4 8Málaga 6 3 4 2

27/04/23 41

Ubicación de PlantasSolución final para la alternativa 1

Barcelona Madrid Lisboa Sevilla Capacidad

Setúbal 6 4 2 6 900 625 275

Valencia 2 3 7 5 1 500875 400 225

La Coruña 6 4 4 8 600 600 Demanda 875 1 000 625 500                   Solución final para la alternativa 2

Barcelona Madrid Lisboa Sevilla Capacidad

Setúbal 6 4 2 6 900 275 625

Valencia 2 3 7 5 1 500875 625

Málaga 6 3 4 2 600 100 500

Demanda 875 1 000 625 500

27/04/23 42

Plantas Industrialesy Control Ambiental