DISEÑO DE DETALLE DE UNA PLANTA DE PRODUCCIÓN DE MERMELADA

Antecedentes

En el pasado hemos escrito algunos artículos acerca del tópico de diseño de plantas. Entre ellos hay algunos más importantes que otros, y otros que tratan de conceptos generales.

Entre los primeros pueden contarse  http://simulacionblog.com/automatizacion-de-un-reactor-tanque-agitado-batch-i/diseno-de-una-planta-para-produccion-de-mermelada-generacion-de-la-configuracion-preliminar/, y entre los segundos puede creo que debe mencionarse http://simulacionblog.com/diseno-de-plantas-algunas-reflexiones-acerca-de-las-destrezas-indispensables-y-las-herramientas-fundamentales/, que el lector amable tal vez podría revisar al paralelamente a la lectura del presente artículo, que intenta ilustrar algunos aspectos del diseño de detalle de la planta de producción, que constituye una parte de la instalación industrial.

Algunas precisiones conceptuales

Como el tópico de diseño de plantas, como normalmente se conoce en las universidades de nuestra América Latina, o plant design como se denomina en las universidades anglosajonas, en algunos casos se aborda de manera superficial, y/o difusa, por su multiplicidad de facetas y matices, se hace necesario aquí precisar el alance del artículo, y algunos conceptos antes de entrar en materia.

Como primer asunto, me permito hacer una diferenciación básica respecto de lo que debe entenderse como instalación industrial, y a lo que debe entenderse como planta.

Instalación industrial

Una instalación industrial, al contrario de lo que normalmente se entiende, está constituida por un conjunto de plantas. Esto quiere decir que las plantas son subconjuntos del conjunto instalación industrial, que las engloba.

Polígono o parque industrial

El polígono o parque industrial está constituido, a su vez, por un número de instalaciones industriales que aprovechan de cierta infraestructura comunal que el polígono posee para el servicio de las instalaciones asentadas en él. Estas instalaciones pueden ser, por ejemplo, el departamento de prevención y lucha contra incendios; la planta de tratamiento secundario de desechos líquidos; la seguridad del polígono, y otros.

Las plantas de la instalación industrial para la producción de mermelada

Una instalación industrial para la producción de mermelada puede estar constituida por la planta de recepción, clasificación, y lavado de la fruta; por la de almacenamiento de la fruta; ; por la de preparación de la pulpa de la fruta o frutas; por la plata de procesamiento; por la planta de producción de mermelada; por la de pasteurización y envase del producto; por la de almacenamiento de producto terminado; y por la de tratamiento y disposición de desechos líquidos y sólidos.

Importancia de la subdivisión de la instalación industrial en plantas

Al respecto de la subdivisión de la instalación industrial en plantas, pueden argumentarse muchas cosas. Hay quien dice que no hay razón de subdividir la instalación en plantas,  si todas ellas están dentro de la instalación, y pertenecen a ella.

Hay, al contrario, quienes preconizan -como yo-, que la subdivisión es necesaria administrativa y técnicamente, y desde el punto de diseño, porque hay operaciones, como el tratamiento de desechos por ejemplo, que no deben, ni pueden, superponerse, ni compartir personal, con la recepción y clasificación de la fruta,  porque las Buenas Prácticas de Manufactura, y la lógica elemental, prescriben que el personal que trabaja en tratamiento de desechos no intervenga en la recepción de materia prima, porque ésta última puede contaminarse con bacteria de la planta de tratamiento, atentando así la inocuidad que debe mantenerse en las líneas de procesamiento de materia prima alimentaria.

Además de lo citado, la subdivisión de la instalación industrial en plantas es deseable porque racionaliza el manejo de aspectos administrativos tales como evaluación  de índices de desempeño de la planta, costos de procesamiento en ella, entrenamiento y evaluación de personal, y aspectos relacionados con la gestión de calidad de cada planta; y porque imponen el manejo diferenciado de operaciones que cuyos objetivos son distintos.

Objetivos y alcance de este artículo

Este artículo tiene por objeto mostrar la obtención de un diseño de detalle basado en la configuración preliminar que se presentó en un artículo anterior, que obtenga la productividad allí estipulada de 1,000 a 1,500 kg/día de mermelada, obtener la distribución en planta, y en base a ella, estimar la superficie y el volumen que se requeriría para su funcionamiento y eventual instalación, se restringe a la planta de producción de mermelada, y excluyendo las demás plantas de la instalación industrial.

Los lectores que tengan la paciencia para comparar la configuración preliminar con el diseño detallado que aquí se presenta podrán notar que el segundo difiere del primero, por las obvias diferencias de detalle que se presentan en el segundo, que se deben a que en el diseño detallado se debe pensar en los espacios por donde pasan las tuberías; en cómo se conectan, y en otros detalles que en la configuración preliminar no se consideran, por su naturaleza bidimensional.

El alcance del diseño que aquí se presenta se limita a visualizar la distribución espacial (Plant Layout), y no enfatiza la instrumentación, que puede modelarse de la manera como se ilustró en los artículos sobre la automatización del reactor.

Tarea a realizar antes del diseño

Antes de diseñar se debe establecer el tamaño del reactor (en este caso marmita M-100) que se requiere para que se pueda producir la cantidad requerida de mermelada. Las dimensiones pueden obtenerse por cálculo  estático de simple balance de masa. El tiempo necesario para procesar una parada se obtiene por simulación,  lo que da una idea de la productividad de la planta, que debe aproximarse a la que se requiere.

El diseño por simulación no es determinístico; es de “tanteo”, que los anglosajones llaman “trial and error”. Esto se debe a que hay muchos parámetros que influyen en la duración del batch, como la temperatura y la presión del vapor; y otros que no deben sobrepasarse (véase un artículo anterior acerca del modelo de la chaqueta de un tanque agitado batch), como el tamaño de la válvula de admisión de vapor.

Hay que ser consciente de que el proceso toma tiempo; y que obtiene una planta, de entre muchas que pueden obtenerse, de aproximadamente la misma productividad. Todo depende de los parámetros, de la configuración, y de la interacción entre los componentes de la planta.

A continuación se muestra el balance de masa y los resultados de la simulación sobre los que se basó el diseño de la planta.

Figura 1. Balance estático de masa para marmita

Figura 1. Balance estático de masa para marmita

Con respecto al balance de masa de la Figura 1 se debe aclarar que en él existen dos tablas. La primera es la que se ha denominado Balance de Masa, y la segunda es la que lleva el nombre de Volúmenes Operativos.

La segunda tabla se ajustó de manera de obtener un valor de Volumen Cargado a la Marmita que sea igual al valor respectivo de la primera, con valores nocionales de las alturas iniciales y finales que deben insertarse de manera que concuerden dentro de los rangos físicos de la marmita que correspondan a la parte cilíndrica de ella, y que -además- no sobrepasen la altura del agitador. El diámetro interior de la marmita se copia a los datos de ingreso del programa. La altura de la parte cilíndrica que se aprecia no es 0.801, sino 0.6 m, y es referencial. Todo lo dicho se aclara observando los dibujos de diseño, que se insertan más adelante.

A continuación se muestran los resultados de la simulación.

Figura 2. Evolución de la temperatura del proceso

Figura 2. Evolución de la temperatura del proceso

Figura 3. Altura de la mezcla vs. tiempo

Figura 3. Altura de la mezcla vs. tiempo

Figura 4. Presión vs. tiempo

Figura 4. Presión vs. tiempo

Figura 5. Vaporización vs. tiemppo

Figura 5. Vaporización vs. tiempo

Comentario sobre los resultados de la simulación

Se requiere de los siguientes comentarios a los resultados, para que se entiendan adecuadamente

Variación de la temperatura vs. tiempo

El control de la temperatura se ha simulado como un lazo cascada en el que el control de la presión actúa como máster, mientras que el de la temperatura actúa como esclavo. El set externo es de presión absoluta de vacío, y maneja ese lazo externo, que manipula la válvula respectiva (FCV-107). A medida que la presión baja, el controlador de presión cambia el set point de la temperatura a lo largo de la curva de equilibrio líquido vapor. De esta manera se obtiene la curva Tmset vs. tiempo, que se muestra en la figura 2.

Variación de la altura de la mezcla vs. tiempo

La variación de la altura de la mezcla, que se muestra en la Figura 3., comienza a producirse cuando la temperatura de la mezcla llega a la temperatura de saturación del agua, a la presión aplicada dentro de la marmita. Se maneja mediante una sencilla ecuación diferencial de continuidad de masa, y se explica por si sola. La simulación termina cuando el nivel de la mezcla alcanza el valor final de altura, y el batch también.

Presión en la marmita vs. tiempo

El vacío se produce por medio de una bomba respectiva que succiona aire hasta llegar a la presión deseada. Cuando se obtiene el valor deseado la válvula se cierra. Esto se puede apreciar en la Figura 4, e implica estanqueidad.

Flujo de vapor, y vaporización vs. tiempo

El flujo de vapor de calentamiento se maneja por medio del control respectivo, que es un control esclavo, como ya se dijo. Como es un control de temperatura y la marmita se considera adiabática, por estar térmicamente aislada, el flujo de vapor de calentamiento se interrumpiría cuando se alcance la temperatura deseada. Este resultado, que es lógico no es deseable, porque una vez que se alcanza la temperatura deseada se requiere que siga pasando vapor para poder evaporar la mezcla, lo que se logra colocando una válvula solenoide de idéntica capacidad a la que tiene la válvula de control, que mantiene el flujo de vapor hasta que el batch termina. Esto se muestra en la Figura 5, y en los dibujos del diseño, que se muestran más adelante.

Diseño de detalle

En primer lugar, se debe establecer que los dibujos que a continuación se muestran no constituyen planos de construcción, que deben ser elaborados por los ingenieros mecánicos, a quienes yo considero como primos hermanos profesionales.

Los dibujos que adjunto  son parte de la distribución en planta, o plant layout, que sirven para representar el concepto espacial del diseño, conjuntamente con los tamaños y capacidades necesarios para que el proceso funcione de acuerdo a este, que a su vez se origina en la simulación estática y en la simulación dinámica.

Eso es lo que el ingeniero químico, que es dueño del diseño del proceso en el sentido de ISO 9000 debe hacer, porque de eso es responsable.

Elevación frontal de marmita

Figura 6. Elevación frontal de marmita

Figura 6. Elevación frontal de marmita

La elevación frontal de la marmita, que se muestra en la Figura 6, contiene algunos detalles que se deben mencionar, y otros que son obvios.

En el dibujo puede apreciarse la línea P004, que es la que alimenta vapor a la marmita, con las válvulas FCV-153, y SV-153-A que son las que alimentan vapor de acuerdo al esquema que ya se mencionó en los resultados de la simulación.

Pueden apreciarse también las líneas P003 y P005, que sirven para respectivamente desalojar los condensados que se forman en la línea de alimentación de vapor, que aunque aislada es larga, y para desalojar el condensado de la camisa de la marmita. Ambas están dotadas de sendas trampas de vapor, designadas por medio delas siglas FT-57-75-1, y FT-57-75-2.

En la Figura 6. se muestra así mismo la línea P-014, que recolecta el condensado de la evaporación del agua de la mezcla en el tanque TK-300, dotada de una válvula solenoide que sirve para mantener el vacío en la marmita, hasta que llega el momento de descargar el condensado.

En el dibujo pueden apreciarse, así mismo, las líneas P-001, y P-014 que respectivamente conducen el vapor del agua de la mezcla hacia el condensador IN-200, y de éste, el condensado hasta el tanque TK-300.

También pueden apreciarse las líneas P-007 y P-008, que sirven para cargar la pulpa de la mora, y la sacarosa, desde sendas tolvas que no se muestran en el dibujo.

Se muestran así mismo las líneas P-002, que sirve para presurizar la marmita al momento de su descarga hacia la bomba helicoidal que debe transportar la mermelada hacia la planta de envasado, que tiene por objeto mejorar el NPSHA, para que la bomba pueda funcionar adecuadamente, y una línea que se me ha quedado sin descriptor, que sirve para despresurizar la marmita después de la descarga, que debe tener una válvula solenoide, y no una manual, como erróneamente consta en el dibujo.

La marmita pesa, una vez cargada, 1881 kg cuando comienza el batch, y se ha pensado montarla por medio de los estribos que se muestran, en el segundo nivel de la planta, localizado a 3.40 m de altura sobre el nivel cero.

Elevación lateral de marmita

Figura 7. Elevación lateral de marmita

Figura 7. Elevación lateral de marmita

En esta elevación puede apreciarse el intercambiador IN-200, que se diseña en el programa de simulación, que tiene dos pasos en tubos y un paso en coraza. 1.40 m de largo, sin contar la vuelta, lo que se toma como un sobre-diseño, o factor de seguridad, cuya coraza tiene 0.2320 m de diámetro interno, que está dotado de 15 tubos de 0.5″, NPS.

El agua de enfriamiento circula por los tubos; el vapor circula por la coraza.

En el dibujo se aprecia la válvula FCV-107, que es la que modula la salida del aire de la marmita para producir la presión reducida, y la válvula SV-172 que sirve para mantener el vacío, y para descarga rl condensado que se acumula en el tanque TK-300, hacia el tanque Tk-400, que se muestra en el dibujo siguiente.

Elevación lateral de tanque de condensados TK-400

Figura 8. Elevación lateral de tanque de condensados TK-400

Figura 8. Elevación lateral de tanque de condensados TK-400

Esta elevación es sencilla. Tiene por objeto mostrar las bajantes de las líneas que transportan condensado, que ya hemos mencionado antes, y su conexión con el tanque TK.400, que debe tener un control si no con una banda diferencial adecuada, y debe estar conectado con una bomba que lo desaloje para transportar los condensados hacia la planta de generación de utilidades y potencia donde debe encontrarse el caldero. El tanque está ubicado en el nivel cero de la planta.

Elevación frontal de las tolvas TK-101, y TK-102

Figura 9. Elevación frontal de tolvas de carga

Figura 9. Elevación frontal de tolvas de carga

En la figura anterior se pueden apreciar las tolvas de carga que se sugiere que se monten en el nivel 3 de la planta, que se encuentra a 3.4 m sobre el nivel 2. Se indica que el montaje debe realizarse sobre estribos, como se muestra. Se pueden apreciar las válvulas de carga, y las válvulas de descarga.

Vista en planta de la instalación

En la figura siguiente se puede apreciar la vista en planta de la instalación. En base a ella se puede estimar la superficie que debería ocupar,  que en primera aproximación se estima en 33 m², a la que habría que añadir las escaleras de acceso, y la estructura soportante,  que no se muestran.

Figura 10. Vista en planta de la instalación

Figura 10. Vista en planta de la instalación

Resumen

La planta cuyo diseño básico de detalle se muestra ocuparía alrededor de 33 m² de superficie, y tendría una altura estimada de 9.3 m, lo que se puede apreciar del plano completo, que por asuntos de espacio no es posible colocar aquí.

La producción se estima en 1,275 kg/día, considerando una eficiencia de 93%, que estoy de acuerdo que es un poquito alta.

Espero que el artículo les haya parecido interesante,  que aprecien la complejidad de un diseño de detalle, y la interacción o entrelace que requiere entre diferentes e importantes aspectos de la ingeniería química como son la simulación, el diseño, la instrumentación, las normas de diseño ANSI, y TEMA, entre otras.

En un artículo siguiente pienso analizar la factibilidad económico-financiera del proyecto, ya que la factibilidad tecnológica es obvia en función de lo aquí indicado.

2 comments on “DISEÑO DE DETALLE DE UNA PLANTA DE PRODUCCIÓN DE MERMELADA
  1. roberto suarez ardila dice:

    superbien,podemos diseñar un evaporador continuo?

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