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  1. 1. UUnniivveerrssiiddaadd NNaacciioonnaall EExxppeerriimmeennttaall FFrraanncciissccoo ddee MMiirraannddaa ÁÁrreeaa ddee TTeeccnnoollooggííaa PPrrooggrraammaa ddee IInnggeenniieerrííaa QQuuíímmiiccaa DDeeppaarrttaammeennttoo ddee EEnneerrggééttiiccaa DDiisseeññoo ddee PPllaannttaass IInngg.. CCaarrmmeenn BBrroocckk IInngg.. FFaannnnyy RRoobbaayyoo Prolongación Avenida Rafael González. Punto Fijo, Estado Falcón. diplantas@gmail.com diplantas.blogspot.com Unefm. Universidad para el desarrollo integral del estado Falcón Unidad I INTRODUCCIÓN AL DISEÑO DE PLANTAS INGENIERÍA CONCEPTUAL: ESTUDIO DE LA CAPACIDAD DE LA PLANTA, ESTUDIO DE SELECCIÒN DE TECNOLOGÍAS, Y ESTUDIO DE UBICACIÓN. El presente material de apoyo fue desarrollado con la finalidad de presentarles los nuevos conceptos que requieren ser manejados por los estudiantes de la cátedra Diseño de Plantas, para la determinación de la capacidad de la planta, la selección de tecnologías, y la ubicación de la planta. Estos estudios son desarrollados durante la fase de ingeniería conceptual. Entre los objetivos finales de este material de apoyo, se quiere que el estudiante este en la capacidad de profundizar los conceptos de capacidad de las plantas, determinar los factores que afectan las decisiones sobre la capacidad, y analizar la medición y planeación de la capacidad de las instalaciones; así como, explicar el método empleado para la selección de tecnología y la ubicación de la planta, definir los factores considerados para cada tipo de selección, determinar el comportamiento de cada opción según el factor considerado, y establecer la conclusión de la tecnología a emplear en la planta, y la ubicación de la misma. Este documento contiene información de los siguientes aspectos: 1.- Estudio de capacidad. 1.1.- Capacidad 1.2.- Importancia 1.3.- Conceptos importantes en la capacidad 1.4.- La capacidad y sus mediciones 1.5.- Planificación de la capacidad 1.6.- Factores condicionantes de la capacidad 2.- Estudio de tecnologías. 2.1.- Factores a considerar en la selección 2.2.- Pasos a seguir para la selección de la tecnología 2.3.- Presentación del estudio 3.- Estudio de ubicación. 3.1.- Métodos utilizados en la selección de la ubicación 3.2.- Factores a considerar en la selección. “Porque con ingenio harás la guerra, y en la multitud de concejeros está la victoria” Proverbios 24:6, Santa Biblia /Versión Reina-Valera
  2. 2. Diseño de Plantas 2 1. Estudio de Capacidad. (Munier, 1979) 1.1.- Capacidad La capacidad es la tasa de producción que puede obtenerse de un proceso. Esta característica se mide en unidades de salida por unidad de tiempo. La capacidad del sistema de producción define los límites competitivos de la empresa. De manera específica, establece la tasa de respuesta de la empresa a un mercado, su estructura de costos, la composición de su personal, y la estrategia general de inventarios. Si la capacidad no es adecuada, una compañía puede perder clientes, su servicio es lento, y permite que entre la competencia al mercado. Si la capacidad es excesiva, es probable que la compañía tenga que reducir precios para estimular la demanda, sub-utilizar su personal, llevar un exceso de inventario o buscar productos adicionales, menos rentables, para seguir en actividad. Considerando estos escenarios es necesario para todas las empresas analizar y estudiar el sistema de capacidad que pueden implementar, todo esto con el fin de poder abarcar la mayor cantidad de demanda, optimizando las utilidades para la empresa y, con el tiempo, contemplar la posibilidad de expandirse, para poder aumentar su mercado y brindar un mejor servicio de calidad y satisfacción de necesidades a la mayor parte de la población consumidora del producto. En una situación como la indicada, lo primero que debe tenerse presente es el tamaño actual de la demanda que va a atender la instalación, y su crecimiento previsible hacia el futuro, respecto al producto o servicio que se trata de proveer. También, es indispensable una noción clara sobre la configuración y el funcionamiento de la instalación y, sobre sus requerimientos de materias primas e insumos por cada unidad física del (o de los) producto(s) que se va a generar en ella. Ademàs, es necesario conocer los precios y los costos de dichos productos y de dichos insumos y, por supuesto, toda la información tecnológica, comercial y financiera que es pertinente en una situación como la que se esta tratando. 1.2.- Importancia Para comprender la importancia de este estudio se presentan dos posibles escenarios. Suponga que se instala una planta demasiado pequeña. Surgen dos objeciones: a.- La experiencia mundial indica que para muchísimos tipos de industrias y de máquinas, es mas costoso producir cada unidad física de producto (p.e.: tonelada de cemento, barril de gasolina) en una instalación pequeña que en una instalación grande. Este es un fenómeno muy conocido y que se denomina con el nombre de “economías de escala". b.- Si la demanda crece, la planta pequeña va a quedar copada pronto y en los años subsiguientes se desaprovechará una gran parte de esa demanda futura Si por el contrario, se instala una planta muy grande, aparecen otras objeciones como las siguientes:
  3. 3. Diseño de Plantas 3 a.- El desembolso inicial de dinero va a ser demasiado grande, con los correspondientes grandes costos financieros. b.- La planta va a trabajar largo tiempo con capacidad de producción sobrante y los costos de capital (como la depreciación) se van a repartir en una producción relativamente pequeña, generando fuertes costos unitarios extras. Surge pues la necesidad de escoger un tamaño intermedio que no sea demasiado pequeño ni demasiado grande. Es decir, que aproveche las economías de escala pero que ocasione un desembolso que no sea excesivo; y que atenúe los costos fijos de producción de cada unidad de producto, siendo pequeña, pero no tan pequeña que pierda mercado futuro desde muy joven. 1.3.- Conceptos importantes en la capacidad Al hablar de la capacidad de una planta, se debe conocer: Mejor nivel operativo: se entiende como el punto de la capacidad donde es menor el costo promedio por unidad. Economías de escala: se trata del concepto que considera que al aumentar el tamaño de una planta y su volumen, baja el costo promedio por unidad producida, puesto que cada unidad absorbe parte de los costos fijos. Esta reducción en el costo promedio por unidad continúa hasta que la planta es tan grande que aumenta el costo de coordinar el manejo de personal y flujo de materiales; entonces, se llega a un punto donde hay que encontrar nuevas fuentes de capacidad. Se obtiene economías de escala si la producción se aproxima al mejor nivel operativo de la instalación; si rebasa este nivel, hay des-economías. Tasa de uso de la capacidad: se define como el grado en que una empresa utiliza su capacidad, y se calcula de la siguiente manera: Capacidad utilizada / capacidad diseñada La tasa de uso de la capacidad se expresa como un porcentaje, para lo que se requiere que el numerador y el denominador se midan con unidades y períodos similares (hora máquina/día, barriles de petróleo/día, pacientes/día, gastos de producción/mes). Holguras de capacidad: es la cantidad de capacidad que excede la demanda esperada. Por ejemplo, si se espera que la demanda mensual para una instalación sea de un millón den productos y la capacidad de diseño es de 1.2 millones al mes, la holgura de capacidad es de 20%. Una holgura que de capacidad del 20% equivale una tasa de uso del 83%. 1.4.- La capacidad y sus mediciones Las medidas nombradas a continuación tienen en cuenta los diversos factores o situaciones que afectan la capacidad. Capacidad de diseño: Es la estimada en el diseño de la instalación, la cual puede o no ser alcanzada. En el momento de la construcción de una planta, por ejemplo, se pacta un porcentaje mínimo de la capacidad de diseño con la cual debe quedar terminada (90 o 95%).
  4. 4. Diseño de Plantas 4 Capacidad efectiva: Es una reducción de la capacidad de diseño, puesto que prevé situaciones como mantenimiento de máquinas, falta de capacitación y demás obstáculos temporales que afectan la capacidad. Utilización: Reducción de la capacidad efectiva a un 15%, puesto que aunque teniendo en cuenta situaciones diversas, ninguna máquina o persona puede trabajar continuamente sin presentar errores y además los productos suelen presentar una inferencia entre sí. Rendimiento: indica la cantidad de productos buenos obtenidos de un proceso de producción, en comparación con la cantidad de materiales que entraron. Éste concepto incluye las pérdidas naturales, los desperdicios, los cuales son evitables porque son causados por derrames, pérdidas en muestras, residuos dejados durante el proceso en tuberías o tanques, y por último las mermas que sí son inevitables, por ejemplo cuando se corta una masa extendida para hacer galletas. 1.5.- Planificación de la capacidad La planificación de la capacidad de la planta tiene como objetivo establecer el nivel de capacidad que satisfaga la demanda del mercado de manera rentable, la cual se puede contemplar a largo plazo. La planificación de la capacidad constituye un proceso único, compuesto de una serie de fases inseparables, tales como: Realización de una evaluación de la capacidad actual (si la planta existe) y proyectarla hacia el futuro obteniendo así la disponibilidad de la misma. Estimación de las necesidades de capacidad en el horizonte temporal elegido, basada en las previsiones sobre la demanda o en los planes de producción a satisfacer durante aquel tiempo, esto incluye: - Una buena previsión de la demanda. - Acciones futuras de la competencia. - Evolución de los precios de productos alternativos. - Cambios demográficos, tendencias y ciclos. - Gustos. - Colchón de capacidad, cuyo objetivo es proporcionar una capacidad extra para ocasiones en que la demanda supere a la esperada, posibilidad de satisfacer la demanda en los períodos pico, aumentar la flexibilidad en cuanto a permitir cambios en el volumen, diseño y gustos. La previsión de la demanda sirve no sólo para determinar las necesidades de capacidad de productos actuales, sino para buscar productos con ciclos complementarios e introducir nuevos productos sustitutivos de aquéllos en declive. 1.6.- Factores condicionantes de la capacidad Las preguntas básicas a responder se refieren a ¿CUÁNTA capacidad hace falta?, ¿CUÁNDO? y ¿CÓMO conseguirla? El proceso de toma de decisiones varía, contando de una DECISIÓN INICIAL y de DECISIONES SUCESIVAS, que han de irse ajustando, con el fin de lograr una adecuada adecuación entre lo disponible y lo necesario. A largo plazo, el problema principal es acertar con las ESTIMACIONES para saber cómo se ha de expandir o cómo ha de procederse a la contracción de la capacidad.
  5. 5. Diseño de Plantas 5 Para ello, al momento de establecer la capacidad de la planta se desarrolla un estudio en función de los costos a largo plazo. Costos a largo plazo Permite determinar cómo se obtiene el nivel de capacidad de una empresa. Para su estimación hay que manejar los siguientes conceptos: Óptimo de Explotación: nivel de producción que minimiza los costos unitarios medios a largo plazo. Economías de escala: - Aumento de la capacidad implica una inversión en costes fijos, proporcionalmente menor, lo cual da lugar a costes unitarios menores. - Mayores tamaños permiten utilizar procesos más eficientes y automatizados. Des-economías de escala: - Aumento de costes en comunicación, gestión, organización, administración. - Pérdida de enfoque por parte de los directivos. - Formas de evitarlas: aumento de la especialización en planta: se prefieren plantas más pequeñas y más numerosas. - Economías de gama o de alcance: Se obtienen cuando es posible ofrecer mayor variedad de productos en una planta flexible, a menor coste que si se hiciesen en varias plantas separadas: proceso por lotes vs línea vs continuo. - Factores que influyen: existen factores que influyen directamente en los costos, que deben ser considerados, entre ellos se encuentran: Actitudes cómo afrontar la determinación de una capacidad. Para establecer la capacidad de una planta se pueden manejar dos escenarios, expansionista y conservadora. - Expansionista: Los factores que influyen en su implementación: o Ir por delante de la competencia. o Altos costes por demanda insatisfecha. o Bajo coste por capacidad ociosa. o Altos beneficios por la introducción de nuevos productos. o Colchón de capacidad. o Aumento de flexibilidad. - Conservadora: Los factores que frenan la expansión hasta el último momento: o Baja presión de la competencia: oligopolios, monopolios. o Alta inversión inicial: incremento excesivo de los costes fijos. o Poca fiabilidad de la previsión de la demanda. o Disminución del riesgo derivado del cambio tecnológico que provocaría obsolescencia. 2. Estudio de tecnología. En el desarrollo de un proyecto de diseño de plantas es necesario determinar el proceso más viable para obtener el producto deseado. Diferentes métodos de manufactura pueden ser viables para producir el
  6. 6. Diseño de Plantas 6 mismo material, por lo que, varios procesos son comparados para seleccionar aquel que ofrezca los mejores resultados en las condiciones de desarrollo del proceso planteado. La comparación por lo general es realizada antes de desarrollar el diseño detallado para cada opción. Primeramente, se establecen cuales son las tecnologías que son técnicamente factibles, en el estudio de factibilidad, y luego se profundiza el estudio de cada tecnología factible con el fin de obtener la información que permita, en forma confiable, seleccionar la tecnología o proceso a diseñar. Las diferentes alternativas de tecnologías son evaluadas bajo un enfoque técnico-cualitativo. Para ello, se utiliza una adaptación del método del Proceso Analítico Jerárgico ó Método de los factores ponderados. 2.1.- Factores a considerar en la selección Para la selección de la tecnología se consideran factores de diferente índole, pero que dan respuestas a las necesidades del proyecto, es decir, los factores a considerar para la selección varían según el proyecto en estudio, el alcance, los objetivos y la filosofía del cliente. Los tipos de factores que generalmente son considerados en la comparación, recomendados por Peters y Timmerhaus (1991), son: 1. Factores técnicos Proceso Flexibilidad del proceso Operación continúa Requerimiento de controles especiales Rendimiento Complejidad operacional Requerimientos de energía Requerimiento de sistemas auxiliares especiales Posibilidad de futuros desarrollos Requerimientos de seguridad Complejidad de mantenimiento Consideraciones de seguridad y riesgo Materia prima Disponibilidad presente y futura Requerimiento del proceso Requerimiento de almacenamiento Problemas para el manejo de las sustancias Producción de desechos Cantidad producida Tipo Usos y mercados potenciales Procesamiento para su descarga Aspectos gubernamentales Equipos Disponibilidad Materiales de construcción Requerimiento de remplazo Diseños especiales 2. Factores Económicos Costos de instalación Costos operacionales: materia prima, energía, patentes, etc.
  7. 7. Diseño de Plantas 7 Costos de mantenimiento 3. Otros factores Consideraciones de Proceso Disponibilidad de la tecnología Objetivos generales de la compañía. Otros Estos están condicionados según el tipo de proyecto En general, la discriminación de los factores depende de las tecnologías evaluadas, la empresa ejecutora de la evaluación, y/o el cliente. Por ejemplo, Petróleos de Venezuela los discrimina así: Financieros, ambiente/seguridad, operabilidad, mecánica, tecnología, y licenciante. 2.2.- Pasos a seguir para la selección de la tecnología. (Ray y Johnston, 1989) A continuación se describe el procedimiento a seguir para realizar la selección de las tecnologías. 2.2.1.- Búsqueda de información Una vez establecidas las premisas del proyecto por parte del cliente, se procede a buscar información de las diferentes tecnologías para la obtención del producto de deseado, que por lo general deben ser como mínimo tres; para determinar su factibilidad técnica, tales como: esquema del proceso, materias primas, insumos, especificaciones del producto, aspectos legales, entre otros. 2.2.2.- Definición de la factibilidad técnica de las opciones Con la información recopilada y la aportada por el cliente, el ingeniero de proceso determina si cada una de las tecnologías es factible técnicamente. En este estudio se evalúa cada tecnología por separado. En caso que todas las tecnologías sean factibles y sean un número mayor de cuatro, se procede a desarrollar una pre-selección en función de los costos, para descartar las no factibles económicamente, y dejar un máximo de cuatro tecnologías para la siguiente etapa. 3. Establecimiento de los factores a considerar para la selección de la tecnología En función del tipo de proyecto a desarrollar y las especificaciones del cliente se procede a establecer los factores técnicos, económicos y de otras índoles, que serán considerados para seleccionar la tecnología a desarrollar. Primeramente, se establecen los factores y se definen claramente, evitando ambigüedades; y se define como se considerara la puntación para cada factor. Una vez establecidos todos los factores, se procede a jerarquizarlos por orden de influencia e importancia en el proyecto, asignándole el peso correspondiente en una escala del 1 al 100%, con una sumatoria total de todos los factores de un 100%. 4. Recopilación de información específica de cada tecnología
  8. 8. Diseño de Plantas 8 Luego de establecidos los factores a considerar en la selección se procede a la búsqueda de información para cada tecnología pre-seleccionada en función de cada factor, tal que permita asignar la puntuación respectiva. La información debe describir el comportamiento de cada tecnología según en factor estudiado. 5. Aplicación de método de factores ponderados Considerando la información obtenida de cada tecnología para cada factor, se aplica el método de los factores ponderados, asignándole la puntuación correspondiente a cada tecnología según la escala de evaluación. Este método permitirá establecer cual es la tecnología que cumple en su gran mayoría con las especificaciones del proyecto estudiado. 6. Elaboración de conclusiones Obtenidos los puntajes, se redactan las conclusiones, indican o resaltando el porque la tecnología seleccionada es la mas adecuada para el desarrollo del proyecto. 2.3.- Presentación del estudio A continuación se describe la estructura recomendada para la presentación del estudio de selección de tecnología. 1) Introducción al proyecto. 2) Restricciones del proyecto (si las tienen). 3) Metodología a emplear para la selección. 4) Presentación de los factores a considerados en la selección de la tecnología 5) Explicación de los criterios a considerados para hacer la selección, y como será asignada la puntuación. 6) Presentación de las posibles alternativas. 7) Descripción de las alternativas, incluyendo los aspectos favorables y desfavorables. 8) Descripción de la escala de evaluación. 9) Presentación de tabla de resultados. 10) Conclusiones. 3. Estudio de Ubicación. (Munier, 1979) Las decisiones de ubicación de las instalaciones no se pueden tomar a la ligera. Por el contrario, antes de seleccionar el sitio final, generalmente involucran largos y costosos estudios de ubicaciones alternativas. La selección de una ubicación generalmente puede incluir dos tipos: una macro-localización y una micro-localización. A su vez la macro- localización puede incluir una: una decisión nacional, y una regional. La micro-localización puede incluir decisión de localidad, y una de sitio. 3.1.- Métodos utilizados en la selección de la ubicación. Los métodos más utilizados parar la selección de la ubicación de la planta son: a.- Análisis del punto muerto, b.- Método del centro de gravedad, c.- Método de los factores ponderados,
  9. 9. Diseño de Plantas 9 d.- Método de transporte. El método desarrollado en clase es el Método de los factores ponderados. 3.2.- Factores a considerar en la selección. (Gaither y Frazier, 2000; Ray y Johnston, 1989) La macro-localización de decisión nacional, permite establecer en qué país se instalará la planta. Para este tipo de selección, por lo general, se toman en cuenta los factores siguientes: 1.- Estabilidad del gobierno, de la economía y del sistema político. 2.- Disponibilidad y costos de la mano de obra. 3.- Cuotas de exportación e importación, y aranceles. 4.- Tasa de cambio de divisas. 5.- Sistema de transporte. 6.- Suministro de energía. 7.- Sistema de telecomunicaciones. 8.- Disponibilidad y costos de materiales y suministros. 9.- Clima. 10.- Incentivos y restricciones gubernamentales. 11.- Pecularidades culturales y económicas. 12.- Reglamentaciones sobre las operaciones. La macro-localización de decisión regional, permite establecer en qué estado se instalará la planta. Para este tipo de selección, por lo general, se toman en cuenta los factores siguientes: 1.- Concentraciones y tendencias de clientes. 2.- Disponibilidad y costos de la mano de obra. 3.- Costos de la construcción y de los terrenos. 4.- Suministro y costos de servicios públicos. 5.- Disponibilidad del sistema de transporte. 6.- Costos de transporte. 7.- Disponibilidad y costos de materiales y suministros. 8.- Clima. 9.- Incentivos gubernamentales. 10.- Reglamentaciones ambientales. La micro-localización de decisión de localidad, permite establecer en qué municipio se instalará la planta. Para este tipo de selección, por lo general, se toman en cuenta los factores siguientes: 1.- Concentraciones y tendencias de clientes. 2.- Preferencia de la gerencia. 3.- Servicios e impuestos de la localidad. 4.- Actitudes de la localidad hacia nuevas ubicaciones de instalaciones. 5.- Disponibilidad y costos de la mano de obra. 6.- Disponibilidad y costos de locales. 7.- Costos de la construcción. 8.- Disponibilidad del sistema de transporte. 9.- Costos de transporte. 10.- Disponibilidad de materiales y suministros, así como sus costos. 11.- Servicios bancarios. 12.- Reglamentaciones e impactos ambientales. 13.- Incentivos gubernamentales. La micro-localización de decisión de sitio, permite establecer en qué sitio se instalará la planta. Para este tipo de selección, por lo general, se toman en cuenta los factores siguientes:
  10. 10. Diseño de Plantas 10 1.- Concentraciones y tendencias de clientes. 2.- Disponibilidad, tamaño y costos de los terrenos. 3.- Proximidad a los sistemas de transporte. 4.- Disponibilidad de servicios públicos. 5.- Restricciones de uso de suelo. 6.- Proximidad a industrias o servicios relacionados. 7.- Impacto ambiental. 8.- Disponibilidad de materiales y suministros, y sus costos. REFERENCIAS Gaither, N. y Frazier, G. (2000). Administración de producción y operaciones. México: Thomson Editores. Munier, N. (1979). Preparación técnica, evaluación económica y presentación de proyectos. Texas: Astrea. Peters, M. y Timmerhaus, K. (1991). Plant design and economics for chemical engineers. Singapore:McGraw-Hill. Ray, M. y Johnston, D. (1989). Chemical engineering design project. Melbourne: Gordon and Breach Science.

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