1. ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA QUÍMICA
DISEÑO DE UN PROCESO
CÁTEDRA :
ESTUDIANTES :
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL
CENTRO DEL PERÚ
TECNOLOGÍAS DE INDUSTRIAS QUÍMICAS
Ing. LOAYZA MORALES, Cesár
HUANCAYO-PERÚ
2022
CABEZAS HUZCO, Vivian
ESTRADA GONZÁLES, Doris
HUARACA QUISPE, Yeselyn
HUAROC PEÑA, Geraldine
SOLIS GAMBOA, Mariflor
SUÁREZ QUISPE, Maricielo
CATEDRÁTICO :
2. INTRODUCCIÓN
Resulta muy complejo plantear en un esquema formal, la
actividad de diseño en la ingeniería de procesos. Esto se debe a
que un proceso químico está vinculado al tratamiento de
materiales, mediante transformaciones fisicoquímicas y/o
biológicas, y/o procesos de separación física. Lo cual involucra a
variables estructurales que están ligadas a la estructura del
diagrama de flujo, es decir, que especifican la presencia de los
distintos equipos y su diagrama de interconexiones. Así como
también a las variables de operación, las cuales representan
parámetros de operación (temperatura, flujo, presión, entre otros),
y ciertas características funcionales de los equipos, conocidas
como parámetros de diseño.
La tarea de diseño lleva implícita la necesidad de seleccionar
dentro de un conjunto de posibilidades, aquellas alternativas que
en base a un criterio predeterminado, cumplan con los objetivos
deseados
3. PASOS A SEGUIR
1. Producto demandado: a partir de un estudio de mercado previo debe determinarse el producto que se
demanda, su cantidad y sus criterios de calidad, así como las operaciones unitarias involucradas en su
producción.
2. Seleccionar la tecnología: en este paso debe seleccionarse la primera tecnología, asociada al producto
demandado, la cual será analizada a través de este procedimiento secuencial. La selección debe basarse en
fuentes de información confiables. Si la tecnología es conocida, debe considerarse su viabilidad técnica,
factibilidad económica y su compatibilidad o impacto al medioambiente.
3. Definir el esquema tecnológico: se debe definir el esquema tecnológico utilizando el diagrama de flujo
como simbolismo esquemático para visualizar la topología (esquema estructural del proceso).
a) fijar la complejidad de los diagramas en función del grado de exactitud que se establezca
b) especificar las condiciones de operación (temperaturas, presiones, etc.) y las propiedades asociadas a las
corrientes
c) plasmar todos los puntos críticos de control medioambiental (PCCM) e identificar las sustancias
contaminantes. Los PCCM son aquellas etapas del proceso que pueden afectar de alguna forma al
medioambiente
4. Estimar la capacidad de la planta: se estima la capacidad de la planta a partir de la demanda del mercado y
la disponibilidad de materias primas.
4. 5. Realizar el estudio de macro localización: Se propone seleccionar aquella ubicación que produzca el mayor
nivel de beneficio para los usuarios y para la comunidad, con el menor costo social. La localización está
condicionada por factores que pueden ser cuantificables en términos económicos y otros cuya incidencia puede
solo ser medida considerando métodos subjetivos
6. Realizar los balances de masa y energía: se propone realizar los balances de masa y energía, considerando o
no la incertidumbre. El objetivo de este paso es determinar el flujo y la composición de todas las corrientes que
intervienen en el proceso (materia prima, intermedia, producto final o residual).
7. Constatar la disponibilidad y consumo de la materia prima: se debe comparar la disponibilidad de la
materia prima (obtenida en el paso 3) y el consumo de esta (derivado del paso 6). Si el consumo es mayor que la
disponibilidad, debe fijarse una capacidad menor y retornar al paso 4 para estimar nuevamente la capacidad de la
planta (paso 4). Se debe continuar al paso 8 cuando se haya estimado una capacidad que asegure que exista
disponibilidad de materias primas para la producción del producto en estudio.
8. Comprobar el cumplimiento de las normas medioambientales: las cantidades de residuales gaseosos como
de líquidos y sólidos calculadas como parte del paso 6 se comparan con las regulaciones establecidas para el
vertimiento de estos residuales.
9. Determinar la capacidad de los equipos y el costo de adquisición: se debe determinar los parámetros de
diseño, la capacidad de los equipos y la cota mínima de cada uno de ellos a partir de los resultados obtenidos de
los balances de masa y energía (en el paso 6). Los parámetros de diseño (volumen, área de transferencia de calor,
entre otros) estarán en función del objetivo de trabajo de los equipos.
5. 10. Determinar la disponibilidad de los equipos: se calcula el número óptimo de equipos redundantes que se debe
adquirir e instalar para que la disponibilidad del equipamiento sea máxima y aumentar el tiempo real de operación de la
planta
11. Realizar el análisis económico: se estiman los costos de inversión utilizando la metodología propuesta por Peters y
Timmerhaus (1991) con toda su estructura de costo y los costos de producción de la planta.
12. Optimizar: el objetivo de este paso es determinar los parámetros óptimos de la planta. Se puede definir, por tanto,
como optimización, al proceso de seleccionar a partir de un conjunto de alternativas posibles, aquella que mejor satisfaga
el o los objetivos propuestos.
13. Valorar si la alternativa es económicamente factible: en este paso es posible tamizar el conjunto de alternativas
tecnológicas generadas o identificadas. Se valora si la tecnología es factible o no desde el punto de vista económico.
14. Analizar si existen otras tecnologías: se comparan todas aquellas alternativas que resultaron ser económicamente
factibles y medioambientalmente compatibles (derivadas del análisis del paso 8). Los indicadores cuantitativos que se
deben tener en cuenta para su comparación son: los técnicos, medioambientales y económicos.
15. Analizar si existen nuevas capacidades: el objetivo de este paso es analizar nuevas capacidades para la mejor
alternativa tecnológica (seleccionada en el paso previo). Las nuevas capacidades a analizar estarán en función de la
demanda del producto.
16. Seleccionar la tecnología y capacidad óptima: la selección de la mejor alternativa tecnológica, medioambiental y
económica debe realizarse en función de los avances tecnológicos, la competitividad, la productividad, la calidad de los
productos y su compatibilidad ambiental.
6. Hablar de diseños de procesos es centrarnos en
actividades propias de la empresa que nos permite
visualizar cómo funcionan en cada uno de los
departamentos, a través de unos componentes básicos
que se identifican en los niveles jerárquicos en tres
niveles que son subproceso, actividad y tareas a través
de unos instrumentos de diseño. Al momento de realizar
estos procesos es importante apoyarse del software que
nos permite agilizar las actividades a través de un
simulador que arroja resultados y genera inquietudes
para la toma de decisiones.
7. DISEÑO
se define el diseño como la creación de un plan o la creación de una
convención para la construcción de un objeto o de un sistema. Diseñar
tiene connotaciones diferentes de acuerdo al campo que se trate.
“Es el enfoque estratégico para que alguien logre una expectativa única o
singular. El diseño define las especificaciones, planes, parámetros, costos,
actividades, procesos, y cómo y qué hacer con las condiciones legales,
políticas, sociales, ambientales, de seguridad y económicas, para lograr el
objetivo”.
PROCESO
Un proceso es una secuencia de pasos dispuesta con algún
tipo de lógica que se enfoca en lograr algún resultado
específico. Expone mecanismos de comportamiento que
diseñan los hombres para mejorar la productividad de algo,
para establecer un orden o eliminar algún tipo de problema.
8. BASES DEL DISEÑO DEL PROCESO
Para iniciar el diseño es necesario establecer unas bases claras de partida a las que se va a referir y en las que se va a
apoyar todo el desarrollo posterior. Entre estas bases de diseño figuran:
1. Especificación del producto/s deseado/s.
2. Tamaño de la planta o cantidad de producto/s.
3. Materias primas y sus características.
4. Factores de seguridad en el diseño y criterios económicos.
5. Plazo disponible para realizar la ingeniería de proceso
Dentro de las bases de diseño hay que incluir, también, una serie de datos locales, que condicionan el proceso. Las
condiciones locales que pueden afectar al proceso de diseño son entre otras: energía eléctrica, combustibles,
características y volumen de agua, vapor, contaminación admisible en los efluentes, etc.
9. DISEÑO DE UN PROCESO
● El proceso es el conjunto de actividades ordenadas en forma sistemática y cronológica, con el fin de
generar un resultado (bien o servicio), que viene a ser la salida de un producto que se entregará al
cliente, interno o externo, quien le dará mayor valor, pues satisfará sus necesidades.
● Diseñado el producto y definidas sus especificaciones, se pasa a diseñar el proceso que permitirá la
obtención del producto, a partir de la materia prima y los insumos, a través del uso de la maquinaria y
de la mano de obra capacitada, con el fin de invertir menor esfuerzo, disminuir los costos y el tiempo
de manufactura, teniendo en cuenta las economías de escala.
● Tras el diseño del producto y de sus especificaciones técnicas, se presenta el proceso por seguir, de
acuerdo con la tecnología seleccionada.
● El diseño del proceso puede resultar de mayor importancia que el diseño del producto. Al diseñar el
proceso se deberá responder las siguientes preguntas: ¿qué trabajo se hace?, ¿quién trabaja?, ¿la
actividad agrega valor al material?, ¿cuáles son los insumos y resultados de cada paso?, ¿cómo se
pueden eliminar o simplificar las actividades?, y ¿cómo se puede mejorar aún más el proceso?
10. ● Mano de obra: personal responsable, capacitado, entrenado, con habilidades para realizar la
tarea.
● Materiales: materia prima e insumos para ser procesados o transformados de acuerdo con el
diseño del producto, considerando las especificaciones técnicas.
● Maquinaria y equipo: están constituidos por las máquinas y herramientas que se emplean
para efectuar el trabajo; facilitan las tareas del operario y aumentan la capacidad de la planta.
● Método: viene a ser la forma en que se llevan a cabo las tareas. Las variaciones que se
originan en las salidas del proceso dependerán de si el método definido es la mejor manera
de realizar el trabajo, por lo que luego podrá revisarse y plantear las mejoras.
● Ambiente de trabajo: son las condiciones del local donde se va a llevar a cabo el trabajo;
involucra aspectos ergonómicos, ventilación, ruido e iluminación. Es un factor muy
importante por su incidencia en la calidad y productividad del proceso.
Con el diseño del producto se iniciará el diseño del proceso, para ello deberá elegirse el sistema de
producción que mejor responda a los requerimientos del mercado y al nivel tecnológico requerido.
LOS FACTORES BÁSICOS DE UN PROCESO SON:
11. ● SISTEMAS DE PRODUCCIÓN
Para decidir sobre el sistema de producción por implantar, se deben considerar los siguientes aspectos:
El volumen de producción, que se refiere la cantidad de unidades o lotes que se espera fabricar. Se puede tener producción por
unidades, en series pequeñas, grandes y a gran escala, de acuerdo con el comportamiento del mercado.
El flujo del producto, es decir de qué manera se presentarán las etapas de trabajo de acuerdo con el diseño del producto. Se
podrán presentar flujos lineales o flujos intermitentes.
Los productos, que vienen a ser el bien o el servicio que produce la empresa. Se puede concentrar en un solo tipo de producto o
en una gran variedad.
El análisis de estas tres variables permitirá seleccionar el sistema de producción más adecuado para la elaboración del producto
o de los productos identificados para el estudio de la disposición de la planta.
• DIAGRAMACIÓN DE PROCESOS
Una vez identificado el sistema de producción por aplicar, se detallará la secuencia del proceso, mediante el uso de
herramientas de diagramación: en el caso de un proceso nuevo se tomará el registro sobre la base de la tecnología elegida en el
proyecto; si se trata de una planta que ya se encuentra en funcionamiento se procederá a recabar información de las actividades
involucradas en la producción con el fin de registrarlas, para que el proceso pueda ser comprendido, analizado y mejorado. Para
ello se recomienda el uso de instrumentos de registro de información, como:
Diagramas de sucesión de hechos.
Diagrama de bloques.
Diagrama de operaciones del proceso (DOP).
Diagramas de flujo.
12. Evaluación de un proceso
Conjunto de estrategias donde se
considera los diferentes caminos
para obtener un producto deseado.
La evaluación de la factibilidad
económica y la factibilidad técnica
es una tarea continúa
13. La evaluación esta en una etapa conceptual, es método de la visualización de la
idea de un proceso antes de iniciar cualquier investigación bibliográfica o de
laboratorio.
1) Se debe considerar todas las opciones, procedimientos, posibilidades poco
comunes, estos procesos pueden evaluarse con base a:
2) un análisis económico aproximado
3) una consideración de la posibilidad técnica
Estas evaluaciones no deben obstruir la creatividad, sino evitar trabajo inútil,
no económico o sin éxito.
14. FACTIBILIDAD ECONÓMICA
Se refiere a los recursos económicos y financieros necesarios para desarrollar o
llevar a cabo las actividades o procesos y/o para obtener los recursos básicos
que deben considerarse.
Los estudios de factibilidad económica
incluye análisis de costos y beneficios
asociados con cada alternativa del proyecto.
15. Debe mostrarse que el proyecto es factible
económicamente, lo que significa que la inversión que se
está realizando es justificada por la ganancia que se
generará.
Con análisis de costos/beneficios de adquirir y operar
cada sistema alternativo se identifican y se hace una
comparación de ellos.
● Costo de estudio.
● Costo del tiempo del personal
● Costo de tiempo.
● Costo de desarrollo.
16. FACTIBILIDAD TÉCNICA
La factibilidad técnica determina si se dispone de los conocimientos, habilidades, equipos o
herramientas necesarios para llevar a cabo los procedimientos, funciones o métodos
involucrados en un diseño.
De esta forma, permite conocer si es factible (realizable) un proyecto con los recursos
técnicos existentes o ampliando estos si fuera necesario.
17. PROCESO PARA ANALIZAR FACTIBILIDAD TÉCNICA
Existen muchos tipos de factibilidad, sin embargo, todas ellas tienen procesos parecidos para su
realización.
•El analista de sistemas es el que suele llevarlo a cabo. Este conocerá todos los aspectos técnicos
necesarios y sobre todo, se encargará de averiguar las necesidades de la empresa.
•Hay que presentar el informe mostrando todas las ventajas e inconvenientes. Por supuesto, hay
que incluir los recursos que consideremos óptimos. Por otro lado, no podemos olvidar una serie de
requisitos mínimos o máximos que nos permitan un margen de actuación.
•Por último, hay que estudiar la factibilidad propiamente dicha. Es decir, si lo que necesitamos
puede implementarse con los recursos disponibles o ampliando estos si fuera necesario.
18. EJEMPLO APLICATIVO: ESTUDIO
DE MERCADO
APLICACIONES:
El propilenglicol industrial se utiliza en una
amplia gama de productos, incluyendo
diversos productos básicos tales como
resinas de poliéster, refrigerantes para
motores, pinturas de látex, fluidos de
transferencia de calor y compuestos anti
hielo. Asimismo, satisface los requisitos
para la aplicación en limpiadores líquidos,
lubricantes, plastificantes y aditivos para el
triturado de cemento. Se emplea como
disolvente, como medio para transferir
calor o como producto químico intermedio,
aprovechando sus grupos reactivos de
hidroxilo.
PROPIEDADES FÍSICO-QUIMICAS:
Nombre sistemático propano-1,2-diol
Otros nombres propilenglicol, aditivoalimentario
E-1520
Fórmula química C3H8O2
Masa molecular 76,09 g/mol
Densidad 1,036 g/cm3
Punto de fusión -59 °C
Punto de ebullición 188,2 °C
Conductividad térmica 0,34 W/m-K (50% H2O a
90 °C)
20. PROYECCIÓN LINEAL DE PRODUCCIÓN DE
PROPILENGLICOL AL AÑO 2026
AÑO TON. ANUALES
2014 140048.8739
2015 139844.0951
2016 118033.6782
2017 107924.0073
2018 109470.351
2019 95141.06106
2020 85833.34771
2021 76525.63437
2022 67217.92102
2023 57910.20768
2024 48602.49433
2025 39294.78099
2026 29 987.06764
21. DETERMINACIÓN DE BASE DE CÁLCULO
La producción para el año 2026 con proyección es de 29987.06764 ton.
Se producirá el 50% de la producción estimada al 2026, debida a la
demanda del mercado.
BASE DE CÁLCULO = 50% (producción estimada al 2026)
Base de cálculo = 50% (29987.06764 ton)
Base de cálculo = 14999.5312 ton
APROXIMADO: Base de cálculo = 15000 ton/año
24. Balance de materia para cada compuesto
Balance de materia de la glicerina
𝐴 = 𝐸 − 𝑆 + 𝐺 − 𝐶
𝐹𝐺.𝑆 = 𝐹𝐺.𝐸 × (1 − 𝑋1 − 𝑋2 − 𝑋3)
𝐹𝐺.𝑆 =
𝑃𝐺𝑃
𝑆
× 0.98 × (1 − 𝑋1 − 𝑋2 − 𝑋3)
Balance de materia de la HIDROGENO
𝐹𝐻2𝑆 = 𝐹𝐻2𝐸 +
𝑃𝐺𝑃
𝑆
× 0.98 × (1 − 𝑋1 −
𝑋2
2
− 2𝑋3)
Balance de materia de la NITROGENO
𝐹𝐻2𝑆 = 𝐹𝐻2𝐸 × 0.000000009
Balance de materia deL AGUA
𝐹𝐻2𝑂𝑆 =
𝑃𝐺𝑃
𝑆
× (0.015 + 0.98 𝑋1)
Balance de materia deL PROPILENGLICOL
𝐹𝑃𝐺.𝑆 =
𝑃𝐺𝑃
𝑆
× 0.98𝑋1
Balance de materia deL RTILRNGLICOL
𝐹𝐸𝐺.𝑆 =
3
2
𝑃𝐺𝑃
𝑆
× 0.98𝑋2
Balance de materia deL MRTANOL
𝐹𝑀.𝑆 =
3𝑃𝐺𝑃
𝑆
× 0.98𝑋3
25. ESPECIE ENTRADA SALIDA GENERACI
ON
CONSUMO
Glicerina 31.3284 3.1986 0 28.1298
Hidrogeno 100.4900 72.2819 0 28.2081
Nitrógeno 0.00000089 0.00000089 0 0
Propilenglicol 0 27.8165 27.8165 0
Agua 0.4795 28.2960 27.8165 0
etilenglicol 0 0.2350 0.2350 0
Metanol 0 0.4699 0.4699 0
TOTAL 132.2978 132.2978 56.3379 56.3379
TABLA RESUMIDA DEL BALANCE DE MATERIA
26. H2, R: 72.2819
2
FH2, E: 100.49
3
H2=172.7718
FTC3H8O3, E: 31.3284 4
C3H8O3=34.527 0
REACTOR
S.S
Separador
Flash
1
X=88.79
C3H8O3, R: 3.1986
S.S
Tren de
columnas de
separación
BALANCE DE MATERIA CON RECICLO
27.
28.
29. TABLA RESUMIDA DEL BALANCE DE MATERIA CON RECICLO
ESPECIE ENTRADA SALIDA GENERACION CONSUMO
glicerina 34.52699 3.5252 0 31.00178
hidrogeno 127.77184 141.6837 0 31.08810
Nitrógeno 0.000155 0.000155 0 0
Propilenglicol 0 30.6565 30.6565 0
Agua 0.5179 31.1744 31.1744 0
etilenglicol 0 0.2590 0.2590 0
metanol 0 0.5179 0.5179 0
TOTAL 207.8169 207.8169 62.6078 62.0898
30. Para el cálculo energético en el reactor con una conversión del glicerol de 88.79% para
una producción de 24.1587 kmol/h de propilenglicol, se calculara las entalpias a la
temperatura y presión con la que el reactor trabajara
31. CAPACIDADES CALORIFICAS
Compuesto estado A B C D E
Glicerina g 9.656 0.42826 -0.000268 3.179E-08 2.77E-11
l 132.145 0.86007 -0.0019745 1.807E-06
Hidrogeno g 25.399 0.020178 -3.855E-05 3.188E-08 -8.8E-12
Nitrógeno g 29.342 -
0.0035395
1.008E-05 -4.311E-09 2.59E-13
Propilenglicol g 31.507 0.023582 -7.898E-05 6.37E-09 8.69E-13
Agua g 33.933 -
0.0084186
2.991E-05 -1.783E-08 3.69E-12
Etilenglicol g 48.218 0.19073 -6.612E-08 -1.883E-08 1.26E-11
Metanol g 40.046 -0.038287 0.0002453 -2.168E-07 5.99E-11
Así como también las capacidades caloríficas obtenidas del libro de Elsevier
Apéndice C.
32. 𝒄𝒑 = a + bT + 𝒄𝑻2
+ 𝒅𝑻3
+ 𝒆𝑻4
𝑪𝒑 𝒅𝒕 =
𝑻𝒊
𝑻𝒇
a + bT + 𝒄𝑻2
+ 𝒅𝑻3
+ 𝒆𝑻4
) 𝒅𝑻
∆𝑯 = 𝒂(𝑻𝒇 − 𝑻𝒊) +
𝒃
2
(𝑻𝒇2
− 𝑻𝒊2
) +
𝒄
3
(𝑻𝒇3
− 𝑻𝒊3
) +
𝒅
4
(𝑻𝒇4
− 𝑻𝒊4
) +
𝒆
5
(𝑻𝒇5
− 𝑻𝒊5
Resultados de la entalpia a condiciones del reactor y la capacidad calorífica
después de aplicar trazosde trayectoria a cada compuesto
P: 50 bar=48.35 atm
Temperatura: 230ºC = 503 K
38. • Arias, E. R. (2021b, febrero 19). Factibilidad técnica. Economipedia.
https://economipedia.com/definiciones/factibilidad-tecnica.html.
• PPP Knowledge Lab. (s.f.). Obtenido de https://pppknowledgelab.org/es/guide-kl/sections/50-assessing-project-
feasibility-and-economic-viability
• Quiroa, M. (s.f.). Economipedia. Obtenido de https://economipedia.com/definiciones/estudio-de-factibilidad.html.
CENGEL, Y. A., & CIMBALA, J. M. (2006). Mecánica de Fluidos: Fundamentos y Aplicaciones.
reno-Canadá: mc Graw Hill.
FACULTAD DE INGENIERIA UBA. (2002). tanques, diseño almacenamiento y descarga de
hidrocarburos. Colombia: facultad de ingeniería UBA. PRODUCTOS OPPAC. (2006). Hoja de
seguridad PROPILELNGLICO. España: OPPAC (REACH).
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS