OPERACIONES INDUSTRIALES I Apuntes guía para Cap. I

UNIVERSIDAD CATOLICA DE SALTAFACULTAD DE INGENIERIA CARRERA: INGENIERIA INDUSTRIALASIGNATURA: OPERACIONES INDUSTRIALES IPROFESOR: ING. AMÉRICO ANDRÉS FLANDORFFER Año: 2013 - 2015

INTRODUCCIONEl Profesional de la Ingeniería Industrial hoy tiene que afrontar los desafíos de la eclosión del mundo globalizado que, con el avance de las tecnologías no puede quedar sin las herramientas que estas ofrecen día a día, es necesario entonces que sepan ser globalmente competitivos enfrentando los desafíos de los nuevos estilos productivos.La región del Noroeste Argentino y por ende Salta está insertada en el corredor bi-oceánico del Mercosur que es un importante núcleo de mercados emergentes, y es aquí donde el ingeniero tiene su gran campo de acción y que debe situarse para el desafío que le depara el siglo XXI. Al ingresar en el tercer milenio podemos asegurar que la evolución económica de las naciones surge por la actividad industrial fundamentalmente y complementada por la calidad de los servicios. La Industria actúa como motora de las demás ramas de la economía, en los países de mayor ingreso per-cápita es de superior importancia la función industrial y por cuya acción podrá tener más riqueza si está bien administrada, para ello la política industrial deberá procurar que la riqueza quede en el país y no se lo lleven los foráneos. Es así que debemos dar la importancia que se merece a la actividad Industrial y es nuestra función la del ingeniero lograr tal objetivo, como también seducir con buenas ideas y proyectos reales a los dirigentes políticos y a los capitalistas para que estas se desarrollen y emerjan acorde a los tiempos que nos toca de gran evolución en el movimiento tecnológico y en especial de la nanotecnología.Definiciones de Industria. Podemos encontrar varias formas de definir a la industria, a saber: 1) Se denomina “Industria” a todo conjunto de actividad productiva que realiza el hombre en forma organizada con ayuda de máquinas y herramientas de tecnología y de gestión.2) También se denomina “Industria” al conjunto de trabajos que emplea el hombre para transformar la materia prima en objetos útiles para satisfacción de sus necesidades. No debe confundirse industria con trabajo, pues éste es el ejercicio de la fuerza física o intelectual, en cambio la industria produce riqueza, o sea que combina trabajo con capital empleando los agentes naturales y artificiales para lograr un producto.3) “Industria” en el aspecto científico es el conjunto de empresas de toda clase para producir y circular la riqueza (producir a partir del tratamiento de un conjunto de operaciones y procesos los materiales base para la obtención y transformación; circulación o transporte de uno o varios productos)Clasificación de industria. Desde el punto de vista de la historia fue el economista “Jean-Baptiste Say”(1) el que primero clasifica en tres grupos a la industria, a saber:

1) “Industria extractiva” la de productos provenientes de la tierra.2) “Industria manufacturera” toma los productos de (1) y los transforma por medios

químicos y físicos (térmicos, mecánicos, eléctricos, etc.) en productos. 3) “Industria comercial” los que toman los productos de un lugar transportándolos a otro

para su consumo

(1) Jean-Batiste Say Economista, político y escritor francés, (nació en Lyon el 5 de enero de 1767 y fallecido el 15 de noviembre de 1832). Es uno de los principales exponentes de la Escuela Francesa Clásica de economistas. Admirador de la obra de Adam Smith, e influenciado por Turgot. En el año 1804 publica su más importante obra: “Tratado de Economía Política”  Muestra el modo con que se forman, se distribuyen y se consumen las riquezas. En este trabajo introdujo la famosa Ley de Say o Ley de Mercados de Say,

1

OPERACIONES INDUSTRIALES I Apuntes guía para Cap. I

Luego “Charles Dunoyer” (2) corrige la clasificación de Say separando las de origen agrícola y es mejorada después por “Charles Coquelin” (3) quedando la clasificación en:

1) “Industria Extractiva” como la pesca, caza, recolección de frutos naturales, explotación de bosques, minas y canteras, etc.

2) “Industria Agrícola” los producidos por el hombre en la tierra de origen vegetal y animal. 3) “Inustria Manufacturera o Fabril” los que transforman los productos de (1) y (2), son muy

variadas como la construcción, metalurgia, textil, alimentación, joyas, etc. 4) “Industria Comercial” las que aseguran el funcionamiento de los intercambios y son

indispensables a la producción y al consumo de la riqueza.5) “Industria del Transporte” las que se sirven del mar, ríos, canales, carreteras,

ferrocarriles, el espacio aéreo, etc. facilitando la adquisición de materiales y la distribución de la producción a través de las distancias.

Siempre desde el punto de vista economista de Dunoyer estas son las Industrias Principales que pueden existir con independencia, pero existen las otras llamadas Industrias Accesorias por depender de las principales y son diversas, por Ej.:

- a) “Industria de Crédito” comprende las operaciones bancarias, comercio de metales preciosos, cambios de capital valuadas en moneda, etc.

- b) “Industria de Alquiler” tiene por objeto poseer y mantener cosas y animales (casas, carros, caballos, máquinas, etc.) para ponerlos a disposición de los que puedan necesitar por no poseerlos y no quieren adquirirlos, es lo que se denomina “Economía del esfuerzo”.

- c) “Industria de Seguridad” es la actividad que realizan los abogados, médicos, aseguradoras, hombres de estado, soldados, policías, etc.

- d) “Industrias Educativas” consiste en adquirir conocimiento para transmitir a otros. - e) “Industrias Recreativas” son las que por medio de aptitudes o talentos especiales,

procuran a otros el empleo agradable del tiempo, Ej.: Teatro, cine, espectáculos, deportivos, recitales, turismo, etc.

Debemos aclarar que solo las Industrias extractivas, agrícolas y manufactureras son productoras de riquezas; las demás tienen por misión realizar servicios.Actualmente podemos clasificar la Industria desde el punto de vista de su producción como actividad ingenieril en tres grupos:

1) La industria de materias primas. 2) Industria de accesorios o intermedia y 3) La Industria de productos finales al consumidor.

La clasificación de acuerdo a su magnitud o importancia seria como sigue:1) Industria Pesada 2) Complejo Industrial 3) Industria Mediana 4) Industria Pequeña 5) La Micro-Industria.

La clasificación según el material tratado es la siguiente:1) Industrias Básicas las que utilizan materiales que no fueron tratados, 2) Industrias Intermedias las que utilizan material ya tratado 3) Industrias Complementarias producen materiales para las dos primeras, y están limitadas

por las necesidades de estas.

(2) Charles Dunoyer Economista y publicista francés 1786-1862 Carlos Bartolomé Dunoyer dio una teoría del ciclo económico, basándose en la “teoría de las crisis periódicas” de Jean Charles Leonard de Sismondi. También publicará una serie de libros sobre economía política, entre ellos De la Liberté du travail (1845, Sobre la libertad de trabajo). Dunoyer está principalmente mencionado como un sucesor de Adam Smith (1723-1790). Economista y filósofo escocés. Es el fundador de la economía política.(3) Carlos Coquelin economista – industrial francés (1800 – 1852) publico numerosos estudios y memorias sobre cuestiones económicas

2

OPERACIONES INDUSTRIALES I Apuntes guía para Cap. I

Otra clasificación es según el producto y que es muy numerosa, así tenemos algunas como ser: Industrias Metalúrgicas, Industrias Químicas, Industrias Petroleras, Industrias Petro-químicas, Industrias Plásticas, Industrias Eléctricas, Industrias Alimenticias, Industrias del Papel, Industria del Vidrio, Industrias Madereras, Industrias Tabacaleras, Industrias Vitivinícolas, IndustriasAutomotriz, Industrias Cafeteras, Industrias Fotográficas, Industrias Pesqueras, Industrias Mineras, Industrias Molineras, Industrias Frigoríficas, Industrias Farmacológicas, Industrias biocombustibles etc..., como vemos es una lista muy larga y hoy día ya se debe incluir también todo lo relacionado a la logística, a la cibernética, a la informática, y a medida que el desarrollo avance con las nuevas tecnologías se incorporarán nuevos productos que ampliará aún más esta clasificación.También tenemos desde el punto de vista del derecho según “J. A. Santamaría Pastor”(4)

abogado jurista que en su publicación del “Curso de Derecho Administrativo” le da la siguiente clasificación:

1) “Industrias libres” – Tienen libertad de trabajo respetando el desenvolvimiento de la actividad económica.

2) “Industrias reglamentadas” - Por ordenanzas municipales u otras leyes, Ej.: fabrica de pólvoras, material explosivo, pirotecnia, aprovechamiento de aguas públicas, mineras, ferrocarriles, carreteras, armas estratégicas, etc.

3) “Industrias monopólicas” aunque estén prohibidas muchas veces el Estado mismo se hace industrial como ser acuñado de monedas, correos, teléfonos, combustibles, etc. (aunque estas ya no son tanto para el caso de Argentina por las últimas privatizaciones y globalización)

4) ”Industrias Prohibidas” estupefacientes, drogas sin licencias, etc.

Conclusión vemos que la clasificación de industrias es tan variada como se quiera, y es según desde qué ángulo lo enfoquemos.

(4) Juan Alfoso Santamaría Pastor, abogado, catedrático, funcionario Autor del libro “Principios de Derecho Administrativo, 1990, últimas ediciones en dos tomos I y II, Ed. Lustel. Madrid” 2009 y muchas otras publicaciones, entre ella algunas como “Ley regulatoria de la Jurisdicción” 2010; “Sobre la génesis del derecho administrativo Español“ 2006; “Los principios jurídicos del derecho administrativo” 2002; “Fundamentos del derecho administrativo” 1988; Apuntes del derecho administrativo” 1987, etc.

3

OPERACIONES INDUSTRIALES I Apuntes guía para Cap. I

MODELOS Y PLANTAS PILOTOS (5)

Los principios de diseño de productos y procesos nuevos, mejora de existentes, aplicación de reacciones en cambios químicos o físicos pueden interesar a la dirección técnica de una industria o al propio industrial, pero estos pueden requerir una inversión de varios millones con la construcción de nuevos aparatos y la complejidad en el desarrollo de los diseños. Puesto que el diseño ingenieril tiene aún una naturaleza muy empírica, rara vez es posible pasar directamente de la etapa de laboratorio a la planta industrial. Muchas veces el desarrollo de procesos comienza en el laboratorio en un equipo de vidrio o metálico de pequeño tamaño y a nivel exploratorio y experimental que a menudo supone un método más económico de determinar si el proceso es factible y permite dirigir la investigación posterior.

El conocimiento actual de la ingeniería es a veces insuficiente para permitir diseñar una nueva planta industrial solo a partir de los datos a escala de laboratorio, y es necesario evaluar las incógnitas que escapan del análisis teórico sobre el equipo a gran escala, mediante un equipo intermedio mucho más económico con dispositivos más pequeños que es denominado “Planta Piloto”. Las operaciones en una Planta Piloto deben ser un procedimiento tan cercano al que se empleará en la planta industrial y comercial, que los datos obtenidos a partir de él puedan multiplicarse por la escala correspondiente y utilizarse con confianza en la posterior instalación fabril. Puesto que la instalación de una planta piloto requiere una inversión y ésta también tiene su costo considerable por la construcción de equipos, modificación del proceso hasta lograr los valores deseados con sucesivos ensayos, estabilizar parámetros y operaciones, etc.; deben usarse todos los conocimientos teóricos para reducir al máximo los trabajos de planta piloto, por ej. La cinética del proceso es factible obtenerla en laboratorio y permite reducir la cantidad de datos a determinar en planta piloto para el diseño de la instalación de una planta industrial.

Otra técnica experimental de desarrollo es la aplicación de la “Teoría de Modelos” al cambio de escala en las plantas y procesos industriales. La teoría de modelos sirve para predecir los efectos del cambio de escala y determinar las condiciones bajo las cuales el comportamiento de un modelo puede suministrar una información segura del comportamiento del prototipo. El concepto actual de modelo puede adoptar distintas formas; así, puede tratarse de una pequeña unidad que reproduzca una unidad comercial de una planta existente para estudiar su comportamiento de una forma más rápida y económica. Esta función es distinta de la planta piloto, cuya principal misión es suministrar datos de diseño para construir la planta a escala comercial. Puede a veces ser un modelo puramente matemático para determinar las condiciones que deben ser exploradas y verificadas mediante técnicas experimentales, así como también puede consistir en una simulación analógica en la cual los experimentos necesarios lo realiza una computadora y los resultados así obtenidos se pueden verificar por experimentos directos en planta. Finalmente los modelos físicos (maquetas) reales hechos a escala apropiada con torres, tuberías, bombas, reactores, mezcladores, escaleras, pasarelas, etc. hechos en madera, plástico o metal son los más usados en diseños y proyectos. El modelo de una planta de procesos es útil para determinar su: distribución óptima de aparatos y máquinas, disposición de tuberías, transporte y almacenamiento de materiales, inventario total de la planta etc. Puede ser también de gran ayuda a los especialistas requeridos por el proyecto que no estén familiarizados con la interpretación de planos.

En Ingeniería se emplea con frecuencia el principio de la semejanza como herramienta útil de diseño y proyecto. Isaac Newton dijo que “la configuración espacial y temporal de un sistema físico está determinada por razones de magnitudes características del sistema y no depende del tamaño o naturaleza de las unidades en que éstas magnitudes se midan”.

La ingeniería de procesos y operaciones industriales trabaja con sistemas complejos formados por cuerpos sólidos y fluidos en los que pueden tener lugar transferencia de materia y energía, así como también cambios químicos y físicos. El concepto de forma aplicado a estos sistemas implica no solo las proporciones geométricas de sus partes, sino también factores como:

4

OPERACIONES INDUSTRIALES I Apuntes guía para Cap. I

perfiles de velocidades en el flujo de fluidos, gradientes de temperatura, gradientes de concentración, etc. Entonces, “cuando dos sistemas poseen la misma configuración en uno o más de estos aspectos se dice que son semejantes”.

La semejanza puede establecerse de dos formas: Especificando las razones de medidas diferentes del mismo cuerpo, o Especificando las razones de medidas correspondientes de cuerpos distintos.

En Ingeniería tienen interés cuatro clases de semejanza: 1) Semejanza geométrica 2) Semejanza mecánica 3) Semejanza térmica 4) Semejanza química.

La semejanza geométrica está determinada por las razones de altura a anchura y de anchura a espesor. En cuerpos geométricamente semejantes estas razones o factores de forma son constantes; cuando se comparan dos cuerpos geométricamente semejantes, existe una relación constante entre sus respectivas anchuras, alturas y otras dimensiones homólogas, denominada razón de escala. La semejanza geométrica entre dos sistemas se define, pues, por la constante de las razones de escala.

La semejanza con respecto a otras variables tales como velocidad, fuerza, temperatura se define generalmente por una sola razón intrínseca para cada sistema. Si en dos sistemas geométricamente semejantes los valores globales de la razón intrínseca son iguales, puede asegurarse que los valores de dicha razón en puntos homólogos también lo serán. Estas razones intrínsecas son grupos adimensionales que definen la semejanza bajo diferentes condiciones, por lo que los principios de semejanza están relacionados con los métodos de análisis dimensional como los números o módulos de Reynolds, Froude. Nusselt, Prandtl, etc.

La semejanza mecánica, térmica o química entre dos sistemas geométricamente semejantes puede especificarse en función de criterios que son razones de magnitudes intrínsecas de cada sistema. Puesto que estos criterios han de ser razones de magnitudes iguales, son adimensionales. Para deducirlos existen dos métodos generales:

A) el primer método se utiliza cuando no se disponen de las ecuaciones diferenciales que rigen el sistema, pero se conocen todas las variables que determinan su comportamiento. En estos casos es posible deducir los criterios de semejanza mediante análisis dimensional.

B) El segundo método se utiliza cuando las ecuaciones diferenciales son conocidas pero no se pueden integrar. En estos casos los criterios de semejanza pueden deducirse directamente de la forma diferencial del modelo matemático.

Un ejemplo típico del primer método puede ser el estudio de la circulación de un fluido; la pérdida de cantidad de movimiento que experimenta éste debe ser función de las siguientes variables.

P = f (V, L, , , g) Donde P = pérdida de presión, L = dimensión lineal característica

V = velocidad del fluido. , = densidad y viscosidad del fluido respectivamente. g = aceleración de la gravedad

Aplicando el análisis dimensional se llega:P/V2 = f (VL/, V2/Lg) que es la ecuación adimensional general que describe el

movimiento de un fluido viscoso.Para usar el segundo método, las ecuaciones de Navier-Stokes para el movimiento de un

fluido viscoso pueden establecerse en forma diferencial. Estas ecuaciones pueden ser integradas en algunos casos sencillos y entonces no hay necesidad de deducir los criterios de semejanza ni de comprobar el modelo matemático por experimentación. No obstante, en muchos otros casos, la solución es tan complicada que su utilidad es muy limitada, en cuyo caso, las ecuaciones diferenciales pueden utilizarse para deducir una ecuación homogénea que se comprobará por

5

OPERACIONES INDUSTRIALES I Apuntes guía para Cap. I

experimentación; esta ecuación puede reagruparse en forma de módulos adimensionales. Así se llegaría por ejemplo a: Módulo de pérdida de presión = (Módulo de Reynolds).(Módulo de Froude)Para el cambio de escala, a partir de los resultados de los experimentos de planta piloto, es conveniente que las reacciones y operaciones físicas se lleven a cabo bajo condiciones tales que la velocidad esté controlada predominantemente por un módulo adimensional, particular. Así la ecuación de movimiento de un fluido puede dividirse claramente en dos regiones:

1) Región controlada por la viscosidad ( módulo de Reynolds). 2) Región controlada por el efecto de la gravedad (módulo de Froude).

Por la analogía de los fenómenos de transferencia de materia, cantidad de movimiento y calor de convección, pueden establecerse ecuaciones adimensionales semejantes para la transmisión de calor, introduciendo el: Módulo de Nusset Nu = (hL/K), y el Módulo de Prandtl Pr = (Cp /K), y para la transferencia de materia introduciendo el: Módulo de Sherwood) Sh = (kc L/D ), y el Módulo de Schmidt Sch = ( / Dg ) En donde sabemos que L es dimensión lineal característica y el resto como sigue: h = coeficiente de transmisión de calor

kc = coeficiente de transferencia de materia K = conductividad térmica del fluido Cp = calor específico del fluido

D = difusividad molecular del fluido.

(5) Problemas resueltos de Ing. Química- Laurence Guy; Ed. Edigem S.A. Bs. As. 19

6