capitulo 2 dimensionamiento de equipos

CAPITULO 2
DIMENSIONAMIENTO DE EQUIPOS
LECCION 21. CAPACIDAD DE LOS EQUIPOS
De acuerdo a la estandarización del proceso se establecen los equipos requeridos
para desarrollar el proceso
El tamaño de los equipos esta referido inicialmente a su capacidad de producción,
como unidades (volumen o pesos a procesar) ò flujos (magnitudes por unidad de
tiempo) para tener un equipo correctamente utilizado.
El no realizar cálculos del tamaño lleva a tener equipos subutilizados por
sobredimensionamiento o cuellos de botella por subdimensionamiento.
También es notorio tener equipos subutilizados, en algunas ocasiones porque en
el mercado no se consiguen equipos de las capacidades requeridas y no se facilita
su fabricación y la mayoría por no haberse calculado apropiadamente.
En la industria cárnica, se encuentran equipos como molinos o cúter que trabajan
tan solo un 10 ò 20% del tiempo que trabajan los demás equipos.
Equipos de flujo continuo como transportadores, dosificadores y aun empacadoras
son los cuellos de botella que más se presentan en la industria de alimentos.
El papel del ingeniero es determinar el tamaño o capacidad del sistema
operacional, en lo que se constituye el diseño operacional de equipos.
Colateralmente, para varios equipos, se deben establecer dimensiones espaciales
(largo, ancho, alto, diámetros, etc.) para la distribución de los equipos en planta, o
teniendo el dimensionamiento del sistema operacional, buscar en catálogos o
manuales las dimensiones del equipo.
Partiendo de los cronogramas de proceso, se establecen las operaciones de
cochada y las continuas.
Para permitir un correcto empalme entre las operaciones continúa y las de
cochadas o viceversa se acostumbra a usar los tanques pulmón (o buffer) para
líquidos y las mesas de acumulación para sólidos.
Para los equipos que trabajan continuamente la capacidad está definida de acorde a los
flujos de producción estimada ésta en estudios de mercado, propios de la formulación del
proyecto de la planta.
Generalmente la formulación de proyecto establece cifras de producción para periodos
anuales y el mismo estudio define el tamaño óptimo de planta. Sin embargo con el uso de
las herramientas de cálculos se puede tener un diseño de planta simultáneo para
diferentes tamaños de producción, empleando la simulación operacional.
21.1. CAPACIDAD PARA EQUIPOS DE PROCESO CONTINÚO.
El cálculo para los equipos de proceso continuo, se hace de acuerdo a los flujos
másicos o volumétricos que maneja el equipo.
Debe recordarse que flujo es el transporte o transferencia de masa o volumen por
unidad de tiempo.
Ejemplo 1. Al establecer el tamaño para una industria pasterizadora, se tiene cifras de
10.000.000 de kilos de leche al año. Es de anotar que la unidad internacional para el
manejo de la leche es el kilo. Determinar la producción horaria por litros.
Los equipos de envasado están dimensionados en botellas ó litros o garrafas por hora.
Para determinar el tamaño de la ó las envasadoras se requiere llevar los 10.000.000 de
kilos a botellas, litros ó garrafas por hora, .Siendo lo usual los litros, se empleará esta
unidad.
Tomando una densidad promedio de la leche de 1,030 kg/l, la cantidad de leche a
envasar es:
10.000.000 /1.030 = 9.708.738 litros.
En el caso de la industria pasterizadora, se laboran todos los días del año. De tal forma
que la producción diaria será: 9.708.738 / 365 = 26.599 litros.
Tomando turno de 8 horas al día, y teniendo media hora de preparación y alistamiento de
equipos y media hora de aseo y desinfección,
La producción horaria será de 26.599 / 7 = 3.800 l / hr. A continuación se presenta la
respectiva hoja de cálculo.
Producción anual de leche
kilos
10.000.000
Densidad de la leche
kl / l
1,030
Litros a envasar
litros
Días laborales
cada uno
Leche diaria a envasar
litros
Horas día laborar
cada una
Producción horaria
litros/hr
9.708.738
365
26.599
7,0
3.800
TABLA 21.1 Cálculo de producción horaria
Probablemente no se encuentran en el mercado envasadoras de esta capacidad, pero
se selecciona la que se aproxime por encima a esta capacidad.
Una capacidad mayor cubre la producción que se deja por las paradas en el envasado
por diferentes causas, como baja presión en el vapor, fallas eléctricas y aún fallas
mecánicas.
Diferente forma de cálculo se presenta en aquellas industrias que trabajan únicamente
los días laborales de lunes a viernes y el sábado medio día; el otro medio día está
destinado generalmente a aseos completos de equipos e instalaciones.
Ejemplo 2. Establecer la capacidad de las envasadoras para una planta cervecera que
producirá 1.800.000 hectolitros (Hl) al año.
En el ámbito cervecero estas son las unidades empleadas, en tanto que las botellas o
latas son de 1/3 de litro.
Luego las botellas a envasar son
1.800.000 Hl x 100 l/hl x 3 bot./l = 540.000.000 de botellas
Para determinar el tiempo que trabajan en el envase, se debe tener en cuentas los
dominicales, sábados, y días festivos.
Para Colombia se estima un promedio de 18 días como festivos a tener en cuenta y los
sábados se trabaja mediodía.
Los días laborados serán
365 – 52 – 52/2 – 18 = 269
El envase diario ha de ser
540.000.000 / 269 = 2.074.349 botellas.
El salón de envase de una planta cervecera trabaja los tres turnos al día es decir 24
horas.
De las 24 horas dos se dedican al aseo de las lavadoras de botellas y pasterizadora de tal
forma que el tiempo que trabajan las envasadoras es de 22 horas.
La capacidad horaria es de
2.074.349 / 22 = 91.247 botellas.
Los equipos mas grandes que existen en el mercado son de 10.000 decenas por hora 1,
equivalente a 100.000 botellas horas. Tomando esta capacidad se requieren 91.247
/10.000 = 0.91 ==== 1 envasadora.
Ante la eventualidad de un daño, la planta se puede parar y no es conveniente tener una
envasadora. Razones practicas llevan a disponer de tres envasadoras de menor
capacidad, que bien puede ser del orden de 40.000 botellas /hr.
Este número, permite tener una envasadora en mantenimiento que normalmente dura 20
días calendario.
A continuación se presenta la respectiva hoja de cálculo.
Producción anual de cerveza
Botellas
Días festivos
Dominicales y sábados
Días laborados
Envase diario
Horas diarias laborada
Botellas diarias a envasar
Decenas por hora
Hectolitros
cada una
cada uno
cada uno
cada uno
botellas
cada una
cada una
cada una
18.000.000
5.400.000.000
18
78
269
20.074.349
22
912470
91.247
TABLA 21.2. Cálculo de producción para envasadora
1
Krones
21.2.
CÁLCULO DE CAPACIDAD EQUIPOS PARA PROCESOS POR
COCHADA.
El cálculo de la capacidad de los equipos que procesan cochadas es algo más complejo
pues involucra el conocimiento de las materias primas, productos en procesos, mermas y
el empleo de los cronogramas de equipos.
Inicialmente se debe determinar el volumen de la cochada referenciado a un equipo en
particular, una marmita, un tanque un biorreactor, un secador, etc.
Cuando se dispone de varios equipos secuenciales que elaboran cochadas se debe
establecer cuál equipo es el referenciado para la cochada y cuál es el equipo dominante.
Al disponer de los cronogramas secuenciales de los diversos equipos, visualmente se
establece el equipo dominante, aquel que demanda el mayor tiempo para realizar su
proceso.
Tomando el ejemplo de la elaboración artesanal de los tamales, el equipo dominante es la
marmita que demanda 3 horas.
El número de cochadas a realizar se establece tomando el tiempo que ha de laborar la
planta, o los turnos a programar.
Al tomar un turno de 8 horas, el número de cochadas es de 8 / 3 = 2,66 = 2 cochadas,
mientras que en dos turnos ò 16 horas se trabajan 16 / 3 = 5,33 =5 cochadas y para los
tres turnos, 24 horas se pueden laborar 8 cochadas.
Una vez se han determinado las cochadas a elaborar se establece la capacidad del
equipo.
Ejemplo 3. Establecer la capacidad de la marmita para producir
mensuales. Si la planta ha de trabajar 3 turnos diarios.
45.000 tamales
Se debe aclarar si la producción está referenciada a la masa con que se arman los
tamales o si a la cocción de los tamales ya terminados
Tomando una jornada laboral y el sábado de 12 horas para proceso y 12 horas para aseo
completo, a la semana se trabajan en producción, 5 x 24 + 12 = 132 horas lo que permite
la elaboración de 132 / 3 = 44 cochadas semanales.
A la vez el promedio de semanas laboradas al mes es de 4,2, de tal forma que la marmita
producirá 44 x 4,2 = 184 cochada.
El número de tamales por cochadas es de 45000 /184 = 245, que se pueden llevar a 250.
Si la marmita es para cocción de la masa de los balances se toma la cantidad de masa a
cocinar por cada cochada o con la ingeniería del detalle y con las dimensiones de cada
tamal se entra a dimensionar la marmita.
Los tamales terminados se disponen en canastillas que se superponen una a otras.
21.3 Ccálculo de almacenamiento.
Si bien los productos alimenticios se caracterizan por una alta rotación y perecibilidad,
que llevaría a tener bajos inventarios y por ende bajos niveles de almacenamiento en
determinadas circunstancias se requiere de altos volúmenes especialmente de

materias primas como el caso de cereales cuya producción es estacionaria
(cosechas),

de productos de temporalidad con altas demandas en determinados meses del
año, bebidas para navidad y fin de año.

Productos importados cuyos costos de transporte unitario es inversamente
proporcional a los volúmenes adquiridos.
La industria harinera, se ve abocada a adquirir altos volúmenes de sus insumos, en
épocas de cosecha, que generalmente son de mes o mes y medio de duración para
atender la producción del resto de semestre y en algunas ocasiones del resto del año
acorde a la periodicidad y rotación de los cultivos.
Si bien las bolsas agropecuarias garantizan suministros de productos agrícolas en
cualquier época del año, en las negociaciones denominadas a futuro, de un lado los
volúmenes a manejar son muy altos y de otro los precios también ya que estos absorben
los costos de almacenamiento, seguros, fumigaciones, empaques y obviamente utilidades
propias del negocio.
El estudio financiero que se haga alrededor de la operación de la planta dará
pautas, para establecer lo inventarios (tanto de producto, como de su rotación)
frente al tamaño de equipos y trabajos en horas extras o turnos suplementarios,
sin embargo la ingeniería establecerá los requerimientos de áreas y
construcciones para las necesidades de almacenamiento y así disponer de bases
para los costos que permitan establecer alternativas de cantidades a almacenar.
Para industrias que consumen grandes cantidades de materia primas y producen
volúmenes muy altos es interesante estudiar la modalidad de almacenamiento en
instituciones financieras, almacenes de depósito , que permiten pignorar los
materiales i disponer de espaciòs con bajos cánones de arriendo.
LECCION 22 DIMENSIONAMIENTO DE EQUIPOS
Para la industria de alimentos, se dispone de equipos fabricados bajo normas y
estandarizados a capacidades definidas, tal es el caso de envasadoras de botellas
o enlatadoras, túneles de congelación, hornos, secadores, cutter, etc.
Otros equipos se fabrican acorde a las necesidades del usuario, como tanques,
silos, transportadores, marmitas, etc.
Algunos equipos deben ser fabricados para ser colocados en sitios con aéreas y
alturas muy definidos
El ingeniero debe establecer la capacidad de los equipos que requiera la planta y
en muchos casos establecer un dimensionamiento para su ubicación en planta
22.1 CRONOGRAMAS PARA DIMENSIONAMIENTO DE EQUIPOS
Ya en el anterior capítulo, estandarización de procesos, se han presentado los
cronogramas para el proceso de elaboración de tamales.
Los cronogramas son necesarios para poder determinar el tamaño de equipos y de
servicios principalmente en procesos de cochada.
Un resultado de integrar los cronogramas es la Hoja patrón, figura 12 del anterior capitulo,
esta hoja se emplea como control operacional para el desarrollo de los procesos.
Recordamos que los cronogramas más usuales son de:






Operaciones
Equipos individuales
De Operaciones de Procesos en equipos consecutivos
Servicios
Variables
Mano de Obra.
Los cronogramas de operaciones se emplean para representar las operaciones que se
llevan a cabo durante el desarrollo de operaciones unitarias y procesos unitarios
realizados en un equipo en particular empleando una escala descendente para cada
operación en particular.
Para la escala de tiempo se emplea una escala apropiada acorde al tiempo empleado en
la etapa o proceso desarrollado en el equipo.
Para un proceso de cocción de carnes que demanda aproximadamente una hora se pude
emplear una escala de 5 minutos, en tanto que para la fermentación de mostos que
demandan una semana se puede emplear una escala de día o de segmentos de 12
horas.
Los cronogramas de equipos se hacen sobre una fila, como se observa en la parte inferior
de la figura
Cronogramas de operaciones y de equipo
FIGURA 17-2
Los cronogramas de Operaciones de Procesos en equipos consecutivos, sirven de base
para:





la visualización del tiempo demandado en cada uno de los equipos del proceso y
establecer el equipo dominante.
verificar el número de cochadas a elaborar en periodos de tiempo
elaboración de los cronogramas de servicios y de mano de obra.
estudiar alternativas de proceso
estudiar ampliaciones de planta.
23. DIMENSIONAMIENTO DE SERVICIOS
Los servicios industriales usualmente empleados en la industria son:









Agua
Energía Eléctrica
Energía Térmica (vapor, combustibles)
Refrigeración (frio)
Aire
Vacio
Gases Industriales (CO2, N2, Acetileno, Argón)
Efluentes (Aguas Residuales)
Aseo.
Dado que en la industria de alimentos, el agua para servicio se toma del agua potable,
para el agua como materia prima también se elabora también cronogramas, ya que a
partir de este se determinan los tamaños de tuberías y en muchos casos capacidades de
tanques que almacenan agua para su uso en áreas especificas
En el estudio de los servicios industriales, se debe tener presente la demanda del servicio
como tal y los flujos que se requieren en determinadas horas.
Tomando el caso de los tamales, y como ejemplo en la marmita 1 entre las 10:30 y 10:50
se requieren 12.000 Kcal, y entre las 12:30 y 12:50 se consumen 14.000 Kcal; entre las
10:00 y 13:00 el horno de tamales (procesando una cochada anterior) consume 38.500
Kcal. Igualmente entre las 10:40 y 10:55 se consumen 8.000 Kcal. en una segunda
marmita.
El consumo total de calor es de 12.000 + 14.000 + 38.500 + 8.000 = 72.500 kcal. en el
periodo entre las 10:00 y las 13:00. Este consumo de calor sirve para establecer los
requerimientos del suministro térmico, bien sea kilos de vapor, o de combustible o el
consumo de energía eléctrica.
Tomando como elemento calefactor el vapor, y con una entalpia de condensación de 540
Kcal/kg, en las tres horas se consumen 125 kgs. (ver tabla 13-2)
Para determinar el tamaño del equipo que suministra el servicio como una caldera, un
quemador de gas, resistencias eléctricas, etc., es necesario determinar los flujos de calor
Tomando vapor como elemento de calefacción y con una entalpia de condensación de
540 Kcal/kg , para una marmita entre las 10:40 y 10:55 se consumen 8.000 / 15 = 533,33
Kcal/min equivalente a 533,33 / 540 =
Para una marmita se consumen entre las 10:30 y 10:50 , 12.000/ 20 = 600 cal/min
Para esta marmita entre las 12:30 y 12:50 consume 14.000/ 20 = 700
horno entre las 10:00 y 13:00 se consumen 38.500 /180 = 186,11.
Kcal/min y en el
Observando los flujos entre las 10:00 y 10:30 hay consumo de vapor únicamente en el
horno, a un flujo de 0,34 Kgs. /min,
Entre las 10:30 y 10:40 hay un consumo en una marmita y en el horno a un flujo de 1,11
+ 0,34 = 1,45 Kgs./min.
Entre las 10.40 y 10:50 hay consumo en las dos marmitas y el horno con un flujo de
1,11 + 0,34 + 0,99 = 2,34 Kgs./min.
EQUIPO
Calor requerido
Flujo
Vapor necesario
Kcal
minutos
Kcal/min
Kg
Kg/min
1 Marmita 1
14000
20
700
25,93
1,3
2 Marmita 1
12000
20
600
22,22
1,11
3 Marmita 2
8000
15
533,33
14,81
0,99
4 Horno
33500
180
186,11
62,04
0,34
67500
------
------
125
------
TOTAL
TABLA 17-2 Consumos y Flujos de Calor y Vapor
23.1 Cronograma y dimensionamiento de Servicios.
Fundamentados en los consumos de calor y los flujos del mismo se hacen los
cronogramas del servicio respectivo
En la figura 13-3 se aprecian los consumos de calor y en la figura 13-4 los flujos de vapor,
siendo de anotar que se tienen un flujo mínimo de 0,34 kg / minuto y un flujo máximo de
2,34 kg/minuto.
FIGURA 17-3
FIGURA 17-4
Similarmente se hacen los cronogramas de los otros servicios