Ingeniería de Procesos

Ingeniería de procesos es la comprensión y aplicación de los principios y leyes fundamentales de la naturaleza que permiten al ser humano transformar materia prima y energía en productos útiles para la sociedad, a nivel industrial. Aprovechando las fuerzas impulsoras de la naturaleza, como la presión, la temperatura y los gradientes de concentración, así como la ley de conservación de la masa, los ingenieros de procesos pueden desarrollar métodos para sintetizar y purificar grandes cantidades de productos químicos deseados. La ingeniería de procesos se centra en el diseño, operación, control, optimización e intensificación de procesos químicos, físicos y biológicos. La ingeniería de procesos abarca una amplia gama de industrias, como la agricultura, la automoción, la biotécnica, la química, la alimentación, el desarrollo de materiales, la minería, la nuclear, la petroquímica, la farmacéutica y el desarrollo de software. La aplicación de métodos sistemáticos basados en computadora a la ingeniería de procesos es la "ingeniería de sistemas de procesos".

Descripción general

La ingeniería de procesos implica la utilización de múltiples herramientas y métodos. Dependiendo de la naturaleza exacta del sistema, los procesos deben simularse y modelarse utilizando matemáticas e informática. Los procesos en los que el cambio de fase y el equilibrio de fase son relevantes requieren un análisis utilizando los principios y leyes de la termodinámica para cuantificar los cambios en la energía y la eficiencia. Por el contrario, los procesos que se centran en el flujo de materia y energía a medida que se acercan al equilibrio se analizan mejor utilizando las disciplinas de la mecánica de fluidos y los fenómenos de transporte. Es necesario aplicar disciplinas dentro del campo de la mecánica en presencia de fluidos o medios porosos y dispersos. También es necesario aplicar los principios de la ingeniería de materiales, cuando sea pertinente.

La fabricación en el campo de la ingeniería de procesos implica una implementación de pasos de síntesis de procesos. Independientemente de las herramientas exactas requeridas, la ingeniería de procesos se formatea mediante el uso de un diagrama de flujo de proceso (PFD) donde las rutas de flujo de materiales, los equipos de almacenamiento (como tanques y silos), las transformaciones (como columnas de destilación, tanques receptores/cabezales, mezcla, separaciones, bombeo, etc.) y los caudales se especifican, así como una lista de todas las tuberías y transportadores y su contenido, propiedades de los materiales como densidad, viscosidad, distribución del tamaño de partículas, caudales, presiones, temperaturas y materiales de construcción para las tuberías y operaciones unitarias.

El diagrama de flujo del proceso se utiliza luego para desarrollar un diagrama de tuberías e instrumentación (P&ID) que muestra gráficamente el proceso real que ocurre. Los P&ID deben ser más complejos y específicos que un PFD. Representan un enfoque menos confuso del diseño. Luego, el P&ID se utiliza como base de diseño para desarrollar la "guía de operación del sistema" o "especificación de diseño funcional" que describe el funcionamiento del proceso. Guía el proceso a través del funcionamiento de la maquinaria, la seguridad en el diseño, la programación y la comunicación efectiva entre ingenieros.

Desde el P&ID, se puede mostrar un diseño propuesto (disposición general) del proceso desde una vista aérea (plano de parcela) y una vista lateral (alzado), y están involucradas otras disciplinas de ingeniería, como ingenieros civiles para el sitio. trabajo (movimiento de tierras), diseño de cimientos, trabajo de diseño de losa de concreto, acero estructural para soportar el equipo, etc. Todo el trabajo previo está dirigido a definir el alcance del proyecto, luego desarrollar una estimación de costos para instalar el diseño y un cronograma. para comunicar las necesidades de tiempo para la ingeniería, adquisición, fabricación, instalación, puesta en marcha, puesta en marcha y producción continua del proceso.

Dependiendo de la precisión necesaria de la estimación de costos y el cronograma requerido, generalmente se proporcionan varias iteraciones de diseños a los clientes o partes interesadas que informan sobre sus requisitos. El ingeniero de procesos incorpora estas instrucciones adicionales (revisiones del alcance) en el diseño general y en las estimaciones de costos adicionales, y se desarrollan cronogramas para la aprobación de fondos. Una vez aprobada la financiación, el proyecto se ejecuta mediante gestión de proyectos.

Principales áreas de interés en la ingeniería de procesos

Las actividades de ingeniería de procesos se pueden dividir en las siguientes disciplinas:

• Diseño de procesos: síntesis de redes de recuperación de energía, síntesis de sistemas de destilación (azeotrópico), síntesis de redes de reactores, flujos de descomposición jerárquica, optimización de superestructuras, diseño de plantas de lote multiproducto, diseño de reactores de producción para la producción de plutonio, diseño de submarinos nucleares.
• Control de procesos: control predictivo modelo, medidas de control, control robusto, control no lineal, control de procesos estadísticos, monitoreo de procesos, control basado en termodinámica, denotado por tres elementos esenciales, una colección de mediciones, método de toma de medidas, y un sistema de control de la medición deseada.
• Operaciones de proceso: redes de programación de procesos, planificación y optimización multiperiódicos, conciliación de datos, optimización en tiempo real, medidas de flexibilidad, diagnóstico de fallas.
• Herramientas de soporte: simulación modular secuencial, simulación de procesos basados en la ecuación, sistemas AI/experto, programación no lineal a gran escala (NLP), optimización de ecuaciones algebraicas diferenciales (DAEs), programación no lineal mixta (MINLP), optimización global, optimización bajo incertidumbre y implementación de funciones de calidad (QFD).
• Economía del proceso: Esto incluye el uso de software de simulación como ASPEN, Super-Pro para averiguar el punto de ruptura, valor neto presente, ventas marginales, costo marginal, retorno a la inversión de la planta industrial después del análisis del calor y la transferencia masiva de la planta.
• Análisis de datos del proceso: Aplicar análisis de datos y métodos de aprendizaje automático para procesar problemas de fabricación.

Historia de la ingeniería de procesos

Desde tiempos inmemoriales se han utilizado diversas técnicas químicas en los procesos industriales. Sin embargo, no fue hasta la llegada de la termodinámica y la ley de conservación de la masa en la década de 1780 que la ingeniería de procesos se desarrolló e implementó adecuadamente como su propia disciplina. El conjunto de conocimientos que ahora se conoce como ingeniería de procesos se forjó a partir de prueba y error a lo largo de la revolución industrial.

El término proceso, en relación con la industria y la producción, se remonta al siglo XVIII. Durante este período, la demanda de diversos productos comenzó a aumentar drásticamente y se requirió que los ingenieros de procesos optimizaran el proceso en el que se creaban estos productos.

En 1980, el concepto de ingeniería de procesos surgió del hecho de que las técnicas y prácticas de ingeniería química se utilizaban en una variedad de industrias. Para entonces, la ingeniería de procesos se había definido como "el conjunto de conocimientos necesarios para diseñar, analizar, desarrollar, construir y operar, de forma óptima, los procesos en los que cambia el material". A finales del siglo XX, la ingeniería de procesos se había expandido desde tecnologías basadas en ingeniería química a otras aplicaciones, incluida la ingeniería metalúrgica, la ingeniería agrícola y la ingeniería de productos.