DIAGRAMACION DE PROCESOS

INTRODUCCION



La diagramacion de procesos es la representación gráfica de como se realiza en la vida real un proceso, en la que se muestra tanto sus operaciones, materias primas y productos, condiciones de operación, etc. Dependiendo del nivel del Diagrama. Los diagramas forman parte de la documentación del proceso y resultan herramientas de gran utilidad para la compresión del proceso y para la realización de los cálculos.

La diagramación es un herramienta que nos permite representar en forma gráfica los procesos de una empresa y observar las actividades en conjunto, sus relaciones y cualquier incompatibilidad, cuello de botella o fuente de posibles ineficiencias.

Un sistema de control puede tener varios componentes. Para mostrar las funciones que lleva a cabo cada componente en la ingeniería de control, por lo general se usa una representación denominada diagrama.
Es una representación gráfica de la secuencia de pasos que se realizan para obtener un resultado. Este puede ser un producto, un servicio o bien una combinación de ambos.
Un diagrama permite la puesta en común de conocimientos individules sobre un proceso, y facilita la mejor comprensión global del mismo. Además proporciona información sobre los procesos de forma clara, ordenada y concisa.


VENTAJAS DE LA DIAGRAMACION DE PROCESOS


  • Capacitación de personal de nuevo ingreso en la empresa o en el puesto.
  • Verificación del proceso real respecto del proceso diseñado.
  • Detección de actividades o grupos de actividades que reducen la calidad y la productividad.
  • Facilitan la coordinación y la comunicación.
  • Facilitan el análisis de opciones de mejoramiento.
  • Permite ver los aspectos relevantes de un proceso.
  • Muestra la secuencia con que se dan las actividades.
  • Se pueden observar los antecedentes y consecuentes de cada actividad.
  • Facilita una compresión rápida del proceso.

El primer paso en la diagramación, es determinar los límites del proceso que se analizará. Luego se deben de establecer los productos que salen del proceso y los insumos que entran. Resulta muy importante no tratar de detallar demasiado conservando el mismo nivel de detalle en todo el diagrama; mezclar actividades detalladas con actividades resumidas, normalmente conduce a confusiones

Una vez que se tiene un diagrama con un nivel de detalle uniforme, cada uno de los cuadros de actividad puede ser considerado como un proceso, los diagramas de dichos cuadros cosntituyen el siguiente nivel de detalle. De esta forma se puede ir adentrando en el detalle hasta donde resulte conveniente.

Es muy difícil hacer un diagrama perfecto desde la primera vez, frecuentemente es necesario realizar modificaciones conforme se logra un mayor conocimiento de las situaciones.

TIPOS DE DIAGRAMAS



Los distintos niveles de detalle o punto de vista de un diagrama de procesos son:
  • Diagramas de bloques
  • Diagramas de flujo
  • Instrumentación y control



1. DIAGRAMAS DE BLOQUES


Un sistema de control puede tener varios componentes. Para mostrar las funciones que lleva a cabo cada componente en la ingeniería de control, por lo general se usa una representación denominada diagrama de bloques.

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El diagrama de bloques es la representación gráfica del funcionamiento interno de un sistema, que se hace mediante bloques y sus relaciones, y que, además, definen la organización de todo el proceso interno, sus entradas y sus salidas. Un diagrama de bloques de procesos de producción es un diagrama utilizado para indicar la manera en la que se elabora cierto producto, especificando la materia prima, la cantidad de procesos y la forma en la que se presenta el producto terminado. Los diagramas de bloques están formados exclusivamente por corrientes y bloques. Las corrientes son líneas de flujo entre bloques que suelen marcar su dirección de flujo e ir nombradas o numeradas. Los bloques son una abstracción de Unidades de Proceso (o conjuntos de Unidades) que llevan a cabo transformaciones en las corrientes. Suelen ir nombrados y van unidos entre sí por corrientes.

Este tipo de diagrama nos permite enteder el comportamiento y conexión del sistema y a su vez, esta descripción puede ser programada en simuladores que tienen un ambiente gráfico como por ejemplo en simulink de Matlab.

En un diagrama de bloques se enlazan una con otra todas las variables del sistema, mediante bloques funcionales. El bloque funcional o simplemente bloque es un símbolo para representar la operación matemática que sobre la señal de entrada hace el bloque para producir la salida.

Un diagrama de bloques contiene información relacionada con el comportamiento dinámico, pero no incluye información de la construcción física del sistema. En consecuencia, muchos sistemas diferentes y no relacionados pueden representarse mediante el mismo diagrama de bloques.

Es importante señalar que los bloques pueden conectarse en serie, sólo si la entrada de un bloque no se ve afectada por el bloque siguiente. Si hay efectos de carga entre los componentes, es necesario combinarlos en un bloque único

VENTAJAS DE UN DIAGRAMA DE BLOQUES

  • Permite ver los aspectos relevantes de un proceso.
  • Muestra la secuencia con que se dan las actividades.
  • Se pueden observar los antecedentes y consecuentes de cada actividad.
  • Facilita una compresión rápida del proceso.


Diagrama de Bloques. Proceso Destilacion
Diagrama de Bloques. Proceso Destilacion

Pasos para trazar un diagrama de bloques:
  1. Es necesario conocer las ecuaciones diferenciales que describen el comportamiento dinámico del sistema a analizar y la salida y entrada consideradas.
  2. Se obtiene la transformada de Laplace de estas ecuciones, en este caso como el diagrama de bloques son representaciones de funciones de transferencia, las condiciones iniciales se consideran cero.
  3. De las ecuaciones transformadas se despeja aquella donde esté involucrada la salida del sistema
  4. De la ecuación obtenida se ubican las variables que están como entrada y que deben de ser salidas de otros bloques. Se despejan esas varibles de otras ecuaciones. Hay que recordar nunca utilizar una ecuación que ya se utilizó previamente.
  5. Regresar al paso cuatro hasta que la entrada sea considerada y todas las variables del istema sean consideradas.
  6. Después de obtener las ecuaciones se generan los diagramas a bloques de cada una. Debido al procedimiento utilizado los bloques quedan prácticamente para ser conectados a partir del bloque de salida.

2. DIAGRAMA DE FLUJO

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Este diagrama, además de mostrar la secuencia con que suceden las actividades, contiene un grado mayor de detalle que permite considerar diferentes tipos de actividad y alteraciones en la secuencia, que pueden ser ocasionadas por revisiones o por la ocurrencia de alguna disyuntiva no previsible.

Permite observar de manera general lo que sucede en un proceso. El objetivo es lograr un diagrama con la información mínima para entender el comportamiento del proceso y poder realizar juicios sobre:

  • La eficiencia del flujo.
  • La justificación de realizar cada una de las actividades.
  • La posibilidad de modificar o eliminar algunas actividades o partes completas del diagrama.
  • La existencia de reprocesos innecesarios.

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PASOS para elaborar un diagrama de flujo





Una de las aplicaciones del diagrama de flujo es la obtención de un conocimiento global y específico de un proceso. Esta herramienta posibilita un conocimiento común que sirva de base para un determinado estudio, planificación, etc. También se lo utiliza como herramienta de análisis del proceso, facilitando información sobre posibilidades de mejora dle mismo.



VENTAJAS DEL DIAGRAMA DE FLUJO:
  • Proporciona una panorámica del proceso.
  • Muestra el flujo del proceso, en el que se incluyen las alteraciones de la secuencia.
  • Es una excelente herramienta para entender como funciona el proceso.
  • Permite analizar y probar mejoras, diseñar partes completamente nuevas y prever los efectos que un cambio puede tener en otras partes del proceso.














3. DIAGRAMA SIMPLIFICADO DE EQUIPOS

Es el diagrama de ingeniería más simple, donde se muestran en forma de iconos los equipos necesarios para una planta de proceso y la interconexión entre ellos se representa por líneas que enlazan un equipo con otro.
Este diagrama es apenas un pequeño paso más detallado que el diagrama de flujo conceptual, consistente de simples cajas de funcionalidad, sin mayor preocupación sobre la forma específica de los transportes necesarios. Pero en este diagrama de los equipos del proceso se captura, sin embargo, cada equipo necesario para cumplir la funcionalidad de los sistemas de transporte, al menos de materiales.

En cada equipo se especifican los grados de conversión, las eficiencias y otros parámetros gruesos que reflejan el requisito de diseño de cada uno. El ingeniero que desarrolla este diagrama sabe, previamente, que los equipos que ha puesto en el diagrama existen o que se les puede construir; sin embargo, no ha realizado cálculos precisos de las dimensiones, materiales de construcción, costos detallados, etc





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4. DIAGRAMA DETALLADO DE EQUIPOS


Este diagrama incluye las tuberías del proceso, las válvulas, los desagües, las desviaciones, las ventilaciones, los reciclos y todos los equipos de proceso.
El diagrama detallado no suele ser necesario para la estimación inicial de costos; su aporte es valioso, más bien, en el cálculo afinado de costos de la planta. Existen algunos sistemas CAD que incorporan un buen nivel de avance hacia este tipo de diagrama.
En este nivel de detalle, los costos se estiman por coeficientes globales, nacidos de la empírica. Por ejemplo, conocida la inversión en los equipos principales (desde el punto de vista de la inversión, es decir, los más grandes y costosos), se estiman los costos de: instalaciones eléctricas; instrumentación; servicios de calor y frío; canalizaciones, operación; de mantención; etc. mediante coeficientes (15%, 20%, 5%, etc.)

Este diagrama incluye las tuberías del proceso, las válvulas, los desagües, las desviaciones, las ventilaciones, los reciclos y todos los equipos de proceso.



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destilacion de agua



5. DIAGRAMA DE TUBERIAS E INSTRUMENTACION
El Diagrama de Tubería e Instrumentación muestra el proceso principal con los detalles mecánicos de equipos, tuberías y válvulas, así como también los lazos de control para garantizar una operación segura en la planta. Esta información sirve de guía para llevar a cabo las actividades de Ingeniería y construcción de la planta, por lo cual su preparación requiere de un alto grado de precisión y una completa información.
Este diagrama especifica tanto la conexión hidráulica de un equipo con otro en forma precisa (diámetro y longitud de cañerías o canaletas, pérdidas de carga asociadas a singularidades, etc.) como los aparatos que permiten el manejo concreto del proceso. En muchos casos se pueden indicar los requisitos de instrumentación en los propios diagramas simplificados, pero, si la instrumentación es compleja, resulta necesario desarrollar un diagrama más detallado, destacando todos los reguladores e instrumentos.


Los tipos de DTI preparados son:
  • DTI del Proceso
  • DTI de Servicios Industriales y Sistemas de Efluentes


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El diagrama de instrumentación, junto al diagrama simplificado de equipos, recibe el nombre de Diagrama de Instrumentación y Proceso, referido habitualmente como el P&ID (léase Pí and Ai Dí) representando la abreviación de Piping and Instrumentation Diagram.

DTI del Proceso

Este Diagrama muestra todos los equipos, tuberías, instrumentos, sistemas de control y servicios necesarios para la operación segura de la planta.



DTI de Servicios Industriales y Sistemas de Efluentes

El diagrama de servicios industriales y tratamientos de efluentes define los equipos, tubería, instrumentos, sistemas de control y otros elementos necesarios para el funcionamiento de los servicios industriales conjuntamente para las unidades de proceso, sistemas de tratamiento de efluentes y facilidades de disposición.

Los siguientes sistemas pueden estar incluidos en los DTI:


  •  Sistema de generación de vapor y condensado

  •  Tratamiento de agua de caldera
  •  Agua de Enfriamiento
  •  Sistema de Refrigeración
  •  Sistema de aceite de sello y lubricante
  •  Compresores y secadores de aire de la planta y de instrumentos


INSTRUMENTACION DE PROCESOS





La incorporación de instrumentos al proceso se desarrolla para reducir progresivamente la incertidumbre asociada a la operación de un proceso, y se avanza en distintos grados de refinamiento.

Se debe entender, en primer lugar, que una válvula no es, en su función, particularmente distinta a una bomba de impulsión ya que se podría plantear que una bomba de impulsión es un equipo de proceso que eleva la presión de una línea, mientras que una válvula la disipa (pierde carga o presión).


No cabe duda que, así planteado, bombas y válvulas son equipos, para incorporar a aquellos casos en que la elevación de presión no es por necesidades de transporte sino que de la reacción o la separación (por ejemplo, separación de oxígeno y nitrógeno del aire mediante tamices moleculares).


Los instrumentos en cambio, serán aparatos (es decir, también equipos, pero de otro tipo) dedicados a funciones de manejo concreto del proceso. Es decir, un manómetro y un termómetro son instrumentos (amen de ser equipos); pero, si el manejo requiere que la presión y la temperatura estén en un valor determinado, se deberá saber qué variables de operación modificar para que la presión y la temperatura esté en un valor determinado.

Por ejemplo, podría ser necesario variar un flujo de reactivo, con lo que la válvula (si es un gas.) o la bomba (si es un líquido,) que se use para la regulación será un instrumento.

La operación propuesta para el proceso se sintetiza en el diagrama de instrumentación y canalizaciones de la planta, que contiene la forma precisa de interconectar las operaciones y la forma precisa de manejar la planta. Junto al diagrama se debe redactar la memoria de instrumentación y canalizaciones, que describe en forma precisa las acciones que se deben realizar cuando la planta está en uno u otro estado (se utiliza el término estado para referirse a un vector que contiene todas las variables de proceso; pero, con el término estado, se debe poner atención al contexto puespara los ingenieros eléctricos el estado de una variable es definir si está activa o inactiva: p.e. el estado de una válvula sería abierta o cerrada).



SIMBOLOS Y DIAGRAMAS



Los símbolos y diagramas son usados en el control de procesos para indicar la aplicación en el proceso, el tipo de señales empleadas, la secuencia de componentes interconectadas y de alguna manera, la instrumentación empleada. La Sociedad de Instrumentistas de América (ISA por sus siglas en ingles Instruments Society of America) publica normas para símbolos, términos y diagramas que son generalmente reconocidos en la industria.

Los instrumentos son generalmente identificados por números en una etiqueta. El número de la etiqueta identifica (1) la función en el proceso y (2) el lazo de control en el cual está localizado. La figura indica cómo las letras y los números son seleccionados y agrupados para lograr una rápida identificación.


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La función o variable de proceso puede ser fácilmente asociada con el tipo de medición hecha en el proceso. Así, el FRC (Flow Recorder Controler por sus siglas en ingles) mostrado en la figura identifica un controlador registrador de flujo. Las letras del alfabeto son utilizadas para formar la combinación de estos nombres.

En la figura. acontinuacion se muestra la tabla con las letras correspondientes a cada termino.

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Identificacion de instrumentos con letras

Los números para la identificación del lazo de control tienen una base diferente y sirve para un propósito diferente. El FRC de la figura por ejemplo, es también el número del lazo del instrumento en este caso 102 en un proceso. Este número puede ser modificado posteriormente para indicar la localización del instrumento.


REFERENCIAS



  1. DISEÑO BÁSICO DE PLANTAS DE PROCESO Ludwig, E.E. “Applied Process Design for Chemical and Petrochemical Plants” Gulf Publishing Co.. Houston (1979) (3 volúmenes).
  2. Coulson, J. M. Richardson, J.F. eds. y Sinnot, R.K. “Chemical Engineering Design” Butterwoth-Heinemann, Oxford, Nueva York (1999) (3ª edición).
  3. Vilbrandt, Frank y Dryden, Charles; "Ingeniería química del diseño de plantas industriales"; Grijalbo; México; 1963.http://www.scivis.nps.navy.mil/~me/calvano/asnesem/tsld014.htm
  4. Corbitt, Robert; "Standard handbook of environmental engineering"; McGraw Hill; 1989.