APLICACIÓN
DE REGLAS HEURÍSTICAS EN
LA SÍNTESIS DE PROCESOS
APPLICATION
OF HEURISTIC RULES IN
THE PROCESS SYNTHESIS
SAMUEL KAZES GÓMEZ
Ingeniero
Químico, Universidad Nacional de Colombia, Medellín, skazes@unalmed.edu.co
JAVIER FERNANDO DE
LA CRUZ MORALES
Ingeniero
Químico, M.Sc, Universidad Nacional de Colombia, Medellín, jfdlcruz@unalmed.edu.co
Recibido para revisar junio 16 de 2008, aceptado octubre
28 de 2008, versión final noviembre 29 de 2008
RESUMEN: En este
artículo es presentado un procedimiento para la síntesis de procesos, el cual
comprende las siguientes etapas: La identificación o definición del problema
primitivo; la creación de las alternativas de solución, a través del método de la
Descomposición Jerárquica de Douglas; el análisis de las
alternativas consideradas; y finalmente la elección de la solución más
razonable. Con el propósito de ilustrar
el anterior procedimiento se expone un ejemplo de aplicación hecho en una
curtiembre, donde se muestran varias consideraciones según unas reglas
heurísticas, y sus respectivos análisis,
de acuerdo a restricciones técnicas, locativas y de seguridad, para la
obtención de la mejor solución en la modificación del proceso de evacuación de
los productos de acabado que no se logran retener sobre el cuero en una máquina
pigmentadora de pistolas. La solución más adecuada fue la selección e instalación
de una torre de aspersión, obteniéndose
una eficiencia de retención de material particulado cercana al 40%; lográndose
satisfactoriamente la disminución de la contaminación ambiental generada.
PALABRAS CLAVE: Síntesis de procesos, Descomposición Jerárquica de
Douglas, Proceso modificado, Reglas heurísticas, Curtiembre.
ABSTRACT: In
this article is presented a procedure for the process synthesis, which is
compound by the following stages: The identification or the primitive problem
definition; the creation of alternative solutions, through the Douglas
Hierarchical Decomposition method; the analysis of the considered alternatives;
and finally the choice of the most reasonable
solution. With the purpose to illustrate the last procedure is exposed an
example of application made in a tannery, where are shown several
considerations depending on heuristic rules, and their respective analysis,
according to techniques, locatives and safety restrictions, in order
to obtain the best solution in the process modification of finishs products
evacuation which cannot be kept on the leather in a paint spray gun machine.
The most appropriate solution was the selection and the installation of a spray
tower, obtaining an
efficiency of particulate matter retention close to 40%; thus, the environmental pollution generated was successfully
reduced.
KEYWORDS: Process synthesis,
Douglas Hierarchical Decomposition, Modified process, Heuristic rules, Tannery.
1. INTRODUCCIÓN
Un sistema de proceso es una
instalación que efectúa la transformación de materias primas, energía y experiencia
(Know-How) en productos útiles, mediante reacciones químicas u operaciones unitarias,
constituyendo la columna vertebral de la
sociedad industrial
moderna [1]. El profesional encargado de crear dichos
sistemas, en la mayoría de las ocasiones, es el ingeniero químico, a través de
la síntesis de procesos; la cual consiste en la generación de alternativas de diseño y la selección de
la mejor [2]. Como una
actividad de diseño, la síntesis es una actividad compleja que envuelve un gran
número de consideraciones, decisiones, alternativas y acciones; comprendiendo
diferentes puntos de vista [3].
Tan pronto como se prevé la
necesidad de resolver un problema primitivo, declaración de una necesidad
definida vagamente, el ingeniero debe generar varios problemas específicos cuyas
soluciones sean una respuesta satisfactoria al mismo, incluyendo o no ideas
propias patentables; es decir, se debe tener la seguridad de que las
alternativas de procesos específicos creadas puedan transformar el problema
primitivo en una solución práctica [1].
La mayor cantidad de errores
en los diseños existentes son causados por precisar el diagrama de flujo de
manera muy anticipada y sin un análisis concienzudo de los resultados, en el
desarrollo de un proceso. Debido a esto, es necesario usar herramientas para
generar y evaluar cuidadosamente las alternativas de procesos, como la Descomposición
Jerárquica de Douglas. Este método permite materializar el
problema específico en una solución concreta, a través del seguimiento de un
procedimiento descrito en términos de una jerarquía de decisiones [4], basadas generalmente en
reglas heurísticas compuestas por la intuición, el conocimiento ingenieril y
los principios físicos [5]; dando como
resultado el diagrama de flujo del proceso que representa la solución más
razonable al problema inicialmente planteado [4].
La síntesis de alternativas de
procesos nuevos o modificados requiere de habilidades creativas e inventivas
que se adquieren o, como mínimo, se desarrollan mediante
la práctica. Por
esta razón, es fundamental que el que se inicia en la ingeniería de procesos se
ejercite y adquiera experiencia analizando una gran variedad de problemas
prácticos, tal como el que se incluye en este artículo a manera de ejemplo.
2. DISEÑO PRELIMINAR DE PROCESOS
El diseño ingenieril de
sistemas de proceso es una actividad dialéctica entre objetivos y
posibilidades, la cual busca la satisfacción de una función y las especificaciones
de rendimiento.
De forma concisa el diseño de
un proceso consiste en las tres etapas siguientes:
- Seleccionar un conjunto apropiado de operaciones
unitarias y sus interconexiones.
- Seleccionar la clase de equipos adecuados para llevar
a cabo las operaciones unitarias.
- Escoger las mejores dimensiones y condiciones de
operación de los equipos.
Las dos primeras etapas
mencionadas son esencialmente elecciones discretas donde las características
principales de cada operación juegan un papel primordial. La colección de
operaciones unitarias posibles para un determinado objetivo, al igual que el
conjunto de conexiones viables entre ellas, son finitos. El diseñador debe definir a priori
criterios de ponderación de manera tal que el proceso tenga, entre otras, las
siguientes características:
- Seguridad
- Impacto ambiental positivo
- Flexibilidad
- Controlabilidad
- Predecibilidad
- Mantenimiento fácil
- Rentabilidad
- Fiabilidad
La asignación de pesos a cada
característica es función del objetivo principal, de la heurística y de la intuición ingenieril.
La tercera etapa incluye al
conjunto como un todo, e implica el uso del modelamiento, del análisis de
sistemas, de técnicas de optimización, y de la simulación de procesos [2].
Tipos de diseño
Son diversas las formas de
clasificar el diseño de un equipo o de una planta industrial; entre ellas se
encuentran:
- Según la capacidad: Escala de banco, escala piloto,
escala de demostración, escala industrial.
- Según la forma de operación: Continuo, semicontinuo,
por lotes.
- Según el objetivo: Productos y procesos conocidos, producto
nuevo, proceso nuevo.
- Según el detalle: Orden de magnitud (30<error<50%), estudio
(20<error<30%), preliminar (10<error<25%), definitivo (5<error<15%),
detallado (2<error<5%).
Desde otra
perspectiva, el diseño de un proceso se puede clasificar como:
- Procesos nuevos (PN).
- Procesos modificados (PM).
- Mantenimiento: Prevención de problemas y restablecimiento de condiciones normales de
operación.
- Ampliaciones: Por aumento de capacidad de producción
[2].
2.1 Diseño De
Procesos Modificados (PM)
El diseño de PM es usado en
general para realizar mejoras en la eficiencia, medida a través de los consumos
de materiales y de energía.
Los procesos modificados se
justifican para:
- Procesar materias primas nuevas.
- Suprimir embotellamientos del sistema.
- Producir compuestos nuevos y más valiosos.
- Mejorar la flexibilidad, seguridad, controlabilidad y
operabilidad del proceso.
- Mejorar la calidad (pureza) del producto.
- Reducir costos de energía.
- Incrementar la eficiencia de transformación de materias primas.
- Implementar nuevas tecnologías.
- Facilitar el mantenimiento.
- Reducir el impacto ambiental.
Particularizando, puede
decirse que entre los casos más comunes de diseño de PM, se tienen:
- Cambios en las condiciones de operación de procesos
continuos ó de secuenciación de procesos por lotes.
- Mejora en la recuperación de calor por rediseño de las
redes térmicas.
- Modificaciones en el equipo existente (modificaciones internas
y/o externas de los mismos).
- Compra de equipos nuevos para sustituir los menos
eficientes.
Entre las principales diferencias
del diseño de PM respecto al diseño de PN se encuentran:
- Dificultad de ajustes en lo equipos existentes. Son
mayores las restricciones y por lo tanto más difíciles las factibilidades
técnicas y económicas.
- El tiempo es menos crucial (el único costo, en las
primeras etapas del proyecto, es el consumo de tiempo de los expertos haciendo
consideraciones sobre las modificaciones por hacer).
- El aspecto de múltiples opciones (problema
combinatorio) no es importante; dados los pocos grados de libertad, respecto a
un proceso nuevo, que hay en un proceso existente.
En cuanto a métodos
sistemáticos en el diseño de PM, puede resumirse lo siguiente:
- Procesos totales: Se usan procedimientos que son una
mezcla de heurística y algoritmos, generalmente basados en descomposiciones
convencionales como la jerárquica de Douglas, los cuales incluyen un conjunto
de modelos rápidos que dan cuenta de las restricciones de equipamiento.
- Para procesos con reacciones complejas: La experiencia
con diseños de PM muestra que normalmente la disminución de costos por
materias primas es mayor que la del ahorro de energía.
- Procedimientos por lotes: Estos procesos tienen un
número importante de ventajas, como versatilidad para manufacturar un amplio
rango de productos, flexibilidad para realizar diversas operaciones con un
pequeño número de equipos y adaptabilidad para cambiar la producción según las
necesidades del mercado [2].
Restricciones en el
diseño de procesos modificados (PM)
A grandes rasgos y en orden de
importancia se tienen los siguientes condicionamientos:
- Restricciones de seguridad y de calidad ambiental.
- Restricciones estratégicas regionales: Desarrollo de
tecnología autóctona para el uso de
materia prima nacional.
- Restricciones técnicas: Problemas de robustez, flexibilidad
y controlabilidad.
- Restricciones económicas: Costos de inversión y
funcionamiento [2].
3. SÍNTESIS DE PROCESOS
La síntesis de procesos se
puede definir como la generación de alternativas de diseño y selección de las
mejores; todo ello con base en información incompleta y/o inconsistente, y/o
redundante [6].
La primera etapa de diseño
(diseño conceptual) de un proceso nuevo y/o la modificación sustancial de un
proceso conocido (proceso modificado), implica la evaluación técnica y
económica de aquellas alternativas que parezcan más viables (viabilidad juzgada
con criterios generalmente heurísticos).
El problema central de la
síntesis consiste en obtener, con la menor incertidumbre, las mejores alternativas
entre una inmensa cantidad de posibilidades. Conocidas las opciones se
procede a simular, técnica y económicamente, cada una de ellas para escoger la
mejor según criterios previamente especificados [2].
3.1 La Síntesis De Alternativas Plausibles
Para la creación de
alternativas de procesos nuevos o modificados se deben seguir las siguientes
etapas:
- Definición del
problema primitivo: Se establece cuál
es la necesidad que precisa la atención del ingeniero.
- Creación de
problemas específicos: Se proyectan diversos problemas específicos cuya
solución puede satisfacer el problema primitivo.
- Análisis de los
problemas específicos: Se ensayan los problemas específicos propuestos respecto
a defectos manifiestos sobre su lógica, coste y seguridad.
- Selección de una
solución: Se realiza la selección detallada del equipo y se determinan las
condiciones de operación requeridas para obtener una solución óptima de los
problemas específicos más prometedores [1].
3.1.1 Definición del problema primitivo
Los problemas asignados a un
ingeniero de procesos rara vez toman la forma de un sistema de proceso
específico listo para ser diseñado. Por el contrario, es frecuente que se
presenten como una manifestación poco definida de una necesidad, a la que
denominamos problema primitivo.
No existe un problema general
de ingeniería de procesos al que pueda aplicarse una solución normalizada. Cada
problema está rodeado por circunstancias peculiares que deben sopesarse y
utilizarse, si bien con frecuencia pueden quedar ignoradas por un observador
poco meticuloso. Deben conocerse las razones exactas del origen del problema
primitivo y las modificaciones permitidas para conseguir la definición de una
solución satisfactoria.
Además debe disponerse de las
propiedades químicas y físicas de todos los materiales que pueden intervenir en
la solución del problema primitivo. Debe prestarse atención particular a las
transformaciones químicas y físicas que experimentan aquellos, ya que
constituyen la base de los procesos y pueden dar origen incluso a accidentes
mediante la generación de materias tóxicas o explosivas. También es preciso
familiarizarse con el equipo y los procesos convencionales disponibles en el
mercado para llevar acabo estas transformaciones [1].
3.1.2 Los
problemas específicos
Con toda esta información, el
ingeniero empieza a trazarse un plan de acción y se crea una variedad de
problemas específicos cuyas soluciones podrían resolver plausiblemente el
problema primitivo. El éxito de un proyecto de ingeniería depende críticamente
de la calidad y variedad de los problemas específicos creados.
Es evidente que después de un
intenso esfuerzo de ingeniería podrá calibrarse exactamente la calidad de las
alternativas [1]. Para la generación de éstas, existen diversos métodos de
síntesis de procesos; dentro de los cuales, los más comunes son los siguientes:
- La Descomposición Jerárquica de Douglas:
Subdivisión de un problema en varios sencillos que luego se ensamblan.
- La Búsqueda Algorítmica: Se busca el
universo de mejores alternativas con ayuda de métodos de investigación de operaciones.
- La
Heurística: Se obtienen configuraciones según experiencias
exitosas del pasado. Son reglas plausibles pero no infalibles, y que evitan
examinar todas las posibles secuencias (Rules of Thumb).
- La Búsqueda Evolutiva: Cada
configuración es una mejora de la anterior [2].
Descomposición Jerárquica de
Douglas
El método jerárquico
heurístico es una extensión del método puramente heurístico, el cual combina
reglas heurísticas con una estrategia evolutiva para el diseño de procesos [5].
Douglas, [4,7], ha propuesto un
procedimiento jerárquico heurístico para la síntesis de procesos, descrito en
términos de una jerarquía de decisiones, donde cada nivel de decisión permite
complementar el diagrama de flujo del proceso que se va elaborando
progresivamente. En muchos casos la heurística se usa como herramienta en la
toma de decisiones, pero en otras situaciones ésta no está disponible o no
aplica, tal que diversas alternativas son generadas [4]. De esta forma, es
posible descomponer un problema muy grande y complejo en un número de pequeños
problemas más simples de manejar [7].
La aplicación de este método
de síntesis no necesariamente conlleva al mejor de los diseños, pero si
permite desarrollar el más razonable [4].
Este método propone cinco
niveles, en su orden:
- Nivel 1.
Discontinuo vs. Continuo. Se opta por un proceso discontinuo cuando:
- El proceso debe
operar en pocos meses.
- El producto a
obtener sólo requiere de unos cuantos días de operación de la planta por año.
- Hay poca
información para el diseño y el proceso es bastante sensible a variaciones.
- El producto es de
vida corta.
- El valor del
producto es considerablemente mayor al costo de manufactura.
- Nivel 2. Estructura
de entradas y salidas. Se consideran el número de corrientes, materias primas
y productos, y su interrelación global. También se tienen en cuenta los
subproductos e inertes (la forma en que intervienen y el modo de recuperación o
de eliminación).
- Nivel 3. Estructura
de recirculados. La recuperación y/o eliminación de componentes lleva a
considerar la existencia de corrientes de recirculación y de purga.
- Nivel 4. Especificación
del sistema de Separación. Generalmente las materias primas se recirculan al
equipo en operación, los productos se recuperan y los subproductos se eliminan
o recuperan en función de su cantidad e importancia. La selección de
equipamiento implica la realización de evaluaciones económicas y de un buen
conocimiento de la heurística del proceso.
- Subnivel 4A. Sistema de recuperación de vapor.
- Subnivel 4B. Sistema de recuperación de líquidos.
- Nivel 5. Red de intercambio
calórico. Se busca optimizar el número de intercambiadores de calor y de servicios
(fuentes de frío y de calor) [2, 4, 7].
3.1.3 Análisis y selección
preliminar de las alternativas
Evidentemente, la creación de
alternativas de proceso conduciría a una gran variedad de posibles problemas de
ingeniería de concepto y detalle. Sin embargo, es imposible realizar el diseño
completo de cada alternativa para hacer luego una comparación detallada entre
ellas. El diseño de un proceso exige en general un esfuerzo considerable, que
no puede desperdiciarse en alternativas que son defectuosas y no pueden
transformarse en sistemas comerciales.
Durante el análisis preliminar,
el ingeniero se plantea las siguientes preguntas sobre cada alternativa:
- ¿Es ilógico el concepto?
- ¿Puede demostrarse que el
concepto elaborado es inferior a otra de las alternativas sugeridas?
- ¿Puede demostrarse que el
concepto elaborado es equivalente o inferior a un esquema de procesos ya
conocido que a su vez es inferior a otros?
- ¿Puede demostrarse que el
concepto requerirá una gran extrapolación técnica o económica de la tecnología
existente, implicando por tanto un riesgo demasiado elevado?
- ¿Es inseguro el concepto?
- ¿El concepto sugiere otra
alternativa mejor?
- ¿El concepto implica
competencia técnica especial que no se posee? [1]
3.1.4 La solución
El principal objetivo del
ingeniero de procesos es conseguir la solución más satisfactoria y económica al
problema primitivo, a través de la selección de la mejor alternativa
planteada, incluya o no ideas
patentables. La solución óptima puede así utilizar o adaptar ideas de otros que
se encuentren disponibles en forma de equipo comercial, diseños patentados y
servicios de ingeniería de especialistas. El acto creativo se convierte
entonces en la síntesis de un sistema nuevo y útil a partir de los elementos ya
existentes [1].
4. APLICACIÓN DE
LA SÍNTESIS DE
PROCESOS A UN CASO PARTICULAR
Con la finalidad de ilustrar
el procedimiento anteriormente planteado
para llevar a cabo la síntesis de procesos, se presenta a continuación la
aplicación de este en la modificación de un proceso existente, realizado
con el objetivo de disminuir el impacto ambiental generado por el mismo. De acuerdo a las
etapas definidas por Watson y Rudd, [1], el primer paso a realizar es la definición del
problema primitivo:
Definición del problema
primitivo
Dentro de los diferentes equipos necesarios para
llevar a cabo el proceso de transformación de la piel vacuna en cuero terminado,
se encuentran las máquinas pigmentadoras de pistolas, las cuales hacen parte
del área de terminación del cuero. Estas máquinas contribuyen notablemente a la
generación de contaminación ambiental, al expulsar a la atmósfera aire
contaminado con un porcentaje bastante elevado de dispersiones de acabado
(arrastre de partículas sólidas) que no se logran fijar sobre el cuero.
El producto de acabado que es desperdiciado en
el proceso de aplicación, queda retenido en forma de niebla dentro de la cabina
de pulverización de la máquina; dicha niebla, consistente en finas gotas, es aspirada junto con el aire por
un extractor hacia un ducto vertical de
salida. Durante este trayecto, gran parte de estas gotas comienzan un proceso
de solidificación, formando una gran concentración de material particulado
dentro de la corriente de aire evacuado. Al final del ducto vertical, están
ubicadas un total de cuatro rejillas con la finalidad de retener este material;
sin embargo, al traspasar las rejillas, la corriente gaseosa todavía cargada
con una gran cantidad de sólidos es expulsada al ambiente a través de una
chimenea; contribuyendo a la contaminación atmosférica generada por la
curtiembre.
Gracias a esto, se hace necesaria la elección,
diseño e implementación del sistema preliminar más adecuado para la retención
de material particulado, en una curtimbre ubicada en Itaguí-Colombia; tal que
se adecue a las condiciones in situ del proceso, con un mínimo de
modificaciones sobre éste, y que alcance una buena eficiencia asociada con unos
gastos de inversión y de operación mínimos. Contribuyendo así, a una producción
más limpia en la curtiembre [8].
Creación de
problemas específicos
(alternativas
de solución)
La siguiente etapa a seguir,
según Watson y Rudd, [1], es el
planteamiento de las alternativas de los problemas específicos plausibles para
el problema primitivo. Para esto, es útil utilizar
la Descomposición
Jerárquica de Douglas como método de síntesis.
A continuación se presentan
las diversas alternativas generadas según la jerarquía de decisiones propuesta
por el método:
- Nivel 1: Debido a que las
máquinas pigmentadoras de pistolas de la empresa trabajan por lotes, el sistema
a implementar esta ceñido a esta condición de operación.
- Niveles 2 y 3: Tanto la estructura
de las corrientes de entradas y salidas del proceso como la estructura de
recirculados, están condicionadas a los posibles sistemas de separación
planteados como alternativas en el nivel 4.
Si se considera la
utilización de un precipitador electrostático, la única corriente de entrada y salida será la de la corriente
gaseosa a tratar y no existirán
corrientes a recircular. Por el contrario, si se utiliza una torre lavadora se
debe tener presente una corriente de entrada y salida adicional para el líquido
lavador, y por lo tanto existirá una corriente de recirculación de éste, que
permita su tratamiento y posterior recirculación al proceso.
- Nivel 4: En la Figura 1 se
presentan los sistemas más comúnmente utilizados para la captación de material
particulado presente en una corriente gaseosa, clasificados según unas reglas
heurísticas. Por lo tanto estos equipos representan las diversas alternativas
de solución del problema primitivo.
Figura
1. Diagrama de flujo para la selección del equipo más adecuado para la retención
de material particulado [8]
Figure 1. Flowsheet for the most appropriate equipment selection
for the particulate matter retention [8]
Existen numerosas excepciones a la
aplicabilidad de la información presentada en la Figura 1, debido a las
condiciones específicas del lugar del proceso. Sin embargo, dicha información
provee una guía general acerca de los usos y limitaciones de los sistemas de control
de material particulado más usados industrialmente [8].
De acuerdo con
la Figura 1, como la
naturaleza del material particulado a separar de la corriente gaseosa es
pegajoso y húmedo, los dos posibles sistemas de separación a considerar son un
precipitador electrostático o una torre lavadora.
- Subnivel 4A: No aplica.
- Subnivel 4B: La recuperación de líquidos
solo es aplicable al proceso que contempla la elección de la torre lavadora
como equipo de separación. Para este caso, la corriente del líquido lavador
debe ser tratado con el fin de eliminar el material sólido transferido desde la
corriente gaseosa, y de nuevo reincorporada al proceso. Una
alternativa es incorporar un filtro de tambor rotatorio en la base de la torre
lavadora que vaya tratando continuamente el agua contaminada. Otra posibilidad es desviar el líquido a tratar,
que cae a la base de la torre, a un tanque exterior; y someterlo a un simple
proceso de filtración.
En ambos casos el fluido filtrado sería bombeado de
nuevo al equipo para ser utilizado.
Análisis
de los problemas específicos (alternativas de solución)
El número de alternativas de
solución planteadas en el numeral 4.2 para el problema en consideración son
dos: la utilización de un precipitador electrostático o de una torre lavadora
en el proceso.
Como se mencionó previamente,
la primera etapa en la modificación de un proceso conocido, PM, implica la
evaluación técnica de todas aquellas alternativas que parezcan más viables a
llevar a cabo.
El uso de un precipitador
electrostático no es muy recomendable ya que el material particulado y los
solventes altamente volátiles presentes en la corriente gaseosa evacuada de la
cabina de pulverización de la máquina pigmentadora son altamente inflamables; por
lo que cualquier chispa eléctrica generada representaría un gran riesgo de seguridad
industrial.
En contraste una torre
lavadora no tiene problemas de seguridad asociados al proceso, ya que por su
principio de operación minimiza los riesgos de ignición. Adicionalmente,
este equipo presenta una serie de ventajas tales como:
- Eficiencias
de colección altas para rangos muy amplios de partículas.
- Mantenimiento
simple por la sencillez de la operación.
- Capacidad
de remover partículas sólidas, aún si estas son pegajosas.
- Capacidad
de manejar corrientes gaseosas a altas temperaturas y alta humedad.
- No se
generan fuentes de polvo secundarias.
- Requerimientos
de espacio relativamente pequeños.
- Bajos
costos de instalación [8].
Además, es posible
transformar, con un mínimo de modificaciones, el ducto vertical por medio del cual se evacua la corriente gaseosa contaminada
en una torre lavadora.
Con respecto al sistema a utilizar para el tratamiento y posterior
recirculación al proceso del líquido lavador, la opción de utilizar un filtro
de tambor rotatorio no es muy aconsejable, debido a las restricciones de
espacio con las que cuenta el entorno circundante a la máquina pigmentadora; lo
que haría muy tedioso el mantenimiento y limpieza del equipo. Por lo tanto es
más recomendable utilizar un tanque exterior con una malla de filtración que
permita separar el material particulado retenido en el agua de proceso.
Selección
de una solución
Como se mencionó en el numeral anterior, de
acuerdo a las características y ubicación en planta de la máquina pigmentadora,
y a la naturaleza de los productos químicos aplicados, el equipo más adecuado a
implementar para solucionar el problema inicialmente planteado es una torre
lavadora; que adicionalmente cuente con un tanque exterior de tratamiento para
el fluido de trabajo. En la Figura 2 se presenta el diagrama de
bloques del proceso modificado.
Figura
2. Diagrama de bloques del proceso modificado
Figure
2. Block
flowsheet of modified process
La Heurística, otro método de síntesis de procesos, ratifica dicha selección; ya que
según una consulta realizada al SENAI - Centro Tecnológico do Couro (Servicio
Nacional de Aprendizaje Industrial - Centro Tecnológico del Cuero), del Brasil,
las torres lavadoras son los equipos más adecuados y más comúnmente usados industrialmente
para la captación de partículas de acabado que son lanzadas al ambiente, por
medio de los extractores de las máquinas pigmentadoras de pistolas [8].
5. RESULTADOS
La simulación o la
experimentación in situ del proceso obtenido después de aplicar un método de
síntesis, es fundamental para lograr su aprobación definitiva [3]. Es por esta
razón que a continuación se presentan lo resultados obtenidos mediante la
implementación del sistema seleccionado.
Sistema
implementado
Una torre lavadora, más
concretamente una torre de aspersión, fue implementada en una de las máquinas pigmentadoras
de pistolas de la curtimbre (ver figuras 3 y 4), para la retención del material
particulado presente en la corriente gaseosa evacuada, proveniente de la cabina
de pulverización.
Figura
3. Esquema de la torre de aspersión (vista frontal) [8]
Figure
3. Spray tower scheme (frontal view) [8]
Figura
4. Esquema del sistema (vista lateral) [8]
Figure 4. System scheme (side view) [8]
En la Tabla 1 se presenta las
características de operación del sistema.
Tabla
1. Características de operación del sistema [8]
Table
1. System
operation characteristics [8]
Eficiencia del
sistema implementado
A través de un seguimiento y control a la
cantidad de producto químico de acabado aplicado en la máquina pigmentadora de
pistolas y a la cantidad de material particulado retenido por el sistema
implementado, se calculó la eficiencia de captación de éste.
Los balances de masa
necesarios para el cálculo de la eficiencia del sistema se presentan a
continuación:
El 60% del producto de acabado
aplicado en la máquina pigmentadora, 
, queda retenido en el cuero. La cantidad de este que se
desperdicia, 
, esta dada por:
De la cantidad total de
producto desperdiciado, un 40% de este resulta depositado dentro de la
cabina de pulverización y el porcentaje restante, 
, es succionado por un
extractor hacia la torre de aspersión:
Según la clase del producto de
acabado aplicado (resina, hidrolaca, anilina, pintura, etc), la cantidad de
sólidos presentes en cada mezcla es diferente.
Por lo tanto, conociendo la
clase y la cantidad de producto químico aplicado, junto con la cantidad de este
desperdiciado, se puede cuantificar la corriente másica de sólidos que entra a
la torre de aspersión, 
.
Luego, a través
de la relación entre la cantidad de sólidos que entran a la torre de aspersión
y los retenidos por esta, 
, se puede estimar la
eficiencia del equipo a través de la siguiente expresión:
Por
medio de los balances anteriormente planteados, se calculó una eficiencia
másica de retención de sólidos para el sistema implementado del 37.4%.
Para ser un diseño preliminar, dicha eficiencia se puede considerar buena desde el punto de
vista experimental, considerando la reducción de la concentración de material
particulado que es expulsado a la atmósfera. Sin embargo, según los datos teóricos
reportados por la literatura, la eficiencia para una torre de aspersión está a
alrededor del 80%, lo que equivale al doble de la eficiencia calculada para el
diseño implementado. La gran diferencia entre estos dos valores de eficiencia
se debe a una gran variedad de parámetros de diseño y operación, tales como:
- La
relación entre los flujos volumétricos del líquido lavador y la corriente
gaseosa (L/G).
- La
configuración geométrica de la torre.
- La
ubicación y el número de boquillas de aspersión.
- El
tiempo de residencia y las velocidades de la corriente gaseosa.
- La
longitud del ducto de aspersión.
- El tamaño
de las gotas asperjadas.
- El
grado de solubilidad de las partículas en el agua [8].
Debido a que el
análisis del desempeño de torres de aspersión para procesos de remoción de
partículas sólidas de corrientes gaseosas no ha sido profundizado en estudios
previos, es difícil conocer el valor de los parámetros óptimos anteriormente
mencionados para la obtención de una máxima eficiencia. Por lo tanto, se deben
realizar ensayos hidrodinámicos experimentales para tal fin [8].
Comparación entre
el antes y después del sistema implementado
Antes del sistema
implementado
Durante el
funcionamiento de la máquina pigmentadora de pistolas, los diversos productos
de acabado aplicados que no se lograban retener sobre el cuero, saturando el
ambiente interior de la cabina de pulverización, eran evacuados en una
corriente gaseosa hacia el ambiente, por medio de un extractor que comunicaba
dicha cabina con un ducto vertical, al final del cual estaban ubicadas un total
de cuatro rejillas engrasadas para la captación del material particulado. Al superar
las rejillas, la corriente gaseosa todavía cargada con una gran cantidad de
sólidos y de solventes volátiles era expulsada al ambiente por medio de una
chimenea; contribuyendo a la contaminación atmosférica producida por la curtiembre
y a la generación de continuas quejas por parte de la comunidad circundante a
la empresa [8].
Después del sistema
implementado
Actualmente,
los productos de acabado aplicados que no se logran retener sobre el cuero, son
evacuados en una corriente de aire por un extractor hacia un ducto o torre de
lavado, que utiliza agua como líquido lavador; en el cual por medio de dos
boquilla de aspersión, se transfiere gran cantidad de partículas sólidas
transportadas inicialmente por la corriente gaseosa a la corriente líquida. Una
de estas boquillas dirige un chorro de agua directamente hacia el extractor, el
cual pulveriza y distribuye el líquido por toda la cámara de lavado. La otra
boquilla se encarga de esparcir el agua en forma de ducha sobre las cuatro
rejillas que cubren el área seccional de la torre, con el fin de lograr una
uniforme distribución del fluido. Después de ser tratado el aire contaminado,
este es expulsado al ambiente a través de una chimenea de evacuación.
El agua,
utilizada como fluido de trabajo de la torre puesta en operación, es almacenada
en un tanque receptor ubicado en el interior de esta; y es evacuada por reboce
a un tanque exterior de filtración para su tratamiento y posterior
recirculación al proceso [8].
De
esta manera se modificó un proceso existente, contribuyendo a una producción
más limpia y amigable con el medio ambiente y con la comunidad circundante a la
empresa.
6. CONCLUSIÓN
Numerosos principios
heurísticos son usados en el desarrollo del diseño de un proceso, pero en
términos generales la actividad es toda un arte, la cual interrelaciona los
conocimientos científicos con las aptitudes de astucia y recursividad
inherentes al ingeniero. Esta combinación entre ciencia y arte en la actividad
creativa, mediante el desarrollo de un procedimiento, permitió generar una solución
a un problema particular. De esta forma, el proceso de evacuación de los
productos de acabado que no se lograban retener sobre el cuero en una máquina
pigmentadora de pistolas de una curtimbre, fue modificado.
Con el objetivo principal de
reducir la concentración de material particulado expulsado a la atmósfera, de
acuerdo a unas restricciones técnicas, locativas y de seguridad, y a las
características del proceso existente, se seleccionó e instaló una torre de
aspersión, como el sistema más adecuado a implementar. Los resultados obtenidos
experimentalmente fueron satisfactorios, considerando el carácter preliminar
del diseño y la gran cantidad de limitaciones presentes en su concepción y ejecución.
7. AGRADECIMIENTOS
Los autores expresan su
agradecimiento a
la
empresa Curtimbres de Itaguí S.A; en especial al Ingeniero
Hernán Alonso Ramírez, Jefe del departamento de Investigación y Desarrollo de
Acabados de dicha empresa.
REFERENCIAS
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[2] AGUIRRE, J. Ingeniería de Procesos Químicos. Universidad Nacional de Colombia. Medellín, 2004.
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[8] KAZES, S. Diseño Preliminar de un Sistema Para la Retención del Material Particulado y de Algunas Sustancias Gaseosas Contaminantes Proveniente de la Evacuación de los Productos de Acabado no Retenidos Sobre el Cuero. Trabajo Dirigido de Grado. Universidad Nacional de Colombia, Sede Medellín, 2007.