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PROCESOS INDUSTRIALES – CARACTERISTICAS DE LOS PROCESOS

“CARACTERÍSTICAS DE LOS PROCESOS” Proceso es un término que puede significar diferentes cosas para diferentes personas. Para un investigador interesado en descubrir un método para formular un nuevo detergente, un proceso sería el conjunto de leyes que gobiernan la transformación química ó combinación de sustancias en nuevos productos. Para el ingeniero relacionado con la construcción de una planta, proceso es tanto la secuencia de pasos que llevan a la preparación de un producto como el conjunto de equipamiento, tanques, tuberías, etc. Sea un proceso relativamente simple como el calentamiento de agua en un caldero para producir vapor o complejo tal como una instalación petroquímica, las funciones clave para modelar el producto hasta sus especificaciones finales, son una combinación o sucesión de los pasos siguientes:      

El transporte de materia prima ó energía entre varias unidades de procesos La transferencia de calor entre diferentes materias La transferencia de masa entre diferentes materias La reacción de una mezcla de compuestos para lograr nuevos materiales La separación de componentes de una mezcla en un número de diferentes flujos de grados variables de pureza El almacenamiento de materiales durante los pasos de procesamiento y al final del proceso, previamente a la distribución comercial

El tipo de proceso elegido para un determinado producto final dependerá de sus requerimientos de producción y cantidades. En cualquier caso, para el control del mismo es necesario tener un conocimiento acerca de la instrumentación utilizada y en general de los aspectos mecánicos relacionados al proceso. El control óptimo sin embargo, no solamente está en función de los dispositivos, equipos y sistemas a emplear, sino fundamentalmente del conocimiento del proceso que se desee controlar. 1.1 TIPOS DE PROCESOS En términos generales existen dos tipos de procesos en la industria: los denominados procesos continuos y procesos discontinuos. Los procesos continuos tienen ese nombre debido a que en ellos se trabaja con materiales cuyo flujo es continuo. Las materias primas ingresan a una velocidad constante y pasan a través de un número de operaciones de transformación, realizadas en piezas sucesivas de equipamiento hasta que el producto surge en la última operación. Los materiales no permanecen estacionarios en ninguna unidad de procesamiento que no sean tanques de almacenamiento intermedios o finales. Cada pieza de equipo tiene una tarea específica y debido a la gran cantidad de pasos de procesamiento y unidades físicas, los equipos de transporte tales como bombas, sopladores y fajas transportadoras cumplen un rol muy importante. Los controladores necesarios deben asegurar que el proceso opera en forma estable con el mínimo de disturbios y “picos” como sea posible. La mayoría de los lazos de control están ocupados con mantener constantes variables tales como presión, flujo, temperatura, niveles y composiciones. Una cuantas operaciones requieren operaciones de temporizado o secuenciamiento de pasos.

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Como ejemplo consideremos un proceso de mezcla de dos sustancias que fluyen constantemente hacia el elemento encargado de dicha mezcla. En estos casos se habla de la necesidad de mantener constantes una o más variables. Particularmente en el ejemplo dado, interesa mantener constante la relación entre ambos flujos.

Figura 1 Ejemplo de un proceso continuo (cortesía de National Instruments)

Los procesos discontinuos se pueden clasificar en dos tipos: los de tipo batch o por lotes y los procesos tipo manufactura. En los primeros, al igual que en los continuos, se trata de mantener constante una o más variables. Sin embargo, aquí no hay un flujo continuo de material. Estos procesos tienen un número diferente de operaciones sucesivas químicas o físicas las cuales son llevadas a cabo en uno o más reactores o tanques para transformar las materias primas en los productos deseados. Un ejemplo de esto lo tenemos en un reactor en el cual ingresa un material para ser tratado de alguna forma. Mientras dure la operación en el reactor (en la figura, calentamiento de una sustancia a través de vapor por un determinado tiempo), no hay ingreso ni salida de dicho material.

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Figura 2 Ejemplo de un proceso tipo batch (cortesía de National Instruments)

Un proceso batch se realiza siguiendo una receta. La mezcla de ingredientes permanece en un tanque o reactor hasta que sus características hayan cambiado para cumplir con las especificaciones. Realizando esto en un número reducido de contenedores, se minimiza el espacio requerido y el equipamiento necesario, así como el costo de la planta. Sin embargo, debido a la naturaleza del proceso, las cantidades de producto que puede ser obtenido en un tiempo razonable, son limitados. Los procesos batch se relacionan principalmente con cualquiera de los siguientes:   

Productos logrados en muchas y diferentes formulaciones pero en relativamente pequeñas cantidades, tales como productos farmacéuticos, perfumes y detergentes sintéticos. Productos costosos con mercados limitados o corta vida útil tales como perfumes. Productos que requieren largos tiempos de fermentación o maduración en condiciones especiales tales como vino, cerveza, etc.

En adición, los procesos iniciales de la mayoría de químicos es hecho en un modo batch. Procesos que comúnmente se realizan de esta forma son:        

Bebidas Explosivos Productos alimenticios Detergentes líquidos Procesamiento de minerales Pinturas y tintes Pesticidas y nutrientes de suelos Productos farmacéuticos

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En un proceso tipo manufactura a diferencia de los anteriores, no se trata de mantener constante alguna variable. Más bien aquí, lo importante es cumplir con una serie de pasos (que se repiten cíclicamente) que aseguren la calidad del producto final. Actualmente se emplean para el control de la mayoría de ellos, los denominados controladores lógicos programables (PLC). Sin embargo también se utilizan para este fin sistemas electromecánicos, electroneumáticos, electrohidráulicos y en fin todos aquellos relacionados a la producción en serie de elementos bajo el cumplimiento de un programa o secuencia de pasos pre-establecidos. Ejemplos de este tipo de procesos es la fabricación de piezas mecánicas con un torno CNC (control numérico computarizado) o las acciones en una línea de embotellado en una fábrica de cerveza, bajo el control de un PLC. A continuación se muestra un sistema que se encarga de empacar clavos con gran precisión.

Figura 3 Ejemplo de un proceso tipo manufactura (cortesía de Proxsensors)

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PROCESOS INDUSTRIALES – CARACTERISTICAS DE LOS PROCESOS 1.2 CAMBIOS DE CARGA Cada proceso exhibe dos efectos que deben tomarse en cuenta en la selección del equipo de control: los cambios de carga o cambios en la variable controlada debido a condiciones alteradas en el proceso y los retardos de proceso causados por sus características: capacitancia, resistencia y tiempo muerto. La carga de un proceso se define como la acumulación del agente de control requerido para mantener la condición de balance. La magnitud y la razón de cambio de la carga son los principales factores para la aplicación de los controladores automáticos. Los cambios de carga no son siempre fáciles de reconocer. Algunas de las causas son:    

Mayor o menor demanda del agente de control por parte del medio controlado Cambio en la calidad del agente de control Cambio en las condiciones ambientales Cambio en la cantidad de calor generado o absorbido en reacciones químicas

Cuando se menciona agente de control, nos referimos a aquel medio mediante el cual se cambia el valor de una determinada variable. Si tomamos como ejemplo el calentamiento de agua por medio de vapor en un intercambiador de calor, el agente de control sería el vapor. El flujo del mismo (variable manipulada) se varía por acción del controlador para llevar la temperatura del agua (variable controlada) al valor deseado (set point o valor de referencia). 1.3 RETARDOS DEL PROCESO Todos los dispositivos y procesos tienen capacidad para almacenar energía y resistirse a cambios. En este aspecto son similares y pueden ser comparados con las propiedades eléctricas de capacidad y resistencia. Al igual que un circuito eléctrico RC (con elementos resistivos y capacitivos), en donde la salida es distorsionada con respecto a la entrada, la respuesta de un proceso al cambio de un parámetro se puede decir que sufre cierta distorsión. Esta distorsión o alteración se denomina retardo. Siempre ocurre un retardo de tiempo entre el cambio en la condición de un proceso y el momento en que un operador o un controlador automático lo nota. Este retardo se debe a tres causas distintas:   

El retardo inherente a un proceso. El debido al tiempo de respuesta del sensor o el elemento de detección o medición. El tiempo de transmisión de la señal.

En algunos procesos los tres retardos son irrelevantes, pero en otros procesos no lo son. En la mayoría de los casos, uno de los tres tiene un efecto mucho mayor que los otros dos. Y comúnmente es el retardo propio de un proceso el que se debe tomar más en cuenta. Los retardos del proceso dependen de dos factores inherentes al mismo: la resistencia u oposición al flujo y la capacitancia o medida de la habilidad del proceso de almacenar energía o materia en función de alguna variable de referencia.

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El concepto de resistencia se puede fácilmente entender en base a un ejemplo. Si se calienta una determinada sustancia en un recipiente metálico, el tiempo en que la sustancia alcance una temperatura deseada estará en función en primer lugar a las características físicas del recipiente (material, dimensiones) y desde luego a las características de la sustancia misma. Para explicar el concepto de capacitancia, podemos referirnos a la figura siguiente:

Figura 4 Ejemplo de Capacitancia

Aquí se muestran dos tanques designados para contener algún tipo de líquido; la capacidad es la misma como se puede deducir de las dimensiones de los tanques (288 metros cúbicos en cada caso). Sin embargo, si comparamos la capacidad o volumen de cada tanque por unidad de incremento en el nivel de líquido, evidentemente tendremos como resultado que esta relación es mayor en B. En efecto, el volumen de llenado de B es de 72 metros cúbicos de líquido por metro de altura, mientras que en A es solamente de 36. En este ejemplo se relaciona la capacidad o volumen logrado en cada tanque en función al nivel alcanzado (m3/ m.) Como se puede deducir, a diferencia de la capacidad, la capacitancia es una variable dinámica. Desde luego no siempre vamos tener altura como variable de referencia. Otro ejemplo podría ser el calor generado en función a la cantidad de combustible utilizado (BTU/ kg. ó kcal/ kg). El efecto de R y C se muestra en el siguiente gráfico. El tiempo que la variable de proceso tarda en alcanzar su valor final como respuesta a un cambio de carga en el mismo, se denomina retardo de reacción. Dependiendo del conjunto de resistencias y capacitancias en un proceso, tendremos procesos denominados de primer orden o de orden superior (segundo orden, tercer orden, etc.). El tiempo que demora una variable en alcanzar el 63,2% de su valor final se conoce como constante de tiempo del proceso o τ(tau), similar a la utilizada en la carga de un condensador de un circuito eléctrico RC. En teoría, la variable alcanzará su valor final en cinco constantes de tiempo.

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Variable de Proces o

Tiempo Figura 5 Retardo de reacción en un proceso

Existe otro retardo que resulta de la falta de habilidad de un proceso a aceptar o entregar energía simultáneamente. Comúnmente se denomina retardo distancia-velocidad o tiempo muerto. Un ejemplo de esto, se puede apreciar en la respuesta de un intercambiador de calor. Cuando el flujo de agua de enfriamiento al intercambiador, cambia de repente, la temperatura del fluido de salida no responde tan rápido, no sigue una relación lineal. Debido a que la masa metálica del intercambiador sirve como un disipador de calor, su temperatura cambia lentamente. Como veremos más adelante, el tiempo muerto es uno de los problemas más difíciles de manejar en el control automático de procesos.

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