U.F.P. ADMINISTRADORES INDUSTRIALES 5
CONTENIDO
TEMA I. PROCESOS 09 PÁGINA 1.1. Etimología. 091.2. Clasificación de procesos industriales. 10 1.3. Esquema de procesos industriales. 11
II. BALANCE DE MATERIA Y ENERGÍA. 17
2.1. Generalidades. 17
2.2. Análisis sistemático de procesos industriales. 22
III. OPERACIONES UNITARIAS Y PROCESOS UNITARIOS. 24
3.1. Transferencia de calor. 24
3.2. Flujo de fluidos. 25
IV. CLASIFICACIÓN DE LAS INDUSTRIAS. 31
V. INDUSTRIA PLÁSTICA. 34
5.1. Propiedades de los plásticos. 35
5.2. Procesamiento de los plásticos. 36 5.2.1. Procesos de tecnología mecánica. 37
5.2.2. Moldeo por inyección. 38
5.2.3. Moldeo por extrusión. 39
5.2.4. Moldeo por insuflación de aire 40
5.2.5. Moldeo por vacío. 40
5.2.6. Calandrado. 40
5.3. Artículos termorrígidos. 41
5.3.1. Moldeo por compresión. 41
5.3.2. Modelado de laminados. 41
U.F.P. ADMINISTRADORES INDUSTRIALES 6
5.3.4. Ciclo de moldeo. 42
5.3.5. Moldeado por prensa. 43
5.3.6. Moldeado por prensado en inyección. 44
5.4. Inyección. 45
VI. PROCESOS CON ARRANQUE DE MATERIAL. 47
6.1. Mecanizado. 47
6.3.1. Mecanizado con máquina herramienta. 47 6.2. Procesos sin arranque de material. 50
6.3. Simbología de acabados. 53
6.4. Tratamiento superficial. 55
6.5. Tratamientos químicos. 59
6.5.1. Concepto básicos de los procesos industriales 59 de transformación.
VII. OPERACIONES UNITARIAS. 66
7.1. Clasificación de las operaciones unitarias. 71
7.2. Mecánica de fluidos. 85
7.3. Propiedades de los fluidos. 88
7.4. Teorema de Bernoulli. 95
7.5. Transferencia de calor. 102
VIII. EVAPORACIÓN. 109
IX. REFRIGERACIÓN MECÁNICA. 115
X. SECADO. 117
XI. MEZCLADO. 128
U.F.P. ADMINISTRADORES INDUSTRIALES 7
XIII. OXIDACIÓN. 139
XIV. DETERGENTES. 151
XV. FERMENTACIÓN. 155
XVI. PROCESOS EN LA INDUSTRIA PESQUERA. 169
U.F.P. ADMINISTRADORES INDUSTRIALES 9
I. PROCESOS
1.1. ETIMOLOGÍA
Proceder significa “continuar realizando cierta acción que requiere un orden”; procedimiento, “sucesión. Serie de cosas que siguen una a otra” y proceso “marcha hacia delante. Desarrollo o marcha de alguna cosa”. Así, al hablar de análisis del proceso, se está refiriendo a las diferentes etapas que componen de una manera ordenada -escalonada- la realización de alguna actividad. El proceso de producción estará constituido por las fases consecutivas en la elaboración de un producto.
PROCESO DE PRODUCION INDUSTRIAL
El proceso de producción industrial precisa de ciertos elementos: materia prima, mano de obray tecnología más o menos compleja. El resultado del proceso de producción será el producto, eje entorno al cual gira todo el proceso de producción. Dicho producto ostentará una serie de características. Entre ellas una es fundamental, desde el punto de vista de la gestión y el control de la producción: La calidad del producto. Todo proceso de producción industrial precisará una estructura donde se realizará la actividad necesaria para la producción y se dará en un entorno que modificará la propia actividad industrial (demanda, disposición de materia prima y mano de obra calificada, climatología y medios de comunicación).
PROCESO INDUSTRIAL.Es una serie de tareas otransformaciones sistemáticas que se llevan a cabo en una planta industrial sobre las materias primas con el fin de obtener uno o varios productos de acuerdo a ciertos requerimientos.
Describe la transformación de materias primas en productos terminados para su venta. También involucra procesos de elaboración de productos
semi-U.F.P. ADMINISTRADORES INDUSTRIALES 10 manufacturados. Es conocida también por el término de industria secundaria. Algunas, como las manufacturas de semiconductores o de acero, por ejemplo, usan el término de fabricación.
El término puede referirse a una variedad enorme de la actividad humana, de la artesanía a la alta tecnología, pero es más comúnmente aplicado a la producción industrial, en la cual las materias primas son transformadas en bienes terminados a gran escala.
En una economía capitalista, la fabricación se dirige por lo general a la elaboración en serie de productos para la venta a consumidores, con una ganancia. En una economía colectivista, la fabricación está frecuentemente dirigida por una agencia estatal. En las economías modernas, la fabricación discurre bajo algún grado de regulación gubernamental.
1.2. CLASIFICACIÓN DE PROCESOS INDUSTRIALES
Procesos que cambian la forma del material
Metalurgia extractiva Fundición
Formado en frío y caliente Metalurgia de polvos Moldeo de plástico
Procesos que provocan desprendimiento de viruta por medio de máquinas
Métodos de maquinado convencional Métodos de maquinado especial
Procesos que cambian las superficies
Con desprendimiento de viruta Por pulido
Por recubrimiento
U.F.P. ADMINISTRADORES INDUSTRIALES 11
1.3. ESQUEMAS DE PROCESOS INDUSTRIALES
La manera más sencilla de describir un proceso es mediante flujogramas o gráficas de proceso, las mismas que describen las operaciones o etapas fundamentales del proceso, indicando los materiales que se van incorporando, y los resultados de cada operación.Los tipos de gráficas comúnmente utilizados son:
a. Gráfica de proceso general. En esta se da la imagen general de la secuencia de eventos y la introducción de materiales en un proceso, registrando operaciones e inspecciones y utilizando sólo dos de los cinco símbolos disponibles (el círculo y el cuadrado).
b. Gráfica de flujo del proceso o diagrama de flujo. Esta proporcionaconsiderablemente más detalles que la gráfica anterior, y utiliza los seis símbolos. Estos hacen referencia al hombre (o la máquina) y al material.
Símbolos:
OPERACIÓN INSPECCIÓN
TRASLADO ALMACENAMIENTO
OPERACIÓN COMBINADA ESPERA
materiales Uniones temporales
Procesos para cambiar las propiedades físicas
Temple de piezas Temple superficial
U.F.P. ADMINISTRADORES INDUSTRIALES 12 Operaciones básicas incluidas en los diagramas de flujo
En esta sección se enumerarán y se definirán brevemente las operaciones que están incluidas en los diagramas de flujo que considera la tecnología del procesamiento. Obviamente, no serán consideradas todas las operaciones existentes, sino aquellas que tienen un carácter de aplicación general, es decir, que se incluyen en todos los procesos.
Ejemplo de Diagrama de Flujo de procesos para la fabricación de productos agroindustriales.
La descripción del proceso se indica a continuación:
• Recepción: Consiste en recibir del proveedor la materia prima requerida, de acuerdo a las especificaciones entregadas de antemano por la empresa. El hecho de recibir implica la aceptación de lo entregado, es decir, la aceptación de que la condición del material está de acuerdo con las exigencias de la empresa y su proceso. Esta operación implica el compromiso de un pago por lo recibido y debe tenerse el cuidado de especificar claramente si lo que cumple con los requisitos es el todo o parte del lote que se recibe, en orden de fijar el monto a pagar por el mismo.
• Pesado: Implica la cuantificación de varios aspectos, entre los cuales se cuenta, el volumen comprado, el volumen de la calidad adecuada para el proceso, los datos sobre el volumen para la cuantificación del rendimiento y, por último, lo más importante, el volumen por pagar al proveedor y, el volumen que ha de ingresar al proceso.
• Lavado: La limpieza de las materias primas, la eliminación de residuos de tierra, restos de contaminantes del cultivo, restos de plaguicidas, es una operación que debe realizarse en prácticamente todas las materias primas. Excepto algunas bayas, la mayoría de las frutas y hortalizas deben ser sometidas a un lavado mediante la inmersión en solución acuosa como el cloro. La cantidad de agua debe ser suficiente para remover la suciedad, sin
U.F.P. ADMINISTRADORES INDUSTRIALES 13 agregar exceso de agua o producir una lixiviación o lavado de elementos nutritivos o de composición de la materia prima.
• Selección y clasificación: Estas operaciones implican una separación. La selección corresponde a una separación bajo el criterio de "pasa o no pasa", es decir de aceptación o rechazo de un material cualquiera. La clasificación, por su parte, corresponde a un ordenamiento del material en categorías, asumiendo que todo el material por clasificar ha sido previamente seleccionado y aceptado. La selección normalmente se realiza de acuerdo a criterios de tamaño, madurez, daños mecánicos, daños fitopatológicos, u otras características físicas como color, textura, etc.
• Pelado: Es la operación que consiste en eliminar la piel de una materia prima, mediante medios mecánicos o químicos. Normalmente en una operación de pequeña escala, se aconseja no utilizar medios químicos y por lo tanto, se prefiere el uso de un pelado manual con cuchillos. Se debe tener cuidado especial al realizar esta operación por su incidencia en el rendimiento, es decir, qué porcentaje de pulpa se remueve al sacar la piel. • Esterilización comercial: Esta es la operación central en la mayoría de los
procesos, en cuanto a la conservación de los productos. Corresponde al tratamiento térmico el disminuir el número de microorganismos hasta niveles de seguridad. En un proceso de pequeña escala, normalmente la temperatura es cercana a la ebullición del agua, es decir a los 100 °C a nivel del mar. El período de tratamiento dependerá de la naturaleza del producto, pero, en general, para productos ácidos o acidificados se usan tiempos cercanos a 20 minutos a 100 °C. Para productos de acidez más baja, en el orden próximo a un pH 4,5, el tiempo de tratamiento a 100 °C deberá ser de 30-40 minutos. Una operación a pequeña escala difícilmente podrá contar con sistemas de esterilización a presión, especialmente para frascos de vidrio que requieren una contrapresión para mantener las tapas herméticas.
U.F.P. ADMINISTRADORES INDUSTRIALES 14 Estas operaciones son las de mayor aplicación. Cuando en algunos procesos deban aplicarse otras operaciones específicas, serán detalladas o caracterizadas en los propios diagramas de flujo del proceso respectivo.
OPERACIONES Y DESCRIPCIÓN DE LA ELABORACIÓN DE NÉCTAR DE FRUTA
- Pesado, consiste en cuantificar la materia prima que entra al proceso para determinar el rendimiento que puede obtenerse de la fruta y demás insumos.
- Selección, se selecciona la materia prima apropiada (“sana”) y con el grado de madurez adecuado.
- Lavado,se hace para eliminar cualquier partícula extraña que pueda estar adherida a la fruta. Se puede realizar por inmersión, agitación, aspersión o rociado. Una vez lavada la fruta se recomienda una desinfección para eliminar microorganismos, el método más usado es por medio de soluciones cloradas.
- Pelado, dependiendo de la materia prima, esta operación puede ejecutarse antes o después de la precocción o blanqueado. Las frutas son pulpeadas con su cáscara,siempre y cuando ésta no tenga ninguna sustancia que al pasar a la pulpa le ocasione cambios en sus características organolépticas. El pelado se puede hacer en forma manual, empleando cuchillos o en forma mecánica. También con sustancias químicas como el hidróxido de sodio, soda, agua caliente o vapor.
- Blanqueado o precocción, el objetivo de esta operación es ablandar la fruta para facilitar el pulpeado. Se realiza generalmente en agua en ebullición o con vapor directo por espacio de 3 a 5 minutos. También sirve para inactivar las enzimas (un tipo de proteína) que presentan las frutas y que son responsables del oscurecimiento o pardeamiento en las mismas, así como de cambios en el sabor y pérdidas en el valor nutritivo.
U.F.P. ADMINISTRADORES INDUSTRIALES 15 - Pulpeado, consiste en obtener la pulpa de las frutas libres de cáscara y
pepas. A nivel industrial esta operación se realiza en pulpeadoras.
- Refinado, consiste en pasar la pulpa a una segunda etapa de pulpeado, utilizando una malla que elimina toda partícula de la pulpa mejorando el aspecto de la misma y la estabilidad del néctar.
- Estandarizado, esta operación involucra lo siguiente: • dilución de la pulpa con agua,
• regulación del pH,
• regulación del contenido de azúcar, • adición de estabilizador,
• adición de otros compuestos: reforzadores de aroma, sabor, conservante, etc.
• Agitación/Mezclado.
La regulación del pH se debe llevar a un nivel menor a 4,5; pues una acidez alta favorece la destrucción de los microorganismos; el pH al que se debe de llevar el néctar depende también de la fruta. La regulación del pH se hace mediante la adición de ácido cítrico.
- Pasteurizado, esta operación consiste en un tratamiento térmico, en el que se somete al néctar a una temperatura y tiempo determinado.
- Envasado y Sellado, se realiza en máquinas automáticas en envases de vidrio, PET, cajas multicapas (ej. TetraPak).
- Embalaje y Almacenamiento.
En el siguiente gráfico se muestra el diagrama para la fabricación de néctar de fruta.
U.F.P. ADMINISTRADORES INDUSTRIALES 16 FRUTA PESADO SELECCIÒN LAVADO PELADO Y/O TROZADO ESCALDADO EXTRACCIÒN DE LA PULPA REFINADO DE LA PULPA FORMULACIÒN Y MEZCLA PASTEURIZACIÒN LLENADO EN CALIENTE ENFRIAMIENTO ETIQUETADO ALMACENAMIENTO Envases Ingredientes Fibras y Semillas Frutos de rechazo Agua de lavado Cáscaras Agua
U.F.P. ADMINISTRADORES INDUSTRIALES 17
II.
BALANCE DE MATERIA Y ENERGÍA
2.1. GENERALIDADES
Simulación de procesos: Experimentación con un Modelo Matemático o un Modelo Físico para reproducir un fenómeno natural en un medio controlado. Un fenómeno natural:Es cualquier cambio físico o químico (uno sólo) que sufre la materia.
Proceso: Conjunto de fenómenos; conjunto de cambios físicos y/o químicos, los cuales se realizan en serie o en paralelo para incidir en el cambio final.
La materia antes de ser transformada puede denominársele materia prima y después de la transformación, producto.
Materia Prima Proceso Producto
El desarrollar procesos para que la materia se transforme en producto, el cual poseerá ciertas características para ser muy bien aceptado, será una labor que por lo general lo hace el Ing. Químico.
Planeará a qué fenómenos físicos o químicos, en serie o en paralelo, somete a la materia prima para que se transforme a producto.
La posibilidad de disponer de información y capacidad de reproducción de fenómenos aislados y de los efectos de sus interacciones le permitirá diseñar procesos en los cuales, cada cambio pueda analizarlo por separado para simplificar su estudio.
Toda esta labor se cristalizará en la construcción de la planta química, donde industrialmente se reproduce el proceso y se inicia la producción del producto que será distribuido al consumidor final o intermedio.
U.F.P. ADMINISTRADORES INDUSTRIALES 18
Diseño de procesos Diseño de equipo Diseño de plantas de procesos.
Los Procesos Industriales. En la vida diaria hay una interacción constante con los diversos productos creados por la industria, que por lo general son de naturaleza química, muchos productos que han mejorado la calidad de vida del ser humano, los cuales al empezar a existir se transformaron en productos necesarios para la vida diaria del hombre.
De tal manera que así como se puede hablar de insecticidas, fertilizantes, alimentos, complementos de alimentos, vestido, calzado, combustibles, plásticos, metales que son utilizados directamente por el consumidor, también se puede hablar de esos mismos productos cuyo uso es como producto intermedio o como componentes de otros, los cuales han permitido que la tecnología se desarrolle aceleradamente en electrónica y la cibernética, las que a su vez han favorecido el desarrollo de la medicina, seguridad social, transporte, etc., formándose un ciclo de elaboración de productos que promueven la creación de otros, en un proceso interminable de aplicación de la ingeniería.
La industria al participar como proveedora importante de productos de bienestar social, será también promotora de los cambios sociales; el ejemplo es el surgimiento de grupos ecológicos que tienden a normar el desarrollo industrial para que no se dé con libertinaje y que se logre el respeto del hombre por el hombre mismo.
Muchos procesos de la industria involucran cambios químicos que podrían interpretarse como reacciones químicas, pero muchos procesos involucran cambios físicos, tales como la separación y purificación de los componentes de una mezcla.
Cambios exclusivamente mecánicos no son considerados parte de procesos químicos, a menos que éstos sean esenciales para un cambio químico posterior.
U.F.P. ADMINISTRADORES INDUSTRIALES 19 La manufactura del plástico Polietileno, utilizando etileno obtenido del petróleo o del gas natural, es un proceso químico, en cambio el moldeo y fabricación del plástico que finalmente llega al consumidor podría no ser considerado como parte de un proceso químico.
Algunas otras industrias, aun cuando dependan de cambios químicos, no son consideradas como parte de la industria de procesos químicos; esto puede ser por tradición, que un proceso sea especial y sea reconocida con cierto nombre o bien debido al gran volumen de producción, tal como la industria de papel o del acero.Muchos procesos químicos complejos en la industria de alimentos, por ejemplo la fabricación de quesos involucra reacciones de fermentación pero no se considera como parte de la industria de procesos químicos.
En cambio, la fermentación de azúcar para producir bebidas y alcoholes industriales si es considerada parte de la industria de procesos químicos.
La gran industria metalúrgica se separa de la industria de procesos químicos debido a la naturaleza especial de sus procesos y a la gran cantidad de sus productos, pero en realidad los procesos sobre minerales y metales pueden ser considerados como una rama de la industria de procesos químicos.
Industrias de Procesos Químicos
Parte de una posible lista de procesos importantes es la siguiente:
Industria Productos típicos Usos
Químicos inorgánicos
Ácido sulfúrico Fertilizantes, Químicos, Refinación del petróleo, Pigmentos y Pinturas, etc. Ácido Nítrico Explosivos, Fertilizantes.
Hidróxido de sodio
Químicos, Rayón y procesamiento de películas, Refinación del petróleo, Procesamiento de pulpa y Papel, lejía, limpiadores, procesamiento de metales. Químicos Anhídrido acético Rayón, resinas y plásticos
U.F.P. ADMINISTRADORES INDUSTRIALES 20 orgánicos Etilen glicol Anticongelantes, Celofán, dinamita,
Fibras sintéticas. Formaldehido Plásticos.
Metanol Producción de formaldehido, anticongelante, Solvente. Petróleo y
Petroquímicos
Gasolina Combustible para motores y automotores. Kerosene Combustible para aviones.
Aceites Lubricantes, medios de calentamiento. Amoníaco Fertilizantes, químicos.
Alcohol etílico Producción de acetaldehído, solventes. Sulfonato de alquil arilo Detergente
Estireno Hule sintético, plástico.
Pulpa y Papel
Papel Libros, periódicos, registros, etc. Cartón Cajas, empaques, etc.
Fibra de madera Material de construcción.
Pigmentos y pinturas
Óxido de zinc Dióxido de titanio
Carbón negro
Pigmentos para pinturas, tinta, plásticos, hules, caucho, cerámica, linóleo.
Cromato de plomo
Aceite de semillas Aceites secantes.
Resinas Lacas, barnices, esmaltes.
Hules, goma,caucho
Hule natural (isopreno) Llantas para vehículos en general. Hule sintético (GR-S,
Neopreno,butilo)
moldeado y laminado (usos diversos), Zapatos, aisladores eléctricos, etc.
Plásticos
Formaldehido fenólico
Varios usos en diversas áreas, para la elaboración de productos plásticos y otros.
Poliestireno Metacrilato de polietilo
Cloruro de polivinilo Polietileno
U.F.P. ADMINISTRADORES INDUSTRIALES 21
Poliésteres
Fibras sintéticas poliésteres, acrílicos. Rayón, Nylon, Telas, vestidos, recubrimientos. Minerales Vidrios, cerámica, cemento Ventanas, contenedores, ladrillo, concreto, etc. Agentes limpiadores Carbón Limpiadores domésticos e industriales.
Jabones Detergentes sintéticos (Alkil-aril sulfonato de sodio) Agentes humectantes Bioquímicos Productos farmacéuticos y drogas
Aplicación general en medicamentos. Productos de
fermentación
Penicilina Usos medicinales (antibiótico). Alcohol etílico Solvente y bebidas.
Productos alimenticios Sustento humano.
Metales
Acero
Materiales de construcción, fabricación de maquinaria, infinidad de usos.
Cobre Aluminio
Zirconio
Uranio Combustible nuclear.
Esta Tabla puede ampliarse para incluir todos los productos que inciden en nuestra vida diaria y conforme avanza la tecnología, ya que surgen constantemente más aplicaciones y más derivados de productos que permiten a su vez obtener otros productos.
U.F.P. ADMINISTRADORES INDUSTRIALES 22 2.2. ANÁLISIS SISTEMÁTICO DE PROCESOS INDUSTRIALES
Los primeros procesos involucraban pocos pasos de transformación, los materiales eran procesados en pequeños lotes, la mejora en los procesos se realizaban lentamente con base en la experiencia ganada por los operadores; conforme la demanda de productos químicos aumentaba y la industria de procesos crecía era necesario desarrollar técnicas para producir grandes cantidades con el menor costo posible. Las mejoras basadas en la experiencia eran insuficientes fundamentalmente en los casos en que era necesario construir plantas para productos nuevos en el mercado.
Si los principios son conocidos, es posible diseñar los pasos o etapas de un proceso para lograr que estos se lleven a cabo con un máximo rendimiento y alta eficiencia.
Las consideraciones que se tienen que tener en cuenta actualmente en los procesos son el Balance de Materia y Energía, la Termodinámica y Cinética, las Operaciones Unitarias y Reactores Químicos (procesos unitarios), la Instrumentación, Control y las Económicas.
Balance de Materia y Energía.Los principios de conservación de Masa y Energía establecen que, ni la primera ni la segunda,pueden ser creadas o destruidas, pero si logran ser modificadas en sus formas. Estos principios constituyen la base para la Formulación de Modelos Matemáticos que representan el proceso que desea reproducirse.
Termodinámica y Cinética.Se estudia la transformación de la energía de una forma a otra. Muchas conclusiones importantes pueden ser derivadas desde las dos leyes fundamentales de la termodinámica.
El balance de energía (primera ley) y la segunda ley establecen que en un proceso donde se involucra transferencia de calor, parte de la energía puede ser únicamente transferida de una región de temperatura alta hacia una región de temperatura baja.
U.F.P. ADMINISTRADORES INDUSTRIALES 23 El análisis termodinámico de un proceso conduce a conclusiones concernientes con la factibilidad y eficiencia de los diversos pasos que integran un proceso. La termodinámica también permite determinar la composición de fases en equilibrio y para predecir la distribución de especies químicas en reacción que alcanzan el estado de equilibrio.La cinética predice la rapidez con la cual un compuesto químico reacciona. Datos sobre rapidez de reacción son necesarios para el diseño de reactores químicos industriales.
U.F.P. ADMINISTRADORES INDUSTRIALES 24
III.
OPERACIONES UNITARIAS Y PROCESOS UNITARIOS
(REACTORES QUÍMICOS)
Los procesos químicos pueden ser descompuestos en una serie de pasos individuales, cada uno de los cualesincluye cambios físicos o solamentecambios químicos.
Los cambios químicos son las reacciones químicas y se llevan a cabo diversos tipos de reactores químicos industriales. Tales reactores pueden ser pequeños contenedores con agitadores o cientos de pies de tubo. El cálculo del tamaño de un reactor se hará con la información cinética y termodinámica, así como los requerimientos de flujos y otros factores físicos que influyen en el desplazamiento del fluido y en su mezclado.
3.1. TRANSFERENCIA DE CALOR
Para optimizar los procesos, varias reacciones químicasrequieren de altas temperaturas, la operación unitaria Transferencia de Calor (Tratamiento Térmico)ayuda a diseñar el sistema más apropiado.
De igual manera, muchas reacciones químicas por ser excesivamente exotérmicas requieren de un enfriamiento para evitar que la reacción derive en otros productos que contaminen o disminuyan la cantidad del producto deseado, o bien, para controlar la calidad misma del producto deseado. Nuevamente,la Transferencia Térmica provee de la metodología de análisis para cuantificar el sistema de enfriamiento requerido.
Muchos procesos involucran vaporización o condensación de corrientes de procesos, pero ¿Qué equipo se requiere para este intercambio de energía térmica?
U.F.P. ADMINISTRADORES INDUSTRIALES 25 En el estudio y reconocimiento de la operación unitaria Transferencia de Calor, se ha establecido procedimientos para seleccionar intercambiadores de calor, condensadores, evaporadores, etc. y para cuantificar sus dimensiones físicas requeridas para un proceso específico.
3.2. FLUJO DE FLUIDOS
Las exigencias para lograr la alta producción han llevado a transformar los procesos que se realizaban por lotes en procesos continuos, donde permanentemente están siendo alimentados con materia prima y en simultáneo están descargando productos.
Fue necesario comprender los principios de procesos que rigen el desplazamiento de un fluido (líquido o gas) en un ducto, así como los equipos requeridos para que el fluido se desplace. Actualmente, el cálculo de bombas, compresores, turbinas, ventiladores, etc. es tan sistemático que la operación flujo de fluidos puede ser comprendida con una gran profundidad incluyendo los principios de fenómenos de transporte que están presentes.
Instrumentación y Control.En todo proceso químico es necesario disponer de información instantánea sobre flujos, composiciones, presiones y temperaturas (T°s) en las distintas corrientes del proceso o en ramas que, por su interacción,
son cruciales en el desarrollo de este, de tal manera que el operador o el Ingeniero de Producción puedan describir cómo está funcionando el proceso, si en determinado momento el funcionamiento es correcto, o cuando existen problemas de fallas detectar en dónde se encuentran localizadas.
Existen instrumentos, que con base en la tecnología actual, dan respuestas instantáneas sobre el comportamiento de estas variables. Actualmente la electrónica y la computación juegan un papel preponderante en la detección y registro de variables de procesos.
U.F.P. ADMINISTRADORES INDUSTRIALES 26 En la actualidad, todo el funcionamiento de plantas puede llevarse a cabo utilizando computadores que registran valores de variables y en caso sea necesario corrigen el valor, permitiendo que la operación de la planta sea automática y con poca interacción humana.
Económicos.No importa que tan eficientemente se lleve a cabo un proceso para producir un producto final con alta pureza, el proceso fallará si no se puede vender el producto con cierta utilidad económica.
Antes de que una planta química sea construida deben realizarse estudios de mercado para obtener información acerca de la demanda del producto y a qué precio podría ser vendido.
La presencia de competidores actuales o potenciales debe ser evaluada, ya que implicaun riesgo que una vez construida o funcionando la planta la competencia disminuya el volumen de ventas y en consecuencia el producto deje de ser atractivo económicamente.
BALANCE DE MATERIA:
Un carbón cuyo análisis elemental en base seca arroja un 84% de C, un 5% de H y un 2% de S (entre otros elementos) se quema con un 20% de exceso de aire. El carbón tiene un 12% de humedad.
- ¿Qué cantidad de SO2 se emitiría, como máximo, a la atmósfera si se
queman 10 t/h del mismo?
- ¿Cuál sería la concentración máxima de SO2 en los gases de salida
expresada en mg SO2/m3 de gases en condiciones normales?
Respuestas: 352 kg SO2/h y 3.607 mg SO2/m3(c.n)
BALANCE DE ENERGÍA:
Una autoclave contiene 1000 latas de sopa de guisantes Se calienta a 100ºC. Si las latas se enfrían a 40 ºC antes de salir de la autoclave, ¿qué cantidad de agua de refrigeración es necesario si ésta entra a 15 y sale a 35 ºC?
U.F.P. ADMINISTRADORES INDUSTRIALES 27 Los calores específicos (Ce) de la sopa de guisantes y la lata de metal son,respectivamente, 4,1 KJ/KgºC y 0,50 KJ/KgºC. El peso de cada lata es 60 g. y contiene 0,45 kg de sopa de guisantes. Suponerque el contenido de calor de las paredes del autoclave por encima de 40 ºC es de 1,6 x 104KJ y que no hay pérdida de calor a través de las paredes.
Sea W = el peso de agua de refrigeración necesaria, y la temperatura (T°) de referencia de 40 ºC, la T° de las latas de salir de la autoclave.
Calor que entra en las latas = peso de las latas x Ce x diferencia de Ts°
= 1000 x 0.06 x 0.50 x (100-40) KJ = 1.8 x 10 = 1,8 x 10 3KJ Balance de Energía:
Calor en el contenido de la sopa de guisantes = pesox Ce x Dif.T°s
= 1000 x 0.45 x 4.1 x (100 - 40) = 1.1 x 105 Kj
Calor en el agua = peso de agua x calor específico x Dif. de T° = W x 4.186 x (15-40)= -104.6 w kJ. W = -104,6 kj. Calor que sale: Calor en las latas = 1000 x 0,06 x 0,50 x (40-40)
(latas salientes a la T° dada) = 0
Calor en el contenido = 1000 x 0,45 x 4,1 x (40-40) = 0 Calor en el agua = W x 4,186 x (35-40) = -20,9 w
Energía térmica BALANCE del proceso de enfriamiento, 40ºC Calor que entra (kJ) Calor que sale (kJ) Calor en las latas 1800 Calor en las latas 0 Calor en el contenido 110000 Calor en el contenido 0 Calor en pared autoclave 16000 Calor en pared autoclave 0 Calor en el agua -104.6 W Calor en el agua -20.9 W
Sumando cada columna se tiene:
127.800 – 104.6 W -20.9 W
Total de entrada de calor = calor total que sale 127800 – 104.6 W = -20.9 W
W = 1527 kg
U.F.P. ADMINISTRADORES INDUSTRIALES 28 Problemas propuestos:
1. Una autoclave contiene 500 latas de conservas de frutas. Se calientan a una T° global de 100ºC. Si las latas se enfrían a 38 ºC antes de salir de la autoclave, qué cantidad de agua de refrigeración es necesario si esta entra a 12 ºC y sale a 34ºC? El Ce de la fruta y la lata de metal es, respectivamente, 4,2 KJ/KgºC y 0,50 KJ/Kg ºC. El peso de cada lata es 70 g. y contiene 0,45 kg de fruta. Suponer que el contenido de calor de las paredes del autoclave está por encima de 40 ºC es 1,6 x 104KJ y que no hay pérdida de calor a través de las mismas.
Sea w = el peso de agua de refrigeración necesaria, y la T° de referencia de 40 ºC, la T° de las latas de salir de la autoclave.= ?
2. Marcar las respuestas, de acuerdo al siguiente gráfico: P a
d b c
V
. En la expansión adiabática b c, el W es:
a) > 0 b) <0 c) = 0 d) No se sabe, depende e) N.A. Comprensión Isotérmica c d, el W es:
a) >0 b) <0 c) = 0 d) No se sabe, depende e) N.A.
3. Hacer una ecuación para calcular el W en la pregunta 2.1 (expansión adiabática).
4. Hacer una ecuación para calcular el Calor en el caso de la pregunta 2.2 (Comprensión Isotérmica).
5. Si se bebe café en una taza de aluminio, donde la taza es de 0,12 Kg y se encuentra a 20 ºC, cuando se vierte en ella 0,30 kg de café que inicialmente estaba a 70 ºC. A qué temperatura alcanza la taza y el café el equilibrio térmico?.Considerar el Ce del café igual al del agua (4190 J/Kg ºK) y el Ce del aluminio de 910 J/Kg ºK.
6. Un motor se mezcla de aire y gasolina y se comprime en los cilindros antes de encenderse, si dicho motor tiene una relación de compresión de 9
U.F.P. ADMINISTRADORES INDUSTRIALES 29 a 1, lo cual implica que el gas en los cilindros se comprime a 1/9 de su volumen original, la presión inicial es de 1 atm y la temperatura inicial de 27 ºC, la presión de la compresión es de 21,7 atm, ¿Cuál es la temperatura del gas comprimido?
7. Calcular la cantidad de calor necesario para pasar 2,5 Kg de hielo a – 20 ºC a vapor a 110 ºC considerando que el calor específico del hielo es de 0, 5, del agua líquida 1 y del vapor de agua es de 0,482.
8. Hacer un diagrama de flujo de procesos para la fabricación de embutidos. 9. Hacer un diagrama de flujo de procesos para la fabricación de conservas
de fruta.
10. En el siguiente gráfico encontrar el rendimiento de M.P. aP.T.
Colado y Envasado 3 000 kg Transporte al Almacén 30 kg 800 kg 12 000kg Recepción e Inspección Lavado y descascarado Cortado Mezclado Inspección Almacenado
U.F.P. ADMINISTRADORES INDUSTRIALES 30 11. En el proceso siguiente calcular la T° final.
T1 = 20 ºC T2 = X
P1 = 8 Atm P2 = 12 Atm
V1 = 10 L V2 = 7 L
12. En un proceso Isocórico calcular la presión final si:
P1=12 Atm T1 = 23 ºC T2 = 40 ºC
13. Calcular el volumen que ocupa el 300 g de CO2 a 28 Atm y 38 ºC.
14. Al colocar una sustancia en un recipiente de aluminio, el cual pesa 120 Kg y se encuentra a 20 ºC. Cuando se vierte en él 30 Kg de la sustancia que inicialmente estaba a 70 ºC ¿ En qué temperatura final alcanza el recipiente y la sustancia (líquida) el equilibrio térmico?- Considere el calor específico de la sustancia igual al del agua, es decir 4190 J / Kg ºK
Factores de conversión de calor, energía ytrabajo.
ft lbf kWh hp hr Btu caloria Joule
0.7376 2.773 e-7 3.725 e-7 9.484 e-4 0.2390 1 7.233 2.724 e-6 3.653 e-6 9.296 e-3 2.3438 9.80665
1 3.766 e-7 5.0505 e-7 1.285 e-3 0.3241 1.356 2.655 e6 1 1.341 3.4128 e3 8.6057 e5 3.6 e6
1.98 e6 0.7455 1 2.545 e3 6.4162 e5 2.6845 e6 74.73 2.815 e-5 3.774 e-5 9.604 e-2 24.218 1.0133 e2 3.086 e3 1.162 e-3 1.558 e-3 3.9657 1000 4.184 e3 7.7816 e2 2.930 e-4 3.930 e-4 1 2.52 e2 1.055 e3 3.086 1.162 e-6 1.558 e-6 3.97 e-3 1 4.184
U.F.P. ADMINISTRADORES INDUSTRIALES 31
IV. CLASIFICACIÓN DE LAS INDUSTRIAS
DE ACUERDO A LA CADENA DE PRODUCCIÓN
Industrias primarias. Son aquellas que utilizan como materia prima los productos de la naturaleza, los cuales son procesados obteniendo el o los productos finales, como por ejemplo en la industria primaria puede ser el desmotado del algodón, el cual es seguido por el hilado del mismo, por su tejido, teñido y tratamiento de acabados y finalmente la confección de piezas de ropa; la industria del desmotado es primaria, las demás excepto la de confección son secundarias.
Industrias terciarias. Son las que producen los productos que van a ser empleados por el hombre, han utilizado como materia prima los productos finales de las industrias secundarias, por ejemplo la confección de ropa, es una industria terciaria, ya que utiliza la tela, la cual es un producto final de una industria secundaria.
POR SU RÉGIMEN DE TRABAJO
Pueden ser clasificadas como discontinuas o continuas. Las primeras realizan sus operaciones en un mismo lugar y son variables las condiciones de temperatura, presión entre otras, mientras que las industrias con operaciones continuas fluyen continuamente y en cada lugar las operaciones son aproximadamente constantes.
Las carpinterías son un ejemplo de producción discontinua, otro ejemplo es la fabricación de barnices, ya que en cada recipiente las condiciones son diferentes, van cambiando su temperatura y su composición.
Ejemplos de producción continua son la fabricación de harina de pescado, donde se cocina el pescado, luego se prensa y se coloca en un secador a
U.F.P. ADMINISTRADORES INDUSTRIALES 32 fuego directo o indirecto, el cual evapora el agua quitando la humedad al producto. En cada una de estas etapas, las condiciones son aproximadamente similares, las temperaturas y composición son parecidas, por lo cual es un proceso continuo. Otro ejemplo de producción continua es la fabricación de conservas de fruta o conservas de pescado.
Otro aspecto que se debe indicar es que en la producción discontinua es posible interrumpir la producción de acuerdo a las necesidades; sin embargo, en la producción continua no es conveniente una interrupción, ya que requiere un nuevo arranque de las maquinarias y volver a poner todo el equipo a las condiciones especificadas, lo cual es muy trabajoso.
POR LA INTENSIDAD DE INVERSIÓN
Hay industrias que requieren una baja inversión, a lo que se denomina pequeña industria, otras requieren una mayor inversión por cada puesto de trabajo, aproximadamente 20 000 a 100 000 dólares, siendo una inversión total en caso de tener 20 puestos de trabajo de $ 400 000 a $ 2`000, 000, aéstas se les denomina de mediana inversión. Finalmente aquellas que necesitan una mayor inversión que las anteriores, se les llama Gran industria, las cuales también se caracterizan por tener una gran cantidad de puestos de trabajo tanto directo como indirecto, por ejemplo las industrias de producción de acero, de la cual depende una gran cantidad de industrias como la construcción mecánica, la elaboración de perfiles de acero, la producción de alambres y resortes, las láminas de acero, las planchas de hierro galvanizado, la hojalata, etc.
POR LAS PRINCIPALES TRANSFORMACIONES QUE REALIZA
Se dividen en Industrias de transformaciones físicas y químicas.Las primeras realizan cambios físicos ensusmateriasprimas, por ejemplo la construcción de estructuras metálicas diversas, la industria de confección de ropa, etc., es decir
U.F.P. ADMINISTRADORES INDUSTRIALES 33 realizan cortes, soldaduras, perforaciones, entre otros; por lo tanto no cambian la estructura o el nivel molecular.
Aquellas industrias que cambian la estructura química de las materias primas son de transformación química, por ejemplo la fabricación de materiales plásticos, la fabricación de glucosa, almidón, la industria panificadora, sulfatos, etc.
POR LA MATERIA PRIMA QUE EMPLEA Industrias del reino vegetal
Industrias alimenticias: alimentos envasados.
Agroindustrias: espárragos, conservas de fruta, conservación de productos vegetales, refrigerados o congelados, industrias textiles, algodón y sus derivados.
Industrias del reino animal
Industria cárnica (embutidos y cortes de carne), industria pesquera, industria del cuero, industria láctea, Industrias textiles – lanas, etc.
Industrias del reino mineral
Industrias del carbón, productosquímicos, industria metalúrgica extractiva, industria del petróleo–refinación–petroquímica, etc.
U.F.P. ADMINISTRADORES INDUSTRIALES 34
V. INDUSTRIA PLÁSTICA
Los plásticos se encuentran entre los materiales industriales de mayor crecimiento en la industria moderna. La amplia variedad y sus propiedades los hacen los más adaptables de todos los materiales en términos de aplicación. La molécula básica del plástico (polímero) se basa en el carbono. Las materias primas para la producción de plásticos son los gases de petróleo y del carbón. La resina básica se produce por la reacción química de monómeros para formar moléculas de cadena larga llamada polímeros.
A este proceso se le denomina Polimerización, el cual se efectúa por dos métodos: Polimerización por adición, en la cual dos o más monómeros similares tienen reacción directa para formar moléculas de cadena larga y Polimerización por condensación, en donde reaccionan dos o más monómeros diferentes para formar moléculas largas y agua como subproducto.
El monómero de un plástico es una molécula única de un hidrocarburo, por ejemplo, una molécula del etileno, (C2H4).Los polímeros son moléculas de
cadenas largas, formada por muchos monómeros unidos entre sí. El polímero comercial más conocido es el Polietileno –(C2H4)n, siendo n de 100 a 1000
aproximadamente. Muchos plásticos importantes, entre ellos el polietileno, son sólo compuestos de carbono e hidrógeno, otros contienen oxígeno como los acrílicos, nitrógeno como las amidas (nylon), silicio como las siliconas, etc.
Existen polímeros naturales de gran significación comercial como el algodón, formado por fibras de celulosas. La celulosa se encuentra en la madera y en los tallos de muchas plantas, y se emplean para hacer telas y papel. La seda es otro polímero natural muy apreciado y es una poliamida semejante al nylon. La lana, proteína del pelo de las ovejas, es otro ejemplo. El hule de los árboles de hevea y de los arbustos de Guayule, son también polímeros naturales importantes. Sin embargo, la mayor parte de los polímeros que usamos en
U.F.P. ADMINISTRADORES INDUSTRIALES 35 nuestra vida diaria son materiales sintéticos con propiedades y aplicaciones variadas.
5.1. PROPIEDADES DE LOS PLÁSTICOS
Es importante entender las propiedades características de los plásticos, entre los cuales se encuentran el alto peso molecular, la baja densidad, alta resistencia a la corrosión y baja conductividad térmica y eléctrica, todo al contrario de los materiales metálicos, es por ello que su aplicación en la industria moderna es cada día más creciente. Las características antes mencionadas hacen posible su amplia aplicación y uso de tipo industrial, tal es así que en la actualidad existen plásticos con elevada resistencia al calor y a la tracción, con valores próximos a los aceros.
Los plásticos, bajo carga, tienen un comportamiento diferente al de cualquier otro material industrial, la razón es que en forma especial los termoplásticos tienen un comportamiento viscoelástico, es decir tienen una reacción viscosa y elástica, al contrario de los metales que tiene una reacción ante las cargas de una falla por deformación. Esta deformación viscoelástica se debe, en forma principal, a la estructura molecular de cadena larga. Cuando las cadenas largas están bajo cargas, se mueven una a lo largo de la otra y la cantidad de movimiento se debe al tipo de enlace. Los plásticos con enlaces débiles se deforman con más facilidad que los que tienen enlaces fuertes.
U.F.P. ADMINISTRADORES INDUSTRIALES 36 5.2. PROCESAMIENTO DE LOS PLÁSTICOS
En la industria de los plásticos, participan los manufactureros de las resinas básicas, a partir de productos químicos básicos provenientes del petróleo y de sus gases y que suelen producir la materia prima en forma de polvo, gránulos, escamas, líquidos o en forma estándar como láminas, películas, barras, tubos y formas estructurales y laminados, participan también los procesadores de plásticos que conforman y moldean las resinas básicas en productos terminados.
En la conformación y moldeo de las resinas se utilizan también diversos componentes químicos o no, que le proporcionan al producto terminado ciertas características especiales, dentro de ellos se tienen:
Las cargas, que sirven de relleno, dar resistencia, dar rigidez al moldeado o bajar los costos de producción, dentro de ellos tenemos el aserrín, tejidos de algodón, limaduras de hierro, fibra de vidrio, etc.
Colorantes, para proporcionar color al producto terminado, son de origen mineral como los óxidos, se proporcionan en forma de polvos y en forma de resinas de óleo.
Aditivos como los endurecedores para las resinas líquidas, espumantes y desmoldantes para el moldeado.
Una de las más amplias ramas de la industria de los plásticos comprende las compañías que producen a partir de películas y láminas artículos como cortinas, impermeables, artículos inflables, tapicería, equipajes, en general artículos de: tocador, cocina, etc. Para la producción de todos estos artículos se hace necesario también la participación de un diseñador y un estampador para el acabado final. Los métodos de moldeo y conformados más comunes son el moldeado por prensa, por inyección prensada, por inyección, moldeado por soplado de cuerpos huecos, termoformado, calandrado, refuerzo, recubrimientos, como pintura dura, maquinado, unión y colado en moldes.
U.F.P. ADMINISTRADORES INDUSTRIALES 37 5.2.1. PROCESOS DE TECNOLOGÍA MECÁNICA
Moldeo.El moldeo por inyección es un proceso con el que se calienta un polímero hasta que alcanza un estado muy plástico y se le fuerza a que fluya a alta presión hacia la cavidad de un molde donde se solidifica; la pieza moldeada, denominada moldeo, se retira de la cavidad. El ciclo de producción normalmente dura de 10 a 30”. Cada ciclo puede producir molduras múltiples dependiendo de la cantidad de cavidades del molde.El tamaño de la pieza varía de 50 g hasta 25 kg.El moldeo por inyección es el que más se usa en termoplásticos, algunos termofijos y elastómeros se moldean por inyección. Proceso y equipo de moldeo.El equipo consta de dos componentes principales: Unidad de inyección de plástico.Es muy parecida a un extrusor, consta de un barril que se alimenta de una tolva que contiene pellets de plástico, dentro del barril hay un tornillo que además de girar para mezclar al polímero, también actúa como martinete que se mueve con rapidez hacia delante para inyectar plástico fundido al molde, una válvula impide que el fundido fluya, posteriormente el martinete vuelve a su posición original.
Unidad de sujeción.Mantiene alineadas las dos unidades del molde, abre y cierra el molde y lo mantiene cerrado durante la inyección.
Molde. Es la herramienta especial en el moldeo por inyección, está diseñado sobre medida y se fabrica para la pieza que se ha de producir.Tipos de molde para inyección:
− Molde de dos placas: Tiene una o varias cavidades.
− Molde de tres placas: permite una distribución más pareja de fundido en los lados de la taza.
Máquinas de moldeo por inyección: − Máquina de tornillo reciprocante.
− Máquina preplastificadora de tornillo o máquina de dos etapas. − De Sujeción de palanca
La siguiente figura muestra el diagrama de una máquina de moldeo por inyección, del tipo tornillo recíproco.
U.F.P. ADMINISTRADORES INDUSTRIALES 38 5.2.2. MOLDEO POR INYECCIÓN.Un émbolo o pistón de inyección se mueve rápidamente hacia adelante y hacia atrás para empujar el plástico ablandado por el calor a través del espacio existente entre las paredes del cilindro y una pieza recalentada y situada en el centro de aquél. Esta pieza central se emplea, dada la pequeña conductividad térmica de los plásticos, de forma que la superficie de calefacción del cilindro es grande y el espesor de la capa plástica calentada es pequeña. Bajo la acción combinada del calor y la presión
U.F.P. ADMINISTRADORES INDUSTRIALES 39 ejercida por el pistón de inyección, el polímero es lo bastante fluido como para llegar al molde frío donde toma forma la pieza en cuestión. El polímero estará lo suficiente fluido como para llenar el molde frío. Pasado un tiempo breve dentro del molde cerrado, el plástico solidifica, el molde se abre y la pieza es removida. El ritmo de producción es muy rápido, de escasos segundos.
5.2.3. MOLDEO POR EXTRUSIÓN.En éste se utiliza un transportador de tornillo helicoidal. El polímero es transportado desde la tolva, a través de la cámara de calentamiento, hasta la boca de descarga, en una corriente continua. A partir de gránulos sólidos, el polímero emerge de la matriz de extrusión en un estado blando. Como la abertura de la boca de la matriz tiene la forma del producto que se desea obtener, el proceso es continuo. Posteriormente se corta en la medida adecuada.
U.F.P. ADMINISTRADORES INDUSTRIALES 40 Extrusión de film tubular. En este proceso se funde polietileno de baja densidad. El fundido es extruido a través de una matriz anular. Se introduce aire inflando el tubo del polímero extruido para formar una burbuja del diámetro requerido, la que es enfriada por una corriente de aire. El film es arrastrado por un par de rodillos que aplastan la burbuja manteniendo así el aire empleado para inflar la burbuja dentro de ella.
5.2.4. MOLDEO POR INSUFLACIÓN DE AIRE. Es un proceso usado para hacer formas huecas (botellas y recipientes). Un cilindro plástico de paredes delgadas es extruido y luego cortado en el largo que se desea. Luego el cilindro se coloca en un molde que se cierra sobre el polímero ablandado y le suprime su parte inferior cortándola. Una corriente de aire o vapor es insuflado por el otro extremo y expande el material hasta llenar la cavidad. El molde es enfriado para el fraguado.
5.2.5. MOLDEO POR VACÍO. Mediante este proceso se comprime una chapa de resina termoplástica ablandada por el calor contra un molde frío. La chapa toma y conserva la forma del molde. Este método se emplea para revestimientos interiores (puertas de heladeras, gabinetes, etc.).
5.2.6. CALANDRADO. El proceso se emplea para la fabricación de chapas y películas plásticas. Consiste en pasar un polímero convertido en una masa blanda entre una serie de rodillos calentados. A medida que el polímero pasa a través de los rodillos se forma un producto uniforme. El último par de rodillos se ajustan para dar el espesor deseado. El sistema de rodillos de enfriamiento da a las chapas o películas su estructura molecular permanente.
U.F.P. ADMINISTRADORES INDUSTRIALES 41 5.3. ARTÍCULOS TERMORRÍGIDOS
5.3.1. MOLDEO POR COMPRESIÓN.Se emplean polímeros termorrígidos. Una vez comenzado el calentamiento, un plástico termorrígido continúa endureciéndose. En el moldeado por compresión, el material se coloca en el molde abierto. Un taco calentado aplica suficiente calor y presión para ablandar el polímero termorrígido y llenar la cavidad del molde. La temperatura del taco y de la cavidad del molde puede ser de hasta 149 ºC y la presión de las cadenas del polímero se entrecruzan rápidamente y el plástico se endurece tomando su forma permanente, pudiendo ser retirado del molde.
5.3.2. MODELADO DE LAMINADOS. El modelado para chapas se utiliza para los laminados empleándose telas u otros materiales impregnados. El material se baña en resina, se calienta y se hace entrar a presión en el molde. Mantenidos en posición bajo la acción del calor y la presión, los materiales se funden formando una densa y sólida masa en forma de lámina.
5.3.3. PROCESO DE FUNDICIÓN. En este proceso no se requiere calor ni presión.El plástico fluido se vierte en un molde, o el polímero sólido que puede ser licuado mediante solventes o catalizadores.En la fundición, el polímero se coloca en un molde y se solidifica por una reacción química llamada Vulcanización. Si el plástico se solidifica por el añadido de ciertos catalizadores, se dice que está vulcanizado.El equipo y los moldes necesarios para el proceso son de bajo costo.
Proceso de Lecho fluidificado. Luego tenemos un interesante proceso, particularmente útil para cubrir una gran variedad de artículos con una capa o envoltura de plástico de grosor bastante uniforme. La pieza metálica a cubrir se
U.F.P. ADMINISTRADORES INDUSTRIALES 42 calienta en un horno a temperatura superior al punto de fusión del polímero que se va a aplicar. Una vez calentada, se sumerge de inmediato en un recipiente lleno de partículas de polímero en polvo que se tornan "fluidas" mediante el aire introducido por un soplete o fuelle desde la parte inferior del recipiente.
Como la temperatura del metal es superior al punto de fusión del plástico, enseguida empieza a formarse una capa sobre el metal caliente. El grosor está determinado por el tiempo durante el cual la parte metálica queda sumergida en la masa esponjosa de polvo. Cuando se ha obtenido el espesor que se desea, la pieza se retira y luego se pasa por un horno para la fusión final del polímero.
El secreto de obtener una buena capa fluidificada es el chorro de aire a baja presión dirigido hacia arriba a través del polímero pulverizado para conservar al material en estado esponjoso. Con la debida presión de aire, la masa se com-porta como un líquido, facilitando la inmersión del metal calentado en el lecho fluidificado y obteniendo así una capa uniforme.
Muchos tipos de objetos metálicos reciben capas de plástico uniformes y completas sumergiéndolas a temperaturas superiores al punto de fusión del plástico. Artículos como canastos de alambre para lavaplatos, carritos para hacer compras, complejas chapas metálicas estampadas, quedan totalmente cubiertas y embellecidas por el proceso de lecho fluidificado. La capa obtenida queda libre de gotas o imperfecciones similares y rincones no cubiertos, como sucede comúnmente cuando se pintan.
Al enfriarse, las partes inyectadas se contraen, siendo su volumen menor que el de la cavidad. Los parámetros más importantes para un proceso de inyección son los siguientes.
U.F.P. ADMINISTRADORES INDUSTRIALES 43
5.3.4.
CICLO DE MOLDEO. En el ciclo de moldeo se distinguen 6 pasos principales:- Molde cerrado y vacío. La unidad de inyección carga material y se llena de polímero fundido.
- Se inyecta el polímero abriéndose la válvula y, con el husillo que actúa como un pistón, se hace pasar el material a través de la boquilla hacia las cavidades del molde.
- La presión se mantiene constante para lograr que la pieza tenga las dimensiones adecuadas, pues al enfriarse tiende a contraerse.
- La presión se elimina. La válvula se cierra y el husillo gira para cargar material; al girar también retrocede.
- La pieza en el molde termina de enfriarse (este tiempo es el más caro pues es largo e interrumpe el proceso continuo), la prensa libera la presión y el molde se abre; las barras expulsan la parte moldeada fuera de la cavidad. - La unidad de cierre vuelve a cerrar el molde y el ciclo puede reiniciarse
5.3.5. MOLDEADO POR PRENSA.Es el método más usado para producciones unitarias y pequeñas series. Este procedimiento es indicado para moldear resinas denominadas duraplásticas, que se obtienen en forma de polvo o granulado, para lo cual el molde previamente elaborado según la pieza a conformar, por lo general en macho y hembra, se calienta, se le aplica el desmoldante y se deposita en ella la cantidad precisa de resina.
Luego de cerrar el molde la resina se distribuye en su interior, se aplica calor y presión a valores de 140-170 ºC y 100 Bar o más. El calor y la presión conforman el plástico en toda su extensión. Con la finalidad de endurecer la resina a moldear (polimerizar o curar), se procede a enfriar el molde y se extrae la pieza. La polimerización o curado es un cambio químico permanente, dentro de la forma del molde. Para obtener el calor necesario se recurre a diversos procedimientos como resistencias eléctricas, luz infrarroja o microondas, la
U.F.P. ADMINISTRADORES INDUSTRIALES 44 presión que se aplica se obtiene por medio de prensas mecánicas o hidráulicas. El tiempo que se suministra el calor y la presión al molde cerrado, está en función del diseño de la pieza y de la composición de la resina. El procedimiento se aplica para producir piezas simples y de revolución como tazas, platos, cajas de radio, llaves de luz, tubos etc.
5.3.6. MOLDEADO POR PRENSADO EN INYECCIÓN.Al igual al método anterior, también se le utiliza para el moldeo de resinas duroplásticas y en algunos casos las termoplásticas. La diferencia entre el moldeado por prensa y el de transferencia es que el calor y la presión necesaria para la polimerización (para fundir) de la resina se realiza en una cámara de caldeo y compresión, en ella previamente calentada se aplica el desmoldante y una determinada cantidad de resina en forma de polvo o en forma granulada. Cuando la resina se hace plástica, se transfiere al molde propiamente dicho mediante un émbolo en la cámara de caldeo. Por medio de bebederos o canales de transferencia, después de curado el plástico se abre el molde y se extrae la pieza.
El moldeado por transferencia fue desarrollado para facilitar el moldeo de productos complicados con pequeños agujeros profundos o numerosos insertos metálicos. En el moldeado por prensado, la masa seca varía la posición de los insertos y pasadores metálicos que forman los agujeros, en el moldeado por transferencia por el contrario, la masa plástica licuada fluye alrededor de estas partes metálicas, sin cambiarle la posición.
U.F.P. ADMINISTRADORES INDUSTRIALES 45 5.4. INYECCIÓN
Es el principal método de la industria moderna en la producción de piezas plásticas, la producción es en serie, principalmente se moldean termoplásticos y para el moldeo de los duroplásticos se tienen que realizar modificaciones. El material plástico en forma de polvo o en forma granulada, se deposita para varias operaciones en una tolva, que alimenta una cilindro de caldeo, mediante la rotación de un husillo o tornillo sin fin, se transporta el plástico desde la salida de la tolva, hasta la tobera de inyección, por efecto de la fricción y del calor la resina se va fundiendo hasta llegar al estado líquido, el husillo también tiene aparte del movimiento de rotación un movimiento axial para darle a la masa líquida la presión necesaria para llenar el molde, actuando de ésta manera como un émbolo.
Una vez que el molde se ha llenado, el tornillo sin fin sigue presionando la masa líquida dentro del molde y éste es refrigerado por medio de aire o por agua a presión hasta que la pieza se solidifica. Las máquinas para este trabajo se denominan inyectoras de husillo impulsor o de tornillo sin fin, también se le denomina extrusora en forma genérica.
U.F.P. ADMINISTRADORES INDUSTRIALES 46 En el gráfico superior se tiene un corte transversal de un inyector de plásticos, en este se observa:
1.- Tolva.
2.- Motor Hidráulico. 3.-Husillo sin fin.
4.- Sistema de calefacción del husillo. 5.- Molde
Una de las fórmulas más empleadas en el moldeo para calcular la dimensión del molde:
Dm = Dp + DpS + Dp S2 Donde:
Dm = Dimensión del molde
Dp = Dimensión de la pieza a modear S = Valor de contracción
Plástico
Valores de Contracción (S) para moldes de termoplásticos
Valor S ABS 0,006 Nylon 6,6 0,020 Policarbonato 0,007 Poliestireno 0,004 PVC 0,005
U.F.P. ADMINISTRADORES INDUSTRIALES 47
VI. PROCESOS CON ARRANQUE DE MATERIAL
6.1.
MECANIZADO
Debido a la facilidad que tiene el acero para oxidarse cuando entra en contacto con la atmósfera o con el agua, es necesario y conveniente proteger la superficie de los componentes de acero para protegerles de la oxidación y corrosión. Muchos tratamientos superficiales están muy relacionados con aspectos embellecedores y decorativos de los metales.
6.1.1. MECANIZADO CON MÁQUINA HERRAMIENTA.El mecanizado se hace mediante una máquina herramienta, manual, semiautomática o automática, pero el esfuerzo de mecanizado es realizado por un equipo mecánico, con los motores y mecanismos necesarios. Las máquinas herramientas de mecanizado clásicas son:
Taladro.La pieza es fijada sobre la mesa del taladro, la herramienta, llamada broca, realiza el movimiento de corte giratorio y de avance lineal, realizando el
U.F.P. ADMINISTRADORES INDUSTRIALES 48 mecanizado de un agujero o taladro teóricamente del mismo diámetro que la broca y de la profundidad deseada.
Limadora.Realiza el mecanizado con una cuchilla montada sobre el porta herramientas del carnero, que realiza un movimiento lineal de corte, sobre una pieza fijada la mesa, que tiene el movimiento de avance perpendicular al movimiento de corte.
Mortajadora.Arranca material linealmente del interior de un agujero. El movimiento de corte lo efectúa la herramienta y el de avance la mesa donde se monta la pieza a mecanizar.
Cepilladora.De mayor tamaño que la limadora, tiene una mesa deslizante sobre la que se fija la pieza y que realiza el movimiento de corte deslizándose longitudinalmente, la cuchilla montada sobre un puente sobre la mesa se desplaza transversalmente en el movimiento de avance.
Brochadora.El movimiento de corte lo realiza una herramientabrocha de múltiples filos progresivos que van arrancando material de la pieza con un movimiento lineal.
Torno.Es la máquina herramienta de mecanizado más usada y difundida, la pieza se fija en el plato del torno, que realiza el movimiento de corte girando sobre su eje, la cuchilla realiza el movimiento de avance eliminando el material en los sitios precisos.
Fresadora.El movimiento de corte lo tiene la herramienta que se denomina fresa, girando sobre su eje, el movimiento de avance lo tiene la pieza, fijada sobre la mesa de la fresadora que realiza este desplazamiento.
Los procesos de manufactura varían de acuerdo a las exigencias del diseño y la funcionalidad de las piezas: procesos con arranque de material, procesos sin
U.F.P. ADMINISTRADORES INDUSTRIALES 49 arranque de material, tratamientos térmicos, recubrimientos o revestimientos y procesos de fabricación, o acabado superficial, especiales.
- Procesos con arranque de material, se caracterizan porque utilizan una herramienta afilada para quitar material de una pieza base, en esta categoría se tienen:
Fresado: Arranque de viruta mediante la acción de una herramienta con dientes de filos cortantes, denominada fresa, que gira alrededor de su eje, pudiendo actual tangencial o frontalmente respecto a la superficie mecanizada.
Esquema de Fresadora.
Taladrado: Consiste en la perforación de una pieza, parcial (taladro ciego) o totalmente (taladro pasante), mediante una herramienta llamada broca. La broca gira alrededor de su eje de revolución a la vez que se desplaza en la dirección del mismo.
Aserrado: Consta de una herramienta de acero denominada sierra, dotada de un movimiento alternativo longitudinal, con la cual se consigue cortar chapas y planchas. También se puede realizar este tipo de cortes con un soplete oxiacetilénico.
Torneado: Proceso de fabricación por medio del torno, fabricación de piezas de revolución.
U.F.P. ADMINISTRADORES INDUSTRIALES 50 Esquema del torneado
6.2. PROCESOS SIN ARRANQUE DE MATERIAL
Este tipo de procesos tienen la particularidad de que moldean o forjan el material sin arrancar parte del mismo. Entre estos procedimientos de fabricación se puede destacar:
- Fundición.Consiste en rellenar un molde o modelo negativo de la pieza a fabricar con metal fundido. Una vez enfriado el metal se procede al desmoldeo para obtener la pieza deseada. Según el tipo de molde utilizado diferenciamos el moldeo en arena, moldeo en molde metálico o coquilla (fundición mediante inyección de metal fundido a presiones de 25-50 atm.), y moldeo a la cera o resina perdida.
- Forja.Es la conformación de la pieza mediante golpes o prensado, calentándola previamente para facilitar la operación. Dentro de la forja se puede diferenciar:
Forja manual o libre. Conformación de la pieza a través de mazo yyunque.
Forja en estampa. Para ello se utiliza una prensa que consta de estampa y contraestampa. La estampa o matriz, que actúa como yunque, contiene el vaciado correspondiente a la forma de la pieza, mientras la contraestampa o martillete, que actúa como mazo, golpea la estampa, prensando el material
U.F.P. ADMINISTRADORES INDUSTRIALES 51 previamente calentado para mejorar su fluidez, de forma que .este rellena el vaciado de la matriz.
- Laminado.Se emplea en la obtención de perfiles laminados de gran longitud en relación a su sección transversal. Por ejemplo, es muy utilizado en la fabricación de perfiles resistentes de construcciones agroindustriales metálicas (perfiles IPN, UPN, etc.). La laminadora es una máquina que consta de dos árboles horizontales y paralelos en los que se acoplan sendos cilindros simétricos que dejan una zona libre con la forma requerida por el perfil. Generalmente el proceso precisa de varias pasadas por diferentes trenes de laminado, de forma que se logre una transición gradual de la pieza en basto al perfil de diseño.
Esquema de maquina laminadora.
- Extrusionado.Operación consistente en obligar a pasar por un orificio de forma predeterminada a un material o metal en estado fluido.
- Tratamientos térmicos. Son operaciones de acabado superficial cuyo objetivo primordial es generalmente aumentar la dureza del material y resistencia al desgaste, facilitar su mecanizado y/o conferirle algunas propiedades específicas. Dentro de los tratamientos térmicosse tienen:
Templado.Fuerte calentamiento de una pieza de acero, seguido de un enfriamiento. La temperatura alcanzada y la rapidez del enfriamiento dependen de la calidad del acero y de la dureza perseguida.
U.F.P. ADMINISTRADORES INDUSTRIALES 52 Revenido.Tratamiento térmico posterior al templado que intenta limitar la presencia de grietas debidas al enfriamiento rápido. Suele dar una mayor tenacidad al acero. Las operaciones de templado y revenido son práctica habitual en la fabricación de herramientas de acero.
Recocido.Consiste en elevar la temperatura del hierro o del acero para continuar con un enfriamiento lento. Facilita el posterior mecanizado de la pieza.
Cementado.Operación compleja basada en un tratamiento térmico del hierro o del acero para añadirle alguna sustancia que mejore básicamente su dureza. Un ejemplo podría ser la aplicación de un cemento carburante.
Recubrimientos o revestimientos. Se emplean para proteger al material de la pieza de agentes externos agresivos, mejorando su resistencia al desgaste y corrosión. También pueden tener como objetivo la capacitación de la pieza para ciertas funciones específicas, por ejemplo la de aislamiento eléctrico. Debido a la gama de recubrimientos que existe solo serán mencionados algunos de ellos como ejemplo. Según el material con el que se recubra la superficie podemos hablar de niquelado (Ni), cromado (Cr), estañado (Sn), etc. En estos casos la operación de revestimiento consiste en un galvanizado mediante baño electrolítico. El esmaltado, cuyo objetivo fundamental es la protección y mejora de la estética de una pieza, se consigue mediante la aplicación de una capa de esmalte y su posterior vitrificación en horno.
- Procesos de fabricación especiales:
Rectificado.Operación cuyo objetivo es conseguir un excelente acabado superficial. Aunque puede realizarse con fresa o torno, el mejor grado de calidad se consigue con la herramienta denominada muela, constituida por granos de material abrasivo cementados con una substancia cerámica.
U.F.P. ADMINISTRADORES INDUSTRIALES 53 Bruñido.Su objeto es obtener una superficie con una rugosidad muy pequeña. Generalmente se emplea en el acabado de piezas de precisión, realizando el afinado mediante una muela recubierta de piel.
Rasqueteado.Es una operación realizada de forma manual con un rasquete, que sirve para alisar y mejorar la calidad de dos superficies funcionales que van a estar en contacto.
Limado.Rebaje de una superficie con una lima.
Escariado.Operación realizada con un escariador cuyo objetivo es la mejora de la calidad superficial de taladros cilíndricos.
Moleteado. Tallado sobre una parte de una pieza una serie de estrías que la hacen más rugosa. Se usa para asegurar el agarre del mango o empuñadura de una pieza o herramienta. El moleteado se consigue con una moleta, de material más duro que la pieza a grabar, que se presiona sobre la zona a moletear. La forma del moleteado puede ser recta (paralela a las generatrices del cilindro), oblicua (líneas helicoidales) o cruzada (líneas helicoidales de paso contrario).
