Ingeniería de procesos

La ingeniería de procesos es un campo de estudio enfocado en el desarrollo y la optimización de procesos industriales . Consiste en la comprensión y aplicación de los principios y leyes fundamentales de la naturaleza para permitir que los seres humanos transformen materia prima y energía en productos útiles para la sociedad, a nivel industrial . ^{[ 1 ]} Aprovechando las fuerzas impulsoras de la naturaleza, como la presión , la temperatura y los gradientes de concentración , así como la ley de conservación de la masa , los ingenieros de procesos pueden desarrollar métodos para sintetizar y purificar grandes cantidades de productos químicos deseados. ^{[ 1 ]} La ingeniería de procesos se centra en el diseño, operación, control, optimización e intensificación de procesos químicos, físicos y biológicos. Su trabajo implica analizar la composición química de diversos ingredientes y determinar cómo podrían reaccionar entre sí. Un ingeniero de procesos puede especializarse en varias áreas, incluyendo las siguientes:

• Procesamiento agrícola
• Producción de alimentos y productos lácteos
• Producción de cerveza y whisky
• Producción de cosméticos
• Producción farmacéutica
• Fabricación de productos petroquímicos
• Procesamiento de minerales
• Producción de placas de circuitos impresos

La ingeniería de procesos implica la utilización de múltiples herramientas y métodos. Dependiendo de la naturaleza exacta del sistema, los procesos deben simularse y modelarse mediante matemáticas e informática. Los procesos donde el cambio de fase y el equilibrio de fases son relevantes requieren un análisis basado en los principios y leyes de la termodinámica para cuantificar los cambios en la energía y la eficiencia. Por el contrario, los procesos que se centran en el flujo de material y energía a medida que se aproximan al equilibrio se analizan mejor utilizando las disciplinas de la mecánica de fluidos y los fenómenos de transporte. Las disciplinas dentro del campo de la mecánica deben aplicarse en presencia de fluidos o medios porosos y dispersos. También deben aplicarse los principios de la ingeniería de materiales, cuando corresponda. ^{[ 1 ]}

La fabricación en el campo de la ingeniería de procesos implica la implementación de pasos de síntesis de procesos. ^{[ 2 ]} Independientemente de las herramientas exactas requeridas, la ingeniería de procesos se formatea mediante el uso de un diagrama de flujo de proceso (PFD) donde se especifican las rutas de flujo de materiales , los equipos de almacenamiento (como tanques y silos), las transformaciones (como columnas de destilación , tanques receptores/de cabecera, mezcla, separaciones, bombeo, etc.) y los caudales , así como una lista de todas las tuberías y transportadores y su contenido, propiedades de los materiales como densidad , viscosidad , distribución del tamaño de partícula , caudales, presiones, temperaturas y materiales de construcción para las operaciones de tuberías y unidades . ^{[ 1 ]}

El diagrama de flujo del proceso se utiliza para desarrollar un diagrama de tuberías e instrumentación (P&ID) que muestra gráficamente el proceso real. Los P&ID son más complejos y específicos que un PFD. ^{[ 3 ]} Representan un enfoque menos confuso para el diseño. El P&ID se utiliza como base de diseño para desarrollar la "guía de operación del sistema" o " especificación de diseño funcional ", que describe el funcionamiento del proceso. ^{[ 4 ]} Guía el proceso a través de la operación de la maquinaria, la seguridad en el diseño, la programación y la comunicación efectiva entre los ingenieros. ^{[ 5 ]}

A partir del diagrama P&ID, se puede mostrar una disposición propuesta (disposición general) del proceso desde una vista superior ( plano de planta ) y una vista lateral (alzado). Otras disciplinas de ingeniería están involucradas, como ingenieros civiles para trabajos en el sitio (movimiento de tierras), diseño de cimentaciones, diseño de losas de concreto, acero estructural para soportar el equipo, etc. Todo el trabajo previo está dirigido a definir el alcance del proyecto, luego desarrollar una estimación de costos para instalar el diseño y un cronograma para comunicar las necesidades de tiempo para ingeniería, adquisición, fabricación, instalación, puesta en marcha, arranque y producción continua del proceso.

Dependiendo de la precisión requerida en la estimación de costos y el cronograma, generalmente se proporcionan varias iteraciones de diseño a los clientes o partes interesadas, quienes aportan sus requisitos. El ingeniero de procesos incorpora estas instrucciones adicionales (revisiones del alcance) al diseño general y se desarrollan estimaciones de costos y cronogramas adicionales para la aprobación de la financiación. Tras la aprobación de la financiación, el proyecto se ejecuta mediante la gestión de proyectos . ^{[ 6 ]}

Las actividades de ingeniería de procesos se pueden dividir en las siguientes disciplinas: ^{[ 7 ]}

• Diseño de procesos : síntesis de redes de recuperación de energía , síntesis de sistemas de destilación ( azeotrópica ), síntesis de redes de reactores, diagramas de flujo de descomposición jerárquica, optimización de superestructuras, diseño de plantas de producción por lotes multiproducto, diseño de reactores de producción para la producción de plutonio, diseño de submarinos nucleares.
• Control de procesos : control predictivo basado en modelos, medidas de controlabilidad, control robusto, control no lineal, control estadístico de procesos, monitoreo de procesos, control basado en la termodinámica , denotado por tres elementos esenciales: un conjunto de mediciones, un método para tomar mediciones y un sistema para controlar la medición deseada. ^{[ 8 ]}
• Operaciones de proceso : programación de redes de procesos, planificación y optimización multiperíodo, conciliación de datos, optimización en tiempo real, medidas de flexibilidad, diagnóstico de fallas.
• Herramientas de apoyo: simulación modular secuencial, simulación de procesos basada en ecuaciones , IA / sistemas expertos , programación no lineal a gran escala (PNL), optimización de ecuaciones diferenciales algebraicas (EDA), programación no lineal de enteros mixtos (PNLMI), ^{[ 9 ]} optimización global, optimización bajo incertidumbre, ^{[ 10 ] [ 11 ]} y despliegue de la función de calidad (QFD). ^{[ 12 ]}
• Economía de procesos: ^{[ 13 ]} Esto incluye el uso de software de simulación como ASPEN, Super-Pro para determinar el punto de equilibrio, el valor actual neto, las ventas marginales, el costo marginal y el retorno de la inversión de la planta industrial después del análisis de la transferencia de calor y masa de la planta. ^{[ 13 ]}
• Análisis de datos de procesos: Aplicación de métodos de análisis de datos y aprendizaje automático a problemas de fabricación de procesos. ^{[ 14 ] [ 15 ]}

Desde tiempos inmemoriales, se han utilizado diversas técnicas químicas en los procesos industriales. Sin embargo, no fue hasta la llegada de la termodinámica y la ley de conservación de la masa en la década de 1780 que la ingeniería de procesos se desarrolló e implementó adecuadamente como disciplina independiente. El conjunto de conocimientos que hoy se conoce como ingeniería de procesos se forjó entonces mediante ensayo y error a lo largo de la revolución industrial. ^{[ 1 ]}

El término proceso , en lo que respecta a la industria y la producción, se remonta al siglo XVIII. Durante este período, la demanda de diversos productos comenzó a aumentar drásticamente, y se requirieron ingenieros de procesos para optimizar el proceso mediante el cual se creaban estos productos. ^{[ 1 ]}

Hacia 1980, el concepto de ingeniería de procesos surgió del hecho de que las técnicas y prácticas de la ingeniería química se utilizaban en diversas industrias. Para entonces, la ingeniería de procesos se había definido como "el conjunto de conocimientos necesarios para diseñar, analizar, desarrollar, construir y operar, de manera óptima, los procesos en los que el material cambia". ^{[ 1 ]} A finales del siglo XX, la ingeniería de procesos se había expandido desde tecnologías basadas en la ingeniería química a otras aplicaciones, incluyendo la ingeniería metalúrgica , la ingeniería agrícola y la ingeniería de productos .

• Ingeniería de Procesos Avanzados en la Universidad de Cranfield (Cranfield, Reino Unido)
• Centro Sargent de Ingeniería de Sistemas de Procesos (Imperial)
• Ingeniería de Sistemas de Procesos en la Universidad de Cornell (Ithaca, Nueva York)
• Departamento de Ingeniería de Procesos de la Universidad de Stellenbosch
• Grupo de Investigación de Procesos y Modelado de Sistemas Inteligentes (PRISM) en BYU
• Ingeniería de Sistemas de Procesos en CMU
• Laboratorio de Ingeniería de Sistemas de Procesos en la RWTH Aachen
• El Laboratorio de Ingeniería de Sistemas de Procesos (MIT)
• Consultoría en ingeniería de procesos en Canadá