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Dirección de operaciones: Mejora proceso productivo de una planta de cemento
Iván Blesa, Marc Gracia, Guillermo López, Patricia Lucas, Noel
Matabosch y Francisco Sánchez
SW-02/2011
(CN 2011-BGLLMS)
Publica: Universitat Politècnica de Catalunya www.upc.edu
Edita:
Cátedra Nissan www.nissanchair.com
Departamento de Organización de Empresas
Universidad Politécnica de Cataluña
Cátedra Nissan -PROTHIUS-
Ingeniería en Organización Industrial
Trabajo 1
Dirección de Operaciones GRUPO 04
Iván Blesa Marc Gracia Guillermo López Patricia Lucas Noel Matabosch Francisco Sánchez MEJORA PROCESO
PRODUCTIVO PLANTA DE CEMENTO
DATOS DE PARTIDA
Se desea mejorar los procesos productivos destinados a la fabricación de cemento.
Datos de Partida: - Un proceso de producción de cemento se compone básicamente de las siguientes fases:
- Se estudiará únicamente el diseño del subsistema que afecta a la producción de CRUDO y CLINKER.
Moler mezcla de pizarras y caliza
para obtener
CRUDO
Hornear crudo para obtener
CLINKER
Moler mezcla de clinker, yeso, puzolana y
cenizas para obtener
CEMENTO
SERVIR A GRANEL
(cubas) o pasar a proceso de ensacado
DATOS DE PARTIDA
- El proceso de producción del CRUDO y CLINKER se compone de las siguientes fases:
PROCESO DE OBTENCIÓN DEL CLINKER
Molino de Bolas
Silo de Crudo + Distribuidor Cintas Transportadoras Depósitos de Crudo
Hornos
M SCR + D Li Si Hi
Alimenta al Silo de
Crudo
Alimentan a las Cintas Transportadoras por medio del
Distribuidor (este deriva el caudal en tiempo despreciable)
Alimenta cada una a su Depósito
*Sólo se puede alimentar a un Depósito a la vez
Alimenta cada uno a
su Horno
Se obtiene el
Clinker
M SCR
S1
S2
S3
H1
H2
H3
D L2
L1
L3
DATOS DE PARTIDA
Otros datos: – Densidad Crudo: 900 kg/m3 – Densidad Clinker: 1.300 kg/m3 – Densidad Superficial chapa de hierro aleado 16mm de espesor: 125 kg/m2 – Rendimiento másico del proceso: 0,95 kg_clinker / 1 kg_crudo – Producción continua: 1 año (12 meses), 1 mes (30 días), 1 día (24 horas): 8640 horas/
año – Mantenimiento: Una parada de horno de 1 mes cada 6 meses y una parada de molino
de 1 día cada mes – Tasas de producción en régimen normal de los hornos:
– H1: 120 Tn clinker/hora – H2: 90 Tn clinker/hora – H3: 60 Tn clinker/hora
– Coste de mantenimiento del sistema de transporte de crudo: 10 um/derivación del caudal
– Coste de mantenimiento de los depósitos Si y del Silo SCR: 1 um/m2 año
DATOS A ESCLARECER
En base a la petición del Cliente se barajan las siguientes alternativas:
- Depósitos con forma cilíndrica con diámetro de 20m y construido con chapa de hierro aleado de 16mm de espesor.
OBJETIVOS PLANTEADOS
- (1) Seleccionar un modelo de Molino y determinar la capacidad volumétrica de los depósitos (Di), y la del Silo (SCR) para conseguir la producción máxima anual de Clinker.
- (2) Determinar el coste anual de gestión por mantenimiento del sistema.
- (3) Establecer un ciclo de trabajo anual planificando las paradas de hornos e indicando las producciones aproximadas de Clinker mes a mes, calculando el tiempo que el Molino (M) está parado, si éste fuera el caso.
- (4) Determinar las cargas media y máxima que debe soportar una estructura común que sustente a los tres Depósitos (Di) (Hierro aleado más stock de crudo).
Objetivo 1. DATOS DE PARTIDA
Queremos conocer:
- El modelo de Molino y la capacidad volumétrica de los depósitos (Si), y la del Silo (SCR) para conseguir la producción máxima anual de Clinker.
Sabemos que: - Densidad Crudo: 900 kg/m3 - Densidad Clinker: 1.300 kg/m3 - Densidad Superficial chapa de hierro aleado 16mm de espesor: 125 kg/
m2 - El coste de lanzamiento se asimila como el de mantenimiento del sistema
de transporte del crudo por cada derivación. CL= 10 um/lanz
Objetivo 1. DATOS DE PARTIDA
Sabemos que:
- El coste de posesión se obtiene como:
Se sabe:
Por otro lado:
Multiplicando por la envolvente y dividiendo por el peso se obtiene el valor del coste de posesión del crudo en función de la cantidad de este.
Objetivo 1. DATOS DE PARTIDA
Sabemos que:
Donde las horas productivas son las horas de funcionamiento de los hornos teniendo en cuenta sus paradas. No se tienen en cuenta las paradas de mantenimiento del molino.
Producción de clinker
Hornos Tasa producción (Tn/h)
Horas producció anual en Régimen
Normal (h)
Tasa producció anual en Régimen
Normal (Tn/año)
H1 120 7200 864000 H2 90 7200 648000 H3 60 7200 432000
Total 1944000
Objetivo 1. DESARROLLO
Con esto tenemos que:
Tasa con factor de seguridad (15%) = 245,009 · 1,15 = 281,76035 Tn
Esta es la tasa de producción que debe dar el molino para cumplir con la demanda en régimen normal. Se utilizará para seleccionar el molino.
Producción de Crudo
Tasa producción anual en Régimen Normal
(Tn/año)
Tasa producción en Régimen Normal
(Tn/h)
2046315,789 245,009
Objetivo 1. DESARROLLO
Análisis de posibilidades:
Vemos que el molino A (250Tn/h) no cumple con la producción requerida en régimen normal con factor de seguridad (281,76Tn/h). Se descarta este modelo.
Molino modelo A
Demanda clinker en Régimen Normal (Tn/h)
Demanda clinker
en Régimen Normal (Tn/
año)
Demada de Crudo año en
Régimen Normal (Tn/
año)
Producción de crudo necesaria en Régimen
Normal (Tn/h)
Relación de producción
Producción crudo
Máximo (Tn/h)
Producción crudo
Máximo (Tn/año)
120 864000 909473,684 108,893 0,444 111,111 928000,000
90 648000 682105,263 81,670 0,333 83,333 696000,000
60 432000 454736,842 54,446 0,222 55,556 464000,000
Objetivo 1. DESARROLLO
Análisis de posibilidades:
Vemos que el molino B (300Tn/h) si cumple con la producción requerida en régimen normal con factor de seguridad (281,76Tn/h). Por tanto, se elegirá este modelo.
Molino modelo B
Demanda clinker en Régimen Normal (Tn/h)
Demanda clinker
en Régimen Normal (Tn/
año)
Demada de Crudo año en
Régimen Normal (Tn/
año)
Producción de crudo
necesaria en Régimen Normal (Tn/h)
Relación de producción
Producción crudo
Máximo (Tn/h)
Producción crudo
Máximo (Tn/año)
120 864000 909473,684 108,893 0,444 133,333 1113600,000
90 648000 682105,263 81,670 0,333 100,000 835200,000
60 432000 454736,842 54,446 0,222 66,667 556800,000
Objetivo 1. DESARROLLO
Elección de molino:
Se elije el modelo B ya que permite la fabricación suficiente de crudo para satisfacer la demanda con un factor de seguridad del 15%.
Modelo Tasa producción (Tn/h)
Coste mantenimiento
(um/año)
A 250 1000 B 300 1500 C 500 2000
Objetivo 1. DESARROLLO
Para determinar la capacidad volumétrica de los depósitos (Si) y del Silo (SCR):
- Debemos encontrar el nivel máximo de stock en los depósitos y el silo:
- El valor del volumen máximo de cada depósito va en función del nivel máximo de stock (en tn) y de la densidad del crudo (0,9 tn/m3)
- La altura del silo puede encontrarse a partir de la expresión del volumen de un cilindro (con radio de la base = 10m).
Objetivo 1. DESARROLLO
Los valores para los depósitos que se encuentran a partir de las expresiones anteriores son:
Con esta capacidad volumétrica de los depósitos, se puede lograr cumplir con la demanda de crudo de los hornos.
Dimensionado de los depósitos
Depósito D (Tn/año)
P (Tn/año)
Cl (um/lanz.)
Cs (um/Tn·año)
S (Tn)
V (m3)
Altura (m)
S1 864000 1113600,000 10 0,222 4176,890 4640,989 14,773
S2 648000 835200,000 10 0,222 3617,293 4019,214 12,794
S3 432000 556800,000 10 0,222 2953,507 3281,675 10,446
Objetivo 1. DESARROLLO
Para el dimensionado del silo, se tendrá en cuenta el caso más desfavorable (molino parado y los 3 hornos funcionando):
Con esta capacidad volumétrica del silo, se garantiza la producción diaria de clinker cuando el molino esta parado. Además, se logra cumplir con la producción en régimen normal.
Dimensionar el silo
Silo Producció diaria
de crudo para todos los hornos (Tn/día)
V (m3)
Altura (m)
SCR 6821,053 7578,947 24,125
Objetivo 2. DATOS DE PARTIDA
Queremos conocer:
- El coste anual de gestión por mantenimiento del sistema.
Sabemos que: - El coste de adquisición (CA) no se tiene en cuenta. - Coste de posesión (Cs) = 0,222 um / Tn · año - Coste de lanzamiento (CL) para cada derivación = 10 um / lanz - Coste de lanzamiento (CL) para el molino = 30 um / lanz (3 derivaciones)
Objetivo 2. DESARROLLO
El coste anual del sistema estará determinado por la siguiente expresión:
El coste total es la suma de los costes asociados a diferentes elementos de la instalación.
Objetivo 2. DESARROLLO
En régimen normal:
El coste total anual será la suma de estos costes. Así,
KTOTAL = 6.121,223um
Costes Cl (um/lanz.)
D (Tn/año)
P (Tn/año)
Cs (um/Tn·año)
K (um)
Cm (um/año)
S1 10 864000 1113600 0,222 927,27
S2 10 648000 835200 0,222 803,04
S3 10 432000 556800 0,222 655,68
SCR 30 2046316 2505600 0,222 2235,24
M 1500
Objetivo 3. DATOS DE PARTIDA
Queremos conocer:
- El ciclo de trabajo anual.
Sabemos que:
- Los meses de producción tienen 30 días. Los días que el Molino esta parado por mantenimiento, el SCR hace de pulmón para cumplir con la demanda de los hornos.
- El mes que un horno no funciona por mantenimiento, el molino se ajusta a la demanda deseada.
- Producción en régimen normal, las tasas de producción serán de: H1 = 120, H2 = 90 y H3 = 60 Tn/h.
- Las paradas por mantenimiento de los hornos son de 1 mes cada 6 meses.
Objetivo 3. DESARROLLO
El ciclo anual de trabajo será:
- Paradas escalonadas con 1 mes de diferencia. - En el peor caso solo trabajan dos hornos.
Producción máxima de clinker al año
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
H1
H2
H3
Objetivo 3. DESARROLLO
Con esta planificación, la producción mensual será: ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL
M 136421,05 M 159157,89 M 204631,58 M 204631,58 M 204631,58 M 113684,21 M 136421,05 H1 86400 H1 86400 H1 86400 H1 86400 H1 86400 H1 0 H1 86400 H2 0 H2 64800 H2 64800 H2 64800 H2 64800 H2 64800 H2 0 H3 43200 H3 0 H3 43200 H3 43200 H3 43200 H3 43200 H3 43200 CL 129600 CL 151200 CL 194400 CL 194400 CL 194400 CL 108000 CL 129600
AGO SEP OCT NOV DIC TOTAL (Tn/año)
M 159157,89 M 204631,58 M 204631,58 M 204631,58 M 113684,21 2.046.316
H1 86400 H1 86400 H1 86400 H1 86400 H1 0 864.000
H2 64800 H2 64800 H2 64800 H2 64800 H2 64800 648.000
H3 0 H3 43200 H3 43200 H3 43200 H3 43200 432.000
CL 151200 CL 194400 CL 194400 CL 194400 CL 108000 1.944.000
Objetivo 4. DATOS DE PARTIDA
Queremos conocer:
- las cargas media y máxima que debe soportar una estructura común que sustente a los tres Depósitos (Di) (Hierro aleado más stock de crudo).
Sabemos que:
- Densidad crudo = 0,9 Tn/m3 - Densidad superficial de chapa de hierro = 0,125 Tn/m2 - Superficie (base) de los depósitos = 314,159 m2 - La estructura es común para los 3 depósitos - La carga máxima se calcula a partir del peso de la chapa y el peso del crudo en una
situación de máximo stock. - El peso de la chapa se calculará en función de la superficie total del depósito. - El peso del crudo será el volumen máximo de ocupación por la densidad del mismo. - La carga media se calculará a partir de la carga soportada mensualmente en
función de la producción de ese mes.
Objetivo 4. DESARROLLO
Así, tenemos que los valores serán:
Depósito V
(m3) Altura (m)
Peso crudo (Tn)
Peso chapa (Tn)
Carga máxima (Tn)
Carga media (Tn)
S1 4640,989 14,773 4176,890 835,603 5012,493 4177,078
S2 4019,214 12,794 3617,293 723,684 4340,977 3617,481
S3 3281,675 10,446 2953,507 590,926 3544,434 3249,064
Objetivo 4. DESARROLLO
Diseño de la estructura de soporte:
Se calculará y dimensionará una jácena tipo para la estructura de sustentación de uno de los depósitos teniendo en cuenta que: - Carga máxima = 5012,493 Tn - Carga media = 4177,078 Tn
La estructura global constaría de una estructura como la siguiente para cada depósito.
Objetivo 4. DESARROLLO Análisis estructural
Fuerzas axiles (tracción / compresión)
Reacción en los apoyos
Objetivo 4. DESARROLLO Análisis estructural
Momentos de flexión
Objetivo 4. DESARROLLO Análisis estructural
Objetivo 4. DESARROLLO Esquema 3D (depósito + estructura)
Objetivo 4. DESARROLLO Esquema 2D (plano)
