El método estándar es el dimensionamiento de lotes basado en campañas: asigne el tiempo operativo total entre los productos, calcule el número de lotes que cada producto puede completar y determine el volumen de lote requerido para cada uno. Para el producto (x), el volumen de lote preliminar se calcula como:
[ V_{\text{batch},x}
\frac{P_x,v_{\text{react},x}}{t_x/t_{\text{cycle},x}} ]
El reactor o mezclador compartido se dimensiona entonces según el mayor volumen de lote real requerido después del redondeo práctico a lotes completos.
El equipo compartido se dimensiona equilibrando los objetivos de producción, los requisitos de volumen específicos del producto, los tiempos de ciclo y los cronogramas de campaña. La capacidad del equipo que rige el diseño es el volumen de lote máximo entre todos los productos procesados en la unidad compartida.
Cómo funciona el dimensionamiento de equipos compartidos
Definir las campañas de producción
Primero, establezca el tiempo operativo total disponible para el programa de producción. Si los productos A, B y C comparten una planta piloto durante 500 horas, sus tiempos de campaña deben satisfacer:
[ t_A+t_B+t_C=500\ \text{h} ]
Cada tiempo de campaña representa el período durante el cual el reactor o mezclador compartido se dedica a un solo producto.
Determinar los requisitos específicos del producto
Para cada producto, identifique:
- La cantidad de producción objetivo, (P_x), típicamente en kg
- El volumen de reactor o mezclador requerido por unidad de masa, (v_{\text{react},x}), en (\text{m}^3/\text{kg})
- El tiempo completo de ciclo del lote, (t_{\text{cycle},x})
El tiempo de ciclo debe incluir el llenado, procesamiento, vaciado, limpieza y cualquier actividad requerida de esterilización o cambio de producto.
Calcular el número de lotes
El número preliminar de lotes para el producto (x) es:
[ N_x=\frac{t_x}{t_{\text{cycle},x}} ]
Este cálculo estima cuántos ciclos de lote pueden caber dentro de la campaña asignada al producto.
Calcular el volumen de lote requerido
El volumen total de proceso asociado con un objetivo de producto es:
[ P_xv_{\text{react},x} ]
Dividir este volumen por el número disponible de lotes da el volumen de lote preliminar:
[ V_{\text{batch},x}
\frac{P_xv_{\text{react},x}}{N_x}
\frac{P_xv_{\text{react},x}} {t_x/t_{\text{cycle},x}} ]
Para los mezcladores, se aplica la misma lógica cuando el volumen especificado representa el volumen de trabajo necesario por unidad de producto.
Cómo se determina el tamaño del recipiente compartido
Igualar los volúmenes de lote preliminares
Cuando el objetivo es encontrar el tamaño mínimo común del equipo, los volúmenes de lote preliminares pueden igualarse:
[ V_{\text{batch},A}
V_{\text{batch},B}
V_{\text{batch},C} ]
Junto con la restricción de tiempo total, estas ecuaciones pueden resolverse para las duraciones de las campañas y el volumen preliminar común del recipiente.
Esto identifica un cronograma en el que cada producto utiliza la unidad compartida de manera eficiente.
Convertir los conteos de lotes a valores prácticos
Los conteos de lotes calculados a menudo no son enteros. En la práctica, un producto normalmente no puede ejecutar una fracción de un lote, por lo que los conteos de lotes deben convertirse a números enteros.
El cronograma de la campaña y los volúmenes de lote deben recalcularse utilizando esos conteos de lotes enteros en lugar de confiar solo en la solución matemática continua.
Seleccionar la condición del producto limitante
Después del redondeo, calcule el volumen de lote real requerido para cada producto:
[ V_{\text{actual},x}
\frac{P_xv_{\text{react},x}}{N_{x,\text{integer}}} ]
El reactor o mezclador compartido debe dimensionarse para el mayor de estos valores:
[ V_{\text{equipment}}
\max \left( V_{\text{actual},A}, V_{\text{actual},B}, V_{\text{actual},C} \right) ]
El producto que genera este máximo es el caso limitante o condición de diseño gobernante.
Por qué importa el tiempo de campaña
Los objetivos de producción por sí solos son insuficientes
Un producto con un gran objetivo de producción no determina automáticamente el tamaño del recipiente. Su volumen requerido por lote también depende de su tiempo de ciclo y de la cantidad de tiempo de campaña asignada a él.
Un producto con un ciclo más lento puede requerir un volumen de lote mayor porque se pueden completar menos lotes durante su campaña.
La utilización del equipo afecta el resultado
Asignar más tiempo a un producto aumenta su conteo de lotes disponible y puede reducir su volumen de lote requerido. Sin embargo, ese tiempo debe tomarse de otro producto, por lo que el cronograma y el tamaño del equipo están acoplados.
Por lo tanto, el método dimensiona el equipo y evalúa el cronograma de producción conjuntamente.
El enfoque se aplica a plantas piloto flexibles
Este cálculo es particularmente útil cuando un reactor o mezclador se comparte entre múltiples productos en lugar de dedicarse a un solo proceso. Apoya las decisiones sobre la capacidad de la planta piloto, la planificación de campañas y si un tamaño de equipo propuesto puede cumplir con todos los objetivos de producción.
Comprender las compensaciones
Las soluciones continuas no son cronogramas operativos
Igualar los volúmenes de lote produce un diseño preliminar útil, pero los conteos de lotes resultantes pueden ser fraccionarios. Tratar esos valores como lotes ejecutables puede subestimar la capacidad requerida.
Por lo tanto, el recálculo de lotes completos es esencial.
El mayor volumen de lote no es la única restricción
El volumen nominal de un recipiente no es necesariamente su volumen de trabajo útil. El rendimiento de la mezcla, el espacio de cabeza, la transferencia de calor, la suspensión de sólidos, la formación de espuma y los límites operativos seguros pueden requerir capacidad adicional más allá del volumen de proceso calculado.
El máximo calculado debe tratarse como el requisito de volumen de proceso, seguido de las tolerancias normales de diseño del equipo.
Los cambios de producto pueden reducir el tiempo disponible
La limpieza y la esterilización deben incluirse en el tiempo de ciclo cuando consumen la capacidad del equipo compartido. Omitirlas sobreestima el número de lotes y puede producir un recipiente subdimensionado.
Las transiciones de producto también pueden requerir cambios de campaña más largos que los lotes repetidos del mismo producto.
El redondeo de enteros puede crear capacidad ociosa
El redondeo de los conteos de lotes cambia el equilibrio entre los productos. Un producto puede tener tiempo de campaña de sobra mientras otro determina el tamaño final del recipiente, por lo que el cronograma final debe verificarse tanto por capacidad como por tiempo operativo no utilizado.
Tomar la decisión correcta para su objetivo
Utilice el cálculo como un modelo de cronograma y capacidad, luego valide el resultado frente a las restricciones operativas prácticas.
- Si su enfoque principal es el volumen mínimo de equipo: Asigne los tiempos de campaña de modo que los volúmenes de lote preliminares sean iguales, luego dimensione la unidad utilizando el mayor volumen recalculado después del redondeo de lotes enteros.
- Si su enfoque principal es cumplir con los objetivos de producción de manera confiable: Incluya los tiempos completos de ciclo y cambio, utilice lotes enteros y verifique que el recipiente seleccionado tenga un volumen de trabajo y márgenes operativos adecuados.
- Si su enfoque principal es maximizar la utilización de la planta piloto: Compare asignaciones de campaña alternativas y seleccione el cronograma que cumpla con todos los objetivos con el menor tiempo ocioso y una flexibilidad operativa aceptable.
El método confiable es equilibrar el tiempo de campaña y los conteos de lotes, luego dimensionar el reactor o mezclador compartido para el mayor volumen de lote práctico.
Tabla de resumen:
| Factor de dimensionamiento | Cómo se utiliza |
|---|---|
| Tiempo de campaña | Asignar las horas operativas disponibles entre los productos. |
| Tiempo de ciclo | Incluir llenado, procesamiento, vaciado, limpieza, esterilización y cambios. |
| Conteo de lotes | Calcular los lotes disponibles, luego convertir los resultados a lotes enteros. |
| Volumen de lote | Dividir el volumen de proceso requerido de cada producto por su conteo de lotes entero. |
| Tamaño del equipo | Seleccionar el mayor volumen de lote práctico como la capacidad gobernante. |
| Verificaciones de diseño | Considerar el volumen de trabajo, espacio de cabeza, mezcla, transferencia de calor, espuma y operación segura. |
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