DISEÑO DE PLANTA PARA LA FABRICACION DE AZUCAR DE CAÑA
JUAN SEBASTIAN LOSADA LUIS GERARDO ORJUELA
UNIVERSIDAD DEL TOLIMA FACULTAD DE INGENIERIA AGRONOMICA PROGRAMA DE INGENIERIA AGROINDUSTRIAL DISEÑO DE PLANTA IBAGUE 2012
DISEÑO DE PLANTA DE PARA LA FABRICACION DE AZUCAR DE CAÑA
JUAN SEBASTIAN LOSADA LUIS GERARDO ORJUELA
Proyecto presentado al Ingeniero: CARLOS ARTURO SANCHEZ
UNIVERSIDAD DEL TOLIMA FACULTAD DE INGENIERIA AGRONOMICA PROGRAMA DE INGENIERIA AGROINDUSTRIAL DISEÑO DE PLANTA IBAGUE 2012
1. INTRODUCCION
El azúcar es un disacárido compuesto por glucosa y fructosa que se encuentra principalmente en frutas, vegetales y miel, para la producción de azúcar se utiliza la caña de azúcar (Saccharum officinarum L), la cual es un es una gramínea tropical, un pasto gigante en cuyo tallo se forma y acumula un jugo con alto contenido de sacarosa, compuesto que al ser extraído y cristalizado en el ingenio forma el azúcar. Un ingenio azucarero es una empresa agroindustrial, la cual se encarga de producir azúcar a partir de diversas materias primas, la más utilizada es la caña de azúcar, aunque también se puede obtener a partir de remolacha, el maíz y el sorgo. Para la producción de azúcar, el jugo que se extrae de la caña pasa por una serie de procesos físico-químicos, tales como molienda, evaporación, cristalización, centrifugación, filtración, entre otros. La producción de azúcar en Colombia, se da principalmente en la zona del valle del cauca y sus alrededores, ya que esta zona presenta las condiciones ambientales adecuadas para el cultivo de la caña, es por tal motivo que la mayoría de los ingenios colombianos se ubican en esta región. La caña de azúcar llegó a Cali traída por Sebastián de Belalcázar, quien la cultivó en su estancia de Yumbo. De allí el cultivo se diseminó por la cuenca del río Cauca. Durante la Colonia, la producción de panela, azúcar y mieles fue una tarea artesanal y así permaneció hasta comienzos del Siglo XX, cuando se inauguró una moderna planta en el Ingenio Manuelita. Para 1930 sólo había tres ingenios en el Valle del Cauca: Manuelita, Providencia y Ríopaila; desde esos años la industria azucarera empezó a expandirse en la región hasta completar 22 ingenios.1 Hoy en día Colombia los ingenios azucareros se dedican principalmente a la producción de azúcar y de alcohol carburante; para octubre de 2011 la “producción de azúcar fue de 205.458 TMVC (toneladas métricas de volumen crudo), el consumo nacional aparente (ventas de los ingenios más exportaciones) alcanzo 152.246 TMVC y se exportaron 109.184 TMVC, además la producción de alcohol carburante fue de 33.252 millones de litros.”2
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www.asocaña.org/publico/historia www.asocaña.org/modules/documentos
JUSTIFICACION El diseño de una planta para la producción de azúcar se realizó con el fin de conocer y aplicar los conocimientos adquiridos a través de la carrera de ingeniería agroindustrial en un campo que cuenta con una amplia gama de procesos agroindustriales como lo es un ingenio azucarero. Un ingenio azucarero, es una agroindustria que lleva a cabo procesos como molienda, evaporación, cristalización, centrifugación, filtración, entre otros, los cuales son de importancia para el ingeniero agroindustrial, que debe estar en capacidad de realizar los respectivos balances de masa y energía en cada uno de estos proceso, también debe buscar una mejora continua en cada proceso para poder aumentar la productividad y el rendimiento, es aquí donde se hace útil el valor académico de un ingeniero. La gran demanda de azúcar que exige el mercado 1’564.939 toneladas por año3, es una motivación para realizar este trabajo, ya que en Colombia existen aproximadamente 13 ingenios azucareros encargados de suplir la demanda nacional e internacional, la mayoría de los ingenios se encuentran ubicados en una zona estratégica, el valle de cauca, una zona ideal para el cultivo de caña de azúcar, en este departamento se encuentran grandes extensiones de tierra sembradas 193,423 toneladas por año4, y la industria azucarera proporciona una fuente de empleo para la mayoría de personas de la región. En el departamento del Tolima en los últimos años ha aumentado el cultivo de caña de azúcar teniendo en cuenta que la región es propicia para este cultivo cumpliendo con requerimientos climáticos y de tierra que representan gran viabilidad para el desarrollo de esta cadena agroindustrial, este auge de siembra en el departamento es otra razón para realizar el diseño de una planta de este tipo, aunque en el departamento no existe un ingenio azucarero, si puede proyectar para el futuro la creación de este y fomentar el crecimiento socio-económico del Tolima.
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http://www.agronet.gov.co/agronetweb/AnalisisEstadisticas/tabid/73/Default.aspx Ibid
DEFINICION El azúcar es un endulzante de origen natural, sólido, cristalizado, constituido esencialmente por cristales sueltos de sacarosa, obtenidos a partir de la caña de azúcar, mediante procedimientos industriales apropiados. Siendo este uno de los productos más utilizados en la vida diaria, es una fuente de energía eficiente, económica, pura y a la vez un alimento muy útil. Pocas veces se consume en forma directa siendo lo usual adicionarlo a otros alimentos para mejorar su sabor, textura y cuerpo (bebidas, jugos, helados), utilizarlo como preservante (leche, frutas, jamones) y como mejorador de la apariencia (panadería, pastelería). Un ingenio azucarero es el encargado de producir el azúcar, es en este lugar donde se llevan a cabo las operaciones unitarias que dan como resultado el azúcar, el proceso de producción de azúcar, como todo proceso industrial, necesita del control analítico y de ingenieria para conducir de la mejor forma las diferentes operaciones unitarias, de modo que se asegure la mayor parte del producto terminado y se reduzcan al máximo las pérdidas. De este modo se dará a conocer a continuación una descripción de las operaciones de separación que lleva a cabo este tipo de industria, presentado un diagrama de flujo del proceso de obtención de azúcar. Figura 1. Diagrama de flujo para la obtención de azúcar
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5
CHEN C.P. James. Manual del azúcar. Editorial Limusa. México, D.F. 1991. p. 83
De acuerdo al diagrama de flujo, se dará a conocer de forma general cada etapa que se presenta en el proceso de obtención de azúcar: Cosecha. Cortado y recolección de la caña de azúcar. Almacenaje. Se determina la calidad, el contenido de sacarosa, fibra y nivel de impurezas. La caña es pesada y lavada. Picado de la caña. La caña es picada en máquinas especialmente diseñadas para obtener pequeños trozos. Molienda. Mediante presión se extrae el jugo de la caña. Se agrega agua caliente para extraer el máximo de sacarosa que contiene el material fibroso. Clarificación y refinación. En la clarificación se eleva la temperatura del jugo, se separa un jugo claro. Es posible también refinarlo y para ello se agrega cal que ayuda a separar los compuestos insolubles. También suele tratarse con dióxido de azufre gaseoso para blanquearlo. No todo el azúcar de color blanco proviene de un proceso de refinado. Evaporación. Se evapora el agua del jugo y se obtiene una meladura o jarabe con una concentración aproximada de sólidos solubles del 55 % al 60 %. La meladura es purificada en un clarificador. La operación es similar a la anterior para clarificar el jugo filtrado. Cristalización. De la cristalización se obtienen los cristales (azúcar) y líquido. Centrifugado. Se separan los cristales del líquido. Secado y enfriado. La azúcar húmeda es secada en secadoras de aire caliente en contracorriente y luego enfriada en enfriadores de aire frío en contracorriente. Envasado. El azúcar seca y fría se empaca en sacos y está listo para su venta.
UBICACIÓN La determinación de ubicación de planta es una tarea difícil para los ingenieros debido a la permanente toma de decisiones que se enfrentan, es por ello que el estudio debe ser minucioso y acertado lo que conlleva a beneficios, costos y problemas generados por esta decisión. Como primera medida de inicio de este estudio se determina la macrolocalización de la planta teniendo en cuenta criterios objetivos que de una manera cuantitativa y cualitativa evalúan la probabilidad de ubicación. Macrolocalización El valle del cauca es la región ideal para el cultivo de la caña de azúcar esto gracias a sus características climáticas, precipitación y calidad de suelos que hacen de esta una de las regiones únicas donde el cultivo es permanente, es por ello que la planta azucarera se ubicara en dicha región, teniendo en cuenta criterios que soporten la decisión y justifiquen de una manera clara las razones de localización. La región está comprendida desde el norte del departamento del cauca atravesando el valle del cauca y culminando en el sur de Risaralda, en esta región hay 218.311 hectáreas sembradas en caña para azúcar, de las cuales, el 24% corresponde a tierras propias de los ingenios y el restante 76% a más de 2.000 cultivadores de caña. Dichos cultivadores abastecen a los 13 ingenios que se encuentran distribuidos por toda la región 6, cada una de las cuatro alternativas fueron elegidas en base a la concentración de ingenios ubicados en cada sector de la región, como también territorios de alta proyección y desarrollo que granticen de diferentes maneras la permanencia de una nueva industria azucarera. Alternativas de ubicación. Zarzal (Valle del Cauca): Municipio que en los últimos años ha aumentado su potencial en la agroindustria de la caña teniendo en cuenta el crecimiento de cultivos y producción de caña azucarera se convierte en una alternativa de gran viabilidad de inversión y asi mismo desarrollo regional. El cerrito (Valle del Cauca): Aunque el cerrito cuenta con grandes extensiones de tierra dedicadas a la producción de caña la razón por la que se define como una alternativa es la baja concentración de ingenios azucareros actualmente y de la misma manera la gran cantidad de recursos de tierra e hídricos que hacen de este una gran alternativa de inversión. Jamundí (Valle del Cauca): Actualmente el municipio de Jamundi cuenta con un porcentaje de área sembrada de caña azucarera menor al que tienen otros municipios esto debido a que no se ha extendido en gran magnitud pero con 6
www.asocana.org/publico/info.
proyecciones a futuro de alto crecimiento y también cuenta con el mayor recurso hídrico de la región contando con siete vertientes hídricas de alto caudal y disponibilidad de agua. Puerto tejada (cauca): Municipio ubicado al norte del departamento del cauca con aproximadamente 8000 ha de caña sembradas7 siendo uno de los municipios del Cauca con mayor producción mensual de caña para el sector azucarero, este municipio abastece el ingenio Cauca y la cabaña los cuales son de gran magnitud, el potencial de materia prima en esta región del norte del Cauca es alta permitiendo una seguridad de materia prima para la planta. Criterios de ubicación Para la determinación de la región de ubicación de la planta de producción de azúcar se tendrán en cuenta cuatro criterios de ubicación los cuales se introducen en una matriz de toma de decisiones la cual determina de una manera clara y objetiva la mejor ubicación teniendo en cuenta la participación de cada uno de los factores o criterios de localización. Materia Prima: La disponibilidad de materia prima será evaluada por las hectáreas de caña de azúcar sembradas en cada una de las regiones, este criterio es de gran importancia debido a que los rendimientos de azúcar a partir de caña están alrededor del 11% 8 lo que indica que se necesita grandes cantidades de materia prima y así mismo el abastecimiento debe ser constante y seguro para no permitir irregularidades en la producción. Transporte: El costeo de fletes aumenta dependiendo de la distancia entre el puerto de buenaventura y la alternativa es por ello que este criterio elegirá el costo más viable que permita junto con los demás criterios el mayor beneficio para la organización. Costo de terreno: El coste de oportunidad determinara si es mejor un costo más bajo por menos hectáreas. Según asocaña la calidad del terreno de toda la región del valle del cauca no es muy diferencial, el único motivo por el cual aumenta los costos de terreno es el nivel de demanda en cada una de las alternativas por ello este criterio juega un papel importante en el proceso de toma de decisiones. Disponibilidad de agua: en el proceso de producción de azúcar el consumo de agua es alto esto porque en la mayoría de los procesos el agua cumple diferentes funciones y se hace necesaria una disponibilidad alta de este recurso, en la región del valle del Cauca este rio es el más importante pero existen otras vertientes que pueden a evidenciar la mejor alternativa de ubicación.
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http://www.minambiente.gov.co/documentos/GUIA_~1A.PDF http://www.procaña.org
Proceso de toma decisiones Árbol jerárquico de toma de decisiones.
UBICACION DE PLANTA AZUCARERA
MATERIA PRIMA
COSTO DE TERRENO
TRANSPORTE
DISPONIBILIDAD DE AGUA
Zarzal
Zarzal
Zarzal
Zarzal
El Cerrito
El Cerrito
El Cerrito
El Cerrito
Jamundí
Jamundí
Jamundí
Jamundí
Pto Tejada
Pto Tejada
Pto Tejada
Pto Tejada
Matriz de toma de decisiones aplicada a criterios
Materia Prima Transporte valor del terreno disponibilidad de agua
Materia Prima Transporte valor del terreno disponibilidad de agua
Materia Prima
Materia prima 1/1 3/6 2/5 1/5
Materia prima 1,0000 0,5000 0,4000 0,2000
Transporte 6/3 1/1 2/3 1/3
valor del terreno 5/3 3/4 1/1 1/3
agua 5/1 3/1 4/1 1/1
Transporte valor del terreno disponibilidad de agua 2,0000 1,6667 5,0000 1,0000 0,7500 3,0000 0,6667 1,0000 4,0000 0,3333 0,3333 1,0000
Materia prima Transporte valor del terreno disponibilidad de agua 54,7556 100,3222 97,5093 337,2778
Transporte valor del terreno disponibilidad de agua
28,1111 28,8422 10,4656
51,5056 52,8370 19,1741
50,0583 51,3722 18,6380
173,1500 177,6889 64,4667
Criterio Ponderación Materia Prima 0,4482 Transporte 0,2301 Mano de obra 0,2361 Servicios 0,0857 Tabla 1. Ponderación de criterios de localización
Matriz de toma de decisiones aplicada en alternativas Materia Prima MATERIA PRIMA municipio hectáreas Jamundí 5358 zarzal 8583 Pto tejada 8606 el cerrito 13832 Tabla 2. Área sembrada de caña azucarera. Fuente: min. Medio ambiente
Jamundí Zarzal Puerto Tejada El cerrito
Jamundí Zarzal Puerto Tejada El cerrito
Jamundí 9
Jamundí 1/1 5/3 6/3 6/3
Zarzal 3/5 1/1 5/5 6/4
Puerto Tejada 3/6 5/5 1/1 6/4
9
El cerrito 3/6 4/6 4/6 1/1
Jamundí Zarzal Puerto Tejada El cerrito 4,0000 2,4500 2,3500 1,7333 6,6667 4,0000 3,8333 2,8333 7,0000 4,2000 4,0000 3,0000 9,5000 5,7000 5,5000 4,0000
Jamundí Zarzal Puerto Tejada El cerrito 65,2500 39,3500 37,7250 27,8583
http://www.minambiente.gov.co/documentos/GUIA_~1A.PDF
Zarzal Puerto Tejada El cerrito
107,0833 112,5000 152,5000
64,5833 67,8500 91,9750
61,9167 65,0500 88,1750
45,7222 48,0333 65,1167
Materia prima Municipio Ponderación Jamundí 0,1492 zarzal 0,2449 puerto tejada 0,2572 el cerrito 0,3487 Tabla 3. Ponderación de alternativas en relación a materia prima
Transporte TRANSPORTE Municipio Costo de transporte/Tonelada Ponderación Jamundí $ 45.124,22 0,2244 Zarzal $ 60.779,56 0,3023 Pto Tejada $ 42.975,45 0,2137 El cerrito $ 52.184,47 0,2595 Total $ 201.063,70 1,0000 Tabla 4. Ponderación de alternativas en relación a costo de transporte. Fuente: Fenalce
Costo de terreno Costo del terreno Municipio $ hectarea Jamundí
39.388.020,00
Zarzal Puerto Tejada
65.000.000,00
El cerrito
56.250.000,00
60.000.000,00
Tabla 5. Costo del terreno. Fuente: Fincas del valle
Jamundí Zarzal Puerto Tejada 10 11
Jamundí 1/1 1/5 1/5
Zarzal 5/1 1/1 2/1
http://www.fenalce.org/pagina.php?p_a=98 http:// www.fincasdelvalle.com
Puerto Tejada 5/1 1/2 1/1
11
El cerrito 5/3 1/3 1/3
10
El cerrito
1/1
Jamundí Zarzal Puerto Tejada El cerrito
Jamundí Zarzal Puerto Tejada El cerrito 1,0000 5,0000 5,0000 1,6667 0,2000 1,0000 0,5000 0,3333 0,2000 2,0000 1,0000 0,3333 0,6000 3,0000 3,0000 1,0000
Jamundí Zarzal Puerto Tejada El cerrito
Jamundí Zarzal Puerto Tejada El cerrito 67,0000 405,0000 285,0000 111,6667 11,4000 69,0000 48,5000 19,0000 16,2000 98,0000 69,0000 27,0000 40,2000 243,0000 171,0000 67,0000
valor del terreno Municipio Ponderación Jamundí 0,4970 Zarzal 0,0846 Puerto Tejada 0,1203 El cerrito 0,2982 Tabla 6. Ponderación de alternativas en relación a costo del terreno.
Disponibilidad de agua
Municipio Jamundí Zarzal Puerto Tejada El cerrito
Disponibilidad de aguas cantidad de vertientes de aguas 7 (Cauca, Rio Claro, Guachinte, Jamundi, Jordan, Pital y Timba.) 2 (Rio cauca, Rio la paila) 5 (Cauca, desbaratado, guengue, palo y paila) 4 (Amaime, Cauca, Cerrito y Sabaletas) Tabla 7. Ríos de regiones azucareras. Fuente:
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http://www.valledelcauca.gov.co/publicaciones.php?id=39 http://www.camaratulua.org/modulos.php?mod=content&fnc=viewi&id=23 14 http://www.amunorca.gov.co/municipios/Pueto%20tejada.html 13
Solución de matriz algebraica Materia prima
Jamundí Zarzal Puerto Tejada El cerrito
Transporte
Mano de obra
Servicios
0,1492 0,2449
0,2244 0,3023
0,4970 0,0846
0,3659 0,1084
0,2572 0,3487 1,0000
0,2137 0,2595 1,0000
0,1203 0,2982 1,0000
0,2879 0,2378 1,0000
0,4602 Materia Prima 0,2523 Transporte Mano de 0,2126 obra 0,0748 Servicios 1,0000
Relación beneficio/costo
Costo / m2 1. Jamundí 2. Zarzal 3. Puerto Tejada 4. El cerrito
Costo Normalizado 3939 6500 6000 5625 22064
0,1785 0,2946 0,2719 0,2549 1,0000
Tabla 7. Relación beneficio/costo
Relación Beneficio/Costo 3,1874 0,6340 0,6874 0,3359
0,5690 Jamundí 0,1868 Zarzal Puerto 0,1869 Tejada 0,0856 El cerrito 1,0000
DIAGRAMAS DE FLUJO DIAGRAMA DE FLUJO DE CAJAS RECEPCION DE LA MATERIA PRIMA
MOLIDO
CLARIFICACION
EVAPORACION
CRISTALIZACION
CENTRIFUGACIÓN
SECADO
ALMACENAMIENTO
BALANCE DE MATERIA 1. BALANCE DE MASA 1.1.
Molienda
Balance de masa en trapiches El proceso de elaboración de azúcar a partir de caña azucarera inicia con la recepción, muestreo y peso de la caña la cual luego de ser autorizada es llevada hacia las picadoras que la dividen en varios segmentos para poder extraer el jugo de una mejor manera, también es pasada por una banda con imanes para eliminar la mayor cantidad de impurezas presentes en la materia prima. Posteriormente la caña es pasada a el trapiche de capacidad para procesar 6 toneladas de caña hora, de igual manera se ingresa agua (agua de imbibición) al sistema para que esta arrastre la mayor cantidad de sacarosa y se logre una mejor purificación.
Agua; A= 1500 Kg/h
Bagazo; Bg = 1350 Kg/h
Caña; C = 4500 Kg/h
Jugo mixto; Jm = 4650 Kg/h
C + A =Jm +Bg 1.2.
Calentamiento I
Balance de masa en calentadores Debido a que el jugo mixto necesita un aumento de temperatura este es pasado a través de un calentador que lo lleva hasta una temperatura entre 70-75ºC la cual permita una alta eficiencia en las operaciones posteriores.
Vapor sobrecalentado; Vs
Jugo mixto frio ; Jmf = 4650 Kg/h T= 30ºC
Jugo mixto caliente; Jmc =4650 Kg/h T= 71ºC
Condensado de vapor; Vc
Jm + Vs = Jmc + Vc 1.3.
Mezclado
Balance de masa en tanque de mezcla Cuando el jugo mixto llega a los 75°C este es mezclado con el jugo filtrado proveniente de los filtros de lodo donde se hizo la extracción de la cachaza, se puede entender como una corriente recirculada.
Jugo mixto caliente; Jmc =4650Kg/h
Jugo filtrado; Jf = 744 Kg/h
Jugo mezclado; Jm = 5394 Kg/h
Jm + Jf = Jmx 1.4.
Encalado
Balance de masa en el encalado El jugo mezclado posee un sin número de impurezas que deben ser retiradas antes de la cristalización para así obtener un producto limpio. Mediante un procedimiento de preparación de una lechada de cal el cual se refiere a cal hidratada este será mezclado con la corriente de jugo mezclado proveniente del mezclador el % de lechada de cal será equivalente al 2% con una concentración de cal de 60%.
Jugo encalado; JCa= 5502 kg/h
Jugo mezclado; Jm =5394 Kg/h
Lechada de cal; CaO= 108 Kg/h
Jmx + CaO = JCa 1.5.
Calentamiento II
Balance de masa en calentadores Antes de realizar la precipitación de impurezas el jugo debe entrar con una temperatura superior a los 100°C, lo que aumentara el % de extracción en el flash tank y el clarificador, usando vapor caliente el jugo es llevado a esta temperatura. Vapor caliente; Vc
Jugo encalado; JCa =5507 Kg/h T = 71°C
Jugo caliente encalado; JCax = 5507 Kg/h T= 105°C
Condensado; Vc
JCa + Vs = JCax + Vc 1.6.
Clarificación
El proceso de clarificación del jugo comprende dos etapas primero es pasado por un tanque de venteo donde se produce una autoevaporación por disminución de la presión, luego el líquido restante se lleva al clarificador donde por decantación provocada
mediante la adición de polímeros se separa de las impurezas, el lodo restante es llevado a un filtro de lodo donde se retira la cachaza y el sobrenadante de jugo es recirculado al proceso en la operación de mezclado. Balance de masa en el flas tank En esta operación se evapora el 2% del agua del jugo Vapor; Va= 110 Kg/h; T=100°C
Jugo caliente encalado JCax = 5507 Kg/h; T= 105°C
Jugo concentrado; Jcm= 5397 Kg/h; T= 100°C
Jcax = Va + Jcm Balance de masa en el clarificador El jugo ingresa al tanque de clarificación, antes de esto se le agrega 1000 ppm de un polímero o enzima (carboximetilcelulosa, papaína, peptidasa) el cual se asocia con las impurezas y clarifica, este es preparado con agua en relación 1:1. La operación tiene un porcentaje de extracción del 85%.
Polimero; Pl= 10.79 Kg/h; T=40°C; 1000 ppm
Jugo; Jcm = 5397 Kg/h; T=100°C
Jugo clarificado; Jcl= 4596 Kg/h T= 98°C
Lodo; Ld = 811.16 Kg/h Jcm + Pl = Ld + Jcl Balance masa en el filtro de lodos El lodo obtenido en el tanque es llevado a un filtro (vacío, prensa, carbón activado, microfiltros), en donde se recupera jugo y este es recirculado al sistema. En esta operación se agrega agua caliente a 70°C para solubilizar la sacarosa y llevarla de nuevo al sistema.
Agua; A= 40.558 Kg/h; T=70°C
Lodo; Ld = 811.16 Kg/h
Cachaza; Ch= 107.72 Kg/h Humedad= 20%
Jugo filtrado; Jf= 744 Kg/h
Ld + A = Jf + Ch 1.7.
Evaporación
La evaporación quizás es una de las principales operaciones unitarias en la industria azucarera en esta se obtiene un jugo concentrado y puro el cual está listo para la obtención de cristales. Balance de masa en los evaporadores
V1
Vapor; Vt= 122 Kg/h
V2
V1 Jugo clarificado; Jcl= 4596 Kg/h; X= 16%;T=98°C
Vapor Vivo; Vv Vc3
Jz1= Jz2 X= 50%
Balance efecto 1 Jcl + Vv = V1 + Jz2 + Vc1 Consideración: Vv = Vc1 Jcl = V1 + Jz2 Balance parcial Jcl(Xcl) = V1(Xv)+Jz2(Xz2) 4596(0.16) = V1 (0) + Jz2(0.5) Jz2 =1470.72 kg/h Balance efecto 2 Jz2 + V1 = V2 + Jz3 + Vc2 Consideración: V1 = Vc2 Jz2 = V2 + Jz3 Balance parcial Jz2(Xz2) = V2(Xv)+Jz3(Xz3)
Vapor condensado; Vc1
Jz3 X=60%
Vc2
Jugo concentrado; Jz = 1103 Kg/h X=80%
1470.72(0.5) = V1 (0) + Jz3(0.6) Jz3 =1225 gk/h Balance efecto 3 Jz3 + V2 = Vt + Jz +Vc3 Consideración V2= Vc3 Jz = Jz3 – Vt Jz = 1225 – 122 Jz = 1103 Kg/h 1.8.
Obtención de cristales
La obtención de cristales de azúcar comprende la sucesión de tres operaciones. Inicialmente el jugo concentrado obtenido de los evaporadores e lleva a un tanque de flotación el cual se encarga de inicial separación solido-liquido, posteriormente este ingresa al primer tacho en el cual se produce la evaporación y posterior cristalización, cuando se obtienen los cristales estos son centrifugados y están listos para el secado y empacado, el sistema de cristalización mostrado es de tres tachos de calandria con su respectivo cristalizador y centrifugador, este tiene recirculación de magma desde el ultimo tacho hacia el tanque de flotación, los cristales obtenidos poseen un 98.87% de pureza.
R1 Jz Cr
V2
V1
Vt J2
Tanque de meladuras
Jo
Vs Vc3 Vc
Vc2
C1
C3 C2
Ag1 C1
A3
C3
C2 Mo
M3 J2
R1 M2
Cr1
Az
Cr2
A1
R2 Cr
Balance de masa en última etapa En el proceso de cristalización ingresa 1103 Kg/h de jugo concentrado proveniente de los evaporadores, en el sistema se produce 474.29 Kg/h de azúcar refinada en la última etapa. Centrifuga C3=Az+M3 donde C3: son cristales de azúcar sin centrifugar, Az: azucar refinada, M3: melaza obtenida de la centrifuga C3 = 474.29+556.77 = 1031.66Kg/h de cristales Entonces en el tacho Cr = C3 + V3 donde V3 es el vapor de la ultima etapa proveniente del tacho 3 Cr = 1031.66+343.68= 1374 Kg/h de cristales provenientes de etapa I Cantidad de melaza recirculada
R2 = M3+A3 R2 = 556.77 + 278.38 = 835.65 Kg/h de melaza recirculada Balance en primera etapa Tanque de dilución Cr = Cr1 +A1 donde Cr1 es el azucar refinada de primera etapa, A1 agua de dilución, Cr cristales diluidos enviados a ultima etapa. Cr1 = Cr – A1 = 1374 – 458.54 = 916.49 Kg/h En la centrifuga C1 = Mo + Cr1 C1 = 851.99 + 916.49 = 1768.48 Kg/h de cristales en etapa I En el tacho I J1 = V1 + C1 Donde J1 = R2 + Jo Jo = Jz + R1 Jo = 1103 + 835.65 = 1938.65 Kg/h de alimentación de tanque de meladuras J1 = 623.02+ 1938.65 = 2562.27Kg/h de alimentación de tacho I V1 = J1 –C1 = 2562.27 – 1768.48 = 792.56 Kg/h de vapor de etapa I En tanque de dilución de melaza Mo = J2 - Ag1 Mo = 1064.99- 213 = 851.99 Kg/h de melaza Balance en etapa II En el tacho I J2 = C2 + V2 J2 = 798.74 +226.75 = 1064.99 Kg/h cristales de etapa II En centrifuga C2 = M2 + Cr2
Cr2 =C2 – M2 = 798.74 – 383.39 = 415.34 Kg/h de azúcar refinada en II En tanque de dilución refinado R2 = cr2 + A2 R2 = 415.34 + 207.67 R2 = 623.02 Kg/h
1.9.
SECADO
En este tratamiento se usara un secador rotativo donde habrá un flujo de aire seco a temperatura entre 30-40ºC el cual no están caliente debido a que si lo es puede perjudicar las propiedades sensoriales y organolépticas del producto. El porcentaje de humedad del producto final es de 0.44% Balance de masa en el secador Azucar comercial; Azc= 464.8 Kg/h ;%H=0.44%
Azucar refinada; Az = 474.29Kg/h; %H=2%
Aire seco; As
Aire humedo; Ah
Az + As = Azc + Ah
DISTRIBUCION DE PLANTA
DISTRIBUCIÓN EN PLANTA PARA LA PRODUCCIÓN DE AZÚCAR
METODO A UTILIZAR: Criterios cualitativos Técnica desarrollada por Muther y Wheeler denominada SLP (Systematic Layout planning), en ella las prioridades de cercanía entre secciones se asimilan a un código de letras de la siguiente manera:
Tabla 1: Maquinas y equipos para el cuadro de interrelaciones SECCIÓN Recepción Recepción Adecuación Transporte Molienda Mezclado Clarificación Clarificación Clarificador Evaporación Evaporación Evaporación
EQUIPO bascula Transportador de cañas Maquina cortadora Riel de engranajes Molino de rodillos Tanque de jugo mezclado Calentador Clarificador continuo Tanque de jugo filtrado Evaporador al vacío 1 Evaporador al vacío 2 Evaporador al vacío 3
S S01 S02 S03 S04 S05 S06 S07 S08 S09 S10 S11 S12
Evaporación Cristalización Cristalización Cristalización Mezclado Mezclado Mezclado Centrifugación Centrifugación Centrifugación Clarificación Filtración Secado
Tanque de meladuras Tacho de calandria 1 Tacho de calandria 2 Tacho de calandria 3 Tanque de mezclado 1 Tanque de mezclado 2 Tanque de mezclado 3 Centrifuga 1 Centrifuga 2 Centrifuga 3 Clarificador Tanque de filtración Banda secadora con elevador rotatorio Empaque Tolva de empaque Empaque Empacadora Almacenamiento cuarto
S13 S14 S15 S16 S17 S18 S19 S20 S21 S22 S23 S24 S25 S26 S27 S28
TABLA 2: Interrelaciones de equipos s0 s02 s03 s04 1 A E E s0 1 1 1 1 A E s0 2 1 2 A s0 3 1 s0 4 s0 5 s0 6 s0 7 s0 8 s0 9 s1 0 s1 1 s1 2 s1 3 s1
s05 s06 s07 s08 s09 s10 s11 s12 s13 s14 s15 s16 s17 s18 s19 s20 s21 s22 s23 s24 s25 s26 s27 s28 E
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4 s1 5 s1 6 s1 7 s1 8 s1 9 s2 0 s2 1 s2 2 s2 3 s2 4 s2 5 s2 6 s2 7
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1 I
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1 I
1 A
1 E
1
1 A 1
En el siguiente grafico se representa el diagrama de flujo, según la secuencia del proceso y sobre el se representan las convenciones según la relación que tiene cada equipo o sección, determinadas en la tabla anterior.
S01
S18
S19
S02
S17
S20
S03
S16
S21
S04
S15
S22
S05
S14
S23
S06
S13
S24
S07
S12
S25
S08
S11
S26
S09
S10
S27
S28
