DISEÑO DE UN CENTRO DE ACOPIO DE LECHE FRESCA
POR: ANDRÉS FELIPE ALDANA RICO
UNIVERSIDAD DEL TOLIMA FACULTAD DE INGENIERÍA AGRONÓMICA PROGRAMA DE INGENIERÍA AGROINDUSTRIAL ASIGNATURA DE DISEÑO DE PLANTA IBAGUÉ 2004
DISEÑO DE UN CENTRO DE ACOPIO DE LECHE FRESCA
POR: ANDRÉS FELIPE ALDANA RICO 030100112000
PRESENTADO A: CARLOS ARTURO SÁNCHEZ JIMÉNEZ INGENIERO MECÁNICO
UNIVERSIDAD DEL TOLIMA FACULTAD DE INGENIERÍA AGRONÓMICA PROGRAMA DE INGENIERÍA AGROINDUSTRIAL ASIGNATURA DE DISEÑO DE PLANTA IBAGUÉ 2004
1. INTRODUCCIÓN
En la industria industria la leche es una materia prima de vital importancia importancia para la fabricación de productos derivados de esta, que pueden llegar a tene tenerr un ma mayo yorr va valo lorr ag agre rega gado do y un unas as me mejo jore ress ca cara ract cter erís ístitica cass organolépticas para el consumidor, haciendo este tipo de productos máss atra má atracctivo tivoss para ara el clien liente te y en algu alguno noss cas asos os de mejor ejores es características que la leche misma. Debido a que se aumenta su vida útil y además se hace más atractiva para el consumidor.
2. JUSTIFICACIÓN
Por lo anterior es de vital importancia diseñar y poner en marcha plantas industriales procesadoras de leche fresca y de los derivados que se pueden obtener de esta, ya que con ellas se puede dar un mayor valor agregado a la leche y se puede conservar a esta por un mayor tiempo, además se puede ayudar a mejorar la accesibilidad de la población nacional a este tipo de productos, que contribuyen a la mejora d la seguridad alimentaria de los habitantes del país.
3. OBJETIVOS 3.1. OBJETIVO GENERAL •
Diseñar un centro de acopio de 25.000 litros día de leche fresca, como parte de una planta productora de derivados lácteos
3.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS •
Diseñar una línea de procesamiento de leche entera ultrapasteurizada.
•
Diseñar una línea de proceso para la producción de Leches semidescremadas y deslactosadas.
•
Diseñar una línea de proceso para la producción de yogurt.
•
Diseñar una línea de proceso para la producción de kumis.
•
Diseñar una línea de proceso para la producción de Quesos Frescos y Madurados.
•
Diseñar una línea de proceso para la producción de Mantequilla.
•
Diseñar una línea de proceso para la producción de Crema de leche.
•
Diseñar una línea de proceso para la producción de Dulces de leche.
•
Diseñar una línea de proceso para la producción de Leche en Polvo.
•
Determinar la ubicación de la planta en el país tomando en cuenta la ponderación matricial de los factores de localización.
4. MARCO TEÓRICO 4.1 DEFINICIONES 4.1.1 La Leche La leche es definida como el líquido obtenido en el ordeño higiénico de vacas bien alimentadas y en buen estado sanitario. Cuando es de otro otross an anim imal ales es se de debe be indi indica carr clar claram amen ente te su proc proced eden enci cia; a; po por r ejemplo, leche de cabra y leche de oveja. El nombre genérico de productos lácteos se aplica a todos los derivados, ya sean extraídos de ella como la mantequilla y la crema de leche, o fabricados a partir de ella como el queso y el yogurt1.
4.1.1.1 Composición Química de la Leche La leche es un líquido blanco, de sabor ligeramente dulce, con una densidad densidad que varía entre 1,030 y 1,033 g/cm3, es rica en agua, y tiene una propor proporci ción ón ap aprox roxim imada ada de só sólilidos dos graso grasoss ce cerc rcana ana al 4% 4%,, su contenido de sólidos no grasos es casi el 9,5% de la mezcla, dentro de estos sólidos se puede encontrar la lactosa (Azúcar de la leche), la proteínas (En mayor parte Caseína) y en una mayor proporción las vitaminas y sales inorgánicas2. 1 2
AMIOT, Jean. Ciencia de la leche, Editorial Acribia, Zaragoza, España, 1990. AMIOT, Jean. Ciencia de la leche, Editorial Acribia, Zaragoza, España, 1990.
4.1.2 Los Derivados Lácteos Se entiende como derivado lácteo a todo producto que se fabrica tomando como materia prima la leche, ya sea extraído o fabricado a base de ella3. Dentro de los derivados lácteos más comunes se pueden encontrar: •
Leches Acidificadas como el yogurt y el kumis.
•
Leches Reconstituidas.
•
Productos Grasos como la mantequilla y la crema de leche.
•
Leches
Modificadas
como
la
leche
descremada,
semidescremada y deslactosada. •
Leches Pulverizadas.
•
Dulces de leche como el arequipe y la leche condensada.
•
Quesos frescos y maduros.
4.1.3 La Producción de Leche en Colombia La prod oduc uccción de lec eche he en Colombia seg egúún el Minis nisterio de Agricultura, la Asociación Nacional de Productores de Lácteos en Colo olombia bia ANALAC, y la Fede dera racción nac aciion onal al de Gan Ganade dero ross FEDEGAN se divide en cuatro regiones que son: •
Zona Atlántica con un 40% de la producción.
•
Zona Centro-Oriental con un 34% de la producción.
WALSTRA, Paul. Ciencia de la leche y Tecnología de los productos Lácteos, Editorial Acribia, Zaragoza, España, 1996. 3
•
Zona Occidental con un 17% de la producción.
•
Zona Sur con un 9% de la producción.
También según las anteriores instituciones la producción diaria de leche en Colombia varía entre 16 y 16,5 millones de litros, de los cuales hay cerca de un 80% captado por plantas procesadoras de leche y derivados lácteos, y aproximadamente un 20% que se vende de manera informal como leche cruda. Se estima según ANALAC y FEDEGAN que la cantidad de leche que se comercializa de manera informal se reparte de la siguiente manera: •
Zona Atlántica 30% (990.000 litros/día) litros/día)
•
Zona Centro 40% (1’320.000 litros/día)
•
Zona Occidental 13% (429.000 litros/día) litros/día)
•
Zona Sur 17% (561.000 litros/día)
4.2 UBICACIÓN DE LA PLANTA
A partir de este este valor se van van a escoger 4 posibles posibles ubicacione ubicacioness para la planta tomando como principal parámetro la disponibilidad de leche en cada zona. Como posibles ubicaciones tomando en cuenta la cercanía a los centros de producción se proponen: •
El Carmen de Bolívar, Bolívar (Zona Atlántica)
•
El Valle de Ubaté, Cundinamarca (Zona Centro)
•
Popayán, Cauca (Zona Sur)
•
Montenegro, Quindío (Zona Occidental)
Esas Esas posibles posibles ubicac ubicacion iones es se proponen proponen de acuerdo acuerdo a las vías de acceso terrestres, la cercanía a ríos u otras fuentes de agua, así como la facilidad de captación de leche de las zonas aledañas. Ahora se va a hacer una breve reseña de información sobre cada departamento en el cual se propone una ubicación:
4.2.1 Bolívar Es un departamento de tierra bajas con abundante disponibilidad de agua debido a la gran cantidad de brazos, ciénagas, caños y pantanos que se le unen a los ríos San Jorge, Magdalena y Cauca que circulan por la región, el 49% de la población no supera los 23 años, es un depa de part rtam amen ento to co conn un alta alta dis dispo poni nibi bililida dadd de ma mano no de ob obra ra no calificada, es considerada una cuenca lechera de trópico bajo, donde predomina la ganadería de doble propósito, se escogió a el Carmen de
Bolívar por que está fuera de la depresión Momposina, lo que la hace una zona de pocas posibilidades de inundación, pero esta cerca cerca de 2 brazos del río Magdalena, lo que garantiza garantiza una disponibilida disponibilidadd de agua durante todo el año, además tiene un aeropuerto pequeño y varias vías de acceso terrestres que llevan a zonas de alta concentración poblacional como son Cartagena, Barranquilla, Sincelejo, Santa Marta y Montería4.
4.2.2 Cundinamarca Es un de depa part rtaame ment ntoo de tier tierra rass alta altass y plan planas as con ab abun unda dant ntee disponibilidad de agua debido a la gran cantidad de lagos y lagunas existentes, es un centro económico político y social muy importante para el país. Sus tierras son las más costosas del país, y tiene una gran gran can anttidad idad de po pobl blac ació iónn de dedi diccad adaa a la ga gana nade derí ríaa lec leche hera ra especializada, casi toda concentrada en el Valle de Ubaté, que tiene los mejores rendimientos lecheros por cabeza en el país.5.
4.2.3 Cauca Es una región rica en cuencas hidrográficas, también se desarrolla una ganadería de doble propósito, los costos de la tierra no son tan altos, Tomado de ENCICLOPEDIA COLOMBIA VIVA EL TIEMPO, Casa Editorial EL TIEMPO, Cali, Colombia, 2000. Tomado de ENCICLOPEDIA COLOMBIA VIVA EL TIEMPO, Casa Editorial EL TIEMPO, Cali, Colombia, 2000. 4
5
pero es una zona aquejada por la violencia y la inseguridad reinante en el país. También es conocida por ser un centro político y cultural del país, tiene una buena accesibilidad por tierra, tiene un porcentaje de analfabetismo del 25%, y una población con baja calidad de vida, la población se concentra en el campo, lo que le da a Popayán, el carácter de Ciudad-Región6.
4.2.4 Quindío Es una región con bajos niveles de analfabetismo, bajos costos de terre terreno no y una ace acepta ptabl blee disp disponi onibi bililidad dad de de agua agua debido debido a la la gran gran cantidad de riachuelos, quebradas y pequeños ríos que se desprenden de la cordillera central, existen tanto ganadería de doble propósito, como lechería especializada, hay una alta disponibilidad de mano de obra especializada y no calificada, además presenta una alta tasa de urbanización, lo que genera un mercado de gran tamaño en la sola región7. Según lo anterior y otras informaciones tomadas del Departamento Nac aciion onal al de Plan anea eacción DNP, el Dep epaartam amen entto Nacion onaal de Estadística DANE y FEDEGAN, se va a realizar una ponderación de los factores de localización para determinar la mejor ubicación dentro de las las prop propue uesstas. tas. Para ara es estto se le va a as asiign gnar ar los los sigu siguiien ente tess
Tomado de ENCICLOPEDIA COLOMBIA VIVA EL TIEMPO, Casa Editorial EL TIEMPO, Cali, Colombia, 2000. Tomado de ENCICLOPEDIA COLOMBIA VIVA EL TIEMPO, Casa Editorial EL TIEMPO, Cali, Colombia, 2000. 6
7
porcentajes de importancia a los factores de localización considerados dentro de la ponderación: •
Disponibilidad de Materias Primas 25%
•
Disponibilidad de Agua 25%
•
Vías de Transporte 20%
•
Cercanía a Zonas Urbanas de Mercado 10%
•
Servicios Públicos 10%
•
Cercanía a Universidades y Centros de Capacitación 5%
•
Costo del Terreno 5%
A cada ubicación se le va a calificar de 1 a 100 de acuerdo a los datos consultados y a multiplicar por el porcentaje de cada factor para determinar la mejor localización. (Ver siguiente página)
Tabla 1. Resultados de la Ponderación Ciudad Carmen de Bolívar Ubaté Popayán Montenegro Ciudad Carmen de Bolívar Ubaté Popayán Montenegro
Ciudad Carmen de Bolívar Ubaté Popayán Montenegro
Ciudad Carmen de Bolívar Ubaté Popayán Montenegro
Materias Primas 90
Fracción Ponderación Agua 0,25
22,5
Fracción Ponderación 10 0
0,25
100 0,25 25 85 60 0,25 15 100 55 0,25 13,75 95 Transporte Fracción Ponderación Mercado 90 95 10 0 90 Servicios Públicos 90 90 10 0 90 Costo del Terreno
25
0,25 21,25 0,25 25 0,25 23,75 Fracción Ponderación
0,2
18
95
0,1
9,5
0,2 0,2 0,2
19 20 18
95 100 100
0,1 0,1 0,1
9,5 10 10
Frac Fracci ción ón Pond Ponder erac ació ión n Univ Univer ersi sida dade dess Frac Fracci ción ón Pond Ponder erac ació ión n 0,1
9
90
0,05
4,5
0,1 0,1 0,1
9 10 9
90 100 90
0,05 0,05 0,05
4,5 5 4,5
Frac Fracci ción ón Pond Ponder erac ació ión n Tota Totall
1 00
0,05
5
88,55
60 75 1 00
0,05 0,05 0,05
3 3,75 5
88,3 85,05 79,05
Según la ponderación anterior, la localización más adecuada es el Carmen de Bolívar por un escaso margen sobre el Valle de Ubaté, por lo tant tantoo en es este te es estu tudi dioo se tom omar aráá el carme armenn de Bolív olívar ar com omoo ubicación de la planta.
4.3 DISTRIBUCIÓN EN PLANTA Para poder determinar la distribución de la planta se va a utilizar una matriz de distribución funcional de departamentos 8.
Tabla 2. Relaciones entre Zonas de la Planta Zona
Símb Símbol oloo Rece Recepc pción ión
Recepción
a
Leches UHT Productos Grasos Leches fermentadas Dulces de leche Leche en Polvo Zona Administrativa Calderas y d em á s
b
x
c
x
d
x
e f
Mantenimiento Tratamiento de Aguas Baños y Vestieres Parqueaderos Recreación y Zonas Verdes
8
Leches UHT
Productos Dulces Gras Grasos os Ferm Fermen enta tado doss de leche
x
x
x
x
Leche en Polvo
Administrativa
Calderas
Tratamiento Baños y Mantenimiento de Aguas Vestie Vestieres res Parque Parqueader aderos os
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
g
x
h
x
x
x
x
x
i
x
x
x
x
x
x
j
x
x
x
x
x
x
k l
Recreación y Zonas Verdes
x
x x
x
x x
x x
x
BUFFA, Elwood. Administración Administración y Dirección Técnica de la Producción, Limusa Editores, México DF, México, 1982
De acuerdo a la anterior tabla se pueden graficar las relaciones entre zonas para tener una noción inicial de la planta
Gráfico 1. Diagrama de Relación entre Zonas
l
a
x x
x
m
x
b
De acuerdo a la anterior tabla se pueden graficar las relaciones entre zonas para tener una noción inicial de la planta
Gráfico 1. Diagrama de Relación entre Zonas
l
m
a
b c
g
f e
d
j
h
i
El anterior diagrama se pude introducir introducir en una figura geométrica, geométrica, para obtener una distribución de planta.
Gráfico 2. Distribución Propuesta para la Planta
l
a
b
c m
e f
g d h
i
j
4.4 INGENIERÍA DEL PROYECTO 4.4.1 Diagramas de Flujo de los Procesos Para esquematizar esquematizar la gran variedad variedad de procesos procesos de transformación transformación y operaciones unitarias que se van a llevar a cabo en la planta se realizaron diagramas de bloques y diagramas de flujo (Flow Chart) para cada producto a elaborar.
4.4.1.1
Leches
Líquidas
UHT
(Entera,
Descremada
y
Semidescremada). Las leches UHT o también llamadas leches de larga duración, son aquellas que son sometidas a un tratamiento térmico tan fuerte que inac inactitiva va y/o y/o destr destruy uyee la tota totalilida dadd de mi micr croor oorgan ganis ismos mos,, es espor poras as y enzimas presentes en la misma. Además debe tener un envasado asépt as éptic icoo que ga garan rantitice ce la co compl mplet etaa es este teri rililiza zaci ción ón del produc producto to ya empacado, para así alargar su vida útil útil9. El proceso de elaboración que se propone se ve esquematizado en los siguientes gráficos (Ver páginas siguientes):
Gráfico3. Diagrama de Bloques para la Elaboración de Leches Líquidas UHT.
Tomado de MANUAL DE INDUSTRIAS LÁCTEAS de Tetra Pak SA. Presente en http://www.infoleche.com 9
Recepción
Análisis de Calidad
Enfriamiento Previo
Descremado Homogeneización Estandarización
Tratamiento UHT Enfriamiento
Envasado Aséptico Almacenamiento Refrigerado Despacho
Gráf Gráfic ico o 4. Diag Diagra rama ma de Fluj Flujo o pa para ra la Elab Elabor orac ació ión n de Le Lech ches es Líquidas UHT.
Almacenamiento Envasado Aséptico Cuarto Frío Despacho Pasteurización Regenerativa
Descremado y Normalización Homogeneización
Precalentamiento
Recepción
Almacenamiento Previo
Filtrado
Enfriamiento
Donde las líneas negras son de flujo de leche líquida, las rojas de agua caliente, las azules de agua fría, y la amarilla de grasa láctea. Por último, vale la pena aclarar que debido a los fuertes tratamientos térmicos que se le da al producto, este sufre ligeras modificaciones por precipitación
de
cantidades mínimas
de
sales minerales
desnaturalización parcial de las proteínas globulares de la leche10.
4.4.1.2 Crema de Leche 10
AMIOT, Jean. Ciencia de la Leche. Editorial Acribia, Zaragoza, España, 1990.
y
La crema de leche es el producto obtenido por la extracción de una parte o la totalidad de la grasa láctea, para después concentrarla hasta cierto punto, formando una emulsión en la cual la fase dispersa es el agua y la fase continua es la grasa, si se quiere se puede llevar a maduración con el fin de darle características especiales al producto final, es de color blanco hueso y de una viscosidad media11. El Proceso de elaboración propuesto se ve esquematizado en las páginas siguientes.
Gráfico 5. Diagrama de Bloques para la Elaboración de Crema de Leche.
WALSTRA, Paul. Ciencia de la Leche y Tecnología de los Productos Lácteos. Editorial Acribia, Zaragoza, España, 1995. 11
Recepción
Análisis de Calidad
Enfriamiento Previo Leche Estandarizada
Descremado Estandarización del Contenido Graso Acidificación
Homogeneización
Tratamiento Térmico Enfriamiento Maduración Envasado Maduración Almacenamiento Despacho
Gráfico 6. Diagrama de Flujo para la Elaboración de Crema de Leche.
Almacenamiento
Maduración
Envasado Aséptico Maduració n
Acidificación
Descremado y Normalización
Almacenamiento Previo
Recepción
Filtrado
Precalentamient o
Enfriamiento
Lass co La conv nven enci cion ones es de las las líne líneas as de fluj flujoo so sonn las las mi mism smas as qu quee se utilizaron en el gráfico 4.
4.4.1.3 Mantequilla
Gráfico 7. Diagrama de Bloques pa parra la Elaboración de Mantequilla. Recepción
Análisis de Calidad
Enfriamiento Previo
Descremado
Leche Descremada
Pasteurización de la Nata Preparación del Cultivo Maduración física y acidificación de la grasa Tratamiento térmico
Batido
Mazada
Amasado y salado Moldeado y Envasado Refrigeración y Almacenamiento
La mantequilla es quizá el derivado lácteo graso más pupilar en el mercado colombiano. Puede ser madurada (De nata ácida) o sin maduración (De nata dulce), para esto se somete al producto a un proceso de maduración en presencia de microorganismos que le dan
un sabor característico. El proceso de elaboración se puede ver en los gráficos 7 y 8.
Gráfico 8 Diagrama de Flujo para la Elaboración de Mantequilla. Almacenamiento
Envasado y Moldeado
Amasado y Salado
Batido
Mazada Pasteurización
Maduración y Acidificación
Descremado
Almacenamiento Previo Recepción
Filtrado
Precalentamie nto
Enfriamiento
4.4.1.4 Quesos Los quesos son quizás los derivados lácteos más comunes y de mayor grado de comercialización alrededor del planeta. Esto se debe a que desde desde ha hace ce mu much choo tiem tiempo po se es están tán fab fabric ricand ando, o, alguno algunoss indi indici cios os muestran que desde la época de los nómadas se viene obteniendo este es te prod produc ucto to.. En la ac acttua ualilida dadd se pu pued edee con onse segu guiir fresc rescoo o
madurado, y puede fabricarse a partir de la leche de cualquier especie animal12.
Gráfico 9. Diagrama de Bloques para la Fabricación de Quesos Frescos y Madurados. Recepción de la Leche Termización Desnatado y Normalización Lactosuero Cuajado
Pre-Prensado Moldeado
Cheddarización
Prensado Final
Molienda
Salado
Moldeado Distribución Prensado Final Maduración
Empacado y Almacenamiento
Gráfico 10. Diagrama de Flujo para la fabricación de Quesos Frescos y Madurados. 12
AMIOT, Jean. Ciencia de la Leche. Editorial Acribia, Zaragoza, España, 1990.
Almacenamiento Maduración
Prensado Final Moldeado y Salado
Cuajado, Cortado y Prensado
Lactosuero
Recepción
Lactosuero
Filtrado
Termización
Descremado y Normalización
El gráfico anterior sigue las mismas convenciones citadas en el gráfico 4, solo que la línea azul intermitente indica los flujos más notorios de lactosuero del proceso.
4.4.1.5 Leche en Polvo La leche en polvo es otro de los derivados lácteos que ha alcanzado altos niveles de producción y comercialización alrededor del mundo. Ya que presenta grandes ventajas en lo que se refiere a transporte y a tiempo de duración. El proceso de obtención propuesto es el siguiente:
Gráfico 11. Diagrama de Bloques para la Obtención de Leche en Polvo. Recepción de la Leche Estandarización
Homogeneización
Concentración
Secado
Empacado
Almacenamiento Despacho
Gráfico 12. Diagrama de Flujo para la Obtención de Leche en Polvo.
Almacenamiento
Empaque
Secado
Concentración
Descremado y Normalización Homogeneización
Precalentamiento
Recepción
Almacenamiento Previo
Filtrado
Enfriamiento
Nota: Las líneas rojas punteadas son líneas de vapor, y las verdes y aguamarinas son de aire caliente y frío respectivamente.
4.4.1.6 Leches Fermentadas Las leches fermentadas como el yogurt, el kumis y el kéfir, también son productos muy antiguos, que han alcanzado altísimos niveles de prod produc ucci ción ón y me merc rcad adeo eo a nive nivell mu mund ndia ial,l, de debi bido do a la faci facililida dadd de fabricación y al alto nivel de aceptación que muestra el consumidor normal hacia ellos, en Colombia son más comunes el kumis y el
yogurt, este último se consume en forma fluida o sólida13. El proceso propuesto se esquematiza a continuación:
Gráfico 13. Diagrama de Bloques para la Elaboración de Leches Fermentadas. Recepción de la Leche Tratamientos previos Homogeneización
Preparación de la mezcla
Pasteurización y Enfriamiento Inoculación
S E M RI F S O T C U D O R P
Incubación en Envases
Incubación en Tanque
Almacenamiento Refrigerado
Agitación Saborización
Despacho
P R O D U C T O
S F L U ID O S
Envasado
Gráfico 14. Diagrama de Flujo para la Elaboración de Leches Fermentadas. Tomado de CARACTERIZACIÓN DE LA CADENA LÁCTEA EN COLOMBIA del Observatorio Agrocadenas del Ministerio de Agricultura de la República de Colombia, http://www.agrocadenas.gov.co
13
Almacenamiento
Envasado Cuarto Frío
Y
X
Despacho
Descremado y Normalización Homogeneización
Enfriamiento
Recepción
Almacenamiento Previo
Filtrado
Enfriamiento
En los tanques X y Y se realizan operaciones múltiples tales como la inoculación, incubación y batido (En el X) y la Saborización (En el Y). Además vale la pena aclarar que las líneas púrpura son líneas de aditivos como azúcar, leche en polvo y jaleas de frutas.
4.4.1.7 Leche Condensada y Arequipe. Se ha decidido agrupar estos dos bienes en un solo bloque debido al alto grado de semejanza que tienen los procesos de fabricación de este tipo de productos, y además a que la única diferencia entre ellos es el nivel de concentración concentración de azúcares azúcares y el grado de caramelizaci caramelización ón de estos. Los procesos de elaboración se esquematizan a continuación:
Gráfico15. Diagrama de Bloques para la Elaboración de Leche Condensada. Recepción de la Leche Tratamientos previos
Pasteurización
Homogeneización
Evaporación
Enfriamiento
Envasado
Almacenamiento y Despacho
Gráf Gráfic ico o 16. 16. Diag Diagra rama ma de Fluj Flujo o pa para ra la Elab Elabor orac ació ión n de Le Lech chee Condensada.
Empaque
Almacenamiento
Concentración
Descremado y Normalización Homogeneización
Precalentamiento
Recepción
Almacenamiento Previo
Filtrado
Enfriamiento
En este gráfico se siguieron las mismas convenciones que en los anteriores.
Gráfico 17. Diagrama de Bloques para la Elaboración de Arequipe.
Recepción de la Leche Tratamientos previos
Pasteurización
Homogeneización
Concentración Aerobia
Enfriamiento
Envasado
Almacenamiento y Despacho
Gráfico 18. Diagrama de Flujo para la Elaboración de Arequipe.
Empaque Almacenamiento
Concentración Aerobia
Descremado y Normalización Homogeneización
Precalentamiento
Recepción
Almacenamiento Previo
Filtrado
Enfriamiento
Ahora, de igual manera a como se hizo en la distribución de planta, se va a plantear una matriz de relaciones entre las etapas de todos los procesos propuestos para determinar la ubicación de cada equipo y cuantos de ellos pueden ser utilizados en varios procesos. Esto se ve ilustrado en la tabla 3.
Tabla 3. Matriz de Relaciones entre Etapas y Productos.
ETAPAS Recepción Análisis Calidad Enfriamiento Previo Descremado y estandarización Homogeneización Tratamiento Térmico UHT Enfriamiento Pasteurización de la Nata Acidificación Tratamiento térmico Batido Amasado y salado Moldeado Termización Cuajado Moldeado Prensado Molienda* Maduración* Concentración Secado Inoculación Incubación Batido Saborización Evaporación al Vacío
Leches Leche en Liquidas Mantequilla Polvo X X X X X X X X X
PRODUCTOS Leche Condensada Arequipe X X X X X X
Crema de Leche X X X
Leches fermentadas X X X
X
X
X
X
X
X
X
X X X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X X
X
X X X X X X X
X
Quesos X X X X
X X X X X X
X X X
X
X
X X X X
X
Tabla 3. Continuación. Concentración aerobia Envasado y/o Empacado Envasado Aséptico Almacenamiento Almacenamiento No Refrigerado Almacenamiento Refrigerado Despacho
X
X
X
X X
X
X X X
X X X
X
X
X
X
X
X
X X X
X X
X
Como se puede apreciar hay varias etapas que son comunes para todos los productos, como la recepción, el análisis de calidad, el enfriamiento previo, la estandarización, la homogeneización
Tabla 3. Continuación. Concentración aerobia Envasado y/o Empacado Envasado Aséptico Almacenamiento Almacenamiento No Refrigerado Almacenamiento Refrigerado Despacho
X
X
X
X X
X
X X X
X X X
X
X
X
X
X
X
X X X
X X
X
Como se puede apreciar hay varias etapas que son comunes para todos los productos, como la recepción, el análisis de calidad, el enfriamiento previo, la estandarización, la homogeneización (Exceptuando el Queso), el almacenamiento y el despacho, ahora debido a esto se va a plantear que etapas se pueden compartir entre productos.
Tomando en cuenta la matriz de relaciones antes ilustrada, ilustrada, se decidió tener una zona de recepción compartida para todos los productos exceptuando a las leches UHT que por razones de asepsia deben tener una línea de proceso completamente aparte al resto de la planta. También se estableció que la zona de descremado y estandarización puede ser compartida, así como el almacenamiento refrigerado y el no refri refriger gerado ado de produ product ctoo termi terminad nado, o, por lo tant tantoo se obt obten endrí dríaa un unaa
Tomando en cuenta la matriz de relaciones antes ilustrada, ilustrada, se decidió tener una zona de recepción compartida para todos los productos exceptuando a las leches UHT que por razones de asepsia deben tener una línea de proceso completamente aparte al resto de la planta. También se estableció que la zona de descremado y estandarización puede ser compartida, así como el almacenamiento refrigerado y el no refri refriger gerado ado de produ product ctoo termi terminad nado, o, por lo tant tantoo se obt obten endrí dríaa un unaa distribución en planta de la siguiente manera:
Gráfico 19. Nueva Distribución en Planta
Parqueaderos
Laboratorio
Recepción
P. Grasos
Leches UHT
Almacenes de Producto Terminado
P. Dulces Leche en polvo
Recreación Zona Administrativa
Leches Fermentadas Parqueadero y Despacho de Producto Terminado
Quesos
Tratamiento de Aguas
Servicios Generales
Mantenimiento
Al introducir los diagramar de flujo y utilizar el concepto de equipos compartidos, se obtuvo la distribución en planta que se presenta a continuación:
Gráfico 20. Distribución de Equipos en Planta
o d a s a v n E
Cuarto frío
o ict p é s A
Almacenes de Producto Terminado
Laboratorio
Zona Administrativa e R
er c
i
c a
Ay Sal Empaque
Empaque
Almac.
Almac.
n ó
Empaque Empaque
Almac.
Parqueadero y Despacho de Producto Terminado
Almacen. Moldeo Prens.
Tratamiento de Aguas
Empaque
Maduración
Servicios Generales Mantenimiento
Ahora se va a proceder al cálculo de cada área de proceso.
4.4.2. Caracterización Caracterización de las Áreas de la Planta. 4.4.2.1. Mecanismos de Recepción de Leche. Primero se va a definir la cantidad diaria de leche a procesar, para esto se tomará como base de cálculo los 990.000 litros/día que se comercializan de manera informal en la costa atlántica, cuyas zonas
de producción más importantes se encuentran en el departamento de Córdoba, en el Centro y Sur de Bolívar, en Sucre y el Bajo Magdalena. Por lo tanto se plantea que se pueda contar con el 40% de esa porción de leche que son comercializados informalmente en la región. Tomando como base lo anterior, se contaría con un suministro de materia prima entre 396.000 y 400.000 litros de leche diarios. Para recolectar la leche se plantea crear 8 centros de acopio en la zona, que estarían ubicados en: •
Sahagún, Córdoba.
•
Planeta Rica, Córdoba.
•
La Unión, Sucre.
•
Corozal, Sucre.
•
Magangué, Bolívar.
•
Simití, Bolívar.
•
Ariguaní, Magdalena.
•
Fundación, Magdalena.
Se escogieron estos lugares tomando en cuenta su accesibilidad por tierra, la cercanía a zonas productoras y sus medios de transporte alte alterno rnoss co como mo so sonn los los ríos ríos navega navegabl bles es,, ae aerop ropuer uerto toss pe peque queños ños y algunas vías férreas. De acuerdo a lo anterior se espera que en cada centro de acopio se reciba leche dos veces al día, una del ordeño de la madrugada y otra
del de medio día, a estos centros llega la leche en cantinas y allí se filtra y se lleva a 4°C para luego montarla a carrotanque que la transporta hasta la planta. En cada centro de acopio se espera tener la siguiente recolección diaria de leche:
Tabla 4. Estimaciones de Recolección Diaria en cada Centro de Acopio.
Ubicación El Carmen de Bolívar Magangué Corozal Ariguaní Simití La Unión Fundación Sahagún Planeta Rica
Código de Identificación Planta CR1 CR2 CR3 CR4 CR5 CR6 CR7 CR8
Estimación de Recolección (litros/día) 5 0 .0 00 5 0 .0 0 0 3 0 .0 0 0 3 5 .0 0 0 3 5 . 00 0 7 5 .0 0 0 2 5 .0 00 4 0.000 6 0 .0 00
Las estimaciones se realizaron debido a la ubicación de cada centro de acopio en las zonas productoras de leche en esa cuenca lechera. El centro más grande se ubicó en el municipio de La Unión, Sucre debido a estar en medio de la zona de producción de leche más grande del país, que es el sur de Sucre14, además en esta localidad se Tomado de ENCICLOPEDIA COLOMBIA VIVA EL TIEMPO. Casa Editorial El Tiempo, Cali, Colombia, 2000. 14
pued pu edee reco recole lect ctar ar lech lechee prov proven enie ient ntee de mu muni nici cipi pios os de dell no nort rtee de Antioquia como Caucasia, Nechí y Tarazá. El sistema de recolección en cada centro consta de 10 montacantinas montacantinas manuales, donde en un tiempo cercano a las 20 segundos el operario puedee descargar pued descargar una cantin cantinaa de 40 litros a un tanque tanque abierto abierto que alimenta una bomba que manda la leche hasta unos filtros de tambor rotatorio continuos que son los más recomendados para procesos continuos de gran capacidad15 , para luego ir a un intercambiador de placas que enfría la leche hasta 4°C para que luego sea almacenada en tanqu tanques es ha hast staa que se seaa trans transpor porta tada da vía vía ca carr rrot otanq anque ue hasta hasta la planta. Por lo tanto los diagramas de flujo que representarían al centro de acopio serían:
Gráfico 21. Diagrama de Bloques para las Operaciones Realizadas en el Centro de Acopio.
GEANKOPLIS, Christie J. Procesos de Transporte y Operaciones Unitarias. Compañía Editorial Continental de CV, México DF, México, 1999.
15
Descarga de Cantinas
Muestreo de Calidad
Recepción en Tanque Abierto
Filtración Enfriamiento Almacenamiento Previo
Despacho en Carrotanque
Gráfico 22. Diagrama de Flujo para las Operaciones Realizadas en el Centro de Acopio.
Almacenamiento Previo
Filtrado
Enfriamiento
4.4.2.1.1. Diseño de los Centros de Acopio 4.4. 4.4.2. 2.1. 1.1. 1.1. 1. Dise Diseño ño pa para ra la Capa Capaci cida dad d de 25.0 25.000 00 Litro Litross al Día Día (Fundación) Este centro tiene una capacidad de recepción diaria de 25.000 litros, que se divide en 2 tandas iguales de 12.500 litros, la primera llega a las 5:30 AM y debe despachar la leche fría a las 8:30 AM, la segunda llega a las 4:30 PM y debe despachar a las 2:30 AM, para garantizar que la primera tanda llegue a la planta a las 11:00 AM y la segunda tanda a las 5:00 AM. (La distancia entre Fundación y El Carmen de Bolívar es de cerca de 150 Km.).
4.4.2.1.1.1.1. 4.4.2.1.1.1.1. Tanque de d e Recepción Abierto.
Cada tanque de recepción estará alimentado por un montacantinas, lo que permite darle una capacidad de 200 litros a cada uno, con un indicador de nivel a los 120 litros y a los 20, para que la bomba mantenga un caudal constante de 1000LPM, lo que permitiría procesar la totalidad de la leche en menos de una hora.
Gráfico 23. Tanque de Recepción en los Centros de Acopio. Vistas del Interior del Tanque X
X
X
X
X
3
1 ,
0,05X X
0 ,0 5
Ahora se va a calcular el valor de X para obtener un tanque que me gara ga rant ntiice un volum olumen en de 20 2000 res respe peta tand ndoo las las con ondi dici cion ones es qu quee arbitrariamente se han dado como que el alto total sea 1,3X mientras que el ancho sea X.
0,2 = X3 + ((√ (0,09X2 + X2))*0,3X) X/3 0,2 = X3 + 0,104X3 X3 = 0,2/1,104 X = 3√ (0,1811) X = 0,566m Por lo Anterior se puede concluir que el lado X del tanque es de 60 centímetros aproximadamente, lo que le da al tanque una capacidad de 238 litros. Antes de calcular la bomba, se necesitan calcular los otros equipos para hallar su caída de presión.
4.4.2.1.1.1.2. 4.4.2.1.1.1.2. Filtro Vertical Según la revisión bibliográfica que se realizó, se puede afirmar que este tipo de equipo es el más adecuado para este tipo de proceso, debido a que presenta las siguientes características16: •
Alto porcentaje de remoción de líquidos.
•
Manejan un rango muy amplio de concentraciones de sólidos a remo remove ver, r, qu quee va de desd sdee 10 100p 0ppm pm ha hast staa 25 25.0 .000 00pp ppm m en enttre modelos.
Tomado del Catálogo de Productos de KAESER COMPRESORES Y EQUIPOS 2.003 (Ver Anexos) 16
Lo que se va a hacer es establecer que filtro de los conseguidos comercialmente, se ajusta a las necesidades del proceso, y calcular al área área ne nece cesa sari riaa de filt filtra rado do se segú gúnn la ca caíd ídaa de pres presió iónn de la tort tortaa propuesta en el catálogo antes citado, para luego recalcular la caída de presión total del filtro, esto se hace gracias a la sugerencia del Ingeniero Químico Carlos Antonio Rivera, quien fue nombrado como asesor en la propuesta del proyecto. Entonces, se tienen como condiciones de operación las siguientes: •
Tipo de proceso: Filtración a velocidad constante.
•
CX (Concentración de sólidos a separar en la leche sucia) = 10g/Kg17.
•
Caudal de manejo: 1000LPM.
•
La caída de presión que se va a asumir es la de la torta que se forma en el filtro KOX para remoción de partículas que es de 6PSI (41,4Kpa).
•
Tiempo del ciclo de filtrado de 60s (Valor asumido para el diseño).
Ahora se va a calcular la velocidad de filtración en el lecho: G = (1 m3/min.)*(1033 Kg./m3)*(1min/60s) G = 17,22 Kg. de leche/s 17
AMIOT, Jean. Ciencia de la Leche. Editorial Acribia, Zaragoza, España, 1.990
Cs = (1033 Kg. /m3)*(0,01)/(1-(2,0)*(0,01)) Cs = 10,54 Kg de sólidos/m3 de filtrado α = (4,37 x 109)*(∆p) 0,3 α = (4,37 x 109)*(41.400Pa) 0,3 α = 1,06 x 10 11 m/Kg (Resistencia de la Torta) Entonces la velocidad de filtración (dV/dt) será igual a: (dV/dt) = G (Cx/Cs) (dV/dt) = 17,22 Kg/s*(0,01/10,54) (dV/dt) = 0,0164 m3 de filtrado /s (Equivale a 980LPM)
La resi resist sten enci ciaa en un me medi dioo filt filtra rant ntee es esta ta da dada da po porr la sigu siguie ient ntee expresión18: Rm = ((∆pf )*(A))/(μ*(dV/dt)) )*(A))/(μ*(dV/dt)) Como el valor del área no se conoce, esta expresión se lleva a la sigui siguient entee ec ecuac uació iónn qu quee rige rige los los proc proces esos os de filt filtrad radoo a ve velo loci cidad dad constante19: GEANKOPLIS, Christie J. Procesos de Transporte y Operaciones Unitarias. Compañía Editorial Continental de CV, México DF, México, 1999. COULSON, J.M. y RICHARDSON, J.F. Ingeniería Química. Pergamon Press, Nueva York, USA, 1978
18
19
∆p = ((μαCs/A2)*(dV/dt)2) *t + ((μRm/A)*(dV/dt)) Metiendo el valor de Rm en la ecuación quedaría la siguiente expresión: ∆p = ((μαCs/A2)*(dV/dt)2) *t + ∆pf Despejando A se obtiene que: A = (√(( μαCst)/(∆p - ∆pf )))*(dV/dt) )))*(dV/dt) Como el valor de (∆p - ∆p f ) es igual a la caída de presión en la torta (10.330Pa) entonces el valor de A después de introducir todos los resultados de los cálculos previos sería: A = (√(((2,12 x 10-3Kg/ms)(1,06 x 1011 m/Kg)(10,54 Kg/m3)(60s)/ (41400Kg/ms2)))*(0,0164m3/s) A = 30,4m2 Multiplicando por un factor de seguridad del 10% se obtiene un área de: A = (30,4m2)*1,1 A = 33,4m2 Recalculando la caída de presión total: ∆p = ((2,12 x10-3 Kg/ms)*(1,06 x1011 m/Kg)*(10,54Kg/m3)/ (33,4m)2)*(0,0164sm3/s)2 *60s
∆p = 34263,23Pa (Equivale a 34,3Kpa) Lass dime dimens nsio ione ness y ca cara ract cter erís ístitica cass de dell filt filtro ro se pu pued eden en NOTA: La encontrar en la sección de anexos.
4.4.2.1.1.1.3. 4.4.2.1.1.1.3. Intercambiador de Placas El caudal de manejo de este equipo es igual al de salida de filtrado proveniente de la etapa anterior, el fluido de enfriamiento es agua a 1°C proveniente de un banco de hielo, y se busca hacer que la leche pase de 30°C hasta 4°C para que pueda ser almacenada sin ningún tipo de problema, para eso se va a usar un equipo con placas de 50 x 50 cm. Y con un espesor entre ellas de 3mm que corresponde al empaque o sello de protección que las une. El equipo deberá estar construido en acero inoxidable 304, el caudal de fluido frío es de 500GPM. Además el espesor de cada placa es de 1mm. Prim rimero se va a hall allar la temperat ratura de salida del agu guaa de enfriamiento: Q = mCp∆T Se va a hallar el calor que cede la leche, tomando como Cp = 3,85 Kj/KgK20. Entonces: m = (0,0164 m3/s)*(1033 Kg/m3) GEANKOPLIS, Christie J. Procesos de Transporte y Operaciones Unitarias. Compañía Editorial Continental SA, de CV. México DF, México, 1999.
20
m = 16,94 Kg/s Q = (16,94 Kg/s)*(3,85 Kj/KgK)*(26K) Q = 1695,69 Kj/s Entonces la temperatura de salida del agua es: m agua = (500 GAL/min)*(3,785 l/GAL)*(1 Kg/l)*(1 min/60 s) m agua = 31,54 Kg/s 1695,69 Kj/s = (31,54 Kg/s)*(4,18 Kj/KgK)*(T2 – 1°C) T2 = 13,86°C Ahora se va a calcular calcular el número de Reynolds Reynolds para determinar determinar el tipo de flujo dentro de las placas. Ψ = (31,54 Kg/s)*(1 m3/1000 Kg) Ψ = 0,03154 m3/s Ψ = AV V = Ψ/A V = (0,03154 m3/s)/(0,003m x 0,5m) V = 21,02 m/s De = ab/(2*(a+b))
De = (0,5m x 0,5m)/(2*(0,5m + 0,5m)) De = 0,125m Re = ((21,02 m/s)*(0,125m)*(1000 Kg/m3))/(1,5674 x 10-3 Kg/ms) Re = 1676874,65 Por lo anterior se puede concluir que el flujo es turbulento, por lo tanto el coeficiente de transferencia de calor por el lado del agua es: NPR = Cpμ/k NPR = (4,18 Kj/KgK)*(1,5674 x 10-3 Kg/ms)/(0,000569 Kj/msK) NPR = 11,51 Con estas condiciones se va a la siguiente ecuación del Número de Nusselt: NNU = 0,027 Re0,8 NPR1/3(μB/μW) 0,14 NNU = 0,027*(1676874,65)0,8(11,51)1/3(1)0,14 NNU = 5816,42 hoD/k = 5816,42 ho = 5816,42*(0,000569 Kj/msK)/0,125m ho = 27,41 Kj/m2sK
Ahora se va a esquematizar el perfil de temperaturas para el proceso
Gráfico 25. Perfil de Temperaturas para el Proceso.
30°C ∆T1 13,86°C 4°C 1°C
∆T2
LMTD = ((4°C -1°C) – (30°C – 13,86°C))/ln((4°C -1°C)/ (30°C – 13,86°C))) LMTD = 7,81°C Ahora se va a calcular el coeficiente de transferencia de calor por el lado de la leche: Ψ = 0,0164m3/s Ψ = AV V = Ψ/A V = (0,0164m3/s)/(0,003m x 0,5m) V = 10,93 m/s
De = ab/(2*(a+b)) De = (0,5m x 0,5m)/(2*(0,5m + 0,5m)) De = 0,125m Re = ((10,93 m/s)*(0,125m)*(1033 Kg/m3))/(2,12 x 10-3 Kg/ms) Re = 665927,673 Por lo anterior se puede concluir que el flujo es turbulento, por lo tanto el coeficiente de transferencia de calor por el lado de la leche es: NPR = Cpμ/k NPR = (3,85 Kj/KgK)*(2,12 x 10-3 Kg/ms)/(0,000538 Kj/msK) NPR = 15,17 Con estas condiciones se va a la siguiente ecuación del Número de Nusselt: NNU = 0,027 Re0,8 NPR1/3(μB/μW) 0,14 NNU = 0,027*(665927,673)0,8(15,17)1/3((2,12 x 10-3)/(1,5674 x 10-3))0,14 NNU = 3177,82 hoD/k = 3177,82 ho = 33177,82*(0,000538 Kj/msK)/0,125m
ho = 13,68 Kj/m2sK Ahora se va a calcular el coeficiente global de transferencia de calor U asumiendo un factor de ensuciamiento de 5680 W/m2K.21 U = 1/((1/27410 W/m2K)+(0,001m/13,8W/mK)+(1/13680 W/m2K) +(2/5680 W/m2K)) U = 1872,1 W/m2K Con esto se va a calcular el área de transferencia de calor necesaria para el proceso: Q = U A (LMTD) 1695690 W = (1872,1 W/m2K) A (7,81°C) A = 115,97 m2 Ahora se multiplica por el factor de seguridad (10%) y se halla el número de placas para dimensionar el equipo. A = 115,97m2*(1,1) A = 127,6m2 N° placas = 127,6m2/(0,5m x 0,5m) N° placas = 511 GEANKOPLIS, Christie J. Procesos de Transporte y Operaciones Unitarias. Compañía Editorial Continental SA, de CV. México DF, México, 1999.
21
Largo del equipo = 511(0,004m) Largo del equipo = 2,04m El ancho del equipo es de 0,5m que equivale al ancho de una placa. La caída de presión (∆p) se calculará según la siguiente fórmula para flujo turbulento: ∆p = 4f ρ*((∆Lv ρ*((∆Lv2)/(2D)) El va valo lorr de dell fact factor or de fric fricci ción ón
f
se ca calc lcul ular aráá de la ec ecua uaci ción ón de
Colebrook: (1/√f ) = -0,87 ln((ε/3,7D) +(2,51/Re√f )) )) (1/√f ) = -0,87 ln(((0,00012m/3,7(0,125m)) +(2,51/665927,673√f )) ))
Tanteando la ecuación se obtiene un valor de: f =
0,0198
Ahora se calcula la caída de presión: ∆p = 4(0,0198)*(1033kg/m3)*((0,5m)*(9,3m/s)2)/(2(0,125m)) ∆p = 14152,12 Pa ∆p = 14,15 Kpa
4.4.2.1.1.1.4. 4.4.2.1.1.1.4. Tanques de Almacenamiento de Leche Fría. Para garantizar un almacenamiento de toda la leche, se usarán 3 tanqu tanques es de ac acer eroo inox inoxid idabl ablee 304 de 10. 10.000 000 litr litros os recubi recubiert ertos os de poliuret poliuretano ano expandi expandido do para man mantene tenerr la tem temper peratur aturaa del product productoo constante. Cada tanque tendría la siguiente disposición:
Gráfico 26. Tanque de Almacenamiento Almacenamiento de Leche Fría.
d
3d
4d
0,1d
Ahora se va a hallar el valor de d para que se cumplan las condiciones que arbitrariamente se le han dado al sistema: Volumen = ((Π/4) d2*3d) + (((Π/4)d2*d)/3) 10 m3 = (Π/4)*(3d3 + d3/3) d = 1,6m Este diámetro brinda una capacidad en el tanque de 10672 litros, que al multiplicarlo por 3 que es el número de tanques en el centro de acopio.
4.4.2.1.1.1.5. 4.4.2.1.1.1.5. Primera Bomba Centrífuga.
Esta bomba se puede ver esquematizada en el Gráfico 22, pero para una mayor claridad en los cálculos ver el Gráfico 23.
Gráfico 23. Sección de Acción de la Primera Bomba Centrífuga.
0 ,5 m
0,4m
0,5m
0,3m
0,3m
0,3m 1,2m
6,1m 0,7m
0,3m
1,4m
0,5m
Para Para la prim primer eraa bo bomb mbaa se tien tienen en las las sigu siguie ient ntes es co cond ndic icio ione ness de operación: •
Caudal = 1000LPM = 264,2GPM
•
Columna Estática de Succión = 1,2m
•
∆p en el filtro = 34,3Kpa ; ∆p en el intercambiador = 14,15Kpa
•
Longitud de Tubería = 18,2m
•
6 codos normales de 90°
•
9 uniones en Te.
•
2 Válvulas de globo
•
2 Válvulas de Cheque
Lo primero que se va a hacer es el cálculo cálculo de las pérdidas por fricción a través de la tubería: Q = (1000LPM)*(1m3/1000LPM)*(1min/60s) Q = 0,0167 m3/s De = 1,24√β√Q De = 0,07m = 70mm Come Comerc rcia ialm lment entee se co cons nsig iguen uen tube tubería ríass de Diám Diámetr etroo no nomi minal nal de 73,03mm (21/2 pulgadas), Cd 40 en acero inoxidable 304 y 308 que garantizan un Diámetro interno de 62,71mm, que es muy cercano al valor calculado. Ahora se halla Reynolds para saber que tipo de flujo va por la tubería: V = Q/A V = (0,0167 m3/s)/((Π/4)(0,0627m)2) V = 5,41m/s Re = VDρ/μ Re = (5,41 m/s)*(0,0627m)*(1033 Kg/m3)/(2,12 x 10-3 Kg/ms) Re = 165243,1668
Como ya se había considerado antes, para R e ≥ a 6000 el flujo se considera turbulento22. Entonces se calcula el factor de fricción de Fanning (f ) por la ecuación de Colebrook. (1/√f ) = -0,87 ln((ε/3,7D) +(2,51/Re√f )) )) (1/√f ) = -0,87 ln(((0,00012m)/3,7(0,0627m)) +(2,51/165243,1668√f )) )) Tanteando la ecuación se obtiene un valor de f de: f =
0,0243
Ahora se calcula la longitud equivalente para hallar las pérdidas por fricción en el tubo:
Tabla 5. Longitudes Equivalentes de la Sección Accesorio Codo Normal de 90° Válvula de Globo Válvula de Cheque Unión en Te
Longitud Equivalente (m)
Cantidad
Longitud Eq. Total (m)
1,9
6
11,4
23,2
2
46,4
5,6
2
11,2
5,2
9
46,8
Por lo tanto se puede afirmar que la longitud de trabajo es: LT = L TUBO + L EQUIVALENTE GEANKOPLIS, Christie J. Procesos de Transporte y Operaciones Unitarias. Compañía Editorial Continental SA, de CV. México DF, México, 1999.
22
LT = 18,2m + 11,4m + 46,4m + 11,2m + 46,8m LT = 134m Con este valor se hallan las pérdidas mediante la ecuación de DarcyWeisbach. hf = f LV LV2/D2g hf = (0,0243)*(134m)*(5,41m/s)2/((0,06271m)*(19,6 m/s2)) hf = 77,5m
Ahora se calcula la cabeza neta de bombeo ∆h. ∆h = 6,1m – 2m ∆h = 4,1m Ahora se va a convertir las caídas de presión en los equipos de la sección (Ver apartados 4.4.2.1.1.1.2. y 4.4.2.1.1.1.3.) a columnas en metros. ∆p FILTRO = 34,3Kpa*(33,9ft/101,325Kpa)*(0,3048m/ft) ∆p FILTRO = 3,5m ∆p INTERCAMBIADOR = 14,15Kpa*(33,9ft/101,325Kpa)*(0,3048m/ft)
∆p INTERCAMBIADOR = 1,44m Entonces la columna total de bombeo Hb es: Hb = 77,5m + 4,1m + 3,5m + 1,44m Hb = 86,54m Multiplicando por un factor de seguridad del 10%. Hb = (86,54m)*1,1 Hb = 95,2m = 312ft Ahora se va a seleccionar una bomba con esas condiciones de caudal y ca cabe beza za de bo bomb mbeo eo de las las cu curv rvas as ca cara ract cter erís ístitica cass de bo bomb mbas as centrí centrífuga fugass (Ver (Ver Anexos) Anexos),, dond dondee se encont encontró ró que la bom bomba ba Modelo: Modelo: BA 08-025 fabricada para Latinoamérica por NEUMANN SA. Además según la curva característica de la bomba la eficiencia de esta es del 77%. Ahora se va a calcular el NPSH de la bomba para determinar si la bomba es la adecuada de acuerdo a la siguiente fórmula23. NPSH = (GPM)*(Carga en ft)*(ρ relativa)/(3,960*ζ) NPSH = (264,2 GPM)*(312ft)*((64,49lb/ft3)/(62,42lb/ft3))/(3960*0,77) NPSH = 27,1ft = 8,25m MCNAUGHTON, Kenneth. Bombas Selección Uso y Mantenimiento. Editorial Mc Graw-Hill. México DF, México, 1996.
23
Bajo estas condiciones la cabeza neta de succión positiva (NPSH) disponible de la bomba es de 8,25m lo que garantiza que en la succión no habrá cavitación. Ya que la columna estática de succión apenas es de 1,2m. La potencia de esta bomba esta dada por: P = γQHb/76ζ P = (1033 Kg/m3)*(0,0167 m3/s)*(95,2m)/((76Kgm/s/HP)*0,77) P = 28,1HP Multiplicando por un factor de seguridad del 10%. P = 28,1HP*(1,1) = 30,9HP Basándose en la sección de anexos se escoge un motor de la serie SUM 06 fabricado para Latinoamérica por NEUMANN SA. Que maneja potencias entre 4 y 40HP
4.4.2.1.1.1.5. 4.4.2.1.1.1.5. Segunda Bomba Centrífuga. Esta bo bom mba se en enccarga arga de llevar la lec eche he de los tanq nquues de almacenamiento a los carrotanques que la llevarán a la planta, el diagrama que esquematiza a continuación:
Gráfico 24. Sección de Acción de la Segunda Bomba Centrífuga.
6,1m 3,0m
0,5m
1,5m
0,5m
5,0m
Las condiciones de operación de la segunda bomba son: •
Caudal: 2000LPM = 528,40GPM.
•
Columna Estática de Succión = 6,1m.
•
1 Válvula de Globo.
•
2 Codos Normales de 90°.
•
1 Válvula de Cheque.
•
Longitud de Tubería = 7,5m.
Lo primero que se va a hacer es el cálculo cálculo de las pérdidas por fricción a través de la tubería: Q = (2000LPM)*(1m3/1000LPM)*(1min/60s) Q = 0,033 m3/s De = 1,24√β√Q De = 1,24√1/24√0,033
De = 0,0989m =98,9mm Come Comerc rcia ialm lment entee se co cons nsig iguen uen tube tubería ríass de Diám Diámetr etroo no nomi minal nal de 88,9mm (3 pulgadas), Cd 40 en acero inoxidable 304 y 308 que garantizan un Diámetro interno de 77,92mm, que es muy cercano al valor calculado. Ahora se halla Reynolds para saber que tipo de flujo va por la tubería: V = Q/A V = (0,033 m3/s)/((Π/4)(0,07792m)2) V = 6,92m/s Re = VDρ/μ Re = (6,92 m/s)*(0,07792m)*(1033 Kg/m3)/(2,12 x 10-3 Kg/ms) Re = 262748,0946 Como ya se había considerado antes, para R e ≥ a 6000 el flujo se considera turbulento24. Entonces se calcula el factor de fricción de Fanning (f ) por la ecuación de Colebrook. (1/√f ) = -0,87 ln((ε/3,7D) +(2,51/Re√f )) )) (1/√f ) = -0,87 ln(((0,00012m)/3,7(0,07792m)) +(2,51/262748,0946√f )) ))
GEANKOPLIS, Christie J. Procesos de Transporte y Operaciones Unitarias. Compañía Editorial Continental SA, de CV. México DF, México, 1999.
24
Tanteando la ecuación se obtiene un valor de f de: f =
0,02267
Ahora se calcula la longitud equivalente para hallar las pérdidas por fricción en el tubo:
Tabla 5. Longitudes Equivalentes de la Sección Accesorio Codo Normal de 90° Válvula de Globo Válvula de Cheque
Longitud Equivalente (m)
Cantidad
Longitud Eq. Total (m)
2,1m
2
4,2
26m
1
26
6,3m
1
6,3
Por lo tanto se puede afirmar que la longitud de trabajo es: LT = L TUBO + L EQUIVALENTE LT = 7,5m + 4,2m +26m + 6,3m LT = 44m Con este valor se hallan las pérdidas mediante la ecuación de DarcyWeisbach. hf = f LV LV2/D2g hf = (0,02267)*(44 m)*(6,92m/s)2/((0,07792m)*(19,6 m/s2)) hf = 31,3m
Ahora se calcula la cabeza neta de bombeo ∆h. ∆h = 3,0m – 0m ∆h = 3,0m Entonces la columna total de bombeo Hb es: Hb = 3,0m + 31,3m Hb = 34,3m Multiplicando por un factor de seguridad del 10%. Hb = (34,3m)*1,1 Hb = 37,73m = 123,8ft Ahora se va a seleccionar una bomba con esas condiciones de caudal y ca cabe beza za de bo bomb mbeo eo de las las cu curv rvas as ca cara ract cter erís ístitica cass de bo bomb mbas as centrí centrífuga fugass (Ver (Ver Anexos) Anexos),, dond dondee se encont encontró ró que la bom bomba ba Modelo: Modelo: BA 08-025 con un motor SUM 08-050 fabricado para Latinoamérica por NEUMANN SA. Además según la curva característica de la bomba la eficiencia de esta es del 72%. Ahora se va a calcular el NPSH de la bomba para determinar si la bomba es la adecuada de acuerdo a la siguiente fórmula25. NPSH = (GPM)*(Carga en ft)*(ρ relativa)/(3,960*ζ) MCNAUGHTON, Kenneth. Bombas Selección Uso y Mantenimiento. Editorial Mc Graw-Hill. México DF, México, 1996.
25
NPSH = (528,4GPM)*(123,8ft)*((64,49lb/ft3)/(62,42lb/ft3))/(3960*0,72) NPSH = 23,7ft = 7,22m Bajo estas condiciones la cabeza neta de succión positiva (NPSH) disponible de la bomba es de 7,22m lo que garantiza que en la succión no habrá cavitación. Por que la succión de la bomba está a nivel de esta, por lo tanto la elevación estática de succión es cero, lo que está dentro del valor de NPSH. La potencia de esta bomba esta dada por: P = γQHb/76ζ P = (1033 Kg/m3)*(0,033 m3/s)*(37,73m)/((76Kgm/s/HP)*0,72) P = 23,8HP La po pote tenc ncia ia se ajus ajusta ta a los los va valo lore ress de dell mo moto torr se sele lecc ccio iona nado do (Ver (Ver Anexos). P = 28,1HP
4.4.2.1.1.1.6. 4.4.2.1.1.1.6. Banco de Hielo del Centro de Acopio. El banco de hielo es el responsable de proporcionar el agua de enfriamiento en el intercambiador de placas, y al final de cuentas es el que también se encarga de enfriarla para que pueda ser apta para el proceso. El banco de hielo tiene tubos de acero inoxidable que va a acumular una capa total de 3cm de hielo, el refrigerante que se va a
usar us ar es el SUVA UVA R134 R134a™ a™ de DUPONT PONT SA. (Ver (Ver Prop Propie ieda dade dess Termodinámicas en la sección de Anexos). Ahora se va a calcular las dimensiones del banco de hielo: Para esto se va a plantear un ciclo de refrigeración, cuyo evaporador esté en el banco de hielo:
Gráfico 25 Esquema del Ciclo de Refrigeración.
Condensador
Compresor
Evaporador (Banco de Hielo)
Las Temperaturas que se le quieren dar al refrigerante son: •
Condensación: 35°C (95°F)
•
Evaporación: -5°C (23°F)
Se le da esa temperatura de condensación para causar un suben su benfr fria iami mient entoo en el conden condensa sador dor,, lo que le daría daría mayor mayor efecto efecto refrigerante al R134a (1,1,1,2-tetrafluoroetano), entonces planteando un diagrama de presión contra entalpía, tomando como base el que se puede apreciar en los anexos, se puede obtener la siguiente gráfica
Gráfico 26. Diagrama de Presión Contra Entalpía para el Proceso 26
Según el diagrama anterior se pueden tener los siguientes datos: •
Efecto Refrigerante = 65 BTU/lb (151,2 Kj/kg)
•
Calor de Condensación = 80 BTU/lb (186,07 Kj/kg)
•
Trabajo de Compresión = 15 BTU/lb. (34,87 Kj/kg)
Tomado de THERMODYNAMIC PROPERTIES OF HFC-134ª de Dupont, disponible en http://www.dupont.com.mx
26
•
Volumen Específico del R134a a la salida del evaporador = 1,5 ft3/lb (0,094 m3/kg).
•
Presión de Condensación = 150 psia (10,31 Bar)
•
Presión de Evaporación = 40 psia (2,75 Bar)
•
Capacidad de Refrigeración Requerida = 1695,69 Kj/s
Por lo Tanto la masa de R134a será: m = (1695,69 Kj/s)/(151,2 Kj/kg) m = 11,21 Kg/s La potencia teórica del compresor será: PT = (11,21 Kg/s)*(34,87 Kj/kg) PT = 391 KW Ahora se calcula la relación de compresión: Rc = (150psia)/40psia) Rc = 3,75 Asumo un compresor de 5 pistones y 5000RPM para calcularlo: Según la figura 5,12 y 5,13 las eficiencias de compresión y mecánicas para un compresor de estas características son 79 y 85% resp respec ectitiva vame ment ntee (Ver (Ver Anex Anexos os). ). Ento Entonc nces es la Pote Potenc ncia ia Real Real de dell compresor será de:
PR = ((391KW)/(0,79 x 0,85)) x 1,1 PR = 640KW (865HP) El número de ciclos de los pistones en un segundo será: # = (5000)(5)/60 # = 416,67 El Volumen teórico de R134a a manejar es: V = (11,21 Kg/s)(0,094 m3/kg) V = 1,05m3/s Por lo tanto el volumen del cilindro es: Vc = 1,05/416,67 Vc = 2528,9 cm3 Según la figura 5.11b la eficiencia eficiencia volumétrica del proceso es del 75% (Ver Anexos), por lo tanto el volumen real de refrigerante es: VR = 2528,9 cm3/0,75 VR = 3372 cm3
Ahora se va a dimensionar el compresor tomando como condición que la carrera es 1,5 veces el diámetro del cilindro: D = 3√(4(3372)/Π) D = 16,3cm Entonces la carrera C será: C = 1,5 x 16,3cm C = 24,45cm Ahora se va a calcular el área del banco de hielo. Primero se puede afirmar que el tiempo de operación del banco es igual al tiempo de utilización del intercambiador de calor, ya que es este equipo el que necesita un suministro de agua fría. Este tiempo es de aproximadamente 1 hora al día, ya que el intercambiador calculado necesita necesita de aproximadament aproximadamentee 30 minutos para evacuar evacuar el volumen de leche propuesto por turno de recepción, como hay 2 turnos, entonces el tiempo de operación del intercambiador intercambiador sería de 1 hora, por lo tanto la cantidad de calor que debe absorber el banco de hielo será de: CRBH = (1695,69 Kj/s)(3600s) CRBH = 6104484 Kj Ahora se va a asumir un diámetro de tubo del banco de hielo de 1,25 pulgadas, pulgadas, para poder ir a la Curva de Bancos de Hielo (Ver Anexos) y
poder encontrar la Capacidad de refrigeración del banco por metro lineal de tubería.
Gráfico 27. Curva de Bancos de Hielo para Diámetro de Tubo de 1,25 Pulgadas.
Segú Segúnn el gráf gráfic icoo an ante teri rior or (Ver (Ver má máss clar claram amen ente te en la se secc cció iónn de anexos), la capacidad de enfriamiento que se obtiene en un tubo de
1,25 pulgada pulgadas, s, con un recubrimi recubrimiento ento de 3cm de hielo hielo es de 2096 2096,0 ,0 Kj/m, entonces si se divide el valor de CR BH en el dato anterior, se obtendrían los metros de tubo necesarios para realizar la transferencia de calor: LT = (6104484 Kj)/(2096,0 Kj/m) LT = 2912,45m Comercialmente se consiguen tubos de un largo de 6m, lo que indica que se necesitan 486 tubos de 1,25 pulgadas. Ahora se va a hallar el número de tubos por m2, para poder determinar el área del banco de hielo. Fe = (999,73 Kg/m3)*(1m3) Fe = 999,73Kgf # Tubos = (999,73kgf – 900kgf)/3,83kg/m # Tubos = 25 tubos/m2 Los tubos se van a colocar en un arreglo rectangular de 5 x 5, entonces los metros cuadrados laterales que se deben tener en el banco son: Área Lateral = 486tubos/(25 tubos/m2) Área Lateral = 19,44m2
Este valor se aproxima a 20m2, y se va a afirmar que la pared del banco de hielo es de 5m de ancha por 4m de alta. Entonces las dimensiones del banco de hielo son: •
Largo = 6m
•
Ancho = 5m
•
Alto = 4m
Con las dimensiones anteriores se puede garantizar que el banco de hielo tendrá la capacidad para enfriar 101,2m3 de agua que estará lista para el proceso.
4.4.2.1.1.1.7. 4.4.2.1.1.1.7. Tercera Bomba Centrífuga. Este ste ba banc ncoo de hiel hieloo ne necces esititaa un unaa bo bomb mbaa qu quee llev llevee el ag agua ua al intercambiador y la traiga de regreso, la distancia de tubería entre el intercambiador y el banco se ve esquematizada en la siguiente figura:
Gráfico 28. Sección de Acción de la Tercera Bomba Centrífuga. 15,5m
1,15m 2,7m
3,24m
Banco de Hielo
3,8m
1,33m
2,7m
4,6m
1,15m
4,0m
Lo primero que se va a hacer es calcular la caída de presión en el intercambiador por el lado del agua: ∆p = 4f ρ*((∆Lv ρ*((∆Lv2)/(2D)) Primero se debe calcular el factor de fricción f para el intercambiado intercambiador r por el lado del agua: (1/√f ) = -0,87 ln((ε/3,7D) +(2,51/Re√f )) )) (1/√f ) = -0,87 ln(((0,00012m/3,7(0,125m)) +(2,51/1676874,65√f )) )) Tanteando la ecuación se obtiene un valor de: f =
0,0196
Ahora se calcula la caída de presión: ∆p = 4(0,0196)*(999,73kg/m3)*((0,5m)*(21,2m/s)2)/(2(0,125m)) ∆p = 70453,16 Pa ∆p = 70,5 Kpa Ahora se va a calcular el diámetro económico: De = 1,2 4√β√Q De = 1,2 4√(1/24)√(0,03154 m3/s) De = 0,0963m = 96,3mm
Come Comerc rcia ialm lment entee se co cons nsig iguen uen tube tubería ríass de Diám Diámetr etroo no nomi minal nal de 88,9mm (3 pulgadas), Cd 40 en acero inoxidable 304 y 308 que garantizan un Diámetro interno de 77,92mm, que es muy cercano al valor calculado. V = Q/A V = (0,03154 m3/s)/((Π/4)(0,07792m)2) V = 6,61m/s Re = VDρ/μ Re = (6,61 m/s)*(0,07792m)*(999,73 Kg/m3)/(1,131 x 10-3 Kg/ms) Re = 455557,27 Como ya se había considerado antes, para R e ≥ a 6000 el flujo se considera turbulento27. Entonces se calcula el factor de fricción de Fanning (f ) por la ecuación de Colebrook. (1/√f ) = -0,87 ln((ε/3,7D) +(2,51/Re√f )) )) (1/√f ) = -0,87 ln(((0,00012m)/3,7(0,07792m)) +(2,51/455557√f )) )) Tanteando la ecuación se obtiene un valor de f de: f =
0,01487
GEANKOPLIS, Christie J. Procesos de Transporte y Operaciones Unitarias. Compañía Editorial Continental SA, de CV. México DF, México, 1999.
27
Ahora se calcula la longitud equivalente para hallar las pérdidas por fricción en el tubo:
Tabla 6. Longitudes Equivalentes de la Sección Accesorio
Longitud Equivalente (m)
Codo Normal de 90° Válvula de Cheque
Cantidad
Longitud Eq. Total (m)
2,1m
5
10,5
6,3m
1
6,3
La longitud del tubo es: L = 32,37m (Ver Gráfico 28) Por lo tanto se puede afirmar que la longitud de trabajo es: LT = 32,37m + 10,5m +6,3m LT = 49,17m Con este valor se hallan las pérdidas mediante la ecuación de DarcyWeisbach.
hf = f LV LV2/D2g hf = (0,01487)*(49,17 m)*(6,61m/s)2/((0,07792m)*(19,6 m/s2)) hf = 20,91m Ahora se calcula la cabeza neta de bombeo ∆h. ∆h = 4,0m – 0m ∆h = 4,0m Entonces la columna total de bombeo Hb es: Hb = 4,0m + 20,91m Hb = 24,91m Multiplicando por un factor de seguridad del 10%. Hb = (24,91m)*1,1 Hb = 27,4m = 88,9ft Ahora se va a seleccionar una bomba con esas condiciones de caudal y ca cabe beza za de bo bomb mbeo eo de las las cu curv rvas as ca cara ract cter erís ístitica cass de bo bomb mbas as centrí centrífuga fugass (Ver (Ver Anexos) Anexos),, dond dondee se encont encontró ró que la bom bomba ba Modelo: Modelo: BA 08-025 con un motor SUM 06-015 fabricado para Latinoamérica por NEUMANN SA. Además según la curva característica de la bomba la eficiencia de esta es del 69%.
Ahora se va a calcular el NPSH de la bomba para determinar si la bomba es la adecuada de acuerdo a la siguiente fórmula28. NPSH = (GPM)*(Carga en ft)*(ρ relativa)/(3,960*ζ) NPSH = (500GPM)*(88,9ft)*((62,42lb/ft3)/(62,42lb/ft3))/(3960*0,69) NPSH = 16,3ft = 4,96m Bajo estas condiciones la cabeza neta de succión positiva (NPSH) disponible de la bomba es de 4,96m lo que garantiza que en la succión no habrá cavitación. Por que la succión de la bomba está a nivel de esta, por lo tanto la elevación estática de succión es cero, lo que está dentro del valor de NPSH. La potencia de esta bomba esta dada por: P = γQHb/76ζ P = (999,73 Kg/m3)*(0,03154 m3/s)*(27,4m)/((76Kgm/s/HP)*0,69) P = 16,5HP La po pote tenc ncia ia se ajus ajusta ta a los los va valo lore ress de dell mo moto torr se sele lecc ccio iona nado do (Ver (Ver Anexos). P = 16,5HP.
4.4.2.1.1.1.8. 4.4.2.1.1.1.8. Vehículos de Transporte de Leche Caliente.
MCNAUGHTON, Kenneth. Bombas Selección Uso y Mantenimiento. Editorial Mc Graw-Hill. México DF, México, 1996.
28
Para la llegada de la leche caliente de las fincas, se tiene previsto transportarla en camiones tipo medianos, que tengan las siguientes medidas29: •
Altura: 11ft y 6 pulgadas (3,5m)
•
Largo de la Plataforma: 34ft (10,4m)
•
Ancho de la Plataforma: 7ft y 6 pulgadas (2,4m)
•
Altura del Suelo a la plataforma: 44 pulgadas (1,12m)
Con los datos anteriores se puede afirmar que el área de la plataforma es de aproximadamente 25m2. Como estos camiones se encargarán de cargar las cantinas, entonces se va a calcular cuantas cantinas le caben a cada camión. Para esto se va a calcular el área del fondo de las cantinas: AFC = (Π/4)(0,35m)2 AFC = 0,096m2 Entonces la cantidad de cantinas que caben en la plataforma son: # Cantinas = 25m2/0,096m2 # Cantinas = 260 cantinas/camión
RASE, H, F, Diseño de plantas y su Evaluación Económica para Ingenieros Químicos, Limusa Editores, México DF, México, 1966
29
Como en cada turno se van a recibir 12.500 litros de leche y cada cantina trae 40 litros, entonces se va a calcular cuantos camiones se van a utilizar por turno: Volumen de leche por Camión = 260 x 40 Volumen de leche por Camión = 10.400 litros Como el camión debería realizar una ruta muy extensa, entonces se decide decide que a la planta planta lleguen lleguen 3 camiones camiones con aproxim aproximadam adamente ente 4.200 litros de leche cada uno., eso quiere decir que cada camión trae entre 100 y 105 cantinas, que deben ser lavadas en un sistema automático con aspersores.
4.4.2.1.1.1.9. 4.4.2.1.1.1.9. Sistemas de Lavado de Ruedas. Las ruedas de los camiones tanto de transporte de leche en cantinas como los carrotanques presentan ruedas de 25 pulgadas, el sistema de lavado costa de 6 regaderas que llenan un foso con una solución de agua y detergentes, que es preparada previamente en un tanque de mezclado, el foso es de 35cm de profundidad y el camión pasa por el, humedeciendo toda la superficie de la rueda con la solución de lavado, una vez el camión pasa, se abre una válvula que hace que la solución vaya a la zona de tratamiento de aguas, el camión va a otro foso foso igu igual pe pero ro qu quee con ontitien enee solam olamen ente te agu guaa pa para ra remo removver el detergente de las ruedas, cada foso es de 12m de largo y de 1m de ancho. La distancia entre aspersores es de 5m. El diámetro de la Boquilla es de 10cm.
Gráfico29. Sistema de Lavado de Ruedas
12m 9,2m
5,4m
2,8m
El caudal de manejo de cada aspersor es de 150LPM, por lo tanto para que 3 llenen el foso (V = 4,2m3) se necesitaría un tiempo de operación de 10 minutos (0,16h) Se va a calcular el diámetro adecuado para el tubo: De = 1,2 4√β√Q De = 1,2 4√(0,16/24)√(0,0075 m3/s) De = 0,0297m = 29,7mm Come Comerc rcia ialm lment entee se co cons nsig iguen uen tube tubería ríass de Diám Diámetr etroo no nomi minal nal de 33,4mm (1 pulgada), Cd 40 en acero inoxidable 304 y 308 que garantizan un Diámetro interno de 26,64mm, que es muy cercano al valor calculado. V = Q/A
V = (0,0075 m3/s)/((Π/4)(0,02664m)2) V = 13,45m/s Re = VDρ/μ Re = (13,45 m/s)*(0,02664m)*(1000 Kg/m3)/(0,86 x 10-3 Kg/ms) Re = 416810,56 Como ya se había considerado antes, para R e ≥ a 6000 el flujo se considera turbulento30. Entonces se calcula el factor de fricción de Fanning (f ) por la ecuación de Colebrook. (1/√f ) = -0,87 ln((ε/3,7D) +(2,51/Re√f )) )) (1/√f ) = -0,87 ln(((0,00012m)/3,7(0,02664m)) +(2,51/416810,56√f )) )) Tanteando la ecuación se obtiene un valor de f de: f =
0,0296
Ahora se calcula la longitud equivalente para hallar las pérdidas por fricción en el tubo:
Tabla 7. Longitudes Equivalentes de la Sección Accesorio
Longitud
Cantidad
Longitud Eq.
GEANKOPLIS, Christie J. Procesos de Transporte y Operaciones Unitarias. Compañía Editorial Continental SA, de CV. México DF, México, 1999.
30
Equivalente (m) Codo Normal de 90° Válvula de Cheque Te Normal Válvula de Globo
Total (m)
0,75
5
3,75
0,18
1
0,18
1,65 7,8
4 1
6,6 7,8
La longitud del tubo es: L = 53m (Ver Gráfico 28) Por lo tanto se puede afirmar que la longitud de trabajo es: LT = 53m + 3,75m + 0,18m + 6,6 + 7,8 LT = 64,73m Con este valor se hallan las pérdidas mediante la ecuación de DarcyWeisbach. hf = f LV LV2/D2g hf = (0,0296)*(64,73 m)*(13,45m/s)2/((0,02664m)*(19,6 m/s2)) hf = 663,82m Ahora se va a calcular la pérdida extra por los aspersores (K FT) para cada juego de aspersores: KF = (0,0296)(5m)(0,0075m3/s)/((19,6m/s2)(0,02664m)((Π/4)(0,1m)2) KF = 0,271
K = 0,271/6 K = 0,0451 KFT = (0,0451)(3)(3+1)(6+1) KFT = 3,8m Como son 2 juegos de aspersores, entonces la pérdida (KFT) será 7,6m Ahora se calcula la cabeza neta de bombeo ∆h. ∆h = 9,2m – 0m ∆h = 9,2m Entonces la columna total de bombeo Hb es: Hb = 9,2m + 663,82m + 7,8m Hb = 680,8m Multiplicando por un factor de seguridad del 10%. Hb = (680,8m)*1,1 Hb = 748,88m = 2456,9ft Ahora se va a seleccionar una bomba con esas condiciones de caudal y ca cabe beza za de bo bomb mbeo eo de las las cu curv rvas as ca cara ract cter erís ístitica cass de bo bomb mbas as centrí centrífuga fugass (Ver (Ver Anexos) Anexos),, dond dondee se encont encontró ró que la bom bomba ba Modelo: Modelo:
BA 08-025 con un motor SUM 08(10)-100 fabricado para Latinoamérica por NEUMANN SA. Además según la curva característica de la bomba la eficiencia de esta es del 77%. Ahora se va a calcular el NPSH de la bomba para determinar si la bomba es la adecuada de acuerdo a la siguiente fórmula31. NPSH = (GPM)*(Carga en ft)*(ρ relativa)/(3,960*ζ) NPSH = (237,8GPM)*(2456,9ft)*((62,42lb/ft3)/(62,42lb/ft3))/(3960*0,77) NPSH = 191,6ft = 58,4m La potencia de esta bomba esta dada por: P = γQHb/76ζ P = (999,73 Kg/m3)*(0,015 m3/s)*(748,88m)/((76Kgm/s/HP)*0,192) P = 192HP Se necesita buscar otro motor, es el Babcock and Wilson 11628, que cumple con esas características.
4.4.2.1.1.1.10. 4.4.2.1.1.1.10. Parqueaderos. Los Parqueaderos son de concreto, deben resistir una presión de 2500PSI (Dato proporcionado por el Ingeniero Carlos Sánchez), están demarcados por cajones en ángulo de 90°, para facilitar el descargue MCNAUGHTON, Kenneth. Bombas Selección Uso y Mantenimiento. Editorial Mc Graw-Hill. México DF, México, 1996.
31
de las cantinas y la salida de los camiones, las dimensiones del parqueadero son: •
Ancho: 29m
•
Largo: 30m.
•
Alto: 10m.
El parqueadero debe estar techado e iluminado, con el fin de disminuir la temperatura, pero sin bajar la calidad de visión para el operario.
4.4.2.1.1.1.10. 4.4.2.1.1.1.10. Bodegas. Por ser un centro de acopio en el cual se despacha toda la leche recogida diariamente, no se tienen bodega ni de materia prima ni de producto terminado, solo se tiene un almacén de repuestos para mantenimiento, cuya disposición no es la de primera entrada primera salida ya que este tipo de artefactos tienen una muy prolongada vida útil útil y no repr repres esen enta tann un unaa alt alta elev elevac ació iónn de cos osto toss el ten ener erlo loss guardados. El almacén se divide de la siguiente manera:
Gráfico 30. Almacén de Mantenimiento
La zona A es la más cercana a la entrada y allí se encontrarán repues repuestos tos co como mo co corre rreas as,, polea poleas, s, lubri lubrica cant ntes es,, torni tornillllos os,, tuerc tuercas as y demás, en la zona B se encontrarán empaques, válvulas, manómetros, manómetros, termómetros y otros instrumentos instrumentos de medición, medición, mientras mientras que en la zona C estarán refacciones más específicas como las placas del intercambiador. Se le dio a este cuarto unas dimensiones de: •
Largo: 4m
•
Ancho: 4m
•
Alto: 10m
La altura del techo de la planta es de 10m para todas las zonas.
4.4.3 Área del Centro de Acopio. Se calculó tanto el área estática, como la gravitacional, como la de evolución de cada equipo para así llegar al área total del centro. Un resumen de las áreas por equipo y el área total se ve en la tabla 8.
Tabla 8. Áreas de las Distintas Zonas del Centro de Acopio. Área Estacionaria Área Gravitacional Área de Evolución (m2) (m2) (m2)
Equipo Tolvas de Recepción Filtro de Lecho Vertical Intercambiador de Placas Bomba Centrífuga Motor serie SUM 08 Motor serie SUM 06 Tanque de Almacenamiento Banco de Hielo
Área Total (m2) por Equipo
Número de Equipos
Área Total (m2)
0,32
0 ,9 6
0,64
1,92
10,00
19,22
1,40
4 ,2 0
2,80
8,40
2,00
16,80
1,02
3 ,0 6
2,04
6,12
1,00
6,12
0,18
0 ,5 3
0,36
1,07
3,00
3,21
0,22
0 ,6 5
0,43
1,30
2,00
2,59
0,11
0 ,3 4
0,23
0,68
1,00
0,68
2,02
6 ,0 6
4,04
12,12
3,00
36,36
120,00
360,00
240,00
720,00
1,00
720,00
30,00
90,00
60,00
180,00
1,00
180,00
Lavado de autos Almacén de Repuestos Parqueadero
16,00
48,00
32,00
96,00
1,00
96,00
870,00
2610,00
1740,00
5220,00
1,00
5220,00
TOTAL
1041,27
3123,80
2082,53
6247,60
26,00
6300,98
El área total del centro de acopio es de 6.300,98m 2, y están distribuidos en un terreno rectangular de 150m x 42m.
5. BIBLIOGRAFÍA
AMIOT, Jean. Ciencia de la leche, Editorial Acribia, Zaragoza, España, 1990
5. BIBLIOGRAFÍA
AMIOT, Jean. Ciencia de la leche, Editorial Acribia, Zaragoza, España, 1990 BUFFA, Elwood. Administración y Dirección Técnica de la Producción, Limusa Editores, México DF, México, 1982 CARACTERIZACIÓN DE LA CADENA LÁCTEA EN COLOMBIA del Obs Observ ervator atorio io Agroc grocad aden enas as de dell Mini Minist ster eriio de Agri Agriccult ultura ura de la República de Colombia, http://www.agrocadenas.gov.co CATÁ CATÁLO LOGO GO DE PROD PRODUC UCTO TOS S DE KAES KAESER ER COMP COMPRE RESO SORE RES S Y EQUIPOS 2.003 COULSON, J.M. y RICHARDSON, J.F. Ingeniería Química. Pergamon Press, Nueva York, USA, 1978 ENCICL ENCICLOPE OPEDIA DIA COLOMB COLOMBIA IA VIVA VIVA EL TIEMPO TIEMPO,, Casa Casa Editori Editorial al EL TIEMPO, Cali, Colombia, 2000. GEANKO GEANKOPLI PLIS, S, Christi Christiee J. Proces Procesos os de Transp Transporte orte y Operaci Operaciones ones Unitarias. Compañía Editorial Continental de CV, México DF, México, 1999. MANUAL DE INDUSTRIAS LÁCTEAS de Tetra Pak SA. Presente en http://www.infoleche.com
MCNAUGHTON, Kenneth. Bombas Selección Uso y Mantenimiento. Editorial Mc Graw-Hill. México DF, México, 1996. RASE, H, F, Diseño de plantas y su Evaluación Económica para Ingenieros Químicos, Limusa Editores, México DF, México, 1966 THE THERMOD RMODY YNAMIC AMIC PROP PROPE ERTIE RTIES S
OF
HFC HFC-134 -134ªª
de Dup upon ont, t,
disponible en http://www.dupont.com.mx WALSTRA, Paul. Ciencia de la leche y Tecnología de los productos Lácteos, Editorial Acribia, Zaragoza, España, 1996.
6. RECOMENDACIONES RECOMENDACIONES •
Realizar el cálculo de las líneas de proceso diseñadas.
•
Realizar un Análisis Financiero de la Planta.
•
Analizar la Viabilidad de Montar una Planta de este tamaño en el país.
•
Realizar un estudio de factibilidad para la planta.
