Capitulo IV - Evaporacion en Un Ingenio Azucarero

Manual de Operación de Ingenios Azucareros

H., Debernardi D.

CAPITULO V EVAPORADORES EN UN INGENIO AZUCARERO (EVAPORACIÓN DEL JUGO DE CAÑA)

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H., Debernardi D.

La evaporación del jugo de caña es la operación unitaria para concentrar el  jugo de caña en un ingenio azucarero, el jugo llega a un equipo de evaporación de múltiple efecto proveniente del proceso de filtración. Perry y Green, 2001. Se utiliza para incrementar la concentración de sólidos de soluciones líquidas por eliminación del disolvente por ebullición. El objetivo de la evaporación es concentrar una disolución consistente en un soluto no volátil y un disolvente volátil. En este caso, la evaporación se refiere a la eliminación de agua de una solución de azúcar (judo de caña de azúcar). Debido a las características del proceso, la evaporación del jugo de caña de azúcar es una de las operaciones unitarias que requieren mayor consumo de energía. Baloh y Wittwer, 1988. Por lo que la evaporación en un sistema de múltiple efecto es comúnmente utilizada en los ingenios azucareros, ya que minimiza el consumo de energía y el agua de enfriamiento empleada por el condensador. Orozco, F., M. (1998). Cuando hablamos de una estación de evaporación de múltiple efecto nos referimos a que dicha estación está constituida por dos o más cuerpos o evaporadores (efectos). Las configuraciones más comunes en un ingenio azucarero se clasifican de la siguiente manera:    

De triple efecto (tres evaporadores). Cuádruple efecto (cuatro evaporadores). Quíntuple efecto (cinco evaporadores). Séxtuple efecto (seis evaporadores). Hugot, E., 1982.

En cualquier operación de evaporación, el costo más importante del proceso es el vapor de agua consumido. Por lo tanto los métodos que tiendan a reducir el consumo de vapor deben ser considerados al diseñar evaporadores. Si el calor suministrado en el primer efecto se utiliza para evaporar el agua; este vapor, a su vez, se utiliza como medio de calentamiento del siguiente efecto y así sucesivamente, hasta que el vapor generado en el último efecto se envía al condensador, este método de operación de evaporadores en serie es conocido como: evaporación de múltiple efecto. Holland, C., D. (1981). El arreglo de los evaporadores (efectos), normalmente se realiza de acuerdo a la entrada del vapor, flujo del vapor, de los condesados y vapores vegetales extraídos al jugo de caña. Por lo que en un ingenio podemos encontrar una o más estaciones que pueden ser de la misma configuración o de distintas configuraciones. Así por ejemplo puede haber configuraciones de dos triples efectos, de un triple y un cuádruple efecto, esto estará en función de la capacidad de molienda. Una estación de evaporación se diseña en función de la superficie de caña que atiende un ingenio azucarero y de sus rendimientos de caña y azúcar en la región ecológica en que está ubicado. Es pertinente señalar que debido a razones económicas, se acostumbra diseñar los evaporadores que componen un sistema de tal manera que sean del mismo tamaño, es decir, que sus áreas de transferencia de calor sean iguales. La presión en el efecto donde se produce el calentamiento es inferior a la que se encuentra el efecto anterior; normalmente, el primer efecto trabaja a la presión atmosférica, el segundo y los siguientes operan a presión negativa, es decir a vacío.

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Cuando no se presentan temperaturas de ebullición en el proceso de calentamiento, el jugo llega a la estación de evaporación con una concentración entre 12 y 15 0  Brix   y sale de la estación con una concentración entre 55  y 60 0  Brix . Al jugo de caña cuando sale de la estación de evaporación ”. se le conoce con el nombre de “

5.1. Evaporador (efecto). Como ya mencionamos una estación de evaporación se compone de varios evaporadores o efectos dispuestos en diferentes configuraciones. Un evaporador se compone de una calandria de tipo tubular cuya función es intercambiar calor entre el vapor de entrada y el jugo de caña. El evaporador funciona de manera similar a los intercambiadores de calor descritos en el Capítulo 3, el vapor caliente circula al interior del evaporador, mientras que el  jugo de caña de azúcar a concentrar circula al interior de los tubos que forman la calandria, Figura 5.1. De acuerdo con lo anterior, cuando nos referimos a dos fluidos a temperaturas t1 y t2, que se encuentran separados por una pared, la transmisión de calor del vapor al jugo, se conoce como cantidad de calor transmitida y se puede calcular mediante la expresión siguiente:       .

Dónde: M= Cantidad de calor Intercambiado con el jugo (Transmitido al Jugo), [kcal ]. A= Superficie de intercambio de calor , [m 2 ]. k= Coeficiente de transmisión de calor , [(kcalm -2 )  0 C  h 1 ].     . t 2 = Temperatura del fluido caliente , [0 C ]. t 1 = Temperatura del fluido frio , [0 C ].

El coeficiente k , es una fracción que se refiere a la transmisión de calor a la pared de los componentes del evaporador y se expresa de la siguiente manera:  



 









  .

Por lo tanto:  



, en esta ecuación se observa que el valor de k, estará

       

dado en función de los valores de a , b  y c . Dónde: a= coeficiente de transmisión de calor del jugo a la pared . b= transmisión de calor a través de la pared . c= transmisión de calor de calor de la pared al jugo . e= espesor de la pared . Este es el caso clásico de transferencia de calor vapor-pared de los tubos de la calandria, pared-jugo de caña, los coeficientes de transmisión de calor del vapor a la pared son pequeños, si se comparan con los valores de k   del complejo pared-jugo.

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Figur a 5.1. Esqu ema de un efecto o evaporador utilizado en la ind ustr ia azucarera. En la industria azucarera normalmente se utilizan de tres a seis cuerpos (efectos-evaporadores), como hemos mencionado, en este caso debemos analizar el tipo de vapor utilizado en esta operación para tener un diseño óptimo y buena operación del sistema de múltiple efecto. 5.2. El vapo r su clasific ación y aplicacio nes. Si el agua es calentada por encima de 100 0 C , esta se transforma en vapor, en estas condiciones el agua se encuentra en estado gaseoso y sus propiedades varían dependiendo de la presión y temperatura. Por lo que el vapor se puede calcificar en vapor saturado y vapor sobrecalentado. 5.2.1. Vapor saturad o. Este tipo de vapor es el más común en la agroindustria. El vapor saturado VS se compone de agua en estado líquido y gaseoso. En el vapor saturado, el valor de la tasa de evaporación es igual a la de condensación.

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El vapor saturado es ampliamente usado en la agroindustria como fuente de calor en diversas operaciones y procesos unitarios debido a lo siguiente:     

Calentamiento como calor latente. Incrementa la productividad. La presión y la temperatura se manejan con alta precisión.  Al controlar la presión se controla la temperatura.  Alto valor de k , es decir, alto coeficiente de transferencia de

calor. Requiere de menor superficie para la transferencia de calor, lo cual implica reducción de costos al diseñar equipos. 

 Algunas consideraciones al usar vapor saturado. Las pérdidas de calor por radiación provocan que parte del vapor se condense, lo anterior da origen a condesados, este condensado debe ser retirado instalando en los equipos trampas en las líneas de conducción vapor. La eficiencia del calentamiento se ve afectada si no se usa vapor seco.   Las caídas de presión debidas a fricción en la las líneas de vapor pueden provocar caídas en la temperatura. 

5.2.2. Vapor so brecalentado. El vapor sobrecalentado VC , este vapor se encuentra a mayor temperatura que la de saturación, pero a la misma presión. Este tipo de vapor se usa en aplicaciones de propulsión e impulso. Por lo que se tratara con mayor amplitud en otros apartados de este manual. Es importante saber que este tipo de vapor tiene un valor de k   bajo, es decir, su valor de transferencia de calor es bajo. Caassen, 1939. Encontró valores de k  para vapor sobrecalentado del orden de 8%  en vapor proveniente de procesos precedentes, es decir, este valor es 100  veces menor al valor anterior. El vapor sobrecalentado no presenta inconvenientes en los sistemas de evaporación en la industria azucarera, cuando este es ligero y se utiliza en periodos breves. Webre, 1947 menciona que, cuando el sobrecalentamiento no excede los 55 0 C  no representa riegos, ni tiene influencia en la transmisión de calor en los sistemas de evaporación de múltiple efecto y en tachos. Por lo que, podemos concluir que el vapor sobrecalentado en un rango de 30 0  a 50 0 C , puede utilizarse en los ingenios azucareros sin problemas en las etapas de evaporación, calentamiento y cristalización. Las características por las que el vapor sobrecalentado no es muy utilizado como fuente de calor son las siguientes: Cambios de temperatura durante el calentamiento, debido a que la porción sobrecalentada es calor sensible. 

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

Puede causar carbonización en meladuras al interior de los tubos de la calandria del evaporador, lo que puede tener efectos en la operación de los equipos y en la calidad del azúcar.



En vapor sobrecalentado cuando la presión es constante, la temperatura no se puede controlar de manera precisa.



En operaciones de evaporación y calentamiento no se puede tener el control preciso de la presión de vapor.



Debido a que el vapor sobrecalentado tiene bajo valor de transferencia de calor presenta valores de k  bajos.

De acuerdo a lo anterior, no existen ventajas para utilizar vapor sobrecalentado en lugar del vapor saturado como fuente de calor en las operaciones de calentamiento, evaporación y cristalización en la industria azucarera. Sin embargo, cuando es usado como fuente de calor para calentamiento directo, es decir, como gas a alta temperatura, presenta ventajas sobre el aire caliente, ya que puede ser utilizado en operaciones de secado y cocimiento en condiciones libres de oxígeno. El vapor sobrecalentado es utilizado como medio motriz en los ingenios azucareros en los equipos de molienda y cogeneración de energía debido a lo siguiente: 

Mantiene la sequedad en equipos impulsados con vapor, cuyo rendimiento se ve afectado por la presencia de condensados.



mejorar la eficiencia térmica como impulsor motriz.

5.3. Cálc ul o y di señ o de un a est aci ón de evap or aci ón. En 1843 el químico azucarero Norbert Rellieux inventó en Lousiana, USA, el primer evaporador que es el precursor de las modernas estaciones de evaporación que se utilizan actualmente en la industria azucarera. El problema se le presentó a Rellieux cuando trato de evaporar jugo con vapor caliente a 1000C, el jugo de caña no hervía en condiciones atmosféricas. Por lo tanto parar hacer hervir el jugo y evaporar el agua en la que se encontraba disuelto el azúcar, diseño un sistema de varios cuerpos o efectos interconectados por donde circulaba el jugo de caña, el primer cuerpo estaba en condiciones de presión atmosférica y los subsecuentes al vacío. Con lo anterior se pudo determinar que el jugo de caña hierve a 90 0C cuando es sometido con una columna de presión de 23 cm de vacío, a 80 0C con 40 cm de vacío, a 70 0C a 50 cm de vacío, así sucesivamente. Por lo que con este sistema de presiones negativas, se puede obtener la diferencia de temperaturas Δt , necesaria para hacer hervir al jugo de caña y evaporar el agua contenida en el jugo y utilizar el vapor producido en el primer efecto (cuerpo) para calentar el jugo en el segundo efecto y el vapor obtenido en este efecto para calentar el tercer cuerpo (efecto).

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La disposición de interconexión de las líneas de vapor y de vacío requieren de inversiones extraordinarias, sin embargo este arreglo del sistema de evaporación ha traído grandes ventajas a la industria azucarera en el mundo. Entre las más importantes podemos mencionar las siguientes. 

Valores grandes de Δt , entre el vapor producido en el primer efecto y el  jugo de caña de azúcar, el valor de Δt   es igual a la caída del punto de ebullición del jugo entre Δp , o la diferencia de presión entre el primer efecto y el último en un sistema de evaporación de múltiple efecto.

 

El sistema permite la evaporación continua, además de evitar coloraciones y la inversión de azucares a medida que aumenta su concentración al aumentar su viscosidad cuando presenta una concentración de sólidos entre 55  y 60 0 Brix   y se le denomina .

Baloh y Wittwer, 1988. Proponen el cálculo simplificado de una estación de vapor y señalan que debido a interrelaciones complejas en la estación de evaporación, es necesario hacer los cálculos bajo el supuesto que existe una relación 1:1 entre el vapor consumido para el calentamiento del jugo de caña y el vapor vegetal producido por la evaporación, es decir, que 1kg de vapor de calentamiento produce 1kg de vapor vegetal en el sistema. Considerando el planteamiento anterior se facilitan los cálculos de una estación de evaporación de múltiple efecto y para proceder con mayor precisión es necesario tener en cuenta la entalpía. La presión es otro factor importante para calcular y diseñar una estación de evaporación, ya que el sistema trabaja bajo condiciones de presión negativa, es decir al vacío, por lo que es necesario conocer la entalpía del sistema, ya que pueden generarse diferencias en el diseño de los condensadores y las superficies de calentamiento de los evaporadores, así también es importante considerar el consumo de vapor. Baloh y Wittwer, 1988. También señalan que es importante considerar otros aspectos técnicos cuando se calculan y se diseñan estaciones de evaporación de múltiple efecto entre los más importantes se tienen los siguientes: 

Proyección del diagrama de conexiones de la estación de vapor en el que se deben incluir, las conexiones de vapor, del jugo y de los condesados.



Cálculo de la evaporación de agua.



Cálculo del consumo de vapor para la concentración del jugo de caña.

 

Distribución del consumo de vapor en los cuerpos o efectos de la estación.



Cálculo de la estación de vapor, consumo total de vapor, condensados y vapores vegetales.

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

Cálculo de vapores de expansión.



Diseño de superficies de intercambio de calor de los evaporadores o efectos y de los intercambiadores de calor. Flujo de masas.

Los puntos anteriores son necesarios para proyectar una estación de vapor de múltiple efecto.

5.3.1. Con dic ion es d e cálcu lo p ara un a estación d e vapo r de m últip le efecto. Para establecer las condiciones de cálculo de la estación de evaporación seguiremos el esquema planteado anteriormente de tal manera que al final daremos un ejemplo con datos reales de una estación operando en un ingenio azucarero. 5.3.1.1. Proyecc ión de la dist ribu ción de vapor y c on densado s.  Antes de realizar la proyección debemos observar si no se tienen requerimientos especiales para el diseño de las líneas y conexiones de vapor y condensados. La Figura 5.2., muestra esquemas tradicionalmente empleados para el diseño de estaciones de evaporación.

Figu ra 5.2. Es qu em a tr adic ion alm ente em pleado estaciones d e evaporac ión.

para el dis eñ o de

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En la industria azucarera como ya hemos mencionado cuando se produce azúcar estándar o refinado se presentan configuraciones de estaciones n= 3, n= 4 y n = 5. Lo anterior significa que se utilizan estaciones de evaporación de 3 a 5 efectos (evaporadores) o la combinación de dos o más de ellas, como ejemplo podemos citar el caso del Ingenio el Potrero, que opera con dos estaciones de evaporación de triple efecto cuya configuración se puede observar en la Figura 5.3. Este ingenio cuenta con dos triples efectos. Cada uno de los evaporadores de cada efecto tiene una superficie de calentamiento de 934.2 m2, por lo que cada estación de evaporación tiene una superficie total de intercambio de calor de 2802.6 m2. El Potrero muestra que a su equipo de evaporación llegan aproximadamente 333.10 ton∙h-1  de jugo, a las dos estaciones de evaporación de 3 efectos, si la capacidad instalada es para una molienda de 500 ton∙h-1, la capacidad de evaporación de concentración en este ingenio es de 375.0 ton∙h-1, (CNIAA, 2007).

Figur a 5.3. Estación de evaporación de trip le efecto del Ingenio el Potrero . Estos cálculos se realizaron para 333 ton∙h-1 de jugo a 15 0Brix a la entrada de dos cuerpos de evaporación de triple efecto cada uno, por lo que se considera que a cada cuerpo llegan 166.6 ton∙h -1  de jugo a 15 0Brix, lo que da como resultado 124.9 ton∙h-1 de agua evaporada, 41.6 ton∙h -1  de vapor al condensador y 41.6 ton∙h-1 de meladura a 60 0Brix. Por lo anterior la meladura a 60 0Brix concentrada en este Ingenio es de 83.2 ton∙h-1. Si se consideran dos cuerpos de evaporación de triple efecto cada uno, la cantidad de jugo claro que llega al primer cuerpo es de 375 ton∙h-1 a 15 0Brix, 281.20 ton∙h-1 de agua evaporada y 93.8 ton∙h-1de vapor al condensador y 93.8 ton∙h-1 de meladura a 60 0Brix. (CNIAA, 2007).

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5.3.1.2. Determ inac ión del agu a a evapo rar en la estación . Para poder calcular el agua a evaporar debemos recordar la cantidad de sólidos disueltos expresados como 0Brix a la entrada del sistema referidos a    de caña de azúcar, para finalizar la operación en meladura con una 

concentración Cx , la cantidad de agua a evaporar (Ae) de la solución de azúcar o jugo de caña. El cálculo del agua a evaporar (vapores vegetales) se puede realizar mediante la ecuación siguiente: Se debe calcular el agua a evaporar en un Cuádruple efecto para un ingenio azucarero con las siguientes características operativas. Capacidad de Molienda: 55 ton  h -1  55000 kgh -1 . Peso del jugo mezclado en % caña = 100 kg. Concentración del jugo clarificado = 15  0 Brix. Concentración de la meladura = 60 0 Brix. Peso del Jugo primario en % caña = 110 kg. Peso del Jugo secundario en % caña = 55 kg. Temperatura del Jugo primario= 50 0 C. Contra-  presión 0.53 kgcm -2 . Vacío en el condensador = 0.64 m .

5.3.1.2.1. Desarr oll o del cálcu lo del agu a tot al a evapo rar [A e ]: La cantidad de agua a evaporar por el cuerpo de evaporadores se determina mediante la siguiente ecuación:

. Dónde: Ae  Peso del agua a evaporar kg  ton -1  de caña .  j Peso del jugo obtenido kg  ton -1 de caña . Cm = Capacidad de molienda. M= Peso de la meladura kg  ton -1 de caña . Bj= 0 Brix del jugo . Bm= 0 Brix de la meladura . Ae = 55000[1- (15  60 -1  )].

La Figura 5.4., muestra la disposición de un sistema de evaporación en donde los evaporadores o efectos presentan una configuración de evaporación en cuádruple efecto, el propósito de este equipo es ilustrativo para realizar los cálculos de capacidad y diseño. Es importante después de haber calculado la cantidad total de agua a evaporar y determinar las temperaturas de operación. Para lo cual se deben conocer las fracciones de presión que se muestran en el Cuadro 5.1.

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Figur a 5.4. Cuerpo s de evaporado res disp uestos en un cuádru ple efecto.

Los datos del Cuadro 5.1, permiten calcular el tamaño de los tubos de la calandria de cada cuerpo, también son necesarios para determinar de manera aproximada la elevación del punto de ebullición en los cuerpos de evaporación. Cuadro1.

Distribución de la dism inución de presión en un sistema de evaporación de acuerdo al núm ero de efecto s o cu erpos . Cuerpos o efectos del sistema Fracciones de presión 11

Triple efecto (3 cuerpos)

30 11

Cuádruple efecto (4 cuerpos)

40

Quíntuple efecto (5 cuerpos)

11 50







10 30

10.5 40

10.5 50







10 50

 30

.5 40





.5 50

 40



 50

El Cuadro 5.2, muestra la variación del punto de ebullición para un sistema de cuatro cuerpos o cuádruple efecto partiendo de vapor de escape, así como la temperatura del jugo y la caída real de temperatura en el sistema. El siguiente paso consiste en calcular la toma de vapor. Los calentamientos se definen mediante las temperaturas del Cuadro 5.2. Existen pre-calculados rangos de temperaturas óptimas económicas. Se deben de usar rangos óptimos para no diseñar superficies excesivas de calentamiento, para lo cual es necesario mantener ciertos rangos de temperatura en el vapor de calentamiento [tv] y la temperatura que se desea en el jugo [tj] a la salida del calentador

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Cuadro 5.2. Escala de temperaturas en cada cuerp o para un sis tema de cu ádr up le efec to . Cuerpo Vapor de escape 1er cuerpo 2do cuerpo 3er cuerpo 4to cuerpo Caída total de presión

Temperatura del vapor 0C

Elevación de la temperatura 0C

Temperatura del Jugo 0C

Caída real de temperatura 0C

112 103 93 80 55

1.3 2.0 3.0 7.0

104.3 95.0 83.0 62.0

7.7 8.0 10 18 43.7

. El Cuadro 5.3, muestra los rangos de temperatura que debe tener el vapor de calentamiento y los rangos de temperatura de manera tal que se tengan economías en el uso de vapor. La Figura 5.3, muestra la posición de la calandria en un cuerpo de evaporación, así como el espejo y la posición de los tubos al interior del evaporador. Cuadro 3.

Rangos de temp eraturas en el vapo r de calentamiento que se deben tener en los calentadores de jug o.

Vapor de calentamiento Vapor de escape Vapor en el 1er cuerpo Vapor en 2do…n-cuerpo

Rangos de temperatura C [tv] 6 a 10 a 15 a

[tj] 8 12 20

Figur a 5.3. Posic ión de la calandria en un cuerpo de evaporación.

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Los calentamientos después de analizar los datos del Cuadro 5.3, los rangos de temperatura se deben expresar para jugos primarios y secundarios de acuerdo a los efectos o cuerpos, dichos rangos se muestran en el Cuadro 5.4, para [n-efectos-1]. Cuadro 5.4. Rangos de c alentamiento por cuerpo o efecto para jugos p r i m a r i o s y s e c u n d ar i o s .

Rangos de calentamiento por cuerpo C

Tipo de jugo

3er cuerpo 50-65

Jugo primario Jugo secundario

2do cuerpo 65-78 50-75

1er cuerpo 78-93 75-93

5.3.1.3. Cálc ulo y u so de v apo res v egetales d e la estac ión. El uso de vapores vegetales es diferente tanto en proporciones como en diferentes áreas de un ingenio azucarero, lo anterior está en función de los equipos y de la modernidad del mismo. En algunos ingenios el vapor se utiliza principalmente como fuente de calentamiento de jugos, en operaciones de cristalización (tachos) y secado de azúcar si seguimos un orden lógico de proceso podemos decir que, el vapor vegetal de una estación de evaporación la podemos clasificar de acuerdo con su uso en otras operaciones. El Cuadro 5.5. Muestra la fuente de vapor vegetal, la operación donde este es utilizado.

Cuadro 5.5. Uso d e vapores vegetales pro venientes d e una estación de evapo raci ón d e qu íntu ple efecto .

Evaporador (efecto)

Operaciones de uso

Nomenclatura

Evaporador-1 Evaporador-2 Evaporador-3 Evaporador-4 Evaporador-5

Intercambiadores-jugo clarificado Cristalización (tachos) y secado Calentamiento de jugo E-4 Calentamiento de jugo E-5 Condensados

Ve1 Ve2 Ve3 Ve4 Ve5

Por lo que para calcular la evaporación en cada una de las etapas de un evaporador de quíntuple efecto asumiremos que en una estación de evaporación y a las áreas donde es utilizado el vapor vegetal y para el cálculo podemos utilizar la distribución que se presenta en el Cuadro 5.6. Cuadro .5.6. Cálcu lo y dis tribu ción d e vapor es v egetales por efecto.

Evaporador (efecto)

Vapores vegetales

Nomenclatura

Evaporador-5 Evaporador-4 Evaporador-3 Evaporador-2 Evaporador-1

Ve5 Ve5 + Ve4 Ve5 + Ve4 + Ve3 Ve5 + Ve4 + Ve3 + Ve2 Ve5 + Ve4 + Ve3 + Ve2 + Ve1

Ve5 Ve4 Ve3 Ve2 Ve1

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Los vapores vegetales en una estación de quíntuple efecto (agua evaporada) se puede calcular mediante la siguiente ecuación.   [5  ]  5     4     3     2     .

Si analizamos la ecuación anterior, la evaporación de agua del jugo de caña debe ser igual a la distribución de vapores vegetales del Cuadro 5.6. Cuando esta igualdad no se da entonces es necesario alimentar a otras operaciones trasladando el consumo de vapores vegetales de una etapa a otra. Cuando ocurre lo anterior y se traslada el consumo de vapor de una etapa E n  a otra En+1, por ejemplo de E3 a E4, la evaporación aumenta y cuando se cambia el uso del consumo de vapor vegetal de E n a En-1, decir de la etapa E4 a E3, la evaporación disminuye. Cuando se han realizado adaptaciones y varias veces los cálculos de balance de vapores vegetales en una estación de evaporación y no se consigue la evaporación requerida de acuerdo al tamaño del ingenio se recomienda realizar las siguientes adecuaciones:  

Aumentar el número de efectos (evaporadores) de la estación de evaporación.



Enviar los vapores al condensador de la estación de evaporación.



Comprimir los vapores vegetales.

5.3.1.4. Cálcu lo d e la estación d e vapo r, con su m o to tal de vap or , cond ensados y vapores vegetales. Para calcular la estación es necesario conocer el consumo de vapor total en fábrica. Si el consumo de vapor se distribuye como se muestra en el Cuadro 5.6., donde el consumo total de la estación de vapor está dado por Ve1. El consumo total de vapor Vt, en un ingenio azucarero se calcula considerando el valor de Ve1  y el vapor utilizado por equipos que utilizan vapor de escape Ves, mediante la ecuación siguiente.     .

El vapor de escape de los equipos primarios y de la válvula reductora, alimenta un equipo formando por un pre-evaporador y el primer evaporador de un cuádruple efecto, así como un intercambiador de calor para de jugo clarificado y una válvula reductora que forman parte del escape general para el resto de los equipos. Del segundo Evaporador del doble efecto se hace una extracción de vapor vegetal que alimenta a cuatro calentadores primarios, y del primer cuerpo del doble efecto se realiza la extracción del vapor vegetal a la línea general de escape de, regulándose manualmente. Las calderas generan vapor para alimentar los dos turbogeneradores para dar movimiento a las turbinas y al juego de cuchillas, molinos, bombas magma y secado.

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El vapor de escape a presión, junto con el vapor que pasa por la válvula reductora y la extracción que se realiza en el primer cuerpo del doble efecto, proporciona el vapor necesario para un cuádruple efecto, un triple efecto, tachos y otros usos. La descripción anterior es de manera aproximada cómo funcionan las líneas de vapor en un ingenio azucarero promedio. En los ingenios donde se produce energía eléctrica se pasa todo el vapor vivo por la línea del turbogenerador, debido a que en esta operación la expansión de vapor vivo se produce como vapor sobrecalentado V C  (ver apartado 5.2.2. Vapor sobrecalentado). La expansión de vapor vivo produce sobrecalentamiento del vapor que debe enfriarse hasta alcanzar la temperatura de vapor saturado VS, para ello se utiliza un enfriador de vapor por medio de la inyección de agua. Si para enfriar el vapor vivo se inyecta una cantidad de x kg de agua por cada kg de vapor se puede calcular cantidad de vapor necesario a generar VG, en las calderas del Ingenio mediante la siguiente ecuación.       .

Para calcular el agua a inyectar es necesario realizar un balance de la entalpía del sistema.    

   

.

Dónde: H e = Entalpía específica del vapor mezclado antes del vapor mezclado antes del enfriamiento. H m = Entalpía específica del vapor mezclado antes del vapor mezclado después del enfriamiento (temperatura del vapor entre 5 y 10 0 C. H a = Entalpía específica del agua de inyección que se encuentra a la temperatura del condesado que va a las calderas. Para poder realizar un balance de vapor adecuado en un ingenio azucarero, además de los parámetros anteriores, se debe tener en cuenta el vapor utilizado para la generación de energía en el Cuadro 5.7., se muestran los consumos de energía eléctrica kW.

Cuadro 5.7. Distribución del consumo de energía en un ingenio azucarero, Operación Número de motores kW kW Equipos Generados Consumidos Báscula de guarapo Molinos Calderas Turbogenerador Purificación y clarificado Estación de evaporación Cristalización y centrifugado Secado

20 40 60 12 30

15 30 60 10 20

400 800 1000 60 700

350 650 600 30 500

20

10

1500

1200

40

30

1200

600

10

10

600

600

Manual de Operación de Ingenios Azucareros

H., Debernardi D.

5.3.1.5. Cálc ul o de vap or es de exp ans ión. Los vapores de expansión se obtienen con la expansión de condensados. Si consideramos que, el vapor de expansión V  ex  , es generado por la expansión de vapor en el primer evaporador a partir de los condensados y conducido al cuarto evaporador en un sistema de evaporación de múltiple efecto se consigue una disminución de tamaño x, que puede ser del mismo tamaño que la cantidad de vapor necesaria en la estación de evaporación, sin embargo como ya vimos esta disminuye el triple (3∙ E n+1). La expansión de condensados por etapas se genera con la misma cantidad de vapor. La disminución de vapores vegetales se da cuando se tiene vapor de expansión de un solo cuerpo o evaporador. La cantidad de condensado producido en las calandrias de los evaporadores es igual a las cantidades de vapor desde Ve 1 a Ve5, Cuando se expande una cantidad de vapor V  ex  desde una temperatura t 1  hasta la temperatura t 2,  a dicha variación le corresponde una presión de expansión cuando se produce una cantidad de vapor vegetal V v  de x kg que se puede calcular mediante la ecuación siguiente:    

 (   

.

Dónde:  = Vapores vegetales.  =Vapores de expansión. = Capacidad calórica especifica del agua.  = Temperatura inicial.  = Temperatura final. = calor latente de vaporización del agua.