Descripcion Del Proceso y Memorias de Calculo produccion de la panela balance de materia y energia

FASE FINAL EVALUACION

PROYECTO DEL CURSO PROCESO INDUSTRIAL: ELABORACIÓN DE LA PANELA

PARTICIPANTES: DIANA SOLANYI CARRILLO FORERO C.C. 1.121.824.766 JORGE ANDRES OCAMPO RIOS C.C. 15387244 VICTOR ALFREDO SERNA BARONA C.C. 1118288994

BALANCE DE MATERIA Y ENERGIA GRUPO:301103_22

DIRECTOR DE CURSO: VICTOR FONSECA

UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA- UNAD INGENIERIA AMBIENTAL 16 DE MAYO DEL 2015

INTRODUCCION

El presente trabajo corresponde al colaborativo Fase Final Evaluación del curso Balance de Materia y Energía; que consta del informe de la descripción total del proceso con fórmulas calculadas de las etapas del mismo, diagramas de balance de energía y de materia. En este trabajo final se pueden evidenciar los diferentes factores energéticos que influyen en un proceso de  producción como lo es el de la Panela, en el cual intervienen diferentes procesos de calor y aplicación de otras energías. Este trabajo fue de aprendizaje práctico; especificando el método utilizado para hallar las formulas, realizado por los estudiantes mencionado s en la portada, para así adquirir las competencias de realizar cálculos de balance de calor en los diferentes procesos en los cuales es necesario aplicarlos. Los sistemas industriales se representan a través de un diagrama de flujo, él que corresponde a un conjunto de operaciones unitarias interconectadas a través de un circuito de corrientes de materia y energía, de acuerdo a una estructura y organización definida. Un proceso industrial corresponde a la transformación ó modificación de las propiedades de una corriente en un producto comercial ó corriente efluente de interés .La estrategia de diseño de procesos consiste en: a) obtener la información delas características del producto de interés, b) elegir y seleccionar los recursos ,insumos, materias primas, materiales y suministros energéticos junto con las tecnologías de procesamiento, c) integrar toda esta información en un diagrama de flujos que especifique los equipos, interconexiones y corrientes de entrada y salida del proceso  productivo. También se deben especificar las condiciones de operación y los valores de flujo y composición de las principales corrientes del proceso

PROCESO INDUSTRIAL ELABORACION DE LA PANELA La panela se considera un alimento que a diferencia del azúcar, presenta significativos contenidos de glucosa, fructosa, proteínas y minerales como calcio, hierro y fosforo. El agua de panela fría, es comúnmente utilizada como una bebida hidratante natural, que refresca y aporta calorías y sales minerales, para un mejor rendimiento corporal y una mayor resistencia física. Así mismo, se han detectado propiedades hidratantes y cicatrizantes de la panela para el tratamiento de úlceras varicosas. La panela es un producto que forma parte de las grandes riquezas que posee nuestro  país, además de ello es consumida por la mayoría de las familias Colombianas, convirtiéndose en un producto fundamental en la canasta familiar debido a sus múltiples usos y beneficios, por este y más motivos invito a los compañeros a hacer un estudio de un  producto que tiene gran acogida en nuestros hogares.

1. DESCRIPCIÓN DEL PROCESO INDUSTRIAL ELABORACIÓN DE PANELA. Para la elaboración de la panela se utiliza como materia prima la caña de azúcar, la cual se corta cuando alcanza su madurez, aproximadamente a los 18 meses de sembrada.

Etapa 1. Corte y almacenamiento de la caña: El corte de la caña se debe realizar cuando la caña alcanza el sazonado adecuado, ósea cuando tiene la mayor concentración de sólidos solubles, y alcanza la madurez en sacarosa. Las cañas inmaduras y sobre maduras dan rendimientos men ores y poseen mayor cantidad de reductores lo cual influyen negativamente en la dureza y el color de la panela. Se puede realizar de dos formas: 

Por parejo, donde se corta toda la caña al mismo tiempo.



Por entresaque y desguíe, donde solo se cortan los tallos que estén maduros

(dos o tres veces al año por lote).

La caña llega del campo y se arruma en montones en el patio del trapiche esperando para iniciar la molienda. El apronte o almacenamiento de la caña varía de tres a ocho días y se realiza  para mantener el molino, abastecido de caña.

Etapa 2: Molienda o extracción del jugo: En esta operación se obtienen dos productos: el jugo crudo como producto principal y el  bagazo húmedo. El jugo que sale del molino contiene agua y azúcar, está además acompañado  por partículas gruesas (tierra, bagazo y cera), iones (constituyentes minerales: Ca, P, K, Na, Mg, Fe, azúcares, etc.) y coloides (partículas de tierra, ceras, grasas, proteínas, vitaminas, gomas,  pectinas, taninos y material colorante) con un porcentaje entre 0.05 a 0.3 %. El contenido de azúcar en el jugo de la caña está entre un 13 % para cañas nuevas de primer corte. Los sólidos solubles, son los azúcares totales (sacarosa, azúcares reductores y otros carbohidratos), fluctúan entre 15 y 24 °Brix. El Bagazo o remanente de los tallos de la caña de azúcar después de extraerse el jugo es utilizado en la generación de calor mediante su combustión en las hornillas o calderas. En los trapiches se utiliza el bagazo como sale del molino, con 45% de humedad, se requiere someterlo a un proceso de secado natural previo, el cual tiene una duración promedio de 20 - 40 días en cobertizos llamados bagaceras, hasta conseguir una humedad de menos del 30%.

Etapa 3. Pre limpieza de los jugos de caña Consiste en eliminar por medios físicos y a temperatura ambiente el material grueso con el que sale el jugo de caña del molino. Los jugos pasan por unos prelimpiadores donde se retira cerca del 90% de las impurezas que son posibles de remover por medios físicos. El sistema se compone de dos prelimpiadores. El primero tiene como función recibir el  jugo del molino y remover las partículas de mayor densidad y tamaño que son las que se separan más rápidamente. El pre limpiador 2 remueve las impurezas con densidad más cercana a las del  jugo, que son más difíciles de separar, tales como lodos y partículas pequeñas.

Etapa 4. Clarificación de los jugos de caña

Esta etapa se lleva a cabo en la hornilla panelera u horno, donde se suministra el calor necesario para evaporar más del 90% del agua presente en el jugo y así obtener como producto final la panela. Su función es eliminar los sólidos en suspensión, las sustancias coloidales y algunos compuestos colorantes presentes en los jugos. Terminada la pre limpieza se pasa el Jugo a la primera paila de la hornilla llamada "Paila Recibidora", donde se calientan los jugos hasta 50 - 55 °C. El calentamiento del jugo acelera su velocidad de movimiento, lo que permite la coagulación o formación de partículas de mayor tamaño y densidad. Estas partículas son más fácilmente removibles por me dios físicos, Luego  pasan a la siguiente paila llamada "Paila Clarificadora", donde se le adicionan los agentes clarificantes (Mucílagos vegetales o polímeros químicos), los cuales aglutinan impurezas obteniéndose la cachaza. En esta etapa se realiza el proceso de encalado de los jugos ya sea en adición total inicial o final para evitar la inversión de la sacarosa. La dosificación de la lechada de cal, es decir suspensión de cal apagada en agua, en concentraciones de 100 - 150 gr. de cal por litro de agua.

Etapa 5. Evaporación de los jugos de caña. El calor es aprovechado básicamente en el cambio de fase del agua (líquido a vapor), eliminándose cerca del 90% del agua presente, lo cual aumenta el contenido inicial de sólidos solubles entre 16 y 21°Brix hasta el punto de la panela, a una temperatura de 120°C. Esta etapa la realizan generalmente tres pailas, dos consecutivas qu e le siguen a la paila clarificadora y la última paila de la hornilla. En esta etapa se eleva el contenido de azúcar en el jugo de 20 hasta un 86% en promedio. Este procedimiento es muy importante porque incide sobre la textura final de la panela, llamada "grano". Si hay alto contenido de azúcares reductores, afectan la consistencia final de la  panela hasta impedir su cristalización. En la elaboración de la panela se adiciona clarol para eliminar coloraciones oscuras del jugo.

Etapa 6. Concentración de los jugos de la caña de azúcar Esta fase final del proceso se presenta a temperaturas superiores de 100°C y se realiza en la paila concentradora o punteadora, que tiene una posición anterior a la última paila evaporadora  para evitar temperaturas demasiado elevadas que pueden quemar la panela. Esta etapa se da a temperaturas entre 100 y 125°C se acelera la inversión de forma que los azúcares reductores se duplican; por esto la concentración se debe realizar lo más rápido posible y se debe revisar que las mieles tengan un pH de 5.8. Aquí se adiciona el agente antiespumante y lubricante, para evitar que los jugos durante la ebullición rebosen la altura de la falca de la paila y evitar que las mieles se adhieran a las paredes de la paila evitando la caramelización y quemado. Los lubricantes y antiespumantes más usados son el cebo de animal, el aceite de higuerilla, la cera de laurel y la manteca vegetal. El hornero es el que añade antes de dar el punto de panela una porción aproximada de una cucharita del agente antiespumante y lubricante. El punto de la panela se obtiene entre 118 - 125°C con un porcentaje de sólidos solubles entre 88 y 94 °Brix determinándose por la consistencia, color y densidad de las mieles.

Etapa 7. Moldeo: Se realiza en gaveras, o conjunto de moldes donde se pasan las mieles y se termina de enfriar y solidificar hasta alcanzar la forma definitiva de panela.

Etapa 8. Empaque: Se realiza en bodegas acondicionadas o empaques adecuados, según las condiciones climáticas.

2. MEMORIAS DE CÁLCULO BALANCE DE ENERGIA PARA LA PRODUCCIÓN DE PANELA Los valores para las constantes empleadas están en la hoja de cálculo del libro de EXCEL, de igual manera la intención de la presente memoria es aclarar las ecuaciones del balance de energía empleados para cada etapa, y la fuente que proporcionó el valor registrado en la hoja de cálculo.

ETAPA CLARIFICADO Ecuación del balance de energía

                   Donde, me, masa de entrada ms, masa de salida he, entalpia de entrada hs, entalpia de salida Ep, energía potencial Ek, energía cinética W, trabajo

Eliminando términos (No existen o se desprecian)

                     Los valores se obtuvieron:

Masa, proporcionado por el balance de masa Calor especifico del sistema, proporcionado por el enlace virtual dado en la hoja de cálculo de Excel en base a estudios anteriores

Delta o cambio de temperatura, basados en estudios del proceso para la elaboración de panela  proporcionados por el lance virtual: http://elaboraciondelbatidillo.blogspot.com/2007/05/batidillo.html

ETAPA EVAPORACIÓN La idea en esta etapa es pasar la mayor cantidad de agua (80%) presente en el la alimentación de  jugo clarificado a fase vapor. Esta operación se realiza a presión atmosférica, la temperatura del sistema es aproximadamente 100°C para garantizar que el agua pueda cambiar de fase. El calor cedido en este sistema será un calor latente pues es solo un cambio de estado, este valor fue  proporcionado por la literatura (WYLLEN. V., Fundamentos de la Termodinámica, TABLAS)

La ecuación del balance de energía, se reduce a:

                               Los valores se obtuvieron:

Masa, proporcionado por el balance de masa hevaporación, proporcionado por la literatura (ya mencionada anteriormente) para una temperatura de 100°C y una presión de 1atm.

ETAPA CONCENTRACIÓN El fundamento o razón de esta etapa es concentrar la miel que se obtuvo en la anterior etapa (evaporación).

La temperatura de operación es cercana a las 112°C con el fin de concentrar la miel, la presión es nuevamente de 1atm. La ecuación del balance de energía, despreciando términos que no influyen tanto en el sistema (Energía cinética y/o potencial) y por balance de masa global:

        

Los valores empleados:

Masa, balance de masa global durante la etapa Calor espefico, proporcionado por el enlace virtual: http://repositorio.educacionsuperior.gob.ec/bitstream/28000/845/1/P-SENESCYT-0009.pdf 

Temperatura de salida u operación: Proporcionado por en enlace: http://elaboraciondelbatidillo.blogspot.com/2007/05/batidillo.html

Temperatura de entrada: Se tomó el valor de la temperatura a la cual termino la etapa anterior, evaporación.

ETAPA BATIDO Y MOLDEO Finalmente se procede a la etapa final para la producción de la panela. En esta etapa se desea mezclar la miel ya concentrada para una mejor homogenización de componentes y el vertido en moldes para su empaque y distribución. Es necesario que nuestra miel que procede de la anterior etapa (concentración) a una temperatura de cercana a las 112°C a enfriarla para que la miel se  pueda solidificar. Para este balance de energía, es importante aclarar que la miel vertida se deja enfriar lentamente a temperatura ambiente (25°C), luego el calor que cede (debido al intercambio de calor con el ambiente) será igual al calor que recibe el ambiente. La ecuación que describe el balance de energía:

                              

Los valores empleados:

Masa, proporcionados por el balance de masa Calor específico de la panela, proporcionado por fuentes virtuales: http://repositorio.educacionsuperior.gob.ec/bitstream/28000/845/1/P-SENESCYT-0009.pdf 

Temperatura inicial del proceso, se tomó la temperatura a la cual termino el proceso de concentración.

Temperatura final de la panela, se empleó la temperatura ambiente, pues es finalmente la temperatura a la cual se comienza el almacenamiento, empaque y distribución del producto, la  panela.

3. DIAGRAMAS

LINEA DE BALANCE DE MATERIA

LINEA DE BALANCE DE MATERIA

4. CONCLUSIONES



Se determino las etapas de producción de la panela que se elabora a partir de la caña de azúcar, además se realizo la formulación para realizar un adecuado balance energético del  proceso.



Con la realización del balance energético se observo el consumo de vapor y el potencial energético requerido.



Se observa una gran demanda energética para el proceso de elaboración de la panela.



Existe un alto potencial energético en los gases de combustión debido al incremento de la temperatura y al exceso de aire elevado.



En todo proceso industrial es necesario realizar un balance de materia y energía para asi calcular costos de producción y optimizar el rendimiento del producto final.





Los balances de materia y de energía se basan en las leyes de la conservación de la masa y la energía. Estas leyes indican que la masa y energía son constantes y que por lo tanto la masa y la energía entrante a un proceso , deben ser iguales a la masa y energía salientes a menos que se produzca una acumulación dentro del proceso. Se Aprende a utilizar métodos de integración de materia y energía, y elaboración de diagramas de flujos para la síntesis de productos y tratamiento de efluentes de la industria de procesos.

5. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS



FONSECA, V. UNAD. Modulo Balance de Materia y Energía. Unidad 1. 2007.



Hayes G. D., Manual de datos para ingeniería de los alimentos, Acribia, 1992.



Sistemas de unidades, factores de conversión e in formación técnica, cap. 15, Biblioteca UNAD.



Felder, Richard M., and Ronald W. Rousseau. Principios elementales de los procesos químicos. Addison-Wesley Iberoamericana, 1991. Páginas 84-89



RECLAITIS, G.V., Balances de Materia y Energía, McGraw-Hill Book, Co.



HIMMELBLAU, D. Balances de Materia y Energía, cuarta ed ición, Ed. Prentice Hill., 1988, México.



IZQUIERDO J.p., COLS. Problemas resueltos de Balance de Materia y E nergía, Reverte. Barcelona. 2011.



VALIENTE A. Problemas de balance de materia y energía. Ed. Universidad, México, 1991.



BERLALTIS, G.V. Balances de materia y energía, Ed. Mac Graw Hill, Mayo 1991, México.