Diseno-Ingenio-Azucarero

DISEÑO Y DESCRIPCIÓN DE EQUIPOS UTILIZADOS UTILIZADOS EN UN INGENIO AZUCARERO

1. INTRODUCCIÓN La producción de azúcar es una de las las primeras industrias en nuestro país junto con la minería, su historia se remonta a los primeros años de la conquista, es decir cuenta con 500 años de antigüedad. El cultivo y la molienda de azúcar fue una de las primeras aportaciones de la cultura europea; desde entonces, la industria de la azúcar ha ocupado un papel muy importante en nuestra economía. Pese a ello, esta industria no fue objeto de una política decidida al fomento por parte del estado ni en la época colonial, ni durante buena parte del siglo XIX. En este trabajo se se plasmara el diseño de equipos que son utilizados en los ingenios azucareros,  para la producción de azúcar refinada. Los seis equipos que se diseñaran corresponden a operaciones unitarias distintas, los cuales corresponden a todos los equipos que se utiliza en un ingenio azucarero específicamente. La energía puede fluir en diversas formas, como la energía calorífica, la energía eléctrica y el trabajo mecánico. También, que se puede almacenar en diversas formas, tales como la energía de deformación en un resorte comprimido, energía interna en un cuerpo caliente y energía química en un combustible. “El enfriamiento de un cuerpo caliente expuesto al aire se efectúa en parte por radiación y en  parte por conducción del calor a partir de la superficie del cuerpo al aire con el que está en contacto. La actividad de la conducción superficial se agudiza grandemente por el viento, el cual lleva continuamente porciones nuevas de aire frió al contacto con la superficie, en lugar de aquellos que se han calentado”. En este trabajo de diseño procederemos a examinar el flujo de calor por conducción y por actividad de conducción superficial, o convección, como se llama hoy en día, realizando todos análisis y criterios para un buen diseño de los equipos.

2. OBJETIVOS 2.1. Objetivo General  Diseñar y describir seis equipos diferentes para el proceso de obtención de azúcar blanca

a partir de 800 Toneladas de caña de azúcar como materia prima por día.

2.2. Objetivos Específicos  Estudiar las diferentes transformaciones que se puedan obtener de la caña de azúcar

tomando en cuenta sus particularidades propias de la región en la que se sembró.  Conocer los diferentes tipos de operaciones unitarias para cada proceso y eligiendo los

equipos adecuados.  Diseñar y describir los equipos a ser seleccionados, teniendo en cuenta como criterios el

ahorro y aprovechamiento máximo del calor.  Obtener ecuaciones que permitan dimensionar los equipos que se va a diseñar, en función

al volumen de materia prima propuesto para el diseño.  Conocer el fundamento teórico-práctico que se basan en el funcionamiento de los equipos

industriales.

3. FUNDAMENTOS TEÓRICOS La caña de azúcar (Saccharum (Saccharum officinarum L), L), es un pasto gigante tropical, rico en azúcar, el cual es sintetizado durante la fotosíntesis. De manera general, la caña contiene, una  parte sólida llamada fibra (11 - 16 %) y una parte líquida formada por agua (73 - 76 %) y azúcar (8 - 15 %)  principalmente, así como otros componentes.

La sacarosa se forma en la planta de caña, a partir del proceso de fotosíntesis:

12 CO2 + 11 H2O  C12H22O11 + 12 O2

FIG 1. En la figura 1 se representan las fases que caracterizan el desarrollo y crecimiento de la caña de azúcar, según la siguiente clasificación: 

Emergencia y establecimiento de la población in icial de tallos (Brotación)  A



Macollaje y Cierre del cañaveral  B



Determinación del rendimiento cultural  C



Maduración y definición de la producción de azúcar. (Período de Gran Crecimiento)  D

Proceso de Fabricación El proceso de fabricación comienza desde la llegada de la caña al ingenio. Básicamente los pasos  para la obtención del azúcar son:



Cosecha.  Cortado y recolección de la caña de azúcar.



Almacenaje. Se determina la calidad, el contenido de sacarosa, fibra y nivel de impurezas. La caña es pesada y lavada.



Pi cado ca do de l a cañ c añ a.  La caña es picada en máquinas especialmente diseñadas para obtener  pequeños trozos.



Molienda.   Mediante presión se extrae el jugo de la caña. Se agrega agua caliente para extraer el máximo de sacarosa que contiene el material fibroso.



Clari fi cació cación n y r efi nació nación. n.  En la clarificación se eleva la temperatura del jugo, se separa un jugo claro. Es posible también refinarlo y para ello se agrega cal que ayuda a separar los compuestos insolubles. También suele tratarse con dióxido de azufre gaseoso para  blanquearlo. No todo el azúcar de color blanco proviene de un proceso de refinado.



Evaporación.  Se evapora el agua del jugo y se obtiene una meladura o jarabe con una concentración aproximada de sólidos solubles del 55 % al 60 %. La meladura es  purificada en un clarificador . La operación es similar a la anterior para clarificar el jugo filtrado.



Cristalización. De la cristalización se obtienen los cristales (azúcar) y líquido.



Centrifugado. Se separan los cristales del líquido.



Secado y enfriado.  La azúcar húmeda es secada en secadoras de aire caliente en contracorriente y luego enfriada en enfriadores de aire frío en contracorriente.



Envasado. El azúcar seca y fría se empaca en sacos y está listo para su venta.

Subproductos de la Caña de Azúcar La agroindustria de la caña de azúcar, es extremadamente amplia y compleja. En efecto la caña de azúcar es, según diferentes autores, “el vegetal de mayor capacidad productora de materia orgánica” , de todos los cultivos económicos es la plana que mayor cantidad de energía solar

convierte en energía química, gracias a sus posibilidades de fotosíntesis y de fijación a través de este mecanismo de la energía solar. Sin embargo, generalmente sólo se atribuye valor comercial a un 24 por ciento del peso de materia seca de la caña completa, acumulada durante el período

vegetativo. El restante 76 por ciento, lo constituye los desechos agrícolas y de fabricación como cogollo, hojas y pajas (Barbojo), bagazo, melaza y cachaza, cuya utilización eficiente, convirtiéndoles en productos comerciales puede representar beneficios económicos.

:  Como promedio, el 60% del bagazo que se produce se emplea como  El Bagazo  combustible en los trapiches. Las fibras de bagazo son de dos clases: (1) fibras finas, fuertes y flexibles, que se prestan para la fabricación de pulpa y papel de gran calidad, y (2) fibras cortas o material meduloso que da poca o ninguna pulpa en la fabricación de  papel y que confieren propiedades inconvenientes al papel fabricado de bagazo si no se eliminan. Ambos tipos contienen alrededor de un 20% de lignina. 

 La melaza residual o melaza final es el subproducto de la industria azucarera del Melaza:  La cual se ha substraído el máximo de azúcar. Cuando se emplea la palabra melaza sin especificación, se suele referir a la melaza residual. Al hablar de melaza, lo primero que nos salta a la vista es su utilización como materia prima para la producción de levadura  panadera, de ron y de manera inmediata y directa como alimento animal.



Cogol Co gol l os de Cañ C añ a de d e Azú A zúcar car :  Los   Los cogollos se cortan de la planta durante la cosecha y se emplean mucho para la alimentación de los animales de tiro o bovinos de propiedad de los trabajadores de las plantaciones de azúcar o de las compañías azucareras. Como forraje, los cogollos de caña de azúcar frescos pueden aportar los nutrientes necesarios  para satisfacer los requisitos de mantenimiento de los bovinos, pero, para la producción, es necesario añadir un concentrado proteico. Los cogollos de caña de azúcar pueden ensilarse para aprovechar mejor las grandes cantidades que se producen durante la temporada de cosecha.



L a Cachaza:  Cachaza:   La cachaza es el residuo que se obtiene del proceso de filtración de los  jugos. La cantidad de cachaza producida y su composición varía según la localización loc alización de los cultivos, la variedad de caña, la eficiencia de molienda, el método de clarificación, etc. Sin embargo, cualquiera que sea el volumen obtenido, ésta contiene diferentes sustancias

de importancia, como cera cruda, grasas, fibra, azucares y proteínas cruda, entre otros, que la convierten en una materia prima de gran valor.

4. DESARROLLO DEL PROCESO A continuación se describe el proceso industrial para la obtención y refinación e azúcar blanca refinada, considerándose desde el momento que es cosechado e ingresa al ingenio, pasa por todo el proceso industrial que requiere y termina dicho proceso en el producto final, azúcar blanca refinada.

Di agrama de un I ngeni o Azucarero

Descripción del Proceso 1. Recepción y preparación de la materia prima  Recepción de caña de azúcar a través de camiones los cuales son llevados a una báscula

de plataforma para verificar la cantidad de producto que se recibe.

 Canalización de los camiones a un patio de batey en el cual serán descargados por medio

de grúas cañeras y/o volcadores de camiones.  Recepción de materia prima en mesas alimentadoras, las cuales controlan por medio de su

avance la cantidad de caña a suministrar.  Distribución de la caña de azúcar sobre conductores de caña, los cuales cuentan con

cuchillas cañeras las que dan un primer rompimiento de las fibras de la materia prima.  El conductor de caña hace pasar la materia prima por un desfibrador en donde se termina

el rompiendo las fibras de la caña.  Las fibras de la caña de azúcar pasan por un separador magnético en el que se extraen

 partículas metálicas.

2. Extr acción de Jugo o Guar apo  Las fibras de la caña de azúcar pasan por una serie de molinos, los cuales extraen el jugo

de dichas fibras, el cual es depositado en tanques de almacenamiento, a este jugo se le denomina “guarapo”.

 El jugo se canaliza a filtros rotativos, obteniéndose de estos un jugo claro, ya filtrado se

hace pasar por una báscula en la que se controla la cantidad de jugo claro a manejar.

3. Al calizado y Sul fatación  Se continua agregando al jugo claro una cierta cantidad de cal y azufre para así controlar

su pH y de igual forma hacerlo un poco más claro; cabe señalar que tanto la cal como el azufre en un sistema independiente han sido disueltos y calentados.

4. Calentam iento del J ugo y Evaporación del agua excedente  Con un pH controlado, el jugo se canaliza a una serie de calentadores de jugo en los que

se prepara para el siguiente paso productivo.

 El jugo caliente se dirige a un tanque flash, en el que se logra convertir de un flujo

turbulento a un flujo laminar, para así poder pasar a los pre-evaporadores en los cuales se extraerá una pequeña parte de agua.  Para terminar de extraer el agua excedente se conduce el jugo claro a los evaporadores,

los cuales darán como resultado final la obtención de meladura de azúcar, que será llevada a los tanques de meladura los que tienen como objetivo el reposo.

5. Formación del Gr ano de Azúcar  Una vez reposada la meladura se envía a los tachos, los cuales tienen como objetivo

alimentar a la glucosa de la semilla base, la cual ayudará a la formación del grano de azúcar.

 Se canaliza la semilla a los cristalizadores, en donde se terminará de formar el grano de

azúcar y se llevará a cabo su reposo.  El siguiente paso será canalizar la meladura cristalizada a unos portatemplas y

mezcladores en donde se dará un reposo final a los cristales de azúcar y se hará una mezcla entre los diferentes granos de azúcar

6. Obtención y En vasado del Producto Final  La meladura cristalizada se dirige a una serie de centrífugas las cuales tendrán por

objetivo la separación de la miel que no se pudo cristalizar con el grano de azúcar; cabe señalar que la miel incristalizable obtenida puede ser reprocesada para la obtención de otros productos como lo es el alcohol de caña de azúcar.  El azúcar resultado de la separación antes mencionada es conducida por medio de

transportadores helicoidales y elevadores de cangilones a un secador de azúcar, en donde se le extrae la humedad contenida.  Por último se hace pasar el azúcar a una báscula en donde se le da el peso adecuado según

la presentación requerida y se realiza el envasado, a su vez se es canalizado el producto al mercado o bodegas de almacén.

7. Obtención de Azúcar Refi nada  Para la obtención de la azúcar refinada se canaliza el azúcar después del secador a un

tanque fundidor el que se vuelve a obtener un estado líquido del azúcar.   Nuevamente se hace pasar por el proceso de alcalizado y ácido fosfórico, en donde se le

eliminan impurezas del azúcar estándar.  De igual forma que en el azúcar estándar, el jugo se hace pasar por otros calentadores y

clarificadores que con la ayuda de un floculante se obtiene el licor del cual se obtendrá el  producto final.  El licor se hace pasar por unos filtros en los que se separan las partículas de mayor

tamaño, y solo pasa aquello que podrá ser cristalizado.

 Una vez filtrado el licor se canaliza a sus respectivos tachos para formar el cristal del

azúcar refinado y a su vez colocado en porta templas y mezcladores.  Por último se separa el grano de la miel incristalizable por medio de centrífugas y el

azúcar obtenido se lleva hasta el secador y posteriormente a su envasado. La producción de azúcar a partir de caña se esquematiza en forma general, en la siguiente grafica:

Se debe considerar factores en el balance de masa, considerando las características propias de la caña, lo cual denotamos a continuación: Ton molienda

Imbibic. % caña

Imbibic %fibra

Jugo Mixto % cana

Jugo % caña

Bagazo % caña

Fibra % Bagazo

Azúcar %

Agua % Bagazo

800

25 - 30

200

100

75

25 - 30

12,5 -15

12

11,75 -14

Con los datos obtenidos en bibliografía, Manual del Ingeniero Azucarero, se realiza un balance de masa para 800Tn/día, arrojando los siguientes resultados:

Entrada

Cantidad

Salida

Caña de azúcar

800 Tn/día

Azúcar blanca

Cal

765 Kg/día

Miel Fina

Acido Fosfórico Azufre Floculantes

Cantidad 90 Tn/día 22,5 Tn/día

72 Kg/día

Bagazo

220 Tn/día

162 Kg/día

Cachaza

45 Tn/día

Lodos

6,3 Tn/día

18 Kg/día

F lu jogr ama de la Producción de Azúcar Refin ada

5. CARACTERÍSTICAS Y DISEÑO DE EQUIPOS Por importancia en la siguiente imagen se describe los procesos principales que se dan en un ingenio azucarero, lo cual nos da una visión de los equipos principales que se requieren para la  producción.

Pr ocesos Pr inci pales en la Pr oducción

3. Evaporación

Como se podrá notar en la anterior imagen, los equipos que de mayor importancia que se requiere en la industria misma de la azúcar son: Moledoras

Cristalizadores

Clarificadoras

Centrifugas

Evaporadores

Secadores

Debido a que se debe diseñar equipos que incluyan el flujo y transferencia de calor muy aparte, aunque primordial, del flujo másico. Por tanto y con ese criterio se seleccionara los siguientes 6 equipos:

1. Caldero

4. Cristalizador

2. Clarificador

5. Secador

3. Evaporador

6.

1. Caldero: Se llama caldera a un recipiente que sirve para calentar agua. En los sistemas de calefacción, la caldera es el artefacto en el que se calienta agua, por medio de un combustible, que luego se distribuirá por los emisores mediante una red de tuberías.  Básicamente, una caldera consta de un hogar,  donde se produce la combustión y un intercambiador de calor, donde el agua se calienta. Además tiene que tener un sistema de evacuar los gases procedentes de la combustión.

El agua puede calentarse a diferentes temperaturas. En las calderas normales no se suelen sobrepasar los 90ºC, por debajo del punto de ebullición del agua a presión atmosférica. En calderas más grandes, para dar servicio a barriadas, se llega hasta los 140ºC, manteniendo la  presión alta en las conducciones para que no llegue a evaporarse (agua sobrecalentada). Existen también calderas de vapor, en las que el agua se lleva a la evaporación y se distribuye el vapor a los elementos terminales, pero en Europa está bastante en desuso, porque la temperatura superficial de éstos resulta ser muy alta y entraña peligro de quemaduras. Existen también calderas en que el agua se calienta a temperaturas inferiores a 70ºC y que consiguen elevados rendimientos (caldera de condensación).

Los combustibles empleados pueden ser  sólidos (leña, carbón), líquidos (fuelóleo, gasóleo) o gaseosos (gases licuados de petróleo ó GLP, gas natural), lo que determina la forma de las calderas. Las calderas se pueden clasificar en tres grandes grupos:

 De vasija  De tubos de humos o pirotubulares  De tubos de agua o acuotubulares

Las calderas modernas de elevada capacidad, potencia y presión, son siempre acuotubulares; en ellas, los flujos de agua y vapor circulan por el interior de los tubos, mientras que los gases calientes lo hacen por el exterior.

El sistema de circulación de la caldera está constituido por tubos, colectores y calderines, conectados de forma que el flujo de agua que circula para generar el vapor, refrigere a la vez todos los componentes. La caldera acuotubular ofrece una mayor versatilidad en la disposición de sus componentes, lo que facilita un aprovechamiento más eficiente del hogar, del sobrecalentador, del recalentador y de todas las superficies termointercambiadoras.

Ti pos de Caldera 

Calderas de Vapor .- Una caldera es una máquina o instalación, diseñada y construida  para producir vapor de agua a elevada presión y temperatura, las hay, desde pequeñas instalaciones locales para la producción de vapor para cocción de alimentos, planchado en serie de ropa, tratamientos sépticos de instrumentales y labores similares, con vapor de relativa baja temperatura y presión, hasta enormes instalaciones industriales, utilizadas  para la alimentación de turbinas de generación de electricidad, y otros procesos industriales donde se requiere vapor en grandes cantidades, a altísimas temperaturas y  presiones.

Como estos vapores están confinados a un espacio cerrado, se incrementará la presión interior y con ello la temperatura de ebullición del agua según muestra el diagrama de fases,  pudiéndose alcanzar finalmente muy elevados valores de presión y temperatura. Estos vapores se concentran en la parte superior del recipiente inicialmente vacío, conocido como domo, de donde se extrae vía conductos para ser utilizado en el proceso en cuestión.

Aunque el principio de trabajo es muy simple, las particularidades del proceso son complejas para un trabajo seguro y eficiente de la caldera, especialmente en las grandes instalaciones industriales.

Hay muchos tipos de calderas de acuerdo a las temperaturas y presiones finales, tipo de energía calorífica disponible y volumen de producción de vapor. Cabe destacar además, que incluso, para las mismas condiciones generales, existen un gran número de diseños constructivos en cuanto al modo de intercambio de calor, la forma del quemado del

combustible, forma de alimentación del agua y otros muchos factores, lo que hace el tema de las calderas, objeto de grandes tomos técnicos así como de constante desarrollo. En la imagen de la izquierda se muestra un esquema de una caldera simple, que utiliza carbón como combustible. Los gases muy calientes procedentes de un quemador de carbón, se conducen a través de múltiples tubos embebidos en el agua contenida en el cuerpo de la caldera, hasta una chimenea de salida al exterior. Estos tubos se conocen como tubos de fuego. Durante el paso por los tubos, ceden el calor al agua circundante, calentándola y haciéndola hervir, los vapores resultantes, burbujean en el resto del agua para concentrarse en el domo de donde se extraen para el proceso.

Como durante el trabajo, se utiliza el vapor, el nivel del, por tal motivo es necesario alimentar la caldera con agua fresca. El conducto de purga se utiliza para vaciar la caldera en caso de reparaciones y mantenimiento o en periodos de inactividad durante las heladas. 

Calderas

Pirotubulares:   Se denominan pirotubulares por ser los gases calientes

 procedentes de la combustión de un combustible, los que circulan por el interior de tubos cuyo exterior esta bañado por el agua de la caldera. El combustible se quema en un hogar, en donde tiene lugar la transmisión de calor por radiación, y los gases resultantes, se les hace circular a través de los tubos que constituyen el haz tubular de la caldera, y donde tiene lugar el intercambio de calor por conducción y convección. Según sea una o varias las veces que los gases pasan a través del haz tubular, se tienen las calderas de uno o de varios pasos. En el caso de calderas de varios pasos, en cada uno de ellos, los humos solo atraviesan un determinado número de tubos, cosa que se

logra mediante las denominadas cámaras de humos. Una vez realizado el intercambio térmico, los humos son expulsados al exterior a través de la chimenea.



Calderas

Acuotubulares:  En estas calderas, al contrario de lo que ocurre en las

 pirotubulares, es el agua el que circula por el interior de tubos que conforman un circuito cerrado a través del calderín o calderines que constituye la superficie de intercambio de calor de la caldera. Adicionalmente, pueden estar dotadas de otros elementos de intercambio de calor, como pueden ser el sobrecalentador, recalentador, economizador. Estas calderas, constan de un hogar configurado por tubos de agua, tubos y refractario, o solamente refractario, en el cual se produce la combustión del combustible y constituyendo la zona de radiación de la caldera. Desde dicho hogar, los gases calientes resultantes de la combustión son conducidos a través del circuito de la caldera, configurado este por paneles de tubos y constituyendo la zona de convección de la caldera. Finalmente, los gases son enviados a la atmósfera a través de la chimenea.

Con objeto de obtener un mayor rendimiento en la caldera, se las suele dotar de elementos, como los ya citados, economizadores y precalentadores, que hacen que la temperatura de los gases a su salida de la caldera, sea menor, aprovechando así mejor el calor sensible de dichos gases.



Cal deras de vaporización instantánea: Existe una variedad de las anteriores calderas, denominadas de vaporización instantánea, cuya representación esquemática podría ser la de un tubo calentado por una llama, en el que el agua entra por un extremo y sale en forma de vapor por el otro. Dado que el volumen posible de agua es relativamente pequeño en relación a la cantidad de calor que se inyecta, en un corto tiempo la caldera está preparada para dar vapor en las

condiciones

denominación

de

requeridas, calderas

de

de

ahí

la

vaporización

instantánea.

Hay que destacar que en estas calderas el caudal de agua inyectada es prácticamente igual al caudal de vapor producido, por lo que un desajuste entre el calor aportado y el caudal de agua, daría lugar a obtener agua caliente o vapor sobrecalentado, según faltase calor o este fuese superior al requerido.

2. Clarificador: Un clarificador se utiliza para separar los sólidos en suspensión en el jugo de la caña. Estos sólidos son arena, tierra y material diverso adheridos a los tallos de la caña. La separación se produce al permitir que las partículas sólidas se asienten sobre una bandeja. Los sólidos son arrastrados desde la bandeja a un compartimento de lodos, desde donde se envían a los filtros en los cuales se procede a extraerles la poca sacarosa que contienen quedando un remanente de hasta 2% (idealmente). Los principales parámetros de diseño son la velocidad de flujo ascendente y el tiempo de residencia.

Ti pos de Clar if icadores:



Clar if icador Sugar Research and   I nnovation (  S RI).- Este equipo es el más utilizado en la mayoría de los ingenios azucareros. El sistema de clarificación por medio del equipo está basado en la adición de sacarato de calcio al jugo, el cual ha

sido

calentado

previamente

a

70-80ºC.

Seguidamente sufre un calentamiento secundario a 103 ºC, continuando con una desaireación en un tanque flash donde ocurre la disminución de oxigeno disuelto, con el fin de que el jugo que entre al clarificador se le facilite la precipitación de todo tipo de impurezas.



Clari fi cador Grave.- Es un tanque cilíndrico de fondo cónico de gran capacidad, provisto de  bandejas con sus respectivos raspadores accionado  por

un

motor

eléctrico.

El

jugo

entra

al

clarificador por la parte superior, los sólidos de mayor tamaño descienden a través del espacio dejado entre los aleros de las bandejas y las  paredes del tanque. Las partículas más pequeñas ingresan

con

el

jugo

al

interior

de

los

compartimientos, en los que son retiradas. El jugo claro se recoge y es retirado por la  parte superior del clarificador. Los lodos acumulados en la parte inferior del equipo se extraen con la ayuda de una bomba. 

Clarif icador Rapi-Dorr .- Es esencialmente un tanque cilíndrico de acero, cuyo fondo es cónico. Compuesto por una cámara de floculación, un compartimiento concentrador de cachaza y varios compartimientos clarificadores. La elección del diámetro del clarificador y el número de compartimientos depende de la capacidad requerida y del espacio disponible. Está provisto de un tubo central con divisiones para la entrada del  jugo y aberturas de salida para los sólidos sedimentados

(lodos)

en

todos

los

compartimientos, en cada uno de los cuales dos brazos unidos al tubo central rotan. Dichos brazos poseen paletas que se encargan de raspar el fondo de las  bandejas, llevando los sedimentos hacia el centro. El movimiento proporcionado por la acción conjunta de brazos y paletas en el interior de la cámara de floculación que facilita la aglomeración de pequeñas  partículas en suspensión, debe ser lo suficientemente lento como para permitir dicha aglomeración y de esta manera producir jugos más limpios y mejor clarificados. Para remover la espuma formada en la cámara de floculación, la clarificadora cuenta con espumadores verticales, los cuales la empujan hasta el canal recolector.

3.

Evaporador: En la Industria del Azúcar se utilizan evaporadores de múltiple efecto, con lo cual se disminuye el consumo de energía. En un evaporador de múltiple efecto, el vapor  procedente de la caldera se condensa en el elemento calefactor del primer efecto, si la alimentación al primer efecto está a una temperatura cercana a la temperatura de ebullición.

Un kilogramo de vapor hará que se evapore cerca de un kilogramo de agua ; el primer evaporador trabaja a una temperatura de ebullición suficientemente alta como para que el agua evaporada sirva de medio de calentamiento al segundo efecto. Allí se evapora cerca de otro kilogramo de agua que puede ir a un condensador, o servir de medio de calentamiento al siguiente efecto, dependiendo del número de efectos del sistema de evaporación de la planta.



Evaporador de Calandr ia.- Consiste en un haz de tubos verticales, corto, colocado entre dos placas remachadas al cuerpo del evaporador; este conjunto constituye la parte inferior del equipo. El cuerpo del evaporador está compuesto por un cilindro de fundición de hierro o de acero, el cual constituye la  parte superior del equipo, denominado comúnmente calandria, situado sobre el haz tubular. La calandria termina en una cúpula en forma de casquete esférico construida a una altura suficiente para disminuir el arrastre del líquido con los vapores. El vapor fluye por fuera de los tubos, existe un gran paso circular de derrame en el centro del haz de tubos donde el líquido a menor temperatura recircula hacia la parte inferior del haz tubular. Los tubos son grandes para disminuir la caída de presión y facilitar la circulación del líquido, están construidos generalmente de acero o de latón, por ellos circula el jugo a concentrar. 

Evaporador de películ a descendente (F F ).- En un

evaporador de película descendente, la solución a evaporar fluye rápidamente como una fina película hacia abajo y hacia dentro de la pared del tubo vertical. La vaporización se produce dentro de los tubos por el calentamiento externo de los tubos. El evaporado fluye hacia abajo en paralelo al flujo líquido. El evaporado y el líquido concentrado se separan en la cámara inferior de la calandria y en el cabezal de vapor, donde el vapor y el líquido son segregados por gravedad y/o por fuerza centrífuga.



Evaporador de Cir culacion For zada:    La circulación forzada imparte una gran velocidad de la solución por el interior de los tubos por ¡o que necesita una cierta energía potencial, la cual se convierte a energía cinética, al cambiar la velocidad de la solución a la salida de los tubos; y por efecto del calentamiento de la solución al pasar por los tubos y por la  pérdida de presión al salir de los tubos, la solución hierve instantáneamente, transformando su calor sensible a calor latente que adquiere el agua evaporada que se  produce en el espacio vapor del evaporador . La temperatura de ebullición de la solución, se calcula a la presión del espacio vapor concentrado final de la solución. Los evaporadores de circulación forzada manejan volúmenes de solución menores a los de circulación natural y bus arreas son también 2

menores, del orden de 500 Kcal/m . Para que la evaporación continúe produciéndose con rapidez hay que eliminar el vapor tan rápido como se forma. Por este motivo, un líquido se evapora con la máxima rapidez cuando se crea una corriente de aire sobre su superficie o cuando se extrae el vapor con una bomba de vacío. En un momento, durante la operación del evaporador del tipo circulación forzada, se interrumpió la alimentación de vapor, por lo que ello repercute en las temperaturas experimentales obtenidas y por lo tanto también resulta ser influencia en los resultados finales de eficiencia, los cuales son mayores al 100%.

4. Cristalizador: Aparatos que reciben las masas de segunda y las de tercera o de agotamiento (masas B y C), permanecen más tiempo, durante el cual se somete la masa a un tratamiento  para completar la cristalización y llevar el agotamiento de la masa al máximo. Existen diferentes clases de cristalizadores, entre los que sobresalen: El cristalizador Wekspoor y el cristalizador tubular rotativo Lafeuille. 

Cristalizador Wekspoor :  Recipiente en forma de U ó circular, según la masa a tratar ; en su interior posee un eje sobre el que se fijan los elementos de enfriamiento, discos huecos unidos entre sí, de modo que el agua recorre uno a uno todos los elementos, los discos dividen en compartimientos el recipiente. La masa se introduce por un extremo y avanza  por gravedad de un compartimiento a otro, sale

por

desbordamiento

por

el

lado

opuesto; el agua entra por éste lado, circula  por todos los discos y vuelve por el hueco del

malaxador.

La

circulación

es

en

contracorriente; una de las ventajas que tiene es que la masa que llega caliente se pone en contacto con agua ya calentada, y en cualquier punto la temperatura del agua de enfriamiento desciende a medida que la de la masa también disminuye.



Cristalizador tubular rotativo Lafeuille:   Funciona como malaxador o como tacha; compuesto por un cilindro de eje horizontal, el cual rota sobre unos rodillos. En los fondos se encuentran dos placas tubulares de chapa,

y

en

el

interior,

lleva

unos

tubos

horizontales unidos de dos en dos, los cuales forman un tubo cónico atravesado por una corriente de agua o vapor; al iniciar su operación se llenan tres cuartas partes del volumen total disponible, la rotación mantiene la masa agitada y malaxada sin necesidad de dilución.

Permite el enfriamiento rápido de las masas cocidas, aumenta su rendimiento y disminuye la  pureza y cantidad de miel producida. Cuando se emplea como tacha se pueden llegar a obtener masas cocidas de hasta 98°Brix

5. I ntercambiador de Calor: La aplicación de los principios de la transferencia de calor al diseño de un equipo destinado a cubrir un objeto determinado en ingeniería, es de capital importancia,  porque al aplicar los principios al diseño, se debe trabajar en la consecución del importante logro que supone el desarrollo de un producto para obtener provecho económico. El equipo de transferencia de calor se define por las funciones que desempeña en un proceso. Los intercambiadores recuperan calor entre dos corrientes en un proceso. Los calentadores se usan primeramente para calentar fluidos de proceso, y generalmente se usa vapor con este fin. Los enfriadores se emplean para enfriar fluidos en un proceso, el agua es el medio enfriador  principal. Los condensadores son enfriadores cuyo propósito principal es eliminar calor latente en lugar de calor sensible. Los hervidores tienen el propósito de suplir los requerimientos de calor en los procesos como calor latente. Los evaporadores se emplean  para la concentración de soluciones por evaporación de agua u otro fluido. Se ha reconocido que el empleo juicioso de los balances térmicos conduce a resultados

interesantes,

en

lo

que

respecta a la rentabilidad. Desde este  punto de vista, el cambiador de calor aparece

como

 particularmente

un

importante

órgano de

las

instalaciones químicas. Un intercambiador de placas consiste de una armazón y de placas corrugadas o ranuradas de metal. La armazón incluye

una placa fija, una placa de presión y partes de conexión y presión. Las placas son presionadas unas a otras sobre una armazón Las placas extremas no transfieren calor.

Di sposición de las placas 

Flujos en un intercambiador de placas

Ti pos de intercambiador es de calor



I ntercambiador es de coraza y tubo  : Los intercambiadores del tipo de coraza y tubo constituyen la parte más importantes de los equipos de transferencia de calor sin combustión en las plantas de procesos químicos

Intercambiadores de Casco y Tubo

General, el intercambiador coraza (carcaza) y tubo, consiste en una serie de tubos lineales colocados dentro de un tubo muy grande llamado coraza (como se aprecia en la figura anterior) y representan la alternativa a la necesidad de una gran transferencia de calor.



I ntercambiador de calor de espejo f ij o  :  los intercambiadores de espejo fijo se utilizan con mayor frecuencia que los de cualquier otro tipo y la frecuencia de su utilización se ha incrementado en años recientes. Los espejos se sueldan a la coraza. Por lo común, se extienden más allá de la coraza y sirven como bridas a la que sujetan como pernos los cabezales del lado de los tubos. Esta construcción requiere que los materiales de la coraza y los espejos se puedan soldar entre sí.



I ntercambiador de calor de tubo en U : el haz de tubos consiste en un espejo estacionario, tubos en U (o de horquilla), deflectores o placas de soporte y espaciadores y tirantes apropiados. El haz de tubos se puede retirar de la coraza del intercambiador de calor. Se  proporciona un cabezal del lado del tubo (estacionario) y una coraza con cubierta integrada, que se suelda a la coraza misma. Cada tubo tiene la libertad para dilatarse o contraerse, sin limitaciones debidas a la posición de los otros tubos. (los rehervidores de calderas, los evaporadores, etc., son con frecuencia intercambiadores de tubo en U con secciones ampliadas de la coraza para la separación del vapor y el líquido)



I ntercambiador de ani ll o de cierr e hidr ául ico: esta construcción es la menos costosa de los tipos de tubos rectos y haz desmontable. Los fluidos del lado de la coraza y del lado

del tubo se retienen mediante anillos de empaque distintos separados por un anillo de cierre hidráulico y se instalan en el e spejo flotante.



I ntercambiador de cabezal fl otante con empaque exteri or: el fluido del lado de la coraza se retiene mediante anillos de empaque, que se comprimen dentro de un prensaestopas mediante un anillo seguidor de junta. Esta construcción fue utilizada con frecuencia en la industria química; sin embargo, su empleo ha disminuido en los años recientes.



Intercambiador de cabezal flotante interno: el diseño de cabezal flotante interno se utiliza mucho en las refinerías petroleras, pero su uso ha declinado en años recientes. En este tipo de cambiador de calor el haz de tubos y el espejo flotante se desplaza (o flota)  para acomodar las dilataciones diferenciales entre la coraza y los tubos.



Intercambiador de cabezal flotante removible:  la construcción es similar a la del intercambiador de cabezal flotante interno con anillo dividido de respaldo, con la excepción de que la cubierta del cabezal flotante se sujeta directamente con pernos en el espejo flotante. Esta característica reduce el tiempo de mantenimiento durante la inspección y las reparaciones.



I ntercambiador es de placa y arm azón:  los intercambiadores de placa y armazón consisten en placas estándares, que sirven como superficies de transferencia de calor y un armazón para su apoyo.

6. Secador: El azúcar crudo no se seca, simplemente se almacena y envasa tal y como sale de las centrífugas. Los demás tipos de azúcares se secan en secadores rotatorios con aire caliente a una temperatura entre 80 y 90°C, el aire se calienta con la ayuda de un recalentador. El equipo de secado cuenta además con un ventilador, un ciclón, un separador de polvo, una chimenea, un elevador para el azúcar seco, una tolva de recibo y una báscula (mecánica o automática). El secador de calor directo y flujo a contracorriente en el que el gas está en contacto con el material a secar y es la más utilizada en la industria azucarera.



Secador M ulti tubular .- equipo diseñado para el secado y enfriamiento del azúcar cristal con seis tubos transportadores para el secado y seis tubos transportadores para el enfriamiento, no permite que ocurra el rompimiento

de

los

cristales

y

consiguiente formación de polvo sin necesidad de colmenas u otros tipos de rellenos que pueden causar interrupciones significativas en el caso de la obstrucción.



Secadores rotator ios.- Forman un grupo muy importante de secadores; son adecuados  para manejar materiales granulares de flujo libre que pueden arrojarse sin temor de romperlos. En la figura 12.20 se muestra uno de estos secadores, un secador de aire caliente directo a contracorriente. El sólido por secar se introduce continuamente en uno de los extremos de un cilindro giratorio, como se muestra, mientras que el aire caliente fluye por el otro extremo. El cilindro está instalado en un pequeño ángulo con respecto a la horizontal; en consecuencia, el sólido se mueve lentamente a través del aparato. Dentro del secador, unos

elevadores

que

se

extienden desde las paredes del cilindro en la longitud total del secador levantan el sólido y lo riegan en una cortina móvil a través del aire; así lo exponen completamente a la acción secadora del gas. Esta acción elevadora también contribuye al movimiento hacia adelante del sólido. En el extremo de alimentación del sólido, unos cuantos eleva dores espirales pequeflos ayudan a impartir el movimiento inicial del sólido hacia adelante, antes de que este llegue a los elevadores principales. Es obvio que el sólido no debe ser pegajoso ni chicloso, puesto que podría pegarse a las paredes del secador o tendería a apelotonarse.

6. DIAGRAMA DE FLUJO DE FABRICACIÓN DE AZÚCAR  –  UNAGRO

7. CÁLCULOS Y DISEÑOS DE LOS EQUIPOS  En toda industria, sea cual sea su producción, para realizar su diseño respectivo primeramente  se debe saber cuánto de energía se requiere, es decir cuánto de flujo másico de vapor requerirá, que tipo de energía, que fuentes de energías. Entonces con esa lógica primero se debe diseñar todos los equipos y hacer sus cálculos respectivos y al final según a los requerimientos de los equipos se calculara la capacidad del caldero y otras fuentes de energía.

a)  EVAPORADOR

h (cm) Diámetro (cm)

Tanque de alimentación

Tanque del Evaporado

Tanque del Condensado

Tanque del vapor condensado

3.6

5.5

5.8

22

59.6

34.6

56

56



Calcul o de la M asa de Al imentación

MA= 114.6 Kg/h 

Cálcul o de la M asa del Pr oducto

MP= 44.6 Kg/h



Cálcul o de la M asa del Evapor ado

ME= 57.5 Kg/h



Cálcul o de la M asa de Vapor

MV= 80.06 Kg/h



Cálcul o del Calor Apr ovechado en el Evaporador

HA= Cp ta = (1kcal/KgºC )·( 19ºC)=19 kcal/kg Hp= Cp tp = (1kcal/KgºC )·( 50ºC )= 50 kcal/kg HE= 619 Kcal/Kg

Q= M P·H P +M E H E - M A H A Q=619·57.49+57.11·50-114.6·19 Q=36264.41 Kcal/h



Cálcul o del Cal or Sumini str ado por el Evaporador 

QS= MV ∆V ∆V a109ºC = 533.2 Kcal/kg QS = (80,06kg/h )·( 533.2 Kcal/kg) QS = 42687.98 Kcal/h



Cálcul o de la E fi ciencia

E= (Q/QS)·100 E= (36264.41 Kcal/h / 42687.98 Kcal/h )·100 E= 84.9%



Cálcul o del Ár ea de Tr ansferenci a de Calor A= π D L Nt

A= (3.1416)(0.03)(2.55)(4) 2

A= 0.961 m



Cálcul o de la Capacidad Evapor ativa 2 C   /A E = M  E   = 57.49 Kg/h / 0.961 m 2

C  E =59.8 Kg/h m



Cálcul o de l a Capacidad Calorífica

2

C Q= 36264.41 Kcal/h / 0.961m 2

C Q = 37775.42 Kcal/h m



Cálcul o del Coeficiente Global de Tr ansferencia de Calor ∆T1= Tv - Te=(109 - 64)ºC= 45ºC ∆T2= Tv - Tx= (109 - 50)ºC= 59ºC ∆T= (∆T1+ ∆T2)/2 ∆T= 52ºC U = Q/( ∆T · A) = 36264.41 / (0.961 · 52) 2

U = 726.4 Kcal/h m ºC



Cálcul o de la M asa de Recir cul ación

 M  R= 2014.68 Kg/h



Consumo de Vapor en el Pr imer Evaporador de los Múltipl es Efectos (M I A)

  

M·

=

−  1

Bm

0,95 · n

− 

3333,33 · 1

=

= 183,1

Bjm

17 23

0,95 · 5

  /

 M = 33333,33 (Kg/h)  Peso del guarapo calentado o pre-evaporado  Bjm= 17 ºBx  ºBx del jugo calentado o pre-evaporado  Bm= 23 ºBx   ºBx de la meladura (%) n = 5   Número de evaporadores o efectos múltiples

b)  CRISTALIZADOR Datos:

Tf  Vapor

Tentreda= 45 ºC Tsalida = 108ºC

120 ºC 2

U =3000 KJ/m ·h·K (obtenido del Manual del Ingeniero Azucarero)

108 ºC

45 ºC Guarapo



Cálcul os y r esul tados: Para el cristalizador utilizamos una relación de volumen donde solo se llena ¾ de su capacidad total entonces: 3

2,44m = 3/4V 3

V = 3.255m

3.255 =

π × l2 × L

4

L = 1.61 m

 ∆ ∆ −∆ ∆∆ −  ∆   − −   −   − 

2.44 × 1010 kg m3 = 2465 de jugo

2

=

ln

=

120

ln



1

2

1

108

45

120 108 45

Calcul o del área de transmisión de calor :

           =2

 

2

+

=  2 × 0.8 × 1.61 + = 10.10

× 0.82



2

El tiempo que se mantiene a esa temperatura es de 58 minutos según Manual del Ingeniero Azucarero.

 ∆     −                   ∆   − − −     −  −   =



= 2465 [

58

] × 3,849 [

= 22580 [

]×

] × 381

1

×

60

318

1000 1

= 171761,63 = 171,76 =

171761,63 = 10.10 · 2838.55 ·

120

ln

108

45

120 108 45

= 58,7 ⁰ C

c)  I NTERCAM BI ADOR DE CALOR 

Datos: Cp  guarapo = ?

b=0.4m

Cp agua = 4.18 KJ/Kg·K

 X=0.001m

 

 Agua =990

 guarapo

a=0.4m

3

 L= 1m

Kg/m

3

= 865Kg/m

 K acero=16.3 w/ m· ºC  K guarapo= 0.865 w/ m· ºC 

T 1= 4 º C (277 K) → temperatura de entrada del guarapo T 2= 34 º C (307 K) → temperatura de salida del guarapo T 1= 50ºC (323 K) → temperatura de entrada del agua V agua = 30000L/día V  guarapo = 20000L/día



Calculo del Cp del Guar apo (M I A)

Cp = 1,0 - [0,6 –  (0.0018·t m ) + 0,0008·(100 - P  z  )] Cp = 1,0 - [0,6 –  (0.0018· 30) + 0,0008·(100 –  14,4 )] Cp  guarapo = 0,61 Kcal/h·ºC Cp  guarapo = 2,54 KJ/h·ºC

t m = 30ºC   temperatura media de la melaza (EC)  P  z  = 14,4 %  pureza verdadera (sacarosa/materia seca) (en tanto por uno) 

Calcul o del Cal or Ganado del Gu arapo  Q = mCp∆t 

 ·2,54 KJ/Kg·K ·(307- 277)·K 

Q = 0.574

 

Q=43,736 

Q=43736 W 

Calcul o del F luj o M ásico Guarapo 20000

    = 2000     1

10

         ∗  ∗       1

2000

2

3

1033

3

1000 1

3

3600

3

=2

= 0.574

Agua

           = 0.825  30000       1

1

10



1

3600

3

990

1000

1

3

Calcul o de la Temperatur a de Sali da del Agua Bal ance de Calor

-Q ganado (guarapo) = Q cedido (agua)

−  −   − m Cp T2

T1 =

(T2

T1 )

-0,574·2,54·(307-277) = 0,825·4,18·(T2 -323) T 2= -310,3 ºC ≈ 37.3ºK

PARA EL AGUA 

Calcul o del N RE  para Determ in ar el Tipo de F lu jo dentro de las Placas V=

 = (0.825) ·(  ) = 8.333x10    −    =   = ∗   =2.089m/s ∗  = ∗   = 0.1m D = ∗   ∗  3

1

-4

990

8.333 10

4

(0.001 0.4)

3/ 2

0.4

e

( + )

0.4

2 (0.4+0.4)

Datos a 50⁰C para el agua del apéndice 2.1-1 (transferencia de calor) →

NRE

∗∗ =  = 

2.098m s

∗ ∗

3

m /s



κ=0.6435 W/m·k 

0.1m  990kg/m3

−

∗

0.572x10 3 kg/m  s

-3

=0.572x10 kg/m·s

= 360000 > flujo turbulento



Calcul o del coefi ciente de transferencia de calor

N Pr

∗ = 

=

−

∗∗

∗

4.18KJ/Kg K (0.572x10 3 Kg/m  s) (0.6435 /1000)

 ∗∗ /

= 3.982

Para NRE>6000 y N Pr  de 0.7-16000 0.8

Ecuación 4.5-8 (Geankoplis) → N Nu= 0.027· NRE · N Pr

1/3 μb 0.14

·(μ ) w

A la temperatura media para el agua de: Tm=

N Nu=

 N  Nu=

  =  +

50+30.8 2



 =80.8 ⁰C → μw = 0.363x10

0.8 1/3 0.027· (360000) · (3.982) ·

 ∗  0

→

h0 =

 ∗ 

=

− kg/∗ 3

− ∗ ( ) 0.363x10 − kg/m ∗ s 0.572x10 3 kg/m  s

0.14

3

∗

1270.83 (0.6435/1000) 0.1



2

h0 = 8.18 KJ/m ·s·K 

PARA EL GUA RAPO 

Calcul o del N RE  para determi nar el Ti po de Fl ujo 1 3   ) = 6.633x10 m /s V=   = (0.574)  ·( 865  -4

6.633  10 −4  3 /  =   = (0.001 ∗0.4) 2  =1,65 m/s

∗  = 0.4 ∗0.4  = 0.1m ∗   2∗(0.4+0.4)

De =

( + )

3

= 1270.83

 ∗∗ /



-3

=4,07x10 kg/m·s

Datos para el guarapo del Manual del Ingeniero Azucarero →

NRE = 

∗∗ 

=

∗ −

1.389m/s·0.1m  865Kg /m3

∗

κ=0.603 W/m·k 

= 29520.82 > flujo turbulento

4,07x10 3 Kg/m  s

Calcul o del Coefi ciente de Tr ansferencia de Calor

N Pr

∗ = 

=

−

∗∗

∗

3.85Kj/kg K (4,07x10 3 kg/m  s) (0.603/1000)

 ∗∗ /

= 2,59

Para NRE>6000 y N Pr  de 0.7-16000 0.8

Ecuación 4.5-8 (Geankoplis) → N Nu= 0.027· NRE · N Pr

1/3 μb 0.14

·(μ ) w

A la temperatura media de:

  = 50  +

Tm=

N Nu=

+30.8 2



0.8 1/3 0.027· (67680.99) · (14.17) · (

 N  Nu=

 ∗  0

→

h0 =

∗

−

 =80.8 ⁰C → μw = 0.363x10 3 kg/

 ∗ 

=

− ∗ ) 0.363x10 − kg/m ∗ s 4,07x10 3 kg/m  s 3

140,26·(0,603/1000) 0.1 2

h0 = 8,45 KJ/m ·s·K



0.14

 = 140,26

 ∗∗ /



Perf il de Temperatu ras para el Pr oceso en el proceso de enfr iamiento.

Ecuación 4.9-4 (Geankopli s)

 ∆ ∆ −∆ ∆∆  − ⁰ −  − ⁰ − ⁰  − ⁰ ∆ ⁰ =

∆

Tlm =

(30.8

4) C

ln

50

34 C

(30.8 4) C 50 34 C

= 30 C= 303K



F actor de Corrección de la Temperatu ra Ecuación 4.9-6 (Geankoplis) >

− = − =0.64 − −  − − Y= − = − =0.65   Z=

50 34

30.8 4

∆=F ·∆ T

Ec.4.9-2

4 30.8

50 30.8

Ec.4.9-3

Con los datos de Z, Y se tiene según la figura 4.9-4(b), para este tipo de intercambiadores (de placas)

FT= 0.94

Entonces:

∆=

0.94·30 =28.2 ⁰C =28.2 K



Calculo del Coeficiente de Transferencia de Calor Global U=

1

−

∗

∗

1/h f +1/h di +(r0 r 1 )A i /k A A Alm +Ai /A 0 h 0 +Ai /A 0 h do

 

“U”

Ec.4.9-21

U= 5000 w/m2K (para un intercambiador de placas de acero inoxidable) 

Calculo del Área de Transferencia de Calor Necesaria para en el Proceso Ecuación 4.9-5 para un intercambiador Q=UA ∆Tm

A=

A= 5000

 ∆

Tm

   ∗  65436 /

2

28.2

A= 0.464m2 Usando un factor de seguridad del 10% se tiene:

 

A=0.464m2 · 1.1 = 0.5104 m2 Por lo tanto:

 NPlacas =

0.5104m 2

∗

(0.2 0.4)m 2

≈

=5,9 6 placas

d)  CLARIFICADOR



Rendim iento de la m asa:

e)  SECADOR

Producto

azúcar blan ca:  S1=S2=26734 Kg/hr (sólidos secos) S2 = Bb(0,8) B=

H umedad

250 =3154Kg/h 0.8

Retirada:  AO=A-B AO=1666.67-312 AO=1354.67 Kg/hr

Aire de secado de entr ada 

Mac=180(Kg aire/Kg aire seco) (250Kg/hr) Mac=45000 Kg aire/hr Aire de secado=Aire seco + H2O

1.013

0.013

45000

X X=577.49 Aire Seco = 45000-577.49 Aire Seco = 44422.507 Agua = 577.49+1354.67 Agua = 1932.16Kg agua/hr Maire seco = Agua + Aire seco

Maire seco = 1932.16+44422.507 Maire seco = 46354.67 Kg aire



Calcul o del área de transmisión de calor :

           =2

 

2

+

=  2 × 0,4 × 3,5 + = 9,3

× 0,42



2

El tiempo que se mantiene a esa temperatura es de 12 minutos.

 ∆      −               =



= 2465 [

12

] × 2,54 [

= 22580 [

]×

] × 83

1

×

60

30

1000 1

= 27653,2

  ∆   − − −     −   −    =

27653,2 = 9,3 × 2838.55 ×

45

ln

= 103,7 ⁰ C

120

45 120 56

56

f)  CALDERO  Previo al cálculo y diseño del caldero debemos saber como dato ¿Cuánto de vapor vamos a  producir por hora? Según diseño de los equipos, para lo cual nos basamos en formulas especificas del manual del ingeniero azucarero. 

Consumo de Vapor para el Calentamiento del Guarapo en el Calentador o

I ntercambiador (M I A) 

 

=

=

0,527 · @ ·

− 1



0,0056Bjm (Ts hvs

−

0,527 · 70640 · 1



0,0056 · 18 (98

700



= 74983,48

−

Te )

−

16)

  /

@=800Tn/día=70640@/dia   arrobas de caña molida diarias  B jm = 18ºBx   º  Bx del jugo mezclado (%) t e =16ºC   Temperatura de entrada del guarapo al calentador ( º C) t  s = 98ºC   Temperatura de salida del guarapo del cale ntador ( º C) hvs = 700 Kcal/Kg   Calor latente del vapor (Kcal/Kg)  Consumo

de Vapor Total en los Evaporadores (M I A)

  

= 1,527 ·

 − · (1

Bm B

−   23 ) 60

= 1,527 · 1179,2 · (1

= 1110,4

)

/

 P = 1179,2 (Kg/h)  cantidad de meladura de entrada al tacho  Bm = 23 ºBx  ºBx de la meladura a la entrada del tacho (%)  B = 60 ºBx  ºBx de la masa cocida que sale del tacho (%)  Consumo

de Vapor T otal en l os Clari fi cadores (M I A)

  −   − =

· (1

23

= 20000 · (1



)

60

)

= 12333,33 Kg de Vapor/Hora

 M n = 20000 (kg/h)   cantidad de jugo y/o meladura de entrada por vaso  Be = 23ºBx  º Bx de entrada al vaso    B s = 60º  Bx  ºBx de salida del vaso  Consumo

de Vapor T otal en el Cr istalizador (M I A)

 

=

=

−     −  − −  − −  

0,527 @ 1

0,0056 ·

0,527 · 42383 · 1



0,0056 · 60 · (108

2,02

= 133478,58

·(

) 45)

1,95

/

@ = 42384@/día   arrobas de meladura  Bjm = 60ºBx   ºBx del jugo mezclado (%) Te =45ºC   Temperatura de entrada del guarapo al cristalizador (ºC) Ts= 108 ºC   Temperatura de salida del guarapo del cristalizador (ºC) hmeladura = 8,45 KJ/Kg = 2,02 Kcal/Kg   Calor latente de la meladura (Kcal/Kg) h agua  = 8,18 KJ/Kg =1,95 Kcal/Kg   Calor latente del vapor de agua



Consumo Total de Vapor en l os 4 Equipos

     =



+

+

+

= 74983,48 + 1110,4 + 12333,33 + 133478,58



= 221905,79

  /

Como se podrá notar se requiere 221905,79 Kg de Vapor / Hora, sin considerar los otros equipos, cm ser turbinas, centrifugadora entre otro, por tanto se le debe sumar un 50% más de  su capacidad para diseñar el caldero. 221905,79 Kg de Vapor / Hora

100%  x= 110952 89

 x Kg de Vapor / Hora

50%

 Luego sumamos: 221905,79 + 110952,89 = 332858,68 Kg de Vapor / Hora  Por lo tanto se diseñara un caldero que produzca aproximadamente 350000 Kg de Vapor / Hora.

Datos:

 Entrada T=20°C

 P=137.9Kpa

 P=17.9 Kpa

T=148.9°C

V=1.52m/s

V=9.14m/s

α=1 para un flujo turbulento



Salida

=0 (No hay trabajo externo)



 APENDICE A-2



Q=(  2

1 =83.94 KJ/Kg



2

1

Q=(6)(9.81)+

−  −

2

2

  − 



=20 °C

−  )g +  −  +( 

1.52 2

9.14 2

2

2

+ 2771.4

76.97

  



=148.9°C

2

2 =2771.4



Q=2.71 103 J/Kg

KJ/Kg

 = 28.64 Kg/s

 ρ= 997.06 Kg/m

         = 4.1836KJ/seg

= 2.71

/

=0.6696 KJ/seg

=3540.36 W/ 

0

= 500

/

2

2

 (coeficiente de convección del CO2)

(coeficiente de convección del agua)

 L=6m Tubo=2pulg.

   

0

0

   

= 0.0603 = 0.0525

= 0.03015

        =

= 28.64

/

= 19237.85

(4.1836)Kg/Kg K° (160.57)K°

/

= 0.02625

  =m.

2

1)

 

=0.6696 Kg/seg (2.71)KJ/Kg



=1.814 KJ/seg

= 19237.85

 U=

 + 1.814   

= 19239.66

 

1



U=

U=

1  −   +  + 1

0

1

1

0

1 1 3540 .36 /

−  +   

0.03015 2 + 45



0.02625 /

1 500 /

   2

/

U=422

=

=        19.23 10 6

A=

/ 2 (160.57)

422

A=283.93



2

A= n°. ρ.L P=2π



0

P=2π (0.03015m)= 0.189 m

n°=

  ρ

L

=

283.93 0.189



 (6)

= 250



2