DISEÑO Y DESCRIPCIÓN DE EQUIPOS UTILIZADOS EN UN

INGENIO AZUCARERO

1. INTRODUCCIÓN

La producción de azúcar es una de 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 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 officinarum 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 inicial 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.

Picado de la caña. La caña es picada en máquinas especialmente diseñadas para obtener

pequeños trozos.

Molienda. Mediante presión se extrae el jugo de la caña. Se agrega agua caliente para

extraer el máximo de sacarosa que contiene el material fibroso.

Clarificación y refinación. En la clarificación se eleva la temperatura del jugo, se separa

un jugo claro. Es posible también refinarlo y para ello se agrega cal que ayuda a separar

los compuestos insolubles. También suele tratarse con dióxido de azufre gaseoso para

blanquearlo. No todo el azúcar de color blanco proviene de un proceso de refinado.

Evaporación. Se evapora el agua del jugo y se obtiene una meladura o jarabe con una

concentración aproximada de sólidos solubles del 55 % al 60 %. La meladura es

purificada en un clarificador. La operación es similar a la anterior para clarificar el jugo

filtrado.

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

Centrifugado. Se separan los cristales del líquido.

Secado y enfriado. La azúcar húmeda es secada en secadoras de aire caliente en

contracorriente y luego enfriada en enfriadores de aire frío en contracorriente.

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

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.

El Bagazo: Como promedio, el 60% del bagazo que se produce se emplea como

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.

Melaza: La melaza residual o melaza final es el subproducto de la industria azucarera del

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.

Cogollos de Caña de Azúcar: 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.

La 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 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.

Diagrama de un Ingenio 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. Extracción de Jugo o Guarapo

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. Alcalizado y Sulfatación

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. Calentamiento del Jugo 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 Grano 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 Envasado 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 Refinada

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 Cantidad

Caña de azúcar 800 Tn/día Azúcar blanca 90 Tn/día

Cal 765 Kg/día Miel Fina 22,5 Tn/día

Acido Fosfórico 72 Kg/día Bagazo 220 Tn/día

Azufre 162 Kg/día Cachaza 45 Tn/día

Floculantes 18 Kg/día Lodos 6,3 Tn/día

Flujograma de la Producción de Azúcar Refinada

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.

Procesos Principales en la Producción

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

Clarificadoras

Evaporadores

Cristalizadores

Centrifugas

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

2. Clarificador

3. Evaporador

4. Cristalizador

5. Secador

6.

3. Evaporación

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.

Tipos 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.

Calderas 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 requeridas, de ahí la

denominación de calderas de 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.

Tipos de Clarificadores:

Clarificador Sugar Research and Innovation (SRI).- 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.

Clarificador 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.

Clarificador 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 Calandria.- 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 película descendente (FF).- 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 Circulacion Forzada: 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

menores, del orden de 500 Kcal/m2. 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. Intercambiador 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 un órgano

particularmente importante 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.

Disposición de las placas

Flujos en un intercambiador de placas

Tipos de intercambiadores de calor

Intercambiadores 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.

Intercambiador de calor de espejo fijo: 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.

Intercambiador 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)

Intercambiador de anillo de cierre hidráulico: 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 espejo flotante.

Intercambiador de cabezal flotante con empaque exterior: 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.

Intercambiadores de placa y armazón: 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 Multitubular.- 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 rotatorios.- 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

Tanque de

alimentación

Tanque del

Evaporado

Tanque del

Condensado

Tanque del vapor

condensado

h (cm) 3.6 5.5 5.8 22

Diámetro

(cm) 59.6 34.6 56 56

Calculo de la Masa de Alimentación

MA= 114.6 Kg/h

Cálculo de la Masa del Producto

MP= 44.6 Kg/h

Cálculo de la Masa del Evaporado

ME= 57.5 Kg/h

Cálculo de la Masa de Vapor

MV= 80.06 Kg/h

Cálculo del Calor Aprovechado 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= MP·HP+ME HE - MA HA

Q=619·57.49+57.11·50-114.6·19

Q=36264.41 Kcal/h

Cálculo del Calor Suministrado 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

Cálculo de la Eficiencia

E= (Q/QS)·100

E= (36264.41 Kcal/h / 42687.98 Kcal/h )·100

E= 84.9%

Cálculo del Área de Transferencia de Calor

A= π D L Nt

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

A= 0.961 m2

Cálculo de la Capacidad Evaporativa

CE= ME/A = 57.49 Kg/h / 0.961 m2

CE=59.8 Kg/h m2

Cálculo de la Capacidad Calorífica

CQ= 36264.41 Kcal/h / 0.961m2

CQ = 37775.42 Kcal/h m2

Cálculo del Coeficiente Global de Transferencia 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)

U = 726.4 Kcal/h m2 ºC

Cálculo de la Masa de Recirculación

MR= 2014.68 Kg/h

Consumo de Vapor en el Primer Evaporador de los Múltiples Efectos (MIA)

𝐺𝑣𝑒 =M · 1 −

Bjm

Bm

0,95 · n

𝐺𝑣𝑒 =3333,33 · 1 −

17

23

0,95 · 5

𝐺𝑣𝑒 = 183,1 𝐾𝑔 𝑑𝑒 𝑉𝑎𝑝𝑜𝑟/𝐻𝑜𝑟𝑎

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:

Tentreda= 45 ºC

Tsalida = 108ºC

U =3000 KJ/m2·h·K (obtenido del Manual

del Ingeniero

Azucarero)

108 ºC

120 ºC

Tf

45 ºC

Vapor

ºC

Guarapo

ºC

Cálculos y resultados:

Para el cristalizador utilizamos una relación de volumen donde solo se llena ¾ de su

capacidad total entonces:

2,44m3 = 3/4V

V = 3.255m3

3.255 =π × l2 × L

4

L = 1.61 m

2.44 × 1010 kg m3 = 2465 de jugo

∆𝑇 =∆𝑇2 − ∆𝑇1

ln∆𝑇2

∆𝑇1

∆𝑇 = 𝑇𝑓 − 120 − 108 − 45

ln 𝑇𝑓 − 120 108 − 45

Calculo del área de transmisión de calor :

𝐴𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 = 2𝜋 𝑟 𝐿 + 𝜋 𝑟2

𝐴𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 2𝜋 × 0.8 × 1.61 + 𝜋 × 0.82

𝐴𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 = 10.10 𝑚2

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

Ingeniero Azucarero.

𝑞 = 𝑚 𝐶𝑝∆𝑇

𝑞 = 2465 [𝑘𝑔 58 𝑚𝑖𝑛] × 3,849 [𝐾𝐽 𝑘𝑔 𝐾] × 381 − 318 𝐾

𝑞 = 22580 [𝐾𝐽 𝑚𝑖𝑛] × 1𝑚𝑖𝑛

60𝑠𝑒𝑔 ×

1000 𝐽

1 𝐾𝐽

𝑞 = 171761,63 𝑊

𝑞 = 171,76 𝐾𝑊

𝑞 = 𝐴𝑈∆𝑇

171761,63 = 10.10 · 2838.55 · 𝑇𝑓 − 120 − 108 − 45

ln 𝑇𝑓 − 120

108 − 45

𝑇𝑓 = 58,7 ⁰ C

c) INTERCAMBIADOR DE CALOR

Datos:

Cp guarapo = ?

Cp agua = 4.18 KJ/Kg·K

𝜌 Agua =990 Kg/m3

𝜌 guarapo = 865Kg/m3

a=0.4m

b=0.4m

X=0.001m

L= 1m

K acero=16.3 w/ m· ºC

K guarapo= 0.865 w/ m· ºC

T 1= 4 ºC (277 K) → temperatura de entrada del guarapo

T 2= 34 ºC (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 Guarapo (MIA)

Cp = 1,0 - [0,6 – (0.0018·tm) + 0,0008·(100 - Pz )]

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

tm = 30ºC temperatura media de la melaza (EC)

Pz = 14,4 % pureza verdadera (sacarosa/materia seca) (en tanto por uno)

Calculo del Calor Ganado del Guarapo

Q = mCp∆t

Q = 0.574𝑘𝑔

𝑠𝑒𝑔·2,54 KJ/Kg·K ·(307- 277)·K

Q=43,736 𝐾𝑗

𝑠𝑒𝑔

Q=43736 W

Calculo del Flujo Másico

Guarapo

20000 𝐿𝑡

𝑑𝑖𝑎

1 𝑑𝑖𝑎

10 𝑕𝑜𝑟𝑎𝑠 = 2000

𝐿𝑡

𝑕𝑜𝑟𝑎

2000 𝐿𝑡

𝑕𝑜𝑟𝑎

1𝑚3

1000 𝐿𝑡 = 2

𝑚3

𝐿𝑡

2𝑚3

𝑕𝑟∗ 1033

𝐾𝑔

𝑚3 ∗1 𝑕𝑟

3600𝑠𝑒𝑔= 0.574

𝐾𝑔

𝑠𝑒𝑔

Agua

30000 𝐿𝑡

𝑑𝑖𝑎

1 𝑑𝑖𝑎

10 𝑕𝑜𝑟𝑎𝑠

1 𝑕

3600 𝑠𝑒𝑔

1𝑚3

1000 𝐿𝑡

990 𝐾𝑔

1𝑚3 = 0.825

𝐾𝑔

𝑠𝑒𝑔

Calculo de la Temperatura de Salida del Agua

Balance de Calor

-Q ganado (guarapo) = Q cedido (agua)

−m Cp T2 − T1 = 𝑚𝐶𝑝(T2 − T1)

-0,574·2,54·(307-277) = 0,825·4,18·(T2-323)

T2= -310,3 ºC ≈ 37.3ºK

PARA EL AGUA

Calculo del NRE para Determinar el Tipo de Flujo dentro de las Placas

V= 𝒎

𝝆 = (0.825)

𝑘𝑔

𝑠·(

1 𝑚3

990 𝐾𝑔) = 8.333x10

-4 m

3/s

𝜐= 𝑽

𝑨 =

8.333𝑥10−4𝑚3/𝑠

(0.001∗0.4)𝑚2 =2.089m/s

De =𝒂∗𝒃

𝟐∗(𝒂+𝒃) =

0.4𝑚∗0.4𝑚

2∗(0.4+0.4)𝑚 = 0.1m

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

NRE = 𝜐∗𝐷∗𝜌

𝜇 =

2.098m

s∗0.1m∗ 990kg /m3

0.572x10−3kg /m∗ s = 360000 > flujo turbulento

𝜇=0.572x10-3

kg/m·s

κ=0.6435 W/m·k

Calculo del coeficiente de transferencia de calor

N Pr= 𝐶𝑝∗𝜇

𝜅 =

4.18KJ/Kg∗K ∗(0.572x10−3Kg /m∗ s)

(0.6435 /1000)𝐾𝐽/𝑠∗𝑚∗𝐾 = 3.982

Para NRE>6000 y N Pr de 0.7-16000

Ecuación 4.5-8 (Geankoplis) → N Nu= 0.027· NRE0.8

· N Pr1/3

·(μb

μw

)0.14

A la temperatura media para el agua de:

Tm=𝑻𝟏+𝑻𝟐

𝟐 =

50+30.8

2 =80.8 ⁰C → μ

w= 0.363x10−3kg /𝑚 ∗ 𝑠

N Nu= 0.027· (360000)0.8

· (3.982)1/3

· (0.572x10−3kg /m∗ s

0.363x10−3kg /m∗ s)

0.14 = 1270.83

N Nu= 𝑕0∗𝐷

𝜅 → h0 =

𝑁𝑁𝑢 ∗𝜅

𝐷 =

1270.83∗(0.6435/1000)𝐾𝐽/𝑠∗𝑚∗𝐾

0.1𝑚

h0 = 8.18 KJ/m2·s·K

PARA EL GUARAPO

Calculo del NRE para determinar el Tipo de Flujo

V= 𝒎

𝝆 = (0.574)

𝑘𝑔

𝑠·(

1 𝑚3

865 𝐾𝑔) = 6.633x10

-4m

3/s

𝜐= 𝑽

𝑨 =

6.633𝑥10−4𝑚3/𝑠

(0.001∗0.4)𝑚2 =1,65 m/s

De =𝒂∗𝒃

𝟐∗(𝒂+𝒃) =

0.4𝑚∗0.4𝑚

2∗(0.4+0.4)𝑚 = 0.1m

Datos para el guarapo del Manual del Ingeniero Azucarero →

NRE = 𝝊∗𝑫∗𝜌

𝝁 =

1.389m/s·0.1m∗ 865Kg/m3

4,07x10−3Kg /m∗ s = 29520.82 > flujo turbulento

Calculo del Coeficiente de Transferencia de Calor

N Pr= 𝑪𝒑∗𝝁

𝜿 =

3.85Kj/kg∗K ∗(4,07x10−3kg /m∗ s)

(0.603/1000) 𝐾𝐽/𝑠∗𝑚∗𝐾 = 2,59

Para NRE>6000 y N Pr de 0.7-16000

Ecuación 4.5-8 (Geankoplis) → N Nu= 0.027· NRE0.8

· N Pr1/3

·(μb

μw

)0.14

A la temperatura media de:

Tm=𝑻𝟏+𝑻𝟐

𝟐 =

50+30.8

2 =80.8 ⁰C → μ

w= 0.363x10−3kg /𝑚 ∗ 𝑠

N Nu= 0.027· (67680.99)0.8

· (14.17)1/3

· (4,07x10−3kg /m∗ s

0.363x10−3kg /m∗ s)0.14

= 140,26

N Nu= 𝑕0∗𝐷

𝜅 → h0 =

𝑁𝑁𝑢 ∗𝜅

𝐷 =

140,26·(0,603/1000)𝐾𝐽/𝑠∗𝑚∗𝐾

0.1𝑚

h0 = 8,45 KJ/m2·s·K

𝜇=4,07x10-3

kg/m·s

κ=0.603 W/m·k

Perfil de Temperaturas para el Proceso en el proceso de enfriamiento.

Ecuación 4.9-4 (Geankoplis)

∆𝐓𝐥𝐦 =∆𝐓𝐂 − ∆𝐓𝐅

𝐥𝐧∆𝐓𝐂∆𝐓𝐅

∆Tlm =(30.8 − 4)⁰C − 50 − 34 ⁰C

ln(30.8 − 4)⁰C 50 − 34 ⁰C

∆𝑻𝒍𝒎 = 30⁰C= 303K

Factor de Corrección de la Temperatura

Ecuación 4.9-6 (Geankoplis) > ∆𝐓𝐦=FT·∆𝑻𝒍𝒎

Z=𝐓𝐡𝐢−𝐓𝐡𝟎

𝐓𝐜𝐢−𝐓𝐜𝟎 =

50−34

30.8−4 =0.64 Ec.4.9-2

Y=𝐓𝐜𝟎−𝐓𝐜𝐢

𝐓𝐡𝐢−𝐓𝐜𝐢 =

4−30.8

50−30.8 =0.65 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:

∆𝐓𝐦=0.94·30 =28.2 ⁰C =28.2 K

Calculo del Coeficiente de Transferencia de Calor Global “U”

U=1

1/h f +1/hdi +(r0−r1)Ai /kA AAlm +A i/A0∗h0+Ai /A0∗hdo 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= 𝑄

𝑈∆Tm

A=65436𝑊

5000𝑊/𝑚2𝐾∗28.2𝐾

A= 0.464m2

Usando un factor de seguridad del 10% se tiene:

A=0.464m2 · 1.1 = 0.5104 m2

Por lo tanto:

NPlacas = 0.5104m2

(0.2∗0.4)m2=5,9≈6 placas

d) CLARIFICADOR

Rendimiento de la masa:

e) SECADOR

Producto azúcar blanca:

S1=S2=26734 Kg/hr (sólidos secos)

S2 = Bb(0,8)

B= 2500.8

=3154Kg/h

Humedad Retirada:

AO=A-B

AO=1666.67-312

AO=1354.67 Kg/hr

Aire de secado de entrada

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

Calculo del área de transmisión de calor :

𝐴𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 = 2𝜋 𝑟 𝐿 + 𝜋 𝑟2

𝐴𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 2𝜋 × 0,4 × 3,5 + 𝜋 × 0,42

𝐴𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 = 9,3 𝑚2

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

𝑞 = 𝑚 𝐶𝑝∆𝑇

𝑞 = 2465 [𝑘𝑔 12 𝑚𝑖𝑛] × 2,54 [𝐾𝐽 𝑘𝑔 𝐾] × 83 − 30 𝐾

𝑞 = 22580 [𝐾𝐽 𝑚𝑖𝑛] × 1𝑚𝑖𝑛

60𝑠𝑒𝑔 ×

1000 𝐽

1 𝐾𝐽

𝑞 = 27653,2 𝑊

𝑞 = 𝐴𝑈∆𝑇

27653,2 = 9,3 × 2838.55 × 𝑇𝑓 − 45 − 120 − 56

ln 𝑇𝑓 − 45 120 − 56

𝑇𝑓 = 103,7 ⁰ C

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

Intercambiador (MIA)

𝐺𝑣𝑐𝑔 =0,527 · @ · 1 − 0,0056Bjm (Ts − Te)

hvs

𝐺𝑣𝑐𝑔 =0,527 · 70640 · 1 − 0,0056 · 18 (98 − 16)

700

𝐺𝑣𝑐𝑔 = 74983,48 𝐾𝑔 𝑑𝑒 𝑉𝑎𝑝𝑜𝑟/𝑕𝑜𝑟𝑎

@=800Tn/día=70640@/dia arrobas de caña molida diarias

Bjm = 18ºBx ºBx del jugo mezclado (%)

te =16ºC Temperatura de entrada del guarapo al calentador (ºC)

ts = 98ºC Temperatura de salida del guarapo del calentador (ºC)

hvs = 700 Kcal/Kg Calor latente del vapor (Kcal/Kg)

Consumo de Vapor Total en los Evaporadores (MIA)

𝐺𝑣𝑡 = 1,527 · 𝑃 · (1 −Bm

B)

𝐺𝑣𝑡 = 1,527 · 1179,2 · (1 −23

60)

𝐺𝑣𝑡 = 1110,4 𝐾𝑔 𝑑𝑒 𝑉𝑎𝑝𝑜𝑟/𝐻𝑜𝑟𝑎

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 Total en los Clarificadores (MIA)

𝐸𝑣𝑐 = 𝑀𝑛 · (1 −𝐵𝑒𝐵𝑠

)

𝐸𝑣𝑐 = 20000 · (1 −23

60)

𝐸𝑣𝑐 = 12333,33 Kg de Vapor/Hora

Mn = 20000 (kg/h) cantidad de jugo y/o meladura de entrada por vaso

Be = 23ºBx ºBx de entrada al vaso

Bs = 60ºBx ºBx de salida del vaso

Consumo de Vapor Total en el Cristalizador (MIA)

𝐸𝑣𝑐 =0,527 @ 1 − 0,0056 · 𝐵𝑗𝑚 · (𝑇𝑠 − 𝑇𝑒)

𝑕𝑚𝑒𝑙𝑎𝑑𝑢𝑎 − 𝑕𝑎𝑔𝑢𝑎

𝐸𝑣𝑐 =0,527 · 42383 · 1 − 0,0056 · 60 · (108 − 45)

2,02 − 1,95

𝐸𝑣𝑐 = 133478,58 𝐾𝑔 𝑑𝑒 𝑉𝑎𝑝𝑜𝑟/𝐻𝑜𝑟𝑎

@ = 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 los 4 Equipos

𝐺𝑣𝑡 = 𝐺𝑣𝑐𝑔 + 𝐺𝑣𝑡 + 𝐸𝑣𝑐 + 𝐸𝑣𝑐

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

𝐺𝑣𝑡 = 221905,79 𝐾𝑔 𝑑𝑒 𝑉𝑎𝑝𝑜𝑟/ 𝐻𝑜𝑟𝑎

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 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 Salida

T=20°C

P=17.9 Kpa

V=1.52m/s

P=137.9Kpa

T=148.9°C

V=9.14m/s

α=1 para un flujo turbulento

𝑤𝑠=0 (No hay trabajo externo)

x= 110952,89

APENDICE A-2 Q=(𝑍2 − 𝑍1)g + 𝑚𝑒

2−𝑚𝑠2

2 +(𝐻2 − 𝐻1)

𝑇𝑒=20 °C 𝐻1=83.94 KJ/Kg Q=(6)(9.81)+ 1.52 2

2−

9.14 2

2+ 2771.4 −

76.97

𝑇𝑠=148.9°C 𝐻2=2771.4 KJ/Kg Q=2.71𝑥103J/Kg

𝑚𝐻2𝑂 = 28.64 Kg/s

ρ= 997.06 Kg/m

𝐶𝑝= 4.1836KJ/seg

𝑄𝑛𝑒𝑐𝑒𝑠𝑎𝑟𝑖𝑜 = 2.71𝐾𝐽/𝑠

𝑚𝑇=0.6696 KJ/seg

𝑕𝑖=3540.36 W/𝑚2𝑘 (coeficiente de convección del CO2)

𝑕0 = 500𝑊/𝑚2𝑘 (coeficiente de convección del agua)

L=6m

Tubo=2pulg.

𝐷0 = 0.0603𝑚 𝑄𝑠 = 𝑚 𝐶𝑝 𝛥𝑇

𝐷𝑖 = 0.0525𝑚 𝑄𝑠 = 28.64𝐾𝑔/𝑠𝑒𝑔(4.1836)Kg/Kg K° (160.57)K°

𝑟0 = 0.03015𝑚 𝑄𝑠 = 19237.85 𝐾𝐽/𝑠𝑒𝑔

𝑟𝑖 = 0.02625𝑚

𝑄𝑇=m. 𝑄𝑛𝑒𝑐𝑒𝑠𝑎𝑟𝑖𝑜

𝑄𝑇 =0.6696 Kg/seg (2.71)KJ/Kg

𝑄𝑇=1.814 KJ/seg

𝑄𝑇𝑂𝑇𝐴𝐿 = 19237.85𝐾𝐽

𝑠𝑒𝑔+ 1.814

𝐾𝐽

𝑠𝑒𝑔

𝑄𝑇𝑂𝑇𝐴𝐿 = 19239.66𝐾𝐽

𝑠𝑒𝑔

U=1

𝑅

U= 1

1

𝑕𝑖+

𝑟0−𝑟1𝐾𝑎𝑐𝑒𝑟𝑜

+1

𝑕0

U= 1

1

3540 .36𝑊/𝑚2𝐾+

0.03015 𝑚−0.02625 𝑚

45 𝑊/𝑚𝐾+

1

500𝑊/𝑚2𝐾

U=422 𝑊/𝑚2𝐾

𝑄 = 𝑈𝐴 𝛥𝑇

A=𝑄

𝑈𝛥𝑇=

19.23𝑥106𝑊

422 𝑊/𝑚2𝐾(160.57)𝐾

A=283.93 𝑚2

A= n°. ρ.L

P=2π 𝑟0

P=2π (0.03015m)= 0.189 m

n°= 𝐴

ρL=

283.93

0.189𝑚 (6)= 250 𝑇𝑢𝑏𝑜𝑠

8. CONCLUSIONES

Se realizó el diseño de seis equipos que tienen que ver con un sistema de transferencia de

calor para el proceso de producción de azúcar a partir de 800 Tn/dia.

Se estudio las diferentes transformaciones que se puedan obtener de la caña de la caña de

azúcar tomando en cuenta sus particularidades.

El guarapo tiene características propias, y por ende los equipos se los diseña según sus

requerimientos para la obtención de un buen producto.

Se conoció las diferentes operaciones unitarias para cada proceso con los equipos

adecuados.

Se conoció el fundamento teórico en el que se basan en el funcionamiento de los equipos

industriales que se usaron.