San Carlos

Angélica Jaramillo Calle

07/01/2011

EVAPORACIÓN DE MELAZAS EN

LA PRODUCCIÓN DE AZÚCAR

Control de Procesos Industriales

Escuela Politécnica

Nacional


1

EVAPORACIÓN DE MELAZAS EN LA

PRODUCCIÓN DE AZÚCAR


INFORMACIÓN GENERAL

Empresa: Sociedad Agrícola e Industrial San Carlos S.A

Dirección: Elizalde No.114 y Pichincha, Guayaquil – Guayas – Ecuador

Misión

"Producir azúcar de óptima calidad y a costo competitivo, para satisfacer a nuestros

consumidores, en un ambiente laboral propicio y así contribuir al desarrollo

agroindustrial del país, generando trabajo, utilidades y bienestar para todos."

Visión

"Ser una empresa altamente productiva de gente motivada que cumple las normas más

exigentes de calidad y medio ambiente, para satisfacción de nuestros consumidores."

Sociedad Agrícola e Industrial San Carlos S.A

El Ingenio se encuentra ubicado en la provincia del Guayas, República del Ecuador y es

propiedad de la Sociedad Agrícola e Industrial San Carlos S.A. Su extensión actual de

20.000 hectáreas aproximadamente se distribuye en tres cantones de la mencionada

provincia: Marcelino Maridueña, Naranjito y El Triunfo.

La tradicional hacienda de fines del siglo XIX se ha ido convirtiendo en uno de los

principales complejos agro-industriales del Ecuador.

Produce anualmente alrededor de 1700,000 toneladas métricas de caña que generan una

cifra cercana a los 3.050.000 sacos de 50 Kg. de azúcar blanco sulfitado en distintas

presentaciones.

Se produce también azúcar crudo para exportación y, en menor medida para la

satisfacción de necesidades del mercado nacional, se elaboran otros productos como

azúcar impalpable, panela, panela granulada, miel de caña, etc.

A partir del año 2004, se inició también la generación de excedentes de energía eléctrica

en base a biomasa (bagazo de caña) que son vendidos al Mercado Eléctrico Mayorista

(M.E.M.) del Ecuador.

El Ingenio inició sus labores en 1897 y, desde entonces, ha generado a su alrededor un

área poblada de rápido desarrollo debido a la numerosa fuerza laboral que requiere este

tipo de industrias tanto en la parte agrícola como industrial.


2

A más del desarrollo propio del complejo industrial, fue creciendo junto con el Ingenio

una zona poblada que pasó de ser un simple caserío de inicios del siglo XX a uno de los

nuevos y más pujantes cantones de la provincia.

Producimos alrededor del 35% del azúcar que el mercado ecuatoriano consume y

cumplimos con cuotas de exportación a Estados Unidos, Perú y otros países. El uso

intensivo de mano de obra unido a las actividades que tienen relación indirecta con el

azúcar, como su transporte y comercialización, hacen que San Carlos sea uno de los

grandes generadores de empleo en el país.

San Carlos cultiva directamente entre el 75 y el 80 % de la caña que muele anualmente

comprando la diferencia a cañicultores y finqueros de zonas aledañas. El Capital Social

de la Compañía es actualmente de $ 66000,000 y se encuentra repartido entre más de

700 accionistas. La empresa se caracteriza por su alto sentido de responsabilidad social

que se refleja en beneficios y servicios importantes concedidos a sus trabajadores y sus

familias.

1. PROCESO DE PRODUCCIÓN DE AZÚCAR

DIAGRAMA DE FLUJO

El diagrama de flujo del sistema es el siguiente:

En este diagrama se pueden identificar claramente cuáles son los subprocesos del

sistema para la elaboración y producción de azúcar.

1. Lavado

2. Preparación y Molienda


3

3. Desinfección

4. Neutralización

5. Clarificación

6. Evaporación

7. Cristalización

8. Centrifugación

9. Secado

10. Envasado y Almacenamiento

El proceso de producción de azúcar cuenta con dos etapas importantes, la primera es el

proceso de campo y la segunda el proceso de planta.

PROCESO DE CAMPO

Siembra y Cultivo de

Caña

Cultivo de Caña Soca

Cosecha

1

2

3

1. SIEMBRA Y CULTIVO DE CAÑA.

La siembra de la caña de azúcar

comienza con la selección de

una buena semilla, ésta se

obtiene a partir de un campo de

caña planta escogido para

utilizarse como semillero, bien

cultivado y que esté libre de plagas y enfermedades. Entre los 7 y 9 meses de edad, se

cortan los tallos de caña de azúcar en trozos de unos 45 cm, y que tengan por lo menos

tres yemas, que son las que van a dar origen a las nuevas plantas. Es importante que la

calidad de la semilla garantice un alto porcentaje de germinación de las yemas para

tener un buen comienzo del nuevo cantero o campo de caña.

La preparación del terreno para la siembra consiste en realizar dos o tres pasadas de

rastras de discos, para eliminar las cepas del anterior cultivo, y proveer a la semilla de

un terreno con suelo suelto donde pueda germinar y desarrollarse. Una vez preparado el

terreno, se hacen surcos de unos 25 cm de profundidad, a 1,5 m. de distancia entre ellos;

el mismo equipo que surca el terreno, va aplicando en cada surco, la primera

fertilización a base de nitrógeno, fósforo y potasio. La semilla se coloca en el fondo de

estos y luego es tapada con unos 5 cm de tierra para proceder a dar el primer riego.


4

A los 75 – 80 días, se realiza el aporque mecánico en la caña planta, que consiste en

colocar tierra en la base de la hilera de caña para que esta quede elevada sobre la

superficie del terreno; en este momento la planta recibe simultáneamente una segunda

fertilización a base de nitrógeno. Los controles de malezas pueden ser químicos,

mecánicos o manuales, y se hacen dependiendo de las necesidades específicas de cada

lote. La caña planta es cosechada aproximadamente a los 13 meses.

2. CULTIVO DE CAÑA SOCA.

La caña soca comienza después del

primer corte. La primera labor que se

realiza es la disposición o el encalle

de los residuos de cosecha

(hojarasca, cogollos...) que consiste

en colocarlos en un entre- surco, cada

cinco surcos. Posterior a esto se

hacen de manera simultánea la

roturación y la fertilización mecánica

del cultivo, aplicando nitrógeno y

potasio; la primera labor se hace con

el objetivo de aflojar la superficie del

suelo a unos 25 cm de profundidad, para romper la compactación producida por el

tráfico de los equipos de la cosecha, y mejorar la infiltración del agua del riego. La

siguiente labor que se realiza es el riego. Los controles de malezas se efectúan mediante

la aplicación de herbicidas dependiendo del tipo y área de cobertura de las malezas en

cada lote; este control químico se complementa con controles manuales y mecánicos. La

cosecha de la caña soca se realiza aproximadamente a los 12 meses de edad.

3. COSECHA.

La preparación de la caña para la cosecha

empieza con la aplicación de madurante, el

cual ayuda a incrementar el contenido de

sacarosa en la caña y se realiza entre 7 a 9

semanas antes de la fecha de corte, utilizando

avioneta para su aplicación. Una vez que el

lote tiene la edad adecuada, se procede a

quemarlo para facilitar la labor de cosecha; al

día siguiente se corta la caña del cantero, de

forma manual, o mecanizada. Para el corte

manual se utiliza machetes, y los cortadores se

agrupan en parejas, cada pareja corta seis surcos que conforman una “manga”; la caña

de la manga se ubica en el centro de los seis surcos, formando un “rollo” de donde es

alzada por las llenadoras y colocada en los camiones o carretones que la transportan

hacia la fábrica. En la cosecha mecanizada o con cosechadoras, la caña es cortada,

picada, limpiada y botada por ésta directamente hacia el camión o carretón, que se ubica

y rueda paralelo a la cosechadora.


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PROCESO DE PLANTA

Lavado

Preparación y

Molienda

Desinfección del

Jugo

Clarificación del Jugo

Centrifugación

Evaporación

Cristalización

1

2

3

4

5

6

7

Filtración de la

Cachaza

Neutralización

Secado

Envasado Almacenamiento

1. LAVADO.

La caña cosechada en el campo es transportada hacia

la fábrica por medio de camiones.

Con el objeto de conocer el peso de caña transportada

se procede primero a pesar, en las

básculas, los camiones.

Una vez pesados se distribuyen los camiones hacia

los trapiches o tandem de molinos. El Ingenio San


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Carlos posee dos tandem de molinos. Cada tandem de molinos posee dos

viradoras de caña.

Una vez que son viradas las cargas de caña en las respectivas viradoras de cada Tanden

de molinos, lo primero que se realiza es un lavado con agua para retirarles algo de la

tierra y la suciedad que traen del campo.

2. PREPARACIÓN Y MOLIENDA.

Luego la caña pasa por una primera picadora,

que tiene por objeto desmenuzar la caña.

Posteriormente pasa por una segunda

picadora para completar el desmenuzamiento

de la caña. Mientras más desmenuzada esté la

caña se logrará un mejor trabajo de

extracción en los molinos y se mejorará el

rendimiento.

Durante este proceso sólo se realiza una

fragmentación de la caña pero sin extraerle el

jugo, pues no hay acción de compresión.

La caña desmenuzada es transportada a través de un conductor hacia los molinos para

proceder, por compresión, a extraer el jugo contenido en la caña. El jugo que se extrae

de cada molino cae hacia un tanque, llamado "tanque de jugo mezclado". El jugo

mezclado del tandem A es bombeado hacia una balanza para registrar el peso del jugo

proveniente de dicho tandem de molinos. El jugo mezclado del tanden B es bombeado

hacia otra balanza para conocer la cantidad de jugo proveniente de dicho tandem de

molinos.

Posteriormente se unen estas corrientes de jugo mezclado en un tanque receptor. Este

jugo mezclado es un jugo sucio pues contiene tierra, arena, residuos de caña y otras

impurezas por lo que debe ser clarificado para poder ser utilizado en el proceso.

3. DESINFECCIÓN DEL JUGO.

La desinfección es realizada en las llamadas columnas de sulfitación, que son equipos

que trabajan en contracorriente, ingresando el jugo mezclado por la parte superior y

alimentando anhídrido sulfuroso por la parte inferior. El anhídrido sulfuroso es obtenido

mediante combustión de piedras de azufre. Al entrar en contacto el anhídrido con el

jugo se produce la desinfección, destruyéndose los agentes patógenos, bacterias y

microbios que pudiesen estar presentes en el jugo.

Simultáneamente la sulfitación reduce las sales férricas (color pardo) presentes a sales

ferrosas (color rojo claro), realizándose por tanto una acción de blanqueo del jugo.

Durante esta etapa del proceso se produce un incremento en la acidez del jugo tratado.

Como en medio acuoso ácido se produce una reacción de inversión de la sacarosa es

imprescindible proceder inmediatamente a neutralizar el jugo hasta obtener un ph entre

6.8 y 7.0 para la producción de azúcar blanco. Esto se realiza agregando lechada de cal

o sacarato de calcio. Al jugo así neutralizado, se le denomina "jugo alcalizado".


7

4. CLARIFICACIÓN DEL JUGO.

Una vez que se ha desinfectado el jugo se

procede a separar la tierra, arena y demás

impurezas sólidas presentes en el jugo. Esto

se realiza mediante sedimentación. La

precipitación de las impurezas sólidas es más

eficiente si es realizada en caliente por ello se

calienta el jugo alcalizado hasta una

temperatura no mayor a 230 ° F, pues por

encima de esta temperatura se produce la

destrucción de la molécula de sacarosa y

simultáneamente una reacción irreversible de oscurecimiento del jugo que originaría

unos cristales de azúcar (sacarosa) de alta coloración.

Luego del calentamiento se agrega floculante para agrupar en forma de flóculos las

impurezas sólidas presentes, que al ser más pesadas que el jugo tienden a sedimentar.

Algo similar pero más rápido a lo que se produce cuando se deja agua sucia de río en un

vaso y se observa que la tierra va precipitándose poco a poco hacia el fondo.

La separación de los sólidos suspendidos se realiza en equipos llamados clarificadores,

obteniéndose por la parte superior un jugo limpio y brillante, llamado "jugo clarificado"

y por el fondo del equipo un lodo que contiene todas las impurezas sólidas (tierra, arena,

residuos de cal y residuos de floculante). A este lodo se lo denomina "cachaza".

La cachaza por haber estado en contacto con el jugo es un lodo que contiene de jugo, el

cual debe ser recuperado. Esto se realiza en filtros rotativos al vacío obteniéndose:

a) Una torta sólida de cachaza, que por tener presencia de elementos nutrientes es

utilizada para enriquecer las aguas de riego de los cultivos de caña, y

b) Un jugo sucio llamado "jugo filtrado", que es alimentado al clarificador de jugo

filtrado para separarle las impurezas sólidas presentes y obtener un jugo que pueda

ser recirculado al proceso.- Las impurezas sólidas separadas del jugo filtrado

clarificado son enviadas al tanque de cachaza.

Durante el proceso de filtración se alimenta agua condensada a presión para realizar un

lavado de la torta de cachaza y facilitar la extracción de la sacarosa presente. Se debe

regular el trabajo de los filtros para obtener una polarización no mayor a 2.5 en la torta

de cachaza a fin de minimizar las pérdidas de azúcar en el proceso de elaboración.

5. EVAPORACIÓN.

El jugo clarificado pasa luego a la sección

evaporación para eliminar gran parte del agua

presente en el jugo. El jugo clarificado posee

aproximadamente un 82-87 % de agua, por efecto

del trabajo de los evaporadores de múltiple efecto

se logra reducir el contenido de agua al 33-40 %

(60-67 °Brix), denominándose "meladura" al jugo

concentrado que sale de los evaporadores.


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6. CRISTALIZACIÓN Y CENTRIFUGACIÓN.

La presencia de sólidos insolubles en la meladura representa un problema no deseado,

razón por la cual la meladura es alimentada a un equipo de clarificación por flotación

para minimizar este riesgo y obtener una meladura más clara que se constituya en un

material que aporte significativamente a la consecución de un azúcar de buena calidad.

Para lograr la formación de los cristales de azúcar (sacarosa) se requiere eliminar el

agua presente en la meladura, esto se realiza durante la cocción de las templas en

equipos llamados “tachos”, que no son otra cosa que evaporadores de simple efecto que

trabajan al vacío. En un sistema de tres templas se producen tres tipos de masas cocidas

o templas: las "A", las "B" y las "C". Las templas A son las de azúcar comercial y las

otras son materiales para procesos internos que permiten obtener finalmente el azúcar

comercial.

Para obtener las templas C se alimenta una cierta

cantidad de semilla (azúcar impalpable) de una

determinada granulometría a un tacho, luego se

alimenta miel A y se somete a evaporación,

alimentándose continuamente miel A hasta completar el

volumen del tacho. Luego se realizan una serie de pases

o cortes a semilleros para finalmente alimentar al tacho

miel B y concentrar hasta 96 ° Brix.

Al llegar a esta concentración se descarga la templa o

masa cocida (que es una mezcla de miel y cristales de

sacarosa) hacia los cristalizadores para terminar el

proceso de “agotamiento” de las mieles. Para lograr la

separación de los cristales presentes en la templa se

emplean las centrífugas de tercera, equipos que

permiten separar la miel de los cristales presentes en las

templas. Los cristales separados son llamados "azúcar C" y la miel separada "miel C,

miel final o melaza". Al azúcar C se adiciona agua acompañada de agitación hasta

formar una masa de 93 ° Brix este material recibe el nombre de magma de tercera y es

utilizado como semilla para la preparación de templas de segunda.

Para obtener las templas B se alimenta una cierta cantidad de magma de azúcar de

tercera a un tacho, luego se alimenta miel A y se somete a evaporación, hasta que la

masa elaborada contenga aproximadamente 94-96 ° Brix.

Al llegar a esta concentración se descarga la templa o masa cocida hacia los

cristalizadores para terminar de agotar las mieles. Para lograr la separación de los

cristales de las mieles se emplean las centrífugas de segunda.

Los cristales separados son llamados "azúcar B" y la miel separada "miel B". El azúcar

B es mezclado con una pequeña cantidad de agua para elaborar una papilla llamada

"magma", la cual es bombeada al piso de tachos para ser empleada en la elaboración de

las templas A.- Si hay exceso de magma se procede a disolver el azúcar de segunda para

obtener un "diluido de segunda", el que es bombeado a los tachos.


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Para elaborar las templas A se alimenta al tacho cierta cantidad de magma, luego se

agrega meladura y se concentra la masa hasta obtener 92-93 °Brix. Al llegar a esta

concentración se descarga la templa o masa cocida hacia los cristalizadores para darle

agitación a las templas e impedir que se endurezcan demasiado. Para lograr la

separación de los cristales presentes en la templa se emplean centrífugas de primera.

Los cristales separados son denominados "azúcar A", que es el azúcar comercial, y la

miel separada es llamada "miel A".

7. SECADO Y ENVASADO.

Una vez descargado de las

centrífugas se procede al secado

del azúcar "A" empleando una

secadora rotativa al vacío. La

humedad máxima permitida en el

azúcar debe ser 0.075 %. El

azúcar seco es conducido hacia

las tolvas de almacenamiento

para su posterior envasado en

sacos. Una vez envasado el

producto se debe controlar el

peso de los sacos para comprobar

que se cumpla con la norma de 50 kg de peso neto de azúcar por saco, luego se

transportan los sacos hacia la Bodega para su posterior distribución.

El producto es embalado en las presentaciones de 250 g, 500 g, 1 kg, 2 k y 5 kg

envasados en fundas plásticas (polipropileno) y al granel en 50 kg envasados en sacos

de papel kraft triple capa.

2. CONTROL DEL PROCESO

2.1. EQUIPO

La evaporación de la melaza se da en el subproceso de Evaporación, el mismo que se

desarrolla en Evaporadores de Múltiples Efectos, que consisten en una solución de

varios efectos puestos en serie.

En la industria azucarera, el azúcar contenido en la materia prima es extraído con agua.

Posteriormente el agua es eliminada en evaporadores que permiten obtener el azúcar.

Estos tipos de evaporadores son los más difundidos en la industria alimenticia, por las

ventajas operacionales y económicas que los mismos poseen. Estas ventajas se pueden

resumir de la siguiente forma:

Alta eficiencia, economía y rendimiento.

Alta flexibilidad operativa.

Altos coeficientes de transferencias térmicos.


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Capacidad de trabajar con productos termosensibles o que puedan sufrir deterioro

parcial o total de sus propiedades.

Limpieza rápida y sencilla (CIP)

En estos evaporadores la alimentación es introducida por la parte superior del equipo, la

cual ha sido normalmente precalentada a la temperatura de ebullición del primer efecto,

mediante intercambiadores de calor adecuados al producto

Se produce una distribución homogénea del producto dentro de los tubos en la parte

superior del evaporador, generando una película descendente de iguales características

en la totalidad de los tubos. Este punto es de suma importancia, ya que una insuficiente

mojabilidad de los tubos trae aparejado posibles sitios en donde el proceso no se

desarrolla correctamente, lo cual lleva a bajos rendimientos de evaporación,

ensuciamiento prematuro de los tubos, o eventualmente al taponamiento de los mismos.

Dentro de los tubos se produce la evaporación parcial, y el producto que está siendo

concentrado, permanece en íntimo contacto con el vapor que se genera. Los dos fluidos,

tanto el producto como su vapor, tienen igual sentido de flujo, por lo que la salida de

ambos es por la parte inferior de los tubos.

En la parte inferior del evaporador se produce la separación de estas dos fases. El

concentrado es tomado por bombas y el vapor se envía al condensador (simple efecto),

mientras que los sistemas multi-efecto utilizan como medio calefactor, el vapor

generado en el efecto anterior, y por lo tanto el vapor generado en el último cuerpo es el

que se envía al condensador.

A modo de ejemplo, si alimentamos con 1 kilogramo de vapor vivo un evaporador

simple efecto, obtendremos aproximadamente 1 kilogramo de agua evaporada, mientras

que si alimentamos un evaporador doble efecto con la misma cantidad de vapor, o sea 1

kilogramo, obtendremos 2 kilogramos de agua evaporada, uno por cada efecto. Se

concluye entonces, que a mayor cantidad de efectos, mayor será el rendimiento de

evaporación.

2.2. OBJETIVOS DEL CONTROL

El sistema de control en el último efecto en la evaporación se describe a continuación:

2.2.1. CONTROL DE CONCENTRACIÓN

La concentración a la salida del evaporador o el último efecto este será controlado con

la entrada en dicho evaporador de ese modo se tendrá la eficiencia requerida.

2.2.2. CONTROL DE NIVEL

El nivel del jugo en cada evaporador es controlado mediante un controlador de nivel,

para asegurar una cantidad de concentrado que es carga para el siguiente evaporador,

con una estrategia de feedback controlando el flujo den la alimentación.


11

2.2.3. CONTROL DE TEMPERATURA

Esta será controlada en cada evaporador para de este modo asegurar que la transferencia

de calor sea la adecuada para que se dé la separación entre el agua y el azúcar

2.2.4. CONTROL DE FLUJO

El flujo entrante en cada evaporador es registrado para tener en cuenta variaciones en la

producción

2.3. DESCRIPCIÓN DE LAS VARIABLES DEL PROCESO

2.3.1. VARIABLES DEL PROCESO EN GENERAL.

Temperatura en el evaporador

Caudal de alimentación del jugo al primer evaporador

Concentración del jugo a la salida del último efecto

Concentración de alimentación al tercer evaporador

2.3.2. VARIABLES EN EL ÚLTIMO EFECTO

Variables controladas: nivel del evaporador y concentración

Variables manipuladas: El flujo de alimentación al tercer evaporador, el vapor que

entra en cada efecto

2.3.3. PARÁMETROS Y VALORES USUALES DEL PROCESO

Como medio de calefacción se dispone de vapor que se supone saturado.

La mezcla del contenido del evaporador se considera perfecta y la temperatura de

los tubos de la calandria es igual a la del vapor que se condensa.

Las pérdidas de calor se puede considerar despreciable

El volumen de la solución de bajo de los tubos de transferencia de calor es de

27.74 pies3

Las válvulas de control tiene características lineales.

2.3.4. INSTRUMENTOS USADOS PARA LA MEDICIÓN.

SENSOR DE CONCENTRACIÓN

Se presenta a continuacion un sensor recomendado por la compañía Siemens que cuenta

con una división especial para la industria del azúcar:


12

El SITRANS FC300 es un sensor tipo coriolis especial para flujos

tanto de gases como líquidos. Este sensor es bastante preciso además

no solo entrega medida de flujo sino mas importante aun medidas de

densidades. Con lo cual podemos obtener la concentración de azúcar

.Además ha probado tener bastante eficiencia en la industria

azucarera.

A continuación algunas especificaciones: FC300

Tamaño DN 4

1/6"

Presión de Liquido Desde130 to 410 bar

Desde 1885 to 5945 psi

Rango de Medida From 0 to 350 kg/h

From 0 to 772 lb/h

Material Stainless steel 1.4435 (316L)

Hastelloy C-22

SENSOR DE TEMPERATURA.

Termocuplas

Clasificación de las termocuplas más usuales:

Usaremos las termocuplas tipo K, según normas ANSI, vienen

con vaina marrón, siendo la aislación de su conductor positivo

(Cromel: Aleación de Cromo y níquel) de color amarillo, mientras

que la de su conductor negativo (Alumel: Aleación de aluminio y níquel) de color rojo.

SENSOR DE FLUJO

Medidor Vortex

Se basa en la determinación de la frecuencia del torbellino producido

por una hélice estática dentro de la tubería a cuyo través pasa el fluido

(líquido o gas). Los transductores de torbellino son adecuados para la

medida de caudales de gases y de líquidos y su intervalo de medida

entre el valor máximo y mínimo es de 50 a 1. Deben instalarse en

tubería recta con longitudes mínima de 10 diámetros aguas arriba y de

5 diámetros abajo. El medidor debe instalarse perfectamente alineado con la tubería

para asegurar la formación correcta de torbellinos.

La precisión del Instrumento es de ± 0.2 % del caudal instantáneo, por lo cual el error

en tanto por ciento de la escala se hace mayor cuanto más bajo es el caudal.

SENSOR DE NIVEL

El SITRANS LC 300 es una medidor ultrasónico recomendado por

Siemens debido a que ha probado su eficacia en aplicaciones en la

industria alimentaria.

Este medidor posee un microprocesador fácil de ajustar y además

no es afectada por depósitos del producto o vapores y condensados


13

que son justamente las condiciones en las que se trabaja en el evaporador.

2.3.5. DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LOS LAZOS DE CONTROL UTILIZADOS

Control 1 2 3 4

Lazo Control de nivel en los

evaporadores

Control de

temperatura

Control de

composición

(AC)

Control de

composición (AC)

Tipo de

estrategia

Control Feedback Control Feedback Control Feedback Control

Feed-forward

Variable

Controlada

Nivel del evaporador Temperatura en el

tope de la

columna

Composición en el

producto del salida

en el ultimo efecto

Composición en el

producto de salida

del segundo efecto

Variable

Manipulada

Flujo del jugo de

alimentación

Flujo de vapor de

entrada

Flujo del jugo de

salida del último

efecto

Flujo del jugo de

salida del último

efecto

Instrumentos

Usados

Medidor de nivel Medidor de

temperatura

Medidor de

composición

Medidor de

composición

2.4. DIAGRAMA DEL PROCESO DE EVAPORACIÓN

Se tomo en consideración tres efectos con esta cantidad para una carga en la que se

asumirá que los balances de masa son constantes:

Para poder hacer el análisis dinámico es necesario conocer los flujos, concentraciones y

otras características ya que con estos datos podremos hallar las constantes Kp y τ de la

función de transferencia.

Por eso se inicia con un balance global de materia del proceso de evaporación descrito

en la figura anterior pero en estado estacionario. A su vez se muestran los datos

asumidos:


14

a) Balance de Materia en Estado Estacionario:

i. Se conoce que de 1 tonelada de caña de azúcar se obtienen 100kg de azúcar,

entonces esto será el 80% en el último efecto. A su vez representa el 20% en

el primero, de ahí se saca el F pero se considera también que dentro de la

carga de alimentación hay impurezas en un 10%.

ii. En el caso de las concentraciones son las que en promedio se obtienen con

los evaporadores en 3 efectos en la industria azucarera.

iii. Finalmente para la conocer la altura del último efecto se asume el uso de

evaporadores de 5m y de un diámetro de 1m para la carga tratada.

iv. El balance solo considera la entrada de solución concentrada más no el vapor

que sirva para calentarse ya que no están en contacto.

Datos:

F 600Kg/s

P0 125Kg/s

H3 0 1m

d 1m

x10 0.05

x30 0.05

x50 0.05

x20 0.5

x40 0.6

xP 0 0.8

ρP 1269Kg/m3

Ultimo Efecto :

sKgq

sKgq

solviendo

qq

Pxqxqx

qq

Pqq

P

/45.455

/45.1704

:Re

8.0*1255*05.04*6.0

*5*54*4

12554

54

Segundo Efecto :

sKgq

sKgq

solviendo

qq

qxqxqx

qq

qqq

/87.373

/33.2082

:Re

6.0*45.1705*05.04*5.0

4*43*32*2

45.17032

432


15

Primer Efecto :

sKgq

q

qqF

/67.3911

133.208600

21

Ahora ya se conocen las corrientes se resumen en el siguiente cuadro:

FLUJO VALOR

q1 391.67Kg/s

q2 208.33Kg/s

q3 37.87Kg/s

q4 170.45Kg/s

q5 45.45Kg/s

b) Balance de Masa por Componentes en Estado Transitorio:

i. A continuación se inicia el balance esta vez considerando la acumulación, a

su vez se considera que la altura del evaporador es constante.

Ultimo efecto

)1....(..........)(

***)**()5*55*5()4*44*4(

:tanRe

0*5*54*4

:_

****5*54*4

0

3000000

000000

3

t

xxHAxPxPqxqxqxqx

dos

xPqxqx

SSEn

t

xHA

t

VxPqxqx

PP

PPP

P

P

PP

Entonces las variables de desviación serán:

)7.....(..........

)6(..........

)5(..........555

)4(..........555

)3.........(444

)2.........(444

0

00

0

0

0

0

PPP

Xxx

Qqq

Xxx

Qqq

Xxx

pP

Entonces lineal izando:

)10.(..........****

)9(..........55555*55*5

)8........(44444*44*4

00000

0000

0000

XPPxPxPx

XqQxqxqx

XqQxqxqx

ppP


16

Reemplazando en (1):

)9..(....................)(

***)**()5555()4444( 3000000t

XHAXPPxXqQxXqQx P

PPp

Aplicando ahora La Transformada de LaPlace

)10...(..........****)**()5555()4444()(3)(0)(0)(0)(0)(0)(0 SPPSPSpSSSS XsHAXPPxXqQxXqQx

Ordenando:

P

PSpSSSS

SPPSpSSSS

XP

sHA

P

PxXqQxXqQx

XPsHAPxXqQxXqQx

)1***

(*)5555()4444(

)***(*)5555()4444(

0

3

0

)(0)(0)(0)(0)(0

)(03)(0)(0)(0)(0)(0

Finalmente:

)11..(..........)1*(

*5544 )(5)(4)(3)(2)(1

P

SSSSSX

s

PkXkQkXkQk

Donde:

0

3

0

0

1

0

0

4

0

0

3

0

0

2

0

0

1

**

5

544

P

HA

P

xk

P

qk

P

xk

P

qk

P

xk

P

p

ii. Para poder hallar la función de transferencia se establece como función

forzante a la concentración del efecto anterior X4,entonces la función de

transferencia Gp queda reducida a:

)12..(..........4*)1*(

)(

2

PS XXs

k

iii. Reemplazando los valores obtenidos de los balances en estado estacionario :

segP

HA

k

P

qk

P _97.7125

0.1*4

1**1269

**

36.1

125

45.1704

2

0

3

2

0

0

2


17

iv. Obteniendo en conclusión

)13.......()1*97.7(

36.1

4)(

4*)1*97.7(

36.1

)(

)()(

sX

XsGp

XXs

S

P

SPS

2.5. DIAGRAMA DE BLOQUES

El diagrama de bloques del sistema es:

Donde:

Usando Matlab

>> s=tf ('s')

Transfer function:

s

>> Gp=1.36/ (7.97*s+1)

Transfer function:


18

1.36

-----------

7.97 s + 1

>> Gv=1/ (2*s+1)

Transfer function:

1

-------

2 s + 1

>> G1=tf (1,'iodelay', 1)

Transfer function:

exp(-1*s) * (1)

>> Gm=pade(G1,1)

Transfer function:

-s + 2

------

s + 2

>> Sys=Gp*Gv*Gm

Transfer function:

-1.36 s + 2.72

-----------------------------------

15.94 s^3 + 41.85 s^2 + 20.94 s + 2

>> bode(sys1)


19

De manera que se puede deducir que el sistema es estable, debido a que en el gráfico se

puede observar que:

De manera que

Ahora la respuesta transitoria ante una entrada paso se obtiene mediante el siguiente

código:

>> step(Gp),grid;

Se obtiene una amplitud de 0.86 para el t = τ =7.97s

2.6. DISEÑO DEL CONTROL PID

Del diagrama de bode en Lazo Abierto sin incluir el controlador:

Para Φ=-180

w = 0.776 rad/seg

AR = 0.117

Se cumple el criterio de estabilidad de Bode, el sistema es estable. Luego se halla:

Pu = 2 / w = 8.1

Ku = 1/ AR =8.547


20

Según el criterio de Ziegler - Nichols:

Kc I d

0.6 Ku Pu / 2 Pu / 8

Valor final 5.13 4.05 1.01

Finalmente ajustando el Kc para un Margen de Ganancia igual a 2:

MG = 1 / (AR*Kc)

MG = 2

AR = 0.117

Reemplazando los valores: Kc = 4.27

Graficando en Matlab

>> Gc= (4.27*(1+ (1/(4.05*s)) +1.01*s));

>> sys2=Gp*Gv*Gm*Gc

Transfer function:

-23.75 s^3 + 23.99 s^2 + 41.23 s + 11.61

-----------------------------------------

64.56 s^4 + 169.5 s^3 + 84.81 s^2 + 8.1 s

>> bode(sys2)

>> bode(sys1,sys2)


21

Se observa que esta vez la curva no esta tan lejos de la inestabilidad, con lo cual el

controlador si bien es cierto nos ayuda a una mejor eficiencia pero aleja al proceso de su

estabilidad, aunque en este caso particular es en un pequeño porcentaje.

Finalmente para poder la influencia del control sobre el proceso se grafican el sistema

con y sin controlador en la última figura.

BIBLIOGRAFÍA

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http://www.sancarlos.com.ec/pdf/diagrama_azucar.pdf

http://www.sancarlos.com.ec/pdf/proceso_azucar.pdf

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Control-Procesos.doc&rct=j&q=remolacha%20fiqt-

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