Universidad de San Carlos de Guatemala CUNSUROC Ingeniería de Alimentos VI Ingeniería en Alimentos Ing. Liliana Esquit
Diseño de una planta procesadora de Caña de Azúcar
Juan Alberto Vásquez Martínez 200942131
29 de Octubre 2014
Resumen El diseño de una planta para la producción de azúcar se realizó con el fin de conocer y aplicar los conocimientos adquiridos a través de la carrera de ingeniería en alimentos en un campo que cuenta con una amplia gama de procesos alimenticios como lo es un ingenio azucarero.
Un ingenio azucarero es el encargado de producir el azúcar, es en este lugar donde se llevan a cabo las operaciones unitarias que dan como resultado el azúcar, el proceso de producción de azúcar, como todo proceso industrial, necesita del control analítico y de ingeniería para conducir de la mejor forma las diferentes operaciones unitarias, de modo que se asegure la mayor parte del producto terminado y se reduzcan al máximo las pérdidas.
Un ingenio azucarero, es una agroindustria que lleva a cabo procesos como molienda, evaporación, cristalización, centrifugación, filtración, entre otros, los cuales son de importancia para el ingeniero en alimentos, que debe estar en capacidad de realizar los respectivos balances de masa y energía en cada uno de estos proceso, también debe buscar una mejora continua en cada proceso para poder aumentar la productividad y el rendimiento, es aquí donde se hace útil el valor académico de un ingeniero.
En Guatemala se tiene el puesto 16 a nivel mundial de exportación de azúcar debido a esto es de mucha importancia importancia la implementación y mejoramiento continuo continuo de cada uno de los procesos para la extracción de caña de azúcar.
La planta se diseño según las características fundamentales que todo ingenio azucarero debe tener de tal manera que las ubicaciones de cada una de sus arreas se encuentren en el lugar preciso para que se obtenga una mayor eficiencia y así el resultado tenga un alto nivel de efectividad y calidad. RESUMEN DE PRODUCCION DE CAÑA DE AZUCAR 1. Cultivo y Transporte El Azúcar se produce en el campo y se extrae en la fábrica. La sacarosa se forma en los tallos de la caña de azúcar. Esta es una gramínea tropical gigante que madura alrededor de 12 meses. Al recibir la caña en el central se toma una muestra para analizar y determinar su contenido de azúcar y calcular su valor. Luego la caña es pesada y descargada en el patio de caña para molerla. 2. Molienda La caña es desmenuzada con cuchillas rotatorias y una desfibradora antes de molerla para facilitar la extracción del jugo que se hace pasándola en serie, entre los filtros, o mazas de seis molinos. Se utiliza agua en contracorriente para ayudar a la extracción que llega a 94 o 95% del azúcar contenida en la caña. El remanente queda en el bagazo residual que es utilizado como combustible en las calderas, así como materia prima para la fabricación de tableros de bagazo.
3. Clarificación La clarificación consiste en calentar el jugo y decantarlo. La decantación se lleva a cabo en los grandes clarificadores en los cuales las impurezas, en forma de barro, van al fondo y el jugo clarificado se extrae por la parte superior. El barro o cachaza, contiene todavía azúcar y requiere ser pasada por filtros rotativos al vacío de los cuales se recupera una cantidad de jugo, que retorna al proceso y se retira una torta de cachaza que es devuelta al campo. 4. Evaporadores El jugo claro, pasa a los evaporadores en los cuales se elimina alrededor del 80% del agua contenida en el jugo, que con esta operación se convierte en matadura. Los evaporadores trabajan en múltiples efectos, que el vapor producido por la evaporación de agua en el primer efecto es utilizado para calentar el segundo y así, sucesivamente, hasta llegar al último efecto que entrega sus vapores al condensador. El condensador es enfriado por agua en recirculación desde el estanque de enfriamiento. 5. Cristalización La meladura pasa a los tachos donde continúa la evaporación de agua, lo que ocasiona la cristalización del azúcar. Es decir que, al seguir eliminando agua, llega un momento en el cual la azúcar disuelta en la meladura se deposita en forma de cristales de sacarosa. Los tachos trabajan con vacío para efectuar la evaporación a baja temperatura y evitar así la caramelización del azúcar. 6. Separación En los tachos se obtiene una masa, denominada masa cocida, que es mezcla de cristales de azúcar y miel. La separación se hace por centrifugación en las maquinas destinadas a esa labor. De las centrifugas sale azúcar cruda y miel. La miel se retorna a los tachos para dos etapas adicionales de cristalización que termina con los conocimientos, o melaza. El azúcar de tercera se utiliza como pie para la cristalización del segundo conocimiento y el azúcar de segunda para el conocimiento de primera. 7. Refinación El azúcar de primera es refundida o redisuelta con agua; luego es aireado en un recipiente a presión y pasa a las clarificadoras donde las impurezas flotan y el licor clarificado es extraído por la parte inferior. El licor clarificado es pasado por los filtros de lecho profundo donde se eliminan el resto de las impurezas, y de allí el filtrado es entregado a los tachos de refino. Igual que en los tachos de crudo en estos tachos se elimina agua y se obtiene azúcar refinada cristalizada. La miel es retornada al conocimiento de crudo para mezclarse con la meladura y la azúcar húmeda de las centrifugas pasa a los secadores y de allí al envase.
Diagrama del proceso de azúcar de caña
Patios de caña
Picadoras
Molienda
Clarificación
Calentamiento (220°F)
Filtrado
Evaporación
Cristalizacion (tachos)
Centrifugación
Almacenamiento
Enfriamiento
BALANCE DE MATERIALES
Equipo Picadora
Materiales Entradas Salidas Ent- Sal Kg/hr Kg/hr Kg/hr kg/hr A 1000 1000 B 250 -250 C 750 -750 total
1000
1000
0
Filtrado y clarificado A B C TOTAL
1000
1000
400 600 1000
1000 -400 -600 0
300 700 1000
1000 -300 -700 0
800 200 1000
1000 -800 -200 0
Evaporador A B C TOTAL
1000
1000
Cristalizador A B C TOTAL
1000
1000
CENTRIFUGA A B TOTAL
1000
A B TOTA|
1000 1000
A
1000
1000
TOTAL
1000
1000
1000
1000 1000
1000 -1000 0
1000 1000
1000 -1000 0
ENFRIADO
ALMACENADO
Patios de caña: Antes de ser ingresada la caña a los patios de caña estas para realizar el respectivo corte se queman para que al cortarla sea rápida y para que tenga un mejor rendimiento. La caña que llega de los cortes de caña realizados por los trabajadores, la cual entra de tres maneras: - Caña a granel que es la que va en jaulas - Caña cortada por procesadora - Caña maleteada o tramada que va en camiones más pequeños. En donde es almacenada temporalmente. Comienza desde la recepción de la caña en el patio de caña en donde se depositan en las mesas donde son triturados en pequeños pedazos, siendo enviados por bandas en donde pasa por una turbina de vapor a 2 500 revoluciones por minuto.
Figura No.1 Patios de Caña
Picadoras: La caña depositada en las mesas pasa por tres picadoras donde son triturados en pequeños pedazos, siendo enviados por bandas transportadoras, donde pasa por una turbina de vapor a 2500 revoluciones por minuto.
Molienda: Esta caña que ha sido picada pasa por molinos que están compuestos por una virgen de 4 masas las cuales van rotando sobre chumaceras que están lubricadas. Los molinos por donde pasa la caña los hacen girar por medio de vapor a una turbina y hacen mover unos reductores, y estos reducían la velocidad de la turbina para cuando llegara al molino, el molino funcionara a una velocidad más lenta.
El bagazo que sale del último molino es enviado a la caldera, donde se quema para producir combustible. Este cae por la parte de arriba de la caldera y lo ideal es que se queme en el aire porque si no, entonces va ir juntando muchas cenizas y al final va apagando el horno. Cada cierto tiempo los operadores abren la compuerta de la caldera para sacar las cenizas que van quedando en el horno, al abrir la compuerta se pierde presión, por lo que no deben hacerlo muy seguido. En la parte superior de la caldera existe una serie de tubos, dentro de los cuales va a circular agua, y alrededor vapor el cual hace calentar el agua hasta su punto de ebullición y esto lo que va a producir es vapor el cual es utilizado para los equipos.
Fig. No. 2 Molinos picadores
Fig. No. 2 Peines
Fig. No. 3 Reductores
Fig. No. 4 Virgen que compone a los molinos.
Conductor tonelly de tablilla:
Lleva un movimiento por cadenas, lleva una especie de peines. Estos conductores están instalados después de cada molino, después de exprimir cuando el molino saca
por un lado el jugo y por el otro el bagazo, este bagazo tiene que pasar al siguiente molino y el conductor lo transporta al siguiente y así sucesivamente.
Fig. No. 5 Conductor tonelly de tablilla
Filtrado Cuando el jugo ya ha sido extraído de los molinos, este aun lleva mucho bagasillo, por lo que es necesario filtrarlo, se hace pasar el jugo por un filtro rotativo que tiene una malla en su interior que funciona como tamiz reteniendo parte del bagasillo, el cual lo vuelven a introducir al molino ya que es rico en sacarosa. los Filtros Rotatorios al Vacio, se utilizan para extraerle la sacarosa que aun contienen los lodos, el lodo se bombea en la parte de debajo de los tres clarificadores y al trabajar el filtro al vacio, rota y cuando pasa por la parte baja donde se mantiene los lodos con un movimiento para que no se asiente y que este en suspensión, cuando el tambor del filtro pasa por los lodos estos se adhieren al rodillo y cuando llegan a la parte final donde tiene unos raspadores de hule pierde vacio y al perder vacio se corta fácilmente el lodo, ese lodo se manda por una banda transportadora a una tolva de cachaza y esto es enviado a los campos como abono. El jugo filtrado retorna al tanque alcalizado donde se junta con el jugo del inicio del proceso. Este tiene una serie de agujeros diminutos que están conectados a unos tubos que estos solo extraen el jugo, y estos tubos van conectados a un cabezal y estos se van hacia los tanques que tiene instalado cada filtro en la parte inferior También pasan por unos Filtros vibradores que se utilizan como coladores de jugo y por los pequeños orificios que están conectados a tubos cae el jugo, donde le elimina un poco de bagacillo que se va al alcalizado y el jugo es enviado a un tanque que se llama tanque de jugo claro. El jugo sale a 200°F y así entra a los clarificadores El jugo debe pasar por el proceso de alcalizado, calentado a 220°F, adición del floculante en los tanques flash para que se de el proceso de clarificación.
Fig. No. 6 Filtro rotatorio al vacío
Fig. No. 7 Tubos de filtros rotativos.
Fig. No.8 Filtros vibradores
Clarificación: El jugo ya filtrado o semi-filtrado pasa a la fábrica donde se le da tratamiento al jugo para producir azúcar. El jugo entra a un tanque de alcalizado, se llama así porque allí ocurre la mezcla que viene de los molinos y una lechada de cal que no es más que mezclar cal en polvo con agua con una determinada densidad de más o menos 5 °Baome, en esta lechada se controla también el pH ya que el del jugo viene como con 5 y se tiene que subir alrededor 7. El pH se nivela porque las bacterias proliferan en medios ácidos. Ya que el jugo ha sido alcalizado pasa por un calentamiento por etap as el cual debe ser de 220°F.
Calentador de carcasa y tubos o de concha y tubos: los tubos generalmente son de acero inoxidable o de cobre. Están compuestos por mamparas de acuerdo a bases que va a tener el calentador para que tenga tiempo de residencia y se caliente. El calentador tiene tubos por delante y por detrás estos van prensados para quedar fijos. La alimentación entra por la parte de adelante y luego se dirige hacia atrás y nuevamente regresa una y otra vez por medio de los tubos las veces que sea necesario para alcanzar el calentamiento deseado.
Fig. No. 9 calentadores de carcasa.
Después de que el jugo pasa por los calentadores, entra a los clarificadores, al entrar a estos baja su temperatura, por lo que se usa otro calentador que se llama calentador de jugo clarificado para poder introducirlo al evaporador, esto se hace con el fin de ayudar en la evaporación para que el jugo al entrar se evapore luego por la temperatura que ya lleva. El clarificador como su nombre lo indica, va a clarificar el jugo, esto se logra con el alcalizado y el calentamiento, entonces el jugo entra y sale de los calentadores y se distribuye a los diferentes clarificadores, antes de entrar al clarificador pasa por un tanque flash situado en la parte superior del clarificador, se llama así porque está abierto a la atmosfera. El clarificador está integrado por cuatro compartimentos en donde las astas barren llevándolos a una bandeja recolectora, extrayendo los lodos por medio de una bomba, trabajando como un eje excéntrico en donde por medio de las tuberías es enviada a un tanque denominado cachasón donde es conocido el lodo como cachasa. Quedando el jugo en la superficie saliendo por medio de rebalse. El bagasillo es enviado al cachason haciendo una mezcla de lodo y bagasillo produciendo cachasa esta es enviada a filtros de cachasa trabajando al vacío haciendo chupar el lodo y bagasillo extrayéndole el jugo haciendo que el bagasillo y cachason lleve menor jugo. Este jugo es enviado nuevamente al proceso. La cachasa es utilizada como abono en el campo, aunque lleva un 3 a 4 % de jugo aun.
Figura No. 10 Tanque flash del clarificador
Evaporación: Luego pasa a los evaporadores realizándose por medio de dos fases en donde interviene un pre-evaporador, el contenido de concentración de sólidos del jugo que ingresa es de 14 a 15 ºBrix saliendo a 17ºBrix, yendo la alimentación hacia adelante. Luego ingresa una parte del jugo a una serie de evaporadores y la otra parte a otra serie de evaporadores, en donde entran al mismo ºBrix saliendo con un grado ºBrix más concentrado, siendo luego mezclados al final. Cada evaporador funciona por medio de la adición de vapor realizando un proceso de evaporación múltiple hacia
adelante en donde ingresa el vapor al primer evaporador luego el vapor que sale del primero alimenta al segundo y así sucesivamente, en donde el vapor es más pobre pero ebulle porque la presión disminuye, pero en cada uno de los evaporadores salen condensados. Se evapora agua en cada uno de los evaporadores, para obtener un jugo más concentrado, e ingresa el jugo con 14 a 15°Brix para concentrarlo de 60 a 65°Brix, el jugo que se obtiene al final es más denso y es llamado meladura.
Fig. No.11 Evaporadores tipo Roberts
Fig. No.12 Evaporadores Tipo Roberts
Cristalización: La cristalización se realiza en los tachos. Estos son evaporadores de un solo efecto. El material resultante que contiene líquido que es la miel y cristales que es el azúcar se denomina masa cocida. El trabajo de cristalización se lleva a cabo empleando el sistema de tres cocimientos para lograr la mayor concentración de sacarosa. Los ingenios trabajan con tres tipos de masa, masa A o masa de primera, masa B o masa de segunda y masa C o masa de tercera. Lo que se pretende es que a toda la meladura se le extraiga la mayor cantidad de azúcar. Cuando se inicia la zafra no cuentan con semilla, la cual se puede obtener concentrando una y otra vez la meladura hasta obtener granos de azúcar, aunque también se utiliza azúcar la cual
funciona como semilla y se introduce al tacho el cual trabaja con vapor de baja presión y junto con la meladura va a producir una masa de primera. Se introduce meladura a 62-63 °Brix para masa de primera, esta meladura se empieza a concentrar con el vapor de 5 a 7 libras (el que producen los primeros evaporadores cuando les meten vapor de 15 a 20 libras, ese vapor se llama vapor vegetal), se llama vegetal porque viene de un jugo de la caña y esta es una planta vegetal, la solución se concentra con ese vapor. Una masa concentrada de azúcar se mezcla con alcohol durante unas ocho a doce horas en un molino de bolas para ir reduciendo el tamaño del azúcar, se mezcla con alcohol porque este va a disolver el azúcar después de cierto tiempo de molido ya quedan unos granos muy pequeños que es la semilla, luego esta semilla se introduce a los tachos y por acción de vacío esta entra al proceso entonces allí es donde se obtiene la mezcla de semilla y meladura, la semilla que es el grano muy pequeño que se obtuvo del molino va empezar a absorber la sacarosa que va en la meladura y esta hace que cada cristal se adhiera hasta formar una torta de meladura y cristales que a su vez va ir creciendo cada vez más, cuando ya está al punto que el tachero analiza que ha crecido entonces la retira del proceso para separar grano y miel, después de que se concentra y alcanza su tamaño se manda la masa a un recibidor y ese recibidor se dirige hacia una centrifuga, esta centrifuga recibe la mezcla grano y miel y lo que hace es separar por fuerza centrífuga a 1200 revoluciones por minuto (r.p.m.) la miel del grano o viceversa; tiene en su interior unas mallas donde van a quedar depositados los granos y se filtra la miel, la cual se recoge y se manda a un tanque de miel de primera. Esta es miel de primera o miel A. esta va a servir para hacer una masa de segunda que se logra cristalizando con miel de primera y meladura, el procedimiento es el mismo que va creciendo el grano de segunda y lo pasa a una centrifuga continua que son centrifugas de segunda, al igual que las otras separan grano y miel, se obtiene miel de segunda, la cual se manda a un tanque de miel de segunda y esta miel sirve para preparar una masa de tercera, el grano que salió de la masa de segunda se mezcla con agua o con jugo y se produce una masa que sirve como semilla para hacer masas de primera y así se va generando durante toda la zafra el azúcar. Para hacer una masa de tercera se usa la miel de segunda y cristales de una semilla que prepara el laboratorio, entonces se toma una mezcla de miel primera y de meladura cuando el tachero ve que la mezcla ya está en su punto entonces se introduce la semilla que preparo el laboratorio y cuando ya ha crecido la masa esta sirve para producir cuatro masas de tercera luego pasan a otras centrifugas de tercera que van a separar grano y miel, el grano se va a disolver con jugo o con agua (el grano de la masa de tercera) este grano nos sirve para preparar masa de segunda, y la tercera por no contar con grano cada vez que se produzcan se usa semilla de laboratorio, la miel de tercera (melasa) se guarda en tanques y se podría utilizar para la venta a una destilería para el proceso de destilación y producción de alcohol. Las masas deben contener la menor cantidad posible de miel.
Figura No. 13 Tachos
Centrifugación Existen tres tipos de centrifugas: - Centrifugas Bach o automáticas: se llaman así porque se les introduce una cantidad de masa, se cierra la puertecilla y trabajan su ciclo sin interrupciones y así nuevamente se inicia otro ciclo, estas solamente se usan para masas de primera porque es el azúcar que se va a vender.
-
Centrifugas continuas (masas de segunda): se constantemente les está cayendo masa de segunda.
llaman
así
porque
-
Centrifugas continuas (masas de tercera): estas al igual que la anterior constantemente trabajan con masas de tercera.
Cuando el azúcar sale de los tachos, esta masa de grano y miel se manda unos recibidores y a las centrifugas, el grano lo botan las centrifugas hacia abajo y hay unos conductores de banda helicoidales que los transfieren a los elevadores de cangilones, y estos conductores van hacia unas tolvas que cargan el azúcar hacia unos camiones y estos hacia la bodega.
Fig. No. 14 Centrifugas Tipo Roberts
Fig. No. 15 Centrifuga Tipo Roberts
Enfriamiento Hay dos pilas para realizar el enfriamiento que trabajan con tubos laterales los cuales tienen unos agujeros en la parte de superior donde se encuentran unos tubos como de aproximadamente dos metros de alto y en la punta superior poseen un spray que introduce el agua que sale del evaporador que trabaja al vacío, como este agua arrastra vapor condensado, y está caliente se enfría el agua, mandándola hacia los depósitos y por medio de unas bombas la impulsan a la tubería y la dejan al aire libre para que se enfríe con las corrientes de aire de la temperatura del ambiente y luego la vuelven a mandar para el proceso.
Figura No. 16 Pilas de enfriamiento
Almacenamiento El azúcar se empaca en sacos de diferentes pesos y presentaciones dependiendo del mercado y se despacha a la bodega de producto terminado para su posterior venta y comercio.
Reporte de Gasto eléctrico por semana de un Ingenio de Caña de Azúcar Compra de energía (kWh.) Consumo Ingenio Escape (kWh) Consumo Ingenio Condensing (kWh) Caña molida en Tandem A (Tm) Caña molida en Tandem B (Tm) Caña molida Total (Tm) kWh / Tm Total Ingenio
261 3,273,355 372 59,716 45,102 104,818 31.24
Promedios
Patio de caña A* Molinos A* Patio de caña B* Molinos B* Calderas (1,2,3,4,5 y 7) Clarificación (sin filtros) Filtros de Cachaza Evaporación Tachos Cristalización Centrifugas Envasado Torres de Enfriamiento Bombas de Agua Distrisa Campo Miscelaneos kWh / Tm Total Ingenio
3.15
10%
3.41
11%
5.71
18%
5.49
18%
4.32
14%
3.83
13%
2.97
10%
2.79
9%
4.18
13%
4.24
14%
0.36
1.1%
0.36
1.2%
0.45
1.4%
0.50
1.6%
0.85
2.7%
0.83
2.7%
1.12
3.6%
1.09
3.6%
0.11
0.4%
0.11
0.4%
1.41
4.5%
1.41
4.6%
0.27
0.9%
0.26
0.8%
1.79
5.7%
1.75
5.8%
1.89
6.0%
1.84
6.1%
0.010
0.03%
0.009
0.03%
0.11
0.36%
0.10
0.31%
2.55 31.24
8%
2.91 30.29
10%
100%
100%
