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Villa de Álvarez, Col., junio de 2013
OPERACIÓN ÓPTIMA DE UN FILTRO ROTATIVO DE VACÍO
Nombre del Residente
David Jiménez Cabrera
Nombre del Asesor
María Aurora Andrade Urzúa
Nombre de la Carrera
Ingeniería Bioquímica
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Contenido
Introducción ... 3
Justificación ... 5
Objetivos ... 7
Objetivo General ... 7
Objetivos específicos ... 7
Problemas a resolver ... 7
Procedimiento y descripción de actividades realizadas ... 7
Fundamento teórico ... 7
Procedimiento metodológico ... 12
Humedad de torta ... 12
Densidad de gluten pesado ... 12
Presión de vacío ... 12
Masa descargada por hora ... 12
Sólidos en filtrados ... 12
Resultados ... 13
Conclusiones y recomendaciones ... 15
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Introducción
Para explicar de manera sencilla y que se logre entender el proceso, la operación y el control que se realiza en INGREDION planta San Juan, se elaboró un diagrama bastante breve (Fig. 2) con la finalidad de explicar las etapas generales del proceso y como la operación óptima de un filtro rotativo de vacío contribuye a la mejora del proceso.
La línea de producción del área de proceso húmedo del departamento de producción en INGREDION comienza con la recepción de granos de maíz, cosechados principalmente en Estados Unidos de América estos son transportados en un tren de tolvas las cuales cada una tienen una capacidad de 100 Toneladas. En menor cantidad también es recibido maíz de producción nacional en camiones. INGREDION planta San Juan del Río, tiene la capacidad de procesar hasta 3 300 toneladas de maíz por día.
El maíz antes de ser almacenado en silos con capacidad de 1 000 (2 silos metálicos en el canal A) o 10 000 (2 silos de concreto en el canal B) toneladas es limpiado de impurezas (material orgánico inherente al maíz y/o contaminación con residuos metálicos) con las que se le recibe.
Una vez almacenado, el maíz ahora puede ser enviado a tanques de maceración; proceso mediante el cual es acondicionado para su posterior molienda. Tanques con capacidad para 65 o 270 toneladas de maíz (canal A y canal B respectivamente) son empleados para su maceración, durante 36 horas a 58 °C.
4 Todas las técnicas de separación de los componentes del maíz son procesos físicos directos (sin la adición de ningún solvente) que se basan en la diferencia de la densidad de los componentes del maíz, de tal suerte que la fracción más ligera (menos densa) es separada inmediatamente mientras que la fracción más densa es el residuo final.
EL primer componente en abandonar la ruta del proceso es el germen. Pequeños dispositivos mecánicos llamados ciclones son empleados para la separación del germen (por lo que se le llama Germenclone). La alimentación entra al Germenclone (primer estado de separación) de forma tangencial formando un vórtice en el que por diferencia de densidad es separado el germen en una corriente superior (Overflow) y el resto en un corriente inferior (Underflow); el Underflow es canalizado a otro juego de Germenclone (segundo estado de separación) donde realiza una segunda separación.
Una vez removido el germen el siguiente componente a retirar es la fibra, el Underflow de segundo estado de separación es filtrado en dispositivos llamados ScreenBend, ahí separa dos flujos uno que arrastra la fibra y otro que lleva una mezcla de Almidón – Gluten.
La mezcla Almidón – Gluten, es separada en una centrifuga en la cual la diferencia de gravedad especifica de sus componentes, permite la obtención de dos flujos, un flujo superior y menos denso arrastra consigo al gluten, denominada gluten ligero; y un flujo inferior compuesto de la fracción más densa del maíz es compuesto principalmente de almidón.
5 El proceso de producción de INGREDION, tiene como una operación fundamental el secado, la cual permite la venta de diferentes subproductos (gluten, germen y fibra de maíz) generados de la obtención de almidón de maíz; además de conceder un beneficio económico, permiten alcanzar grandes porcentajes de eficiencia global en la planta.
Desde su separación como una solución con altos contenidos de sólidos (gluten pesado), el gluten ha de ser secado y entregado en polvo con una humedad no mayor a 12.5% en un secador flash. Debido al diseño del secador, de manera imperante la alimentación debe ser sólida con una humedad menor a 35% en peso, lo que hace indispensable una etapa preliminar de predesaguado. Los filtros rotativos de vacío (FRV) son equipos diseñados para remover determinada cantidad de agua de soluciones conteniendo porcentajes de sólidos suspendidos. En INGREDION son usados FRV que tienen como salida una torta compuesta mayormente de gluten de maíz, con una humedad de 60%. Esta torta de acuerdo a la actual operación, es mezclada con gluten seco, con el objetivo de reducir la humedad de entrada al secador hasta un valor operacional.
Es fundamental el control en la operación de estos FRV debido a que la fluctuación en el valor de humedad afectará directamente la humedad de entrada y consecuentemente a la de salida en los secadores, y esta misma (desde que una fracción de salida se retrocede a mezclar con la torta) afecta además de manera indirecta la humedad de entrada.
Justificación
Uno de los objetivos primordiales en INGREDION, así como en todas las plantas de producción, es alcanzar porcentajes de eficiencia muy altos, lo cual solo es posible logrando obtener los más altos niveles de calidad operacional.
6 tal manera que consuman la mayor cantidad de alimentación evitando derrames de producto que disminuyen drásticamente los porcentajes de eficiencia.
Producto de la maceración, el agua pesada tiene una composición variable que depende de la variedad de maíz procesado y de las condiciones específicas a las que fue macerado (tiempo y temperatura en ejemplos), pero de manera general es una solución concentrada de sólidos solubles. Esta solución con el objetivo de incrementar el rendimiento del proceso de gluten seco, es adicionada a la torta que ingresa al secador. El gluten seco como producto final tiene comercialmente un mínimo de 60% en peso de proteína, y cuando es mayor permite la adición de agua pesada al secador. Operar los FRV logrando obtener mayor cantidad de sólido seco en la descarga de torta, permite la adición de mayor cantidad de agua pesada incrementando los rendimientos de gluten seco.
Resulta importante observar que los FRV tienen como única alimentación gluten pesado y como salida tienen filtrados y torta. Se considera que la mayor cantidad de gluten es encauzada a los secadores, mientras que una fracción mucho menor es depositada en un tanque de filtrados. La operación del FRV que entregue una menor cantidad de sólidos en los filtrados, estará logrando obtener también mayor eficiencia de separación.
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Objetivos
Objetivo General
Determinar la velocidad de operación mejor conveniente en los filtros de vacío.
Objetivos específicos
Determinar la relación RPM contra masa de torta descargada Determinar la relación RPM contra humedad de torta
Determinar la relación RPM contra sólidos en filtrados
Determinar la relación RPM contra sólidos en tanque de filtrados
Problemas a resolver
El maíz que es procesado en INGREDION planta Sn Juan contiene en promedio 8% de proteína en base seca; actualmente la recuperación total de proteína se encuentra a tan solo 4.3%. Se observa en el proceso un alto contenido de sólidos en soluciones que no es normal y se especula que la saturación de concentradoras podría provocar esta situación. Los filtros de gluten pesado podrían ayudar a reducir la carga de las concentradoras.
La señal de lectura de velocidad de filtros está en alguna unidad desconocida, se debe realizar investigación para conocer la manera de controlar el filtro.
Procedimiento y descripción de actividades realizadas
Fundamento teórico
8 Según las especificaciones de las dimensiones en el manual de operación, los FRV tienen 12 pies de diámetro, por 20 pies de longitud. Primero con el diámetro del tambor se calcula la circunferencia de este de la siguiente forma:
= = 12
= 37.69911184
Y ahora sabiendo la distancia que la lona del filtro circula con cada revolución del tambor, se calcula la velocidad tangencial a la cual se mueve la lona como:
Ø = ∗ = ∗
Ø =
En la ecuación anterior, X representa las revoluciones por minuto de tambor. Ahora multiplicando la velocidad tangencial por los 20 pies de longitud, se obtiene la velocidad de área de descarga de la forma:
= #!$ !"∗ 20
De esta manera se podrá conocer el área descargada por unidad de tiempo y con datos de masa de 1 & de torta y de humedad de torta, se obtendrán datos como sólido seco descargado
por unidad de torta.
Estableciendo una función que relacione la velocidad del filtro contra la masa descargada =
, podrá obtenerse mediante cualquier método de optimización la velocidad en la que encuentre una mayor descarga de gluten. Maximizando = en el intervalo de velocidad operacional se determinará la velocidad óptima de operación. Análogamente se establecerán las funciones '( = ) y '* = ℎ (sólidos en filtrados y tanque respectivamente) esto para observar el impacto en la concentración de filtrados, y una , =
Debido a la naturaleza inestable del proceso las variables críticas que directamente lo afectan deben ser controladas y reguladas estrictamente, estas variables son:
9 Densidad de gluten pesado
Presión de vacío
Se ha de considerar que el proceso en todo momento manifiesta variación en su comportamiento, por lo que antes de concluir que el experimento fue llevado a cabo bajo operaciones inestables y no controladas debería ser comparado la fluctuación y la desviación estándar de las mismas variables durante el tiempo que dure el experimento contra la que muestre anteriormente.
11 Figura 2 Diagrama general breve del proceso. Los recuadros en amarillo representan los
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Procedimiento metodológico
Humedad de torta
Se ha de tomar una muestra del rodillo de descarga en un frasco de plástico, esta se transportará inmediatamente al laboratorio donde en una termobalanza se analizará y se registrará el contenido de agua en porcentaje de humedad en peso.
Densidad de gluten pesado
Después de tomar una muestra del gluten pesado en el muestreador se llenará un tubo de 15 ml, el tubo será centrifugado 8 min a 4000 RPM. Se registrarán los resultados y se reportarán como % de sólidos en volumen.
Temperatura de gluten pesado
En el intercambiador de calor el cual enfría gluten pesado hasta la temperatura de operación, se comprobará y registrará la temperatura de la solución en °C.
Presión de vacío
En el sensor de presión que posee cada bomba de vacío, se comprobará y se registrará la presión de vacío en mmHg
Masa descargada por hora
Se tomará una placa de área conocida de la torta de descarga y de acuerdo a las RPM, al diámetro del tambor y a la longitud del tambor se determinará cada cuanto es descargada esta cantidad de masa en -.
/".
Sólidos en filtrados
Del muestreador de filtrados se tomará un frasco de muestra con el que se llenará un tubo de 15 ml, el tubo será centrifugado 8 min a 4000 RPM. Se registrarán los resultados y se
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Resultados
Después de analizar la serie de muestras obtenidas se han obtenido los datos mostrados en la tabla 2. En ella se muestran los valores de humedad y de concentración de sólidos; así como de masa descargada por unidad de tiempo. Se ha graficado en un diagrama, las diferentes velocidades del filtro contra humedad, sólidos y masa descargada en las siguientes figuras.
Tabla 2 Resultados obtenidos del análisis de muestras. En la primera columna se observan el porcentaje de variador que corresponde a las determinadas RPM ya observadas; la siguiente columna muestra los valores de humedad en la torta a cada velocidad; Sólidos en filtrados expresados como ml sedimentados por cada 15 ml de solución; y, por último, la masa
en gramos descargada por el filtro en el área de un circulo con diámetro = 6.36 cm.
Variador Humedad Sólidos Masa descargada
Filtrados Tanque
0% 54.82% 0.2 1 4.53
10% 55.38% 0.2 1 4.59
20% 56.62% 0.25 1 5.29
30% 58.74% 0.3 1 5.47
40% 59.11% 0.3 0.8 5.97
50% 59.47% 0.35 0.7 7.02
54.00% 55.00% 56.00% 57.00% 58.00% 59.00% 60.00%
0% 10% 20% 30% 40% 50%
Humedad de Torta
14 Figura.4 La función en rojo ST=h relaciona la concentración contra la velocidad del filtro. La función azul
SF=g relaciona concentración de sólidos en filtrados a la velocidad de operación.
Figura. 5 Relación existente MD=f entre la masa descargada contra la velocidad del filtro.
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2
0% 10% 20% 30% 40% 50%
0 1 2 3 4 5 6 7 8
0% 10% 20% 30% 40% 50%
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Conclusiones y recomendaciones
La humedad de torta se observa en aumento con el incremento de la velocidad de los filtros, esto puede ser debido a su menor tiempo de filtrado, lo que provoca la poca ineficiencia del secado en la torta. Si la torta permaneciera un periodo mayormente prolongado, probablemente la torta obtendría valores menores de humedad. Con el fin de obtener una torta que contenga humedad menor a 60% en peso, sería recomendable operar el FRV a velocidades menores de 50% en su variador (0.368 RPM) y solo operar por encima de esta, cuando las circunstancias lo requieran.
En la gráfica de humedad al observar la relación , = se identifica dos comportamientos completamente diferentes; hasta antes de 30 % de velocidad, la humedad asciende de forma exponencial, mientras que para los datos superiores a 30% de velocidad, el incremento se estanca. Con fines prácticos, después de 30% de velocidad, el incremento en la velocidad se vuelve cada vez menos ineficiente tratando de incrementar la humedad en torta. Por lo que tampoco se recomienda intentar humedecer la torta subiendo la velocidad por encima de 30%.
La concentración en filtrados es el indicio que marca claramente como incrementar la velocidad, afectará indiscutiblemente la eficiencia del proceso. Con el incremento de la velocidad, la concentración en filtrados, ligeramente, también incrementa. Con lo que se esclarece la idea de que la cantidad de gluten regresado a molienda es mayor con el incremento en velocidades de los filtros. Desafortunadamente habrá ocasiones donde sea indispensable acelerar los filtros por altos niveles en tanques de gluten pesado, pero de manera generalizada, en cualquier momento es recomendable mantener la velocidad lo más baja que así se pueda.
16 En cuanto a la masa descargada por hora se observa una tendencia clara en incrementar con la velocidad, y dado que la masa descargada, es una variable que ha de ser controlada podría regularse con relación mostrada en MD=f . Recordar que la siguiente etapa del proceso es el secado se gluten, y de acuerdo a las especificaciones de diseño, o a las condiciones del proceso la velocidad puede ser regulada para obtener la producción deseada.
Competencias desarrolladas o aplicadas
Durante mi estadía en esta experiencia laboral, no solo he observado la aplicación de mi profesión como herramienta de desarrollo del potencial humano, sino que he sido partícipe de actividades que desarrollan e impulsan mi visión.
Operaciones unitarias más allá de tomarlo como un curso se ha vuelto para mí una necesidad. Habilidades un poco menos comunes como la programación de códigos en MATLAB, he incluso, habilidades de uso de herramientas informáticas me han ayudado a solventar las dificultades. Como profesionista encuentro un gusto amplio por la investigación, y de diferentes formas el constante asedio por parte de nuestros profesores con documento de investigación científica, forjan un hábito en nuestras actividades diarias.
Resulta increíble cómo es que, al inicio de mi educación académica, asignaturas como comportamiento organizacional parecían ser completamente impertinentes y ahora les encuentro ayuda casi a cada momento.
