y e l e n f r i a m i e n t o d e l a g u a d e imbibición

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RESuMEn

El calentamiento simultáneo del jugo mezclado y el enfriamiento del agua de imbibición es una operación que permite resultados satisfactorios a la tecnología azucarera. Se analizan varios sistemas usando diferentes corrientes de conden-sados del equipo de evaporación para obtener una temperatura determinada en el agua de imbibición y realizar a la vez el incremento correspon diente de la temperatura del jugo mezclado. Cuando se realiza el aprovechamiento térmico de los condensados para la autoevapo ración en los evaporadores, se alcanza un menor incre mento en la temperatura del jugo. La utilización de este sistema permite sus-tituir la primera extracción de vapor del evapora dor que se utiliza para el calenta-miento de los jugos con el consecuente ahorro de vapor.

InTRoDuCCIón

El agua que se añade en el último molino del tandem debe ser caracterizada por su calidad, cantidad y temperatura. La cantidad requerida para realizar una determinada extracción de jugo en comparación con su posterior evaporación se puede calcular sobre bases económicas (Valdés, 1986). El uso de agua cruda debe ser evitada

Palabras Clave: Jugo mezclado, agua de imbibición, temperatura, condensados, evaporación, autoevaporación, industria azucarera. 1Ministerio de Ciencia, Tecnología y Medio Ambiente; e-mail: avaldes@geprop.cu

2Instituto Cubano de Investigaciones Azucareras (ICINAZ).

debido a las posibilidades de incrementar el con-tenido de sales en los jugos y como consecuencia puede existir una reducción en el azúcar recu-perado en las mieles, así como también puede aumentar el contenido de las cenizas en el azúcar, disminu yendo su calidad.

La mínima temperatura recomendable para obtener una célula permeable y facilitar la trans-ferencia de la sacarosa al jugo, es de 70ºC (Ferrer, 1968).

Otros autores, Khainousky (1929) y Honig (1953) indican una temperatura de 85 ºC como la más recomendable. También estu dios realizados por Hugot (1960) señalan que el incremento de la extracción de sacarosa usando agua caliente es difícil de detectar y usualmente despreciable.

El uso de un intercambiador de calor para el jugo mezclado y los condensados puede ser usado para controlar la calidad y tempera tura del agua de imbibición así como para realizar el primer calentamiento del jugo mezclado en su etapa de purificación (Valdés, 1978; Leal, Valdés y Fried-man, 1986).

La temperatura obtenible del jugo mezclado seria una función del flujo del condensado y de la mezcla de los condensados. Se debe resaltar que con el empleo de este sistema también es posible el ahorro de vapor.

Un intercambiador de calor de este tipo se instaló en el central Pablo Noriega, (Leal, Valdés y Vázquez, 1986) y en el central Antonio Guite-ras (Castellat y Mendoza, 1988); en este último

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imbibición

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caso se utilizó para disminuir la cantidad de agua cruda que se empleaba en la imbibición.

Los objetivos de este trabajo experimental son, determinar el régimen de temperatura del jugo para diferentes alternativas de las mezclas y tempe-raturas del agua de imbibición, además de señalar el ahorro de vapor posible de alcanzar y su efecto económico.

MaTERIalES Y MéToDoS

La fuente del agua caliente que se rela ciona con los condensados que se obtienen en la esta-ción de evaporaesta-ción en cada vaso tiene diferentes flujos y temperaturas en dependencia del tipo de sistema empleado, número de vasos, presión de vapor de escape, superficie calórica, cantidad de vapor extraído, uso de la autoevaporación de los condensa dos, etc.

Este estudio se realizó en una fábrica experi-mental de 1 000 toneladas de caña molida por día; en la tabla 1 se mues tran los principales datos de operación de esta fábrica.

El primer calentamiento se realiza en un inter-cambiador de calor y el vapor empleado para los tachos se extrae a partir del primer o segundo vasos.

Se analizan tres alternativas, un primer sistema donde el principal objetivo es calentar el jugo mez-clado todo lo posible con los condensados, consi-derando una diferencia terminal de temperatura de 10 ºC, una segunda variante es la disminución de la temperatura del agua de imbibición a 70 ºC que sería la mínima para obtener células abiertas permeables y una tercera alternativa será utilizar el agua de imbibición con la máxima temperatura recomendable de 85 ºC.

Caña molida (kg-hr) 43 000 Agua de imbibición (kg-hr) 10 750 Jugo mezclado (kg-hr) 43 000 Número vasos evaporador 5 Presión vapor escape (kg-cm2) 2,1

Extracciones de vapor V1,2,3,4 Vapor extraído para tachos V1, V2 Uso autoevaporación de condensados alternativasAmbas Temperatura entrada del jugo (ºC) 40

Tabla No. 1

Datos de la fábrica de azúcar

Para todos los casos en análisis se considera el potencial de temperatura alcanzable para las con-diciones de los sistemas evaluados. El uso de los condensados del primer vaso como alternativa se muestra como dato de interés –pues esta agua se emplea directamente en las calderas– indepen-dientemente que un análisis mas preciso se debe realizar para cuando se utilicen economizadores, con el objetivo de definir la alternativa más con-veniente: realizar un mayor calentamiento al jugo mezclado o alimentar la caldera con agua a mayor temperatura.

Con el propósito de definir la posibilidad eco-nómica del uso del calor sensible de este fluido para el calentamiento del jugo se muestran en la tabla 2 los valores de temperatura y superficies calóricas del sistema de evaporación que ha sido tomado en consideración.

RESulTaDoS

El primer análisis se relaciona con el incre-mento de la máxima temperatura alcanzable del jugo mezclado en relación con la cantidad de calor obtenible en el flujo de condensado en estudio. Dos condiciones se consideran, primero, el uso o no de la auto evaporación de los condensados; también se valoran todas las combinaciones de mezcla de los condensados.

La temperatura a la salida se fijó usando un flujo a contraco rriente - a 50 ºC con el propósito de tener un mínimo difere ncial de temperatura en el terminal frío de 10 ºC, el coeficiente de transferen-cia de calor se tomó como 730 kcal/m2/hr/ºC.

En la tabla 3 se muestran los resultados obteni-dos, doce combi naciones de flujos de condensados son analizados, por razones prácticas, las corrien-tes con bajo potencial de calor se des precian y aquellos que se corresponden con el flujo del primer vaso que va hacia las calderas se muestra con el objetivo de conocer su potencialidad.

El resto de las corrientes indican la posibilidad de incrementar la temperatura de salida del jugo

vaSo calórica (mSuperficie 2)

Temperatura entrada del vapor (ºC) 1 470 135 2 275 127 3 220 115 4 175 100 5 175 85 Tabla No. 2

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en el rango de 47 a 68,8 ºC en función del mez-clado de los condensados de los diferentes vasos. De la tabla se puede observar que cuando se emplea la autoevapo ración de los condensados el valor máximo que incrementa la temperatura del jugo mezclado es de 61,9 ºC.

El análisis concerniente a los otros valores de temperatura para el agua de imbibibición, o sea 70

Condensado del vaso

Sin autoevaporación Con autoevaporación tjs (ºC) tce (ºC) wc (10)3 Superficie calórica (m2) tjs (ºC) tce (ºC) wc (10) 3 Superficie calórica (m2) 4 44,1 100 3,2 8,4 --- --- --- ---4+3 51,6 108 7,6 22,2 49,8 101 7,5 18,6 4+3+2 68,8 117 16,7 63,7 61,9 101 16,7 55,4 4+3+2+1 101,7 126 31,5 204,0 79,8 101 30,3 141,0 4+1 76,7 128 18,3 77,9 62,7 101 17,3 57,4 4+2 62,6 121 12,3 40,0 55,7 101 12,0 36,2 3+2 65,4 123 13,5 48,0 61,2 112 13,3 45,0 3+1 80,1 130 19,5 85,2 70,2 112 18,9 72,5 3 47,0 112 4,4 12,3 --- ---- --- ---2+1 90,8 132 24,1 122,6 87,6 127 24,0 120,0 2 58,0 127 9,1 30,8 --- ---- ---- ---1 73,0 135 15,1 80,1 --- ---- --- ---Tabla No. 3

Incremento máximo de la temperatura del jugo mezclado usando el calor sensible de los condensados con la alternativa de emplear un sistema de autoevaporación de los condensados

en el equipo de evaporación

Condensado del vaso

Sin autoevaporación Con autoevaporación tjs (ºC) tce (ºC) wc (10)3 Superficie calórica (m2) tjs (ºC) tce (ºC) wc (10) 3 Superficie calórica (m2) 4 42,5 100 3,2 3,0 --- --- --- ---4+3 47,5 108 7,6 9,0 45,6 101 7,5 7,7 4+3+2 60,0 117 16,7 25,0 51,6 101 16,7 17,9 4+3+2+1 85,6 126 31,5 69,0 63,9 101 30,3 37,7 4+1 67,1 128 18,3 33,0 53,5 101 17,3 19,3 4+2 56,4 121 12,3 19,1 49,2 101 12,0 12,7 3+2 58,1 123 13,5 22,0 54,7 112 13,3 18,1 3+1 69,4 130 19,5 36,0 61,0 112 18,9 27,8 3 44,7 112 4,4 5,5 --- --- --- ---2+1 78,3 132 24,1 49,8 75,0 127 24,0 46,7 2 53,2 127 9,1 14,5 --- --- --- ---1 64,7 135 15,1 28,5 --- --- --- ---Tabla No. 4

Incremento de la temperatura del jugo mezclado usando el calor sensible de los condensados con la alternativa de utilizar los condensados a 70 ºC

y 85 ºC, indican, comparando las mismas corrien-tes, que existe un menor incremento de la tempe-ratura del jugo mezclado a medida que se requiera una mayor temperatura del agua de imbibición.

Sin embargo, la acción de emplear el calor sen-sible de esta agua permite un aumento de la tem-peratura del jugo mezclado realizando ahorros de vapor.

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Condensado del vaso

Sin autoevaporación Con autoevaporación tjs (ºC) tce (ºC) wc (10)3 Superficie calórica (m2) tjs (ºC) tce (ºC) wc (10) 3 Superficie calórica (m2) 4 41,2 100 3,2 1,3 --- --- --- ---4+3 44,6 108 7,6 4,6 43,1 101 7,5 3,1 4+3+2 53,7 117 16,7 13,5 46,9 101 16,7 7,4 4+3+2+1 73,7 126 31,5 36,8 52,5 101 30,3 14,1 4+1 60,2 128 18,3 19,5 47,1 101 17,3 7,7 4+2 51,4 121 12,3 10,6 44,9 101 12,0 5,2 3+2 55,2 123 13,5 12,3 49,2 112 13,3 9,1 3+1 62,5 130 19,5 21,8 53,1 112 10,9 12,9 3 43,1 112 4,4 2,3 --- ---- --- ---2+1 69,1 132 24,1 28,6 55,9 127 24,0 16,7 2 49,8 127 9,1 8,6 --- ---- ---- ---1 52,1 135 15,1 17,2 --- ---- --- ---Tabla No. 5

Incremento de la temperatura del jugo mezclado usando el calor sensible de los condensados con la alternativa de utilizar los condensados a 85ºC

Varios ejemplos de ahorros de vapor de la esta-ción de evapora esta-ción cuando diferentes corrientes de condensados se emplean se muestran en la tabla 6.

Donde:

Q- cantidad de calor en kcal/hr

QT- cantidad de calor necesario para el calenta-miento total del jugo mezclado en kcal/hr tsc- temperatura de salida del jugo mezclado

en ºC

tsc- temperatura de salida del condensado en ºC

De la tabla se puede observar cómo entre 18 y 45 % del total de calor requerido para incrementar la temperatura del jugo mezclado a su valor tecno-lógico puede ser suministrado por el calor sensi-ble del condensado, en correspondencia con las corrientes consideradas. Ello significa un ahorro de vapor en la estación de evaporación, siendo posible sustituir la primera etapa de un sistema de

calentamiento escalonado. En la tabla 7 se señalan estas cifras.

Se puede apreciar como se alcanza un ahorro de 3,7 y 5,0 % al sustituirse la primera extracción por el empleo del calor disponible en los conden-sados para calentar el jugo en un intercambiador líquido-líquido.

Tomando en consideración un valor medio de 4,2 %, para una zafra de 150 días y para una genera-ción de 2,0 kg vapor/kg bagazo, se alcanza un ahorro de unas 800 toneladas de bagazo y considerando un precio del fuel-oil de 500 USD por tonelada, tendre-mos que anualmente se alcanzaría un beneficio de unos 400 000 USD para la fabrica de 1000 toneladas de caña molida diariamente.

Es de señalar que la sustitución del primer calenta-miento del jugo –que se realiza en un calentador– se sustituye por el intercambiador líquido-líquido que seria el propio calentador con modificaciones menores, básicamente en la alimentación y salida del

condensado.

Al compararse el sistema cuando no se utiliza la autoevaporación de los condensados contra el propio sistema utilizándose la autoevaporación, se alcanza un ahorro de vapor de 1,7 %. Analizando el ahorro de vapor, por efecto de presentar un mayor incremento la temperatura del jugo en su primera etapa de calentamiento por no utilizarse la autoeva-poación, y considerando el consumo del sistema de evaporación –en este caso con tres extracciones, debido a que la primera fue sustituida por el inter-cambio de calor entre el jugo y los condensados– se alcanza un ahorro de vapor de 0,7 %.

Tabla No. 7

Efecto del uso de la autoevaporación de los condensados y la sustitución de la primera extracción

de un sistema escalonado de calentamiento del jugo mezclado número de extracciones auto- evaporación de los condensados Consumo de vapor del evaporador (kg/hr) Disminución del consumo (kg/hr) 4 NO 10 965 ---4 NO 10 417 548 3 SI 10 901 ---3 SI 10 495 406

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También el uso de este sistema permite alcanzar valores adecuados, cuando la extracción de vapor hacia los tachos se realiza del segundo vaso del evaporador y con el propósito de prevenir altos valores del contenido de los sólidos solubles de la meladura.

ConCluSIonES

1. El uso de diferentes combinaciones de la mezcla de los condensados de los vapores de los equipos de evaporación con el objetivo de obtener una determinada temperatura del agua de imbibición, que implica, a su vez un aumento de la temperatura del jugo mezclado, ofrece beneficios técnicos y económicos, sig-nificando un proceso que puede ser incluido en la actual tecnología para la producción de azúcar de caña.

2. Se estudiaron tres posibilidades de temperatu-ras del agua de imbibición con el empleo o no del aprovechamiento de la autoevaporación de los condensados, alcanzándose aumentos de la temperatura del jugo mezclado.

3. La temperatura obtenida en el jugo mezclado indica la posibilidad de sustituir la primera etapa de un sistema de calentamiento escalonado de los jugos -en un calentador líquido-líquido-, disminuyéndose el consumo de vapor en la estación de evaporación. También el sistema reco mendado permite operar adecuadamente la estación de evaporación, al no sobrepasar los límites recomendables en el contenido de los sólidos solubles en la meladura cuando se realiza una extracción de vapor hacia los tachos a partir de un segundo o tercer vaso.

BIBlIogRafÍa

Castellat, Y. y A. Mendoza: “Calentamiento del jugo mez-clado usando condensados.” En: Memorias de

la 45 Conferencia de la ATAC, La Habana, 1988.

Ferrer, L.: Manual Práctico de Fabricación de Azúcar

de Caña, p. 34, Instituto del Libro, La Habana,

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Hugot, E.: Handbook of Cane Sugar Engineering, p.241, Elsevier. Amsterdam, 1960.

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