15 CRISTALIZACIÓN
15.1 Fundamentos de la cristalización 15.1.1 Solubilidad y sobresaturación
La sacarosa tiene una elevada solubilidad en agua. Una solución saturada de sacarosa se encuentra en equilibrio termodinámico con la fuse solida de sacarosa y contiene alrededor de dos partes de sacarosa por cada parte de agua a temperatura ambiente y casi cinco partes de sacarosa por cada parte de agua a 100 º C. Para cristalizar la sacarosa se requiere elevar su concentración por encima de aquella correspondiente a una solución saturada, y llevarla en forma regulada y con precisión a la concentración requerida para lograr la cristalización deseada. Por lo tanto es importante establecer la concentración de sacarosa en solución saturada bajo las condiciones de operación.
En general se acepta que la ecuación de Charles (I960) representa adecuadamente la solubilidad de la sacarosa en soluciones puras entre 0 y 90 °C:
64.397 + 0.07251 • 1 + 0.002057 • 12 - 9.035 • 106 - 13 (15.1)
donde es la concentración expresada como g sacarosa/100 g de solución saturada a la temperatura y en ºC. En varias publicaciones el primer termino de es la ecuación ha sido utilizado incorrectamente como 64.407. La ecuación de
Charles ha sido aceptada por ICUMSA, como lambien lo ha sido la ecuación de Vavrinecz (Anon. 2005) que es válida en el rango de temperaturas de -13 a 100 º C.
El coeficiente de saturación q es la solubilidad de sacarosa pura en agua bajo condiciones de saturación expresada como g sacarosa/g agua. Por lo tanto: (formula)
Este también se puede expresar como: (formula)
El coeficiente de saturación es aplicable a soluciones puras de sacarosa. Las soluciones que se presentan durante el proceso de la caña de azúcar como siempre impuras y las impurezas afectan la solubilidad de la sacarosa. El coeficiente de solubilidad SC se utiliza para representar la relación entre la concentración de sacarosa en una solución saturada impura y la concentración de sacarosa en una solución pura a igual temperatura (con la concentración expresada como la relación entre sacarosa/agua). Este se define como: (formula)
Desafortunadamente existe cierta confusión con la terminología de la industria de azúcar de remolacha, donde a este último término se le conoce como coeficiente de saturación {van tier Poel ct al. 1998:650).
Para una solución sobresaturada, sea pura o impura, el grado de sobresaturación se expresa mediante el coeficiente de sobresaturación y calculado dividiendo la relación sacarosa/agua de la solución sobresaturada por la relación
sacarosa/agua de una solución saturada a iguales condiciones de temperatura y pureza (o relación no-sacarosas/agua). El coeficiente de sobresaturación indica si la solución es no saturada (y < 1), saturada (y = 1), o sobresaturada (y > 1). Este se define como: (formula)
La solubilidad de soluciones puras de sacarosa se presenta en la Figura 15.1. El estado de saturación está representado por la curva y = 1. Es claro que la temperatura tiene un fuerte efecto sobre la solubilidad. La figura también muestra las curvas correspondientes a yp = 1.2 y 1.3. La región donde el coeficiente de sobresaturación esta entre 1.0-1.2 se conoce como región meta estable. En esta región los cristales de azúcar crecen sin que se produzca nucleación de nuevos granos de azúcar. Esta es la región donde la cristalización debe ser efectuada. La región comprendida entre 1.2-1.3 se conoce como región intermedia, donde los cristales pueden continuar creciendo, pero con formación de nuevos núcleos cuando hay presencia de cristales de azúcar. La región que se encuentra por encima de la curva de coeficiente de sobresaturación 1.3 se conoce como región lábil; en esta región se produce nucleación espontanea.
Para una solución sub-saturada que se encuentra en cierto punto por debajo de la curva de saturación (A en la Figura 15.1), la solución puede llevarse hasta la región de sobresaturación mediante evaporación a temperatura constante,
o mediante enfriamiento manteniendose constante el contenido de sólidos disueltos.
15.1.2 Nucleación y crecimiento de cristales
El crecimiento de los cristales es un proceso complejo y se recomienda al lector consultar van der Poel et al. (1998:653-670) para un tratamiento exhaustivo del tenia. Para propósitos prácticos se puede considerar como un proceso cinético de reacción, donde la fuerza impulsora es el grado de sobresaturación. Las moléculas de sacarosa en solución tienen que esparcirse 6 difundirse hasta el crista! y luego ser incorporadas en la estructura reticular del cristal. Por lo tanto la proporción de cristalización depende de estos dos procesos. La Figura 15.2 presenta una capa limite a través de la cual las moléculas se difunden, y una capa de adsorción sobre la superficie del cristal. Estos dos procesos pueden ser representados como: (formula)
donde A es el área superficial del cristal, kn y kR son las constantes de las tasas de difusión y reacción superficial, e, c* y c son las concentraciones de la solución, en la interface sobre la superficie del cristal, y de equilibrio respectivamente. En realidad esto es una simplificación, pues el proceso de incorporación en la estructura reticular del cristal consiste de varios procesos incluyendo adsorción sobre la capa superficial, migración a un sitio apropiado sobre la superficie, y adhesión a la estructura reticular. No obstante, estas dos ecuaciones se pueden combinar para obtener: (formula)
Se ha establecido que a temperaturas < 40 °C el proceso de incorporación sobre la superficie está controlado por la tasa de reacción, siendo kQ = kR. Cuando la temperatura es > 50 °C la tasa de difusión controla el proceso y kG = kD.
En la práctica se ha encontrado que este no es siempre un proceso de primer orden, y que la tasa de cristalización se expresa mejor como:
(formula)
Donde n tiene un valor entre 1 y 2 cuando la diferencia de concentración es pequeña, pero tiende a 1 (es decir a proceso de primer orden) cuando la diferencia de concentración es mayor. La constante de la tasa de reacción kQ depende de la temperatura de acuerdo con una relación tipo Arrhenius, la cual se puede expresar como:
(formula)
En esta ecuación R es la constante universal de gases (8.314 kJ/(kmol • K)) y T la temperatura absoluta.
La energía de activación EA es más elevada temperaturas, correspondientes al proceso poracion superficial, mientras que los va menores en el rango de temperaturas más alto, donde la difusión controla la tasa de reacción. La figura 15.3 presenta la variación de la energía de activación con la temperatura. Para el caso de conocimiento en evapocristalizadores o "tachos" el rango elevado de temperatura es más relevante.
Mientras que una diferencia grande de concentración promueve la velocidad de la cristalización,
Se debe tener cuidado para asegurar que no sea tan grande que la concentración de la solución caiga en la región intermedia o lábil. Esto resultaría en formación de nuevos núcleos de cristalización, cultivando cristales de menor tamaño que posteriormente afectan la separación de los cristales del licor madre.
La nucleación es un proceso complejo, que es influenciado por muchos factores y difícil de controlar o predecir. Los procesos de cristalización deben evitar operar en regímenes de concentración y temperatura donde pueda ocurrir nucleación descontrolada. Van der Poel et al. (1998:650-653) han tenido en cuenta los principales factores que controlan el proceso de nucleación en la práctica.
15.1.3 Efecto de las no-sacarosas
Los componentes en solución diferentes a la sacarosa, o no -sacarosas, tienen cuatro efectos significativos sobre la cristalización:
• Modifican la solubilidad de la sacarosa. El coeficiente de solubilidad generalmente es menor a uno cuando el valor de la relación no-saca-rosas/agua es pequeño (ver ecuación (18.3) en Sección 18.1.1), pero cuando esta relación es más elevada el valor excede a uno, indicando un incremento de la solubilidad de la sacarosa.
• Reducen la proporción o tasa de cristalización al reducir la velocidad del proceso de difusión debido al incremento de la viscosidad o por interacción con ciertas caras de la superficie del cristal, inhibiendo así la incorporación en la estructura cristalina.
• Afectan la forma o morfología del cristal. Esto está asociado con el punto anterior, pues algunas impurezas bloquean los sitios de cristalización de ciertas superficies, reduciendo el crecimiento de estas caras y por lo tanto cambiando la forma del cristal. Se conoce particularmente de ciertos oligosacáridos que son causa de cristales alarga-dos {Morel du Boil 1991).
• Incrementan el espesor de la región meta estable que se presenta en la Figura 15.1, ampliando el rango seguro de condiciones de concentración y temperatura para el crecimiento de cristales.
Los efectos de las no-sacarosas varían de una región de cultivo de caña a otra y de acuerdo al momento de la zafra. Generalmente son difíciles de medir o predecir.
La Figura 18.1 presenta valores del coeficiente de solubilidad. Estos son afectados por la relación no-sacarosas/agua y también por la relación entre azucares reductores/ceniza. El coeficiente baja por debajo de uno hasta valores entre 0.8 y 0.9 cuando la relación no-sacarosas/agua es tres. Esto implica que la solubilidad de
la sacarosa en agua se reduce a medida que la pureza es menor. A medida que la relación no-sacarosas/agua se incrementa por encima de tres, el coeficiente de solubilidad incrementa, excediendo a uno cuando la relación no-sacarosas/ agua pasa aproximadamente por encima de cuatro.
Han sido pocas las ocasiones en que se ha intentado cuantificar el efecto de las no-sacarosas sobre la tasa de cristalización. Incorporando la propuesta de Wright y White (1974) en la ecuación (15.11) se puede obtener: (formula)
En esta ecuación (formula) es la relación entre no-saca-rosas/agua. Love (2002) analizo los resultados de varios investigadores y demostró que la constante 1.75 es muy baja, estimando que deberá tener un valor alrededor de 2.4. La forma de la ecuación (15.12) puede ser apropiada funcionalmente, pero no existe mucho acuerdo en cuanto a los valores a ser emplea-dos con esta ecuación.
15.1.4 Tasa de cristalización
Las ecuaciones (15.8) y (15.12) pueden ser utilizadas para estimar la tasa de cristalización cuando se pueden efectuar suposiciones adecuadas sobre el área de la superficie de cristalización (tamaño promedio, distribución de tamaño y factores de forma). Sin embargo no existen valores comprobados de los parámetros disponibles que puedan ser utilizados confiablemente. Otra aproximación distinta es el
uso de información industrial combinada con datos obtenidos en plantas piloto y en el laboratorio para estimar la tasa promedio de cristalización global, expresada como la tasa de crecimiento de los cristales con base en mediciones del tamaño de cristal. Love (2002) ha presentado resultados disponibles en la literatura junto con datos obtenidos por Tongaat-Hulett Sugar. Estos resultados junto con algunos datos recientes de Australia se presentan en la Tabla 15.1.
Estas cifras proporcionan solamente una aproximación a las tasas de cristalización reales, debido a las siguientes razones:
• La pureza del licor madre puede variar amplia-mente durante el desarrollo de cada cocimiento.
• Durante una parte del proceso, la evaporación y no la cristalización puede ser el factor limitante, de manera que
la tasa de cristalización podrá ser en promedio mayor que los valores presentados. Esto está bien ilustrado en los datos de Lionnet encontrados en la Tabla para cocimientos de refinería; la primera cifra representa la tasa de crecimiento durante la etapa inicial del cocimiento, cuando la tasa de evaporación excede a la tasa de cristalización, mientras que la segunda cifra representa la tasa cuando el proceso está limitado por la tasa de evaporación.
• El control del proceso y en particular de la sobresaturación puede tener un efecto significativo. Los tachos que hierven más activamente debido a buena circulación brindan mayores tasas aparentes de cristalización.
• Existe una dispersión grande y variable del tamaño de cristales, la cual influencia significativamente a los valores promedio. Esta dispersión se debe a variaciones en la tasa de crecimiento, que puede diferir en un orden de magnitud (White et al. 1998).
Se ha propuesto que las tasas de crecimiento relativo de los cristales en una suspensión son dependientes de la historia de los cristales (White et al. 1998). La tasa de crecimiento de cada cristal es una propiedad del mismo; algunos crecen más rápidamente y otros lentamente, y es esta propiedad la que conduce a la dispersión durante el crecimiento de los cristales.
15.1.5 Elevación del punto de ebullición
El hecho de que las soluciones de sacarosa hiervan a mayor temperatura que el agua se discutió en la Sección 12.1.2. La elevación del punto de ebullición se presentó como una función del contenido de sacarosa en la Figura 12.1, la cual ilustra como la elevación del punto de ebullición es menor a medida que se reduce la temperatura. Esta información es presentada de manera ligeramente distinta en la Figura 15.4 en función de la temperatura de la masa cocida, con base en la interpretación dada por Holven a los datos de Thieme (Chen y Chou 1993:238).
Saska (2002) señala que existen diferentes correlaciones disponibles para el punto de ebullición, pero que todas han sido derivadas de solo dos investigaciones originales, una por Spengler para remolacha y la otra por Thieme para productos de caña. Otros datos obtenidos por Batterham y Norgate (1975) han sido prácticamente olvidados, excepto en Australia. Saska efectuó estudios subsecuentes comparando sus mediciones con las correlaciones existentes, y propuso la siguiente relación para la elevación del punto de ebullición
Nótese que se refiere aquí a la concentración de solidos disueltos del licor madre; la elevación del punto de ebullición no depende del contenido total de sólidos en la masa cocida. Esta ecuación cubica el rango de RDS de 69 a 82 y un rango de temperaturas de 58 a 76 °C. La ecuación tiene forma similar a la ecuación integrada de Clausius - Clapeyron lo cual sugiere que los exponentes de los primeros dos términos deberían ser 1 y 2 respectivamente. El término adicional de pureza incluye el efecto de soluciones impuras. Partiendo de esto, una propiedad útil de las soluciones de sacarosa es el hecho de que la elevación del punto de ebullición es directamente proporcional a la concentración cuando se expresa como g de sacarosa disuelta/g agita. Por tanto, si una solución tiene una elevación del punto de ebullición de 10 °C bajo condiciones de saturación para una sobresaturación de 1.2 la elevación será 12 º C. Esta propiedad es utilizada para el control automático de los tachos.
Usualmente se asume que el efecto de tener bajas purezas es un incremento en la elevación del punto de ebullición pero trabajos efectuados por Saska (2002) han mostrado un efecto opuesto de la pureza tal como lo muestra la ecuación (15.13). Saska (2002) présenlo sus resultados en el mismo formato de la Figura 15.4, que es útil para la operación de lachos: los resultados se ilustran en la Figura 15.5. El efecto de la
pureza es bastante reducido y los dalos de elevación del punto de ebullición para so-luciones puras son mayores a temperaturas por encima de aproximadamente 65 º C; los datos de Holven como han sido publicados por Chen y Chou (1993) muestran en promedio un incremento de elevación del punto de saturación de 1 °C porcada cambio de 10 unidades de pureza; los dalos de Saska muestran en promedio alrededor de la mitad de este efecto.
15.1.6 Tamaño y forma de los cristales
El tamaño de cristal del azúcar producido es importante porque usualmente tiene que cumplir con determinada especificación de calidad del consumidor. El azúcar para consumo directo tiene un tamaño promedio entre 0.2 mm y 2 mm dependiendo de los requerimientos del mercado, siendo producidos en la India los mayores tamaños de grano. El azúcar crudo para refinerías normalmente tiene que cumplir especificaciones de tamaño que faciliten una afinación aliciente en la refinería.
Los cristales de tamaño más grande tienen menos área superficial por unidad de masa y son más fáciles de procesar durante la centrifugación debido a que la cantidad de película de miel sobre la superficie es menor. Sin embargo, con cristales más pequeños se tienen una mayor área superficial, lo cual mejora la lasa de cristalización. Esto
es particularmente importante para los cocimientos de baja pureza donde el tamaño de los cristales se mantiene pequeño. típicamente alrededor de 0.2 mm para masas cocidas ºC. El tamaño de apertura de las mallas de centrifugas se selecciona de acuerdo con el tamaño de cristal a ser separado.
La distribución del tamaño de los cristales es también importante. La separación en las centrifugas se facilita a medida que la distribución del tamaño de cristal es más uniforme. Los granos linos en masas cocidas tienden a llenar espacios presentes entre cristales más grandes, produciendo una capa de cristales en las maquinas centrifugas que no se puede filtrar o purgar fácilmente. Adicionalmente los cristales pequeños pueden pasar a través de las aperturas de la malla resultando en un menor agotamiento de las mieles. La distribución del tamaño de cristales generalmente se caracteriza utilizando el coeficiente de variación CV, que se define como: (formula)
Donde es el tamaño promedio de cristal y a la desviación estándar de la distribución. A medida que los cristales crecen el tamaño promedio se incrementa y se espera que el CV se reduzca. En la práctica el efecto de la dispersión de tamaño es evidente resultando en cristales que crecen a diferentes velocidades. Esto contradice la tradicional ley
de McCabe, que predice que el incremento de la longitud del cristal con el tiempo es independiente del tamaño de grano. La ley dc McCabe conduciría a un mejoramiento del CV siempre que ocurra crecimiento de cristales. White el al. (1998) demostraron que existe una variación de las tasas de crecimiento de los cristales, que es fuertemente dependiente de la historia de cada cristal; un cristal de rápido crecimiento continuara creciendo más rápido que el promedio, llevando a la conclusión de que los cristales de mayor tamaño tienen mayor tasa de crecimiento. En las masas cocidas A. el efecto neto es un mejoramiento (reclucción) del CV a medida que se produce crecimiento de los cristales pero en las masas de baja pureza los efectos de la distribución del tamaño son más fuertes, conduciendo a peores valores del CV a medida que transcurre el crecimiento de los cristales {Rein y Msimanga 1999).
Es conveniente asumir que la distribución del tamaño del azúcar se asemeja a una distribución normal, logarítmica que representa mejor la distribución no simétrica e igualmente incorpora un valor promedio y un CV. White asume una distribución normal. Esta sin embargo es simétrica alrededor del valor promedio y por lo tanto puede incluir en ocasiones valores negativos de tamaño. Hoekstra (1985) utilizó una distribución exponencial negativa para el análisis de resultados de pruebas de tachos. Rein y
Archibald (1989) usaron la distribución normal logarítmica, que representa mejor la distribución no simétrica e igualmente incorpora un valor promedio y un CV. White el al. (1998) también demostraron que la distribución normal logarítmica es apropiada. En la industria del azúcar de remolacha se acepta a la distribución RRSB (Rosin-Rammler-Sperling-Bennett) como mejor representación de la distribución de tamaño (van der Poel et al. 1998:106).
Medición de tamaño de cristales. El tamaño de los cristales se puede medir de varias maneras cristalinas:
• El azúcar producido se puede secar y tamizar en una torre de tamices durante un tiempo estándar. Para ello el método ICUMSA OS2-37 aplica (Anon. 2005). Con el método Powers la apertura media es un tamaño promedio basado en la masa y se obtiene como el punto correspondiente al 50 % en un gráfico de la masa de aplicar acumulada con respecto al tamaño de apertura. La desviación estándar se obtiene de la diferencia entre la media en el gráfico de distribución acumulada con respecto a los puntos 16 ó 84 %.
• En algunas ocasiones se proporciona un tamaño de grano específico. Para esto se utilizan los resultados de una prueba de tamizados que permite determinar un tamaño promedio" en términos del área de superficie (SASTA 2005).
• En algunos casos se mide únicamente a los "linos" como la fracción de azúcar que pasa a través de una malla de apertura 0.6 mm (Malla 28 Tyler)
• La técnica de análisis digital dc imágenes se está haciendo popular, pues no se requiere necesariamente que el azúcar sea separado y secado antes de efectuar las mediciones. Por lo tanto es adecuado particularmente para las masas de baja pureza. Las imágenes pueden ser procesadas manualmente (contando y midiendo cristales individuales) o automáticamente utilizando software especialmente desarrollado. Los valores medios obtenidos corresponden a múltiples valores medios. Es posible reportar el tamaño medido o el diámetro equivalente. El primero es más apropiado para determinar el potencial de que un cristal pueda pasar a través de la malla de una centrifuga continua, mientras que el segundo puede ser más apropiado para los estudios de cristalización.
• Equipos de medición más sofisticados costosos usualmente basados en técnicas de rayos láser pueden ser utilizados para analizar muestras secas de azúcar o muestras en suspensión con adecuada consistencia para la medición.
Se debe hacer distinción entre las distribuciones basadas en masa (como se obtiene por laminado) y aquellas basadas en número (al emplear técnicas de análisis de imágenes). Es
posible derivar equivalencias matemáticas dependiendo de la distribución asumida (ej. Broadfoot 1992). También se debe tener cuidado con el hecho de que para la determinación de la apertura media se aplican varios métodos: así de los cuatro métodos ICUMSA para expresar resultados tres emplean a la mediana en lugar del tamaño promedio por masa como la apertura media.
Factores de forma. La relación entre el tamaño del cristal (con diámetro característico de densidad), área del cristal A y masa del cristal m requiere el uso de factores de forma:
(fórmula)
Se ha encontrado que el factor de forma α tiene un valor de 0.34 (Liomnet 1998) con base en el di definido como {I2 • b) donde 1 y b son la longitud y amplitud de los cristales. Bubnik y Kadlec (1992) sugieren un valor de α = 0.31. Liommet (1998) cálculo que el factor de forma β es 2.9. resultando en una relación α β = 0.116. Nótese que esta relación tiene un valor de 1/6 6 0.1667 para esferas y cubos.
Utilizando los valores propuestos por Liommet, las ecuaciones (15.15) y (15.16) pueden ser combinadas para obtener la siguiente relación entre el área del cristal en m2 y la masa del cristal en kg:
Van der Rod et al. (1998:74) sugieren un valor de 0.042 para la constante de la ecuación (15.17).
Lionnel (1998) demostró que los factores de forma pueden ser utilizados para definir la equivalencia entre las dos maneras de expresar la tasa de crecimiento, es decir la tasa de crecimiento lineal R en m/s y la tasa de crecimiento R expresada en kg/
3-a i),.
(formula)
15.1.7 Contenido de cristales en masas cocidas
Las siguientes dos ecuaciones permiten calcular el contenido de cristales en g/100 g de masa cocida y en g/100 g DS:
(formula)
Usualmente la cantidad de cristales en la masa cocida es un factor limitante para el proceso de cristalización. El contenido de cristal puede alcanzar valores tan elevados que la masa cocida se forma principalmente en un sólido por lo cual la cristalización debe interrumpirse antes de que la viscosidad de la masa cocida se torne excesivamente elevada. El límite del contenido de cristales puede ser calculado, asumiendo que los cristales se encuentran en contacto entre sí y que los espacios vacíos están rellenos únicamente por licor madre. En este caso la porosidad o fracción volumétrica del líquido se puede ser calculada a partir de
la densidad del cristal p y la densidad aparente pb:
(fomula)
Asumiendo que los espacios vacíos se encuentran ocupados por licor madre con un contenido de sólidos disueltos| y densidad el contenido de cristal estará dado por:
(formula)
Asumiendo que el licor madre tiene una super saturación de 1.05 el contenido de sólidos disueltos se puede encontraren Bubnik el al. (199.5).
Cálculos para dos masas cocidas de diferente pureza y a dos temperaturas son presentados en la tabia 15.2. La densidad de los cristales de sacarosa es 1587 kg/m3 {Bubnik et at. 1995) y la densidad del licor madre se puede obtener de Tablas o correlaciones.
15.1.8 El proceso de cristalización
La cristalización en las fábricas se produce bajo vacío e involucra procesos simultáneos de transferencia de masa y evaporación. El vacío es necesario para mantener la temperatura a un nivel suficientemente bajo que permita minimizar la formación de color y la inversión o degradación de sacarosa en el proceso.
Al iniciar un cocimiento discontinuo o 'batch', el licor se concentra hasta alcanzar la zona metaestable (Figura 15.1). La cristalización se inicia adicionando semillas muy finas
en forma de suspensión ó slurry las cuales proporcionan sitios de nucleación para comenzar la cristalización. A partir de entonces la con concentración del licor madre se controla de manera que la cristalización ocurra sin disolver ningún cristal y sin formación de nuevos núcleos (falso grano). Para esto se requiere establecer suficiente área superficial de cristales y regular la alimentación del tacho para controlar la concentración del licor madre tradicionalmente este proceso se ha efectuado empleando
tachos discontinuos, pero recientemente se han introducido sistemas continuos. Sin embargo, la etapa inicial de cristalización se realiza aún de manera discontinua. En algunas ocasiones el proceso comienza partiendo de un magma o pie de templa, es decir una mezcla de licor y cristales de un cocimiento previo, evitando así el proceso de semillamiento.
15.1.9 Objetivos de la casa de cocimientos
El proceso de cristalización en una fábrica de azúcar crudo debe cristalizar tanto azúcar como sea posible de la meladura proveniente de los evaporadores. El azúcar tiene que ser producido con la calidad requerida y el contenido de azúcar en miel final debe ser tan bajo como sea posible, dado que cualquier azúcar remanente en estas mieles es una pérdida operacional. La cristalización se debe realizar en varias etapas para lograr reducir aceptablemente el contenido de sacarosa en miel final. Distintos es-quemas de cristalización pueden ser utilizados para lograr estos objetivos.
Las operaciones necesitan también ser conducidas de manera que se cumplan las metas de producción. Esto requiere alcanzar ciertas metas de eficiencia de cristalización, de manera que los equipos instalados no constituyan cuellos de botella. Al mismo tiempo se debe tener cuidado para asegurar que la cantidad de vapor utilizado en el proceso no resulte excesiva. Generalmente una cristalización eficiente minimiza el consumo de vapor.
La calidad del azúcar es afectada por la calidad de la meladura a procesar, específicamente por su pureza, color y turbiedad. El esquema de cristalización se debe seleccionar para alcanzar la calidad requerida a partir de la meladura a ser procesada. El esquema óptimo es aquel que permite satisfacer la calidad deseada con una mínima capacidad de
equipos instalada.
Obtener una eficiencia de cristalización elevada implica la producción de la máxima cantidad de cristales de azúcar en cada etapa de cristalización. La importancia de este aspecto se ilustrara en la Sección 15.2.6. Un agotamiento elevado en cada etapa minimiza la cantidad de masa cocida a ser procesada, lo cual a su vez minimiza el uso de vapor y la capacidad requerida en tachos y centrifugas.
15.2 Esquemas de cocimientos de azúcar
La máxima recuperación de la sacarosa por cristalización no puede lograrse en una sola etapa. Existe cierto límite del contenido de cristales que se encuentra en el punto donde la masa cocida no puede fluir fuera del tacho. La cristalización se debe detener antes de alcanzar este punto y la masa cocida debe centrifugarse para separar los cristales de la miel. Las mieles producidas contienen aún azúcar cristalizable y el proceso se repite, usualmente en una o dos etapas adicionales para lograr un recobrado óptimo de sacarosa. La pureza de la masa cocida decrece sucesivamente con cada etapa, a medida que se remueve mayor cantidad de sacarosa. Varios esquemas de cristalización pueden ser utilizados para satisfacer la calidad de azúcar a ser producida de acuerdo con la pureza de la meladura.
Los siguientes esquemas de cristalización son utilizados comúnmente para la producción de azúcar crudo:
• Esquema de dos conocimientos, • Esquema de ties conocimientos, • Esquema de doble Einwurf,
• Esquema VHP (Very High Pol).
15.2.1 Descripción de los esquemas de cocimiento
Estos esquemas se ilustran en las Figuras 15.6 a 15.9. Existen múltiples variaciones que pueden ser introducidas dentro de cada esquema para satisfacer condiciones particulares. Por ejemplo, la centrifugaci6n doble (afinación) de azucares B y C puede ser requerida para producir azúcar de bajo color y cenizas cuando la pureza de la meladura es baja; mientras que la recirculación de retornos de jarabe puede ser utilizada para reducir la pureza de la masa cocida cuando las purezas de la meladura son muy elevadas.
La elección del esquema de cocimiento afecta la cantidad total de masas cocidas y la demanda de energía para la cristalización. Cada sistema ofrece diferentes ventajas y desventajas, pudiendo ser comparados únicamente bajo un rango de condiciones claramente definido. Una comparación de las cantidades de masa cocida y la demanda de energía con tres diferentes esquemas de cocimiento fue publicada por
Birkett(1978).
El número de etapas requerido para lograr el agotamiento de la meladura hasta obtener la pureza de miel final depende en primer lugar de la pureza de la meladura. Las etapas de cristalización y sus productos luego de ser separados se identifican usualmente con letras. La etapa de mayor pureza se denomina etapa A, que produce miel A y azúcar A. Las otras etapas se denominan B y C, pero en el caso de esquemas de dos conocimientos la secuencia se altera y solo se producen azucares A y C.
En la práctica, resulta poco posible adherirse rígidamente a un esquema de cristalización durante toda una temporada de zafra. Las estaciones de cristalización son diseñadas con cierta flexibilidad para poder tolerar variaciones de la
calidad del suministro de meladura y del azúcar producido. Esquemas de dos conocimientos. La principal ventaja de los esquemas de cristalización de dos etapas de cocimiento (Figura 15.6) en comparación con los esquemas de tres etapas es la simplificación de la estación requerida al eliminarse la etapa B. No obstante, este esquema no afecta apreciablemente el volumen total de masa cocida a ser procesada, y por tanto tampoco la capacidad requerida de los equipos en la estación de conocimientos.
La miel A se utiliza como jarabe de alimentación para la masa cocida C. La masa cocida C se centrifuga en máquinas continuas y el azúcar C se hace magma con una pureza de aproximadamente 85. El azúcar A se cristaliza a partir de meladura utilizando al magma C como semilla. La masa A debe ser agotada en su totalidad en los tachos y en los cristalizadores por enfriamiento para obtener una caída de pureza de al menos 20 puntos entre masa cocida y miel de purga de primera.
No se debe permitir que la pureza de la masa A llegue a exceder 80-82 si se quiere que la caída de pureza entre masa A y miel final pueda alcanzarse con dos etapas de cocimiento. En caso de contar con purezas de meladura elevadas, se hace necesario recircular mieles A sobre la templa A; este esquema es más apropiado para meladuras de baja pureza. La cristalización a partir de masas A de pureza relativamente
baja produce azúcar de color relativamente elevado. Por esta razón el esquema de dos conocimientos no debe ser empleado en fábricas que cuentan con una refinería al final.
Perk (1973) también reporta que la recirculación continua de no-sacarosas con la repetición del cocimiento de material conduce a tener masas cocidas excesivamente "adherentes".
Esquema de tres cocimientos. El esquema más comúnmente empleado es el de tres etapas de cristalización, donde se obtienen azucares A y B para la venta. Este esquema se representa en la Figura 15.7. El azúcar A se cristaliza a partir de meladura utilizando como semilla un magma que consiste de azúcar C en agua (o jugo clarificado) con pureza alrededor de 85. Por lo tanto, la masa cocida A tiene una pureza cercana a la de la meladura. La masa cocida A se centrifuga para obtener un azúcar A con pol relativamente
alto (98-99 °Z) y miel A con una pureza alrededor de 20 unidades por debajo de la pureza de la meladura.
El azúcar B se cristaliza a partir de mieles A (pureza 60-70) y meladura, utilizando como semilla el mismo magma de azúcar C para iniciar la masa cocida B. La masa B se centrifuga utilizando maquinas discontinuas, obteniendo azúcar B con pol entre 97-98 °Z que se mezcla con el azúcar A para ser despachados de la fabrica.
El pie de templa para la semilla C consiste de una mezcla entre miel A y meladura con pureza alrededor de 70 o sencillamente miel A con pureza entre 60 y 70. Los cocimientos de masa C se alimentan con miel B. La masa cocida C es centrifugada usan-do maquinas continuas para obtener azúcar C y miel final. El azúcar C, con pureza alrededor de 85, es mezclada para formar el magma que se utiliza como semilla para las etapas de cristalización A y B.
La pureza de la masa cocida B es mayor que la pureza de la miel A debido en parte a la influencia del semillamiento con magma C, pero también a la adición de meladura a la masa B para reducir la viscosidad. La pureza debe mantenerse en el rango de 70-75 para obtener azúcar B alrededor de 98 °Z, con cristales relativamente grandes y una capacidad aceptable en las centrifugas discontinuas. La alta pureza de las masas cocidas B lleva a una pureza relativamente elevada de la miel de purga de segunda, lo cual a su vez incrementa la
pureza de la masa cocida C y la pureza de las mieles finales. Esta es la principal desventaja de este esquema.
Esquema doble Einwurf. Este se conoce en algunas ocasiones como el esquema de "doble magma" o esquema CBA. El esquema tiene tres etapas de cristalización y utiliza azúcar C como semilla para el azúcar B de la masa cocida B, y al azúcar B como semilla para el azúcar A de la masa cocida A. El azúcar producido para la venta es de un solo grado (Figura 15.8). La preparación del azúcar C es igual que en el sistema de tres cocimientos y la masa C se centrifuga en máquinas continuas. El azúcar C se mezcla con agua o jugo clarificado para hacer magma que se utiliza como semilla para el azúcar B.
El azúcar B se cristaliza alimentando mieles A y se centrifuga en máquinas continuas. Con el azúcar B también se hace un magma B. El azúcar A se cristaliza alimentando meladura y usando como semilla magma B, para ser luego centrifugada en máquinas discontinuas. Cualquier exceso sea de azúcar B o C se disuelve y es retornado a la meladura como material re disuelto o refundido.
Las ventajas del sistema son primero la producción de un solo grado de azúcar de buena calidad, y segundo el uso de máquinas centrifugas continuas para la masa cocida B. Las ventajas dc este esquema han sido discutidas por Rodríguez
(1980). Este esquema es adecuado para los tachos continuos que pueden ser alimentados directamente con magma, sin previa preparación de semilla en tachos discontinuos. Este esquema ha sido utilizado para este propósito en Reunión y Sudáfrica.
La calidad del azúcar producido es mejor que la obtenida con el esquema convencional de tres conocimientos pero el color y el contenido de cenizas son mayores que con el esquema VHP debido a la presencia del azúcar C usado para nucleación del azúcar A. La principal desventaja es una mayor pureza de la masa cocida B debido al uso de magma como semilla. Adicionalmente el control del tamaño de cristal de los azucares B y C' es crítico para evitar tener que disolver excesos de azúcar. El volumen total de masa cocida a ser cristalizada es mayor que con los otros esquemas pero en la práctica se ha encontrado que no se requiere capacidad
adicional de equipos debido a la rápida cristalización de las masas cocidas A.
Esquema VHP. Esta modificación del esquema de tres etapas de conocimiento es ampliamente utilizada en Sudáfrica para la producción de azúcar de Muy Alta Polarización (VHP), entre 99.3 y 99.5 V. (Figura 15.9). Este esquema fue utilizado en Hawai para producir azúcar de bajo color que será procesado en una refinería. Es también el esquema utilizado para producir azúcar blanco directo o de plantación.
Todo el azúcar C es disuelto en agua o jugo clasificado y retornado al tanque de meladura como refundido. El azúcar C tiene pureza de 81-85 y se obtiene utilizando máquinas centrifugas continuas.
El azúcar B se produce semillando una mezcla de mieles Ay B (o meladura si es necesario) con pureza entre 60-70 y alimentando al cocimiento con miel A. La masa cocida B se centrifuga usando máquinas continuas para obtener un azúcar de pureza alrededor de 90 a 92, con la cual se hace magma que será utilizado como semilla para la etapa A de cristalización. Cualquier exceso de azúcar B se disuelve y retorna al tanque de meladura como refundido.
La masa cocida A se centrifuga utilizando máquinas discontinuas y el azúcar A es el único que sale de la fábrica como producto. Algunas fábricas que cuentan con refinería han reemplazado a las centrifugas discontinuas con máquinas continuas debido a que el azúcar es disuelto inmediatamente para la refinación y el tamaño de grano no es importante.
Las principales ventajas de este esquema de cristalización son una buena calidad del azúcar A producido y una baja pureza de la miel C, con lo cual se facilita obtener un buen agotamiento de las mieles. Una variación del esquema VHP. que involucra el uso de magma de azúcar C como semilla para la masa cocida B y la disolución de todo el azúcar B para reducir el color del azúcar A ha sido descrita por de Robillard y van Hengel (1984).
15.2.2 Comparación de esquemas de cocimiento
En resumen el esquema de dos cocimientos es adecuado para procesar meladuras de baja pureza (<82). El esquema de tres etapas de cocimiento es el más común para la producción de azúcar en el rango de 98 a 99 °Z y requiere la menor capacidad de equipos pero necesita un cuidadoso control de las purezas para lograr una pureza de la masa C suficientemente baja que facilite el buen agotamiento de mieles. El sistema doble Einwurf simplifica las operaciones y permite producir azúcar de mejor calidad y lograr mejores agotamientos de las mieles. El sistema VHP se usa cuando se quiere producir azúcar de la mejor calidad; este requiere una mayor capacidad de equipos, pero es fácil de operar logrando azúcar de buena calidad y mieles de baja pureza. Se requiere también más vapor, pero en términos generales para lograr mejor calidad del azúcar es siempre necesaria mieles re-fundición y se tiene mayor consumo de vapor.
15.2.3 Cálculos y balances de la estación de cocimientos Para determinar la cantidad de masa cocida de los diferentes grados y los requerimientos de vapor es esencial contar con un balance de la estación de conocimientos. Algunos cálculos básicos son utilizados para efectuar estos balances. Todos estos cálculos asumen que no hay perdidas de sacarosa en el
proceso.
Formula SJM. Esta es útil para calcular el recobrado de sacarosa. Sc parte de 1 kg de solidos disueltos en el jugo/meladura de pureza P que resultan en aplicar de pureza Ps y miel de pureza
Se asigna A' kg a los sólidos recuperados en el azúcar.por lo tanto corresponde a los sólidos en las mieles y el balance de sacarosa será:
(formula)
El recobrado de sólidos en azúcar expresado en % es:
(formula)
El recobrado de sacarosa RS en % es:
(formula)
Esta es la formula SJM. Una forma más familiar de la ecuación representa las purezas con los subíndices donde es fácil observar porque se denomina a esta relación como la formula SJM:
(formula)
Para que esta relación sea precisa, es necesario utilizar purezas reales. En la mayoría de casos en ausencia de purezas reales se recurre a utilizar purezas aparentes.
Diagrama de Cobenze. Este método permite calcular cantidades relativas de solidos disueltos en mezclas. Está basado en los balances de masa presentados anteriormente, específicamente en la relación para recobrado de sólidos ecuación (15.25).
Frecuénteme se esquematiza como se presenta a continuación, representando el hecho de que las relaciones entre sólidos en azúcar, sólidos en mieles y sólidos en juego están dados por la relación entre
Frecuentemente se utiliza para calcular las cantidades relativas entre dos corrientes, como es el caso de semilla y mieles, que son requeridas para lograr una pureza predeterminada de la mezcla por ejemplo, las cantidades relativas de una semilla de pureza 65 y mieles de pureza 50 que son requeridas para producir una masa cocida de pureza
55 pueden ser calculadas como se presenta a continuación.
Contenido de cristal en la masa cocida. El grado de cristalización logrado en cada etapa de conocimiento se expresa comúnmente en términos del contenido de cristal en la masa cocida. Este se calcula de acuerdo con las ecuaciones (15.22) y (15.23) que relacionan la pureza de las mieles con la pureza de la masa cocida. Las implicaciones del contenido de cristal y su relación con el agotamiento se discutirán en la Sección 15.5.5.
Balances de masa de la estación de conocimientos. El procedimiento para este cálculo ha sido descrito por van der Pod el al. (1998:1063) y Birkett (1978). Una metodología para el balance lambien se puede encontraren Bubnik el al. (1995:336). La mayoría de procedimientos de cálculo requiere especificar el contenido de solidos disueltos y la pureza de meladura azucares A. B y C, y masas cocidas B y C además del contenido de solidos disueltos en la masa cocida A.
Adicionalmente se deben especificar también las purezas de las mieles, o alternativamente el agotamiento o contenido de cristal de cada masa cocida. Estos cálculos asumen que no se presentan perdidas de sacarosa químicas o físicas y que no se pierden o forman componentes de no-sacarosas.
El punto de partida es el uso de la formula SJM para calcular las cantidades de azúcar producida y de miel C. Entonces, la cantidad de masa cocida C puede ser calculada. Dependiendo del esquema utilizando los cálculos son ligeramente distintos a partir de este punto. Las hojas de cálculo son muy apropia-das para manejar este tipo de operaciones.
Una comparación de las cantidades de masa cocida obtenidas con los diferentes esquemas de conocimiento se presenta en la labia 15.3. Para propósito de comparación es necesario reducir a algunas suposiciones. Así se asume que en todos los casos se produce azúcar codo de igual calidad con 99 “Z” también se asume que las purezas de la masa cocida C, el azúcar C y la miel C son las mismas en todos los casos. El agotamiento alcanzado en los conocimientos A y B se define por el contenido de cristal, que es relacionado con la pureza de la masa cocida usando la siguiente relación:
(formula)
hecho de que con mayor pureza de la masa cocida se hace posible obtener mejores agotamientos. En el caso del esquema de dos etapas de conocimiento la pureza de la masa cocida A tiene que ser reducida para lograr la pureza de miel C requerida; la pureza requerida se calcula utilizando esta ecuación.
La cantidad producida de masa cocida C es igual en todos los casos debido a las purezas especificadas. El sistema de tres conocimientos produce la menor cantidad dc masa A + B. seguido de cerca por el sistema de dos conocimientos. El sistema VHP produce aproximadamente 20 % más que el sistema convencional de tres etapas. El sistema doble Einwurf presenta un incremento de 38 % en la cantidad de masa cocida; sin embargo este valor es engañoso, pues tanto los cocimientos de A como de B comienzan con un pie de templa bastante desarrollado que representa una fracción significativa (-25 %) de la tasa cocida producida.
Para propósitos de comparación algunos parámetros de la Tabla 15.3 se han mantenido iguales. En la práctica, las purezas de la tasa cocida C y el azúcar C serán normalmente mayores con los esquemas de dos y tres etapas de cocimiento, mientras que se menores para el caso del esquema VHP. Adicionalmente, los casos VHP y Doble Einwurf producirían seguramente azúcar de mayor pureza.
significativamente por la pureza de la meladura que alimenta a la estación de cocimientos. La Fig. 15.10 ilustra el efecto sobre la cantidad de tasa conocida con los diferentes esquemas de cocimiento
15.2.4 Efecto de las diferencias entre pol-sacarosa y entre Brix-solidos disueltos
Los resultados de los balances de masa son afectados por la precisión de las mediciones. Los balances asumen el empleo de datos reales de materia seca, solidos disueltos y sacarosa. Estas cifras generalmente no están disponibles y en su lugar se emplean RDS (Brix) y pol. Esto conduce a diferencias apreciables, particularmente en los materiales finales de menor pureza. En caso de utilizarse mediciones de Brix con aguja, los resultados pueden resultar siendo irrelevantes.
se puede efectuar una estimación de los sólidos reales y el contenido de sacarosa con las siguientes ecuaciones:
(formula)
La ecuaci6n (15.29) fue propuesta por Love (2002a) y la ecuación (15.30) se deriva de datos obtenidos por el Instituto de Azúcar Audubon.
15.2.5 Efecto en el color del azúcar
Es posible incluir al color en el balance de los cocimientos, siempre que se conozcan o puedan asumir los factores de transferencia o partición de color para cada etapa de cocimiento. Un ejemplo de estos cálculos es presentado por Wright (1996). En términos generales, los resultados muestran que el color del azúcar se puede reducir mediante el incremento de refundición de azúcar, lo cual a su vez requiere una mayor capacidad en la estación de tachos e incrementa el consumo de vapor. Wright demostró que el sistema VHP puede producir azúcar con un color 3.5 % por debajo del sistema convencional de tres cocimientos para azúcar de la misma pureza bajo condiciones Australianas. En la práctica el sistema VHP permite obtener azúcar de mayor pol y con una reducción significativa de color.
El color del azúcar es en gran parte función del color de la meladura a partir de la cual se cristaliza, aunque el
proceso de cristalización realizado y las características de circulación de los tachos tienen también un efecto importante pero menos significativo. El color está determinado por la cantidad de película de miel que queda sobre los cristales (Sección 23.1.6). La intensidad del lavado de azúcar en las centrifugas tiene un gran efecto sobre esta película, que se puede remover mediante afinación. El color de los cristales afinados usualmente se encuentra en el rango de 0.025 a 0.05 veces el color del licor madre, pero dependiendo de la masa cocida y las purezas del azúcar, el color total del azúcar tiende a estar entre 0.05 y 0.15 veces el color de la masa cocida. Se ha dado a conocer que la transferencia de color a los cristales de azúcar es mucho menor en fábricas que utilizan sulfitación.
15.2.6 Efecto del agotamiento de la masa cocida y el rendimiento de cristales
El agotamiento que se logra en los cocimientos de alta pureza, particularmente el de masa A, tiene un efecto sustancial sobre la cantidad total de masas cocidas. Es importante obtener el máximo agotamiento, que se logra al tener el máximo contenido posible de cristales en el primer cocimiento. El efecto del contenido de cristales en la masa cocida.
A sobre la cantidad de masa cocida A se ilustra en la Figura 15.1 I.
El efecto del agotamiento de la masa cocida B es mucho menor que el efecto del agotamiento A. pero es aún importante. Un elevado agotamiento no solo 1 leva a menores cantidades de masa cocida y por consiguiente menores requerimientos de capacidad en los lachos, sino que también conduce a menor recirculación y por lo tanto menor degradación y perdidas de sacarosa durante los conocimientos.
15.2.7 Factores que afectan la cantidad de masa cocida C Existen únicamente tres factores que influencian la cantidad de masa cocida C a ser procesada:
1. El más significativo es la pureza de la meladura suministrada a la estación de evapo - cristalizadores: la cantidad de masa cocida C es directamente proporcional a la carga de impurezas es decir a (100- P) Este efecto puede ser observado en la Figura 15.10. 2. El segundo factor más significativo es la pureza de
la misma masa cocida C; una menor pureza de la masa C conduce a menor cantidad de la misma. Esto puede observarse en la Figura 15.12 para las condiciones que se asumen en la Tabla 15.3.
3. La cantidad de masa cocida C es afectada en menor grado por la pureza del azúcar C que se recicla a los
conocimientos de alta pureza. Esto también puede ser apreciado en la Figura 15.12.
La cantidad de masa cocida C no es influenciada por el esquema de conocimientos empleado excepto por el hecho de que los esquemas de tres conocimientos no siempre pueden lograr una pureza de la masa cocida B suficientemente baja, lo cual afecta el límite hasta el cual se puede reducir la pureza de la masa cocida C. La cantidad de masa C puede ser sin embargo afectada por la formación de no-sacarosas en la casa de conocimientos, con lo cual se incrementa la carga efectiva de impurezas.
15.2.8 Capacidad y requerimientos de vapor
La capacidad nominal de diseño requerida en los evapo -cristalizadores se puede calcular a partir de las calidades de masa cocida esperadas y la duración de los cocimientos. Es importante tener en cuenta posibles variaciones en la pureza de la meladura durante la zafra, dado que esto puede tener un efecto sustancial sobre las cantidades de masa cocida como lo presenta la Figura 15.10.
Una vez que las cantidades y los contenidos de solidos disueltos de las masas cocidas y de la relación meladura/mieles alimentadas se hayan establecido el cálculo tie la cantidad teórica de vapor requerida es relativamente sencillo. En la práctica un factor de tachos entre 1.15 y 1.3 se aplica a la evaporaci6n calculada para tener en cuenta pérdidas de vapor y de calor, adiciones de vapor a tanques de acondiciona-miento de mieles soplado de los tachos y conductos, y la adición de vapor en las centrifugas. Un valor de 1.3 aplicado a la cantidad de vapor brinda una estimación conservadora. Para los conocimientos de alta pureza se pueden utilizar menores valores.
Los requerimientos de vapor para los cuatro diferentes esquemas de cocimiento que se presentan .MI la Tabla 15.3 se han calculado utilizando un factor de tachos de 1.25 para todos los cocimientos y los resultados se presentan en la labia 15.4.
Dado que la cantidad de vapor requerido es esencialmente proporcional a la cantidad de masa cocida a procesar todos los factores discutidos anteriormente que afecta la cantidad de masa cocida afectan también a la demanda de vapor. Los requerimientos de vapor pueden ser reducidos limitando la cantidad de agua utilizada en la casa de conocimientos para el movimiento en tachos en las centrifugas y en la dilución
de mieles.
15.3 Evapo-cristalizadores discontinuos 15.3.1 Tipos de evapo-cristalizadores
A través del tiempo se han empleado muchos I pos de evapo-cristalizadores discontinuos, partiendo del diseño original introducido por Howard en 1813. Estos han evolucionado con el tiempo gracias a una combinación de experiencia sentido común y ciencia hasta llegar a una geometría básica relativamente estándar, con forma cilíndrica vertical, que utiliza calandrias de tubos verticales, donde vapor o escape se condensa sobre la superficie externa de los tubo Varias geometrías y tipos de evapo - cristalización utilizados en el pasado han sido descritos por Tromp (1936) y Hugot (1986)Los tachos que se utilizan en la actualidad son caracterizados de acuerdo a su forma; las variaciones encontradas generalmente en las fábricas de azúcar de caña se encuentran cubiertas en los esquemas presentados en la Figura 15.1 3.
La característica más distintiva de los evapo - cristalizadores es la calandria. El diseño más común incorpora una calandria con placas de tubos horizontales. Normalmente se utiliza un único conducto de descenso o "tubo central rodeado por tubos verticales lo que constituye un diseño efectivo de construcción simple y baja demanda de
manteniendo el diámetro del conducto de descenso es de 30 a 50 % del diámetro de la calandria, usualmente alrededor de 40 % en tachos de circulación natural, mientras que tubos de descenso más pequeños pueden ser utilizados en tachos con circulación forzada.
Algunos diseños antiguos de evapo-cristalizadores utilizan placas de calandria inclinadas con pendientes entre 10° y 25º respecto a la horizontal. Esto implica mayores costos de construcción. La placa de tubos superior es horizontal en algunos casos.
Los tachos tie calandria flotante cuentan con el conducto de descenso localizado sobre la región anular externa. A pesar tie que estos se desarrollaron con la intención de mejorar las características de circulación, mediciones basadas en el uso de radioisótopos trazadores demostraron que el tubo de descenso central convencional se desempeña mejor {Wright
1966).
Se ha venido presentado una tendencia de diseño de tachos con baja cabeza de masa cocida para mejorar la circulación. Los tachos de baja cabeza son particularmente valiosos para el conocimiento de las masas cocidas más viscosas tie baja pureza.
Algunos diseñadores han adoptado un ensanchamiento cónico del cuerpo del tacho por encima de la calandria buscando incrementar la capacidad del equipo sin aumentar la altura de la templa. Además de brindar una baja relación entre el volumen del pie de templa y el volumen final. Sin embargo. estos tachos cónicos fueron desacreditados debido a presentar efectos negativos sobre la circulación (van der Poel et at. 1998:783-784). Esto ha sido confirmado mediante modelamiento computacional (Rein et al. 2004). Tippens (1972) demostró que los tachos de pared plana se desempeñan mejor que los tachos conucos mientras que es aún posible lograr una relación aceptable entre volumen final por debajo de 0.33.
La forma del fondo del lacho debe promover una distribución uniforme de la masa cocida por debajo tie la calandria sin restringir la circulación o generar áreas de estancamiento, además de permitir la descarga de la templa en un tiempo aceptable. El diseño con fondo en forma de "W" se ha hecho muy popular particularmente para los tachos más grandes.
Este fondo permite mantener un bajo volumen del pie de templa mientras que es posible lograr una buena circulación y tiempos de conocimiento razonables.
15.3.2 Circulación en evapo-cristalizadores
La velocidad con la cual la masa cocida circula dentro de los evapo-crislalizadores es de vital importancia dado que la mayoría de tachos dependen de un mecanismo de circulación natural, la circulación y la transferencia de calor se encuentran Fuertemente ligadas. La diferencia de densidad entre el vapor y la masa cocida suministra la fuerza motriz para el movimiento de la masa cocida. Una generación intensa de vapor incrementa la fuerza motriz y el balance entre la fuerza de flotación y la resistencia por Fricción determinan la circulación en el lacho. Una baja resistencia al flujo tie masa cocida conduce a mayores velocidades de circulación y buenas tasas de transferencia de calor, lo cual promueve la circulación. Por lo tanto la transferencia de calor se encuentra fuertemente interrelacionada con la velocidad del flujo o circulación. Una buena circulación de la masa cocida ayuda a obtener condiciones uniformes dentro del tacho, requerimiento que es vital para lograr buenas condiciones de cristalización. El lograr satisfacer los tres objetivos es decir buena circulación elevadas tasas de transferencia de calor y
condiciones uniformes de la masa cocida, es posible a naves de un buen diseño y la selección apropiada de la geometría del lacho. Como en cualquier diseño, es necesario cierto compromiso para lograr obtener un desempeño satisfactorio sin costos excesivos de los equipos. En términos generales. La circulación es favorecida por los diseños de tachos que incorporan tubos cortos y tie diámetro grande con baja altura de masa sobre la calandria y un conducto de descenso tie diámetro grande.
Valores recomendables para las variables de diseño se discuten en la siguiente sección. Algunos aspectos básicos que afectan la circulación y necesitan consideración son:
• Los espacios para flujo de masa cocida deben estar limpios y libres de obstrucciones. Los arreglos tipo persiana escalonada así como otros accesorios de hierro instalados dentro del tacho o cualquier pieza metálica innecesaria en contacto con la masa cocida deben ser removidos.
• Los gases incondensables deben ser ventilados en el diámetro externo de la calandria nunca a través de la masa cocida.
• Similarmente, las descargas dc condensado deben ser posicionadas sobre la periferia del lacho. y no partiendo de la placa inferior de tubos y atravesando
la masa cocida.
• El sistema tie alimentación de meladura o miel debe también constituir una obstrucción mínima para la circulaci6n de la masa cocida. La alimentación debe introducirse a través de la periferia del tacho por debajo de la calandria o a través de tuberías o conductos de tamaño mínimo sobre el fondo del tacho.
• Si la alimentación es acondicionada y se encuentra a mayor temperatura que la masa cocida hirviente la alimentación debería descargarse por debajo de la calandria de manera que la generación de vapor instantánea (Hash) ayude a la circulación.
• El ensanchamiento cónico del tacho por encima de la calandria tiene un efecto negativo sobre la circulación. Los antiguos tachos de diseño cónico pueden ser convenidos a tachos de pared cilíndrica plana mediante el incremento del diámetro de la calandria. En un caso de estos el volumen del tacho se incrementó en 25 % y la superficie de transferencia en 52 %. conduciendo a un incremento significativo del desempeño del tacho {Bergeron y Carline 2004).
• La circulación puede ser asistida mediante la instalación de un agitador o impulsor en el tubo de descenso o mediante el uso de un anillo burbujeador de
vapor (jigger) para promover la circulación (Sección 15.3.6).
15.3.3 Diseño de evapo-cristalizadores discontinuos
La calandria es esencialmente un calentador de carcasa y tubos. El área de transferencia de calor expresada por unidad de volumen de masa cocida normalmente esta entre 5 y 6 m2/m3. Este parámetro puede ser tan bajo como 4.5 para tachos de baja pureza pero para los tachos de alta pureza donde las tasas de evaporación son mayores, se puede incrementar hasta 9 m2/m3. A pesar de que varias alternativas de diseño de calandria son ilustradas en la Figure 15.13 solamente la calandria de placas horizontales y con tubo de descenso central será discutida aquí, dado que es considerada la línea alternativa viable. Algunos de los diseños más recientes son presentados en la Figure 15.14 (ver próxima página).
Tubos. (generalmente los tubos son de 100 mm de diámetro y se instalan con un arreglo de paso triangular 120 mm. Algunos diseños han utilizado menores pasos alrededor de 115 mm, en un intento por incremental la densidad de área de intercambio. El diámetro de los tubos puede ser más grande para los conocimientos de baja pureza y más pequeño para los conocimientos de las masas cocidas de alta pureza: sin
embargo, incluso para los tachos de refinería se considera que tubos con diámetros < 100 mm afectan la circulación adversamente (Tippens 1972). Los tubos por encima de este tamaño presentan menor resistencia y favorecen la circulación pero la menor relación entre área/volumen es desfavorable y el volumen del pie de templa se incrementa consecuentemente (Rouillard 1985). Tubos con longitudes entre 900 y 1500 mm han sido utilizados en el pasado pero actualmente los tachos se diseñan con tubos de longitud entre 600 y 1200 mm. Los tubos más cortos se seleccionan para los tachos de baja pureza mientras que tubos más largos son elegidos para los tachos de alta pureza o cuando se cuenta con un impulsor de alimentación forzada. Los tubos cortos brindan mejores coeficientes de transferencia de calor y probablemente no existe justificación para usar tubos cuya longitud exceda 900 mm. Los tubos son casi universalmente de acero inoxidable. Típicamente de calibre 16 y grado 304 o 430.
Un diseño diferente de calandria y tubos es ofrecido por Buckau-Woir (BWS). Los extremos de los tubos se fabrican con diseño de sección en forma de panal de abejas y se sueldan junios formando la placa de tubos. Este arreglo permite posicionar a los tubos más cercanos entre sí que en las calandrias convencionales.
