MARCO TEORICO
1. PRODUCCION DE AZUCAR
El azúcar puede obtenerse principalmente a partir de la caña de azúcar, la remolacha azucarera y en menor proporción del maíz.
El azúcar de caña es el azúcar producido a partir de la caña de azúcar. El proceso de fabricación de azúcar refinado de alta pureza de la caña de azúcar utiliza procesos físico-químicos naturales para quitar las impurezas.
2. PRODUCCIÓN DE AZUCAR CRUDO DE CAÑA
El proceso de fabricación consta de los siguientes procesos: 2.1 EXTRACCION
La caña es sometida a un proceso de preparación que consiste en romper las celdas de los tallos. Luego unas bandas transportadoras la conducen a los molinos, donde se realiza el proceso de extracción de la sacarosa.
El bagazo sale del último molino hacia las chimeneas, para usarlo como combustible, o al depósito de bagazo, de donde se despacha para usarlo como materia prima en la elaboración de papel.
2.1.1 PREPARACION DE LA CAÑA
El proceso de reducir la caña alimentada al molino hasta partículas de menor tamaño, adecuadas para el proceso de extracción, se denomina preparación de la caña. La reducción de tamaño es conseguida generalmente con el uso de picadoras o cuchillas rotativas localizadas sobre el sistema de conductores de caña y/o el paso de la caña por una desfibradora con martillos basculantes. La eficiencia y la capacidad de la planta de extracción dependen considerablemente de la preparación de la caña.
El equipo de preparación de caña puede representar más del 25% de la demanda total de potencia en una fábrica. El tipo de accionamiento empleado y la eficiencia con la cual la potencia es utilizada son por lo tanto muy importantes.
En conductores de tallos enteros de caña normalmente se instala un nivelador antes de cualquier equipo de preparación para lograr una alimentación uniforme a las picadoras. Con trozos de caña cosechada mecánicamente esto usualmente no es necesario debido a que la manipulación de trozos facilita lograr un nivel uniforme en los conductores alimentadores en forma consistente.
2.1.1.1 NIVELADORAS
Los niveladores de caña se emplean sobre el conductor principal de caña con el objetivo de obtener una altura estable del colchón de caña que alimenta alas picadores o a la desfibradora. Los niveladores regularizan la carga sobre los equipos de preparación subsecuentes y ayudan a reducir la incidencia de atoramientos. Típicamente los niveladores operan a velocidades relativamente bajas y con una altura de 500 a 1500 mm sobre el conductor. Las cuchillas niveladoras efectúan un mínimo trabajo de preparación y los
requerimientos de potencia son bajos. El motor generalmente tiene que ser dimensionado para hacer frente, ocasionalmente a grandes montones de caña que de otro modo causarían un atoramiento en las picadoras, pero el consumo promedio de potencia es pequeño
2.1.1.2 PICADORAS
Las instalaciones de picadoras para tallos enteros de caña generalmente consisten de una o dos picadoras que se encuentran precedidas por un nivelador. Normalmente las maquinas picadoras utilizan cuchillas rectas y con menor frecuencia cuchillas curvadas.
La acción de las cuchillas es cortar la caña en trozos más pequeños, dejando una gran proporción de celdas sin romper.
2.1.1.3 DESFIBRADORAS
Las desfibradoras actúan de una manera algo distinta a las picadoras. Martillos basculantes rotan montados sobre un rotor entre 1000 y 1200 min-1, describiendo diámetros de barrido en el rango de 1,4 hasta por encima de 1,9 m, lo que resulta en velocidades periféricas de las puntas de aproximadamente 100 m/s, con un rango entre 65 y 110 m/s.
Dado que el tipo de preparación optima es más fácil de lograr con una desfibradora que con máquinas picadoras, existe una tendencia global hacia más desfibrado y menos picado. Una sola desfibradora de trabajo pesado con caña trozada puede lograr el grado de preparación requerido y permite tener una estación de preparación más simple.
2.1.2 MOLIENDA DE CAÑA
El objetivo de la molienda de caña es separar al jugo que contiene sacarosa del resto de la caña, constituido principalmente por fibra. El termino extracción se utiliza para expresar el porcentaje de sacarosa que ha sido extraído de la caña en los molinos y es igual a la sacarosa en el jugo crudo o diluido, expresada como porcentaje de la sacarosa en caña.
Se puede asumir que la caña está conformada por tres componentes, cada uno con dos subcomponentes:
Fibra
Consiste de fibra vegetal y materia insoluble que no es fibrosa pero está incluida en la “fibra”.
Solidos disueltos
También conocidos como Brix, consiste en Sacarosa, no-sacarosa también llamado no-azucares o no-pol.
Agua
Consiste de agua “disponible” (el solvente en que sacarosa y no sacarosas están disueltas) y agua libre de Brix.
En los molinos la caña es exprimida utilizando elevadas presiones entre pares de mazas o rodillos consecutivos. Estos están diseñados para extraer tanto jugo como
sea posible de la fibra insoluble. El residuo de la caña después de que se ha extraído al jugo se denomina bagazo.
2.1.2.1 MOLINOS
Son estructuras compuestas por Vírgenes (bases metálicas que brindan el soporte a los ejes que mueven las mazas). Cada molino posee 3 mazas. Los molinos se colocan de forma tal que la fibra que sale de un molino sea acarreada por un conductor intermedio y entre a un siguiente molino, de esta manera se logra extraer la mayor cantidad de sacarosa que contiene la fibra. Estos arreglos de molinos se conocen como Tándem de Molinos.
CUREÑA (VIRGEN)
El propósito de las cureñas es mantener a los componentes activos del molino (particularmente a las mazas) en una orientación deseada. Esta orientación requiere ser flexible para permitir diferentes tamaños de maza y ajustes de las aberturas.
El molino básico está constituido de tres mazas: la maza superior, que debe ser capaz de “flotar” hacia arriba durante una operación) y las mazas cañera y bagacera que deben ser ajustables hacia los costados.
MAZAS
Son cilindros acanalados construidos de hierro fundido y acero con un peso de aproximadamente 10 toneladas. La compresión de la caña se da por el propio peso de las masas y por la presión que ejerce un pistón sobre la masa superior, la cual varía de 1800 psi en el primer molino hasta 3200 psi en el quinto molino. La apertura entre las masas se regula de modo que la salida sea menor que la entrada. Las aperturas en los diferentes molinos se calculan a partir de diversas variables como lo son: cantidad de caña molida por hora, porcentaje de fibra de caña, cantidad de agua de imbibición, tamaño de molinos, entre otros. Este cálculo es conocido como “Setting de Molinos”. CUCHILLAS MESSCHAERT
El propósito de estas cuchillas es el de mantener limpias las ranuras Messchaert, los que son canales de drenaje en la raíz de las ranuras normales de la maza cañera.
VIRADOR (CUCHILLA) Y RASPADORES
El propósito del virador es dirigir la caña o el bagazo desde la abertura de trabajo de la maza cañera hacia la abertura de la maza bagacera para su siguiente compresión y extracción.
Los raspadores son utilizados a la salida del molino para desprender el bagazo de las mazas superior y bagacera.
2.1.2.2 MACERACION
Este es un proceso que se aplica en paralelo a la imbibición y que tiene la misma finalidad (aumentar la extracción). Consiste en remojar el bagazo con el jugo diluido producto de la imbibición. El jugo extraído por un molino se aplica a la entrada del molino anterior. En un tándem de 5 molinos se aplica maceración al segundo, tercero y cuarto molino, e imbibición al quinto molino.
2.1.2.3 IMBIBICION
Para mejorar la extracción de sacarosa, se aplica agua de imbibición. Este proceso consiste en agregar agua al bagazo antes de su paso por el molino final. La imbibición aumenta la extracción de sacarosa en aproximadamente un 15%.
La adición de un porcentaje de agua de imbibición delante de cada unidad de molienda es a veces denominada “imbibición simple”. La diferencia de Brix entre la imbibición y el jugo en el bagazo alimentado se maximiza con esta práctica, pero la cantidad de agua que puede aplicarse por etapa de extracción es restringida severamente. Por esta razón, la gran mayoría de fábricas aplica toda la imbibición adelante del último molino. Este sistema se conoce como “imbibición compuesta”.
El jugo de la caña es tratado químicamente tanto para regular el color final del azúcar como para favorecer el proceso de clarificación (separación de impurezas). En la molienda se le agrega ácido fosfórico al jugo con el fin de que este funcione como puente y propicie la reacción entre la materia orgánica y el floculante, que se agrega en una etapa posterior.
Este jugo tratado químicamente recibe el nombre de jugo mixto. 2.1.2.5 FILTRACION
El jugo extraído en la molienda contiene mucho bagazo en suspensión, conocido generalmente como bagacillo o cush-cush. Para eliminar este bagacillo los jugos se pasan primero por filtros perforados con agujeros de 1 mm de diámetro. La forma más común consiste en filtros horizontales fijos. Al pasar por el filtro el jugo se deposita en un tranque en tanto que el bagacillo que ha sido separado se recoge por medio de un conductor de raspador que lleva el bagacillo de nuevo a los molinos.
2.1.3 MEDICION DE MOLIENDA DE CAÑA
Para propósitos de control de eficiencia de la fábrica, es necesario medir la cantidad de sacarosa que ingresa en el sistema, permitiendo efectuar una estimación del azúcar recobrado y de las perdidas. Dado que en las fábricas de azúcar las pérdidas de incluso fracciones de un punto porcentual tienen vastas consecuencias financieras, esta medición tiene que ser muy precisa. Debido a esto es común utilizar basculas discontinuas (batch) para medir la masa del jugo crudo producido, dado que los otros dispositivos de medición no logran aproximarse en precisión.
2.1.3.1 BASCULAS DISCONTINUAS
Consisten de un tanque de suministro situado por encima de una tolva pesadora, la cual acepta “baches” de jugo y registra el peso de cada uno antes de descargarlo. La tolva pesadora se “tara” antes de recibir cada bache. Los sistemas antiguos incorporaban dispositivos mecánicos/hidráulicos para el pesaje y control del flujo de jugo.
Subsecuentemente estas han sido reemplazadas por sistemas de celdas de carga. La tolva pesadora se soporta sobre tres o cuatro celdas de carga que registran el peso. Se ha adoptado el uso de válvulas de mariposa con acción de cierre rápido, lo cual ha permitido agilizar la operación de las básculas. La tolva pesadora puede tener una capacidad entre 2 y 7 T y en general el tanque de suministro es aproximadamente del mismo tamaño. Por otro lado, el tanque recibidor de jugo crudo es deseable mantener una retención mínima del jugo crudo, pues esto brinda una oportunidad para que ocurran perdidas microbiológicas de azúcar. Sin embargo, para poder obtener un flujo de jugo a los clarificadores suficientemente estable, es necesario contar con cierto
volumen mínimo de capacidad amortiguadora en forma de un tanque de jugo crudo. El tanque sirve además para suavizar los picos transitorios de flujo que ocurren en el sistema por la descarga de las básculas discontinuas.
2.2 CLARIFICACION 2.2.1 OBJETIVOS
Los principales objetivos de la clarificación de jugo son:
Formar flocs que atrapan toda la materia suspendida que así puede sedimentarse a una velocidad satisfactoria.
Proporcionar las condiciones de temperatura, pH y concentración de iones que maximizan la precipitación de impurezas solidas del jugo.
Producir jugo clarificado de buena calidad, con mínima turbiedad, mínimo color y bajo contenido de calcio.
Producir un lodo sedimentado que sea apto para su posterior procesamiento. Efectuar todo lo anterior al menos costo posible, con mínimo tiempo de
residencia, mínima perdida de sacarosa (por inversión y otros mecanismos) y mínima formación de color en el jugo.
Obtener jugo clarificado con un pH que minimice la inversión en la subsecuente operación de evaporación.
2.2.2 PROCESOS FISICOS Y QUIMICOS
De los muchos procesos que se han ensayado en la purificación del jugo de caña de azúcar solamente unos pocos han logrado algún nivel de importancia en aplicaciones industriales.
El tratamiento utilizando cal en solución con agua o con jugo/meladura (sacarato) continúa siendo el método básico de clarificación, normalmente denominado defecación.
La cal ha sido la sustancia química usada universalmente para neutralizar la acides del jugo, mientras que el proceso varia en el método y la temperatura de adición.
Las variaciones respecto al proceso de defecación simple han buscado reducir el color y la turbiedad del jugo clarificado, entre ellos se incluyen:
SULFITACION
Esta combina el tratamiento con ácido sulfuroso (a partir del gas SO2) y con soluciones de cal. La sulfatación puede ser realizada sobre jugo frio o caliente, así como también sobre meladura de los evaporadores (doble sulfatación).
FOSFATACION
Pequeñas cantidades de fosfato soluble pueden añadirse a los jugos para mejorar la defecación simple. La adición de grandes cantidades se conoce con el distintivo de “fosfatación”. La técnica de fosfatación se utiliza principalmente para la clarificación de jarabes en fábricas de crudo y refinerías.
CARBONATACION
El tratamiento del jugo encalado con dióxido de carbono, seguido de una aplicación adicional de cal para neutralizar, se conoce como “carbonatación”. Actualmente este proceso se utiliza solo en raras ocasiones para la clarificación de jugo, pero continúa siendo un proceso básico en la clarificación y decoloración de jarabes de refinerías.
2.2.3 VARIANTES DE LOS PROCEDIMIENTOS
Existen muchas variantes del proceso simple de defecación que son empleadas en las diferentes industrias de caña de azúcar. Frecuentemente se utilizan soluciones de sacarato de cal en lugar de la lechada de cal. Los procedimientos de defecación más utilizados son los siguientes:
ENCALADO EN FRIO
El jugo mezclado que proviene de los molinos tiene generalmente un pH alrededor de 5.5. Usualmente se encala hasta pH 7.2 pero puede este ser elevado a valores tan altos como 8.3. Posteriormente es bombeado a los calentadores para elevar su temperatura ligeramente por encima del punto de ebullición, es decir hasta 102 °C como mínimo. Al salir de los calentadores, el jugo pasa a un tanque flash y retorna a su correspondiente punto de ebullición mediante evaporación instantánea con liberación de vapor a la atmosfera. El jugo pasa entonces inmediatamente al clarificador continuo, donde el pH cae normalmente hasta un valor en el rango de 6.8 – 7.2. El encalado en frio es suficiente para el tratamiento de cañas nobles y la manufactura de azúcar crudo. Los clarificadores generan una cantidad despreciable de espuma
ENCALADO INTERMEDIO
La primera aplicación de cal se efectúa a continuación del tanque intermedio a ~75°C, en el “ojo” De las bombas del calentamiento secundario. El valor objetivo de control se ajusta alrededor de 0.2 a 0.3 unidades de pH por encima del valor deseado de pH en el jugo clarificado. El floculante se adiciona en las bandejas de alimentación de los clarificadores.
Durante este proceso se presenta sin lugar a duda cierta degradación de sacarosa por el calentamiento y la actividad de la invertasa, pero es difícil de cuantificar y se cree que los beneficios de la modificación en el clarificado superan a su desventaja.
ENCALADO EN CALIENTE
En este caso el sacarato de cal (o lechada de cal) se aplica justo antes del tanque flash. El valor objetivo de control se ajusta alrededor de 0.2 a 0.3 unidades de pH por encima del valor deseado de pH en el jugo clarificado. Lograr un buen control del pH es técnicamente más difícil con el encalado en caliente, pero se ha encontrado que se logra mejor calidad de jugo clarificado con la desventaja de lodos más voluminosos, particularmente cuando se adiciona sacarato.
ENCALADO FRACCIONADO
Este proceso es una variación del encalado en caliente donde aproximadamente 33% de la cantidad total de cal se aplica como preencalado del jugo frio y el restante 67% se aplica como una segunda adición en el tanque flash.
CLARIFICACION COMPUESTA
Esta variante involucra una separación del jugo en dos partes:
El jugo primario, o jugo obtenido con molienda en seco, suministrado por el primer molino; y el jugo secundario, que consiste en el jugo obtenido usando molienda con imbibición, suministrado generalmente por el segundo molino en el caso de imbibición compuesta.
Sin embargo, la desventaja de requerir sistemas de clarificación por duplicado conduce a que esta alternativa no haya sido adoptada en las fábricas.
2.2.4 SUMINISTRO Y MANIPULACION DE LA CAL 2.2.4.1 CALIDAD DE LA CAL
La calidad de la cal utilizada es importante, dado que una cal de baja calidad introducirá arena y partículas inquemadas e incrementara el contenido de cenizas del jugo. Una cal viva de buena calidad tendrá más de 90 g CaO/100 g cal disponible, además de no contener óxidos de hierro, aluminio o magnesio. Debe evitarse el empleo de cal que contenga más de 2g/100 g de MgO u óxidos de hierro y aluminio. Por otro lado hablando del hidróxido de calcio en polvo, se considera de buena calidad al tener aproximadamente 70% de Cao Total y menos de 1% de CaO no hidratado. Estas impurezas causan depósitos en los evaporadores mientras que la magnesia genera problemas durante la defecación.
2.2.4.2 APAGADO DE LA CAL
En encalado del jugo se realiza usando mezclas preparadas de lechada de cal o sacarato de calcio. Usualmente la lechada de cal se obtiene mezclando (“apagando”) cal pulverizada o terrones de cal viva con agua.
El apagador de cal suele ser un tambor de acero de bajo carbono que gira alrededor de 6 a 8 min-1 con filetes internos de acero formando un espiral que empuja a las partículas de cal desde el extremo de entrada hasta el lado de salida del tambor. El agua, preferiblemente condensados calientes, se adiciona frecuentemente de manera concurrente a la cal. La lechada de cal se pasa entonces por un clasificador donde arena y arenilla son removidas por un conductor de gusano inclinado o un mecanismo tipo rastrillo. La cal puede ser mezclada hasta un máximo de aproximadamente 15° Baumé y luego ser curada alrededor de 7 ° ó 8° Baumé, mientras que la del otro tanque es dosificada sobre el proceso. Se recomienda dejar la lechada en los tanques al menos 2 horas para asegurar un apagado completo de la cal antes de usar la solución en la clarificación.
2.2.4.3 LECHADA DE CAL Y SACARATO DE CAL
La composición de la mezcla de cal tiene un efecto significativo sobre la operación del sistema de clarificación. Con lechada de cal se producen flocs y lodos de mayor densidad, pero la turbiedad obtenida no es tan buena, mientras que las soluciones de sacarato preparadas utilizando jugo o meladura resultan en flocs más ligeros que se sedimentan con menor velocidad, pero la turbiedad es mejor. Para cada caso en particular la mezcla óptima que se ajusta a la capacidad del equipo debe ser encontrada mediante ensayo y error.
La reacción de la cal puede hacerse más rápida cuando se cuenta con un sistema de encalado con sacarato. La presencia de sacarosa produce un incremento apreciable en la solubilidad de la cal, que puede multiplicarse hasta por 100 veces. La solubilidad de cal en jugo incrementa con su contenido de sacarosa y decrece a medida que la temperatura aumenta. Las reacciones del sacarato en jugo son aún más rápidas y permiten obtener un mejor jugo clarificado. Otras ventajas del uso de sacarato de cal sobre la lechada de cal incluyen un mejor control de pH y mejor porosidad de la torta de filtros. Las ventajas se hacen más evidentes cuando las condiciones impiden obtener estándares de clarificación aceptables. Los beneficios son difíciles de cuantificar, particularmente cuando se miden solamente parámetros básicos de calidad. En la actualidad se utilizan ampliamente sistemas sofisticados para la preparación de sacarato con jugo o meladura. Un sistema en línea desarrollado para la preparación del sacarato de cal, está compuesto por una bomba peristáltica “de manguera” de velocidad variable (para lechada de cal), una bomba de capacidad progresiva de velocidad variable (para meladura), un mezclador en línea, un transmisor de presión, un electrodo de medición de pH y una válvula con control de posición. Un espiral de tubo PVC permite diferir en aproximadamente 30 s el tiempo entre el
mezclado del sacarato y su dosificación sobre el jugo a través de la válvula de control.
El lazo de control de presión mantiene una presión estable antes de la válvula dosificadora de sacarato variando la velocidad de la bomba de la lechada de cal, mientras que la velocidad de la bomba dosificadora de licor mantiene proporcional con respecto a la velocidad de la bomba peristáltica. El sistema llevo a un mejor control de pH, con reducción de la perdida de azúcar debida a degradación alcalina.
2.2.4.4 CONTROL DE pH
El pH final del jugo clarificado que se envía a los evaporadores es importante. De manera que cuando se requiere producir azúcar blanco es deseable tener un jugo ácido y el pH debe mantenerse en un rango de 6.4-6.6. Esto reduce el color del azúcar con el riesgo de una inversión significativa de sacarosa. A medida que el pH del producto de azúcar se reduce, la apariencia de color es menor. En caso de que se requiera producir únicamente azúcar crudo de buena calidad se puede permitir que el jugo se conserve ligeramente alcalino, con un pH entre 7.1 y 7.5. Esto minimiza la perdida de sacarosa por inversión, aunque el jugo alcalino reduce la velocidad de los tachos y dificulta la cristalización.
La medición del pH solía efectuarse manualmente utilizando papel indicador colorimétrico, pero en la actualidad se cuenta con sofisticados métodos electrónicos basados en electrodos de vidrio y de referencia que han sido suficientemente desarrollados como para permitir su adopción casi que universal en la medición de pH del jugo.
El control de pH se realiza casi siempre utilizando un lazo de control estándar donde la adición de cal es controlada con base en el pH del jugo encalado. La señal obtenida con el sensor de pH se usa para controlar el flujo de cal mediante un controlador y un actuador. El sensor de pH tiene que ser ubicado en un punto donde la cal y el jugo se encuentren mezclados apropiadamente, ni muy cerca ni muy lejos del punto donde la cal ha sido adicionada. Esto ayuda a prevenir cambios erráticos de pH en el jugo y permite lograr un mejor control de pH.
El control se divide en lazos de control abiertos y lazos cerrados.
En los lazos de control abierto la señal se obtiene a partir de variación en las principales variables que generan disturbios. En la clarificación de jugo las fluctuaciones en el flujo de jugo y la densidad de la lechada de cal son utilizadas para determinar el flujo de lechada de cal. Sin embargo, las rápidas variaciones en la capacidad amortiguadora de los jugos usualmente requiere el empleo de alguna forma de control cerrado para limitar el lazo abierto de aplicación.
En los lazos de control cerrado, el sistema compara la señal controlada frente a un valor deseado (setpoint) y genera una señal de control para el actuador. En los controles de pH del jugo un lazo de control cerrado se encarga de regular la válvula de adición de lechada de cal (o sacarato de cal). El sensor de pH envía una señal continua al controlador, que a su vez envía una señal al actuador para variar la adición de cal de acuerdo con la señal.
El controlador de lazo cerrado más importante es el controlador PID (proporcional, integral, diferencial). En un controlador PID la señal es igual a la suma de un término proporcional y uno integral y diferencial del error de control (diferencia entre la variable controlada y el valor deseado). El control del pH resulta ser mucho más fácil cuando la densidad de la mezcla de cal es constante y el flujo de jugo estable. Variaciones muy altas en el pH del jugo encalado pueden generar problemas por reacciones retardadas en el clarificador, causando floculación variable, incremento de la turbiedad del jugo clarificado y un aumento de incrustaciones en los evaporadores.
2.2.5 TANQUE FLASH
La dosificación de floculante diluido y madurado debe efectuarse sobre la línea de suministro de jugo inmediatamente a continuación del tanque flash (desaireador), y verificar la temperatura para asegurar que la mezcla aire/gases disueltos haya sido removido. Esto normalmente requiere llegar al menos 3°C por encima de la temperatura de ebullición del jugo (~103°C a nivel del mar) que entra en el tanque flash.
2.2.6 FLOCULANTE
Los floculantes usados más comúnmente para la clarificación de jugo, así como para el acondicionamiento de la alimentación de filtros, son compuestos de poliacrilamida parcialmente hidrolizados, los cuales son del tipo aniónico.
La floculación ha sido descrita como una reacción de dos etapas, donde el primer paso consiste en la captura de partículas individuales en micro-flocs, para luego en una segunda etapa ser aglomeradas formando macro-flocs que se pueden sedimentar relativamente rápido. Los floculantes son activos en el jugo a niveles entre 2 y 3 mg/kg jugo. Un uso excesivo de floculante puede causar baja filtrabilidad del azúcar.
Una adición pobre de floculante, un mal diseño del clarificador o un mal control del encalado pueden conducir a una turbiedad elevada.
2.2.6.1 PREPARACION
Los floculantes de poliacrilamida de alto peso molecular en forma de polvo necesitan ser disueltos homogéneamente antes de ser adicionados a un condensado que sea limpio y frio (<50°C). Las aguas crudas que contienen iones multivalentes Ca++, Fe++ y Al+++ son perjudiciales para la estabilidad del
floculante. Para contrarrestar reacciones de degradación se debe adicionar soda caustica o bicarbonato de sodio ajustando el pH hasta por encima de 9.0 En el tanque de dilución debe instalarse un agitador de aletas de baja velocidad o un anillo de tubo con orificios “generadores de burbujas de aire” alrededor de la base interna del tanque. El tanque debe ser fabricado de acero inoxidable o plástico. La dilución inicial no debe sobrepasar los 5 g/kg solución debido a que la viscosidad a mayores concentraciones es muy elevada.
La solución concentrada se debe alimentar por gravedad a un tanque de dilución más grande, también provista con un generador de burbujas de aire, para una posterior disolución hasta un rango de 0.5 a 1 g/kg de solución. El floculante se debe “madurar” alrededor de 2 horas antes de que pueda ser aplicado y deberá ser preparado continuamente en tandas que cubran no más de 8 horas de producción para evitar la degradación.
2.2.6.2 DOSIFICACION
La dosificación del floculante diluido y madurado se debe realizar en la línea de suministro de jugo inmediatamente después del tanque flash, tan cerca del punto de alimentación del clarificador como sea posible.
La dosificación se efectúa empleando una bomba dosificadora de cavidad progresiva, dado que las bombas centrifugas, de diafragma, peristálticas, e incluso de pistones, crean fuerzas cortantes suficientemente grandes para destruir la mayoría de las moléculas de floculante que han sido cuidadosamente preparadas. Físicamente estas son bastante largas y frágiles y deben ser protegidas.
2.2.7 CLARIFICADOR
Luego de que el jugo ha recibido el tratamiento deseado, debe dejarse decantar con el objetivo de separar al jugo clarificado de los precipitados que han sido formados. La decantación se realiza utilizando sedimentadores continuos o “clarificadores”.
En los clarificadores ocurren perdidas por inversión significativas, que se incrementan a valores bajos de pH y con mayores tiempos de residencia.
2.3 EVAPORACION
La evaporación es una operación esencial en todas las fábricas de azúcar, y es un factor que determina ampliamente la eficiencia energética. Esta operación incrementa la concentración del jugo clarificado hasta un contenido de solidos disueltos alrededor de 65 a 68%, lo cual la convierte en el principal consumidor de vapor. La configuración de la estación de evaporación determina la cantidad de vapor que la fábrica requiere, y por lo tanto el arreglo de los evaporadores es de gran importancia.
El uso de múltiples efectos de evaporación en serie hace posible reducir la demanda de vapor, por lo cual la mayor parte del agua es evaporada mediante este proceso. El máximo límite de concentración de la meladura se encuentra en las condiciones de saturación donde comienza la cristalización.
2.3.1 TEMPERATURAS Y PRESIONES
El vapor que se suministra a los evaporadores usualmente es vapor de escape, que generalmente se encuentra a presiones entre 180 a 250 kPa. Las temperaturas de saturación del vapor correspondientes son 117 °C y 127°C.
2.3.2 EVAPORADORES MULTIPLE EFECTO
Normalmente los evaporadores se configuran para que operen en un arreglo concurrente, es decir con los flujos de líquido y de vapor en la misma dirección. En otras industrias no es raro encontrar evaporadores que operan con arreglos de flujo en contracorriente o combinado. Existe una ventaja con los sistemas de flujo en contracorriente, debido a que resultan en una mayor concentración y el líquido de mayor viscosidad se evapora en el efecto más caliente. Sin embargo, para el procesamiento de azúcar el arreglo concurrente se prefiere debido a las siguientes razones:
La formación de color depende de la concentración y la temperatura. Para minimizar la formación de color, la corriente de mayor concentración se procesa a la menor temperatura.
Las pérdidas por degradación de sacarosa aumentan con el tiempo de residencia y la temperatura. Los tiempos de residencia de los sólidos disueltos son menores en los primeros efectos con el arreglo concurrente, limitando las pérdidas de sacarosa.
Con los sistemas concurrentes el jugo que sale de cada efecto tiene cierto sobrecalentamiento respecto al siguiente efecto. La evaporación instantánea por descomprensión “flash” al entrar en el siguiente efecto promueve efectivamente la circulación en los tubos, mejorando la tasa de transferencia de calor.
Por el contrario en los sistemas de flujo en contracorriente el líquido que entra a cada efecto se encuentra sub enfriado, de manera que parte del área de los tubos se utiliza ineficientemente calentando al líquido, lo que conduce a menores tasas globales de transferencia de calor.
En un sistema de flujo en contracorriente la evaporación flash del jugo clarificado se perdería al condensador, mientras que con un sistema de flujo concurrente se evaporaría una cantidad equivalente de agua en cada efecto.
La meladura sale del ultimo efecto a la menor temperatura, suficientemente baja para limitar perdidas y formación de color en caso de almacenamiento antes de la cristalización.
Las sales de calcio son el componente de mayor proporción en las incrustaciones de evaporadores, las cuales generalmente son inversamente solubles, y por lo tanto más propensas a precipitarse a mayores temperaturas; con un sistema de flujo en contracorriente, mayor cantidad del licor más concentrado ocuparía el efecto más caliente y las incrustaciones serían más severas.
En algunas ocasiones se usan sistemas de flujo combinado. Estos pueden ofrecer como ventaja una mejor transferencia de calor en el último efecto, reuniendo ventajas de los dos modos de operación. En caso de utilizarse evaporadores que involucran el uso de bombas de circulación, es posible bombear a cualquier efecto.
2.3.3 TIPO DE EVAPORADORES 2.3.3.1 EVAPORADORES ROBERT
El diseño fue introducido por primera vez alrededor de 1850, y aun hoy son los evaporadores más comúnmente utilizados. Generalmente cuentan con tubos de 38 a 51 mm de diámetro y longitudes de tubo en el rango de 1.5 a 3 m.
La mayoría de calandrias cuentan con un tubo bajante, normalmente en el centro del evaporador, para mejorar la circulación y la transferencia de calor, y que proporciona una conveniente ubicación para la salida del líquido concentrado.
2.3.3.2 KESTNER
Cuando se requieren evaporadores de gran capacidad, el evaporador Kestner puede proporcionar arreglos de evaporación compactos y de menor costo a través de empleo de tubos de mayor longitud, en el rango de 6 a 7.5 m. Por ejemplo, un Kestner de 2000 m2 tiene un diámetro de 3 m, en comparación con 5.2 m para un evaporador Robert equivalente. Sin embargo, el Kestner requiere conectarse a un cuerpo separador de arrastre adicional, pero que es de diámetro pequeño. Los Kestner normalmente se encuentran como primer o segundo efecto cuando se requieren grandes áreas de calentamiento para efectuar grandes extracciones de vapor.
Los Kestners comparten con los evaporadores Robert las propiedades de simplicidad y baja demanda de control por parte de operadores.
2.3.4 PREEVAPORADORES
Los pre-evaporadores son evaporadores que se encuentran dedicados exclusivamente a generar extracciones de vapor vegetal. El jugo de los pre-evaporadores alimenta a los primeros efectos, que son alimentados con vapor de escape. Las ventajas de los pre-evaporadores son:
Se pueden instalar cerca a los usuarios de la extracción de vapor, ahorrando costos de instalación de tuberías.
Las variaciones en la carga de los tachos, que fluctúan ampliamente durante los ciclos de cocimiento en tachos discontinuos no afectan las temperaturas de ebullición ni las presiones en los cuerpos evaporadores.
La presión del vapor calefactor para tachos se puede controlar automáticamente mediante el control de la presión en la calandria del pre evaporador, aunque esto es algo que generalmente no se encuentra en la práctica.
Brindan mayor flexibilidad para controlar la tasa global de evaporación, dado que la presión del suministro de escape al primer efecto puede ser controlada sin afectar la presión de las extracciones de vapor.
Existen algunas desventajas:
A no ser que la presión del vapor de escape sea controlada para lograr una presión de vapor uniforme, las variaciones en la presión del vapor para los tachos pueden ser mayores con un pre evaporador, dado que no existe una carga intrínseca de vapor en el siguiente efecto,
Es necesario bombear el jugo desde el pre evaporador hasta el primer efecto.
Debido a la carga fluctuante en los pre-evaporadores, el Brix del jugo presenta mayores variaciones, haciendo el control global del tren de evaporadores más difícil.
Los pre-evaporadores, o celdas de vapor, conducen a tener mayores fluctuaciones, con lo cual existe mayor riesgo de que se presenten problemas de arrastres.
Si la demanda en los tachos es baja, la superficie de intercambio de calor resulta sub-utilizada.
2.3.5 CONTROL AUTOMATICO DE EVAPORADORES
El mejor desempeño de un tren de evaporadores se obtiene cuando es operado en la forma más estable posible. Esto generalmente se logra a través del uso de controles automáticos.
Es una práctica común controlar la presión del ultimo efecto mediante el ajusto del flujo de agua de inyección al condensador buscando lograr un valor de presión constante. Es también común controlar el nivel en cada efecto mediante la regulación del flujo de alimentación al cuerpo o el flujo de salida del mismo. Esto depende de la forma en que se controle la concentración de solidos disueltos de la meladura que sale del ultimo efecto. Las opciones para el control de evaporadores más comunes se presentan de la siguiente manera.
En la figura A se conoce como control con entrada de alimentación o control en cascada hacia adelante, el nivel se controla con la alimentación y el Brix de la meladura controla el flujo final de salida del último efecto, sea mediante estrangulamiento de la salida como se muestra en la figura o mediante recirculación de parte de la meladura de regreso al cuerpo.
En la figura B presenta un control con alimentación de salida o control en cascada hacia atrás, donde el nivel se controla regulando el flujo que sale de cada efecto. El control del Brix de la meladura se logra mediante estrangulamiento del flujo de vapor 1 a la calandria del segundo efecto. En este caso el flujo de jugo al primer efecto es determinado por el nivel en el tanque de jugo clarificado.
Cuando se utiliza un evaporador Kestner como primer efecto, el sistema de control es algo distinto, dado que el nivel en este cuerpo no se controla. Desde el punto de vista de control el Kestner se puede considerar simplemente como una sección de tubería. La figura “C” muestra el esquema de control cuando se incluye un evaporador Kestner, reciproco al esquema de la figura “A”.
2.4 CRISTALIZACION
2.4.1 SOLUBILIDAD Y SOBRESATURACION
La sacarosa tiene una elevada solubilidad en agua. Una solución saturada de sacarosa, se encuentra en equilibrio termodinámico con la fase 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°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.
2.4.2 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 a 2 mm, dependiendo de los requerimientos del mercado.
2.4.3 PROCESO DE CRISTALIZACION
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. La cristalización se inicia adicionando semillas muy finas en forma de suspensión o slurry, las cuales proporcionan sitios de nucleación para
comenzar la cristalización. A partir de entonces, la 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 se han introducido sistemas continuos. Sin embargo, la etapa inicial de cristalización se realiza aun de manera discontinua. En algunas ocasiones el proceso comienza partiendo de un magma, es decir una mezcla de licor de cristales de un cocimiento previo, evitando así el proceso de semillamiento.
2.4.4 ESQUEMAS DE COCIMIENTOS DE AZUCAR
La máxima recuperación de la sacarosa por cristalización no puede logarse en una sola etapa. Existe cierto límite del contenido de cristales que se encuentran 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 aun azúcar cristalizable y el proceso se repite, usualmente en una o dos etapas adicionales para logar 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.
Los siguientes esquemas de cristalización son utilizados comúnmente para la producción de azúcar crudo:
Esquema de dos cocimientos
Esquema de tres cocimientos
Esquema de doble Einwurf
Esquema VHP (Very High Pol)
El número de etapas requerido para logar 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 cocimientos la secuencia se altera y solo producen azucares A y C.
2.4.4.1 ESQUEMA DE DOS COCIMIENTOS
La principal ventaja de los esquemas de cristalización de dos etapas de cocimiento en comparación con los esquemas de tres etapas es la simplificación de la estación requerida al eliminarse la etapa B.
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 el 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.
2.4.4.2 ESQUEMA DE TRES COCIMIENTOS
El esquema más comúnmente empleado es el de tres etapas de cristalización, donde se obtiene azucares A y B para la venta. 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 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 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 que se mezcla con el azúcar A para ser despachados de la fábrica.
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 usando maquinas continuas para obtener azúcar C y miel final. El azúcar C, con pureza alrededor de 85, es mezclado 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 viscosidad. 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.
2.4.4.3 ESQUEMA DE 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. 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. Este esquema es adecuado para los tachos continuos, que pueden ser alimentados directamente con magma, sin previa preparación de semilla en tachos discontinuos. La calidad del azúcar producido es mejor que la obtenida con el esquema convencional de tres cocimientos, 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.
2.4.4.4 ESQUEMA VHP
Este esquema fue utilizado en Hawái para producir azúcar de bajo color que sería procesado en una refinería. Esta también el esquema utilizado para producir azúcar blanco directo o de plantación.
Todo el azúcar C es disuelto en agua o jugo clarificado y retornado al tanque de meladura como refundido. El azúcar C tiene una pureza de 81 a 85 y se obtiene utilizando maquinas centrifugas continuas.
El azúcar B se produce semillando una mezcla de mieles A y B con pureza entre 60 a 70 y alimentando al cocimiento con miel A. La masa cocida B se centrifuga usando maquinas 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 maquinas discontinuas y el azúcar A es el único que sale de la fábrica como producto.
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 la cual se facilita obtener un buen agotamiento de las mieles.
2.4.5 EVAPO-CRISTALIZADORES DISCONTINUOS
A través del tiempo se han empleado muchos tipos de evapo cristalizadores discontinuos. 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 de escape se condensa sobre la superficie externa de los tubos. 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 siguientes.
Algunos diseños antiguos de evapo-cristalizadores utilizan placas de calandrias inclinadas, con pendientes entre 10 ° y 25 ° respecto a la horizontal. Esto implica mayores costos de construcción. La placa de tubos superior es horizontal en algunos casos.
Los tachos de calandria flotante cuentan con el conducto de descenso localizado sobre la región anular externa. A pesar de 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.
La forma del fondo del tacho debe promover una distribución uniforme de la masa cocida por debajo de 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 cocimiento razonables.
2.4.5.1 OPERACION
Los pasos involucrados en el ciclo convencional de un tacho discontinuo se describen a continuación:
1. El tacho se cierra y se induce el vacío. Usualmente el tacho se encuentra lleno de vapor luego del soplo de limpieza, que se logra admitiendo vapor por la parte superior del tacho hasta que el vapor comienza a salir por la válvula de descarga. La inyección de agua al condensador reduce rápidamente la presión absoluta. El tiempo requerido para que la bomba de vacío logre remover la pequeña cantidad de gases incondensables remanentes se reduce ampliamente en comparación con tener que evacuar un tacho completamente lleno de aire.
2. El tacho se llena con meladura hasta alcanzar un nivel justo por encima de la calandria. Luego se permite la entrada de vapor o escape a la calandria y el pie de templa se concentra hasta el nivel deseado para el semillamiento. Durante esta etapa la tasa de evaporación es elevada y se debe tener cuidado para asegurar que no se presenten arrastres.
3. Una vez que se logra alcanzar la concentración correcta de solidos disueltos, el tacho estará listo para el semillamiento. Usualmente el tacho se mantiene a la concentración deseada para estabilizar antes del semillamiento. Cualquiera de los tres métodos siguientes puede ser utilizado.
a. La concentración se puede llevar hasta la región lábil, donde el grano se forma espontáneamente; cuando el operador del tacho considera que se han formado suficientes granos, se procede a adicionar agua para reducir la concentración hasta la región metaestable.
b. La carga se concentra hasta alcanzar la zona intermedia, luego de lo cual se adiciona una pequeña cantidad de polvillo de azúcar; esto induce la formación de nuevo núcleos de crecimiento en el líquido y se conoce como semillamiento por choque (shock).
c. El licor se concentra hasta la región metaestable, luego de lo cual se adiciona una suspensión (slurry) que contiene granos de semilla finamente molidos; los pequeños cristales del slurry son los núcleos de crecimiento sobre los cuales se cristaliza a
la sacarosa. Esto se conoce como semillamiento completo y en teoría el número de cristales de la masa cocida está determinado por el número de cristales en el slurry adicionado.
4. Para establecer el tamaño de grano se requiere que el licor madre sea controlado de cerca asegurando que los cristales crezcan y que no se presente disolución de cristales. En este punto el área superficial de los cristales es pequeña y la tasa de evaporación es potencialmente mucho mayor que la tasa de cristalización; es necesario adicionar agua para reducir la tasa neta de evaporación, o en caso de contar con un impulsor que permita mantener la circulación, se restringe el suministro de vapor a la calandria. No se adicionan ni meladura ni mieles durante esta etapa, dado que tendrían el efecto de dispersar a los cristales e incrementar la distancia entre ello. Esta etapa continúa hasta establecer suficiente área superficial de cristal.
5. Cuando se utiliza magma como pie de templa, el semillamiento es innecesario. Sin embargo se requiere disolver a los cristales pequeños indeseables y llevar a la masa cocida hasta la condición o consistencia correcta antes de iniciar la alimentación.
6. Inicio de la alimentación de meladura/miel. En este punto el área superficial de los cristales es suficiente para reducir razonablemente el riesgo de que se presente formación de falso grano. La alimentación se efectúa a una tasa que permita mantener el contenido de cristal y la consistencia de la masa cocida en un valor óptimo.
7. Cuando el nivel en el tacho alcanza el valor nominal se procede a suspender la alimentación. La masa cocida se concentra finalmente hasta el nivel de solidos deseado para poder lograr un buen agotamiento.
8. La válvula de vapor se cierra, se rompe el vacío permitiendo el ingreso de aire al tacho y se abre la válvula de descarga. El contenido se descarga por gravedad a un cristalizador o un recibidor de masa cocida. Alternativamente, parte del contenido puede ser enviado a otro tacho; en este caso la alimentación de meladura/miel se reanuda posteriormente para continuar el crecimiento de los cristales hasta un mayor tamaño.
9. Una vez que el tacho se encuentra prácticamente vacío, se procede a inyectar vapor o agua caliente para limpiar el tacho. Es importante asegurar que la masa cocida se remueve totalmente antes de iniciar el siguiente ciclo. El agua de lavado se envía fuera del tacho, al refundidor o a tanques de mieles, de manera que la masa cocida descargada que ha sido cuidadosamente concentrada no sea diluida inmediatamente.
2.4.5.2 CONTROL DE PROCESOS
La automatización del proceso en tachos conduce a resultados consistentes, y cuando la configuración es óptima permite lograr buenos agotamientos, buena calidad del azúcar y máxima capacidad de los equipos. Dado que cualquiera de los tachos discontinuos puede desempeñar una o todas las diferentes etapas del ciclo de cocimiento (formación de grano, desarrollo de templa, evaporación final o apriete) con diferentes grados de masa cocida (A, B, C), las recetas necesarias para cada tipo de cocimiento deben estar disponibles para cada tacho.
Una configuración típica se presenta a continuación:
Este diagrama muestra el control manual del suministro de vapor al tacho; en la mayoría de las fábricas de crudo la presión de la calandria no se controla automáticamente. También se muestra la conductividad como parámetro de control principal; para esta función otras mediciones pueden ser utilizadas en su lugar. Las acciones de control involucradas son:
Control de presión absoluta
Se controla mediante regulación del flujo de agua de inyección al condensador.
En caso de que una bomba de vacío no esté funcionando bien, la concentración de gases incondensables se eleva, reflejándose en un
aumento de la presión absoluta y el sistema de control responderá agregando más agua de inyección.
Control de nivel
Opera durante el llenado, al mismo tiempo que controla el nivel durante el periodo de concentración previo a la formación de grano, mediante regulación de la válvula de alimentación. El transmisor de nivel también detecta la condición de ‘tacho lleno’ e inicia la etapa final de concentración.
Control de conductividad
Este controla la concentración antes, durante y luego de la formación de grano, regulando la adición de agua. Una vez que se establece el grano, el crecimiento comienza con la alimentación de mieles o meladura. El valor objetivo del control de conductividad usualmente se ajusta con una rampa descendente a medida que el nivel se incrementa para lograr un crecimiento estable en el contenido de cristal. Una vez que el tacho se ha llenado, la conductividad se lleva al valor deseado para la descarga; durante este periodo el controlador admitirá agua de ser necesario a través de la válvula de control de agua.
Potencia en el motor del impulsor
La potencia absorbida por el impulsor de circulación forzada puede utilizarse en lugar de la conductividad para el control de la alimentación durante el periodo de crecimiento de grano. La potencia del impulsor es particularmente útil como medición confiable y reproducible de la consistencia final de la templa.
Adición de semilla de cristales
Una vez que se alcanza la concentración correcta para formación del grano, el tacho se mantiene a esta concentración durante cierto tiempo para permitir que se estabilicen las condiciones. Posteriormente el sistema de control puede abrir la válvula de suspensión o slurry de semillamiento de forma automática, admitiendo la carga de slurry que el operador ha puesto en el embudo de alimentación.
2.4.6 EVAPO-CRISTALIZADORES CONTINUOS
La semilla utilizada para alimentar a los tachos continuos es necesario producirla utilizando aun tachos discontinuos. En algunos casos, la producción de semilla en tachos discontinuos ha podido ser eliminada mediante la alimentación directa de magma de azúcar como semilla a los tachos continuos para el sistema “Doble Einwurf”. En este caso únicamente se requiere producir en tachos discontinuos semilla para el cocimiento C. El azúcar C se usa como semilla para el cocimiento B, y el azúcar B como semilla para el cocimiento A. Sin embargo, tal como en cualquier sistema Doble Einwurf, el control del tamaño de grano es crucial.
2.4.6.1 DISEÑOS
Los diseños de tachos continuos que han encontrado mayor aceptación se agrupan dentro de las siguientes tres categorías:
CRISTALIZADOR HORIZONTAL DE MULTIPLES COMPARTIMIENTOS La combinación en serie de varios tanques de mezclado puede brindar una aproximación suficientemente cercana al flujo ideal tipo pistón que permita lograr una distribución de tamaño de cristales razonable. El diseño original del tacho contaba con placas verticales actuando como elementos calefactores. Posteriormente se reemplazaron con tubos horizontales actuando como calandria, dentro de un cuerpo cilíndrico para reducir costos.
EVAPO-CRISTALIZADORES DE FLUJO TIPO PISTÓN
El tacho Langreney fue diseñado como un sistema de largo trayecto de flujo buscando aproximarse verdaderamente al flujo tipo pistón. El tacho esencialmente consiste de un recipiente al vacío angosto y largo, dividido longitudinalmente en dos secciones, una de las cuales contiene un elemento calefactor tubular. Posteriormente se adoptó una geometría circular, de manera que la masa cocida fluya a lo largo de un canal circundante externo, y posteriormente a través de uno interno, pasando finalmente a una sección central que cuenta con un impulsor, donde se logra el apretado final de la masa cocida.
INTERCONEXION DE MULTIPLES EVAPO-CRISTALIZADORES DISCONTINUOS
Se ha demostrado que la conexión de varios tachos discontinuos en serie para formar un sistema continuo es efectiva. Consiste de cuatro (algunas veces cinco) compartimientos al vacío dispuestos uno sobre el otro. El flujo de masa cocida ocurre por gravedad bajando desde un compartimiento al siguiente.
Sin embargo, el contar con solamente cuatro compartimientos en serie tiende a ampliar el tiempo de residencia y la distribución del tamaño de cristal. Una distribución aceptable del tamaño en el producto final puede ser obtenida siempre que la semilla sea de tamaño regular y no muy pequeña. Los impulsores en cada compartimiento incrementan el costo de este tacho continuo, pero permiten la operación con menor diferencia de temperatura entre el vapor de la calandria y la masa cocida hirviente.
2.4.6.2 OPERACIÓN
El contenido de cristales en el primer compartimiento debe ser suficientemente alto y proveer suficiente área de cristal para obtener una elevada tasa de cristalización sin formación de falso grano. A partir de entonces el contenido de cristal es el parámetro que se controla con la mayoría de transductores de medición. El contenido de cristal debe aumentar progresivamente a lo largo del tacho.
Un perfil ideal del tiempo de residencia a través de los tachos no ha sido establecido. Existen dos escuelas de pensamiento: la primera se aferra a la creencia de que el contenido de cristal se debería mantener alto durante todo el recorrido a través del tacho; la segunda estima que un tiempo de residencia ligeramente inferior en los compartimientos intermedios conduce a una mejor circulación y a una cristalización más uniforme. En ambos casos, el contenido de cristal de la masa cocida producida se debe mantener tan alto como sea posible para lograr un agotamiento elevado.
2.4.6.3 CONTROL DE PROCESOS
En los tachos de múltiples compartimientos por lo general se requiere de un lazo de control por compartimiento, pero estos controles son sencillos, empleándose a menudo simples controladores del tipo on/off para esta tarea. La presión de calandria puede ser controlada a un valor constante, o puede ser regulada para mantener cierta tasa de evaporación deseada, que se obtiene midiendo el flujo de condensados. Este “control de tasa de evaporación” es útil para ajustar la tasa de producción, o para repartir equitativamente el trabajo entre dos tachos continuos que procesan masa cocida del mismo tipo. La tasa de evaporación determina la presión de calandria. El flujo de meladura/mieles depende de la tasa de evaporación. De esta manera el tacho se puede operar de manera completamente automática, siendo necesario fijar solamente la tasa de evaporación para lograr la tasa de producción requerida.
2.4.7 COMPARACIÓN
El reactor discontinuo ofrece como ventajas un bajo costo de instrumentación y flexibilidad de operación (puede ser detenido fácil y rápidamente). Tiene las desventajas de mayores costos de labor y operación, frecuentemente considerables tiempos muertos durante la descarga, limpieza y recarga, además de una menor capacidad de control sobre la calidad del producto. Por lo tanto, se puede generalizar que los reactores discontinuos son apropiados para la producción de pequeñas cantidades de material o para producir muchos productos diferentes con un mismo equipo. Por otro lado se encuentra que para el tratamiento químico de grandes cantidades de material, el proceso continuo es casi siempre el más económico.
2.5. CENTRIFUGACION
Luego de la cristalización, los cristales de azúcar son separados de la masa cocida mediante centrifugación. Debido a las características del licor madre, particularmente el elevado contenido de solidos disueltos y la elevada consistencia, es necesario aplicar fuerzas centrifugas elevadas, requiriendo máquinas de alta velocidad que usualmente se denominan simplemente como maquinas centrifugas.
Luego de centrifugar a las masas cocidas, el azúcar obtenido generalmente se envía a las secadoras de azúcar, mientras que los azucares de baja pureza se funden o convierten en magma para ser retornados a los tacos como semilla o pie de templa. Fundido es el término utilizado para referirse a la disolución de azúcar en agua o jugo clarificado. Existen esencialmente dos tipos de centrifugas utilizadas, las maquinas discontinuas y las continuas.
2.5.1. CENTRIFUGAS DISCONTINUAS
En las maquinas discontinuas se forma una torta sobre la canasta, a través de la cual el licor madre es drenado bajo acción de una elevada fuerza centrífuga. Sin embargo una fina capa de licor madre permanece retenida alrededor de los cristales, particularmente en los intersticios entre cristales. Debido a esto se incluye siempre una etapa de lavado, donde agua y/o vapor se aplica sobre la canasta de la centrifuga para lavar los cristales removiendo la capa de licor madre. Esta operación tiene que controlarse minuciosamente para lograr el lavado de cristales requerido sin que ocurra disolución significativa.
El diagrama esquemático ilustra las principales características de las centrifugas discontinuas. La canasta es un tambor con un diámetro de 1.2 a 1.8m, con un gran
número de agujeros de 3 a 6mm de diámetro perforados sobre la sección cilíndrica que permiten la salida del líquido drenada. Para retener los cristales se instala una fina malla sobre la canasta. También se coloca otra malla detrás de la anterior para ayudar al drenaje del licor madre. Al fondo de la canasta se cuenta con una válvula que permanece cerrada durante el llenado y el centrifugado, y que se abre al final de cada ciclo para permitir que el azúcar caiga sobre un conductor localizado debajo de la máquina. El azúcar normalmente se desprende de las mallas utilizando un raspador, el cual permanece retraído durante la mayoría del ciclo mientras no está en uso.
El conjunto rotativo se monta sobre soportes de caucho que absorben las vibraciones resultantes de tener cargas desbalanceadas. Debido a las altas velocidades de rotación, por encima de 1000 min-1, cualquier desbalanceo puede tener serias consecuencias. Generalmente se instalan sensores en las máquinas para detectar vibraciones o movimientos laterales del sistema rotativo, los cuales permiten disparar el motor en caso de situaciones de desbalanceo crítico.
2.5.1.1. OPERACIÓN Y CONTROL
El uso de controladores lógicos programables (PLCs) para el control de los ciclos en centrifugas discontinuas es universal. Los PLC controlan la siguiente secuencia, comenzando con la maquina vacía.
1. A la velocidad requerida para alimentación, usualmente entre 150 y 240 min-1, se abre la válvula de alimentación.
2. Cerrado de la válvula de alimentación cuando la capa de masa cocida alcanza el espesor requerido, como lo detecta el control (limitador) de alimentación.
3. Acelerar la canasta hasta la máxima velocidad deseada. La máxima velocidad está alrededor de 1200-1500 min-1 para una canasta de 1.2 m y alrededor de 1000 min-1 para las canastas de mayor capacidad.
4. Iniciar y detener el flujo de agua de lavado. El primer lavado se inicia durante la aceleración, y es normal aplicar uno o dos lavados subsecuentes durante el ciclo, dependiendo del azúcar que se centrifuga y de la pureza deseada.
5. Controlar la frecuencia de rotación al valor objetivo de máxima velocidad durante el periodo de tiempo especificado.
6. Desacelerar la canasta, hasta alcanzar la velocidad correcta para efectuar el raspado y descargar el azúcar.
7. Abrir la válvula de descarga al fondo de la maquina e iniciar el raspado del azúcar. El raspador actúa sobre la torta de azúcar y se mueve en forma descendente a lo largo de la canasta hasta el fondo, luego de lo cual se retrae y retorna a su posición de reposo. 8. Cerrar la válvula de descarga y acelerar hasta la velocidad de
9. Lavar la canasta para limpiar la malla antes de iniciar la alimentación. El lavado de la canasta se omite en algunos casos o también puede ser realizado luego de un número de ciclos predeterminado.
10. Repetir el ciclo. 2.5.2. CENTRIFUGAS CONTINUAS 502
En las maquinas continuas los cristales se desplazan continuamente, ascendiendo sobre una malla inclinada gracias a la acción de la fuerza centrífuga. La capa de cristales formada es delgada, del orden de 3 a 6 mm, y con el movimiento de los cristales el drenaje del licor madre es de cierta manera más fácil. Sin embargo, los cristales permanecen sobre las mallas por periodos muy cortos, del orden de unos pocos segundos, y consecuentemente el tiempo de drenaje es limitado. Generalmente se adicionan agua y vapor a la entrada de la masa cocida, y con menor frecuencia se aplican sobre los cristales dentro de la canasta.
Las maquinas continuas ofrecen numerosas ventajas respecto a las centrifugas discontinuas:
Los costos de mantenimiento son considerablemente más bajos.
La capacidad por maquina es mayor
La carga eléctrica es estable y es posible utilizar motores más pequeños
La estructura se puede diseñar para afrontar menores pesos y fuerzas de desbalanceo más reducidas.
Los costos de capital son menores
La instalación es mucho más simple. 2.5.2.1. OPERACIÓN Y CONTROL
La mansa cocida se alimenta sobre el centro de la canasta rotativa a través de un tubo estacionario, mientras que se adiciona agua a manera de
