FLEXIBILIDAD Y ESTRATEGIA DE OPERACIÓN EN INGENIOS- ALCOHOLEROS AUTORES: :Ms Sc Clotilde Vázquez Borges. Dr. Ramón Consuegra del Rey. Ing.

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FLEXIBILIDAD Y ESTRATEGIA DE OPERACIÓN EN INGENIOS- ALCOHOLEROS AUTORES: :Ms Sc Clotilde Vázquez Borges.

Dr. Ramón Consuegra del Rey. Ing.Gilberto González Martínez.

Instituto Cubano de Investigaciones Azucareras. clotilde.vazquez@icinaz.minaz.co.cu

Resumen

Se realiza un análisis integral de una Empresa Azucarera para cuando su destilería opere con las corrientes

extraídas del jugo de filtro y miel "B".

Se establece una flexibilidad y estrategia de operación sin afectar la generación de electricidad.

Se realizan balances de materiales y energía en todas las áreas para las nuevas y existentes condiciones tecnológicas que el proceso demanda.

Se recomienda la reconversión de solamente dos turbos alemanes de 1.5 Mw para duplicar la generación eléctrica y así lograr el equilibrio energético entre los bloques de fuerza y consumo.

Palabras clave : esquemas energéticos, estrategias de operación, esquemas eficientes. Summary

It is carried out an integral analysis of a sugar company when their near factory of alcohol operates with the

extracted currents of filter juice and molasses "B."

It settles down a flexibility and operation strategy without affecting the electric generation. They are carried out balances of materials and energy in all the areas for the new and existent technological

conditions that the process demands.

The reconversión is recommended for only two German turbos generator of 1.5 Mw to duplicate the electric

generation and to achieve the energy balance between the blocks of force and consumption. Key words: energy esquemes, operation strategies, efficient esquemes

Introducción

El Minaz ha implementado un programa de modernización y rehabilitación de destilerías cuyo objetivo es incrementar la eficiencia y la producción de alcohol para aprovechar el crecimiento de la demanda y los precios de este producto, mediante la solución de los indicadores ineficientes en el proceso,

proporcionándole además una mayor flexibilidad a la industria azucarera . Las premisas de este programa son:

• La flexibilización productiva azúcar-alcohol exige que las instalaciones tecnológicas del Central y de la Destilería se conciban y mantengan disponibles, para dar respuesta al comportamiento del

mercado.

• Los jugos de caña de menos calidad correspondientes al de los filtros, los cuales resultan

perjudiciales para azúcares de más alta calidad, así como la miel “B” serán dirigidos a la producción de alcohol.

El objetivo de este trabajo es :

• Establecer las estrategias de operación en el ingenio con vistas a minimizar el efecto que provoca las extracciones de estas corrientes con respecto al consumo de vapor y bagazo sobrante sin gran

afectación en la generación de electricidad. Materiales y Metódos.

Se considera una Empresa Azucarera con una norma potencial de molida de 3450 Ton/día, se tiene previsto realizar extracciones totales del jugo de los filtros y miel “B” para la producción de alcohol. El presente trabajo contiene el análisis de los aspectos tecnológicos y energéticos condicionados por esta modalidad tecnológica.

Las fuentes de información fundamentales para el desarrollo del trabajo fueron :

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• Encuesta energética realizada por el MINAZ en el año 2006 a todos los ingenios y actualizada mediante intercambios con especialistas de las Empresas Azucareras

• Resultados del proceso de purificación del jugo de filtros en la EA “Heriberto Duquesne” Descripción de la situación actual.

• Área de tandem y purificación

El tandem es eléctrico y consta de cinco molinos, su capacidad potencial de molida es de 144 t/h. La caña procesada con un contenido de pol de 12.4% y una fibra de 15.4% con un nivel de

preparación en el tandem entre 60 y 65% produce un bagazo con una humedad de alrededor de 50% y una pol de 1.89, la imbibición es del orden del 30 % en caña.

El jugo de filtro se recircula y se incorpora al tanque del jugo mezclado. Se utiliza el método de calcalor- cal para la purificación del jugo mezclado. En estas condiciones el flujo de jugo alcalizado es

del orden de 117 % caña y el del jugo claro de 103 % caña. El balance de materiales de esta área se muestra en la figura No.1 Fig.No.1 Área de Tandem y Purificación.

Balance de Materiales.

Tandem y Purificación.

Situación Actual.

21,6 t/h 1 1 % Brix 78 % Purez a JU GO DE L FILT RO CACHAZA 4,32 t/h 1 t/h AG UA 6,07 t/h

FILTRO BAG ACILLO

LO DOS 18,86 t/h 149 t/h (103 % Caña ) 14,25% Brix 85 % Purez a JUGO CLARO 167,88 t/h (116,6% Cañ a) 14,2 % Brix 84,5 % Pu reza JUGO ALCALIZADO

TANQ UE LECHADA DE CAL 2,88 t/h

JUGO ALCALIZADO 103 °C VAPOR 165 t/h CALENTADO R JUGO MEZCLADO 44,32 t/h

TANQUE LECHADA DE CAL 1,44 t/h

JUGO MEZCLADO

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CAÑA BAGAZO 46,28 t/h 49,5% Humed ad 1,89 % Pol 144 t/h % p ol = 12,4 % fibra = 15,36 IMBIBICIÓN TANDEM CLARIFICADOR

• Área de generación de vapor.

Su área de generación de vapor está conformada por dos calderas Retal de 45 t/h cada una ambas generan el vapor a un nivel de presión de 1724kPa (250 psig) y a un nivel de temperatura de 583.20K (3100C). Ambas poseen calentador de aire y solo una economizador estando la temperatura del agua de alimentación entre 373.20K-378.20K (100-1050C), el estado técnico de la superficie radiante es bueno e una de ellas y cuenta con lazos de nivel de regulación automático.

• Area de planta eléctrica.

La constituye tres turbogeneradores alemanes de 1.5 MW cada uno, cuya contrapresión es de 124.1kPa (18 psig) y 443.20K (1700C) de temperatura en el vapor sobrecalentado, tiene atemperadores a la salida de los turbos con control automático fijándose la temperatura de vapor atemperado entre 398.20K- 403.20K ( 125-1300C).

Estos turbos alemanes pueden reconvertirse y duplicar su capacidad por el cambio del generador, El Central no está sincronizado con el SEN y no está automatizada la carga activa de los turbos según la presión de escape, el estado actual de la planta eléctrica es bueno.

Las cifras que se establecen en el Programa Energético para la zafra venidera se muestra en la Tabla No.1.

Tabla No. I Balance de electricidad establecido. Potencia en operación ( MW ) Indice de Generación (KW-h/tc) Entrega al SEN (KW-h/tc) Consumo del SEN (KW-h/tc) Consumo Total. (KW-h/tc) 4.5 35.0 7.0 1.5 29.5

• Área de calentamiento –evaporación-cocción.

El esquema energético existente es el de Pre-evaporador y cuádruple efecto con una extracción de vapor para

el calentamiento primario del jugo mezclado a partir del primer vaso del cuádruplo, existen dos Pre y un solo

cuádruple

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rectificador de jugo mezclado, la evaporación de los Pre-evaporadores es enviada a la línea general de escape de donde se alimentan los tachos, y el cuádruple efecto.

El área de los Pre es de 1180 m2 de superficie calórica cada uno y la del cuádruple efecto es de 3485 m2, en

operación trabajan los dos Pre.

El sistema de calentamiento primario de jugo opera con un banco de 129 m2 que eleva la temperatura del jugo desde 308.20K ( 350C) hasta 343.20K ( 700C), el calentamiento secundario eleva la temperatura hasta 365.20K ( 920C) y el rectificador hasta 376.20K (103 0C), estos utilizan también un banco de 129 m2 respectivamente.

No existe el calentamiento del jugo clarificado.

• Resultados del balance de energía de la situación actual.

Los principales resultados del balance de energía en el área de calentamiento –evaporación –cocción se muestra en tabla No.2

Tabla NoII. Balance de vapor de la situación actual Equipos Vapor consumido (t/h) Presión de operación. (kPa) Tipo de vapor Pre-evaporador Cuádruple efecto 60.9 21.5 124.1 68.95 Escape

Evaporación del Pre Calentador rectificador del jugo mezclado.

2.52 124.1 Escape

Tachos 23.8 68.95 Evaporación del Pre Pérdidas de baja y otros

usos.

3.2 68.95 Escape

Reductora alta / escape 12.37 y 7.87 (1724/142.1) (1724/68.95) Escape Consumo de vapor del

proceso

72.62 124.1 y 68.95 Escape

Consumo vapor Destilería. 6 124.1 Escape Pérdidas de vapor de alta. 1.03 1724 Directo Generación de vapor. 70.08 1724 Directo

Este vapor generado representa para la molida horaria de 144 t/h un valor de 48.6 vapor % caña. Para el balance de bagazo se establecieron las premisas siguientes :

• Tiempo perdido industrial = 15%

• Humedad del bagazo = 50%

• Indice de generación = 2.23 t de vapor / t de bagazo

• Bagazo % caña = 32

• Bagacillo para filtros = 0.7% de la molida

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Los resultados del balance de bagazo se muestra en la tabla a continuación : Tabla No.III Balance de Bagazo.

Flujo másico (t /día )

Bagazo producido 940 Bagacillo para filtros 24.2

Bagazo perdido por manipulación 44.06 Bagazo disponible 871.74

Bagazo para generación de vapor 675 Sobrante de bagazo 196.75

% de Bagazo sobrante 21

De la tabla se observa que se obtiene un 21% de bagazo sobrante, en este alto valor incide directamente la fibra en caña que reporta el ingenio de 15.4 % como promedio.

La figura No. 2 muestra un diagrama de la situación actual Fig No.2 Esquema energético. Situación Actual

6.0

Per

1.03 23.8

1.33

70.08 20.24 68.95kPa 3.2

(10 psig)

12.37

3 turbos de

1.5 MW c/u

1.95

0.29

60.9

124.1kPa

(18 psig) 48.81 -

- Áreas:2360 Cdple: 3360m

2

66.3

0

Bx

(Dos Pre)

2.52 6.7 9.4

376.2

0

K 365.2

0

K 343.2

0

K 311.2

0

K

(103

0

C) ( 92

0

C) (70

0

C) (38

0

C

Calentadores de jugo pre-alcalizado

Vapor total generado % caña : 48.6

Generación de electricidad : 31 KW-h/tc

% Bagazo sobrante : 21

Nota : Los valores de los flujos son en t/h.

2 Calderas Retal

de 45t/h c/u

1724kPa/250psig

583.2

0

K / 310

0

C

Tachos

Perd.de

baja

Perd. de Alta

Destilería

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DESCRIPCIÓN DE LOS CAMBIOS EN EL PROCESO TECNOLOGICO

A continuación se describen los aspectos del proceso tecnológico haciéndose hincapié en aquellos que constituyen elementos novedosos respecto al proceso tradicional de producción de azúcar en el ingenio ,cundo se extrae el jugo de los filtros y miel “B” a la destilería.

• LA PURIFICACIÓN DEL JUGO DE LOS FILTROS.

El jugo de los filtros es bombeado, mediante las bombas existentes en el ingenio con este fin, a un tanque receptor TR1 cuyo volumen significa un tiempo de retención promedio del jugo de filtros en el mismo de 15 minutos. El contenido de TR1 es bombeado mediante bombas centrífugas (B1) hacia los calentadores CJF en los que el jugo de filtros alcanza una temperatura igual a 378.20K (1050C) para luego ser

clarificado en el clarificador CL2. CL2 es de diseño BTR y su volumen es tal que garantiza un tiempo de retención mínimo de 1. 5 horas. El proceso de floculación se realiza con el uso de floculante catiónico. El jugo clarificado JFD es recibido en un tanque receptor TR2 que ofrece un tiempo de residencia promedio para JFD en el mismo de 10 minutos; de éste es bombeado a la destilería por las bombas B2. El lodo LODO2 se une a la corriente de lodo LODO1 en la artesa de los filtros de cachaza del ingenio. Fig.No.3 Purificación del jugo de filtro.

• EL PROCESO DE CRISTALIZACIÓN

El proceso de cristalización consiste, en su esencia en un sistema de 2 masas cocidas (MCA y MCB) en el que la miel B y el azúcar A (sólo este tipo de azúcar) son las corrientes de salida fundamentales.

BOMBAS EXISTENTES

TR1

B1 CJF CL2 TR2 B2

DESTILERÍA

FILTRO JUGO FILTRO VAPOR FLOCULANTE JFD LODOS 2 378.20K

Para producir las MCB se parte de un pie de cristalización derivado de un proceso de semillamiento completo en el que el pie de cristalización consiste en la mezcla de meladura, miel de repurga y miel A de segundo lavado contenida en los tanques de meladura del ingenio. Con posterioridad se alimenta la mezcla

de miel A con la miel de la repurga de la semilla B obteniéndose MCB con una pureza en el entorno del 77

%.

Las MCB se centrifugan en centrífugas continuas CB las que deberán operar a una velocidad angular de 1200 RPM. La miel B resultante es bombeada a los tanques de recepción cuyo volumen debe ser tal que admita el almacenamiento de toda la miel B que se produzca durante la zafra. La semilla B se funde con miel

A y se bombea al mezclador de las centrífugas CR (las de masa cocida C según el esquema de cristalización

para 3 masas cocidas) encargadas del proceso de repurga que deberán operar a una velocidad angular de 900

RPM. La miel derivada de la repurga se bombea para unirse con la miel A dando lugar a la mezcla que se alimenta a las MCB. La semilla de repurga es fundida con agua y es bombeada a un semillero para luego usarse como pie de las MCA; la magma sobrante es disuelta con meladura e incorporada al tanque que contiene a esta última.

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PROCESO DE CRISTALIZACIÓN

MELADURA MCA MCB CA MIEL A CB MIEL B MINGLER AGUA REPURGA MAGMA MIEL REPURGA AZÚCAR

• Análisis del ingenio con las extracciones del jugo de filtro y miel “B” para la destilería.

El balance y la composición de los diferentes materiales que intervienen hasta la etapa de filtración cuando

se extraen la miel “B” y el jugo de filtro se muestran a continuación : MOLINOS

Fig.No.5 Balance de materiales en Tandem y Purificación JUGO MEZCLADO JUGO ALCALIZADO 1 CALENTADOR BAGAZO 46.28 t/h 49.5 hdad. 1.89 %pol CAÑA 144 t/h 15.4 fibra 12.4 %pol 142 t/h 14.2 %bx 84.5 %pza Lechada de cal 380C 1.44 t/h 143.48 t/h (101.6 %C) 14.2 %bx 84.5 %pza VAPOR 143.48 t/h 1030C Lechada de cal 2.88 t/h JUGO ALCALIZADO 2

CLARIFICADOR 1 JUGO CLARO 127.5 t/h (88.5 %C) 14.2 %bx 85 %pza LODO 1 18.86 t/h 14 %bx 81 %pza CLARIFICADOR 2 FILTRO JUGO A DESTILERIA 19.87 t/h 11 %bx 78 %pza CACHAZA

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LODO 2 1.73 t/h 11%bx 78 %pza AGUA 3 t/h BAGACILLO 1.01 t/h 4.32 t/h 2 %pol 78 %pza JUGO FILTRO 21.6 t/h 11 %bx 78 %pza IMBIBICION 44.32t/h 146.36 t/h 14.2 %bx 84.5 %pza

En este caso los flujo de jugo alcalizado y de jugo claro disminuyen en magnitud y toman valores de 99.6 y

88.5% caña respectivamente, con estas cifras se realizan los balances de materiales y energía de las etapas posteriores a la clarificación del jugo claro.

El esquema energético que debe adoptarse en estas circunstancias debe establecer como premisa mantener los mismos niveles de generación de electricidad (31 KW-h/tc) que la que se produce en el esquema de la situación actual que se presentó en la figura No. 2.

Se propone por consiguiente el mismo esquema de Pre y cuádruple efecto efecto pero trabajar con un solo Pre y mantener como única extracción de vapor el calentamiento primario del jugo pre-alcalizado en un banco de calentadores de 129 m2, para mantener una concentración de meladura con un valor mínimo para

los requerimientos que el proceso tecnológico demanda, el resto de los consumidores se les suministrará vapor de escape.

Los resultados de esta propuesta se muestran a continuación:

Tabla No.IV Balance de vapor con extracción del jugo de filtro y miel “B” Equipos Vapor consumido (t/h) Presión de operación. (kPa) Tipo de vapor Pre-evaporador Cuádruple efecto 34.9 16.45 124.1 68.95 Escape Evaporación del Pre

Calentador rectificador del jugo mezclado.

4.08 124.1 Escape

Calentador del jugo de filtro 0.61 68.95 Escape Tachos 18.57 68.95 Evaporación del

(9)

Pre

Pérdidas de baja y otros usos. 1.95 68.95 Escape

Reductora alta / escape 14.53 y 10.12 (1724/68.95) (137.9/68.95 Escape Consumo de vapor del proceso 64.28 124.1 y 68.95 Escape

Consumo vapor Destilería. 6 124.1 Escape Pérdidas de vapor de alta. 0.94 1724 Directo Generación de vapor. 64.28 1724 Directo

El valor de la generación de vapor % caña es de 44.6 , disminuyendo en un 9 % con respecto a la situación

actual

Tabla No.V Balance de Bagazo. Flujo másico

(t /d)

Bagazo producido 940 os 24.2

Bagazo perdido por manipulación 44.06 Bagazo disponible 871.74

Bagazo para generación de vapor 619.16 Sobrante de bagazo 252.6

% de Bagazo sobrante 26.8

En este caso el % de bagazo sobrante aumenta en 5.8 unidades porcentuales. Se mantuvieron constantes las mismas premisas establecidas de la situación actual. El esquema energético propuesto se muestra en la figura No.6.

Figura No.6 .Esquema energético con extracción de los jugos de los filtros y miel “B”. 0.61 6.0

Per

0.94 18.57 2.48

1.95

64.28 14.53

68.95kPa

(10 psig)

10.12 3 turbos de 1.5 MW c/u

0.29

3

4.9

124.1kPa (

18 psig ) 48.81 Áreas:1180 m2 Cdple : 3360 m2 63.50Bx (Un Pre)

4.08 11

Jugo pre-alcalizado.

376.2

0

K 355.7

0

K 311.2

0

K

(

1030C)

(

82.50C)

(

380C)

Vapor total generado % caña : 44.6 Generación de electricidad : 31 KW-h/tc % Bagazo sobrante : 26.8

Nota : Los valores de los flujos son en t/h. 2 Calderas Retal de

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1724kPa / 250psig 583.2 0K / 3200C C.J.F. Tachos Perd.de baja Perd. de Alta Destileria • Área de cristalización.

La figura No.7 muestra el sistema de cocción de dos masas con extracción de miel “B”. BALANCE DE MATERIALES

CRISTALIZACIÓN SISTEMA DE DOS MASAS MELADURA t/h = 28,72 % Pureza= 86,46 % Brix = 63 TANQUE MELADURA t/h = 38,85 % Pureza= 88,91 % Brix = 69,09 MCB t/h = 12,97 % Pureza= 75,88 % Brix = 92,68 t/h = 2,55 t/h = 19,71 % Pureza= 87,12 % Brix = 91,76 CENT. A t/h = 36,30 MCA t/h = 3,67 % Pureza= 90 % Brix = 80 MIEL LAVADO MIEL A t/h = 11,00 % Pureza= 69,07 % Brix = 83,08 CENT. B t/h = 5,91 % Pureza= 54 % Brix = 86,03 MIEL B MINGLER B t/h = 1,23 MIEL REPURGA t/h = 2,94 % Pureza= 70 % Brix = 72,72 REPURGA AGUA MINGLER MAGMA TANQUE DE ALMACEN MIEL B AZÚCAR t/h = 13,03 % POL= 98,95

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% Humedad = 22

VAPOR EN TACHOS % CAÑA = 12,9 RENDIMIENTO INDUSTRIAL % = 9,42

t/h = 6,46 % Pureza= 96 % Brix = 9

El consumo de vapor de este sistema de cocción es de 18.57 t/h y se dejan de producir 71 t/d de azúcar base

96 ( 38.4 t/d debido a la extracción del jugo de los filtros y el resto 32.6 t/d por la extracción de la miel “B”)

lo que incide directamente en el valor de 9.42% del rendimiento industrial.

• Análisis de reconversión de turbos. Turbo de 3 MW. Turbo 3 MW Vapor directo.

250 psig. (3200C) η=75 % 0 . 4 5 t / h

Vapor de escape 124.1 kPa ; (18 psig) 65.1 t/h 65.5 t/h

427.20K / 1540C 4 0 3 . 2 0 K / 1 3 0 0 C H1=2747 kJ / kg H2=2709 kJ/kg

De los tres turbos de 1.5 MW solamente es necesario la reconversión de dos de ellos, en este caso la generación eléctrica de 31 KW-h/tc asciende a 41.6 KW-h/tc y se dejan de pasar por reductora 16.4 t/h para la situación actual y 26.5 t/h para el esquema cuando se realicen las extracciones de las corrientes.

• Conclusiones :

1. Se establece una estrategia de operación en el área de C-E-C donde se minimiza el efecto de la disminución del consumo de vapor por las extracciones del jugo de los filtros y miel “B” logrando un equilibrio entre las plantas de fuerza y consumo sin afectación de la generación eléctrica.

2 .Se dejan de producir 71 t/d de azúcar base 96.

3. Se recomienda el cambio del generador eléctrico de solamente dos turbos alemanes de 1.5 Mw para duplicar su capacidad de generación, disminuyendo así el consumo de vapor por reductora e incrementar el índice de generación eléctrica.

• Bibliografía.

1.Curvas características de consumo de vapor contra carga para los distintos motores primarios. Folleto Minaz,1989.

2. Balance de Bagazo. Folleto Minaz,1989.

3.Steam Tables and Mollier Diagram.Keenam,J. Instituto Cubano del Libro, 1975. 4. Procesos de Transferencia de Calor.Kern,D. Instituto Cubano del Libro,1969. 5. Encuesta Diagnóstico Energético Empresas Azucareras. Minaz.2008.

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