Mejoramiento del equipo utilizado para la elaboración de ron mezcla en el área de elaboración de licores Industria Licorera de Caldas
Autor: Guarín Mendoza, Liliana María
Asesor: Betancourt Grajales, Ramiro (Thesis advisor)
Fecha: 2003
Programa: Bogotá - Medicina -Fisioterapia
Facultad: Facultad de Medicina

Resumen: En la industria licorera de caldas se produce en la sección de elaboración de licores una lixiviación en proporciones debidamente establecidas con algarrobo, uvas pasas y agua como materias primas. El producto de esta lixiviación es llamado Ron-mezcla y corresponde al 25% del Ron viejo de Caldas. Este cocimiento se prepara en unas marmitas, alimentadas con vapor de agua, la cual no tiene control de temperatura ni de presión ya que los medidores se encuentran dañados, tampoco se tiene un dato exacto del consumo de vapor que utiliza actualmente. Las marmitas en las que se lleva a cabo el cocimiento están muy deterioradas, presentándose entonces pérdidas de calor y también se presenta evaporación del producto final obteniéndose así grandes pérdidas. Debido a todo lo anterior surgió la necesidad de hacer un estudio del proceso, de calcular su eficiencia y así saber con certeza que clase de cambios se recomienda; o si por el contrario se debe realizar un cambio total. Se analizó También la posibilidad de adquirir un calderín, para abastecer de vapor este proceso ya que la caldera (pirotubular) que trabaja actualmente en ello, en muchas ocasiones requiere prenderse únicamente para hacer esta lixiviación. Para elegir la mejor opción se estudiaron las ventajas, desventajas y costos de cada una, para finalmente llegar a la más viable y conveniente para la empresa. / Abstract: In the licore Industry of Caldas it produces in the elaboration section of liquors a lixiviation in proportions well stablished with algarrobo, grapes and water as first resources. The product of this lixiviation is called nixed-ron and belongs to the 25% of the old Caldas ron. This knowleged is prepared in marmits feed in water vapor, which it dosen’t have control of temperature or pressure, that’s because it this the meditores brored, also it dosen’t have an exactly number of consume of vapor that usesactually. The marmits cuho carries the knowledge are broken, given thin loots of heat anglit evaporates the final prowed so it loose in great ways. By all that, it surges the necessity to study the process, to calculate the eficience and to know what changes it recominds; or loy the way it needs to be a total change. It also has the possibility to acuare a “calderin” to stablish vapor to this process. To choose the best option they were studied the vantages, disventages and cost of each one, to finally reach the most avealyble and convivien to the company.

MEJORAMIENTO DEL EQUIPO UTILIZADO PARA LA ELABORACIÓN DE RON
MEZCLA EN EL ÁREA DE ELABORACIÓN DE LICORES
INDUSTRIA LICORERA DE CALDAS
LILIANA MARÍA GUARÍN MENDOZA
UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA
FACULTAD DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA
INGENIERÍA QUÍMICA
MANIZALES
2003MEJORAMIENTO DEL EQUIPO UTILIZADO PARA LA ELABORACIÓN DE RON
MEZCLA EN EL ÁREA DE ELABORACIÓN DE LICORES
INDUSTRIA LICORERA DE CALDAS
LILIANA MARÍA GUARÍN MENDOZA
Trabajo final para optar el título de
Ingeniero Químico
Director
RAMIRO BETANCOURT GRAJALES
Director Ad-hoc
MAGNOLIA ORREGO ARIAS
UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA
FACULTAD DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA
INGENIERÍA QUÍMICA
MANIZALES
2003Nota de aceptación
————————————————
————————————————
————————————————
—————————————
Ramiro Betancourt Grajales
Director de tesis
—————————————
Alneira Cuellar
Jurado
———————————————
Luis Fernando Cortés
Jurado
Manizales, Noviembre 18 de 2003A mis hijos
Alejandro y
Santiago, a mi
esposo, a mis padres
con todo mi amor.AGRADECIMIENTOS
Expreso mis agradecimientos a:
Ramiro Betancourt Grajales, Ingeniero Químico y Director de la tesis, por sus
valiosas orientaciones.
Magnolia Orrego, Ingeniera Química, Coordinadora del Área de elaboración de
Licores de la Industria Licorera de Caldas, Nicolás Chica, Ingeniero Químico por
su constante motivación en este trabajo.
A mi amigo Jaime Alberto Gaviria, Ingeniero Químico, por su valiosa orientación.
A mi sobrino Marcelo, Ingeniero Industrial, por su colaboración.CONTENIDO
Pág.
INTRODUCCION 1
1. OBJETIVOS 2
2. PROCESO DE ELABORACION DEL RON EN LA ILC 3
2.1 Marmitas en la sección de elaboración de licores 3
2.2 Balance de materia y energía 5
2.3 Proceso de elaboración del ron 6
2.4 Descripción de la producción del ron 7
2.5 Materias primas para la elaboración de Ron-mezcla 11
3. LIXIVIACION 13
3.1 Temperatura de lixiviación 13
3.2 Métodos de operación y equipos 13
3.2.1 Operación en estado no estacionario 14
3.2.2 Operación en estado estacionario (continuo) 16
4. VAPOR DE PROCESO EN LA INDUSTRIA LICORERA DE CALDAS 18
5. TRAMPAS DE VAPOR 20
5.1 Introducción 20
5.2 Definición y tipos de trampas 20
5.2.1 Grupo mecánico 22
5.2.2 Grupo termodinámico 27
5.2.3 Grupo termostatico 30
6. ANALISIS FISICOQUIMICO 366.1 Caracterización 36
6.2 Cálculo de las capacidades calorificas 38
7. ANALISIS TERMICO DEL EQUIPO 41
7.1 Evaluación del equipo actual 41
7.1.1 Evaluación cualitativa 41
7.1.2 Evaluación cuantitativa 47
7.1.3 Eficiencia del equipo 60
7.1.4 Estudio de la estabilidad del equipo 61
8. POSIBLES MEJORAMIENTOS 69
8.1 Alternativas 69
8.1.1 Cambio parcial 69
8.1.1.1 Propuesta económica del cambio parcial 70
8.1.1.2 Ventajas del cambio parcial 72
8.1.1.3 Desventajas del cambio parcial 73
8.1.2 Cambio total 73
8.1.2.1 Propuesta del cambio total 74
8.1.2.2 Ventajas del cambio total 76
8.1.2.3 Desventajas del cambio total 77
9. DISEÑO DE LA MEJOR OPCION 78
10. CONCLUSIONES 88
11. BIBLIOGRAFIA 89LISTA DE TABLAS
Pág.
Tabla 1. Caracterización de materias primas 31
Tabla 2. Caracterización de Residuos 31
Tabla 3. Caracterización de Ron-mezcla 32
Tabla 4. Volumen de Ron-mezcla obtenido en cada lixiviación 67LISTA DE FIGURAS
Pág.
Figura 1. a) Esfera hueca, b) Orificio de drenaje y c) Trampa de flotador libre 24
Figura 2. a)Trampa termodinámica en corte, b) disco 26
Figura 3. Trampa Termodinámica 28
Figura 4. Diferentes modelos de Trampas Termostaticas 29
Figura 5. Tamiz con el sistema de evacuación de sólidos 37
Figura 6. Tubería 38
Figura 7. Serpentín con el que la marmita trabaja en la actualidad 39
Figura 8. Parte inferior de la marmita 40RESUMEN
En la Industria Licorera de Caldas se produce en la sección de Elaboración de
Licores una lixiviación en proporciones debidamente establecidas con algarrobo,
uvas pasas y agua como materias primas. El producto de esta lixiviación es
llamado Ron-mezcla y corresponde al 25% del Ron viejo de Caldas. Este
cocimiento se prepara en unas marmitas, alimentadas con vapor de agua, la cual
no tiene control de temperatura ni de presión ya que los medidores se encuentran
dañados, tampoco se tiene un dato exacto del consumo de vapor que utiliza
actualmente. Las marmitas en las que se lleva a cabo el cocimiento están muy
deterioradas, presentándose entonces pérdidas de calor y también se presenta
evaporación del producto final obteniéndose así grandes pérdidas.
Debido a todo lo anterior surgió la necesidad de hacer un estudio del proceso, de
calcular su eficiencia y así saber con certeza que clase de cambios se
recomienda; o si por el contrario se debe realizar un cambio total. Se analizó
También la posibilidad de adquirir un calderín, para abastecer de vapor este
proceso ya que la caldera (pirotubular) que trabaja actualmente en ello, en muchas
ocasiones requiere prenderse únicamente para hacer esta lixiviación.
Para elegir la mejor opción se estudiaron las ventajas, desventajas y costos de
cada una, para finalmente llegar a la más viable y conveniente para la Empresa.REVIEW
In the licore Industry of Caldas it produces in the elaboration section of liquors a
lixiviation in proportions well stablished with algarrobo, grapes and water as first
resources. The product of this lixiviation is called nixed-ron and belongs to the 25%
of the old Caldas ron. This knowleged is prepared in marmits feed in water vapor,
which it dosen’t have control of temperature or pressure, that’s because it this the
meditores brored, also it dosen’t have an exactly number of consume of vapor that
usesactually. The marmits cuho carries the knowledge are broken, given thin loots
of heat anglit evaporates the final prowed so it loose in great ways.
By all that, it surges the necessity to study the process, to calculate the eficience
and to know what changes it recominds; or loy the way it needs to be a total
change. It also has the possibility to acuare a “calderin” to stablish vapor to this
process.
To choose the best option they were studied the vantages, disventages and cost of
each one, to finally reach the most avealyble and convivien to the company.INTRODUCCION
La Industria licorera de Caldas en su área de elaboración de licores venia
estudiando la posibilidad de cambiar las marmitas de producción de Ron-mezcla
por otras más modernas y eficientes, debido a que las actuales se encuentran en
muy mal estado.
Se intentó mejorar el proceso y buscar opciones que hicieran más moderno y
eficiente el equipo, mediante la implementación de medidores de presión y de
temperatura y de la economía en las pérdidas de vapor.
Para elaborar dicho proyecto, se requirió trabajar tanto con balances de materia y
energía como con transferencia de calor, los cuales dieron las pautas para elegir
la propuesta más viable para mejorar y modernizar el proceso.
Los beneficios directos de este proyecto se esperan sean reflejados en la
producción del ron viejo de Caldas en la Industria Licorera de Caldas.
11. OBJETIVOS
GENERALES
• Proponer un nuevo diseño para el mejoramiento de la eficiencia del proceso de
ron mezcla en la Industria Licorera de Caldas.
ESPECIFICOS
• Evaluar la eficiencia del equipo actual.
• Plantear posibles mejoramientos.
• Evaluación económica de cada mejora.
• Diseño de la mejor opción.
22. PROCESO DE ELABORACION DEL RON
INDUSTRIA LICORERA DE CALDAS
2.1 MARMITAS EN LA SECCIÓN DE ELABORACIÓN DE LICORES.
En la sección de Elaboración de Licores el vapor se encarga de calentar tres
marmitas, cuyo contenido es:
(cid:1) 6000 lt de agua
(cid:1) 720 kg de algarrobo
(cid:1) 960 kg de uva pasa
El contenido de cada marmita está dado por las siguientes proporciones:
(cid:1) Agua: 2000 lt
(cid:1) Algarrobo: 240 kg
(cid:1) Uva pasa: 320 kgCada marmita se alimenta con agua, algarrobo y uvas pasas en las proporciones
mencionadas anteriormente y se lleva a cabo un proceso de calentamiento
continuo durante 5 horas.
Al final de la cocción se separa la parte sólida de la mezcla, quedando dentro de la
marmita la parte líquida. Este líquido sale por el fondo hacia un tanque, de allí es
bombeado a otro tanque, de almacenamiento, previo paso de un intercambiador
de placas para enfriarlo. A continuación se prepara una solución de este líquido
con alcohol y agua para disminuir el grado alcohólico de 95°GL a 50°GL, solución
que es conducida a los toneles de añejamiento de roble y que se convierte en el
llamado Ron-mezcla.
El calor necesario para cocer esta mezcla, es suministrado a partir de vapor
saturado que pasa por un serpentín, ubicado en el fondo de la marmita. El
suministro de vapor a este proceso representa para la Empresa un costo muy alto
debido a que en muchas ocasiones se debe prender la caldera sólo para
abastecer este proceso.
El vapor proviene de una caldera de media presión (Caldera pirotubular) que
utiliza como combustible gas natural, y que además se aprovecha el vapor de
salida, de baja presión en los servicios de esta marmita en la sección de
Elaboración de Licores.
Se cree que la razón por la cual se tienen pérdidas de vapor se debe en gran
parte a que la línea presenta muchos inconvenientes en toda su trayectoria
4(filtraciones de vapor, desgaste en algunas partes), trayectoria que además es
muy larga. Las calderas que abastecen de calor a este proceso se encuentran en
el área de destilación, la cual está demasiado retirada del área de elaboración de
licores (aproximadamente 240 m).
2.2 BALANCES DE MATERIA Y ENERGÍA
Con el propósito de evaluar el consumo de vapor en la sección de elaboración de
licores, se plantean balances de materia y de energía, dividiéndolo en dos partes,
así:
1. Calor necesario para el calentamiento de toda la masa, incluyendo también las
partes de cobre como son; la marmita como tal y una canasta (tamiz) hacia el
interior de la misma, y en la cual se carga la masa sólida (algarrobo y uva pasa),
para hacer la lixiviación con agua.
Considerando lo anterior se tiene la siguiente masa a calentar:
- Agua
- Algarrobo
- Uva pasa
- Partes de cobre
5Este calentamiento inicial se hace de una temperatura de 20 °C a 120°C dura
aproximadamente 50 minutos, e implica el mayor requerimiento de calor.
2. Calor necesario para mantener toda la masa, incluyendo las partes de cobre,
a una temperatura de 120°C. Este calentamiento se lleva a cabo durante 300
[5]
minutos.
2.3 PROCESO DE ELABORACION DEL RON
El ron es una bebida alcohólica que se obtiene por destilación de diversos
productos fermentados de la caña de azúcar. Las materias primas más utilizadas
para su elaboración son las de melazas y agua o azúcar y agua. Otro tipo de ron
se obtiene fermentando una mezcla de la espuma que se forma al calentar el jugo
puro de azúcar de caña con melaza, agua y el residuo que queda tras el refinado
del azúcar. Una vez destilado, el ron es una bebida de color blanco cuyo contenido
alcohólico varía entre 40% a 75% de alcohol. Los rones oscuros se fabrican
añadiendo al licor una pequeña cantidad de caramelo o envejeciéndolo en barriles
especiales de madera que finalmente le dan el gusto y el aroma característicos.
Su sabor se debe al butirato de etilo, un éster orgánico. La mayor parte del ron
para la exportación se elabora en Barbados, Trinidad y Tobago, Jamaica, Cuba y
[3]
Puerto Rico.
6En La Industria Licorera de Caldas el ron se fabrica del alcohol Tafias, que es un
alcohol de características diferentes a los demás, posee entre el 93% y 95%
volumen; es utilizado para la elaboración de los rones, gracias a dichas
características que posee. La graduación alcohólica final debe ser mínima de 35°
[3]
alcoholimétricos. También se puede obtener por mezclas de rones.
2.3.1 Rones producidos por la Industria Licorera de Caldas
La lixiviación hecha en las marmitas sirve como materia prima para los diferentes
rones que se producen en la empresa. Entre ellos se tienen:
(cid:1) Ron joven: Ron que se somete a un proceso de maduración de mínimo
seis meses.
(cid:1) Ron añejo o viejo: Ron que se somete a un proceso de maduración
mínimo de tres años.
(cid:1) Ron muy añejo, extranjero o extraviejo: Ron que se ha sometido a un
proceso de maduración mínimo de cinco años.
(cid:1) Ron Viejo de Caldas: Es una bebida con características de sabor y
aroma especiales, que denotan su origen de caña y el proceso de
añejamiento al cual se somete, con graduación alcohólica de 35.5%
alc/vol para distribución nacional y 40% vol para exportación.
7(cid:1) Tiempo de maduración: Número de meses o años cumplidos a partir
de la fecha en que se inicio la maduración.
2.4 DESCRIPCION DE LA PRODUCCION DEL RON EN LA
INDUSTRIA LICORERA DE CALDAS
Las siguientes son las etapas que se llevan a cabo para la producción del ron:
(cid:1) Lixiviación: Es el proceso químico mediante el cual se separa una sustancia
soluble contenida en un compuesto insoluble, por tratamiento con el disolvente
apropiado.
En la Industria licorera de Caldas esta operación se lleva a cabo en marmitas, en
las cuales se introduce el algarrobo y las uvas pasas (dentro de una tolva
perforada), la temperatura de proceso es de 120°C, se trabaja con una presión de
40 psi y se deja ebullir durante 5 horas.
(cid:1) Enfriamiento: La mezcla que sale de la marmita llamado Ron-mezcla es
enfriada con la ayuda de un intercambiador de placas, el cual baja la temperatura
de 80°C hasta unos 30°C.
(cid:1) Mezcla con alcohol rectificado: El líquido saliente del intercambiador de
8calor es mezclado con alcohol tafias. Este mezclado se realiza en un tanque de
aproximadamente 20.000 L de capacidad.
(cid:1) Adición de agua: La adición del agua suavizada se realiza con el fin de bajar
la mezcla anterior hasta aproximadamente 50° Gay lussac.
(cid:1) Sedimentación: La sedimentación es el procedimiento de separación y
selección de materias sólidas, según el tamaño de sus granos, mediante el
empleo de líquidos. Luego de la adición del agua suavizada, la mezcla es llevada
a las cavas de añejamiento con el fin de dejar reposar mas no de añejar, este
reposo dura entre 2 y 3 meses. Esta operación se lleva a cabo en toneles de roble
de aproximadamente 10.000 L de capacidad.
(cid:1) Filtración: La filtración es realizada en un filtro de arena el cual esta
compuesto de varias capas, que van desde grava (la fase más gruesa) hasta
arena (la capa más fina), aquí se busca seguir eliminando sólidos suspendidos en
la mezcla.
(cid:1) Mezcla: En el tanque de mezclado se introduce:
(cid:1) Ron- mezcla (50° Gay lussac)
(cid:1) Tafias de añejamiento (70° Gay lussac)
9(cid:1) Caramelo
(cid:1) Agua suavizada
El mezclado se hace por medio de una hélice axial, la mezcla final queda con
35° Gay lussac.
(cid:1) Añejamiento: El añejamiento se realiza en toneles de roble ubicados en
Unas cavas de añejamiento que no son mas que bodegas oscuras y húmedas.
El roble es originario de Francia y se utiliza para la fabricación de los toneles
porque dan al licor un sabor y aroma supremo (también conocido como
Bouquet).
(cid:1) Filtración: La segunda filtración se lleva a cabo en filtros de placas.
Las placas son elaboradas en material de celulosa, lo cual según la empresa
confiere al producto un brillo especial.
(cid:1) Envasado: El envasado se realiza por medio de cinco líneas de
envasado.
Para la recepción de los envases existe una empaletadora, máquina que por
medio de la succión transporta gran cantidad de envases hasta la zona del
envasado.
102.5 MATERIAS PRIMAS PARA LA ELABORACION DEL RON–
MEZCLA
2.5.1 Algarrobo
Nombre común de un árbol de 15m de altura y follaje perenne. Tiene hojas de
color verde oscuro y flores pequeñas, rojas y apétalas. El fruto es una vaina
coriácea de color castaño oscuro de 10 a 30 cm de longitud que contiene una
pulpa gomosa de sabor dulce y agradable que rodea las semillas. Las vainas son
comestibles y se usan como forraje. Las semillas, de tamaño y peso notoriamente
uniformes, fueron al parecer el patrón original del quilate, la unidad de peso
utilizada en joyería. El algarrobo es originario de la región mediterránea, pero se
cultiva también en otras zonas cálidas.
Clasificación científica: El algarrobo pertenece a la subfamilia Cesalpinioídeas
(Caesalpinioideae) de la familia de las Leguminosas (Leguminosae). Es la especie
[10]
Ceratonia siliqua.
112.5.2 Uva pasa
Las más apreciadas son las obtenidas a partir de variedades sin semillas, de
acidez baja y ricas en azúcares. Las variedades europeas se consideran
superiores a las del este estadounidense para elaborar vinos de mesa, como
frutos de postre y de mesa y para elaborar pasas, mientras que las variedades
[11]
norteamericanas se prefieren para jugos y jaleas.
123. LIXIVIACION.
Se tendrán en cuenta algunos puntos para conocer un poco más de la lixiviación
que se realiza en las marmitas.
3.1 TEMPERATURA DE LIXIVIACIÓN:
Generalmente es preferible lixiviar a la más alta temperatura posible. Las
temperaturas más elevadas dan lugar a una mayor solubilidad del soluto en el
solvente y, en consecuencia, es posible lograr concentraciones más altas en el
lixiviado. Es menor la viscosidad del líquido y mayores las difusividades a
temperaturas más altas, lo que conduce a incrementar los regímenes de
lixiviación. En el caso de algunos productos, las temperaturas demasiado altas
pueden conducir a lixiviar cantidades excesivas de solutos indeseables o al
[4]
deterioro químico del sólido.
3.2 METODOS DE OPERACION Y EQUIPOS:
Las operaciones de lixiviación se llevan a cabo tanto en condiciones discontinuas
y semicontinuas (estado no estacionario) como también en condiciones continuas
13(estado estacionario). En cada categoría se encuentran tipos de equipos en
etapas y de contacto continuo. Se utilizan principalmente dos técnicas de manejo:
el rociado o goteo del líquido sobre el sólido y la completa inmersión del sólido en
el líquido. La selección del equipo a emplear depende, en cualquier caso, de la
[4]
forma física de los sólidos y de las dificultades y costo de su manejo.
3.2.1 Operación en estado no estacionario:
Las operaciones en estado no estacionario incluyen aquellas en que los sólidos y
líquidos se ponen en contacto de manera puramente discontinua, también
aquellas en que una partida del sólido se pone en contacto con una corriente del
líquido que fluye continuamente (método semicontinuo). Las partículas gruesas de
los sólidos generalmente se tratan en lechos fijos por medio de los métodos de
percolación; mientras que los sólidos finamente divididos, que pueden mantenerse
con más facilidad en suspensión, pueden dispersarse a través del líquido con
ayuda de algún tipo de agitador.
Algunos equipos que se podrían utilizar en la lixiviación que se realiza en las
marmitas:
14(cid:1) Tanques de precolación: Se pueden lixiviar convenientemente los
sólidos de tamaño intermedio con métodos de percolación en tanques
abiertos.
(cid:1) Percolación en recipientes cerrados: Cuando la caída de presión
para el fluido de líquido es demasiado alta para que fluya por gravedad,
deben utilizarse recipientes cerrados, bombeando el líquido a través del
lecho de sólido. También son necesario tanques cerrados para prevenir las
pérdidas por evaporación cuando el solvente es muy volátil o cuando se
deseen temperaturas por arriba del punto normal de ebullición del solvente.
(cid:1) Filtro prensa para lixiviación: Los sólidos finamente divididos,
demasiado finos para su tratamiento por percolación en tanques
relativamente profundos, pueden filtrarse y lixiviarse en el filtro prensa
bombeando el solvente a través de la torta prensada.
(cid:1) Recipientes con agitadores: Canalizando el solvente en percolación o
en filtro prensa para lixiviación de lechos fijos, puede evitarse su
consecuentemente baja e incompleta lixiviación agitando el líquido y el
sólido en los recipientes lixiviadores. Para sólidos gruesos, se han
15proyectado muchos tipos de recipientes con agitadores. En tales casos los
recipientes cilíndricos cerrados se disponen verticalmente y se montan con
agitadores o paletas de una unidad impulsora con ejes verticales, al final de
la operación. En otros, los recipientes son horizontales, con el agitador
dispuesto en un eje horizontal.
3.2.2 Operación en estado estacionario (continua).
Los equipos para operaciones continuas en estado estacionario pueden en
general clasificarse en dos grandes categorías, según sea su operación en etapas
o con contacto continuo. A veces se puede montar el equipo en etapas o con
contacto continuo.
(cid:1) Lixiviación durante la molienda: Para muchos sólidos es necesaria la
molienda, para que las porciones solubles sean accesibles a los solventes
de lixiviación; y si se ejecuta una molienda húmeda continua, puede al
mismo tiempo llevarse cierta lixiviación.
(cid:1) Recipientes con agitador: Los sólidos molidos finamente, que por
medio de la agitación pueden fácilmente quedar en suspensión en los
16líquidos, pueden lixiviar de modo continuo en cualquiera de los tipos de
tanques o recipientes con agitador. Pueden éstos disponerse para el flujo
continuo del líquido y del sólido dentro y fuera del tanque debiéndoselos
proyectar cuidadosamente, a fin de que no se produzca una acumulación
del sólido. En razón de que comúnmente se obtiene una mezcla completa,
estos dispositivos son de una sola etapa en su acción, tendiendo el líquido
y el sólido hacia el equilibrio en el interior del recipiente.
Pueden utilizarse recipientes con agitación mecánica, para los cuales el
más adecuado es probablemente el agitador tipo turbina.
174. VAPOR DE PROCESO EN LA INDUSTRIA LICORERA DE
CALDAS.
El vapor de agua es el fluido de transporte de calor que más se utiliza puesto que
se trata de una sustancia no tóxica, es una de las sustancias naturales más
abundantes y supera a los demás fluidos en cuanto a su disponibilidad,
estabilidad, bajo costo, capacidad elevada de transporte de calor y seguridad.
La Industria Licorera de Caldas ve justificada la operación de un generador
eléctrico en este aspecto y así poniendo en marcha una caldera de alta presión
(caldera acuotubular) y además se aprovecha el vapor de salida, de baja presión
en los servicios de la destilería.
Otro tipo de vapor, generado en las calderas pirotubulares (vapor de baja presión),
cumple otras funciones dentro del proyecto y apoya las demás funciones cuando
no está operando el generador y por consiguiente, la caldera acuotubular deja de
producir vapor de alta presión en su parada.
18En la industria de proceso químico el primer paso es calcular la cantidad de
materia prima requerida para obtener una cantidad de producto, y de esta manera
buscar la optimización del proceso.
El balance de materia es el método que permite determinar las cantidades
requeridas y presentes en todo el proceso o en cualquier punto del mismo. El
balance de materia es el cómputo de las cantidades de sustancia que entran,
salen, se acumulan o se transforman en una operación industrial.
En conjunto, los balances de materia y energía corresponden a la aplicación del
principio de la conservación de la materia y de la energía o primera ley de la
termodinámica, principios que se tuvieron en cuenta en el desarrollo del presente
trabajo.
La Industria Licorera de Caldas dispone de una sala de generación que consta de
tres calderas a saber, una acuotubular de alta presión y dos pirotubulares de
media presión las cuales proveen de calefacción a todos los servicios de la
empresa. La caldera acuotubular esta destinada fundamentalmente a la
producción de gran parte de la energía eléctrica que requiere la planta así:
191. Transformación de la energía del combustible en calor.
2. Transformación de la energía potencial del vapor
3. Transformación de la energía potencial del vapor en energía mecánica
4. Transformación de la energía mecánica en energía eléctrica.
205. TRAMPAS DE VAPOR
5.1 Introducción
Tan pronto como el vapor deja la caldera empieza a ceder parte de su energía a
cualquier superficie de menor temperatura. Al hacer esto, parte del vapor se
condensa convirtiéndose en agua, prácticamente a la misma temperatura.
Las ventajas de utilizar trampas son: economizar grandes cantidades del
combustible requerido para calentar las inmensas cantidades de agua lo que
[12]
conlleva a un ahorro en los costos no despreciable.
5.2 Definición y tipos de trampas.
Una trampa para vapor es un dispositivo que permite eliminar: condensado, aire y
otros gases no condensables, además de prevenir pérdidas de vapor.
Funciones de las trampas de vapor:
21Eliminación de condensado: El condensado debe pasar siempre, rápido y
completamente a través de la trampa para vapor para obtener un mejor
aprovechamiento de la energía térmica del vapor.
Eliminación de aire y otros gases no condensables: El aire y los gases
disminuyen el coeficiente de transferencia de calor. Además, se debe tener
presente que el O2 y el CO2 causan corrosión.
Prevención de pérdidas de vapor: No deben permitir el paso de vapor sino hasta
que éste ceda la mayor parte de energía que contiene, también las pérdidas de
vapor deben ser mínimas mientras la trampa libera vapor condensado, aire y
gases incondensables.
Se mostrarán varios tipos de trampas de vapor que tiene la línea existente, las
cuales darán pautas para saber si son las adecuadas, o si por el contrario se
necesitan otras diferentes.
5.2.1 Grupo mecánico:
Las trampas de vapor del tipo mecánico trabajan con la diferencia de densidad
entre el vapor y el condensado.
22Estas trampas trabajan mediante un flotador, el cual hace de válvula, en la que,
cuando se acumula condensado ésta se abre descargándolo.
Cuando está cerrada, comienza nuevamente el ciclo llenándose de vapor para
luego comenzar nuevamente.
Entre las trampas de este tipo tenemos:
(cid:1) Trampa de flotador libre: Este tipo de trampa consta de una esfera
hueca (flotador), en la que al ingresar el flujo de vapor, ésta se mantiene
apoyada en un asiento. Cuando el vapor comienza a condensar, el nivel de
agua hace subir a la esfera dejando libre el orificio de drenaje figura 1.
Una vez que el condensado disminuye, la esfera, que hace de válvula,
retorna paulatinamente a su posición (en el asiento), tapando el orificio de
salida causando así la mínima perdida de vapor. Luego, el nuevo ciclo hará
lo mismo, así que entonces el drenado es continuo.
Debido a que estas trampas no poseen partes mecánicas es muy poco
probable que falle, luego mantenimiento es prácticamente nulo.
De la figura 1 se puede apreciar que la esfera flotadora es bastante grande
en comparación con el orificio de drenaje, lo cual hace que sea difícil tener
un buen asiento.
23a) b) c)
Figuras 1. a) Esfera hueca, b) Orificio de drenaje y c) Trampa de flotador libre
(cid:1) Trampa de flotador y palanca: Este es un tipo muy parecido al
mencionado anteriormente, donde entra el vapor al cuerpo de la trampa y al
comenzar a condensar hace subir una esfera flotante; la diferencia con el
anterior es que ahora la esfera está conectada a una palanca, la que a su
vez está conectada con la válvula de salida o drenaje.
Así, cuando el nivel del condensado empieza a subir también lo hace la
válvula de salida, la que gradualmente descargará el condensado.
Al igual que la trampa de flotador libre ésta mantiene una descarga continua
del condensado.
24Una vez terminada la descarga, el flotador baja y nuevamente se acomoda
sobre un asiento, impidiendo así el escape del vapor.
Uno de los inconvenientes de la trampa de flotador y palanca, al igual que la
trampa de flotador libre es que en ambas el aire que se mantiene dentro de
la trampa no puede salir por la válvula de drenaje, por esto aveces se
instala una válvula de escape del aire y gases no condensables en la parte
superior de la trampa.
Entre algunas ventajas de este tipo de trampa el drenado puede ir del
mínimo al máximo de condensado con igual eficiencia sin verse afectado
por los grandes cambios de presión.
Existe una variedad de ésta trampa, en vez de llevar una válvula manual
que descargue el aire y gas no condensable posee una válvula automática
(eliminador termostático de aire), la cual posee un elemento termostático
que se dilata o contrae según la temperatura del fluido; se dilata y cierra el
orificio de salida cuando el vapor llega, y se contrae y abre una vez que se
ha producido el condensado. Luego cuando tenga aire nuevamente, éste ira
a la parte superior y automáticamente se descargará.
255.2.2 Grupo termodinámico:
Este tipo de trampas de vapor opera con el principio de diferencia entre flujo de
vapor sobre la superficie comparado con el flujo del condensado. Al entrar el vapor
este viene con una velocidad mayor y el disco que se usa como válvula se cierra,
se abre al presentarse la baja velocidad del condensado (figura 2).
Su funcionamiento es relativamente simple, ya que en su interior solo poseen una
sola pieza en movimiento, un disco flotante.
a) b)
Figura 2. a)Trampa termodinámica en corte, b) disco
26En el comienzo, la presión del condensado y/o aire levanta el disco de su asiento.
El flujo es radial debajo del disco, hacia la salida. La descarga prosigue hasta que
el condensado se acerca a la temperatura del vapor.
Un chorro de vapor “flash” reduce la presión debajo del disco y al mismo tiempo
por recompresion, origina presión en la cámara de control encima del disco, esto
empuja a este último contra su asiento, asegurando un cierre perfecto, sin perdida
de vapor.
Luego, al acumularse condensado, se reduce el calor en la cámara de control,
conforme se va condensando el vapor bloqueado en la cámara la presión se
reduce. El disco es levantado por la presión de entrada y se descarga el
condensado. Estas trampas tienen una gran cantidad de descarga en
comparación con su tamaño, ya que son ligeras, simples y compactas. Además
debido a que la única parte en movimiento es el disco, es posible hacer un
[12]
mantenimiento fácil (figuras 2 y 3).
5.2.3 Grupo termostático:
Estas trampas operan mediante un sensor de temperatura, el que identifica la
temperatura del vapor y del condensado. Como el vapor se condensa adquiere
una temperatura menor a la del vapor, cuando ésta temperatura del condensado
llega a un valor especifico, la trampa abrirá para drenar el condensado (figura 3.)
27Entre algunas de este tipo tenemos:
Figura 3. Trampa Termodinámica marca Armstrong.
(cid:1) Trampa tipo bimetálico: El funcionamiento de esta trampa es simple,
al igual que las anteriores, pero antes de entrar en lo que es el
funcionamiento tal de la trampa, veremos lo que es llamado bimetal.
Entonces el funcionamiento de las trampas bimetálicas es el siguiente: la
trampa está abierta en su totalidad en el arranque, donde descargará el aire
y el condensado que se encuentre al interior del cuerpo ya que la
temperatura de éste es menor que la del condensado (figura 4).
28Figura 4. Diferentes modelos de Trampas Termostáticas marca Armstrong.
296. ANALISIS FISICOQUIMICO
La Industria Licorera de Caldas, no cuenta con una caracterización detallada de
las materias primas que se utilizan en el Area de Elaboración de Licores para el
cocimiento de Ron- mezcla, por eso se decidió hacer un análisis tanto de uva pasa
como de algarrobo. Se analizaron muestras antes y después de hacerse la
lixiviación.
6.1 Caracterización.
(cid:1) Materias primas.
Para hacer la caracterización, se utilizaron muestras de las materias primas con
las cuales se trabajó la alimentación al proceso durante el mes de abril del año en
curso.
Los resultados en el laboratorio fueron los siguientes:
30Tabla N°1. Caracterización de materias primas
UVA PASA ALGARROBO
Acidez 6.1mg ácido/g 8.21mg ácido/g
Humedad 31.35% 30.5%
Proteína 8.77% 26.36 %
Grasa 0.67% 1.12%
Azúcar 57.85% 41.54%
Cenizas 1.36% 0.48%
(cid:1) Residuos.
Se analizó el contenido de azúcar y acidez en las muestras obtenidas después de
la extracción en el mes de abril.
El rango de los datos obtenidos fueron los siguientes:
Tabla N°2. Caracterización de Residuos.
RANGO
UVA PASA Azúcar 6.5% - 12.21%
Humedad 24% - 35%
Acidez 6.7 - 7.5 (mg ácido/g)
ALGARROBO Azúcar 6.5% - 8.6%
Humedad 40% - 48%
Cenizas 3.6% - 5.9%
Acidez 4.8 - 5.6 (mg ácido/g)
31Los datos reportados muestran que la extracción que se hace en la planta no es
buena, debido a que el contenido de azúcar es alto (entre 20 y 30% de su
contenido total de azúcar), presentándose así pérdidas con las materias primas
debido a que los residuos se desechan.
(cid:1) Ron-mezcla.
Los resultados para la caracterización de Ron-mezcla se muestran en la Tabla
N°3.
Tabla N°3. Caracterización de Ron-mezcla.
Determinación g/100g de
muestra
Humedad 0.5876
Proteína 0.0566
Grasa 0.0213
Azúcar 0.3125
Cenizas 0
Otros 0.022
Datos adicionales.
Grado Brix (28°C) 73.8
Viscosidad (25°C) 10 192.00 mPa s
Densidad 1.05 gr/cm3
pH 4.62
326.2 Cálculo de las capacidades caloríficas.
Con la siguiente correlación se pueden calcular capacidades caloríficas para
[12]
alimentos.
C p = 1.424X + 1.549X + 1.675X + 0.873X + 4.187 X (6.1)
mezcla a p g c H O
2
La anterior ecuación viene dada en kJ / kg °C.
Donde
X : Fracción másica de azúcar
a
X : Fracción másica de proteína
p
X : Fracción másica de grasa
g
X : Fracción másica de cenizas
c
X : Fracción másica de agua
H O
2
33De la caracterización del Ron-mezcla (tabla N°3), se pueden obtener los datos
necesarios para obtener la capacidad calorífica de la solución:
C
p = 1.424(0.3125) + 1.549(0.0566) + 1.675(0.0213) + 4.187(0.5876)
mezcla
C
p = 3.027 kJ / kg °C
mezcla
Con los datos de la tabla (2) se obtiene se obtiene la capacidad calorífica del
algarrobo:
C
p =1.424(0.4154)+1.549(0.2636)+1.675(0.012)+0.873(0.0048)+4.187(0.305)
algarrobo
C
p = 2.4128 kJ / kg °C
algarrobo
Con los datos de la tabla (2) se obtiene la capacidad calorífica de la uva pasa:
C
p =1.424(0.5785)+1.549(0.0877)+1.675(0.0067)+0.873(0.00136)+4.187(0.3135)
uvapasa
C
p = 2.5671 kJ / kg °C
uvapasa
Con los datos de la tabla (3) se obtiene la capacidad calorífica del algarrobo en el
residuo.
34C
p =1.424(0.076)+1.549(0)+1.675(0)+0.873(0.108)+4.187(0.4)
algarres
C
p = 1.8794 kJ / kg °C
algarres
Con los datos de la tabla (3) se obtiene se obtiene la capacidad calorífica de la uva
pasa en el residuo:
C
p = 1.424(0.065)+1.549(0)+1.675(0)+0.873(0)+4.187(0.24)
uvares
C
p = 1.0255 kJ / kg °C
uvares
357. ANALISIS TERMICO DE LA MARMITA.
7.1 Evaluación física del equipo:
Observando las marmitas se encontró que:
• Están deterioradas físicamente. Figuras (5) y (8)
• Los medidores de presión y de temperatura están dañados
• Presentan corrosión en la mayoría de sus partes. Figuras (5), (8), (9) y (10)
• El sistema de evacuación de sólidos se lleva a cabo con una polea que se
encuentra en muy mal estado (oxidado). Figura (5)
• La extracción de azúcar no es completa: para precisar esto se analizaron
varias muestras (tabla N°3).
36Figura 5. Tamiz con el sistema de evacuación de sólidos.
37Figura 6. Tubería
38Figura 7. Serpentín con el que la marmita trabaja en la actualidad.
39Figura 8. Parte inferior de la marmita.
40La línea de vapor presenta algunos problemas, como son:
• La trampa de vapor tiene desgaste de sus partes, reduciendo así la eficiencia
del sistema y aumentando los costos.
• Las cañerías presentan corrosión.
• Hay pérdidas de vapor debidas a partes desgastadas.
• En el orificio de las válvulas se han alojado pedazos de incrustaciones.
• Las trampas de vapor no tienen filtros
• El sistema no es alimentado con vapor, sino con agua caliente
7.2 Evaluación cuantitativa:
VAPOR
T = 121°C P = 40psi
vapor in
T =120°C
P = 80psi
vapor in
T = 101°C
cond
P = 80psi
cond
Figura 9. Diagrama del sistema con sus variables
41A la P = 80psi, de tablas de vapor, se tiene que la temperatura de
vapor in
saturación (T ) es de 155.6 °C.
satur.in
VAPOR
T = 160°C P = 40psi
vapor in in marm.
T = 120°C
P = 80psi in marm
vapor in
T = 155.6°C
cond
P = 80psi
cond
Figura 10. Diagrama del sistema a condiciones ideales
Se llama a condición ideal debido a que el vapor solo entregará el calor latente no
el calor sensible por lo que no cambia ni la temperatura ni la presión.
42(cid:1) Cálculo de la masa de vapor usado.
[8]
Se usa entonces la siguiente correlación:
Ln[(T - t 1) / (T – t 1)] =(wc/MC)[(K1 - 1) / K1]θ (7.1)
1 2
Teniendo en cuenta que:
K1 = e UA /WC (7.2)
Donde:
T : Son fluidos calientes (°F)
t : Son fluidos frío (°F)
M : Caudal del fluido caliente (lb).
w : Caudal del fluido frío (lb/h)
C : Capacidad calorífica del fluido caliente en Btu/(lb)(°F)
c : Capacidad calorífica del fluido frío en Btu/(lb)(°F)
θ : Tiempo de calentamiento (h)
U: Coeficiente total de transferencia de calor en Btu/(h)(pie2)(°F)
A: Area de transferencia de calor (pies2)
43Despejando UA de la ecuaciòn (8.2):
UA = wcLn K1 (7.3)
Se despeja K1 de la ecuación (8.1)
[ Ln{ 1)}) /θ wc]
K1 = 1 / 1 – (MC (T - t 1) / (T – t (7.4)
1 2
Remplazando los datos
Ln(T - t 1) / (T – t 1)= Ln((75.4°F– 93.6°F)/(239.4°F- 93.6°F)) =0.2207
1 2
K1 = 1 / [1 – (14422.62lb* 1.7091 Btu/(lb)(°F)*0.2207)/ 13188.036 lb / h*5h0.4299 Btu/(lb)(°F)
Se obtiene
K1 = 1.2374
Con el anterior dato y la ecuación (3) se obtiene UA:
UA = 5669.53 Btu/(h)(°F) ln 1.2374
UA = 1207.68 Btu/(h)(°F) (7.5)
44(cid:1) Cálculo del coeficiente total de transferencia de calor (U).
Calculando el Area de transferencia de calor (A):
A = 2*π*r’ *L
Donde
r’ = Mitad del diámetro del serpentín
L = Longitud del serpentín
Tomando los datos del serpentín de la marmita
r’ = 0.12 m
L = 4.45 m
π
A = 2* *(0.03m)(11.45 m)
A = 2.1582 m2 = 23.2322 pies2
Reemplazando el área en la ecuación (7.5)
U = 1207.68 Btu/(h)(°F) / 23.2322 pies2
45U = 51.98 Btu/(h)(pie2)(°F)
(cid:1) Calor total agregado al sistema (q ): [8]
1
q = Z (T - T ) (7.6)
1 0 f
Z corresponde a una Capacidad calorífica conjunto:
[ ]
C = (M/M+ M )C + (M /M + M) C M+ M
pconjunto L p L L p L
Cu L
Donde:
M = Masa del metal (cobre) en kg
C = Capacidad calorífica del cobre en kJ/(kg)(K)
p
Cu
C = Capacidad calorífica del líquido en kJ/(kg)(K)
p
L
M = Masa del líquido en kg
L
Entonces
Z = C = MC + M C (7.7)
pconjunto p L p
Cu L
46Con las temperaturas medidas en el proceso:
T0 = 394 K
Tf = 374 K
Para calcular Z se necesitan los datos que se dan a continuación:
[3]
Datos preliminares para el cobre:
ρ
= 8890 kg / m3
Cu
C = 3.354 * 102 J / (kg)(K) = 0.3854 kJ / (kg)(K)
p
Cu
Para calcular la masa de Cobre se tomaron las dimensiones de la marmita y la
malla necesarias para hacer los cálculos:
RECIPIENTE EXTERIOR (MARMITA)
Altura h = 1.20 m
Diámetro r = 0.835 m
Espesor e = 0.005 m
47MALLA
Altura H = 1.18 m
Diámetro R = 0.46 m
Espesor e’ = 0.005 m
Para calcular el volumen de cobre en la marmita:
Cálculo del área de la marmita:
El A es un nombre técnico dado a esta parte por la Industria Licorera de
cáscara
Caldas
A = 2*π*r*h
cáscara
Con los datos medidos :
A = 2π (0.835m)(1.20m)
cáscara
A = 6.295 m2
cáscara
Cálculo del área de las tapas A :
tapas
A = 2*π*r2
tapas
48A = 2π (0.835m)2
tapas
A = 4.3818 m2
tapas
Area total en la marmita A :
Totalmarmita
A = A + A
totalmarmita cascara tapas
A = 2*π*r*h + 2*π*r2
Totalmarmita
A = 6.295 m2 +4.3808 m2
Totalmarmita
A = 10.675 m2
Totalmarmita
A se refiere a la superficie de contacto del líquido con el metal.
Totalmarmita
Cálculo del volumen de la marmita V :
marmita
V = A * e = (10.675 m2)(0.005 m)
marmita Totalmarmita
V = 0.0533 m3
marmita
49Cálculo del área de la malla:
A = 2*π*R*H
cáscara malla
A = 2π (0.46m)(1.18m)
cáscara malla
A = 3.4105 m2
cáscara malla
El A es un término técnico dado por la empresa a esta parte.
cáscara malla
Cálculo del área de las tapas A :
tapasmalla
A = 2*π*R2
tapamalla
A = 2π (0.46m)2
tapamalla
A = 1.3295 m2
tapamalla
Área total en la malla A :
Totalmalla
A = A + A
totalmalla cáscara malla tapamalla
A = 2*π*R*H + 2*π*R2
Totalmalla
A = 3.4105 m2 + 1.3295 m2
Totalmalla
50A = 4.74 m2
Totalmalla
Se utilizará un factor de 0.8 por los huecos de la malla:
A = 4.74 m2 * 0.8
Totalmalla
A = 3.792 m2
totalmalla
Cálculo del volumen de la marmita V :
malla
V = A * e’ = (3.792 m2)(0.005 m)
malla totalmalla
V = 0.01896 m3
malla
El volumen total de cobre en la marmita es:
V = V + V
TOTALCOBRE malla marmita
V TOTALCOBRE = 0.01896 m3 + 0.0533 m3
V = 0.07226 m3
TOTALCOBRE
51La masa total de Cobre es M:
M = V * ρ
TOTALCOBRE Cu
M = 0.07226 m3 * 8890 kg / m3
M = 642.3914 kg
Utilizando la ecuación (7) y los datos anteriormente calculados se obtiene Z:
Z = (642.387 kg)(0.3854 kJ/(kg)(K) + (6542kg)(3.9755kJ/(kg)(K)
Z = 26255.3 kJ / K
De la ecuación (6) el calor total agregado al sistema es:
q = 26255.3 kJ / K (394K - 374K)
1
q = 525106 kJ
1
(cid:1) Cálculo del tiempo que tarda en estabilizarse el sistema:
Para saber el tiempo que tarda en estabilizarse el sistema se tomaron datos de la
temperatura de mezcla cada 5 minutos a lo largo de las 5 horas de la lixiviación.
52Los resultados se muestran en el siguiente gráfico Nº1.
Temperatura de la mezcla vs tiempo
140
120
100
)Cº(
80
arutarepmeT
60
40
20
0
0 40 80 120 160 200 240
Tiempo (min)
Gráfico N°1. Temperatura de mezcla vs tiempo.
Del gráfico se obtiene que el sistema se estabiliza a 120°C
Tiempo total = 5 h = 300 min
Tiempo en estado transitorio = 50 min
Tiempo en estado estable = 250 min
F = 5000 lt/h
v v c
53F
Donde es el flujo de vapor vivo de caldera
v v c
Haciendo el balance de energía para calcular el calor suministrado en estado
estable (T=120°C) q :
2
ρ
q = F (H – H ) * 250 min * 1h/60min
2 v v c vvc ent sal
A 121°C, 80psi y a 101°C, 80psi de las tablas de propiedades termodinámica
del agua respectivamente
H = 503.71 kJ/kg
ent
H = 419.04 kJ/kg
sal
Reemplazando datos:
q = 5000 lt/h * 0.9431 kg/lt (84.67 kJ/kg) * 4.17 h
2
Entonces la cantidad de calor suministrado en estado estable es
q = 1663589.104 kJ
2
Finalmente se obtiene la cantidad de vapor usado:
54Masa de vapor usado = (q + q ) / λ (7.8)
1 2
De tablas de vapor obtenidas de la enciclopedia Química industrial se obtuvo:
λ
= 2174.2 kJ/kg
40psi
Con los datos hallados anteriormente y la ecuación (7.8):
q = 525106 kJ
1
q = 1663589.104 kJ
2
Masa de vapor usado = (525106 kJ + 1663589.104 kJ) / (2174.2 kJ/kg)
Masa de vapor usado = 1006.67 kg
Esta cantidad de masa de vapor usado, fue la consumida por el proceso por hora
de lixiviación en el mes de abril del año en curso.
El vapor real consumido por la marmita en el mismo tiempo fue de 2175.704 kg
(dato reportado por el área de (cid:31)estilación de La Industria licorera de Caldas). La
diferencia entre el dato reportado y el dato calculado se debe a pérdidas por fugas
en la tubería, chaquetas y accesorios defectuosos.
557.1.3 Eficiencia del equipo
Con el dato de masa de vapor usado y el dato reportado por la empresa.
[ ]
EFICIENCIA = Valor teórico / Valor real * 100
[ ]
EFICIENCIA = 1006.67 kg) / 2175.704 kg * 100
EFICIENCIA = 46.26 %
Para el análisis se tomara como factor la economía, teniendo en cuenta que a la
empresa el kg de vapor le cuesta $1300 (Fuente: costos Área de calderas
Industria Licorera de Caldas).
Teniendo en cuenta el dato reportado por la empresa y que las marmitas en el
mes de abril trabajaron 60 horas.
COSTO OPERACIÓN REAL = 2175.704 kg / h * 1300 $ / kg * 60 h / mes
COSTO OPERACIÓN REAL = 169´704.912 $ / mes
Con el dato calculado de la masa de vapor consumido.
56COSTO DE OPERACIÓN IDEAL = 1006.67 kg / h * 1300 $ / kg * 60 h / mes
COSTO DE OPERACIÓN IDEAL = 78´520.260 $ / mes
Las pérdidas por vapor en términos económicos serían:
PERDIDAS = COSTO DE OPERACIÓN REAL - COSTO DE OPERACIÓN IDEAL
PERDIDAS = 169´704.912 $ / mes – 78´520.260 $ / mes
PERDIDAS = 91´184.652 $ / MES
Cabe anotar que estas pérdidas se deben únicamente a vapor y no a otros
factores como son energía eléctrica, mano de obra, etc.
Se llega a la conclusión que el sistema de calentamiento de la marmita está muy
deteriorado, es decir, se debe mejorar la eficiencia térmica para que el flujo de
vapor se acerque al ideal y los costos de operación sean mínimos.
7.1.4 Estudio de la estabilidad del proceso
1. Durante el tiempo que tarda en estabilizarse el sistema (50 min), se calentó el
sistema con un flujo de vapor al máximo desde una temperatura inicial de
20°C hasta una temperatura final 120°C y a una presión de 40 psi.
572. Al cabo de los 50 min se cerró la válvula de vapor e inmediatamente se tomó la
lectura de masa de condensado que se había obtenido hasta ese momento
(17600 kg).
3. Se esperó a que la temperatura bajará 1 Kelvin y se volvió a suministrar vapor,
hasta que la temperatura subiera nuevamente a la temperatura de operación
(120°C). Durante el tiempo de cocimiento (5 horas), se repitió el procedimiento
4 veces, en las cuales se tomó nuevamente la lectura de masa de condensado,
la cual en cada toma fue de 950 kg.
OBSERVACIONES: Durante la prueba no se permitió la salida de vapor del
sistema, en otras palabras no hubo evaporación de la mezcla, lo cual se logró
regulando manualmente la válvula.
BALANCES DE ENERGIA
Asumiendo que la evaporación fue cero.
Haciendo el balance de energía
Q Q
=
entregado vapor ganado mezcla
58Sabiendo que
ρ
Q = F (H – H )
entregado vapor v v c vvc ent sal
∆
Q = m C p T
ganado mezcla mezcla mezcla
Entonces
ρ ∆
F (H – H ) = m C p T
v v c vvc ent sal mezcla mezcla
De donde
ρ ∆
m = F T y = 1 kelvin
vvc vvc vvc
Entonces
∆
m (H – H ) = m C p T
vvc ent sal mezcla mezcla
Despejando la masa de vapor
∆
m = m C p T /(H – H )
vvc mezcla mezcla ent sal
59Remplazando los datos obtenidos previamente:
[ ]
m
= 4542 kg * 3.027kJ/(kg)(K) * 1K / 84.67 kJ/kg
vvc
m
= 162.37 kg
vvc
Como en las 5 horas se hicieron 4 regulaciones, entonces la masa de vapor para
mantener el sistema a la temperatura de 120°C es:
m
= 162.37 kg * 4
vvc
m
= 649.52 kg
vvc
(cid:1) Masa de vapor en estado transitorio m .
vvcE.T
m
: es el vapor que se consume para llegar a T y P ideales
vvcE.T
∆
m (H – H ) = m C p T
vvcE.T ent sal mezcla mezcla
60Haciendo los cálculos
[ ∆ ]
m m C
= p T / (H – H )
vvcE.T mezcla mezcla ent sal
∆
Haciendo los cálculos con T = (120°C-20°C) = (393K-293K) = 100K
[ ]
m
= 4542 kg * 3.027kJ/(kg)(K) * 100K / 84.67 kJ/kg
vvcE.T
m
= 16237.90 kg
vvcE.T
La masa de vapor total en 5 horas es:
m = m + m
vvcTotal vvc vvcE.T
m = 649.52 kg + 16237.90 kg
vvcTotal
m
= 16887.42 kg
vvcTotal
m
En forma de flujo (aproximado)
vvc
m m
.= / 5h
vvc vvcTotal
m
= 3377.484 kg/h
vvc
La diferencia entre la cantidad de masa de vapor real (17600 kg) y la obtenida
teóricamente (16887.42 kg), se debe a que en planta no se puede controlar del
61todo que la evaporación (disipación de energía) y las pérdidas de calor por pared
sean cero.
(cid:1) Cálculo de la masa de agua evaporada m:
Por balances de energía
λ
q = mq + m
2 calentamiento 40psi
λ
A condiciones T=120°C y P=40psi de tablas = 2174.2 kJ/kg
40psi
λ
1663589.104 kJ = m C p (T - 120°C) + m
mezcla sat.40psi 40psi
1663589.104 kJ = m (4.186 kJ/kg°C)(130°C - 120°C) + m (2174.2 kJ/kg)
Entonces la masa de agua evaporada
m
= 750.76 kg
62Teniendo en cuenta los cálculos anteriores se tiene que se evaporan 750.76 kg
de agua de la mezcla.
Cantidad final de Ron-mezcla.
Los datos de la tabla (4) proporcionan un promedio de la mezcla final de la
lixiviación 4909.5 lt. Este dato es el arrojado por las tres marmitas entonces por
cada marmita la cantidad de Ron-mezcla obtenido es de 1636.5 lt
aproximadamente, dato que es muy cercano al valor teórico hallado de la siguiente
manera:
Cantidad inicial de agua = 2000 lt = 1994 kg
Cantidad de agua evaporada = 750.76 kg
Cantidad de mezcla final = 1243.24 kg
63Tabla N°4. Volumen de Ron-mezcla obtenido en cada lixiviación
FECHA Cantidad final de Ron-
mezcla (lt)
Abr-29 4700
Abr-31 4000
May-02 4400
May-05 4000
May-06 4900
May-07 4800
May-09 4700
May-10 4600
May-13 4500
May-14 5000
May-16 4500
May-19 5000
May-20 4900
May-21 5000
May-22 4600
May-23 4600
May-26 5000
May-27 5100
May-28 4800
May-29 5000
May-30 5000
Para el calculo de la densidad de Ron – mezcla se utilizó un picnometro de 5 ml y
3
el valor obtenido a una temperatura de 20ºC fue = 1.05 gr /cm
Tomando el dato promedio se obtiene:
64Cantidad de Ron – mezcla obtenida = 1243.24 lt * 1.05 kg/lt
Cantidad de Ron – mezcla obtenida = 1305.4 kg
La diferencia entre las cantidades de mezcla final obtenida teóricamente (1243.24
kg) y la real (1305.4 kg) es muy pequeña dando como resultado buena
aproximación.
658. POSIBLES MEJORAMIENTOS.
Debido a los problemas que presenta el equipo surgen dos alternativas con el fin
de hacer el proceso más moderno y eficiente; estas propuestas vienen enfocadas
en corregir el principal problema del equipo, que es el de mejorar la eficiencia de la
transferencia de calor.
8.1 Alternativas: Para hacer los mejoramientos se plantean dos alternativas
(cid:1) Cambio parcial
(cid:1)
Cambio total
8.1.1 Cambio parcial:
Para evaluar el cambio parcial se tendrán en cuenta los siguientes puntos:
(cid:2) Sistema de evacuación de sólidos:
(cid:2) Mantenimiento de equipos e instrumentos
(cid:2) Mantenimiento de la tubería: Se tendría en cuenta:
66• Aislamiento de la tubería
• Revisión de las trampas de vapor
• Revisión de las válvulas
8.1.1.1 Propuesta económica del cambio parcial:
En los dos primeros puntos saldría más costoso repararlos que cambiarlos, ya que
estos presentan corrosión en la mayoría de sus partes, se tendría que cambiar
totalmente los medidores de presión y de temperatura porque están totalmente
dañados, la canasta de la marmita también esta muy deteriorada.
Se pidieron cotizaciones a diferentes empresas para poder hacer una evaluación
económica de este cambio. Se tomo como base las cotizaciones suministradas
por GlassFiber. La solución en ahorro de energía.
1. En cuanto al mantenimiento de la tubería:
• El aislamiento de la tubería cuesta $100.000 por metro y son 240 m por lo que
cuesta $24’000.000.
• Mantenimiento de trampas.
67Hacer una evaluación del estado de la trampa cuesta aproximadamente
$100000 por cada trampa. La línea tiene 7 trampas, entonces:
Evaluación trampas = $700000
Después de ver el resultado de la revisión se tomará la decisión de si deben o
no deben ser cambiadas, que por lo mencionado en el análisis cualitativo las
trampas de vapor presentan desgaste de sus partes y no tienen filtros razones
por las cuales sería mejor cambiarlas.
Cambio de trampas de vapor: El costo de cada una es de $500000
Como son 7:
Cambio trampas = $3`500.000
• Evaluación de las válvulas: Son válvulas solenoides (on/off)
El costo de la evaluación cuesta aproximadamente $50000 por cada válvula.
La línea tiene 24 válvulas, entonces:
Costo evaluación válvulas = $1’200.000
Lo mismo que en las trampas, la evaluación decidirá si se cambian o no.
68Cambio de válvulas: Cada una cuesta $300000
Como son 24:
Costo cambio válvulas = 7’200.000
1. Mantenimiento de marmita y sistema de evacuación de sólidos.
Costo = $10’000.000
4. Instrumentos:
Costo de un sensor de presión = $1’000.000
Costo de un sensor de temperatura = $400.000
COSTO CAMBIO PARCIAL: $ 48’000.000
• NOTA: El costo total no incluye instalaciones.
El siguiente es el costo de operación del cambio parcial.
Como se enuncio anteriormente los 1300$/Kg de vapor fueron suministrados por
la empresa.
COSTO DE OPERACIÓN = 2175.704 kg / h * 1300 $ / kg * 60 h / mes
69COSTO DE OPERACIÓN = 169’704.912 $ / mes
8.1.1.2 Ventajas del cambio parcial:
• Menor consumo de vapor.
• Llegaría vapor a la marmita.
8.1.1.3 Desventajas cambio parcial:
• No quita la oxidación que presenta el equipo
• Hay que tener en cuenta que la caldera (acuotubular de alta presión) en
muchas ocasiones tiene que prenderse sólo para abastecer el proceso de Ron-
mezcla, esto implica una gran pérdida de energía; y el hecho de reparar la
línea de vapor, no implica que el problema mencionado se solucione.
• Tiempo de vida útil del equipo: la empresa considera que la marmita ya
cumplió su tiempo de vida por llevar trabajando el proceso durante más de 40
años.
708.1.2 Cambio total:
Se tendría en cuenta:
(cid:2) Cambio de la marmita
(cid:2) Cambio del sistema de evacuación de sólidos
(cid:2) Adquirir una caldera apropiada para abastecer solamente este proceso.
8.1.2.1 Propuesta económica del cambio total:
♦ COTIZACION TEKNIK LTDA.
MARMITA PARA VAPOR. CON CAPACIDAD DE OPERACIÓN DE 6000 lt.
Con los siguientes accesorios: Válvula de salida 3” diámetro, y válvula de
seguridad.
ESPECIFICACIONES TÉCNICAS SEGÚN EL DISEÑO
• CAPACIDAD DE OPERACIÓN : 6000 lt
• TIPO : VERTICAL
• MATERIAL : ACERO INOXIDABLE 304
• DIMENSIONES : DIÁMETRO 1.95 m
71ALTURA 1.6 m
• TAMIZ : DIÁMETRO 1.15 m
ALTURA 1.25 m
ESPESOR 3.0 mm
• PRESIÓN DE TRABAJO : 25 psi – 45 psi
• TEMPERATURA : 118°C - 160°C
PRECIO
Valor unitario $ 35’500.000
Como son 3 marmitas:
Costo total marmitas = $106’500.000
♦ COTIZACION FEDEACEROS DE COLOMBIA.
Sistema de evacuación de sólidos de polea.
PRECIO
Valor unitario $ 5’000.000
72♦ COTIZACION TEKNIK LTDA.
Calderín sólo para abastecer el proceso. Las necesidades técnicas del proceso
son 50 BHP (Dato reportado por el Ingeniero jefe del área de calderas de la
Industria licorera de Caldas).
• Control de nivel de agua.
• Nivel visible de agua de la Caldera.
• Control de presión de vapor.
• Válvula de seguridad.
• Manómetro de presión.
• Mirilla de fuego.
• Válvula de desfogue de columna.
• Válvula de purga.
• Sifones (2).
• Válvula de salida de vapor.
• Válvula de entrada de agua.
• Cheque de entrada de agua.
PRECIO
Valor unitario $ 60’000.000
73COSTO CAMBIO TOTAL: $185’000.000
Este incluye:
• 3 marmitas por un precio de $35’500.000 por cada marmita
• Caldera por un precio de $60.000.000
• 1 sistema de evacuación de sólidos por un precio de $5.000.000
Nota: la cotización hecha para el cambio total incluye los costos de instalación.
8.1.2.2 Ventajas del cambio total:
• El coeficiente de transferencia de calor aumentaría considerablemente.
• Garantía total.
• El proceso no dependería del área de calderas para abastecer el proceso,
tendría proceso independiente.
8.1.2.3 Desventajas del cambio total:
• Gran inversión.
748.2 Conclusiones de los mejoramientos hechos.
Analizando los dos cambios nos damos cuenta que en cuanto a inversión la mejor
propuesta es la del cambio parcial.
En cuanto a economía es mejor el cambio total debido a que los costos de
operación son mucho menores.
Si se mira hacia el futuro el cambio parcial no sería el mejor porque los costos de
operación son muy grandes.
Finalmente se podría decir que la inversión que se haga en el cambio total se
recuperaría en dos meses y con ganancias.
759. DISEÑO DE LA MEJOR OPCION.
A condiciones ideales P = 40 psi y T = 120°C
AGUA
SÓLIDO
P = 40psi
T = 120°C
SOLUCION
RON-MEZCLA
RESIDUOS
Haciendo un balance de energía
w h w h w h w h
* + * = Q + * + * (9.1)
H2O H2OT,P sol solT,P sln sln residuos residuo
76Asumiendo T = 0°C
ref
Donde
w
: Masa de agua
H2O
h
: Entalpía de agua a T,P
H2OT,P
w
: Masa de sólidos
sol
h
= Entalpía de sólidos
solT,P
Q = Calor a condiciones ideales
w
= Masa de la solución
sln
h
= Entalpía de la solución
sln
w
= Masa de los residuos
residuos
h
= Entalpía de los residuos
residuo
Se tienen los siguientes datos
w
= 1994 kg
H2O
h
= 702.68 kJ/kg (tablas propiedades termodinámicas del agua)
H2OT,P
77Entonces
w h
* = 1994 kg * 702.68 kJ/kg
H2O H2OT,P
w h
* = 1’401.144 kJ
H2O H2OT,P
Cálculo de w h
* :
sol solT,P
w h w C w C
* = ( p + * p ) (T – T )
sol solT,P algarrobo algarrobo uvapasa uvapasa ref
Tomando los datos necesarios calculados en la caracterización de las materias
primas tenemos:
w h [ kJ/(kg)(°C)]
* = 240kg*2.4128 kJ/(kg)(°C)+320 kg *2.5671 (120-0)°C
sol solT,P
w h
* = 168065.28 kJ
sol solT,P
Cálculo de w * h :
sln sln
w ρ
= V *
sln sln sln
Con los datos suministrados en el análisis fisicoquímico
78wsln = 1636.5 lt * 1.05 kg/lt
wsln = 1718.325 kg
Para calcular la entalpía de la solución
h C
= p (T - T )
sln mezcla ref
C
Con el p calculado en el análisis fisicoquímico
mezcla
h
= 3.027 kj/(kg)(°C) (120 – 0)°C
sln
h
= 363.24 kj/kg
sln
Con los datos anteriores
w h
* = 1718.325 kg * 363.24 kJ/kg
sln sln
w h
* = 624164.37 kJ
sln sln
Cálculo de w * h :
residuos residuo
w h w C w C
* = ( p + p ) (T – T )
residuos residuo residuos residuos residuos * residuos ref
79Con los datos suministrados en el análisis fisicoquímico y reemplazando
w h w C w C
* = ( p + p ) (T – T )
residuos residuo algarres algarres uvares * uvares ref
El peso total de los residuos es de 506.74kg, se asume que el peso del residuo del
algarrobo y el residuo de la uva pasa es de 206 kg y 300.74 kg respectivamente.
w *h = [206kg*1.8794 kJ/(kg)(°C)+300.74kg *1.0255kJ/(kg)(°C)] (120-0)°C
residuos residuo
w h
* = 83467.83 kJ
residuos residuo
Despejando Q y reemplazando todos los datos calculados en la ecuación (10.1),
se obtiene el calor a condiciones ideales del equipo:
w h w h w h w h
Q = * + * - * - *
H2O H2OT,P sol solT,P sln sln residuos residuo
Q = 1’401.144 kJ + 168065.28 kJ - 624164.37 kJ - 83467.83 kJ
Q = 861577.05 kJ = 826602.94 Btu
80Cálculo de la masa de vapor m :
v
λ
m
Sabiendo que Q = v * 40psi
m
Despejando v:
λ
m
v = Q / 40psi
Reemplazando los datos obtenidos previamente
m
v = 861577.05 kJ / 2174.2 kJ/kg
m
v = 396.27 kg
En forma de flujo
F m
v = v / 5h
F
= 79.254 kg/h
v
81Cálculo del área de diseño (Å)
Utilizando la ecuación de fourier
∆
Q = U Å T
Diseño
Despejando de allí el área
∆
Å = Q / U T
El U = 100 Btu/(h)(pie2)(°F). Dato suministrado por uno de los fabricantes,
diseño
específicamente por Fedeaceros de Colombia.
T = 120°C = 276.6°F
T = 0°C = 93.6°F
ref
Entonces
∆
U T = 100 Btu/(h)(pie2)(°F) * (276.6 – 93.6)°F
diseño
∆
U T = 18300 Btu/(h)(pie2)
diseño
Finalmente el área de diseño es:
Å = 832602.94 Btu / (18300 Btu/(h)(pie2) * 5 h)
Å = 9.034 pie2
82Una cotización muy aproximada al diseño deseado la suministró Fedeaceros de
Colombia:
COTIZACION FEDEACEROS DE COLOMBIA.
MARMITA PARA VAPOR: Con capacidad de operación de 2000 lt.
Tipo cilíndrica vertical, con tapa cónica 10° y fondo cónico 10°. En acero
inoxidable. Con accesorios: manómetro y termómetro.
Canasta fabricada en lámina perforada de Acero inoxidable SS-304 de diámetro
1.180 mm y altura 1.750 mm; espesor de 3.0 mm. Con tres (3) asas de izaje.
Tapa canasta superior hermética de diámetro 1200 mm con doce (12) tornillos
volcables y bisagra.
Material. Cuerpo, tapa y fondo en lámina 3.0 mm. Acero inoxidable 304. Cubierta
en lámina de 1.5 mm. Acero inoxidable 304.
Alimentación superior con canasta de cierre independiente.
ESPECIFICACIONES TÉCNICAS SEGÚN EL DISEÑO
• CAPACIDAD DE OPERACION : 2000 lt
• TIPO : VERTICAL
• PRESIÓN DE TRABAJO : 30 psi – 45 psi
• TEMPERATURA : 118°C - 130°C
• MATERIAL : ACERO INOXIDABLE SS-304
83• DIMENSIONES : DIÁMETRO 1.45 m
ALTURA 1.8 m
PRECIO
Valor unitario $ 41.490.000
Se recomienda que el sistema de evacuación de sólidos se cambie por otro más
moderno con tolva para recepción y un volteador para tamiz, facilitando así al
operario el sistema de evacuación.
84Figura 11. Diseño de la posible distribución del proceso.
8510. CONCLUSIONES
Al término de este trabajo modalidad pasantía, la INDUSTRIA LICORERA DE
CALDAS en el área de Elaboración de licores tiene opciones para poder cambiar
la marmita y el calderín que le proporcionará vapor para hacer un cocimiento en
menor tiempo, y que este cocimiento que equivale a extraer el azúcar de las
materias primas sea más rentable y efectivo que el que se está llevando a cabo
en la actualidad. Ello conlleva:
• Que el proceso sea más moderno.
• Que se reduzca el tiempo de cocimiento.
• Pérdidas de vapor mínimas.
• Mejorar la transferencia de calor.
Con el 46.26% de eficiencia del equipo, se concluye que para que el proceso no
tenga las pérdidas que hasta el momento esta presentando, el equipo necesita un
cambio inmediato.
86Como se analizó anteriormente las pérdidas del proceso son de aproximadamente
$ 91’000.000 mensuales y el costo del cambio total que es el que se recomienda
es de aproximadamente $ 185’000.000. Finalmente se podría decir que la
inversión que se haga en el cambio total se recuperaría en menos de un trimestre.
87BIBLIOGRAFÍA
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