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Tecnología Química

versión On-line ISSN 2224-6185

RTQ vol.43 no.2 Santiago de Cuba mayo.-ago. 2023  Epub 30-Mayo-2023

 

Artículo original

Modelación y simulación de la clarificación en la Empresa Agroindustrial Azucarera Cristino Naranjo utilizando el programa Sugar

Modeling and simulation of clarification in the Cristino Naranjo Sugar Agroindustrial Company using the Sugar software

Lisandra Alayo-García1  * 
http://orcid.org/0000-0003-3764-3723

Yudith González-Diaz2 
http://orcid.org/0000-0003-124-1146

David Cambara-González1 
http://orcid.org/0000-0002-6476-4822

1 Empresa de Ingeniería y Proyectos Azucareros (IPROYAZ), Holguín, Cuba

2 Facultad de Ingeniería Química y Agronomía, Universidad de Oriente, Santiago de Cuba, Cuba

RESUMEN

Los simuladores son una herramienta eficaz para la búsqueda de las condiciones

óptimas de operación y su control. El objetivo del presente estudio fue utilizar el simulador de procesos Sugar para modelar y estudiar la etapa de clarificación en la Empresa Agroindustrial Azucarera Cristino Naranjo de la provincia de Holguín en Cuba. El estudio realizado partió de un análisis de las restricciones presentes en el flujo tecnológico y los principales parámetros a tener en cuenta, para lograr obtener un ciclo productivo con la eficiencia y la productividad demandada. Se realizaron los balances de masa y energía con los datos históricos de las zafras 2015- 2016 hasta 2019-2020 empleando el Sugar International y se detectaron y analizaron los puntos críticos del proceso. Los puntos críticos detectados son: el flujo de vapor suministrado a los calentadores primario y secundario, la lechada de cal, el bagacillo, y el flujo de agua de lavado. Los valores de las variables de operación que permiten que se opere de forma eficiente son: para el caso de los calentadores primarios y secundarios de 17 232,6 kg/h y 13 866,0 kg/h respectivamente, para la lechada de cal fue de 4 849,4 kg/h, el bagacillo 2 159,6 kg/h y de agua de lavado 5 960 kg/h.

Palabras clave: modelación; simulación; azúcar; clarificación, programa Sugar

ABSTRACT

Simulators are an effective tool for finding optimal operating conditions and their control. The objective of this study was to use the Sugar process simulator to model and study the clarification stage at the Cristino Naranjo Sugar Agroindustrial Company in the province of Holguín in Cuba. The study carried out started from an analysis of the restrictions present in the technological flow and the main parameters to be taken into account, in order to obtain a productive cycle with the efficiency and productivity demanded. The material and energy balances were made with the historical data of the 2015-2016 to 2019-2020 harvests using Sugar International and the critical points of the process were detected and analyzed. The critical points detected are: the flow of steam supplied to the primary and secondary heaters, the milk of lime, the bagasse, and the flow of washing water. The values of the operation variables that allow it to operate efficiently are: in the case of the primary and secondary heaters of 17 232,6 kg/h and 13 866,0 kg/h respectively, for the lime milk it was 4,849.4 kg/h, bagacillo 2 159,6 kg/h and washing water 5,960 kg/h.

Keywords: modeling; simulation; sugar; clarification; Sugar program

Introducción

Los métodos utilizados en la ingeniería para la concepción, diseño y operación de procesos han experimentado cambios considerables en los últimos años. La disponibilidad de equipos de cálculo de gran capacidad ha permitido realizar análisis más realistas y detallados, con un esfuerzo y costo razonables. Se emplean principios físicos más básicos y complejos, así como nuevas técnicas, lo que da lugar a que intervengan métodos matemáticos avanzados. A la aplicación de muchas de estas modernas técnicas se ha dado en llamar "análisis de procesos", "ingeniería de sistemas" o "simulación”.1

En el diseño y análisis de un proceso las herramientas de simulación son muy útiles porque permiten dar respuesta a diferentes interrogantes acerca del proceso.2 Para una compañía industrial, el invertir en el desarrollo e implementación de un sistema de simulación es sumamente beneficioso, ya que los efectos que se generan, permiten manejar el espacio global de la fábrica dentro de un ambiente permisible a modificaciones y cambios, y sin incurrir en gastos cuantiosos de dinero y de tiempo.3

En los últimos años las técnicas de simulación han alcanzado un nivel de madurez que han provocado que su uso se haya extendido a campos muy diversos-4 Aun así, la simulación sigue siendo una herramienta poco utilizada en el análisis de procesos en la industria azucarera.5

Los modelos de simulación aplicados al proceso de producción azucarera traen grandes beneficios, si se enfoca de forma operacional, el sistema servirá de apoyo a las decisiones de los técnicos especialistas ya que el modelo deberá sujetarse o ir íntimamente relacionado con la realidad de los ingenios azucareros, además es muy importante que se pueda pronosticar o predecir información de las partes críticas del proceso bajo ciertos parámetros que en cualquier momento pueden presentarse, entonces; el modelo ayudará a predecir, pronosticar y capacitar al personal involucrado en el proceso de producción e inclusive a los directivos de la empresa.

El programa profesional Sugar International permite calcular los balances de masa y energía, proporciona la simulación de los procesos de refinación para las fábricas de azúcar de caña y remolacha y ayuda a la administración con decisiones de procesos y estrategias operativas para la optimización de procesos. 6)

Los cálculos de balance para el modelo se resuelven usando técnicas de iteración hasta que se obtiene un balance dentro de una precisión específica.5,7,8)

La Empresa Agroindustrial Azucarera Cristino Naranjo ubicada en municipio Cacocum en la provincia de Holguín es una entidad que se subordina al Grupo Empresarial AZCUBA Holguín. Esta tiene como propósito la producción y comercialización de azúcar y derivados para la exportación lo que constituye un eslabón fundamental en nuestra economía. (9

El objetivo fundamental de este trabajo modelar y estudiar la etapa de clarificación en la Empresa Agroindustrial Azucarera Cristino Naranjo de la provincia de Holguín en Cuba mediante la utilización del simulador de procesos Sugar.

Materiales y métodos

Para el análisis de la etapa de clarificación se tuvieron en cuenta todas sus etapas: calentamiento, alcalización y sedimentación, presentándose la secuencia de pasos siguiente:

    Fig.1 Esquema de equipos tecnológicos de la etapa de clarificación 

    Tabla 1 Datos de trabajo de los calentadores y tanque Flash  

    Especificar las corrientes de entrada a cada uno de los equipos (tabla 2).

    Dar doble clic en el ícono de balance total y contabilizar los flujos obtenidos de las corrientes internas y externas de la etapa en cuestión.

    Identificar los puntos críticos de la etapa en cuestión en correspondencia a la operación unitaria que se produce.

    Tabla 2 Parámetros de la corriente de entrada a los equipos 

    Calcular las condiciones óptimas de operación para los flujos requeridos por el sistema y manteniendo los demás parámetros de operación, en la pestaña “Valor de flujo de salida especificado”, marcar la opción Componentes y especificar la proporción de CaO. En la pestaña “Relación de flujo de mezcla a flujo primario”, en la casilla proporción, colocar la proporción que debe llevar la mezcla para la formación de la torta.

    Colocar dos conectores que permitan relacionar los flujos de jugo mezclado y el jugo filtrado.

    Analizar los resultados obtenidos.

    Resultados y su discusión

    Como resultado de los balances de masa y energía en el clarificador se obtuvieron los flujos de las corrientes en el área de clarificación. La tabla 3 muestra los resultados de las corrientes que componen el sistema simulado y sus características.

    Tabla 3 Corrientes en la etapa de clarificación  

    Detección y análisis de los puntos críticos y su efecto

    Utilizando el diagrama confeccionado para la etapa de clarificación se observó que los puntos críticos detectados en esta área son los flujos de los calentadores primarios y secundarios, la cantidad de lechada de cal, el flujo de bagacillo y el agua de lavado.

    Para el cálculo del flujo de calor requerido en la etapa de calentamiento primario se empleó el valor que se obtuvo de jugo mezclado de la etapa de molinos que fue de 220 804,9 kg/h, y siguiendo la metodología descrita, se procedió al cálculo dando doble clic en el ícono del balance completo y el resultado fue que el flujo de vapor requerido para la etapa de precalentamiento, es de 17 232,6 kg/h.

    Para el cálculo del flujo de lechada de cal necesaria durante el proceso de alcalización, se realizó un balance parcial en el mezclador 2, que mezcla el jugo previamente precalentado y la lechada de cal que requiere el sistema. Dentro del mezclador, se especificó el componente CaO el cual es de 0,4 % en el flujo de salida, como se muestra en la figura 2 . Se da clic en el comando de balance completo y se analiza el resultado.

    Fig. 2 Parámetro de operación del mezclador 2 

    En la tabla 4 se comparan los resultados de la corriente de Lechada de Cal obtenidos por el programa Sugar con los ofrecidos por el laboratorio.

    Tabla 4 Resultados de la corriente de lechada de cal 

    Como se observa en la tabla 4 el resultado del flujo requerido de lechada de cal es de 4 849,4 kg/h. Este flujo permite que el jugo mezclado obtenido en la etapa de molienda que presenta un carácter ácido, sea tratado con lechada de cal, la cual eleva el pH para minimizar las posibles pérdidas de sacarosa e inversiones posteriores, además de obtener un jugo brillante, y adecuado volumen de cachaza. La acción de la cal sobre el jugo es importante porque los ácidos orgánicos se eliminan y las materias albuminoides, se coagulan, una parte de los materiales pépticos y colorantes se destruyen o se insolubilizan.10,11)

    Luego de determinado el flujo de lechada de cal, se procedió a analizar el valor que se obtuvo del vapor requerido para dicho trabajo, el cual fue de 13 866,0 kg/h. Con este flujo se culmina la etapa de calentamiento del jugo requerida en el proceso de alcalización, para su posterior uso en la evaporación, permitiendo de esta manera reducir el consumo de vapor y así acelerar la producción de azúcar. Además de la reducción del consumo de vapor, se conseguiría reducir el tiempo de residencia del jugo en cada efecto de la evaporación, reducir las incrustaciones en los tubos de la calandria de los cuerpos de los evaporadores y mantener la concentración del jarabe a la salida del último efecto de evaporación a 65 °Brix, logrando de esta manera dar mayor fluidez al proceso.

    Para el cálculo en el tanque flash se realizó un balance parcial en el equipo, teniendo como resultado un flujo de jugo alcalizado de 253 136,5 kg/h y de agua evaporada de 2 094 kg/h.

    Siguiendo la secuencia descrita en la metodología y conocidas las características del jugo alcalizado, se procede al análisis del comportamiento dentro del clarificador.

    Durante este proceso de clarificación se obtienen dos corrientes fundamentales, una de jugo clarificado que posee un contenido alto de agua, que es indispensable retirar, y se logra en la estación de evaporación, concentrando el jugo alcalizado de 15,51 hasta 65° Brix, dando como resultado la meladura o jarabe y una segunda corriente compuesta por los lodos e impurezas que tiene el jugo, que forman flóculos de fosfato tricálcico, producto a la reacción de la cal con el ácido fosfórico del jugo que arrastra las impurezas y sedimentan permitiendo que el jugo clarificado obtenido no presente turbidez.

    Como resultado del análisis se obtiene que el flujo de jugo clarificado obtenido durante la simulación fue de 226 141,2 kg/h y de lodos a tratar de 26 995,3 kg/h.

    Para el cálculo del flujo de bagacillo requerido para la preparación de la torta a filtrar, se realizó un balance de masa en el mezclador 3. En este equipo tecnológico se tuvo en cuenta el volumen de lodos procedentes del clarificador, el cual es una corriente interna, y dentro del equipo tecnológico se especificó la relación de mezcla de flujo primario que se va a suministrar, que en este caso fue un 0,8 % del peso total en caña, como se muestra en la figura 3.

    Fig. 3 Propiedades del mezclador 3 

    El flujo de bagacillo requerido para la etapa de filtrado es de 2 159,6 kg/h.

    Una vez formada la torta, se llevó a cabo el tratamiento de la misma en los filtros de vacío, con el objetivo de extraerles la mayor proporción de la sacarosa que contienen y completar así la purificación de jugos de caña, obteniendo como resultados la cachaza y el jugo filtrado, y garantizando de este modo una mejor calidad en el azúcar y evitar así revolturas en el líquido obtenido. El flujo de agua de lavado requerido es de 5 960 kg/h. La tabla 5 muestra los resultados obtenidos para la corriente de cachaza por el laboratorio y en el programa.

    Tabla 5 Resultados de la corriente de cachaza 

    En la figura 4 se muestra el esquema del área de clarificación junto con los parámetros de salida de cada una de las corrientes.

    Fig. 4 Diagrama de la etapa de clarificación 

    Conclusiones

    Sugar International,

    Referencias bibliográficas

    1. HURTADO-VARGAS, R. et al. Software para el análisis de producciones integradas de azúcar y alcohol (SANPAD 5.0). ICIDCA. Sobre los Derivados de la Caña de Azúcar [en línea]. 2012, 46 (1), p. 17-21. [Consultado 18 de mayo 2022]. https://www.redalyc.org/pdf/2231/223123848003.pdfLinks ]

    2. RODRÍGUEZ-GÁMEZ O., et al. Simulación de propuestas tecnológicas para la producción de ramnolípidos ORA9 a escala piloto. Tecnología Química [en línea]. 2019, 39 (3), p. 621-637. [Consultado 6 de julio 2022]. ISSN: 2224-6185. http://scielo.sld.cu/scielo.php?pid=S2224-61852019000300638&script=sci_arttext&tlng=ptLinks ]

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    5. ALAYO-GARCÍA L.; GONZÁLEZ-DÍAZ Y. Simulación de la molienda en el central azucarero Cristino Naranjo utilizando el software Sugar. Tecnología Química [en línea]. 2021, 41 (3), p. 547-560. [Consultado 18 de mayo 2022] [Consultado 18 de mayo 2022] http://scielo.sld.cu/scielo.php?pid=S2224-61852021000300547&script=sci_arttext&tlng=enLinks ]

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    8. POLANCO, L. S., et al. Multiple response optimization strategy for a double purge of c-magma system integrated to a three boiling crystallization scheme. En LSU AgCenter Audubon Sugar Institute Factory Operations Seminar [en línea]. 2015. p.22. [Consultado 5 de julio 2022] https: [Consultado 5 de julio 2022] https://www.lsuagcenter.com/MCMS/RelatedFiles/%7BBB9E504C-EEAD-4D0C-8249-C67F42F775AA%7D/2015.pdf#page=23Links ]

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    Recibido: 15 de Enero de 2023; Aprobado: 18 de Abril de 2023

    *Autor para la correspondencia. Correo electrónico: lisandra.alayo@iproyazhl.azcuba.cu

    Los autores declaran que no hay conflictos de intereses

    Lisandra Alayo García: recolección de datos, simulación y redacción de artículo.

    Yudith González Diaz: revisión y corrección del artículo.

    David Cámbara González: colaboró con el análisis de los resultados.

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