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Generadores de vapor de bagazo y su control
Generadores de vapor de bagazo y su control
Raúl Rivas Pérez2011, Libro blanco del control automático en la industria de la caña de azúcar
Este Libro Blanco o monografía brinda una descripción del estado actual de la modelización, instrumentación, automatización y control de los procesos de la industria de transformación de la caña de azúcar. Su objetivo es servir de referencia a investigadores, profesionales, estudiantes que laboren o pretendan laboral en este campo. La monografía ha sido preparada por el grupo de investigadores de la red “Automatización y control de la industria de transformación de la caña de azúcar” (AUTRANSCAÑA) bajo la dirección de su coordinador internacional, el Dr. José Ramón Perán González.
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diseño de control el lazo cerrado de un horno deshidratador de cafe
Libro blanco
del control automático
en la industria de la caña de azúcar
Programa CYTED
Red de automatización y control de la industria de
transformación de la caña de azúcar
Coordinador: José R. Perán González
LIBRO BLANCO
DE LA AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL EN
LA INDUSTRIA DE LA CAÑA DE AZÚCAR
Editor Jefe:
José Ramón Perán González, Fundación CARTIF, España.
Comité Asesor:
Eduardo J. Moya de la Torre, Fundación CARTIF.
Hernán Darío Álvarez Zapata, Universidad Nacional de Colombia.
Pastora Vega Cruz, Universidad de Salamanca, España.
Lázaro de Jesús Gorostiaga Cánepa, Fundación CARTIF.
Autores:
1. Enrique Baeyens Lázaro, Fundación CARTIF.
2. Hernán Darío Álvarez Zapata, Universidad Nacional de Colombia.
3. César A. Gómez, Universidad Nacional de Colombia.
4. Pastora Vega Cruz, Universidad de Salamanca, España.
5. Lázaro Gorostiaga Cánepa, Fundación CARTIF.
6. Julio Elías Normey Rico, Universidad de Santa Catarina, Brasil.
7. William Ipanaqué Alama, Universidad de Piura, Perú.
8. José Roberto Vignoni, Universidad Nacional de La Plata, Argentina.
9. Ismael Mazón González, Universidad de Costa Rica, Costa Rica.
10. Mercedes Ramírez Mendoza, Universidad de Oriente, Cuba.
11. Armando Daniel Assandri, Universidad de San Juan, Argentina.
12. Raúl Rivas Pérez, Instituto Superior José Antonio Echeverría, Cuba.
13. Eugenio César Sánchez, Instituto Superior José Antonio Echeverría, Cuba.
14. Carmen Busoch Morlan, Instituto Superior José Antonio Echeverría, Cuba.
15. I. Benítez Gonzáles, Instituto Superior José Antonio Echeverría, Cuba.
16. Enrique Gaona Flores, Universidad Autónoma del Estado de México, México.
17. Eduardo J. Moya de la Torre, Fundación CARTIF.
18. Alberto Herreros López, Fundación CARTIF.
19. Rosalba Lamanna de Rocco, Universidad Simón Bolívar, Venezuela.
20. Silvana Revollar, Universidad Simón Bolívar, Venezuela.
21. César de Prada Moraga, Universidad de Valladolid, España.
22. Rogelio Mazaeda Echevarría, Universidad de Valladolid, España.
Edita: Programa Iberoamericano de Ciencia y Tecnología para el Desarrollo (CYTED).
ISBN:
Depósito legal:
Imprime:
Año: 2011
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
1
INDICE
INDICE
.............................................................................................................................. 1
INDICE DE TABLAS............................................................................................................ 9
INDICE DE FIGURAS ........................................................................................................ 11
INTRODUCCIÓN................................................................................................................ 19
La industria de transformación de la caña de azúcar........................................................ 20
Contenidos del Libro Blanco............................................................................................ 22
Capítulo 1: PROCESO TECNOLÓGICO DE PREPARACIÓN Y MOLIENDA DE LA
CAÑA................................................................................................................. 23
1.1 Introducción.............................................................................................................. 23
1.2 Descripción del Proceso tecnológico de preparación de la caña.............................. 23
1.2.1
1.2.2
1.2.3
1.2.4
1.2.5
1.2.6
1.2.7
1.2.8
Estera surtidora............................................................................................... 24
Estera Intermedia............................................................................................ 25
Estera elevadora. ............................................................................................ 25
Cuchillas......................................................................................................... 26
Separadores magnéticos ................................................................................. 27
Desfibradora. .................................................................................................. 27
Tolva de alimentación al tren de molinos ...................................................... 28
Propósitos de la preparación de la caña.......................................................... 29
1.3 Medición de la magnitud de la preparación. ............................................................ 29
1.4 Efectos de la preparación de la caña en el proceso de obtención de azúcar y en la
combustión del bagazo. ............................................................................................ 30
1.5 Dinámica y Control de la etapa de Preparación de la caña. ..................................... 30
1.5.1
1.5.2
1.5.3
1.5.4
1.5.5
Modelado de esteras transportadoras. ............................................................ 32
Modelado de la tolva. .................................................................................... 34
Modelado de los accionamientos ................................................................... 35
Estrategias de control propuestas ................................................................... 35
Resultados de Simulación .............................................................................. 40
1.6 Descripción del Proceso tecnológico de Molienda de la caña. ................................ 42
1.7 Control de los molinos ............................................................................................. 44
Referencias Bibliográficas ................................................................................................... 45
Capítulo 2: PURIFICACIÓN Y CLARIFICACIÓN DEL JUGO DE LA CAÑA DE
AZÚCAR............................................................................................................ 47
2.1 Introducción.............................................................................................................. 47
2.2 Generalidades de la purificación y clarificación de jugo de Caña de Azúcar .......... 47
2.3 Diseño Simultáneo y Control del Proceso de una Torre Sulfitadora de Caña de
Azúcar ...................................................................................................................... 50
2.3.1
2.3.2
2.3.3
Modelo matemático de la torre sulfitadora..................................................... 50
Estudio de controlabilidad de la planta .......................................................... 54
El Diseño Simultáneo del Proceso y el Control ............................................. 57
INDICE
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
2.3.4
2
Resultados ...................................................................................................... 63
2.4 Conclusión................................................................................................................ 67
Referencias Bibliográficas ................................................................................................... 68
Capítulo 3: CONCENTRACIÓN POR EVAPORACIÓN. ................................................. 71
3.1 Introducción.............................................................................................................. 71
3.2 La evaporación en múltiple efecto ........................................................................... 72
3.3 Modelo matemático de un Evaporador Multietapa, Aplicación a la Industria
Azucarera.................................................................................................................. 73
3.3.1
Consideraciones.............................................................................................. 73
3.3.2
El modelo ....................................................................................................... 75
3.3.3
Modelo de la cámara de calefacción .............................................................. 78
3.3.4
Cámara de evaporación .................................................................................. 79
3.3.5
Estudio de las pérdidas por transferencia de calor por las paredes del
evaporador .................................................................................................................... 83
3.3.6
Planta en estudio............................................................................................. 86
3.4 Comportamiento del Proceso en un Simulador ........................................................ 88
3.4.1
Simulaciones a lazo abierto del proceso de evaporación ............................... 88
3.4.2
Respuesta del proceso frente a variaciones en el flujo del vapor de
calentamiento................................................................................................................ 89
3.4.3
Respuesta del proceso frente a variaciones en la concentración del jugo de
caña a la entrada del proceso de evaporación............................................................... 90
3.4.4
Respuesta del proceso frente a variaciones en el flujo del jugo de caña a la
entrada del proceso de evaporación.............................................................................. 92
3.4.5
Análisis de la sensibilidad .............................................................................. 93
Referencias Bibliográficas ................................................................................................... 95
Capítulo 4: CRISTALIZADORES DE AZÚCAR POR EVAPORACIÓN AL VACÍO. ... 97
4.1 Introducción.............................................................................................................. 97
4.2 La cristalización de la sacarosa. ............................................................................... 99
4.3 Crecimiento de los cristales.................................................................................... 102
4.4 Nucleación.............................................................................................................. 104
4.5 Cristalizadores industriales por evaporación al vacío ............................................ 104
4.6 Control de la tacha.................................................................................................. 108
4.7 Cristalizador por evaporación al vacío continuo.................................................... 118
4.7.1
Descripción y funcionamiento...................................................................... 119
4.8 Conclusiones .......................................................................................................... 125
Referencias Bibliográficas ................................................................................................. 125
Capítulo 5: CRISTALIZACIÓN DE AGOTAMIENTO CON ENFRIAMIENTO Y
MOVIMIENTO................................................................................................ 127
5.1 Introducción............................................................................................................ 127
INDICE
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
3
5.2 Descripción del proceso de agotamiento de las mieles finales en los cristalizadores
de tercera. ............................................................................................................... 127
5.2.1
5.2.2
5.2.3
Factores que influyen en el proceso de la cristalización por enfriamiento... 129
Tipos de cristalizadores con enfriamiento y movimiento o mezclado. ........ 133
Modos de operación de los cristalizadores de agotamiento. ........................ 135
5.3 Dinámica de la temperatura de la masa cocida en el proceso de agotamiento....... 136
5.3.1
Validación del modelo.................................................................................. 138
5.4 Instrumentación y control actual del proceso de agotamiento. .............................. 139
5.4.1 Concepción de una nueva estrategia de control para el proceso de agotamiento
de la miel final............................................................................................................ 140
5.4.2 El subsistema de control de la alimentación de masa cocida al banco......... 142
5.4.3 Subsistema de control del tratamiento térmico de la masa cocida. .............. 143
5.5 Conclusiones .......................................................................................................... 143
Referencias Bibliográficas ................................................................................................. 143
Capítulo 6: CENTRIFUGACIÓN. ..................................................................................... 145
6.1 Introducción............................................................................................................ 145
6.2 Tipos de azúcar....................................................................................................... 146
6.3 Algunas definiciones generales de la caña de azúcar............................................. 147
6.4 Resumen del proceso de fabricación de azúcar de caña crudo............................... 147
6.5 Historia de la maquinaria, el equipo y los procesos ............................................... 148
6.6 Centrifugación. ....................................................................................................... 149
6.6.1
6.6.2
6.6.3
6.6.4
Historia de la máquina centrifuga. ............................................................... 150
Descripción del equipo................................................................................. 151
Tipos de centrífugas. .................................................................................... 152
Clasificación de las centrífugas.................................................................... 152
6.7 Principio de funcionamiento. ................................................................................. 156
6.8 Descripción del proceso de centrifugado. .............................................................. 157
6.9 Control automático en la industria azucarera. ........................................................ 159
6.10 Conclusiones. ......................................................................................................... 162
Referencias Bibliográficas ................................................................................................. 162
Capítulo 7: SECADO Y ENVASADO DE AZÚCAR. ..................................................... 165
7.1 Introducción............................................................................................................ 165
7.2 Definición de secado .............................................................................................. 165
7.2.1
7.2.2
Definición de los parámetros del proceso .................................................... 167
Humedad promedio. ..................................................................................... 167
7.3 Descripción del Sistema ......................................................................................... 171
7.3.1
7.3.2
7.3.3
Controlador PID ........................................................................................... 171
Etapa de potencia.......................................................................................... 174
Sensor de temperatura .................................................................................. 175
INDICE
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
7.3.4
4
Compensación Anti-windup basada en tolerancia a fallas........................... 179
7.4 Conclusiones .......................................................................................................... 188
7.5 Envasado ................................................................................................................ 189
Referencias Bibliográficas ................................................................................................. 192
Capítulo 8: GENERADORES DE VAPOR DE BAGAZO Y SU CONTROL. ................ 195
8.1 Introducción............................................................................................................ 195
8.2 Clasificación de los generadores de vapor ............................................................. 197
8.3 Generadores de vapor de bagazo. Características generales .................................. 199
8.4 Breve descripción del proceso de generación de vapor ......................................... 201
8.5 Superficies auxiliares de transferencia de calor ..................................................... 206
8.5.1
8.5.2
8.5.3
Sobrecalentador de vapor ............................................................................. 206
Economizador............................................................................................... 206
Calentador de aire......................................................................................... 207
8.6 Equipos y dispositivos auxiliares ........................................................................... 207
8.7 Tratamiento del agua de alimentación.................................................................... 207
8.8 Eficiencia de los generadores de vapor de bagazo ................................................. 209
8.9 Control de generadores de vapor de bagazo........................................................... 212
8.9.1
8.9.2
8.9.3
Control de la combustión ............................................................................. 214
Control del agua de alimentación................................................................. 221
Control de la temperatura del vapor sobrecalentado .................................... 227
Referencias Bibliográficas ................................................................................................. 228
Capítulo 9: COGENERACIÓN.......................................................................................... 231
9.1 Introducción............................................................................................................ 231
9.1.1
9.1.2
Biomasa ........................................................................................................ 232
Ventajas de la Biomasa ................................................................................ 233
9.2 Problemática energética actual............................................................................... 234
9.2.1
9.2.2
9.2.3
9.2.4
9.2.5
El caso Brasil................................................................................................ 235
El caso Colombia.......................................................................................... 236
El caso Guatemala ........................................................................................ 238
El caso Nicaragua......................................................................................... 240
El caso Argentina ......................................................................................... 241
9.3 Tecnologías en cogeneración ................................................................................. 245
9.3.1
9.3.2
9.3.3
Cogeneración................................................................................................ 245
Ciclo simple.................................................................................................. 246
Ciclo combinado........................................................................................... 246
9.4 Tecnologías en turbinas de vapor........................................................................... 247
9.4.1
9.4.2
9.4.3
Introducción.................................................................................................. 247
Aplicaciones ................................................................................................. 247
Aplicaciones Industriales y CHP.................................................................. 248
INDICE
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
5
9.5 Descripción Técnica ............................................................................................... 248
9.5.1
9.5.2
9.5.3
9.5.4
Procesos Básicos y Componentes ................................................................ 248
Turbina de Condensación............................................................................. 249
Turbina de no – condensación...................................................................... 249
Turbina de extracción................................................................................... 250
9.6 Análisis Comparativo ............................................................................................. 250
9.7 Algunas Conclusiones ............................................................................................ 252
Referencias Bibliográficas ................................................................................................. 253
Capítulo 10: PREPARACIÓN DE MOSTO Y FERMENTACIÓN.................................. 255
10.1 Introducción............................................................................................................ 255
10.2 Proceso de producción del etanol........................................................................... 255
10.2.1
10.2.2
10.2.3
10.2.4
10.2.5
Materia prima............................................................................................ 256
Microorganismos productores de etanol................................................... 256
Fermentación con levaduras. .................................................................... 257
Fermentación con bacterias. ..................................................................... 257
Modos de operación.................................................................................. 258
10.3 Modelado semifísico de base fenomenológica del proceso de fermentación. ....... 259
10.3.1
10.3.2
Método para la construcción de un MSBF. .............................................. 260
Modelo de una fermentación alcohólica en continuo. .............................. 264
10.4 Simulación del fermentador ................................................................................... 270
10.5 Conclusiones .......................................................................................................... 273
Referencias Bibliográficas ................................................................................................. 274
Capítulo 11: DESTILACIÓN DE BIOETANOL. ............................................................. 277
11.1 Introducción............................................................................................................ 277
11.2 Columnas de destilación......................................................................................... 277
11.2.1
11.2.2
11.2.3
11.2.4
Proceso de destilación............................................................................... 277
Aspectos importantes................................................................................ 278
Componentes principales de una columna de destilación ........................ 278
Operación básica y terminología .............................................................. 279
11.3 Clasificación de las columnas de destilación por la forma de operar .................... 279
11.3.1
11.3.2
11.3.3
Columnas batch ........................................................................................ 279
Columnas semi-batch................................................................................ 280
Columnas continuas.................................................................................. 280
11.4 Clasificación de las columnas de destilación continuas......................................... 280
11.5 Distintos tipos de platos utilizados en las columnas de destilación. ...................... 282
11.6 Columnas de relleno............................................................................................... 283
11.6.1
Tipos de Rellenos ..................................................................................... 284
11.7 Partes Internas ........................................................................................................ 286
11.7.1
Platos de borboteadotes ............................................................................ 286
INDICE
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
11.7.2
11.7.3
6
Platos de válvulas ..................................................................................... 286
Platos perforados ...................................................................................... 287
11.8 Corrientes de líquido y vapor en una columna de platos ....................................... 287
11.9 Rellenos .................................................................................................................. 288
11.10 Rellenos versus Platos ......................................................................................... 288
11.11 Rehervidor o Reboiler.......................................................................................... 288
11.12 Principios de la Destilación ................................................................................. 289
11.12.1
11.12.2
11.12.3
11.12.4
11.12.5
11.12.6
Presión de Vapor y Ebullición.................................................................. 289
Diagrama del punto de ebullición............................................................. 290
Volatilidad relativa ................................................................................... 291
Equilibrio Líquido-Vapor ......................................................................... 292
Curvas ELV de azeótropos ....................................................................... 293
Diagrama de fases de un azeótropo positivo ............................................ 294
11.13 Separación del azeótropo..................................................................................... 295
11.13.1
11.13.2
11.13.3
11.13.4
11.13.5
Destilación azeotrópica............................................................................. 295
Destilación extractiva ............................................................................... 297
Destilación extractiva salina ..................................................................... 297
Pervaporación ........................................................................................... 298
Adsorción mediante tamiz molecular ....................................................... 298
11.14 Factores que afectan la operación de una columna de destilación ...................... 300
11.14.1
11.14.2
11.14.3
11.14.4
11.14.5
11.14.6
11.14.7
Condiciones de la alimentación ................................................................ 301
Condiciones del reflujo............................................................................. 301
Condiciones del flujo de vapor ................................................................. 301
Diámetro de la columna............................................................................ 302
Estado de los platos y del relleno ............................................................. 302
Condiciones climáticas ............................................................................. 302
Otros factores............................................................................................ 302
11.15 Control Básico y Avanzado de una Columna de Destilación.............................. 303
11.15.1
11.15.2
11.15.3
11.15.4
Control Básico .......................................................................................... 303
Emparejamiento de variables.................................................................... 305
Control de una sola composición.............................................................. 305
Control por avanacción (feedforward) y realimentación (feedback)........ 307
11.16 Control multivariable........................................................................................... 307
11.16.1
11.16.2
11.16.3
Método de las ganancias relativas ............................................................ 308
Control Predictivo Basado en Modelo...................................................... 309
Ventajas y desventajas del MPC............................................................... 311
Referencias Bibliográficas ................................................................................................. 312
Capítulo 12: TRATAMIENTO DE VINAZAS. ................................................................ 313
12.1 Introducción............................................................................................................ 313
12.2 El tamaño del problema.......................................................................................... 314
12.3 Problemas energéticos asociados ........................................................................... 314
12.3.1
Ideas y soluciones ..................................................................................... 315
INDICE
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
7
12.4 Concentración de vinazas y su uso como fertilizante............................................. 316
12.4.1
12.4.2
12.4.3
12.4.4
Propiedades de la vinaza natural............................................................... 316
Vinaza concentrada................................................................................... 316
Ventajas y desventajas.............................................................................. 316
Proceso de concentración ......................................................................... 317
12.5 Biodigestión de la vinaza ....................................................................................... 317
12.5.1
12.5.2
12.5.3
12.5.4
Vinaza biodigerida vs vinaza natural........................................................ 318
Generación de bio-gas a partir de la vinaza.............................................. 318
Potencial energético.................................................................................. 319
Uso de reactores en la producción de bio-gas .......................................... 319
12.6 Control y automatización ....................................................................................... 321
12.6.1
12.6.2
Sistema de control-evaporadores.............................................................. 321
Sistema de control del reactor UASB....................................................... 322
12.7 Conclusiones .......................................................................................................... 324
Referencias Bibliográficas ................................................................................................. 324
Capítulo 13: TECNOLOGÍAS AVANZADAS DE AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL.
.......................................................................................................................... 327
13.1 Introducción............................................................................................................ 327
13.2 Automatización Industrial. ¿Qué es un PLC? ........................................................ 329
13.2.1
13.2.2
13.2.3
Recorrido histórico. .................................................................................. 331
Arquitectura del PLC................................................................................ 334
Herramientas de programación................................................................. 341
13.3 El SCADA.............................................................................................................. 346
13.3.1
13.3.2
Elementos del SCADA. ............................................................................ 350
Posibilidades del SCADA......................................................................... 352
13.4 Redes de Comunicación. ........................................................................................ 356
13.4.1
13.4.2
Conceptos generales de comunicación ..................................................... 356
Buses de Campo ....................................................................................... 361
Referencias Bibliográficas ................................................................................................. 365
Capítulo 14: SISTEMAS DE CONTROL DE PROCESOS .............................................. 367
14.1 Introducción............................................................................................................ 367
14.2 Control básico en realimentación. .......................................................................... 368
14.2.1
14.2.2
14.2.3
Control de realimentación en dos posiciones. .......................................... 368
Control en realimentación con acciones Proporcional, Integral y Derivativa
.................................................................................................................. 368
Sintonización de PID. ............................................................................... 370
14.3 Controladores especiales. ....................................................................................... 370
14.3.1
14.3.2
14.3.3
Bucles de control anticipativo. ................................................................. 371
Control realimentado con control anticipativo para anular perturbaciones....
.................................................................................................................. 372
Bucles de control acoplados. .................................................................... 372
INDICE
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
14.3.4
14.3.5
14.3.6
14.3.7
14.3.8
14.3.9
14.3.10
14.3.11
14.3.12
14.3.13
8
Bucles de control en cascada. ................................................................... 373
Bucles de “control medio”........................................................................ 375
Bucles de control de relación.................................................................... 376
Bucles de control selectivo. ...................................................................... 377
Bucles de control con rango partido (splits-range-control). ..................... 379
Bucles de control adaptativo..................................................................... 380
Bucles de control predictivo. .................................................................... 381
Bucle de control óptimo............................................................................ 383
Bucles de control borroso o difuso. .......................................................... 384
Bucles de control no lineal (PI-sampling). ............................................... 384
14.4 Evaluación automática de las prestaciones del sistema.......................................... 385
14.5 Conclusiones. ......................................................................................................... 386
Referencias Bibliográficas ................................................................................................. 386
INDICE
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INDICE DE TABLAS
Tabla 1.1: Parámetros de las esteras del Ingenio B. Masó ................................................... 31
Tabla 2.1: Resultados del diseño de la planta aplicando la metodología clásica y la
metodología integrada ......................................................................................... 64
Tabla 2.2: Resultados del diseño simultáneo de proceso y control de la planta .................. 64
Tabla 2.3: Resultados del diseño de la planta aplicando la metodología clásica ................. 66
Tabla 3.1: Parámetros de Operación I EFECTO.................................................................. 87
Tabla 3.2: Parámetros de Operación II EFECTO................................................................. 87
Tabla 3.3: Parámetros de Operación III EFECTO ............................................................... 87
Tabla 3.4: Parámetros de Operación IV EFECTO ............................................................... 87
Tabla 3.5: Parámetros de Operación V EFECTO ................................................................ 87
Tabla 3.6: Parámetros Resultantes del Modelo Estático (Flujos en Kg/min; Temperatura en
ºC, presión en bar) ............................................................................................... 88
Tabla 3.7: Valores nominales de operación ......................................................................... 88
Tabla 3.8: Efecto del flujo de vapor en la Concentración a la salida, con respecto al flujo
nominal................................................................................................................ 90
Tabla 3.9: Efecto de la concentración de entrada en la concentración a la salida, con
respecto a la concentración nominal ................................................................... 91
Tabla 3.10: Efecto del flujo de jugo en la entrada en la concentración a la salida, respecto al
flujo nominal ....................................................................................................... 93
Tabla 3.11: Incrementos de las difrentes variables y valor de la de salida .......................... 93
Tabla 3.12: Incrementos unitarios de las difrentes variables y valor de la de salida ........... 94
Tabla 6.1: Tipos de separador mecánico ............................................................................ 150
Tabla 7.1: Funcionamiento de la etapa de potencia ........................................................... 174
Tabla 7.2: Componentes del controlador PID .................................................................... 178
Tabla 9.1: Parámetros de operación ................................................................................... 252
Tabla 10.1: Parámetros utilizados en las simulaciones ...................................................... 270
Tabla 12.1: Producción aproximada de vinaza en Brasil en 2004-2005 ............................ 314
Tabla 12.2: Porcentaje de materia orgánica y nutriente NPK para la vinaza concentrada a 60
o
Brix y vinaza seca ............................................................................................ 316
Tabla 12.3: Propiedades de las vinazas antes y después del tratamiento ........................... 318
Tabla 12.4: Potencial energético de una tonelada de caña ................................................. 319
Tabla 12.5: Potencial energético de la producción de Brasil en 2005 ............................... 319
Tabla 13.1: Tipo de enlace de los servicos de comunicaciones ......................................... 358
Tabla 13.2: Capas del modelo de referencia ISO............................................................... 360
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INDICE
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INDICE DE FIGURAS
Figura 1.1: Diagrama secuencial del proceso de preparación de caña. ............................. 24
Figura 1.2: Estera surtidora vista desde el punto de descarga de la caña............................ 24
Figura 1.3: Estera intermedia. ............................................................................................. 25
Figura 1.4: Estera elevadora. ............................................................................................... 25
Figura 1.5: Vista superior de un juego de cuchillas niveladoras (Rompe Bultos). ............. 26
Figura 1.6: Vista superior de un juego de cuchillas niveladoras (Gallegos)....................... 27
Figura 1.7: Vista frontal de un juego de cuchillas cortadoras. ............................................ 27
Figura 1.8: Vista superior de la Desfibradora. .................................................................... 28
Figura 1.9: Esquema de una tolva tipo Donelly .................................................................. 28
Figura 1.10: Diagrama del proceso de preparación............................................................. 29
Figura 1.11: Esquema del transportador de estera horizontal. ............................................ 32
Figura 1.12: Estudio de variación de la altura y retraso...................................................... 33
Figura 1.13: Error de la velocidad....................................................................................... 36
Figura 1.14: Cambio del error de la velocidad.................................................................... 36
Figura 1.15: Corriente iq (salida)......................................................................................... 36
Figura 1.16: Diagrama del sistema de control subordinado del nivel de caña en la tolva. 37
Figura 1.17: Diagrama de bloques del esquema de control propuesto................................ 38
Figura 1.18: Diagrama de bloques representativo de las operaciones realizadas por el
microcontrolador o PC. ...................................................................................... 39
Figura 1.19: Respuesta del sistema con controlador PI ante alimentación discontinua...... 41
Figura 1.20: Respuesta del sistema con controlador PI y adaptación de set-point ante
alimentación discontinua.................................................................................... 41
Figura 1.21: Velocidad de la estera, set-point acondicionado, señal auxiliar discontinua y
nivel en estera elevadora correspondientes con la Figura 1.20. ......................... 41
Figura 1.22: Vista panorámica del área de Molinos............................................................ 42
Figura 1.23: Estación de molinos de un ingenio típico ....................................................... 42
Figura 1.24: Molino de caña típico ..................................................................................... 43
Figura 2.1: Diagrama de Flujo del Proceso general para el proceso de clarificación ......... 49
Figura 2.2: Diagrama de bloques mostrando los Sistemas de Proceso definidos y sus
interacciones....................................................................................................... 50
Figura 2.3: Representación del modelo de la sulfitadora en un diagrama de flujo de
información ........................................................................................................ 59
Figura 2.4: Régimen de perturbaciones en el flujo de entrada F1 ....................................... 60
Figura 2.5: Régimen de perturbaciones en el pH de entrada pHe ....................................... 60
INDICE
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12
Figura 2.6: Evaluación de la función de adaptación para cada posible solución mientras se
resuelve el problema con AG ............................................................................. 63
Figura 2.7: Comparación de la respuesta a lazo cerrado (pH) del diseño obtenido en ambos
escenarios ........................................................................................................... 65
Figura 2.8: Señal de control para el diseño obtenido en ambos escenarios ........................ 65
Figura 2.9: Respuesta a lazo abierto de las plantas obtenidas en ambos escenarios (pH) .. 66
Figura 2.10: Respuesta a lazo cerrado (pH) de la planta obtenida aplicando la metodología
de diseño clásico................................................................................................. 67
Figura 2.11: Señal de control para el diseño obtenido en ambos escenarios ...................... 67
Figura 3.1: Evaporador normal de cuádruple efecto ........................................................... 73
Figura 3.2: Descripción de la cámara de calefacción y de la cámara da vaporización ....... 74
Figura 3.3: Descripción gráfica de las variables usadas en el análisis ................................ 76
Figura 3.4: Incremento del punto de ebullición debido al nivel de jugo en cada etapa ...... 82
Figura 3.5: Esquema de Evaporador ................................................................................... 84
Figura 3.6: Esquema de las paredes del Evaporador........................................................... 84
Figura 3.7: (a) Entrada escalón positivo, (b) Respuesta del simulador ............................... 89
Figura 3.8: (a) Entrada escalón negativo, (b) Respuesta del simulador .............................. 89
Figura 3.9: (a) Entrada escalón positivo, (b) Respuesta del simulador ............................... 91
Figura 3.10: (a) Entrada escalón negativo, (b) Respuesta del simulador ............................ 91
Figura 3.11: (a) Entrada escalón negativo, (b) Respuesta del simulador ............................ 92
Figura 3.12: (a) Entrada escalón negativo, (b) Respuesta del simulador ............................ 92
Figura 3.13: Variación de la concentración de salida respecto a las variables manipulables
............................................................................................................................ 94
Figura 3.14: Variación porcentual de la concentración de salida respecto a las variables
manipulables....................................................................................................... 95
Figura 4.1: Topología del Cuarto de Azúcar....................................................................... 98
Figura 4.2: Curva de solubilidad ....................................................................................... 100
Figura 4.3: Dependencia de la solubilidad con la temperatura con la concentración de
impurezas como parámetro .............................................................................. 102
Figura 4.4: Modelo de difusión-reacción del crecimiento de los cristales........................ 103
Figura 4.5: Instalación típica de un cristalizador por evaporación al vacío ...................... 105
Figura 4.6: Patrón de circulación típico de la masa dentro de la tacha ............................. 107
Figura 4.7: Etapas del programa de control de la tacha .................................................... 112
Figura 4.8: Simulación de la evolución de algunas variables importantes durante el
procesamiento de un lote. Se marcan instantes de cambio hacia las etapas
señaladas: (a) Espera de Carga, (b) Carga, (c) Concentración, (d) Siembra y
Formación del Grano, (e) Aclarado, (f) Cocción, (g) Apretado Final, (h)
Descarga y (i) Lavado ...................................................................................... 116
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13
Figura 4.9: Detalle de la evolución de algunas variables significativas de una tacha por
lotes de primer producto marcado instantes de cambio hacia las etapas: (1)
Espera de Carga,(2) Carga, (3) Concentración, (4) Siembra y Formación del
Grano, (5) Aclarado y (6) Cocción................................................................... 117
Figura 4.10: Influencia del volumen de siembra............................................................... 117
Figura 4.11: Esquema de circulación del magma y de los puntos de suministro de licor de
una tacha continua del tipo FCB ...................................................................... 119
Figura 4.12: Instalación típica de una tacha continua por evaporación al vacío............... 121
Figura 4.13: Distribución por compartimento de algunas de las variables más importantes
que describen el proceso de cristalización en una tacha continua por evaporación
al vacío. Compartimento 0 corresponde a valores de entrada a la tacha......... 123
Figura 4.14: Caudales de entrada a la tacha continua ....................................................... 124
Figura 4.15: Distribución por compartimento de algunas de las variables más importantes
que describen el proceso de cristalización en una tacha continua por evaporación
al vacío. Compartimento 0 corresponde a valores de entrada a la tacha......... 124
Figura 5.1: Estrategia de control para cristalizador........................................................... 129
Figura 5.2: Cristalizador continuo Reto-Werkspoor ......................................................... 134
Figura 5.3: Cristalizador vertical....................................................................................... 134
Figura 5.4: Estación de cristalizadores blanchard operados en serie ................................ 135
Figura 5.5: Representación esquemática de un cristalizador ............................................ 137
Figura 5.6: Modelo dinámico de la temperatura de la masa cocida en un cristalizador.... 137
Figura 5.7: Validación del modelo del Fernando de Dios................................................. 139
Figura 5.8: Estación de cristalizadores de agotamiento conectados en serie .................... 140
Figura 5.9: Concepción general del sistema de control..................................................... 142
Figura 5.10: Diagrama de bloque del sistema de control promediante ............................. 142
Figura 6.1: Control de secado de la cama Fluidizada........................................................ 161
Figura 6.2: Sistema de control prealimentado completo de secado .................................. 162
Figura 7.1: Ciclo de producción de azúcar de caña........................................................... 166
Figura 7.2: Ciclo de secado de azúcar mediante eliminación de humedad ....................... 166
Figura 7.3: Esquema que representa el secado y envasado de la azucar........................... 167
Figura 7.4: Representación gráfica de un proceso de secado ilustrando los parámetros de
proceso.............................................................................................................. 168
Figura 7.5: Esquema que representa el secado y envasado de la azucar........................... 170
Figura 7.6: Sistema de control de temperatura.................................................................. 171
Figura 7.7: Controlador PID paralelo................................................................................ 172
Figura 7.8: Esquema simplificado del controlador PID electrónico ................................. 172
Figura 7.9: Diagrama esquemático del controlador PID................................................... 173
Figura 7.10: Diagrama de etapa de potencia ..................................................................... 174
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14
Figura 7.11: Diagrama esquemático del circuito generador de pulsos.............................. 175
Figura 7.12: Etapa de aislamiento y triac .......................................................................... 175
Figura 7.13: Oscilogramas del voltaje aplicado al secador ............................................... 176
Figura 7.14: Curva de reacción ......................................................................................... 177
Figura 7.15: Comparación del modelo obtenido ............................................................... 177
Figura 7.16: Respuesta del sistema con el controlador PID.............................................. 178
Figura 7.17: Compensación anti-windup .......................................................................... 180
Figura 7.18: Compensación AW utilizando FDI............................................................... 181
Figura 7.19: Salidas del sistema en lazo cerrado............................................................... 187
Figura 7.20: Salidas del sistema, saturado sin compensación........................................... 187
Figura 7.21: Salidas del sistema, saturado con compensación vía SDI ............................ 189
Figura 7.22: Proceso de envasado de azúcar..................................................................... 190
Figura 7.23: Tipos de envasado......................................................................................... 191
Figura 7.24: Tipos de sellos en envasado.......................................................................... 192
Figura 8.1: Vista frontal de un generador de vapor de tubos de fuego ............................. 197
Figura 8.2: Vista frontal de un generador de vapor de tubos de agua ............................... 198
Figura 8.3: Vista frontal de un generador de vapor de bagazo.......................................... 199
Figura 8.4: Diagrama de un generador de vapor de bagazo .............................................. 200
Figura 8.5: Diagrama funcional de un generador de vapor de bagazo.............................. 202
Figura 8.6: Circulación del aire y de los gases de salida a través del generador de vapor 203
Figura 8.7: Circulación natural del agua en la cámara de generación de vapor................ 204
Figura 8.8: Resultados del balance térmico de un generador de vapor de bagazo............ 210
Figura 8.9: Principales variables de un generador de vapor de bagazo ............................ 214
Figura 8.10: Diagrama del sistema de control de la combustión serie caudal bagazo/caudal
aire .................................................................................................................... 216
Figura 8.11: Diagrama del sistema de control de la combustión serie caudal aire/caudal
bagazo............................................................................................................... 217
Figura 8.12: Diagrama funcional del sistema de control integral del proceso de combustión
.......................................................................................................................... 218
Figura 8.13: Sistema de control del nivel de agua en el domo superior de un generador de
vapor de bagazo................................................................................................ 223
Figura 8.14: Diagrama de bloques del sistema de control de nivel basado en tres señales
.......................................................................................................................... 225
Figura 8.15: Resultados de la simulación del sistema de control de nivel basado en tres
señales .............................................................................................................. 226
Figura 8.16: Sistema de control de la temperatura del vapor sobrecalentado ................... 227
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15
Figura 9.1: Esquema simplificado del rendimiento aproximado de una planta convencional
.......................................................................................................................... 245
Figura 9.2: Sistema con turbina de ciclo combinado ........................................................ 246
Figura 9.3: Sistema CHP ................................................................................................... 247
Figura 9.4: Ciclo por medio de una bomba ....................................................................... 249
Figura 9.5: Esquema de turbina de no-condensación de contrapresión ............................ 249
Figura 9.6: Esquema de turbina de extracción .................................................................. 250
Figura 9.7: Esquema de turbina de contrapresión a bajas presiones de operación ........... 251
Figura 9.8: Esquema de turbinas de contrapresión, una de ellas alta presión y varias a baja
presión .............................................................................................................. 251
Figura 9.9: Esquema de turbina de condensación con extracción de alta presión y otras de
baja presión....................................................................................................... 252
Figura 10.1: Diagrama de Flujo de Proceso del biorreactor.............................................. 265
Figura 10.2: Primera simulación del fermentador. Punto de operación nominal.............. 271
Figura 10.3: Segunda simulación del fermentador. Cambio de Sin=150 a Sin=250 kg/m3 271
Figura 10.4: Tercera simulación del fermentador. Cambio de escala 5 a 50 litros ........... 272
Figura 10.5: Cuarta simulación del fermentador. Efecto de llenado de 2.5 a 5.0 litros .... 272
Figura 11.1: Planta de destilación de bioetanol................................................................. 277
Figura 11.2: Esquema de una columna de destilación típica con una alimentación y dos
corrientes de salida ........................................................................................... 278
Figura 11.3: Columna batch rectificadora......................................................................... 280
Figura 11.4: Columna semi batch rectificadora ................................................................ 281
Figura 11.5: Columna de destilación continua multiproducto .......................................... 281
Figura 11.6: Plato con borboteadores................................................................................ 282
Figura 11.7: Plato con ranuras........................................................................................... 282
Figura 11.8: Plato perforado.............................................................................................. 282
Figura 11.9: Distintos tipos de válvulas, ranuras y borboteadores usados en los platos... 283
Figura 11.10: Estructura de una columna de destilación de relleno.................................. 283
Figura 11.11: Distintos tipos rellenos de partículas aleatorias .......................................... 284
Figura 11.12: Distintos tipos de rellenos estructurados y de rejilla .................................. 285
Figura 11.13: Esquema de funcionamiento del borboteador............................................. 286
Figura 11.14: Esquema de funcionamiento de una válvula............................................... 286
Figura 11.15: Operación de platos con borboteadotes ...................................................... 287
Figura 11.16: Distintos tipos de reboilers ......................................................................... 289
Figura 11.17: Diagrama del punto de ebullición............................................................... 290
Figura 11.18: Fases de una mezcla líquido vapor ............................................................. 291
INDICE
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
16
Figura 11.19: Curva de equilibrio líquido-vapor (ELV) ................................................... 292
Figura 11.20: Curvas ELV de mezclas más complejas ..................................................... 292
Figura 11.21: Curvas ELV de azeótropos ......................................................................... 293
Figura 11.22: Modificación del punto azeotrópico por vacío ........................................... 294
Figura 11.23: Curva ELV de un azeótropo heterogéneo................................................... 294
Figura 11.24: Diagrama de fases de un azeótropo positivo .............................................. 295
Figura 11.25: Columnas de destilación azeotrópica.......................................................... 296
Figura 11.26: Columnas de destilación extractiva ............................................................ 296
Figura 11.27: Esquema de la destilación extractiva salina................................................ 297
Figura 11.28: Esquema de deshidratación por pervaporación .......................................... 298
Figura 11.29: Partícula de un tamiz molecular de 3 Angstrom......................................... 299
Figura 11.30: Esquema de deshidratación con tamices moleculares ................................ 300
Figura 11.31: Esquema del balance de materia en una columna de destilación ............... 303
Figura 11.32: Esquema de control básico de una columna de destilación ........................ 304
Figura 11.33: Esquema de control de una composición.................................................... 306
Figura 11.34: Control por avanacción y realimentación ................................................... 307
Figura 11.35: Acoplamiento entre variables manipuladas y controladas.......................... 308
Figura 11.36: Matriz de ganancias relativas...................................................................... 308
Figura 11.37: Jerarquía de Control de Procesos................................................................ 310
Figura 11.38: Esquema de funcionamiento de un MPC.................................................... 311
Figura 12.1: Esquemático de un reactor UASB ................................................................ 320
Figura 12.2: Esquema de control en un evaporador de vinazas de doble efecto............... 322
Figura 12.3: Sistema de control de un reactor UASB ....................................................... 323
Figura 13.1: Arquitectura de un PLC ................................................................................ 334
Figura 13.2: Bloques principales de un PLC..................................................................... 336
Figura 13.3: Arquitectura interna de un PLC .................................................................... 336
Figura 13.4: Esquema de los bloques de una CPU............................................................ 337
Figura 13.5: Configuración de un sistema de control ....................................................... 341
Figura 13.6: Ejemplo de GRAFCET ................................................................................. 343
Figura 13.7: Representación de Contactos ........................................................................ 344
Figura 13.8: Representación bobina.................................................................................. 344
Figura 13.9: Representación del Bloque Contador ........................................................... 344
Figura 13.10: Representación en FBD de puertas AND y comparador ............................ 345
Figura 13.11: Aplicación SCADA de un proceso de producción industrial ..................... 352
Figura 13.12: Utilización de hoja de cálculo y base de datos mediante SCADA ............. 352
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Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
17
Figura 13.13: Simulación de proceso industrial con SCADA........................................... 353
Figura 13.14: Esquema general de control en lazo cerrado con sistema informático ....... 353
Figura 13.15: Funcionamiento de los bloques PID del SCADA....................................... 354
Figura 13.16: Control simple en lazo cerrado con bloques PID de un SCADA ............... 354
Figura 13.17: Control maestro-esclavo con bloques PID de un SCADA ......................... 354
Figura 13.18: Detección de errores mediante control con PLC y simulación con SCADA
.......................................................................................................................... 355
Figura 13.19: Simulación del control y del proceso con el SCADA ................................ 355
Figura 13.20: Control adaptativo y redundante................................................................. 355
Figura 13.21: Control redundante PLC-PC para seguridad en caso de caída del control . 356
Figura 13.22: Ejemplo de comunicación........................................................................... 356
Figura 13.23: Esquema de comunicación.......................................................................... 357
Figura 13.24: Ejemplo de enlaces ..................................................................................... 358
Figura 13.25: Pirámide de automatización........................................................................ 359
Figura 13.26: Esquema general de comunicaciones entre elementos Siemens................. 361
Figura 13.27: Ejemplo de comunicaciones con Simatic y S7-300.................................... 364
Figura 14.1: Diagrama de bloques del bucle de control de dos posiciones....................... 368
Figura 14.2: Diagrama de bloques del control anticipativo puro. ..................................... 371
Figura 14.3: Diagrama de bloques control en realimentación y control anticipativo ....... 372
Figura 14.4: Sistema multibucle con control en realimentación ....................................... 373
Figura 14.5: Sistema multibucle con control en realimentación y desacoplamiento ........ 374
Figura 14.6: Diagrama de bloques genérico del control en cascada ................................. 374
Figura 14.7: Control en cascada de la temperatura en un intercambiador de calor........... 375
Figura 14.8: Bucle de “control medio” del nivel en un depósito pulmón ......................... 375
Figura 14.9: Diagrama de bloques para controlador promediado ..................................... 376
Figura 14.10: Bucle de control de relación tipo seguidor ................................................. 377
Figura 14.11: Bucle de control de relación tipo regulador................................................ 377
Figura 14.12: Bucle de control selectivo, utilizado para reconfigurar el control, en caso de
operación insegura............................................................................................ 378
Figura 14.13: Control selectivo para evitar la gasificación del gas de petróleo licuado... 378
Figura 14.14: Control selectivo de la temperatura en un reactor tubular. ......................... 379
Figura 14.15: Control de rango partido para aumentar el rango de caudales a controlar.. 379
Figura 14.16: Bucle de control adaptativo ........................................................................ 380
Figura 14.17: Diagrama de bloques del bucle de control con predictor de Smith ideal.... 381
Figura 14.18: Diagrama de bloques equivalente del bucle de control con Predictor de Smith
ideal .................................................................................................................. 381
INDICE
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
18
Figura 14.19: Diagrama de bloques del Bucle de control con algoritmo IMC ................. 382
Figura 14.20: Acción de control y trayectoria estimada por el algoritmo predictivo para
optimizar objetivos. .......................................................................................... 382
Figura 14.21: Control óptimo de consignas ...................................................................... 383
Figura 14.22: Bucle de control borroso............................................................................. 384
Figura 14.23: Principio de funcionamiento del controlador no lineal PI-sampling .......... 385
INDICE
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
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INTRODUCCIÓN.
José Ramón Perán González
Director General Fundación CARTIF
Este Libro Blanco o monografía brinda una descripción del estado actual de la
modelización, instrumentación, automatización y control de los procesos de la industria de
transformación de la caña de azúcar.
Su objetivo es servir de referencia a investigadores, profesionales, estudiantes que laboren o
pretendan laboral en este campo.
La monografía ha sido preparada por el grupo de investigadores de la red “Automatización
y control de la industria de transformación de la caña de azúcar” (AUTRANSCAÑA) bajo
la dirección de su coordinador internacional, el Dr. José Ramón Perán González.
La red AUTRANSCAÑA financiada por el Programa Iberoamericano de Ciencia y
Tecnología para el Desarrollo (CYTED) inició su andadura en 2006 y terminó en 2009.
Su objetivo general ha sido determinar, estimular e impulsar acciones de investigación,
intercambio científico, capacitación y divulgación de los resultados alcanzados y
disponibles en la información científico y tecnológica internacional, que contribuyan al
incremento en los países Iberoamericanos de la utilización de las metodologías y
tecnologías avanzadas de la información, las comunicaciones, la automatización y el
control, como forma de mejorar la rentabilidad y otros indicadores técnico económico de la
industria de transformación de la caña de azúcar, fomentando proyectos de investigación,
proyectos consorciados y proyectos de innovación Iberoeka , así como, publicando y
difundiendo los trabajos resultados de la cooperación entre los grupos participantes en la
Red.
La Red estuvo integrada por los siguientes 16 grupos de 10 países iberoamericanos.
1. Fundación CARTIF, España.
2. Universidad de Valladolid, España.
3. Universidad de Salamanca, España.
4. Instituto Superior Politécnico José Antonio Echeverría, Cuba.
5. Universidad de Oriente, Cuba.
6. Universidad Autónoma del Estado de México.
7. Universidad de Costa Rica.
8. Universitaria Autónoma de Occidente, Colombia.
9. Universidad Nacional de Colombia.
10. Universidad de Piura, Perú.
11. Universidad Privada de Santa Cruz de la Sierra, Bolivia.
12. Universidad de Buenos Aires, Argentina.
13. Universidad Nacional de la Plata, Argentina.
14. Universidad de San Juan, Argentina.
15. Universidad de Concepción, Chile.
16. Universidad Federal de Santa Catarina, Brasil.
Entre los principales logros de AUTRANSCAÑA figuran los siguientes:
INTRODUCCIÓN.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
20
Se realizaron dos jornadas iberoamericanas cofinanciadas por el CYTED y la Agencia
Española de Colaboración Internacional para el Desarrollo (AECID).
La primera fue la “Jornada Iberoamericana sobre automatización y control en los
ingenios de caña de azúcar”, efectuada en el Centro de Formación de la Cooperación
Española de Santa Cruz de la Sierra, del 23 al 27 de abril de 2007, en la cual se dictaron
dos cursos de formación (Métodos y tecnologías de control de procesos y Sistemas de
control de factorías azucareras) y se presentaron 10 comunicaciones o ponencias.
La segunda fue la Jornada Iberoamericana sobre fortalecimiento y sostenibilidad del
sector industrial de la caña de azúcar, celebrada en el Centro de Formación de la
Cooperación Española de La Antigua, del 2 al 6 de junio de 2008, en la que se dictaron
dos cursos de formación (Producción de bioetanol a partir de la caña de azúcar;
Investigación, desarrollo e innovación y su impacto en el sector industrial de la caña de
azúcar) y se presentaron 14 comunicaciones o ponencias.Se dictaron dos cursos de
formación básica.
El primero sobre “Supervisión y control avanzado con autómatas, buses de campo e
instrumentos inteligentes” en la Universidad Autónoma del Estado de México, del 17 al
21 de julio de 2006, al que asistieron 20 especialistas mexicanos.
El segundo sobre “Control automático en los ingenios de caña de azúcar” en el marco
del VII Congreso de la Asociación Colombiana de Automática, efectuada en Santiago
de Cali, entre el 21 y el 23 de marzo de 2007.
Se generaron los siguientes proyectos:
Optimización de procesos de la industria del azúcar de caña aplicando control
automático avanzado, acción de coordinación de proyecto de investigación financiada
por CYTED, en la línea de mejora y control automático de procesos del área de
promoción del desarrollo industrial.
Sistemas embebidos de bajo coste para diagnóstico de fallos orientado al
mantenimiento predictivo, acción de coordinación de proyecto de investigación
financiada por CYTED en la línea de mantenimiento de equipos y estructuras del área
de promoción del desarrollo industrial.
Desarrollo de simulador virtual del proceso de evaporación múltiple efecto para
proceso de obtención de azúcar a partir de la caña y evaluación de estrategias de
control automático para mejorar la gestión energética y económica del proceso”,
financiado por el Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología de Perú (CONCYTED)
Proyecto de innovación IBEROEKA “Prototipo de sistema de control óptimo de bajo
coste para pequeños ingenios azucarero”.
Proyecto de innovación IBEROEKA “Prototipo de sistema de control avanzado para
optimizar la generación y consumo del vapor en grandes ingenios de caña de azúcar”.
La industria de transformación de la caña de azúcar.
La caña de azúcar (Saccharum officinarum L) es una gramínea tropical, un pasto gigante
emparentado con el sorgo y el maíz en cuyo tallo se forma y acumula un jugo rico en
INTRODUCCIÓN.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
21
sacarosa, compuesto que al ser extraído y cristalizado en el ingenio forma el azúcar. La
sacarosa es sintetizada por la caña gracias a la energía tomada del sol durante la
fotosíntesis.
El tronco de la caña de azúcar está compuesto por una parte sólida llamada fibra y una parte
líquida, el jugo, que contiene agua y sacarosa. En ambas partes también se encuentran otras
sustancias en cantidades muy pequeñas.
Las proporciones de los componentes varían de acuerdo con la variedad de la caña, edad,
madurez, clima, suelo, método de cultivo, abonos, lluvias, riegos, etc. Sin embargo, unos
valores de referencia general pueden ser:
Agua
73-76%
Sacarosa
8-15%
Fibra
11-16%
Glucosa
0.2-0.6%
Fructosa
0.2-0.6%
Sales
0.3-0.8%
Ácidos orgánicos
0.1-0.8%
Otros
0.3-0.8%
La industria de transformación de la caña de azúcar se ha diversificado extraordinariamente
en los últimos años. Sus principales productos por importancia económica actualmente son
los azucares de distintos tipos (morena, refino, líquida, orgánico, etc.), los alcoholes
(alcohol neutro, alcohol anhidro o carburante, etc.) y la energía eléctrica cogenerada a partir
del bagazo. Otros productos o derivados son medicamentos, solventes, fertilizantes,
levaduras, papel, etc.
La agroindustria de la caña de azúcar juega un papel muy importante en América Latina y
el Caribe, tanto desde el punto de vista agrícola, industrial y social. En casi todos los países
de Latinoamérica y el Caribe se cultiva caña de azúcar.
Según GEPLACEA las áreas sembradas en hectáreas durante la zafra 1998-1999 fueron, en
Brasil 4.600,00, en México 750.000, en Argentina 275.000, en República Dominicana
200.000, en Colombia 190.000, en Perú 89.000, en Ecuador 65000, en Guyana 53.500, en
El Salvador 50.400, jamaica 48.000, Costa Rica 45.000, Honduras 34.500, Panamá 29200 y
Paraguay 25.000. No se contabilizan Bolivia, Chile, Cuba, Guatemala, Haití, Nicaragua,
Uruguay y Venezuela, países que también siembran caña de azúcar.
También según GEPLACEA el número de ingenios azucareros en operación en
Latinoamérica y el Caribe durante la zafra 1998-1999 fue de 803 en total, 388 en Brasil,
158 en Cuba, 63 en México, 23 en Argentina, 19 en Costa Rica, 17 en Guatemala, 16 en
Venezuela, 13 en Republica Dominicana, 12 en Perú, 11 en Colombia, 8 en Ecuador, 8 en
El Salvador, 8 en Guyana, 8 en Honduras, 8 en jamaica, 6 en Nicaragua, 6 en Paraguay, 5
en Bolivia, 5 en Chile, 4 en Haití, 4 en Panamá, 3 en barbados, 2 en Trinidad y Tobago. No
se tienen datos disponibles de Uruguay.
Algunos ingenios modernos son complejos industriales que producen además de azúcar,
alcohol y electricidad. Por otra parte se construyen destilerías autónomas, es decir fabricas
que procesan caña de azúcar solo para producir bioetanol.
INTRODUCCIÓN.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
22
En casi todos los países iberoamericanos están creadas asociaciones de técnicos azucareros,
asociaciones de productores de caña de azúcar y biocombustibles, así como varios centros
de investigación.
En casi todos los países han diseñado programas para el uso del bioetanol mezclado con
gasolinas.
Contenidos del Libro Blanco.
La industria de transformación de la caña de azúcar es muy amplia y no es posible abarcar
todos sus procesos en esta monografía.
Por esa razón el libro se ha estructurado en una introducción y los siguientes capítulos:
1. Planta moledora.
2. Purificación o clarificación
3. Concentración
4. Cristalización al vacío
5. Cristalización por enfriamiento
6. Centrifugación, secado y envasado
7. Disolución del azúcar, decoloración, filtración.
8. Generadores de vapor
9. Cogeneración
10. Preparación del mosto y fermentación
11. Destilación
12. Tratamiento de vinazas
13. Tecnologías avanzadas de automatización y control.
14. Sistemas de control de procesos.
En cada capítulo se intenta brindar una descripción detallada del estado actual de la
automatización y control de los procesos involucrados en cada una de las áreas abordadas
en cada capítulo.
INTRODUCCIÓN.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
23
Capítulo
1:
PROCESO
TECNOLÓGICO
PREPARACIÓN Y MOLIENDA DE LA CAÑA.
DE
Mercedes Ramírez Mendoza
Universidad de Oriente. Cuba.
1.1 Introducción.
La preparación de la caña constituye el primer proceso de una fábrica de azúcar crudo y
consiste en pasar las cañas, por equipos que se encargan de desenredar los bultos, de nivelar
o aplanar el colchón y de picarla, trocearla y desfibrarla, todo con la finalidad de producir
un flujo estable y continuo de caña homogéneamente preparada, que garantice una óptima
extracción del jugo en los molinos [1].
1.2 Descripción del Proceso tecnológico de preparación de la
caña.
En esta etapa es donde el ingenio recibe la materia prima fundamental (la caña), en el
llamado basculador, en el cual se encuentra el equipamiento más idóneo según los medios
de transporte que se utilicen, ya sean vagones de ferrocarril, camiones, tractores con
remolques o carretas, y se realiza la descarga de éstos. Dicha etapa tiene dos funciones
fundamentales para el trabajo eficiente del ingenio, recibir y transportar la caña hacia los
molinos y prepararla para la molienda; para realizar estas funciones el mismo cuenta con
distintos equipos, tales como: grúas, viradores, conductores o esteras, cuchillas y
desfibradora, los cuales se describirán en los epígrafes siguientes, teniendo en cuenta la
tipicidad en los ingenios de la región.
Por lo general, el esquema tecnológico del proceso de preparación de caña, incluye como
mínimo, dos o tres transportadores o esteras, en las cuales se realizan varios pasos de
preparación mecánica tales como nivelación, separación de partículas metálicas, corte y
desmenuzamiento de la masa cañera precedente de los campos de cultivo.
Finalmente, la caña preparada es elevada y descargada mediante una de las esteras, para
tratar de mantener un determinado nivel de llenado de la tolva alimentadora, donde se
acumula para alimentar por gravedad al primer elemento del tren de molinos, según las
necesidades de procesamiento.
En algunos casos como se ha mencionado anteriormente, el proceso sólo consta de dos
esteras, la surtidora y la elevadora, en otros existe una estera intermedia entre la surtidora y
la elevadora y en otros la denominada intermedia se encuentra entre la elevadora y la tolva
de alimentación a los molinos. Casi se puede afirmar que no hay dos ingenios que tengan
exactamente el mismo equipamiento en el proceso de preparación [2]. Por esa razón nos
basaremos en la configuración del ingenio azucarero “Bartolomé Masó” de la provincia
Granma, Cuba [3]. En la Figura 1.1 puede apreciarse la configuración presente en dicho
ingenio.
Es en la estera elevadora (que suministra la caña a la tolva de alimentación), donde
generalmente se utiliza un accionamiento de velocidad variable para tratar de controlar el
nivel de la tolva de alimentación.
Durante la operación en esta área se debe velar por garantizar una descarga de la caña a la
Capítulo 1: PROCESO TECNOLÓGICO DE PREPARACIÓN Y MOLIENDA DE LA CAÑA.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
24
estera alimentadora sin vacíos ni colmos, lo cual permitirá a los niveladores mantener un
colchón con la altura prefijada. Los vacíos en la estera provocan una disminución
considerable del índice de preparación, ya que al llegar a las cuchillas un colchón bajo,
éstas no alcanzan a preparar la caña en su totalidad. Los colmos también son perjudiciales
ya que pueden provocar atoros en los niveladores o en las cuchillas, que en ocasiones
provocan la paralización del proceso lo cual repercute negativamente en la fábrica. Este
proceso aparece en la Figura 1.1 según la configuración del ingenio antes referido [3].
Figura 1.1: Diagram a secuencial del proceso de pr eparación de caña.
1.2.1 Estera surtidora
También llamada mesa de alimentación se encuentra ubicada por debajo del nivel del suelo
en un foso de alrededor de 3 metros de profundidad para facilitar la descarga de los vagones
de ferrocarril y los camiones, está formada por tablillas de acero fijadas mediante tornillos a
cadenas. Dicha estera está dispuesta horizontalmente, y posee una guardera en los laterales
para evitar la caída de la caña, (Figura 1.2).
Figura 1.2: Est era surt idora vist a desde el punt o de descar ga de la caña.
La transmisión del movimiento se realiza mediante un juego de piñones que son movidos a
Capítulo 1: PROCESO TECNOLÓGICO DE PREPARACIÓN Y MOLIENDA DE LA CAÑA.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
25
su vez por un reductor alineado con un motor eléctrico cuya potencia dependerá de las
dimensiones de la estera y de la cantidad de caña que se transporte [4].
1.2.2 Estera Intermedia.
Se encuentra ubicada a continuación de la estera surtidora y en muchos casos posee cierta
inclinación, está formada por tablillas de acero con las mismas características y
dimensiones de la anterior, (Figura 1.3). Es movida por un reductor acoplado a un motor
que gira a velocidades diferentes, en dependencia de la maniobra que realice el operador
que se encarga del manejo del mismo. La función de ésta es abastecer de caña a la estera
alimentadora, que se encuentra a continuación.
Figura 1.3: Est era int erm edia.
1.2.3 Estera elevadora.
Como lo indica su nombre tiene la función de elevar la caña desmenuzada para descargarla
en la tolva que alimenta al primer molino y en la mayoría de los casos comienza a una
altura dada por encima del nivel normal. Su función fundamental es proporcionar una
alimentación de caña estable al primer molino, en dependencia de la capacidad a moler.
(Figura 1.10).
Figura 1.4: Est era elevadora.
Capítulo 1: PROCESO TECNOLÓGICO DE PREPARACIÓN Y MOLIENDA DE LA CAÑA.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
26
1.2.4 Cuchillas.
Las cuchillas permiten convertir las cañas enteras en un material formado por pedazos
cortos y pequeños. Ellas mejoran la capacidad de molida transformando la caña en una
masa compacta y homogénea, lo que facilita su desintegración y la extracción de jugo [1].
Este equipo consiste en un eje pesado de sección cuadrada, hexagonal u octagonal montado
en rodamientos de bolas, en el cual están fijos varios brazos cada uno de los cuales lleva
dos hojas colocadas simétricamente con relación al eje.
Las hojas de las cuchillas son removibles, de manera que pueden reemplazarse fácilmente.
Las cuchillas se instalan sobre el conductor de caña, de manera que los extremos de sus
hojas queden separados de las tablillas a una distancia denominada ajuste que es un factor
importante para el trabajo de las mismas. De este depende la proporción de cañas cortadas y
por consiguiente su eficacia.
Según el trabajo que desempeñan se distinguen dos categorías de cuchillas:
Las cuchillas niveladoras, que sobre todo regularizan el colchón de cañas.
Trabajan con un ajuste amplio y en consecuencia dejan pasar una alta
proporción de cañas sin cortar. En muchos ingenios estos equipos reciben los
nombres corrientes de rompebultos y gallegos y es común que esta primera
máquina se ubique en la intersección entre la primera y la segunda estera.
Las cuchillas cortadoras. Este segundo efecto sólo se busca cuando existen dos
juegos de cuchillas: el primero, al principio de la parte inclinada del conductor
trabajaría como nivelador; el segundo, en la parte alta del mismo, tendría como
función completar el corte de la caña con un ajuste más cercano a las tablillas.
Generalmente estas cuchillas trabajan con velocidades más altas, mayor fuerza
y una penetración más profunda en la capa de caña del conductor. Donde van
ubicadas la estera va tapada por planchas de hierro, para evitar que salgan del
conductor pedazos de caña.
Cuando se usa un único juego de cuchillas éste realiza las dos funciones: nivela
automáticamente y al mismo tiempo corta en la medida de lo posible.
Figura 1.5: Vist a superior de un j uego de cuchillas niveladoras ( Rom pe Bult os) .
Capítulo 1: PROCESO TECNOLÓGICO DE PREPARACIÓN Y MOLIENDA DE LA CAÑA.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
27
Figura 1.6: Vist a superior de un j uego de cuchillas niveladoras ( Gallegos) .
Figura 1.7: Vist a front al de un j uego de cuchillas cort adoras.
1.2.5 Separadores magnéticos
Los objetos metálicos presentes en la materia prima tales como pedazos de hojas de
cuchillas, ganchos de las cadenas, remaches, tuercas, etc. pueden ocasionar la destrucción
de un cierto tramo de una o varias ranuras del cilindro lo que conlleva a tener que tornear
nuevamente la maza para reconstruir el rasurado perdiéndose en esta operación varios
milímetros de su diámetro que se suman a los perdidos por el desgaste normal.
El separador magnético en un electroimán instalado sobre todo el ancho del conductor que
atrae y retiene los pedazos de metal que pasan por su campo magnético. Este equipo
consume poca potencia y protege eficazmente los cilindros de los molinos.
1.2.6 Desfibradora.
Esta máquina se encuentra ubicada entre la estera intermedia y la elevadora, complementa
Capítulo 1: PROCESO TECNOLÓGICO DE PREPARACIÓN Y MOLIENDA DE LA CAÑA.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
28
el trabajo de las cuchillas y también contribuye al mejoramiento de la capacidad de molida.
Está formada por martillos, como su nombre lo indica, tiene por misión completar la
preparación de la caña, desmenuzándola o triturándola en pedazos mucho más pequeños,
pero por desfibramiento, más bien que por corte, esto lo hace presionando las fibras, sobre
un conjunto de sufrideras fijas a un tambor.
El buen estado físico de la desfibradora influye en gran medida en la preparación de la
materia prima, Figura 1.8, [4].
Figura 1.8: Vist a superior de la Desfibradora.
1.2.7 Tolva de alimentación al tren de molinos
La tolva es el recipiente donde se vierte la caña que es suministrada al primer molino y
puede ser tipo rampa inclinada o tipo embudo. Esta última conocida como tolva Donnelly,
tiene ciertas ventajas con respecto a la primera y se muestra en la Figura 1.9.
Figura 1.9: Esquem a de una t olva t ipo Donelly
Capítulo 1: PROCESO TECNOLÓGICO DE PREPARACIÓN Y MOLIENDA DE LA CAÑA.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
29
Figura 1.10: Diagram a del proceso de preparación
1.2.8 Propósitos de la preparación de la caña.
Los nombres tradicionales "cuchillas", "machetes", "trozadoras", provienen de su
introducción en la molienda a principios del siglo XX y estos nombres llevan implícito el
concepto de "corte", pues se introdujeron con el propósito de "cortar" o "trozar"
individualmente las cañas largas para "acomodarlas" mejor usando herramientas con poca
velocidad de rotación.
El concepto moderno de preparación es ya distinto porque realmente lo que se pretende
ahora es lograr "romper" en la caña la mayor cantidad posible de las celdas de jugo para
facilitar la extracción posterior por compresión y lavado.
Esto se obtiene precisamente con un "corte limpio" como el que se pretende lograr con las
combinadas o cosechadoras de caña, donde las cañas individuales, mantenidas erectas,
reciben el corte de cuchillas con filo. En las combinadas se quiere lograr un “corte limpio”
para evitar que se "rompan" y se pongan a la intemperie celdas de jugo que se pueden
"descomponer" mientras llega el momento de la molienda.
Consideramos que una definición más concreta y descriptiva de la preparación moderna es:
"una operación de desintegración profunda de la estructura fibrosa de la caña".
Es bien conocido que para lograr la desintegración en cualquier materia se requiere gastar
energía en ésta, en una magnitud que es inversamente proporcional al tamaño de los trozos
o partículas logradas.
El mecanismo obvio para desintegrar la materia es a través del impacto de una gran masa a
alta velocidad, preferiblemente con materia detenida total o parcialmente por una
"sufridera". [5].
1.3 Medición de la magnitud de la preparación.
Como el proceso de preparación se efectúa para "abrir" la mayor cantidad de celdas de jugo
y dejar "libre" al lavado, por así decirlo, la mayor cantidad de jugo, la magnitud del proceso
debe medirse, por elemental lógica, midiendo la cantidad de sólidos contenidos en el jugo
que pueden "liberarse" por el solo hecho de lavar con agua la masa de caña preparada.
Capítulo 1: PROCESO TECNOLÓGICO DE PREPARACIÓN Y MOLIENDA DE LA CAÑA.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
30
En este principio se basan los métodos de análisis más universalmente establecidos y que
simplemente comparan el Brix que se puede sacar por lavado en la caña preparada con el
Brix total de la caña. En general la medición se realiza en el laboratorio, desconociéndose
hasta el momento la existencia de un instrumento que permita medir este índice de forma
continua lo que impide utilizar la misma en los sistemas de control automático.
Existen dos métodos, que son muy similares y que solo se diferencian en el equipamiento
de laboratorio y en otros detalles menores, son los llamados índices de preparación
(Preparation index) y de celdas abiertas (Open cell).
Actualmente en las instalaciones con un juego de cuchillas con cierto desgaste se obtiene
un índice de preparación de 40 y en general, con dos juegos de cuchillas aceptables se están
logrando valores promedios de 60, algunos países con gran desarrollo en este sentido
reportan valores mínimos de 85 y algunos con desfibradoras pesadas están logrando valores
de 92 situándose metas de 95 y más. [4].
1.4 Efectos de la preparación de la caña en el proceso de
obtención de azúcar y en la combustión del bagazo.
Normalmente se le atribuyen efectos adversos a la preparación de la caña en la clarificación
del jugo, como es el incremento de los insolubles en el azúcar y en la eficiencia de la
combustión en los hornos, debido a una excesiva pulverización.
Ciertamente disminuyendo la preparación inicial y las presiones aplicadas en los molinos se
puede lograr un bagazo con una mayor granulometría, pero siempre a expensas de
disminuir la extracción total y quizás, en algunos casos, sea rentable hacerlo, pero siempre
sabiendo que se pierde en extracción.
De acuerdo con muchos análisis realizados se determina que lo que más afecta la
granulometría o más bien la cantidad de "polvillo" en el bagazo, es la cantidad de caña que
se muele de acuerdo con la calidad de su fibra. Hay tipos de caña que aún bajo condiciones
más "benignas" de molida, por su contenido de "meollo" o "fibra blanda" y por la fragilidad
de su fibra, producen un bagazo con una cantidad de "polvillo" mayor (no produciéndose
un verdadero cambio en la granulometría). Casi siempre los bagazos de estas cañas tienen
comportamiento difícil en la combustión, independientemente de la preparación inicial que
se les haga.
De todos modos el efecto del bagacillo en la clarificación y en el contenido de insolubles en
el azúcar "desaparecen" si se utilizan coladores eficientes de jugo diluido y de jugo
defecado.
En cuanto al efecto en la combustión, este puede atenuarse mejorando la alimentación del
bagazo, la geometría de los fogones y la distribución y la temperatura del aire primario y
secundario. [5].
1.5 Dinámica y Control de la etapa de Preparación de la caña.
En [2] se hace un análisis de diferentes estrategias de control propuestas o implementadas
para el control del área de preparación, pero lo cierto es que durante la investigación
realizada se pudo constatar que en la actualidad en la mayoría de los ingenios esta etapa
posee un escaso nivel de automatización lo que repercute sin dudas en la eficiencia de la
Capítulo 1: PROCESO TECNOLÓGICO DE PREPARACIÓN Y MOLIENDA DE LA CAÑA.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
31
misma, por ello nuestro trabajo en la red se encaminó a analizar posibles variantes para el
control automático en ella.
Por regla general, en la primera estera (donde se recibe la materia prima), no se realiza un
control de la velocidad de la misma sino que se realizan frecuentes arranques y paradas del
motor en dependencia de la cantidad de caña alimentada y el flujo demandado por la
siguiente estera. Cuando existe estera intermedia, en esta se mantiene la velocidad
constante y se realizan las acciones mecánicas sobre la caña.
Es en la estera elevadora (que suministra la caña a la tolva de alimentación), donde
generalmente se utiliza un accionamiento de velocidad variable para tratar de controlar el
nivel de la tolva de alimentación. Este control se realiza con el obsoleto método de
introducir resistencias externas en el circuito de rotor de motores asincrónicos de rotor
bobinado, lo cual se traduce en una baja eficiencia energética y un control a saltos de la
velocidad de la estera. En otros casos se utiliza un motor hidráulico para el accionamiento
de la estera, que incluye una doble transformación de energía y por ende una disminución
de la eficiencia.
Es evidente que en el estado actual de estos procesos industriales no es posible lograr una
adecuada alimentación al tren de molinos, en cuanto a continuidad y calidad de preparación
de la masa cañera, por ello una de las variables más importantes a controlar en esta área es
el nivel en la tolva que alimenta al primer molino.
Para ensayar las diferentes estrategias de control propuestas fue necesario obtener un
modelo del proceso y para ello se escogió como caso estudio el ingenio azucarero cubano
referido al inicio de este capítulo [3] en el cual se tomaron todos los datos necesarios para
su evaluación y posterior validación.
En éste la configuración de la planta de preparación de caña coincide con la de la Figura
1.2, es decir una estera receptora de materia prima o surtidora, una estera intermedia que
incluye los procesos de nivelación y un segundo juego de cuchillas y una estera elevadora
(con el mecanismo de la desfibradora) para la alimentación de la tolva. Algunos de los
parámetros correspondientes a las esteras de este ingenio se detallan en la Tabla 1.1
Tabla 1.1: Parám et ros de las est eras del I ngenio B. Masó
Capítulo 1: PROCESO TECNOLÓGICO DE PREPARACIÓN Y MOLIENDA DE LA CAÑA.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
32
1.5.1 Modelado de esteras transportadoras.
El modelado de las esteras o transportadores [6] [7] [8], permite obtener el flujo de salida
de la estera en función de la velocidad de la misma y el flujo másico de entrada.
Las esteras transportadoras con paredes laterales para sólidos, poseen una determinada
capacidad volumétrica, para realizar el modelado del flujo y el espesor del colchón de caña,
se tuvieron en cuenta las siguientes restricciones: el sólido transportado tiene una altura o
nivel uniforme en la sección transversal de la estera, la densidad del sólido transportado es
constante, el grado de inclinación de los tramos inclinados de ambas esteras no es tan
grande como para producir un deslizamiento del colchón de caña de sentido contrario al
movimiento de la estera y la afectación de los mecanismos de preparación sobre la
dinámica del flujo es despreciable.
El transportador de estera puede verse como un sistema de parámetros distribuidos con dos
variables de entrada (flujo de sólido a su entrada y velocidad de la estera) y dos de salida
(flujo de sólido y nivel o altura a su salida), tal como se aprecia en la Figura 1.11.
Figura 1.11: Esquem a del t ransport ador de est era horizont al.
El caudal o flujo en cualquier punto de la estera se calcula mediante:
F (t , z ) Ae N e (t , z ) ve (t ) e ,
(1.1)
donde:
Ae: ancho de la estera (m)
Ne(t,z): altura o espesor del colchón (m)
ve(t): velocidad de la estera (m/min)
e: densidad del colchón de caña en estera elevadora (Kg/m^3)
En particular, nos interesará el flujo de salida de la estera elevadora Fse ya que coincide con
el flujo de entrada a la tolva Fe :
Fse F (t , L) Fe
,
(1.2)
con lo cual el palpador deberá ubicarse en el tramo final de la estera a fin de sensorizar el
nivel de colchón Ne(t,L).
Para la determinación del retraso de transporte se consideró una cinta de longitud (L),
Capítulo 1: PROCESO TECNOLÓGICO DE PREPARACIÓN Y MOLIENDA DE LA CAÑA.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
33
ancho (A) y con paredes laterales de una altura (H), que tiene los siguientes parámetros:
Estera inclinada de 35 m de longitud, 2.5 m de anchura y 2 de profundidad.
Rango de variación de la velocidad de la estera 0-6 m/min cuando la salida del
controlador va de 4-20 mA.
Caudal de caña nominal a moler Fe (nominal) = 165 Ton/h.
Densidad de la caña: dens = 0.8 Ton/m^3.
Se consideran las entradas:
Fe: caudal másico de caña que entra a la cinta (Perturbación)
V: Velocidad lineal de la cinta (Señal de control)
y como salida medible utilizada para el control:
NE: altura del colchón en el extremo de la salida de la cinta.
El primer paso para encontrar la expresión analítica que exprese el modelo de
comportamiento de la estera fue, simular el comportamiento del sistema ante diferentes
rangos de variación de sus entradas y estudiar como variaba la altura y el retraso con que
salía (Figura 1.12). De la observación de dicha Figura 1.12: Estudio de variación de la
altura y retraso. pueden obtenerse los siguientes hechos:
El retraso depende exclusivamente de la velocidad de la cinta. Si aproximamos la curva
resultante por una hipérbola tendremos:
retraso
2100
velocidad
(1.3)
que corresponde de forma general a:
retraso
L 60
velocidad
ALTURA
(1.4)
RETRASO
Figura 1.12: Est udio de variación de la alt ura y ret raso.
Capítulo 1: PROCESO TECNOLÓGICO DE PREPARACIÓN Y MOLIENDA DE LA CAÑA.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
34
La variación de la altura, a velocidad constante, es lineal y con una pendiente que
decrece según aumenta la velocidad. Aproximando la superficie resultante en función
de Fe y V, tenemos:
altura
Fe
2 V
(1.5)
que corresponde de forma general a:
altura
Fe
dens A V
(1.6)
Las ecuaciones halladas anteriormente nos permiten expresar la función de transferencia de
la altura como un sistema formado por una ganancia y retraso variables:
NE
Fe
e
dens A V
L 60
s
V
(1.7)
1.5.2 Modelado de la tolva.
El modelo del dosificador depende de la forma y dimensiones [5]. Se considera una tolva
de sección rectangular constante con altura R, ancho A y profundidad P. La ecuación de
balance de masa en la tolva es la siguiente:
dm
Fe Fs FN
dt
(1.8)
El flujo de caña absorbido por el primer equipo de molienda puede calcularse por:
Fs A·H · ·wm (t )
(1.9))
La velocidad tangencial de las masas del molino (wm) es constante, debido a que son
operados a velocidad constante. El ancho de las masas (A), obviamente, es también
constante e igual al ancho de la tolva. Por el contrario, ni el espesor del colchón de caña
entre las masas H (la separación entre la masa superior y la masa cañera) ni la densidad del
colchón en ese punto () son constantes para todo el espacio de operación posible. Ambas
dependen en forma no lineal de la altura o nivel del colchón en la tolva y de la presión
aplicada a los molinos. Sin embargo, si el nivel del colchón de caña en la tolva se mantiene
entre un 40 y un 80 % de la altura máxima de la tolva y la presión aplicada a los molinos es
constante, entonces tanto la flotación H como la densidad pueden considerarse
prácticamente constantes en ese intervalo.
Como quiera que se controle a valor constante la altura del colchón en la tolva, entonces se
puede considerar sin gran error que el flujo de caña absorbido por el primer equipo de
molienda es proporcional a la velocidad de los molinos.
La masa de caña en la tolva se calcula por:
Capítulo 1: PROCESO TECNOLÓGICO DE PREPARACIÓN Y MOLIENDA DE LA CAÑA.
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m (t ) A·P · N T · ,
35
(1.10)
donde:
A: ancho de la tolva (m)
P: profundidad de la tolva (m).
NT: altura del colchón de caña en la tolva (m)
: densidad media del colchón de caña en la tolva (Kg/m^3).
Finalmente, el modelo de la tolva que determinado en el dominio del tiempo por:
NT
1
Fe (t ) A H wm (t )
A P
(1.11)
El dosificador o tolva de alimentación es modelado como un integrador, cuyo variable de
salida (nivel de caña en tolva), depende de la integración del flujo de entrada.
Para el caso del ingenio B. Masó, la constante de integración resulta 1/AP = 0.0019.
1.5.3 Modelado de los accionamientos
El elemento de acción final en el lazo de control es el accionamiento eléctrico, en este caso
formado por el sistema convertidor de frecuencia-motor de inducción, para el cual se elige
como modelo un elemento lineal de primer orden, dadas las pequeñas constantes de tiempo
electromagnéticas del convertidor y el motor con respecto a la inercia mecánica del motor y
el reductor [9] [10]. Los parámetros de los bloques han sido determinados a partir del
conocimiento de los datos de los motores y de los convertidores de frecuencia
recomendados para la instalación en el caso del central azucarero B. Masó, siendo de esta
manera el accionamiento representado por la siguiente función de transferencia:
M ( s)
0,124
0,014 s 1
(1.12)
Para medir nivel en la estera elevadora se recomienda el empleo de un palpador, es decir,
un elemento metálico de peso determinado con un grado de libertad en contacto con la
caña de la estera, acoplado al cursor de un potenciómetro lineal polarizado, cuya salida es
proporcional a la altura del colchón de caña.
En el dosificador se propone el uso de un captador ultrasónico. El principio de
funcionamiento del mismo está basado en calcular la distancia a la que se encuentra el
sólido mediante rayos ultrasónicos, los cuales al ser recibidos por el captador son
convertidos en una señal eléctrica. Para su correcto funcionamiento el mismo debe ser
colocado de forma vertical en la parte superior de la tolva.
Por lo anterior, el modelado de los captadores se reduce a la consideración de los mismos
como elementos lineales de ganancia determinada sin retraso.
1.5.4 Estrategias de control propuestas
Entre los trabajos más importantes desarrollados por nuestro grupo sobre este tema se
encuentra el diseño de un controlador difuso para el control de velocidad de un motor de
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36
inducción en coordenadas de campo, que acciona una estera transportadora de caña, sin la
necesidad de realizar las compensaciones en los ejes d-q, lo que simplifica sustancialmente
el control. El controlador difuso implementado fue del tipo Mamdani y se utilizaron como
variables de entrada el error de la velocidad y el cambio del error de la velocidad y como
variable de salida la corriente de mando del eje q. Para el desemborronado se empleó el
método del centro de gravedad.
A continuación se muestran las particiones borrosas realizadas en las diferentes variables y
las reglas difusas empleadas.
Figura 1.13: Error de la velocidad
Figura 1.14: Cam bio del error de la velocidad
Figura 1.15: Corrient e i q ( salida)
Reglas difusas
1)
Si e k es PH (positivo grande) entonces iq es PH (positivo grande)
2)
Si e k es PL (positivo pequeño) entonces iq es PM (positivo medio)
Si e k es ZE (cero) y ce k es PS (positivo pequeño) entonces iq es PL
(positivo pequeño)
4)
Si e k es ZE (cero) y ce k es NE (negativo) entonces iq es NC (no cambia)
3)
5)
6)
7)
Si e k es ZE (cero) y ce k es ZE (cero) entonces iq es NC (no cambia)
Si e k es NL (negativo pequeño) entonces iq es NL (negativo pequeño)
Si e k es NH (negativo grande) entonces iq es NH (negativo grande)
Los resultados alcanzados mostraron que el comportamiento del sistema de control
sometido a cambios bruscos de carga y en la referencia fueron superiores a los obtenidos
con un PID clásico [7].
Más adelante se realizó otro trabajo donde el control de velocidad de las esteras se lleva a
cabo como parte de un esquema de control subordinado como se muestra en la Figura 1.16.
El mismo demostró que es posible mantener constante el nivel de caña en la tolva y por
tanto una alimentación estable al tren de molinos, si se logran manipular en un amplio
rango como variables de acción, las velocidades respectivas de la estera que la alimenta y la
precedente, siempre que exista un suministro estable de caña al ingenio [11].
Capítulo 1: PROCESO TECNOLÓGICO DE PREPARACIÓN Y MOLIENDA DE LA CAÑA.
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37
Figura 1.16: Diagram a del sist em a de cont rol subordinado del nivel de caña en la t olva.
Finalmente se realizó el estudio de un sistema de control del nivel de caña en la tolva de
alimentación, basado en una propuesta reciente de control por medio de adaptación de la
señal de referencia [12], [13] con el fin de determinar si es factible técnicamente la
aplicación al problema en cuestión.
Para ello se propone en un principio implementar un sistema de control donde será
manipulada la velocidad de la estera elevadora, con el objetivo de controlar el nivel de
llenado de la tolva a través de acciones de control PID, las cuales gozan de gran aceptación
en la industria. Estos esquemas basan su realización en el uso de convertidores de
frecuencia para el control de la velocidad de las esteras, incluyendo la sustitución de los
motores de rotor bobinado por motores de jaula de ardilla, con lo cual se hace posible la
variación de la velocidad de estos accionamientos en un amplio rango, lo cual puede ser
desde valores cercanos a cero (dependiendo del tipo de convertidor) hasta valores por
encima de la velocidad nominal del motor. El uso de los convertidores tiene un impacto
positivo en la elevación de la eficiencia energética por la minimización de las pérdidas en
los motores.
Adicionalmente, se propone incorporar un lazo externo que realimente además del nivel de
caña en tolva, la altura del colchón en la estera elevadora y la velocidad de la misma. La
idea esencial de este esquema es generar una señal de referencia al lazo de control PID que
evite que la altura en la tolva se escape del rango deseado como consecuencia de las
fluctuaciones del nivel de caña en la estera elevadora.
El esquema de control propuesto para el caso en estudio se muestra en la Figura 1.17. En
ella se pueden distinguir un lazo principal de control PID y la realimentación de
determinadas variables de interés hacia un microcontrolador o PC a la entrada del sistema
de control. Por otro lado, puede observarse que la altura o nivel en la estera elevadora
Ne(t,L), que varía fuertemente producto de la alimentación discontinua de caña, actúa como
una perturbación multiplicativa de entrada en el lazo de control.
El lazo de control PID puede sintonizarse con cualquiera de los métodos convencionales
utilizados en la industria para tal fin, o en caso de considerarse algún otro ingenio
azucarero, tratarse de un control PID ya existente.
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38
Figura 1.17: Diagram a de bloques del esquem a de cont rol propuest o.
Una alternativa para su implementación sería utilizar un controlador industrial de tipo
SIPART DR20, que es un PID modular programable. El mismo puede ser conectado a
través de una interfase serie a sistemas jerárquicos (computadora de procesos o sistemas de
mando) o incluido en un sistema central de supervisión.
El propósito del lazo externo adicionado en la etapa de baja potencia con un
microcontrolador es el de adaptar la señal de set-point para limitar las excursiones del nivel
en tolva que produce la severa fluctuación (pero no interrupción) en la alimentación de caña
de azúcar. Este esquema se basa en algoritmos recientemente propuestos para el
acondicionamiento de la señal de referencia, los cuales pueden ser analizados con
conceptos de los sistemas de estructura variable y del control por modo deslizante [12],
[13], [8].
Con este fin, en el microcontrolador se programa la siguiente lógica de conmutación para la
señal auxiliar a(t):
a(t) =
r si sinf(t)>0
-r si ssup(t)<0
0 caso contrario
siendo:
sinf(t) = NTmin - NT – τ FN
ssup(t) = NTmax - NT – τ FN
(1.12)
(1.13)
(1.14)
con: NTmin y NTmax límite inferior y superior (respectivamente) para NT y τ
constante escalar.
La señal discontinua auxiliar a(t) se adiciona al nivel de set-point deseado y luego es
suavizada mediante un filtro de primer orden para generar la señal de referencia adaptada rf.
El algoritmo implementado en el microcontrolador o PC se representa mediante diagramas
de bloques del entorno Matlab-Simulink® en la Figura 1.18.
Este método de compensación puede ser interpretado como el acondicionamiento por modo
deslizante del set-point de nivel en tolva. En efecto, si se considera por un momento τ=0, de
acuerdo a la lógica y las funciones de conmutación (1.9) se puede observar que cuando el
nivel de caña en tolva NT se mantiene dentro del rango deseado (NTmin < NT < NTmax) la señal
a(t) es cero y no se efectúa corrección alguna sobre el set-point original r. Sin embargo, si
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39
NT intenta superar su valor máximo permitido (ssup(t)<0) la señal a(t) cambia a -r.
Análogamente, si por alguna causa NT alcanza su límite inferior (sinf(t) > 0), a(t) conmuta a
+r. Mientras el nivel continúe intentando escapar del rango deseado, la señal a(t)
permanecerá conmutando entre 0 y −r o +r a alta frecuencia y se establecerá un régimen
deslizante sobre la superficie ssup(t)=0 o sinf(t)=0 [15]. De esta manera, la referencia filtrada
rf será acondicionada continuamente para evitar que NT exceda los límites establecidos. Así,
el algoritmo de adaptación de la referencia explota las propiedades del régimen deslizante
como un modo transitorio de operación.
Figura 1.18: Diagram a de bloques repr esent at ivo de las operaciones realizadas por el
m icrocont rolador o PC.
Observar que para τ ≠ 0 el análisis anterior es igualmente válido, con la salvedad de que,
además de la amplitud, la velocidad con que NT se aproxima al límite es tenida en cuenta
para decidir la conmutación (de las reglas difusas (4), (5) y (7) se observa fácilmente que la
derivada de NT está dada por el producto entre FN y la constante de integración). Si se
considera como ejemplo el límite superior, durante el régimen deslizante se verificará la
condición de invarianza y por tanto ssup(t)=0. Luego, de (1.11) se tiene que durante la
adaptación de set-point
NT
1
N T max N T
AP
(1.15)
es decir, que mediante la constante escalar τ se puede fijar el autovalor que determina la
dinámica con que NT tiende a su valor límite. A menores valores de τ mayor será la
velocidad con que NT alcanza su límite. Observar además en (1.12) que esta dinámica es
independiente del nivel de colchón en la estera Ne. Para mayores detalles sobre el diseño de
las funciones de conmutación y/o las propiedades de robustez asociadas al modo deslizante
frente a perturbaciones (como es el caso de Ne en este problema) se sugiere ver [2].
Es importante remarcar que si bien para el establecimiento del modo deslizante las
funciones de conmutación deben tener grado relativo unitario respecto a la acción
discontinua [15], en este caso se despreció la dinámica del accionamiento ya que además de
ser mucho más rápida que la del proceso simplifica el diseño del algoritmo de adaptación.
En aquellos casos en que la dinámica del accionamiento sea comparable con la del resto del
sistema, se deberá incluir un estado adicional en las funciones de conmutación o bien
aprovechar la dinámica del accionamiento como filtro de la señal discontinua (en lugar del
filtro de primer orden digital).
Una característica distintiva de esta propuesta es que a diferencia de otras aplicaciones, en
Capítulo 1: PROCESO TECNOLÓGICO DE PREPARACIÓN Y MOLIENDA DE LA CAÑA.
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40
las cuales la implementación del lazo de acondicionamiento de la referencia implicaría
tener que derivar señales con ruido de medición, en este caso requiere únicamente
realimentar el nivel de colchón en la estera transportadora y la velocidad de la misma,
ambas variables perfectamente accesibles.
Por otro lado, si bien en la Figura 1.17 el control PID y la adaptación del set-point se
presentan como dos lazos diferentes a fin de ilustrar que se preserva la estructura PID
altamente aceptada en la industria, las dos funciones pueden implementarse fácilmente en
forma conjunta, ya sea digitalmente con un único microcontrolador, o bien por medio de
sencillos circuitos de electrónica analógica.
1.5.5 Resultados de Simulación
Con el fin de evaluar las modificaciones propuestas, en primer lugar se evaluó el
comportamiento del control PID. Aunque no se trabajó en vistas a optimizar la
sintonización del controlador PID de nivel, para las dimensiones y los parámetros
involucrados en el Ingenio B. Massó se encontró que ganancias del PID Kp=200, KI=5 y
KD=0 dan respuestas satisfactorias, por lo que se escogió estos valores de ganancias a fin de
evaluar el método propuesto.
En la Figura 1.19 se muestran los resultados de simulación del control PID convencional.
Para evaluar la respuesta del sistema bajo condiciones demandantes, se simularon
variaciones bruscas (tipo onda cuadrada) en el nivel de colchón de caña en la estera
elevadora. Puede observarse que el nivel en tolva NT se ve transitoriamente afectado por
las variaciones en la estera elevadora Ne. Aún así, este lazo cerrado convencional logra
rechazar la perturbación y restablecer el nivel deseado, verificándose que el empleo de
accionamientos adecuados que permitan utilizar la velocidad de la estera como acción de
control de un lazo cerrado permitiría mejorar notoriamente la eficiencia del central.
La respuesta del lazo convencional puede sin embargo mejorarse notoriamente mediante la
implementación del set-point adaptable propuesto, el cual permite limitar las variaciones en
NT provocadas por la alimentación irregular de caña.
La efectividad del método de set-point adaptables se observa en la Figura 1.20. En ella se
ilustra la respuesta del sistema ante la misma perturbación que en la Figura 1.19, pero
variando los valores límites máximos y mínimos ajustados en el microprocesador de la
Figura 1.17. Puede apreciarse que los transitorios ocasionados por las fluctuaciones en la
altura del colchón de la estera elevadora son efectivamente limitados en amplitud y
forzados a permanecer en el rango de valores deseados. Se tomó τ=0.1, con el objetivo de
que NT tienda rápidamente a su valor límite. En línea punteada se repiten las curvas de la
Figura 1.20 a fines comparativos. Cabe destacar que se obtuvieron resultados prácticamente
iguales considerando el ruido de medición proveniente de los captadores.
La Figura 1.21, por su parte, presenta la velocidad de la estera elevador ve, el set-point
acondicionado rf y la señal auxiliar discontinua a(t) correspondientes con la Figura 1.20. En
ella se puede apreciar: (a) cómo la velocidad de la estera varía dentro de los valores
nominales y en forma suave (ve fue graficada en m/min, y su rango de variación coincide
para los casos con y sin adaptación de set-point), (b) que señal de entrada al lazo principal
de control es suave y difiere de la original únicamente cuando NT intenta superar los
límites impuestos, y (c) que la señal auxiliar conmuta a alta frecuencia en un sentido o en
otro dependiendo si se alcanza el límite inferior o superior de la variable controlada.
Capítulo 1: PROCESO TECNOLÓGICO DE PREPARACIÓN Y MOLIENDA DE LA CAÑA.
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41
Figura 1.19: Respuest a del sist em a con cont rolador PI ant e alim ent ación discont inua.
Figura 1.20: Respuest a del sist em a con cont rolador PI y adapt ación de set - point ant e
alim ent ación discont inua.
Figura 1.21: Velocidad de la est era, set - point acondicionado, señal auxiliar discont inua y nivel en
est era elevadora correspondient es con la Figura 1.20.
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42
1.6 Descripción del Proceso tecnológico de Molienda de la caña.
El tren de molinos también conocido como Tándem es una de las áreas de mayor
importancia dentro de la industria, es donde se realiza la molienda, es decir, la extracción
del jugo a la caña, por lo que su trabajo es el punto de partida del balance de masa y energía
de la fábrica.
Figura 1.22: Vist a panorám ica del área de Molinos.
La extracción del jugo de la caña se realiza fundamentalmente por medio de presión. Los
ingenios están provistos de varios molinos colocados en cascada, Figura 1.23, cada uno de
los cuales posee cuatro mazas (rodillos trituradores), con movimiento de rotación,
trasmitido por un reductor. Dichas mazas son denominadas: superior, cañera, bagacera y
alimentadora. [4].
Figura 1.23: Est ación de m olinos de un ingenio t ípico
Esta área muchos la denominan el corazón del ingenio. Sus funciones fundamentales son
moler la cantidad de caña normada, extraer el máximo contenido de sacarosa (pol de la
caña) y entregar el bagazo para usarlo como combustible en las calderas y para la
producción de derivados (tableros de bagazo, papel, etc.). [4].
Capítulo 1: PROCESO TECNOLÓGICO DE PREPARACIÓN Y MOLIENDA DE LA CAÑA.
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43
Para cumplir sus funciones el Tándem realiza dos operaciones básicas:
Compresión: El jugo de la caña se extrae por la compresión del colchón de caña o bagazo
al pasar entre las mazas del molino. La fuerza para comprimir el colchón se aplica a la
maza superior por medio de cilindros hidráulicos. [4].
Lixiviación: Se produce al lavar el colchón de bagazo con agua y con los jugos de la
imbibición compuesta, a contra corriente con el colchón de bagazo. La transferencia de
masa que se produce permite extraer el alcohol contenido en las celdas de la materia fibrosa
de la caña. [4].
Imbibición: El procedimiento más sencillo, consiste en aplicar agua después de cada
molino y conducir los jugos exprimidos de todos los molinos a la casa de tachos. Sin
embargo, esto significaría un uso excesivo de agua para el logro de una mezcla
satisfactoria de agua y bagazo. [4].
Imbibición compuesta: Para obtener un grado óptimo de mezcla con la adición de una
cantidad moderada de agua; el agua se aplica solamente antes del último molino; el jugo
exprimido por éste está muy diluido, y se aplica entonces antes del penúltimo molino. El
jugo exprimido por este penúltimo molino se aplica a su vez a uno que se encuentre en el
tren en una posición anterior, siempre que se trate de un tándem de cinco molinos, por lo
menos. De este modo se realiza una extracción a contracorriente en la que cada bagazo
entra en contacto con un guarapo más flojo que el que hay en el bagazo y sirve, por tanto,
de diluente. [4].
La cantidad de jugo aplicada a cada molino es aproximadamente igual a la cantidad de
agua aplicada antes del último molino, por lo que resulta mucho mayor de lo que sería si
esa misma cantidad total de agua se aplicase como imbibición sencilla. Este procedimiento
permite una mezcla mejor de jugo y bagazo y con el se obtiene una acción muy eficaz de la
imbibición con una cantidad moderada de agua adicional. Desde luego que toda agua
añadida tiene que ser eliminada por evaporación en una etapa posterior. De ahí que los
requerimientos de vapor y combustible determinados por la capacidad del evaporador,
determinen la cantidad de agua de imbibición que se puede aplicar de forma que resulte
económicamente factible. [4].
Figura 1.24: Molino de caña t ípico
Capítulo 1: PROCESO TECNOLÓGICO DE PREPARACIÓN Y MOLIENDA DE LA CAÑA.
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44
Resumiendo la caña preparada es alimentada al primer molino una vez descargada en la
tolva. El bagazo resultante del primer molino es alimentado al siguiente por medio de un
transportador que opera a velocidad fija, y así sucesivamente hasta el último. El bagazo que
sale del último molino, es conducido a las calderas como combustible para generar vapor
que se emplea para accionar los turbogeneradores para producir energía, etc.
A la entrada del último molino se adiciona agua de imbibición para diluir el jugo y extraer
la sacarosa que contiene el material fibroso; el contenido de jugo que resulta de cada
extracción, se envía al molino anterior y así sucesivamente hasta el segundo. El contenido
de jugo extraído por el primero y segundo molino es enviado a la siguiente etapa de
proceso.
1.7 Control de los molinos
En la Figura 1.23 se muestra un diagrama con las entradas y salidas del proceso de
molienda de caña de azúcar de un ingenio, donde lo que está entrando es un flujo de caña
con cierto grado de preparación (materia prima), se adiciona agua de maceración para
ayudar a la extracción, y energía para mover las trasmisiones mecánicas y los molinos, lo
que sale es jugo de caña diluido en agua que va hacia los evaporadores y bagazo con alto
contenido de agua, que se utiliza en las calderas como combustible para la generación de
energía. Se debe tener en cuenta que el agua que se adiciona se debe retirar en un proceso
posterior para producir azúcar y el bagazo de salida debe contener la menor cantidad de
agua para ser utilizado como combustible.
El objetivo del proceso de molienda es maximizar la extracción, minimizando las pérdidas
de sacarosa en el bagazo (usualmente se pierde entre el 1 – 2 % sacarosa en bagazo), y a la
vez, que el proceso se pueda realizar con bajo consumo de energía, que el bagazo de salida
contenga la menor cantidad de agua (usualmente se observan humedades del bagazo de
salida hasta del 54 %) para que pueda desarrollar buena combustión en las calderas y que el
agua adicionada para ayudar a la extracción sea la mínima.
Entonces el problema de control que se pretende resolver en este caso consiste en encontrar
las señales de referencia.
R f (m agua , m fibra , h, Ph, x, , T )
(1.16)
Tales que se maximice la función de costo J:
J opt max J max
R
R
% Br
m fibra * E * m agua *% AB
(1.17)
Bajo las siguientes restricciones:
Altura máxima (hmax)
Torque máximo (Tmax)
Preparación de la caña
Tipo de caña
Comportamiento dinámico de los molinos
Capacidad máxima de energía disponible
Imbibición % fibra (150 -300)
Capítulo 1: PROCESO TECNOLÓGICO DE PREPARACIÓN Y MOLIENDA DE LA CAÑA.
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45
Limitaciones de carga lineal (50 - 100 Ton/pie-maza)
Restricciones de energía específica del proceso (10-20 HP h/Tfibra)
Humedad (45 - 53)—- poder calorífico del bagazo
donde : m agua es el flujo de agua de maceración (m3/s), m fibra es el flujo de caña que entra al
tren de molienda (Kg/s), h altura (m), Ph, presión hidráulica (kPa), x ajuste de las
mazas, ω velocidad angular (rad/s), y T torque (Nm) en cada uno de los molinos del
tren de molienda, % Bx, porcentaje de brix en el jugo, E energía específica
consumida por el tren de molienda (Kwh/T caña), y %AB el porcentaje de agua en
el bagazo respectivamente.
Debe tenerse en cuenta que h, Ph, T son vectores que actúan sobre cada uno de los molinos
y x el conjunto de valores de ajuste de las mazas a realizar en cada mantenimiento que se
requiera. Así, maximizando la función de costo, se maximiza la extracción en el tren de
molienda.
Para maximizar la extracción se pueden diseñar e implementar estrategias de control tales
como la regulación de flujo de agua de maceración, presión hidráulica sobre las mazas
superiores de los molinos, flujo de caña que está entrando al molino, altura de la tolva sobre
cada uno de los molinos, así como buscar los mejores ajustes de los molinos que solamente
se pueden realizar en cada parada.
El control de este subproceso es un tema complejo por lo que recomendamos a los
interesados en profundizar al respecto remitirse a los trabajos de Rosero [16] donde podrán
abundar al respecto.
Referencias Bibliográficas
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]
Hugot, E. “Manual para Ingenieros Azucareros” Parte I Edición Revolucionaria,
Tercera reimpresión 1998.
Gorostiaga, L., “Dinámica y Control de diferentes procesos azucareros”. ISPJAE,
La Habana, Tesis Doctoral, 1999.
Merladet, D. y R. Yero, “Propuesta de automatización del área de preparación de
caña del Central Bartolomé Masó Márquez”. Universidad de Oriente, Santiago de
Cuba, Trabajo de Diploma, 2007.
Planta Moledora. Manual de operaciones. Dirección de maquinaria industrial.
Ministerio del Azúcar, Cuba. Julio, 1996.
Mendoza, A. “Introducción a la tecnología del Azúcar de caña”. Ediciones de
Ciencia y Técnica, La Habana.
Gorostiaga L, De Prada C, Acebes L. F,. Dinámica de esteras transportadoras de
caña. Ingeniería Electrónica, Automática y Comunicaciones, Vol XXI, No. 2.,
pp.92-96. 2000
M. Ramírez, M. Angulo, A. Domínguez and P. Albertos. ¨Speed control of a sugar
cane belt conveyor with a fuzzy controller¨. Research in Computing Science,
Special issue: Industrial Informatics. Vol. 31, pp. 73 – 84, 2007.
Sena de O. F, De Souza R, De Lima M, et al., Validacao de modelo
computacional de um transportador de correia e implementacao de um sistema
para ralocacao de energia a través da frenagem regenerativa. XIX SNPTEE
proceedings , GCE 22, Río de Janeiro. 2007
Capítulo 1: PROCESO TECNOLÓGICO DE PREPARACIÓN Y MOLIENDA DE LA CAÑA.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
[9]
[10]
[11]
[12]
[13]
[14]
[15]
[16]
46
Angulo M., Domínguez A., Modelo Generalizado para el estudio del motor de
Inducción. Revista Energética, La Habana, volumen 1. 2005
Angulo M, Domínguez A, et al. Simulación del control de velocidad de un motor
asincrónico por campo orientado con ahorro de energía. Ciencia en su PC,
volumen 9. 2006
Domínguez, A., M. Ramírez, M. Angulo. “Simulación del control por velocidad
del nivel en una tolva de alimentación de molinos de caña” Memorias de la
Conferencia Internacional FIE08. Santiago de Cuba. Cuba, julio, 2008.
Garelli F., Mantz R.J. y De Battista H. Sliding mode compensation to preserve
dynamic decoupling of stable systems. Chemical Engineering Science, Elsevier,
(62), 4705-4716. 2007.
Garelli F., Mantz R.J. y De Battista H. (2006). Limiting interactions in
decentralized control of MIMO systems. Journal of Process Control, Elsevier,
(16), 473-483. 2006.
Garelli F., Mantz R.J. y De Battista H.). Multi-loop PI controller design with
variable set-point weighting. Proceedings of 8th International Scientific
Conference Process Control. ISBN 978-80-7395-077-4, pags. C202a-1 a C202a-9.
Kouty nad Desnou, República Checa. 2008
Edwards C. y Spurgeon. S. K. Sliding Mode Control: Theory and Applications.
Taylor & Francis, UK, 1ra edición. 1998.
Rosero, E., “Modelado y Control de molinos de caña de azúcar”. Universidad del
Valle, Colombia, Tesis de maestría, 2006.
Capítulo 1: PROCESO TECNOLÓGICO DE PREPARACIÓN Y MOLIENDA DE LA CAÑA.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
47
Capítulo 2: PURIFICACIÓN Y CLARIFICACIÓN DEL
JUGO DE LA CAÑA DE AZÚCAR.
Pastora Vega Cruz
Universidad de Salamanca, España
Rosalba Lamanna de Rocco y Silvana Revollar
Universidad Simón Bolívar, Venezuela
Hernán Álvarez Zapata
Universidad Nacional de Colombia, Sede Medellín
2.1 Introducción.
En este capítulo se presenta la etapa de Clarificación del jugo de caña de azúcar. La etapa
previa de purificación solo se menciona brevemente, por ser de carácter mecánico y con
una operación relativamente estandarizada y fácil. Se hace énfasis en el Diseño Simultáneo
de Proceso y el Control (DSPC) de una torre de sulfitación perteneciente a la etapa de
clarificación de jugo de caña en un ingenio azucarero, puesto que es tal vez la etapa más
compleja de la clarificación. Esta tarea requiere conocer el modelo del proceso para poder
estudiar su controlabilidad y analizar su comportamiento dinámico a lazo abierto y a lazo
cerrado. La deducción del modelo de una torre sulfitadora, se toma del trabajo presentado
por Prada et al. (1984) y modificado por Alvarez et al. (2009). El comportamiento dinámico
del sistema se evalúa usando índices de desempeño tradicionales como la Integral del
cuadrado del error (ISE), y mediante el estudio de la controlabilidad de estado del procesos.
Esta última sirve de base para la definición del esquema de control y para establecer a priori
los rangos posibles de las variables de diseño.
2.2 Generalidades de la purificación y clarificación de jugo de
Caña de Azúcar
Durante el paso de la caña por los molinos ocurre una caída de fragmentos de caña o
bagazo, denominado bagacillo. La cantidad de bagacillo debe ser controlado
periódicamente, ya que la caída excesiva indica deficiencia en el ajuste de las moliendas. El
bagacillo que dejan las moliendas junto con el caldo mixto debe ser cernido y retornar al
sistema de molienda, mientras que el caldo mixto, ya libre del bagacillo, se envía al sector
de fabricación. El jugo que sale de los molinos es espumoso, turbio y algo enlodado, de
color gris o verde pardo. Su composición varía de acuerdo a la caña de la cual se extraiga y
a la forma e intensidad de extracción. El jugo está compuesto de sacarosa, azucares
reducidos, K, Ca, Mg, F, Al, iones H y Na. Todo se encuentra en solución en equilibrio
electrolítico con los aniones de ácidos orgánicos e inorgánicos, tales como fosfórico,
sulfúrico, silícico, clorhídrico, oxálico, láctico, cítrico, entre otros. También se encuentran
en el jugo, en el estado coloidal de la materia, sustancias orgánicas e inorgánicas tales
como: proteínas, sustancias colorantes, componentes de silicio, hierro, aluminio y arcilla.
Gran parte de los compuestos no azucarados se encuentran presentes en estado de
dispersión: partículas finas de bagazo, arcilla y arena del suelo de cultivo de la caña molida,
cera de caña, clorofila. En éstos, la mayor proporción la ocupan los de naturaleza
inorgánica. Cabe resaltar que para el proceso de purificación y clarificación es de vital
importancia la eliminación de compuestos no azucarados de naturaleza inorgánica, por lo
cual se debe conocer más intensamente la proporción en la cual se encuentran dentro del
jugo, esto puede hacerse estudiando la composición de las cenizas.
Capítulo 2: PURIFICACIÓN Y CLARIFICACIÓN DEL JUGO DE LA CAÑA DE AZÚCAR.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
48
El objetivo de la purificación y la clarificación del jugo es la eliminación, tanto como sea
posible, de los compuestos no azucarados presentes. En particular, la etapa de clarificación
en un ingenio o central azucarero, es la encargada de retirar la mayor cantidad de impurezas
en el jugo de caña ya filtrado, previo a los procesos de evaporación y posterior
cristalización del azúcar. Aunque existen varias configuraciones posibles de proceso para
preparar el jugo entre la molienda de la caña y la entrada al clarificador, todas buscan la
mayor reducción de impurezas minimizando la pérdida de materia prima (sacarosa). Esta
tarea debe ejecutarse disminuyendo al máximo la pérdida de sacarosa y la destrucción de
azucares reductores, puesto que la descomposición de azucares puede aumentar el color del
jugo (pardearlo), lo que deteriora la producción de azúcar de una alta blancura. Además, los
productos de la descomposición de azucares se combinan con los iones Ca de la cal
adicionada, formando sales solubles, incrementando el ensuciamiento de los conductos de
los evaporadores y otros equipos posteriores. Todo esto, resulta en una gran pérdida de
sacarosa en la melaza final, causada por el incremento en la cantidad de compuestos no
azucarados y por la disminución en la cantidad de azucares reductores totales. La
mencionada destrucción de sacarosa y azucares en solución acuosa es gobernada por el pH,
la temperatura y el tiempo. La sacarosa se divide formando azúcar invertido por hidrólisis
en medio ácido, pero no se ve afectada en soluciones alcalinas de pH alto, tal como se
aplica en la purificación del jugo. En tal sentido, el control de pH resulta crítico para evitar
la inversión de sacarosa, principal causante de la pérdida de azúcar al final del proceso. La
sacarosa, un disacárido compuesto por una glucosa y una fructosa, se invierte para formar
(+)D-glucosa y (-)D-fructosa, ambas sustancias con menor tendencia a cristalizar y
endurecer. Las condiciones que favorecen tal inversión son el calentamiento en medio ácido
del jugo y la presencia de la enzima invertasa, presente en el jugo. La invertasa se activa
entre 25 y 55°C con valores de pH entre 4,5 y 5,0 (Cenicaña, 2006).
Para terminar la purificación del jugo, tras su limpieza mecánica, se procede con la
clarificación. En esta fase, el jugo pasa por tres etapas, que pueden tener orden diferente.
Por ejemplo, algunos ingenios o centrales azucareras ejecutan la secuencia SulfitadoEncalado-Decantación, mientras que otros (y será este el caso tratado aquí), ejecutan la
secuencia Encalado-Sulfitado-Decantación. Todo el proceso en conjunto se denomina
Clarificación, sin considerar la parte inicial de purificación mecánica del jugo proveniente
de molinos. La primera etapa de la Clarificación (en la secuencia que se trata en este
capítulo) es el Encalado, en la cual el jugo va a unos tanques cilíndricos llamados
encaladores, en los que se agrega una lechada de cal cuya finalidad es insolubilizar las sales
disueltas con ese jugo para permitir su precipitación y poder eliminarlas mediante
decantación. La segunda etapa, y tal vez la más crítica, es la Sulficatión, en la cual
mediante hornos especiales se quema azufre y los humos se introducen por el fondo. El gas
asciende y se mezcla con el jugo que baja en contracorriente, lográndose que el azufre se
transfiera al jugo. La adición del gas sulfuroso se hace con el fin de usar el poder
antiséptico y decolorante de SO2, además de su efecto como acidulante. Después del
sulfitado, el jugo es enviado hasta unos calentadores que elevan su temperatura hasta 105º
C para permitir y dar lugar a que la reacción de eliminación sea completa y
simultáneamente eliminar bacterias que puedan acompañar al jugo causando perjuicio en
etapas posteriores. De aquí, el jugo pasa a la tercera etapa, el Decantado, en la cual se
separa el jugo limpio, que sale por la parte superior, del resto de las impurezas que salen
por el fondo. Esta es la fase final de la purificación del jugo, lográndose separar la totalidad
de las impurezas insolubles que acompañan al jugo mediante la adición de polímeros
iónicos que aceleran el crecimiento de cúmulos y la precipitación de dichos sólidos
Capítulo 2: PURIFICACIÓN Y CLARIFICACIÓN DEL JUGO DE LA CAÑA DE AZÚCAR.
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aglomerados. Las impurezas que se depositan salen por el fondo de los decantadores y se
denominan cachaza la cual antes de ser desechada sufre un nuevo proceso para despojarla
de todo resto de jugo posible. Este paso se realiza mediante unos filtros rotativos que
succionan el jugo contenido en las impurezas desechadas en el decantador. El residuo final
se separa para ser utilizado como abono o como forraje para el ganado.
Como ya se mencionó, existen dos configuraciones para la Clarificación. El proceso típico
que se tratará aquí es como sigue: al jugo que proviene del filtrado con un pH ácido entre
5,1 y 5,6 unidades, se adiciona lechada de cal en un primer tanque, con el fin de aumentar
el pH hasta valores entre 6,5 y 7,0. Tal lechada puede ser solo cal en agua o cal con
meladura (llamada sacarato). Se busca minimizar pérdidas de sacarosa, además de lograr
que la cal adicionada ayude a precipitar impurezas y aumente la capacidad del coagulante.
El paso siguiente lo sufre el jugo en el tanque (o torre) sulfitador. Allí se adiciona, en forma
de finas burbujas, una corriente de humos (SO2, N2, O2) proveniente de la quema de azufre
sólido en un horno. El jugo sufre un aumento de hasta 8°C por el contacto con los humos.
El dióxido de azufre transforma compuestos que dan coloración oscura al jugo en
compuestos incoloros. Ese efecto se mantiene incluso durante los calentamientos
posteriores que sufrirá el jugo, además de servir de agente antiséptico en el jugo. Tal
adición se espera que entregue un jugo con pH entre 4,3 y 4,5, justo en el límite inferior del
intervalo en el cual se produce la pérdida de sacarosa. Se produce una segunda
alcalinización con la adición de cal, que se espera arrastre partículas pequeñas y torne
insolubles algunos contaminantes que están originalmente solubilizados en el jugo. Luego
de esta etapa, se acostumbra calentar el jugo hasta 105°C, buscando facilitar la formación
de flóculos de alto peso molecular que puedan ser decantados por gravedad. Finalmente, el
jugo caliente llega al tanque clarificador donde se mezcla con un floculante aniónico, con
dosificación cercana a las 5 ppm. De este modo, se logra separar por decantación los
sólidos o cachaza, que van al fondo, del jugo claro que sale por la parte superior. Un
Diagrama de Flujo de Proceso general se presenta en la Figura 2.1.
A
Ju g o d e
C aña
B
AC
S P pH
pH
L e ch a d a
de C al C a (O H ) 2
AT
pH
1
4
A ire y S O 2
G a se o so n o
d ilu id o
F lo cu la n te
A n ió n ico
TANQ UE DE
S U L F IT A D O
Ju g o a
C la rifica ció n
TANQUE DE
C L A R IF IC A D O
Ju g o
C la ro
3
TANQUE DE
EN C ALAD O
Ju g o
e n ca la d o
2
S O 2 g a se o so y A ire
AT
AC
pH
S P pH
F lu id o
T é rm ico
Lodos
pH
Figura 2.1: Diagram a de Fluj o del Proceso general para el proceso de clarificación
Todo el proceso de clarificación se ve afectado por varias perturbaciones, entre las que vale
mencionar: cambio en la materia prima (tipo y calidad de la caña), preparación de la cal o
sacarato, flujos de jugo cambiantes por alteraciones en la operación de los molinos, entrada
de corrientes de recirculación del proceso (jugo filtrado, aguas dulces, etc.).
Capítulo 2: PURIFICACIÓN Y CLARIFICACIÓN DEL JUGO DE LA CAÑA DE AZÚCAR.
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2.3 Diseño Simultáneo y Control del Proceso de una Torre
Sulfitadora de Caña de Azúcar
2.3.1 Modelo matemático de la torre sulfitadora
El modelo es de base fenomenológica puesto que toma su estructura de los balances de
materia (especies químicas) presentes en el proceso. Semifísico porque adiciona a la
estructura dada por el fenómeno (modelo físico o de primeros principios) formulaciones
empíricas para varios de sus parámetros. El modelo se basa en las especies químicas SO32y Ca2+, procediendo de modo similar al modelo presentado por de Prada et al. 1984, pero
ampliando la explicación al efecto total del encalado previo e incluyendo una justificación
desde la teoría de invariantes de reacción (Asbjrnsen, 1972; Fjeld et al., 1974; Gustaffson,
1982).
Para establecer el modelo matemático del proceso se estudian por separado los fenómenos
de transferencia del gas al líquido y se describen las reacciones químicas que tienen lugar
en este último. De acuerdo a Álvarez et al. (2009), en la torre de sulfitación se pueden
tomar al menos dos Sistemas de Proceso, uno asociado al jugo que desciende y otro
asociado al gas que asciende. En la Figura 2.2 se presenta un diagrama de bloques que
representa de forma esquemática ambos Sistemas de Proceso.
1
4
5
Jugo que
Desciende
Humos que
Ascienden
Q
3
SdeP SI
2
SdeP SII
Figura 2.2: Diagram a de bloques m ost rando los Sist em as de Proceso definidos y sus
int eracciones
Las reacciones químicas que se dan en el proceso de encalado y sulfitación son:
SO2 + H2O → H2SO3
(2.1)
H2SO3 HSO3- + H+
(2.2)
Ca(OH)2 + H+ → Ca(OH)+ + H2O
(2.3)
HSO3- + Ca(OH)+ CaSO3 + H2O
(2.4)
En Alvarez et al. (2009), se revisó la parte del modelo que involucra las reacciones
químicas, introduciendo el concepto de invariantes de reacción. En este proceso se definen
los siguientes invariantes de reacción, equivalentes a estados del proceso:
X Ca OH HSO3 OH H
C H 2 SO3
HSO3
(2.5)
(2.6)
Capítulo 2: PURIFICACIÓN Y CLARIFICACIÓN DEL JUGO DE LA CAÑA DE AZÚCAR.
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51
Contando con la numeración de corrientes de la Figura 2.2, colocada como subíndices en
las ecuaciones, es posible realizar balance de masa, primero total y luego por componente
(para los dos invariantes) en el Sistema de Proceso seleccionado:
dM Jugo
F1 1 F5 5 F3 3
dt
dX
1
F1 [Ca(OH ) ]1 F5 F3 X
dt VJugo
(2.8)
dC
1
F5 F3 C
dt VJugo
(2.9)
(2.7)
El fenómeno de transferencia de masa del gas al líquido se estudia en Vega (1987). En la
superficie de contacto gas-agua tiene lugar la reacción química irreversible presentada en la
ecuación (2.1).
La constante cinética de esta reacción es muy alta (Beg et al., 1991), por lo tanto, se puede
considerar que todo el SO2 que se disuelve en el jugo reacciona con el agua para formar
ácido sulfuroso. En estas condiciones, es necesario formular la transferencia de masa entre
el gas (SO2) que asciende en la torre y el jugo (solución que baja en la torre). Esta
transferencia puede ser vista como un flujo de SO2 que pasa del gas a la solución (F5 de
acuerdo a la Figura 2.2.
Al estudiar la reacción se supone que para cada burbuja:
La velocidad de reacción es proporcional a la superficie de contacto y a la
concentración de gas en su interior.
El Dióxido de azufre se comporta como un gas perfecto (ideal).
Las ecuaciones dinámicas que describen el comportamiento de cada burbuja de gas en el
agua son:
Balance de masa:
Nr t
dn
n
Kv CSO2 S 3 Kv
dt
r
(2.10)
donde: n es el número de moles de gas en el interior de las burbujas, r es el radio de la
burbuja, S la superficie de las burbujas, Kv es la constante de velocidad de reacción,
que depende exponencialmente de la temperatura y Nr la velocidad de reacción.
Ecuación del movimiento:
Viene dada por la segunda ley de Newton y expresa matemáticamente la relación entre la
variación del momento lineal respecto al tiempo, y las fuerzas exteriores que actúan sobre
ella (peso, empuje, rozamiento).
Es decir:
Capítulo 2: PURIFICACIÓN Y CLARIFICACIÓN DEL JUGO DE LA CAÑA DE AZÚCAR.
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dD
4
r 3 g n M g k f r 2 v2
dt
2
3
52
(2.11)
siendo: D momento lineal, g aceleración de la gravedad, M peso molecular del gas, v
velocidad de la burbuja y kf coeficiente de forma
Este coeficiente kf depende solamente de la geometría, y suponiendo que las burbujas son
esféricas está en el rango (0, 100).
Condición de equilibrio de las fuerzas de presión sobre la superficie:
Se debe considerar la presión interior debido exclusivamente a las moléculas de gas y la
presión en el exterior, que será la suma de la presión atmosférica Po, la presión hidrostática
debida a la columna de líquido que hay sobre ella y la presión debido a la fuerza de tensión
superficial del líquido.
La condición de equilibrio se expresará como,
Po g h Pi
2
r
(2.12)
siendo: Po Presión atmosférica, h altura de la columna de líquido que hay sobre ella
(burbuja, supongo), tensión superficial, Pi Presión interior
Ecuación de estado del gas:
Pi V n R T
(2.13)
denotando: V volumen de la burbuja, T temperatura absoluta, R constante universal de los
gases ideales.
Mediante la solución numérica de estas ecuaciones se obtendría Nr(t), que son los moles de
gas que reaccionan con agua por segundo en el instante de tiempo t, y que depende del
tamaño inicial de la burbuja para una altura dada del líquido.
Nótese que si F2 es el flujo de entrada de SO2 en moles/s, en el instante de tiempo t y se
supone el mismo tamaño inicial para todas las burbujas, el número total de las mismas que
se introducen en el instante de tiempo t, Nb(t) es:
Nb t
F2 t
ni M
(2.14)
siendo ni el número de moles de gas inicial en cada burbuja y puede obtenerse a partir de
las ecuaciones (2.12 y 2.13).
La velocidad total de reacción, que coincide con la velocidad de generación de H2SO3
(Fs(t)) puede calcularse como la suma de las velocidades de reacción individuales Nr(t),
extendido al número total de burbujas que residen en el tanque en el instante t. Si se tiene
en cuenta que se han introducido con retardos unas de otras y denotando al tiempo de
residencia de una de ellas en el agua, entonces se verificará:
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53
t
F5 t Nb t N r t d t
0
F5 t
t
N t N t d
b
r
(2.15)
t
t
(2.16)
Sin embargo, a pesar de la rigurosidad de lo antes expuesto, algunos estudios realizados por
Prada y Vega (1981), con datos de la fábrica Onésimo Redondo de Valladolid, justifican la
aproximación del proceso por uno de primer orden, así que se considera:
F5 t T
dF5 t
dt
K T F2 t
(2.17)
donde: y K son función de la temperatura T. Experimentalmente puede comprobarse que
estas variaciones no son significativas y que una estimación adecuada para este caso
particular es K=0.95 y =1.7s (Vega, 1987).
Alvarez et al (2009) complementaron esta relación recurriendo al formalismo típico para
transferencias: fuerza impulsora, resistencia y flujo neto, común a las leyes de gradiente
(Fradkov et al., 1999). Así, la transferencia de masa se formula como una función de un
coeficiente global de transferencia de masa y una fuerza impulsora. Dicha fuerza impulsora
se puede ver como la diferencia entre la concentración de saturación del SO2 en la solución
(Csat) y la concentración actual de SO2 en dicha solución (segundo invariante C):
F5 KTdeM Csat C k F2 h Csat C
(2.18)
En esta expresión se ha reemplazado el coeficiente global de transferencia de masa (que ya
incluía el área de transferencia) por una función del flujo de gas que entra a la torre F2 y la
altura total de la torre h, que aparece como nuevo parámetro del modelo. Se tiene además
que Csat=0.016 mol/l (Mondal, 2007) es la concentración de saturación del SO2 disuelto en
el jugo tomado como si fuera agua.
Esto último no está alejado de la realidad, puesto que en el jugo no existen compuestos
químicos que alteren significativamente dicha solubilidad (Hugot, 1986). Ahora, mediante
el ajuste de datos experimentales que prescriben eficiencias de transferencia de hasta el
95% de SO2 gaseoso a H2SO3 solubilizado en torres entre 3.5 y 7.5 metros, se llega a que k
= 3615 m2/mol. Este valor fue calculado con datos de la fábrica Onésimo Redondo de
Valladolid (de Prada et al., 1984) y de un ingenio azucarero centroamericano (Ingenio La
Unión S.A., 2007). Si bien la primera es una planta de azúcar de remolacha y el segundo es
un ingenio de azúcar de caña, existe similitud entre los dos coeficientes debido a que ambos
jugos son soluciones acuosas de azúcares, que sólo difieren en algunos compuestos que
están en menor concentración que los azúcares mismos (Hugot, 1986). Finalmente, aunque
el fenómeno es dinámico, es decir, por algunos instantes puede detectarse disuelto en el
jugo algo de SO2 sin reaccionar (reacción química (1)), el tiempo característico de dicha
dinámica es tan corto (sobre un segundo), que puede asumirse instantánea.
Tomando como base los balances de masa, la relación constitutiva mencionada
anteriormente, se obtienen las dos ecuaciones de estado:
Capítulo 2: PURIFICACIÓN Y CLARIFICACIÓN DEL JUGO DE LA CAÑA DE AZÚCAR.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
54
k h Csat
F
F
k h
dX
F2
F2 C
1 X 1 [Ca(OH ) ]1
dt
V
V
V
V
(2.19)
k h Csat
F
dC
k h
1C
F2
F2 C
dt
V
V
V
(2.20)
Con el primer estado X siendo el balance de carga electrónica en la solución, y el segundo
estado C el balance del anión último. es la fracción de ácido sulfuroso ionizado en el
jugo:
K eq _ 2 ( K eq _ 2 )2 4 K eq _ 2 C
2C
(2.21)
que se calcula en función de la constante de equilibrio del ácido sulfuroso:
[ HSO3 ][ H ] [ H 2 SO3 ]inicial
[ H 2 SO3 ]
(1 ) [ H 2 SO3 ]inicial
2
K eq _ 2
(2.22)
y cuyo valor numérico está dado por:
853
Tabs 4.74
K eq _ 2 10
(2.23)
Por su parte, h es la altura de la torre de sulfitación y k es una constante asociada con la
transferencia de masa F5 que se da entre el SO2 gaseoso y el jugo, que se define en la
(2.18).
Finalmente, el valor del pH a la salida de la torre de sulfitado se calcula luego de hallar la
siguiente expresión polinómica para la concentración del ión H+:
[ H ]2 X * [ H ] Kw 0
(2.24)
con Kw la constante de disociación del agua, cuyo valor numérico se calcula como:
19010.7323
KW 0.45344659 exp
R Tabs
(2.25)
La solución de esta ecuación de la concentración de H+, ya factorizada para detectar signo y
producir siempre concentraciones mayores que cero, es:
[H ]
4 Kw
X X 2 4 Kw X
1 sign( X ) 1
2
2
X2
(2.26)
De este modo, queda listo el modelo del proceso, con dos estados (ecuaciones 2.17 y 2.18))
y una salida (ecuación 2.24). Sobre este modelo se realizará todo el procedimiento de
diseño simultáneo de proceso y control.
2.3.2 Estudio de controlabilidad de la planta
Pensando en el control de la etapa de clarificación como un todo, y mirando el modelo de
Capítulo 2: PURIFICACIÓN Y CLARIFICACIÓN DEL JUGO DE LA CAÑA DE
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55
los dos estados dado por (2.19) y (2.20), se propone el siguiente pareamiento de los estados
con las acciones de control disponibles:
x1=X controlado con u1=[Ca(OH)+]1
x2=C controlado con u2=F2.
y reescribir el modelo en variables de estado como:
k h Csat
dx1
F
F
k h
1 x1 1 u1
u2
x2 u2
dt
V
V
V
V
k h Csat
dx2
F
k h
1 x2
u2
x2 u2
dt
V
V
V
(2.27)
(2.28)
De este modo se logra la separabilidad de estados necesaria para aplicar el análisis de
controlabilidad no lineal (Hermanny Krener, 1977; Ochoa, 2005), la cual exige formular el
modelo en el espacio de estados en la forma canónica afín con la entrada x f (x) G (x) u .
En el caso de la sulfitadora esta formulación es inmediata:
F1 k hCsat k h
F1
x2
0
x1 V
u1
dx V
V
V
u
F x
k hCsat k h
dt
0 1 2 0
x2 2
V
V
V
(2.29)
El análisis propuesto por (Hermanny Krener, 1977; Ochoa, 2005) y llevado a cabo por
Lamanna et al (2009) comprende una serie de métricas de controlabilidad práctica como los
grados de libertad para el control, el rango de la matriz de controlabilidad no lineal, el
determinante de la matriz asociada con la respuesta forzada y la pertenencia de la acción de
control forzante (u*) al intervalo disponible de acciones de control. Estos índices deben ser
evaluados en conjunto ya que de manera individual son condiciones necesarias más no
suficientes para determinar la controlabilidad de un sistema.
Grados de libertad para el control:
El cálculo de grados de libertad se define como:
GDL NVM NVC
(2.30)
donde: N.V.M y N.V.C indican el número de variables manipuladas y el número de
variables a controlar, respectivamente. Si G.D.L < 0, el sistema será no controlable
en la práctica y por lo tanto será necesario modificar el diseño de manera que se
puedan incluir nuevas variables manipuladas (Ochoa, 2005).
En el caso de la sulfitadora, la escogencia de dos acciones de control para dos variables
controladas garantiza que no hay grados de libertad insatisfechos (GL) en el sistema de dos
estados, por tanto, el índice de controlabilidad práctica asociado a los grados de libertad se
cumple en este caso (GL=0).
Rango de la matriz de controlabilidad:
A partir de la formulación matricial previa se deducen fácilmente los términos f(x) y G(x),
Capítulo 2: PURIFICACIÓN Y CLARIFICACIÓN DEL JUGO DE LA CAÑA DE AZÚCAR.
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con los que se construye la matriz de controlabilidad no lineal del sistema (Hedricky
Girard, 2005):
Wc g1 , g 2 ,..., g m , g k , g j ,..., adgi k , g j ,..., f , gi ,..., adf k , gi ,...
(2.31)
donde:
f , g
g ( x )
f ( x )
f
g (x)
x
x
( ad f 1 , g ) f , g ; ( ad f 2 , g ) f , f , g ;...
( ad f k , g ) f , ( ad f k 1 , g )
Entonces, la matriz de controlabilidad del sistema es:
F1
Wc V
0
k h Csat k h
F2
x2 12
V
V
V
k h Csat k h
0
x2
V
V
k h Csat F1
V2
k h Csat F1
V2
(2.32)
El índice básico de controlabilidad de estado se refiere al rango de la matriz Wc, que debe
ser igual al número “n” de estados en un sistema controlable (Hermanny Krener, 1977;
Ochoa et al., 2004). En este caso el rango de Wc = 2 = n para todo posible diseño de la
sulfitadora, puesto que ambas filas de la matriz deben ser idénticas para que el rango sea
uno y esto ocurre sólo si se cumplen las tres condiciones siguientes:
F1
F2
0; 12 0
V
V
k h Csat k h k h Csat k h
V
V
V
V
k h Csat F1 k h Csat F1
V2
V2
(2.33)
Esto indica que en el sentido estricto, el sistema es controlable en todo el espacio de estado,
puesto que (2.33) sólo se cumple si F1=0 ó V= ó =-1, lo cual es imposible en un proceso
real.
Determinante de la matriz asociada a la respuesta forzada:
En el análisis de Ochoa (2005) se recalca que el punto final que se desea alcanzar, y al cual
se le evalúa la controlabilidad, es un punto de equilibrio forzado x*, donde en ausencia de
perturbaciones ninguno de los estados del sistema cambia con el tiempo ( x =0) cuando se
aplica la acción de control forzante u* dada por:
u* [G (x* )]1 f (x* )
(2.34)
Si la inversa de la matriz G no existe, entonces no será posible obtener una acción de
control que permita garantizar el punto de equilibrio deseado, y por lo tanto, no se podrá
garantizar la controlabilidad práctica del sistema.
Capítulo 2: PURIFICACIÓN Y CLARIFICACIÓN DEL JUGO DE LA CAÑA DE AZÚCAR.
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57
Por una parte, se garantiza la existencia de la inversa [G]-1, si det(G) ≠ 0. Para la sulfitadora
se obtiene:
det G
F1 k h Csat F1 k h
x2 0
V2
V2
(2.35)
Lo que se cumple siempre que Csat sea diferente del estado x2 =C. Volviendo al modelo, se
evidencia que la concentración de saturación de SO2 disuelto en soluciones acuosas
difícilmente será igual a la concentración de ácido en el sulfitador (C) a las condiciones
típicas de operación del proceso (Mondal, 2007).
Pertenencia de la acción de control forzante (u*) al intervalo disponible de acciones de
control.
Finalmente, es necesario verificar la pertenencia de la acción forzante al intervalo
disponible de acciones de control. Utilizando la ecuación (2.34) es posible calcular las
entradas asociadas al punto de equilibrio (X*,C*) de la planta. Se obtiene:
V
F
1
G 1
0
V
V
k h x2 Csat
F1
(2.36)
y luego:
u1* X * C *
(2.37)
F C*
u2* 1
k
(2.38)
A la luz de estos resultados, dos de los índices de controlabilidad de estado se cumplen a
priori, dados los pareamientos variable manipulada-variable controlada tomados. En efecto,
no hay grados de libertad insatisfechos y la matriz de controlabilidad tiene rango completo
y existe la inversa de la matriz asociada a la respuesta forzada, ecuación (2.34). Estos
índices, se incorporan en el proceso de diseño, como una manera de evaluar la
controlabilidad de estado de la planta al aplicar la metodología de diseño simultáneo del
proceso y control que se describe detalladamente a continuación.
2.3.3 El Diseño Simultáneo del Proceso y el Control
A continuación se presenta el planteamiento del problema de Diseño Simultáneo de
Proceso y el Control (DSPC). Éste consiste en, dados el caudal y la temperatura del jugo de
caña que llega a la etapa de sulfitación, determinar las dimensiones, el punto de operación y
los parámetros del regulador que optimicen el funcionamiento de esta etapa. Esto se logra
minimizando los costos de inversión y de operación de la planta y un índice de desempeño
dinámico a lazo cerrado, mientras se imponen restricciones sobre las condiciones de
controlabilidad de estado.
El problema de diseño y control de la sulfitadora
Un paso previo a la formulación matemática del problema de diseño integrado, es la
definición de los objetivos económicos, de operación y de control, en función de los
Capítulo 2: PURIFICACIÓN Y CLARIFICACIÓN DEL JUGO DE LA CAÑA DE AZÚCAR.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
58
requerimientos del proceso. Para el caso particular de la torre sulfitadora seleccionada para
esta aplicación, se desea obtener una corriente de salida de jugo de caña con un pH
alrededor de 4.5, con un flujo de jugo de caña a la entrada de 11.05 l/s.
Los objetivos económicos se centran en minimizar los costos de inversión, relacionados
directamente con la altura de la torre y de operación, relacionados con el flujo de gas (SO2).
Entre los objetivos de operación se tiene que el flujo máximo de gas no supere los
0.013mol/s y que el pH del jugo entrante (pHe), regulado previamente en el tanque de
encalado, se encuentre entre 8 y 9 unidades.
Considerando los objetivos de control, en primer lugar, los diseños deben satisfacer las
métricas de controlabilidad de estado calculadas en la sección anterior, para garantizar que
la planta sea controlable. Dos de los índices calculados, se cumplen a priori: la matriz de
controlabilidad tiene rango completo y no hay grados de libertad insatisfechos. Sin
embargo, se debe verificar que existe la inversa de la matriz asociada a la respuesta forzada
y que las relaciones entre las variables de estado y los parámetros de diseño permitan
obtener valores en los rangos aceptables para las entradas de control, según las ecuaciones
(2.37) y (2.38). Por otra parte, operando a lazo cerrado se debe minimizar el error en la
respuesta cuando el sistema está sometido a perturbaciones típicas del proceso, lo cual se
mide utilizando la Integral del Cuadrado del Error (ISE, Integral Square Error). Además,
se desea que el elemento final de control, que en este caso es la válvula que regula el flujo
de gas (F2), se sature el menor número de veces posible. A continuación se presenta la
descripción del sistema de control.
Para la medición de las salidas, se tiene un sensor de pH ubicado en la descarga de la torre
sulfitadora, cuya señal permite obtener el primer estado X a través de la ecuación (2.26) y
la definición de pH. La medición del segundo estado C es mucho más compleja puesto que
se deberían detectar sulfitos (grupos SO32-) donde se encuentren (Light, 1997). Sin
embargo, utilizando el sensor de pH de salida y un sensor de pH en la entrada, y mediante
el balance iónico en la sulfitadora, es posible reconstruir el segundo estado: C (Alvarez et
al., 2009).
Un pareamiento variables manipuladas-estados como el presentado arriba, se justifica en un
montaje real si se tiene en cuenta que en el tanque de encalado (previo a la sulfitadora), se
realiza la adición de lechada de cal de modo que se logre la concentración de Ca(OH)+
deseada en la línea de entrada a la sulfitadora (CCa(OH)+,1). Esta es la primera acción de
control, que actúa sobre el primer estado del proceso (invariante asociado con la carga
electrónica (X)). Por otra parte, la adición de SO2 gaseoso (F2), que conlleva una reacción
instantánea SO2-H2O pero con fracción disociada del ácido sulfuroso que se produce,
conforma la segunda acción de control, utilizada para regular la concentración del anión
último (segundo estado C), de vital importancia para el blanqueo y desinfección.
Como ya se mencionó, para instalar lazos de control para los dos estados se requieren dos
sensores. Sin embargo, lo que ocurre, normalmente, en los procesos industriales para
producir azúcar, es que sólo se dispone de un sensor de pH en la línea de salida de jugo de
la sulfitadora. Por lo tanto, el control de la sulfitadora utilizando la instrumentación típica
de este proceso a nivel industrial (solo un medidor de pH), se limita a tomar como única
acción de control el flujo gas (SO2) desde el quemador de azufre (F2) para regular el pH del
jugo a la salida de la sulfitadora.
Capítulo 2: PURIFICACIÓN Y CLARIFICACIÓN DEL JUGO DE LA CAÑA DE AZÚCAR.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
59
Por consiguiente, se debe resaltar el desplazamiento de los objetivos de control del espacio
de estado (control total del estado x1=X y x2=C) a un objetivo de control único en el espacio
entrada-salida (la salida única del proceso dada por el sensor de pH en la descarga de jugo
desde la sulfitadora).
k h
V
F2
Csat
C (t 0)
F
k *h*Csat
k *h
1 C
F2
F2 *C
V
V
V
x2 C
C
F1
Keq_ 2 Keq_ 2 4* Keq_ 2 *C
2
K eq _ 2
2 *C
X (t 0)
[Ca (OH ) ]1
F
F
*k *h*Csat
*k *h
1 X 1 [Ca(OH) ]1
F2
F2 *C
V
V
V
V
V
k
h
Csat
Kw
x1 X
X
X
4 Kw
* 1 sign( X ) * 1 2
2
X
[H ]
y pH
log10 ([ H ])
Figura 2.3: Represent ación del m odelo de la sulfit adora en un diagram a de fluj o de inform ación
Esta reducción del problema lo muestra como uno de una entrada – una salida, con la salida
asociada directamente al primer estado (x1=X) y considerando el otro estado (C) como una
perturbación para la sulfitadora. Ese supuesto no está lejos de la realidad del montaje
mostrado en la Figura 2.1, ya que C es consecuencia directa del encalado y a su vez afecta a
X. Sin embargo, debe recordarse que la aproximación por invariantes de reacción establece
dos estados desde los cuales se reconstruye el pH como salida del proceso. Por lo tanto, el
problema es SISO desde la visión entrada-salida, pero resulta ser de dos entradas (F2 y
[Ca(OH)+]1), dos estados (X y C) y una salida (pH), desde la visión de control de estado.
Aunque se supone que en el encalado previo se controla la concentración de Ca(OH)+, ésta
es una de las perturbaciones si sólo se tiene una acción de control (F2) junto con el caudal
de jugo F1. En la Figura 2.3 se muestra el Diagrama de Flujo de Información que representa
al modelo dinámico de la sulfitadora (ecuaciones (2.27) y (2.28)). Lo recién discutido se
aprecia mejor en este diagrama, donde se ve el efecto que tiene manipular el flujo de gas
(F2) para controlar el pH, como se hace en los ingenios. Sin embargo, otras estructuras de
control podrían proponerse para lograr un mejor desempeño.
Finalmente, la estrategia de control para este caso de estudio se resume en controlar el pH a
la salida manipulando el flujo de gas (F2), el estado C se constituye así en una variable
intermedia (como se ve en la Figura 2.3), mientras que la concentración de iones de calcio
provenientes del encalado y el flujo de jugo (F1) son las perturbaciones.
La respuesta dinámica de la planta se evalúa utilizando el modelo presentado en la sección
2.3, por un tiempo de simulación de 3000 s, considerando las perturbaciones sobre el flujo
y pH de la corriente de entrada (F1 y pHe) que se muestran a continuación en la Figura 2.4
y en la Figura 2.5.
Capítulo 2: PURIFICACIÓN Y CLARIFICACIÓN DEL JUGO DE LA CAÑA DE AZÚCAR.
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60
18
16
Fe(lit/s)
14
12
10
8
6
4
0
500
1000
1500
t(s)
2000
2500
3000
Figura 2.4: Régim en de pert urbaciones en el fluj o de ent rada F1
8.2
8
pHe
7.8
7.6
7.4
7.2
7
0
500
1000
1500
t(s)
2000
2500
3000
Figura 2.5: Régim en de pert urbaciones en el pH de ent rada pHe
Formulación matemática del problema de diseño simultáneo de proceso y control aplicado
a la torre sulfitadora.
Al formular el problema de optimización para el diseño se pretende determinar la altura del
sulfitador, el flujo de SO2 y el pH del jugo de entrada (pHe) que optimicen el
funcionamiento de esta planta, minimizando los costos de inversión, de operación y de
control, cumpliendo las restricciones impuestas sobre los índices de controlabilidad de
estado y de desempeño dinámico.
Matemáticamente se puede expresar el diseño como un problema de optimización no lineal
con restricciones. La función objetivo representa los costos de construcción y operación de
la planta (en unidades monetarias normalizadas, UMN), y se ha tomado del siguiente modo:
f cos to 0.3 h 2 0.7 F2 factor control ISE
(2.39)
donde el primer término depende de h, la altura normalizada de la torre de sulfitación, y
representa los costos de construcción. El segundo término es proporcional a F2, el flujo de
gas que entra a la torre, también normalizado, y representa los costos de operación. A esto
Capítulo 2: PURIFICACIÓN Y CLARIFICACIÓN DEL JUGO DE LA CAÑA DE AZÚCAR.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
61
se añade un tercer término, proporcional al ISE (Integral Square Error), para representar
los costos de operación de la planta relacionados directamente con el funcionamiento del
sistema de control. En efecto, a mayor desviación respecto al punto de operación es mayor
el recurso necesario para mantener la planta operando en el punto de trabajo deseado. Por lo
tanto se define factorcontrol en unidades monetarias para definir el costo de operación del
sistema de control.
La minimización de la función de costo combinada recién descrita debe cumplir con las
restricciones que se presentan a continuación.
Restricciones de balances:
Se impone un límite máximo a los residuos de las ecuaciones de estado (2.27) y (2.28) de
manera de asegurar el cumplimiento del estado estacionario.
Restricciones físicas:
De acuerdo con el modelo de referencia de la planta para la cual se desarrolló originalmente
el modelo (Vega, 1987), se estima que la relación altura y sección del depósito del
sulfitador es 10 aproximadamente.
Se fijan también los límites físicos razonables de las variables tanto de pH a la salida de la
torre como del flujo de gas SO2 introducido en el líquido del sulfitador:
pH 4.5 pH 4.5
F2 0.013 mol
(2.40)
(2.41)
s
Otras restricciones, que deben introducirse para garantizar valores lógicos en algunos
parámetros son:
0 1
0 k 1
(2.42)
(2.43)
Restricciones de controlabilidad:
Las restricciones derivadas de la aplicación de las métricas de controlabilidad de estado,
ecuaciones (2.35), (2.37) y (2.38) son:
F1 k h Csat F1 k h
F k h Csat F1 k h
x2 0 abs 1
x2
2
2
V
V
V2
V2
u u1min X C u1max
*
1
u2* u2 min
*
*
F1 C *
u2max
k
(2.44)
(2.45)
(2.46)
Otra restricción, sobre la señal de control para evitar el que la válvula se sature cuando se
evalúa la respuesta dinámica es:
Sat 0
(2.47)
donde: Sat es el número de veces que la señal de control alcanza sus valores máximo y
mínimo, saturando la válvula.
Capítulo 2: PURIFICACIÓN Y CLARIFICACIÓN DEL JUGO DE LA CAÑA DE AZÚCAR.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
62
Finalmente, se impone una restricción adicional sobre el índice ISE, aunque se esté
minimizando dentro de los costos asociados al control, de manera de garantizar un
requerimiento mínimo de desempeño dinámico de la planta:
ISE ISEmax
(2.48)
Resolución del problema usando algoritmos genéticos
Los algoritmos genéticos son métodos estocásticos de optimización basados en los
principios de la selección natural. (Goldberg, 1989; Gen y Cheng, 2000). Para resolver el
problema de diseño y control simultáneo de la sulfitadora se escoge un algoritmo genético
de codificación real porque ésta reporta mejores resultados para casos de minimización de
funciones y problemas con restricciones (Gen y Cheng, 2000).
La optimización se lleva a cabo con una población de soluciones potenciales, las cuales son
evaluadas y a cada una se le asigna una función de calidad denominada función de
adaptación, F, (fitness), En este caso, como se trata de un problema de minimización, el
mejor individuo es el que tiene menor función de adaptación, entendiéndose que en este
caso que el fitness es equivalente a la función de costo. La población evoluciona hacia
regiones favorables en el espacio de búsqueda haciendo uso de los operadores de cruce,
selección y mutación, hasta que, después de varias generaciones, converge a la mejor
solución del problema (Goldberg, 1989; Gen y Cheng, 2000).
El cromosoma que describe a una solución (individuo de la población) se define como un
vector real de longitud fija que contiene las siguientes variables:
[h, F2, pHe, Kp, Ti,]
(2.49)
La acción derivativa del controlador se calcula siguiendo reglas clásicas de sintonización
como Td=0.16Ti.
Se usan los operadores de ruleta para la selección, de cruce aritmético y de mutación
aleatoria, tomando como base a los resultados de trabajos previos (Revollar et al., 2004;
Revollar et al., 2005; Revollar et al., 2006, Lamanna et al, 2009) donde se resuelve este tipo
de problemas utilizando algoritmos genéticos.
Para tratar las soluciones que no cumplen las restricciones se agrega una penalización a la
función de adaptación, de manera que ésta se calcula finalmente del siguiente modo:
2
p
F ( x) f cos to( x) R max 0, g k x
R 1
(2.50)
donde: x es el cromosoma, R es el coeficiente de penalización asociado a las restricciones
de desigualdad, p es el número de restricciones de desigualdad del problema, y gk(x)
es la actual desviación de la k-ésima restricción. El problema se resuelve con una
población de 100 individuos, una tasa de mutación decreciente que va de 0.1 a 0.02
y un número máximo de iteraciones de 150.
El procedimiento de resolución del problema de optimización formulado en el apartado
anterior, utilizando el algoritmo genético recién descrito, se resume en la Figura 2.6.
Capítulo 2: PURIFICACIÓN Y CLARIFICACIÓN DEL JUGO DE LA CAÑA DE AZÚCAR.
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63
Optimización con AG
Población de posibles soluciones evolucionando
Solución candidata [h F2 pHe Kp Ti]
Calculo de: C, pH, X, y [H+] usando modelo, sección
1.3
Evaluación de los costos de inversión y
operación (1.48)
Evaluación de las
restricciones (1.39) a (1.42)
Penalización
(1.48)
Simulación (1.27) y (1.28) ante las
perturbaciones de las figuras 1.4 y 1.5
Calculo del ISE, costos de control (1.47)
Evaluación de la restricción
sobre la señal de control
(1.46)
Penalización
(1.48)
Población converge al mejor individuo
FIN
Figura 2.6: Evaluación de la función de adapt ación para cada posible solución m ient ras se
resuelve el problem a con AG
2.3.4 Resultados
El principal objetivo de diseño de la torre sulfitadora es la especificación de que el pH a la
salida de la planta sea aproximadamente de 4.5. El diseño simultáneo de proceso y control
se realiza de forma automática, resolviendo un problema de optimización no lineal con
restricciones con algoritmos genéticos como se describe en la sección anterior. Esto
representa una ventaja respecto a la metodología clásica, porque se obtiene directamente
una planta que cumple las especificaciones de diseño junto con el controlador sintonizado
para cumplir los requerimientos de control.
Capítulo 2: PURIFICACIÓN Y CLARIFICACIÓN DEL JUGO DE LA CAÑA DE AZÚCAR.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
64
Los valores de los parámetros de la planta, entradas y condiciones de diseño establecidas
previamente se muestran en la Tabla 2.1.
Con la intención de comparar diferentes exigencias de control, se plantean dos escenarios
para la resolución del problema:
- El diseño simultáneo de proceso y control considerando los costos de control en la
función objetivo (2.48), con factorcontro l= 0.1, que será llamado escenario 1. En
este caso se pretende obtener una planta lo más económica posible con el mejor
desempeño dinámico.
- El escenario 2, consiste en resolver el problema de diseño simultáneo y control,
pero, a diferencia del escenario anterior, no se consideran los costos de control
proporcionales al ISE en la función objetivo (factorcontrol=0), sino que se incluyen
como restricción de controlabilidad (ecuación 2.47). En este caso se encontraría la
planta más económica que satisface los requerimientos mínimos de desempeño
dinámico.
Parámetros
pH salida
4.5
Temperatura de operación (Te)
328º K
Concentración de saturación (Csat)
0.016 mol/l
Flujo de entrada del jugo (F1)
11.05 l/s
Coeficiente asociada a la transferencia de
7.45 l/(m.mol)
masa (k)
Relación altura/diámetro (h/d)
10
ISEmax
Parámetros relacionados con la válvula reguladora de F2:
5
Constante de tiempo de la válvula (v)
Capacidad de la válvula
50
0.5
F2 operación/F2max
Tabla 2.1: Result ados del diseño de la plant a aplicando la m et odología clásica y la m et odología
int egrada
En la Tabla 2.2 se comparan los resultados obtenidos al diseñar la planta aplicando la
metodología integrada considerando los dos escenarios planteados anteriormente.
Costo (UMN)
H (m)
F2 (mol/s)
pHe
Kp
Ti
Td
ISE
u1
u2 (mol/s)
Sat
Escenario 1
0.156
4.99
0.0013
8.57
-0.114
16.45
2.63
0.195
9.74 10-53.62 10-59.74 10-5
5.20 10-51.3 10-32.0 10-3
0
Escenario 2
0.129
3.38
0.0018
8.53
-0.0311
9.117
1.46
5.65
9.74 10-53.28 10-59.74 10-5
7.20 10-51.8 10-33.6 10-3
0
Tabla 2.2: Result ados del diseño sim ult áneo de proceso y cont rol de la plant a
Capítulo 2: PURIFICACIÓN Y CLARIFICACIÓN DEL JUGO DE LA CAÑA DE AZÚCAR.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
65
Es de hacer notar que en ambos casos se verificaron las métricas de controlabilidad de
estado obteniéndose un determinante de la matriz asociada a la respuesta forzada distinto de
cero y valores de la acción de control forzante dentro del intervalo disponible de acciones
de control, como se observa en las últimas filas de la Tabla 2.2.
En la Figura 2.7 se muestra la respuesta de las plantas diseñadas siguiendo el protocolo de
ensayo descrito en la sección 4.1. Se puede apreciar que la planta obtenida en el escenario 1
muestra una respuesta menos sensible a perturbaciones, lo cual es acorde con el hecho de
que el ISE se haya optimizado. En la Figura 2.8 se muestra la señal de control para ambos
casos, donde se puede observar que ninguna alcanza los límites establecidos en la ecuación
(2.45), indicados en la figura con el color correspondiente a cada escenario.
4.65
Escenario 1
Escenario 2
4.6
ph
4.55
4.5
4.45
4.4
4.35
0
500
1000
1500
t (seg)
2000
2500
3000
Figura 2.7: Com paración de la respuest a a lazo cerrado ( pH) del diseño obt enido en am bos
escenarios
-3
4
x 10
3.5
Escenario 1
Escenario 2
3
Fg(lit/s)
2.5
2
1.5
1
0.5
0
0
500
1000
1500
t(seg)
2000
2500
3000
Figura 2.8: Señal de cont rol para el diseño obt enido en am bos escenarios
Capítulo 2: PURIFICACIÓN Y CLARIFICACIÓN DEL JUGO DE LA CAÑA DE AZÚCAR.
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66
En la Figura 2.9 se muestra la respuesta del diseño resultante a lazo abierto, para poner en
evidencia el efecto del controlador sobre el comportamiento general de la planta.
Con la intención de comparar la metodología de diseño clásico y la de diseño simultáneo de
proceso y control, se resolvió también el problema siguiendo la metodología secuencial
clásica. El procedimiento clásico de diseño se llevó a cabo realizando, en primer lugar, los
mapas de operación de la torre sulfitadora para el pH de salida deseado evaluando los
costos de inversión y operación en cada caso. Se escogió la planta que cumplía las
especificaciones con el mínimo costo y, para esa planta, se probaron varios controladores
minimizando el ISE como medida de desempeño. De esta manera se determinó el mejor
controlador para la planta más económica.
Escenario 1
Escenario 2
5
4.8
4.6
4.4
4.2
4
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
Figura 2.9: Respuest a a lazo abiert o de las plant as obt enidas en am bos escenarios ( pH)
En la Tabla 2.3 se muestran los resultados obtenidos al aplicar la metodología clásica, y en
la Figura 2.10 y en la Figura 2.11 se muestran la respuesta a lazo cerrado y la señal de
control respectivamente. Se obtuvo una planta bastante pequeña y con costos menores a las
diseñadas aplicando la metodología integrada, el ISE alcanza valores bastante bajos, pero la
señal de control llega a saturarse, como se puede ver tanto en la Tabla 2.3 como en la
Figura 2.11. Esta no es una condición deseable en la operación. Aun cuando es una planta
bastante económica, su desempeño dinámico no llega a ser tan bueno como el de las plantas
anteriores, presentando una oscilación continuada tanto en la salida del sistema como en la
señal de control.
Costo (UMN)
h (m)
F2 (mol/s)
pHe
Kp
Ti
Td
ISE
u1
u2 (mol/s)
Sat
0.093
3.00
0.0013
8
-0.087
9.786
1.566
0.625
9.74 10-59.74 10-59.74 10-5
5.20 10-51.3 10-32.6 10-3
2
Tabla 2.3: Result ados del diseño de la plant a aplicando la m et odología clásica
Capítulo 2: PURIFICACIÓN Y CLARIFICACIÓN DEL JUGO DE LA CAÑA DE AZÚCAR.
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67
Es importante destacar que aplicar la metodología de diseño simultáneo de proceso y
control, representa una gran ventaja, pues se obtienen simultáneamente las dimensiones de
la planta, junto con el punto de trabajo, con un controlador sintonizado de manera de
garantizar los requerimientos de controlabilidad impuestos.
4.65
4.6
ph
4.55
4.5
4.45
4.4
4.35
0
500
1000
1500
t (seg)
2000
2500
3000
Figura 2.10: Respuest a a lazo cerrado ( pH) de la plant a obt enida aplicando la m et odología de
diseño clásico
-3
3
x 10
2.5
Fg(lit/s)
2
1.5
1
0.5
0
0
500
1000
1500
t(seg)
2000
2500
3000
Figura 2.11: Señal de cont rol para el diseño obt enido en am bos escenarios
2.4 Conclusión
Se estudió el problema de diseño simultáneo de proceso y control (DSPC) de una planta
sulfitadora como parte de la operación de obtención del azúcar de caña. Se presenta una
aproximación novedosa al problema DSPC considerando tanto la controlabilidad de estado
(basada en métricas de controlabilidad práctica para sistemas no lineales) como la
controlabilidad de salida, tomando como ejemplo el caso de la torre sulfitadora. Esta
propuesta se traduce en un problema de optimización no lineal donde se imponen
restricciones sobre las condiciones de operación de la planta, las medidas de controlabilidad
de estado y algunos índices de desempeño a lazo cerrado, mientras se minimizan los costos
de inversión, operación y control. El problema de optimización se resolvió usando un
Capítulo 2: PURIFICACIÓN Y CLARIFICACIÓN DEL JUGO DE LA CAÑA DE AZÚCAR.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
68
algoritmo genético de codificación real.
La controlabilidad de estado estudiada fue usada en primer término para definir
cualitativamente la concepción del lazo de control, y el pareamiento más conveniente
variable manipulada-variable controlada, que garantiza la ausencia de grados de libertad
insatisfechos y el rango completo de la matriz de controlabilidad no lineal. Además, los
requisitos de la controlabilidad de estado también establecen límites o rangos posibles en
las variables de diseño, que se usan como restricciones en el cálculo del diseño simultáneo
de proceso y control.
Los resultados ponen en evidencia la gran ventaja de la metodología integrada respecto a la
metodología clásica de diseño ya que se obtienen simultáneamente las dimensiones de la
planta, junto con el punto de trabajo, con un controlador sintonizado de manera de
garantizar los requerimientos de controlabilidad impuestos.
Referencias Bibliográficas
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]
[9]
[10]
[11]
[12]
[13]
Alvarez, H., Lamanna, R., Revollar, S. y Vega, P. (2009). Metodología para la
Obtención de Modelos Semi-físicos de Base Fenomenológica Aplicada a una
Sulfitadora de Jugo de Caña de Azúcar. RIAI Revista Iberoamericana de
Automática e Informática Industrial. Vol. 6, Nro. 3, pp. 10 – 20.
Asbjrnsen, O.A. (1972). Reaction invariants in the control of continuous
chemical reactors. Chem Eng. Science, Vol. 27.
Beg, S.A., Rehman, S.O.y Hassan, M.H. (1991). Theoretical analysis of gas
stripping performance of spray towers. Chem. Eng. Technol. Vol. 14.
Cenicaña. (2006). Valores objetivos para la extracción de sacarosa en el proceso
de molienda de caña de azúcar. Carta trimestral. No. 2 de 2006. Centro de
Investigación de la Caña de Azúcar de Colombia (Cenicaña).
Fjeld, M., Asbjrnsen, O.A.y Astrom, K.J. (1974). Reaction invariants and their
importance in the analysis of eigenvectors, state observability and controllability
of the continuous stirred tank reactor. Chem Eng. Science. Vol. 29.
De Prada, C., Vega, P.y Alonso, L. (1984). “Modelling and simulation of a
sulfitation tower for adaptive control”. Proceedings of the 11th IASTED
Conference on Applied Modelling and Simulation.
Gen, M. y R. Chen (2000). Genetic algorithms and engineering optimisation. J. W.
and Sons.
Goldberg, D.F. (1989). Genetic Algorithm in Search, Optimization and Machine
Learning. Addison-Wesley, Reading, MA.
Gustaffson, T.K. (1982). Calculation of the pH value of mixtures. Chem. Eng. Sci.
Vol. 37. No. 3.
Gustaffson, T.K. y Waller, K.V. (1983). Dynamic modelling and reaction
invariant control of pH. Chem. Eng. Sci. Vol. 38. No. 3.
Hedrick, J.K.y Girard, A. (2005). Control of nonlinear dynamic systems: Theory
and applications. Berkeley Press.
Hermann, R., Krener, A.J. (1977). “Nonlinear Controllability and Observability”.
IEEE Trans. Aut. Control, 5.
Lamanna, R., Vega, P., Revollar, S. y Alvarez, H. (2009). Diseño Simultáneo de
Capítulo 2: PURIFICACIÓN Y CLARIFICACIÓN DEL JUGO DE LA CAÑA DE AZÚCAR.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
[14]
[15]
[16]
[17]
[18]
[19]
[20]
[21]
69
Proceso y Control de una Torre Sulfitadora de Jugo de Caña de Azúcar. RIAI
Revista Iberoamericana de Automática e Informática Industrial. Vol. 6, Nro. 3, pp.
32 – 43
Light, Truman S. (1997). Industrial use and application of ion selective electrodes.
Journal of Chemical Education. Vol. 74 pp171-177.
Mondal, M.K. (2007). Experimental determination of dissociation constatnt,
Henry’s constant, heat of reaction, SO2 absorbed and gas bubble-liquid interfacial
area for dilute sulphur dioxide absorption into water. Fluid Phase Equilibria, 253
98-107.
Ochoa, S., Alvarez, H., Aguirre, J. (2004). “Using Controllability for Chemical
Equipment Design as a First Step to Integrated Design”. X Convención
Internacional y Feria Informática 2004 - XI Congreso Latinoamericano de Control
Automático. La Habana- Cuba.
Ochoa, S. (2005). “A methodology for the design-control integration in statespace”. Master Thesis (in Spanish). National University of Colombia.
www.unalmed.edu.co/~hdalvare
Revollar, S, Vega, P.y R. Lamanna (2004). “Algorithmic synthesis and integrated
design of chemical reactor systems using genetic algorithms”. Proceedings of
World Automation Conference. Vol. 17, 493. Sevilla.
Revollar, S, Lamanna, R.y P Vega (2005). “Algorithmic synthesis and integrated
design for activated sludge processes using genetic algorithms”. Proceedings 15th
European Symposium on Computer Aided Process Engineering ESCAPE-15, pp.
739-744. Barcelona
Revollar, S., Lamanna, R.y P Vega (2006). “Genetic Algorithms for simultaneous
design and control of Continuous Stirred Tank Reactor System”. Proceedings
Chemical Process Control 7. Lake Louise.
Vega, P. (1987). Formulaciones adaptivas para reguladores PID. Tesis Doctoral.
Universidad de Valladolid.
Capítulo 2: PURIFICACIÓN Y CLARIFICACIÓN DEL JUGO DE LA CAÑA DE AZÚCAR.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
70
Capítulo 2: PURIFICACIÓN Y CLARIFICACIÓN DEL JUGO DE LA CAÑA DE AZÚCAR.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
71
Capítulo 3: CONCENTRACIÓN POR EVAPORACIÓN.
William Ipanaqué Alama
Universidad de Piura, Perú
3.1 Introducción
El concentrador es el proceso que viene después de la purificación que se ha descrito en el
capítulo 2. En este concentrador o evaporador el jugo procedente del sistema de
clarificación, contiene el líquido que se exprime de la caña junto con la parte del agua de
imbibición, en proporción media aproximada de 87% de agua y 15% de sólidos. El jugo de
caña de azúcar que alimenta al evaporador tiene normalmente una concentración de
sacarosa entre 11 y 16% en masa; alrededor del 88% de agua y 1% de otros componentes
(Hugot, 1986). Hay que eliminar la mayor parte del agua para que quede un jarabe con un
contenido en sólidos del 60% o más. Todos los ingenios modernos emplean evaporadores
de múltiple efecto, que se llamas así porque se logra que el vapor trabaje varias veces, en
forma que explicaremos más adelante. La evaporación es la operación que extrae agua de
una solución por vaporización, mediante la aplicación de calor. En el proceso de
evaporación, el objetivo es extraer el agua hasta lograr una concentración final de sacarosa
del orden del 70% en grados Brix, para evitar que se produzca la cristalización que se
presenta para concentraciones entre el 78% y 80% grados Brix Además, para evitar la
degradación de la sacarosa, debido a reacciones químicas con el agua, la temperatura no
debe exceder los 125 -130 ˚C y es recomendable que el proceso se realice en el menor
tiempo posible (Cadet, et al., 1999).
Un evaporador consta de dos recintos cerrados que están separados entre sí por paredes
metálicas delgadas en forma de tubos o placas; estas paredes se les llama superficie de
calefacción. El vapor entra en uno de estos espacios a temperatura y presión fijas, a las
cuales condensa, liberando así su calor latente. En el otro espacio hay una solución a
temperatura y presión menores que absorbe el calor liberado por la condensación del vapor.
La velocidad del flujo de calor a través de la superficie de calefacción es proporcional a la
diferencia de temperatura existente entre el vapor que está en un lado y el líquido en
ebullición que está en el otro. Para evaporar una libra de agua, es necesario suministrar el
equivalente a su calor latente, a la misma presión a que se lleva a cabo la evaporación,
asumiendo que la solución esté a su temperatura de ebullición. Si no lo está, hay que
proporcionar el calor sensible adicional suficiente para llevarla a dicho punto de ebullición.
Si, por el contrario, la solución entra en el evaporador a una temperatura más alta que el
punto de ebullición, ocurrirá un “flash” o auto evaporación, y la cantidad de calor requerido
para evaporar una libra de agua será menos que el calor latente en la cantidad de unidades
térmicas así liberadas.
En este capítulo se describe de forma genérica el proceso de concentración o evaporación y
se plantea un modelo para este proceso. Existen varios trabajos que tratan la simulación
del modelo del evaporador y su control, (Gomolka, 1985; Rousset, et al., 1989 a,b). Un
trabajo interesante fue presentado por (Villar et al. 1993) el cual muestra una instalación
real con resultados comparativos, donde se han modelado las cámaras de jugo y de vapor, y
se ha considerado el intercambio de calor con el exterior. En (Tonelli, et al. ,1990) se
incluyen retardos del sistema de manera explícita. Todos estos modelos relacionan
propiedades físico térmicas y algunos de sus parámetros específicos se han considerado
Capítulo 3: CONCENTRACIÓN POR EVAPORACIÓN.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
72
constantes, como: el coeficiente de transferencia de calor global y el calor latente de
vaporización.
Algunas propuestas de modelos orientados al control incluyen el modelo en su estructura
como por ejemplo; en (Rousset, et al., 1989a, b; Testud and Rankowski, 1989; Belhadj and
Vandoolaeghe, 1993; Wilson, Prada and Vega, 1993), estas se basan en modelos lineales.
No obstante son pocos los modelos usados en el control del evaporador (Cadet, et al., 1999).
3.2 La evaporación en múltiple efecto
Con el sistema sencillo que acabamos de describir, los evaporadores se pueden conectar en
equipo de forma tal que la evaporación producida en uno de ellos se utiliza como vapor de
calefacción del siguiente. Sólo es necesario disminuir la presión de cada unidad sucesiva
que se añada, y así se establecerá una diferencia de temperatura adecuada que permitirá el
funcionamiento correcto del aparato. Esta configuración se denomina evaporación múltiple
efecto. En la industria de la caña, el evaporador de múltiple efecto (Figura 3.1) consta de 3,
4, ó 5 evaporadores conectados en serie, y los evaporadores individuales se llaman efectos,
cuerpos, celdas o unidades, según la costumbre. En la forma más corriente, cada de los
cuerpos consta de un cuerpo vertical cilíndrico y cerrado, cuya parte inferior tiene un fondo
cónico, cóncavo hacia arriba, bastante llano, y del diámetro total del envolvente. Está
dotado de un registro y aberturas para la alimentación, la purga, la extracción de
condensados y algunos detalles más. Sobre el fondo está la calandria, camisa o recinto de
vapor, o elemento calefactor. Esta es de forma cilíndrica y de 4 a 6 pies de alto, con placas
para tubos en sus extremos superior e inferior dotadas de un tubo central grande. Las placas
están llenas de tubos, que generalmente son de cobre, de 1 ¼” a 2 ¼” (3.2 a 5.7 cm.) de
diámetro, y con paredes de 1/16” (16 mm.) aproximadamente. Estos tubos constituyen la
superficie de calefacción. La calandria se dota de una entrada de vapor grande, situada en
un costado, y las placas llevan tuberías en el fondo, para drenaje, y en la parte superior,
para salida de gases. Estas tuberías llegan hasta el exterior del cuerpo, y finalmente se
conecta al condensador.
Encima de la calandria va el espacio para la evaporación, con una altura total de unos 10
pies (unos 3m). El cilindro que rodea este espacio tiene mirillas, un termómetro (en las
industrias modernas cuentan con sensores de nivel y de temperatura), cuenta también con
una entrada de hombre y otros accesorios. Arriba de este cilindro viene el domo o cubierta
superior, a la cual se le fija un separador o “catchall” , cuyo fin es atrapar las gotas de jugo
que se puedan arrastrar por las corrientes rápidas de vapor. Este separador tiene una purga
y una salida de vapor, situadas a un lado. El separador de cada vaso está conectado con la
calandria del siguiente por grande tuberías de vapor, y el separador del último cuerpo está
conectado al condensador de la misma forma. El aire se extrae del condensador por medio
de un abomba de vacío, y el vacío se mantiene mediante el uso de agua fría de inyección.
El vapor entra en la calandria del primer efecto y hace que el jugo hierva dentro de los
tubos. La evaporación sale de este jugo y pasa a través del domo, el separador, y la tubería
de vapor, entra en la calandria del segundo cuerpo, donde produce un efecto equivalente al
que tuvo en vapor en la primera calandria. La evaporación del segundo efecto sirve de
vapor al tercero, y así sucesivamente, hasta llegar al último efecto cuya evaporación va al
condensador. El guarapo alimenta el primer efecto, y de ahí pasa al segundo, al tercero, al
cuarto, etc., por tuberías de alimentación apropiada y dotada de válvulas de control; y el
jarabe concentrado se extrae del último efecto por medio de una bomba. El vapor que va
condensando en las calandrias tiene que ser extraído continuamente por medios idóneos;
Capítulo 3: CONCENTRACIÓN POR EVAPORACIÓN.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
73
sino, la acumulación de condensados anega la superficie calórica y disminuye el
rendimiento del evaporador.
Todas estas funciones son continuas, y las controla el operador o el sistema de control
automatizado en los ingenios modernos, ajustando la alimentación de vapor a la calandria
del primer cuerpo para regular la densidad del jugo que se extrae en el último cuerpo a la
concentración que se desea.
Figura 3.1: Evaporador norm al de cuádruple efect o
3.3 Modelo matemático de un Evaporador Multietapa, Aplicación
a la Industria Azucarera
3.3.1 Consideraciones
Muchos modelos han sido planteados en diversas publicaciones y textos, pero no todos
contemplan la dinámica en su totalidad de todos los componentes del sistema. Para tener
una idea de estos componentes debemos saber que un evaporador tiene dos partes
principales:
Cámara de calefacción.
Cámara de vaporización.
En la cámara de calefacción (Figura 3.2) entra el vapor de agua saturado a altas
temperaturas a un circuito sinuoso de espacios reducidos entre tubos o placas, dependiendo
del tipo de evaporador, aquí el vapor cede su calor latente para calentar el jugo de caña. En
la cámara de vaporización (Figura 3.2) el jugo recibe el calor del vapor y empieza a
evaporarse llegando así a un estado de equilibrio entre la masa de vapor generado y el jugo,
este equilibrio se le conoce como equilibrio térmico al llegar a una distribución de
temperatura estable en el tiempo, dependiendo de la presión dentro del evaporador y del
flujo estable de jugo de caña.
En adelante denominaremos vapor de calefacción al vapor que ingresa en cada etapa para
calentar y evaporar el jugo de caña. Al vapor que resulta de la evaporación del jugo en cada
efecto se le llamará vapor generado también denominado vapor vegetal y se considerará
que está saturado. En el caso especial de un evaporador multiefecto al vapor que ingresa en
la primera etapa y que proviene de las calderas se le llamará vapor de alimentación.
Capítulo 3: CONCENTRACIÓN POR EVAPORACIÓN.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
74
Figura 3.2: Descripción de la cám ara de calefacción y de la cám ara da vaporización
El modelo planteado contempla aspectos de la dinámica del vapor tanto de calefacción
como el generado, así también toma en cuenta la dinámica de la masa de jugo dentro de
cada efecto así como la dinámica de sus temperaturas y presiones de manera característica.
Así mismo muestra una interacción dinámica entre las cámaras de calefacción y
vaporización.
Para este modelo se han considerado las siguientes hipótesis:
El sistema no considera la presencia de gases incondensables dentro de las cámaras
tanto de calefacción como de vaporización. En la práctica sólo es posible manejar
esto en el vapor de alimentación de la primera etapa, el cual viene de un caldero, el
vapor de calefacción de la segunda y las demás etapas no es vapor puro sino que
contiene unos gases incondensables como el amoniaco generado por la hidrólisis de
los compuestos orgánicos del jugo de caña, esto genera problemas en la
transferencia de calor, generando pérdidas. Para manejar este inconveniente las
cámaras de calefacción son diseñadas con circuitos sinuosos para evacuar los
incondensables.
El vapor generado además de no presentar gases incondensables tampoco presenta
arrastre de material orgánico o restos sólidos. En la realidad esto conlleva al uso de
separadores a la salida del vapor de cada evaporador que no permite el paso de
partículas sólidas, la consecuencia de estos separadores en una caída de presión en
el flujo de vapor generado que no será considerado en este estudio.
Las únicas pérdidas contempladas en este modelo son las ocasionadas entre la
cámara de calefacción y el medio ambiente y las dadas entre la cámara de
vaporización y el medio ambiente. Estas pérdidas menores dependerán del
aislamiento del evaporador.
El vapor de calefacción se considera saturado y al salir de ella se considera
condensado, esta hipótesis nos permite explicar la transferencia de calor del vapor
al jugo, cesión de su calor latente. En la industria esto es relativamente correcto
Capítulo 3: CONCENTRACIÓN POR EVAPORACIÓN.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
75
dado que el diseño de un evaporador contempla que el vapor al salir debe
condensar o es condensado para producir el vacío necesario para el efecto flash 1
en cada cámara.
No se considerarán propiedades de flujo bifásico en la cámara de calefacción y
por tanto la cesión de energía del vapor al jugo sólo será calculado con la
diferencia de los estados a la entrada y salida.
Este modelo no considera sedimentaciones que se presentan en las paredes de las
tuberías del evaporador debido al arrastre de sólidos en el jugo, esto podría
ponerse en función de un factor del tiempo y así poder simularlo, en la mayoría de
las industrias azucareras este es un gran problema por lo que los evaporadores
deben tener una frecuencia adecuada de limpieza para mantener su eficiencia. En
consecuencia el modelo será válido para evaporadores recién limpiados o con una
alta frecuencia de limpieza.
La eficiencia de la calandria será considerada 100% es decir todo el calor cedido
por el vapor de calefacción es aprovechado por el jugo en cada etapa para
evaporarse.
Para el punto de ebullición del jugo de caña se ha tomado en cuenta la
consideración el aumento de este debido al nivel de jugo de caña en cada etapa.
Este aumento del punto de ebullición se traduce en una pérdida del calor eficiente
de transferencia, su valor oscila entre 10ºC y 2ºC, el efecto se aprecia mejor en el
último efecto ya que a menor presión el aumento de la presión debido al nivel,
produce un mayor aumento de la temperatura de ebullición. El punto de ebullición
también varía con la concentración del jugo de caña, esta consideración es
modelada en el sistema.
Se considera un sistema adecuadamente aislado, por lo que las pérdidas son
relativamente bajas y las mismas son producidas por la imperfección del
aislamiento. El modelamiento de la transferencia por las paredes no se realiza de
manera exhaustiva, siendo el cálculo realizado suficiente para obtener resultados
con órdenes de magnitud adecuados.
El modelo no contempla perturbaciones a la salida del desfogue de cada cámara
de evaporación.
Los disturbios considerados son de las magnitudes de flujo vapor de alimentación
(o vapor de calefacción de la primera etapa), disturbios en la concentración de los
grados Brix del jugo crudo y flujo de jugo de caña de alimentación. Un disturbio
de menor magnitud considerado es el de las pérdidas por las paredes ya que estas
dependen de la temperatura ambiente.
3.3.2 El modelo
El modelo se realizó tomando como base las ecuaciones de balance de energía y masa,
mientras que para la descripción de las propiedades características del jugo de caña tales
como punto de ebullición y entalpías se tomaron ecuaciones encontradas en las
publicaciones o estudios anteriores.
Para la realización del modelo se tomaron como conocidas las propiedades del vapor de
alimentación y las propiedades del jugo de caña crudo o guarapo. El cálculo de un
evaporador multiefecto se realiza en cadena calculando las propiedades de la etapa i a
1
Efecto flash: Evaporación del agua a temperatura menor a 100 ºC debido a la despresurización dentro de
cada evaporador
Capítulo 3: CONCENTRACIÓN POR EVAPORACIÓN.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
76
partir de las propiedades del vapor y jugo consecuencia de la etapa i-1. El modelo es
ilustrado en la Figura 3.3.
Figura 3.3: Descripción gráfica de las variables usadas en el análisis
La variables consideras en el cálculo de cada efecto son descritas a continuación donde el
subíndice i hacen referencia al efecto en estudio y el i-1 al efecto anterior ya calculado.
Variables conocidas:
Entrada a cámara de calefacción:
Oi1 : Vapor de calentamiento (kg/min)
Tsati1 : Temperatura de saturación del vapor de calefacción (ºC)
Hvi 1 : Entalpía del vapor de calefacción (J/kg)
Entrada de cámara de evaporación:
Fi 1 : Flujo de jugo de caña a la entrada (kg/min)
Ti 1 : Temperatura de jugo de caña a la entrada (ºC)
hi 1 : Entalpía del jugo de caña a la entrada (kJ/kg)
Ci 1 : Concentración del jugo de caña a la entrada (brix)
i 1 : Densidad del jugo de caña a la entrada (kg/m3)
Variables desconocidas:
Salida de cámara de calefacción:
Fci : Flujo de condensado a la salida de la cámara de calefacción (kg/min)
Capítulo 3: CONCENTRACIÓN POR EVAPORACIÓN.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
Tci :
Temperatura del condensado (ºC)
hci :
Entalpía del condensado (J/kg)
77
ci : Densidad del condensado (kg/m3)
Salida de cámara de evaporación:
Fi : Flujo de caña a la salida (kg/min)
Ti :
Temperatura del jugo de caña a la salida (ºC)
hi :
Entalpía del jugo de caña a la salida (kJ/kg)
Ci : Concentración del jugo de caña a la salida (brix)
i : Densidad del jugo de caña a la salida (kg/m3)
Oi : Vapor generado (kg/min)
Tsati : Temperatura de saturación del vapor generado
Hvi : Entalpía de vapor generado
vi : Densidad de vapor generado (kg/m3)
Además de las variables relacionadas con el análisis de masa y energético, se hace
necesario definir para este modelo algunas variables adicionales que describan la
geometría y propiedades de los materiales que constituyen el evaporador.
Variables del diseño:
pi : Presión interna del evaporador (atm)
mvi : Masa de vapor en la cámara de evaporación (kg)
Vvi :
Volumen de vapor en la cámara de evaporación (m3)
m ji : Masa de jugo en la cámara de evaporación (kg)
V ji :
Volumen de jugo en la cámara de evaporación (m3)
mci : Masa de de vapor en la cámara calefacción (kg)
Vci :
Volumen de de vapor en la cámara calefacción (m3)
Pi :
Calor intercambiado entra la cámara de evaporación y calefacción (kJ/min)
Ai :
Área transversal del evaporador (m2)
Vtotali : Volumen total de la cámara de evaporación (m3)
Si :
Superficie de intercambio de calor entra las cámaras (m2)
Vci :
Volumen de la cámara de cámara de calefacción (m3)
k1ci : Constante de transferencia de calor entre la cámara de calefacción y el medio
(kJ/min °C)
k2ci : Constante de transferencia de calor entre la cámara de evaporación y el medio
(kJ/min °C)
kui : Constante de transferencia de calor entre cámaras (kJ/min °C)
Tamb : Temperatura ambiente (°C)
Planteamos las ecuaciones para la resolución del modelo y realización de un simulador que
Capítulo 3: CONCENTRACIÓN POR EVAPORACIÓN.
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78
nos permita el estudio del comportamiento del evaporador y así poder realizar el estudio
del proceso y aplicar técnicas de control que después podamos implementar en un proceso
real habiendo comprobado su efectividad a nivel se simulación.
El proceso para modelar el evaporador será realizado en dos partes, un primer estudio
realizado sobre la cámara de calefacción y un segundo realizado en la cámara de
evaporación.
3.3.3 Modelo de la cámara de calefacción
Aplicamos la ecuación de la conservación de la masa en el volumen de control de la Figura
3.3.
dmci
Oi1 Fci
dt
(3.1.a)
Variación del fluido bifásico
Flujo de vapor de Flujo de condensado
alimentación
- evacuadoen cada etapa = contenido en la cámara de
calefacción
*
Debemos considerar que Oi- 1 es una variable conocida debido a que es la porción de flujo
de vapor generado de la etapa anterior que ingresa a la cámara de calefacción. Para la
primera etapa Oi-* 1= S , donde S es el flujo de vapor de alimentación.
Consideraremos la variación de la masa de mezcla bifásica líquido vapor en la cámara e
calefacción constante. Por tanto la ecuación (3.1.a) queda:
Oi1 Fci 0
(3.1.b)
Aplicamos la conservación de la energía en la cámara de calefacción.
Oi1 Hvi 1 Fci hci Pi k1ci Tci Tamb
dEi cámar / c
dt
(3.2.a)
Energía que ingrea
Energía trasferida
Variación de la
con el vapor de - Energía evacuada - de a la cámara de - Pérdidas por = energía total de la
en los condensados
las paredes
alimentación
evaporación
cámara de calefacción
donde: Ei cámar / c representa la energía dentro de la cámara de calefacción. El término Pi me
indica el calor transferido del vapor al jugo, mientras que k1ci Tci Tamb me indica
las pérdidas de la cámara de calefacción con el medio ambiente.
La consideración de que la variación de la energía interna dentro de la cámara de
dEi cámar / c d mci hci x Hvi 1 hci
calefacción es
donde x indica la calidad del agua
dt
dt
en la cámara de calefacción, para generalizar y tener un comportamiento promedio de los
evaporadores industriales tomaremos un valor constante de , x=0.5 al hacer esto y
considerando H y h constantes la ecuación (3.2.a) queda:
v i- 1
ci
Capítulo 3: CONCENTRACIÓN POR EVAPORACIÓN.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
Oi1 Hvi 1 Fci hci Pi k1ci Tci Tamb 0
79
(3.2.b)
La simplificación hecha en (3.2.b), se pone de manifiesto debido a que la dinámica del
vapor es mucho más rápida que la del jugo de caña por ello debemos considerarla
despreciable respecto a las variaciones en la cámara de evaporación.
3.3.4 Cámara de evaporación
Aplicamos conservación de masa para la cámara de evaporación mediante la ecuación (3.3).
Fi 1 O i Fi
d mvi m ji
dt
(3.3)
Flujo másico
Flujo másico de Variación de la
de jugo de caña - Flujo másico de - jugo de caña a la = masa total contenida
vapor generado
de alimentación
salida
en la cámara de evaporación
Dado el volumen de control tomado se tendrá en cuenta la variación de la masa de jugo de
caña y la masa de vapor dentro de la cámara.
Conservación de masa de azúcar o contenido de sacarosa:
d m ji Ci
Fi 1Ci 1 FC
i i
dt
(3.4)
Flujo másico de sacarosa Flujo másico de sacarosa Variación de la
contenida en el jugo de - contenida en el jugo a la = cantidad de sacarosa
alimentación
salida de cada etapa
en cada etapa
Bajo la consideración de no arrastres en el vapor generado se toma que en cada cámara solo
se escapa vapor puro sin arrastres de sacarosa, esto nos lleva a la conclusión que en cada
etapa del proceso la cantidad de sacarosa permanece constante en el estacionario.
Conservación de la energía:
Fi 1hi 1 Fi hi Oi Hvi Pi k2 ci Ti Tamb
d mvi Hvi m ji hi
dt
(3.5)
Variación de la
Energía contenida en Energía contenida
Energía recibida Pérdidas por las
el flujo másico de - en el flujo de jugo - Energía evacuada + de la cámara de - paredes de la cámara = energía total en
con el vapor generado
la cámara de
alimentación
a la salida
calefacción
de evaporación
evaporación
Al considerar la masa del jugo de vapor dentro de cada etapa debemos considerar en
consecuencia la variación de su energía, en la cámara de evaporación se considera que la
energía es la entalpía en el vapor generado y el jugo caliente dentro de la misma según la
ecuación (3.5)
El término k2ci Ti Tamb indica la pérdida de energía debido a la transferencia de calor
entre la cámara de vaporización y el medio ambiente.
Capítulo 3: CONCENTRACIÓN POR EVAPORACIÓN.
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80
Otras ecuaciones
Para hallar el valor del vapor generado en un efecto genérico i, se consideran los siguientes
cálculos:
La entalpía específica del jugo de caña y de la miel para cada efecto del evaporador
(Solberg 2002) usando las relaciones de Van Der Pol es mostrada en la siguiente ecuación
(3.6).
hi 4.1868 0.0297 4.6 105 q Ci 3.75 105 CiTi Ti
(3.6)
Temperatura de saturación del vapor generado en la etapa i :
Tsati
2147
273.15
10.76 log( pi )
(3.7)
La masa del jugo de caña contenida en cada etapa o efecto, es descrita por la ecuación (3.8),
cabe destacar en esta expresión se conjugan parámetros geométricos con propiedades
específicas del jugo, lo cual nos da un indicio para el diseño de evaporadores.
m ji i H i Ai
(3.8)
Densidad del jugo de caña (Solberg 2002):
i 1000 1
Ci (Ci 200)
Ti 20
1 0.036
54000
160 Ti
(3.9)
Volumen del jugo de caña:
V ji H i Ai
(3.10)
Entalpía del vapor generado:
Hvi 2.5 106 1813Tsati 0.471Tsati 2 0.011Tsati 3 2090(Ti Tsati )
(3.11)
Entalpía del condensado en la etapa i :
hci 1500 4122Tsati1 0.55Tsati1 2
(3.12)
Temperatura del condensado a la salida de la cámara de calefacción:
Tci Tsati1
(3.13)
Se considera que la temperatura con la que entra el vapor en la cámara de calefacción es la
misma con la que sale el condensado, considerando que el vapor entra saturado por ende
solo cede su calor latente sin disminuir su temperatura.
Capítulo 3: CONCENTRACIÓN POR EVAPORACIÓN.
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81
Corrección para el punto de ebullición del jugo de caña debido a la presencia de sacarosa:
Ti Tsati Tbpe brix Tnivel
(3.14)
Tbpe brix :
Incremento del punto de ebullición debido a la concentración.
Tnivel :
Incremento del punto de ebullición debido al nivel de jugo en cada
etapa.
La consideración del incremento del punto de ebullición por la concentración de sacarosa
en el jugo se debe a que cualquier sustancia soluble en el agua incrementa la viscosidad de
esta y por tanto afecta a la movilidad de las partículas, esto trae como consecuencia un
mayor punto de ebullición que el agua pura, este incremento es descrito en la ecuación
(3.15), tomada de (Solberg 2002).
Tbpe brix
2Ci
100 Ci
(3.15)
Para la segunda parte de la ecuación, la literatura (Montaner 1967) plantea que una correcta
ebullición se da cuando el jugo se evapora en la superficie, pero a menudo el jugo también
hierve debajo del nivel de jugo y a una mayor temperatura debido a que la presión es mayor
por la columna de jugo que se encuentra por encima, esto hace que la distribución de
temperaturas sea de diferente magnitud en todo el recorrido del jugo por la calandria para
hallar un punto promedio del punto de ebullición hallamos un incremento del punto de
ebullición a una altura media.
La siguiente ecuación (3.16) describe la presión del jugo a una altura media.
p jm pi
i gH i
2
(3.16)
donde: p jm es la presión media del jugo, g es el valor de la gravedad y H i es el nivel de
jugo en la calandria del evaporador.
Se define una Tsat que sería la temperatura de saturación a la presión del jugo sumergido.
Tsati
2147
273.15
10.76 log( p jm )
(3.17)
La diferencia entre Tsati y Tsati será el aumento del punto de ebullición, debemos recordar
que este aumento sólo afecta a la temperatura de ebullición más no a la del vapor generado,
la expresión (3.14) del punto de ebullición quedaría:
Ti Tsati
2Ci
2Ci
Tsati Tsati Tsati
100 Ci
100 Ci
(3.18)
Se toma como variaciones de nivel de 0.5 a 5 m del jugo en cada etapa, lo cual está dentro
de los rangos de los evaporadores industriales (Montaner y Simón 1967).
Capítulo 3: CONCENTRACIÓN POR EVAPORACIÓN.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
82
INCREMENTOS DEL PUNTO DE EBULLICIÓN EN
FUNCIÓN DEL NIVEL DE JUGO
6
Incremento del punto de ebullición (ºC)
Primer efecto
Segundo efecto
5
Tercer efecto
Cuarto efecto
4
Quinto efecto
3
2
1
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
5
Nivel de jugo en cada etapa (m)
Figura 3.4: I ncrem ent o del punt o de ebullición debido al nivel de j ugo en cada et apa
Como se observa en la Figura 3.4 el incremento del punto de ebullición debido al nivel de
jugo es casi despreciable respecto a las temperaturas que se manejan. Para el caso
específico considerado los niveles son de 3.8, 4.72, 4.46, 5.37 y 2.54 m correspondientes de
la primera a la quinta etapa respectivamente, tendremos un aumento máximo del punto de
ebullición debido a este efecto de 4.9ºC correspondiente a la cuarta etapa.
Calor transferido de la cámara de calefacción a la cámara de vaporización se puede
expresar mediante la ecuación (3.19) (Villar et.al. 1993)
Pi kui Si Tci Ti
(3.19)
Volumen total de la cámara de evaporación:
Vtotali Vvi V ji
(3.20)
Ecuación de los gases ideales aplicada al vapor generado se considera una buena
aproximación en los rangos de temperatura que se manejan, esta relación se muestra en la
ecuación (3.20) (Villar et.al 1993)
piVvi 462mvi Tsati 273.15
(3.21)
Masa de vapor generado:
mvi viVvi
(3.22)
Masa de vapor en la cámara de calefacción:
mci ciVci
(3.23)
Capítulo 3: CONCENTRACIÓN POR EVAPORACIÓN.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
83
Densidad del vapor de calefacción:
ci vi 1
(3.24)
La densidad del vapor dentro de la cámara de calefacción se considera igual a la del vapor
generado de la etapa anterior pues de donde proviene, es una primera aproximación que
consideraremos cómo válida.
Densidad del vapor generado calculada a partir de las ecuaciones (3.7) y (3.17).
vi
pi 10.76 log pi
462 2147
(3.25)
Para un mejor estudio y un manejo más adecuado de las múltiples variables se han
escogido como principales variables las masas contenidas en las diferentes cámaras, la
concentración de azúcar (grados Brix), en el jugo de caña a la salida de cada etapa y la
temperatura de salida, a partir de estas variables las demás serán calculadas con las
ecuaciones dadas.
El diseño de un modelo está hecho para una determinada planta es por ello que se necesita
recolectar datos, de todas las etapas tanto de entrada como de salida, así podremos calcular
las constantes correspondientes a dicha planta.
3.3.5 Estudio de las pérdidas por transferencia de calor por las
paredes del evaporador
Para el cálculo de las pérdidas se debe tomar en cuenta la transferencia de calor por medio
de las paredes: la convección natural que se produce en el aire exterior a temperatura
ambiente, la convección del vapor de agua dentro de la cámara de evaporación y de
calefacción, además de la transferencia del calor por conducción en la pared misma. Todos
estos mecanismos de transferencia de calor darán origen a un coeficiente global de pérdidas
por transferencia de calor al ambiente tanto en la cámara de calefacción como de
evaporización.
Como se sabe las principales ecuaciones de convección y conducción son en este proceso
son descritos en las ecuaciones (3.26) y (3.27).
qh
h Th
A
qk
T
k k
A
e
(3.26)
(3.27)
donde: qh es el calor transferido por convección, Th la diferencia de temperaturas entre la
superficie y la temperatura del medio, qk es el calor transferido por conducción y
Tk es la diferencia de temperaturas entre las caras interior y exterior del material
en estudio. En este caso trataremos nuestro evaporador como si tuviéramos una
placa plana de grandes dimensiones, Figura 3.5.
Capítulo 3: CONCENTRACIÓN POR EVAPORACIÓN.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
84
Figura 3.5: Esquem a de Evaporador
Al exterior de la pared se produce transferencia de calor por convección natural del aire,
luego en la placa aislante la transferencia es por conducción mientras que en el interior se
forma una capa de condensado sobre las paredes internas del evaporador produciendo una
transferencia de calor por convección (Figura 3.6). El calor transferido de las tres formas
debe ser el mismo como lo describe la ecuación (3.28).
Figura 3.6: Esquem a de las paredes del Evaporador
El calor transferido por unidad de área está dado por:
k
q
h12 T1 T2 23 T2 T3 h34 T3 T4
A
e
(3.28)
Calor transferido
Calor transferido
Calor transferido
Calor total
por conducción en = por convección con
=
=
por
convección
con
transferido
el material de las
el medio interior
el medio exterior
paredes
donde: h12 es el coeficiente de convección del aire, k23 es el coeficiente de conducción del
aislante y h34 es el coeficiente de convección de la capa de condensado formado.
No se tomará en cuenta la conducción en el material interno del evaporador, el cual en la
Capítulo 3: CONCENTRACIÓN POR EVAPORACIÓN.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
85
mayoría de los casos es acero de alta conductividad y por tanto ofrece una resistencia
despreciable en comparación al material aislante.
Operando las ecuaciones en (3.27), obtenemos la siguiente expresión.
q
T1 T4
U T1 T4
A 1 e 1
h12 k23 h34
(3.29)
donde: e representa el espesor de la pared aislante, T1 y T4 representan respectivamente las
temperaturas del aire ambiental y la del vapor dentro de la cámara de calefacción o
de evaporización respectivamente. Las temperaturas T2 representan las
temperaturas de la superficie exterior de la cámara de vaporización o calefacción
según sea el caso y T3 la temperatura del condensado dentro de la cámara, estas
variables no tienen un significado muy directo por ello la expresión (3.29) nos
permite expresar las pérdidas como consecuencia de un gradiente entre el interior
de la cámara y el medio ambiente.
Un tema de importancia es el vapor de los coeficientes de convección de cada fluido, para
el caso del aire la expresión de h12 fue dada por McAdams, quien nos brinda valores
aproximados de la convección libre para el aire, en nuestro caso usamos la expresión en
(3.30) (Solberg 2002).
h12 1.13 t
1/3
1.13 T1 T2
1/3
(3.30)
Este término como se puede ver es negativo, por lo que expresa la pérdida de calor.
El valor analítico del coeficiente de transferencia de calor por convección en condensación
en la superficie de una pared plana, este valor es calculado por la ecuación (3.31) y (3.32).
1/ 4
N NU
g 2 L3
1.13
k t
1/3
(3.31)
0.4
g 2 L3
N NU 1.13
N REr
2
(3.32)
La expresión anterior tiene dos variantes, una expresión usada para flujos turbulentos en el
condensado y otra para flujos laminares, la denominación o uso de una u otra fórmula
radica en el número de Reynolds definido en la ecuación (3.33), la ecuación (3.34) nos
sirve para calcular el coeficiente de transferencia.
N REr
h
h N NU
L t
k
L
(3.33)
(3.34)
Capítulo 3: CONCENTRACIÓN POR EVAPORACIÓN.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
86
El gradiente de temperaturas visto en las ecuaciones (3.29), (3.30) y (3.31), es la diferencia
de temperaturas entre el vapor contenido en la cámara y la capa de condensado.
Si en número de Reynolds definido en la ecuación (3.33) es mayor que 450 el fluido es
considerado turbulento y se usa la expresión en (3.32), si fuera menor es considerado
laminar y la expresión a usar es la ecuación (3.31). Todos los cálculos hechos se realizaron
de manera iterativa, debido a que las expresiones son implícitas lo cual fuerza suponer en
principio que el fluido es laminar o turbulento luego calcular h y N REr y comprobar la
suposición. Con la expresión en (3.29) calculamos los coeficientes de transferencia de calor
globales tanto en la cámara de calefacción U ci k1ci y de vaporización U vi k2 ci de cada
etapa. Las pérdidas se calculan con las siguientes expresiones:
k1ci Tci Tamb
k2 ci Tsati Tamb
En la cámara de calefacción.
(3.35)
En la cámara de evaporización.
(3.36)
Las pérdidas aquí consideradas están puestas en función de tres parámetros principales,
siendo estos variantes en los diferentes evaporadores. Estos parámetros son: El área de
transferencia de calor entre las cámaras y el medio ambiente, el espesor del aislamiento y el
tipo de material aislante caracterizado por su coeficiente de transferencia de calor.
De las expresiones (3.35) y (3.36) se calculan las pérdidas por las paredes y se remplazan
en las ecuaciones de equilibrio de energía de las cámaras de calefacción y evaporación
respectivamente.
Oi1 Hvi 1 Fci hci Pi k1ci Tci Tamb 0
Fi 1hi 1 Fi hi Oi Hvi Pi k2 ci Ti Tamb
d mvi Hvi m ji hi
dt
(3.37)
(3.38)
Con estas dos últimas ecuaciones cerramos el sistema y se resuelve.
3.3.6 Planta en estudio
Para este caso se toman los datos de SUCRAFOR una fábrica al norte de Moroco, en
Germania (Elhaq et.al 1999), bajo las siguientes condiciones de operación:
La solución a concentrar ingresa con un flujo Fo =2651 Kg. /min., a temperatura
To=123°C, una concentración Co =15.2% (º Brix), el caudal de vapor de
alimentación es de 933 Kg. /min.
El líquido y el vapor en el interior del evaporador se encuentran en equilibrio
termoquímico (a una temperatura estable y sin reacciones químicas de por medio),
el valor de la presión en cada evaporador deberá ser tal que se realice un transporte
natural del primer al quinto efecto; por tanto la presión P1 > P5, esto debido a la
presencia del condensador barométrico.
Los parámetros de operación de cada etapa son mostrados en las siguientes tablas:
Capítulo 3: CONCENTRACIÓN POR EVAPORACIÓN.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
Propiedad
87
Vapor
de
calentamiento
Jugo
a
concentrar
Solución
retenida
Vapor
generado
Jugo
concentrado
Tsat 0
T1
Tsat 1
T1
1.73
Retenidos
(16607 kg)
1.73
1.73
O1
F1
-----
-----
C1
Temperatura (ºC)
Presión (bar. Man.)
2.71
123
-----
Flujo (Kg/min)
933
2651
Concentración
(ºBrix)
-----
15.2%
Tabl a 3. 1: Parám et ros de Operación I EFECTO
Jugo
a
concentrar
Solución
retenida
Vapor
generado
Jugo
concentrado
Tsat 1
T1
T2
Tsat 2
T2
1.73
-----
0.75
0.75
0.75
Flujo (Kg/min)
O1
F1
Retenidos
(19523 kg)
O2
F2
Concentración
(ºBrix)
-----
C1
-----
-----
C2
Propiedad
Temperatura (ºC)
Presión
(bar.
Man.)
Vapor
calentamiento
de
Tabla 3.2: Parám et ros de Operación I I EFECTO
de
Vapor
calentamiento
Jugo
a
concentrar
Solución
retenida
Vapor
generado
Jugo
concentrado
Tsat 2
T2
T3
Tsat 3
T3
0.75
-----
0.15
0.15
0.15
Flujo (Kg/min)
O2
F2
Retenidos
(16575 kg)
O3
F3
Concentración
(ºBrix)
-----
C2
-----
-----
C3
Propiedad
Temperatura (ºC)
Presión
(bar.
Man.)
Tabla 3.3: Parám et ros de Operación I I I EFECTO
Propiedad
Temperatura (ºC)
Presión (bar. Man.)
de
Vapor
calentamiento
Jugo
a
concentrar
Solución
retenida
Vapor
generado
Jugo
concentrado
Tsat 3
T3
T4
Tsat 4
T4
0.15
-----
-0.14
-0.14
O4
F4
-----
C4
Flujo (Kg/min)
3
O
F3
-0.14
Retenidos
(16936 kg)
Concentración
(ºBrix)
-----
C3
-----
Tabl a 3. 4: Parám et ros de Operación I V EFECTO
Propiedad
Vapor
de
calentamiento
Jugo
a
concentrar
Solución
retenida
Vapor
generado
Jugo
concentrado
Temperatura (ºC)
Presión (bar. Man.)
Tsat 4
T4
T5
Tsat 5
T5
-0.14
-----
-0.7
-0.7
Flujo (Kg/min)
O4
F4
-0.7
Retenidos
(6542 kg)
O5
F5
Concentración
(ºBrix)
-----
C4
-----
-----
C5
Tabl a 3.5: Parám et ros de Operación V EFECTO
Capítulo 3: CONCENTRACIÓN POR EVAPORACIÓN.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
88
Para una primera comprobación de nuestro modelo consideramos todas las variaciones
respecto del tiempo igual a cero con lo obtenemos lo siguiente como resolución del modelo
estático:
m j1 16607 kg
S O0 933
O1
708
T0 140
T1 133
P0 2,7
P1 1,73
F2 1065
m j 2 19523 kg
O2
775
T2 116
P2 0,75
C3 56,40%
F3 783
m j 3 16575 kg
O3
315
T3 104
P3 0,15
C4 61,20%
F4 678
m j 4 16936 kg
O4
97
T4 93
P4 -0,14
C5 66,85%
F5 622
m j 5 6542
O5
63
T5 80
P5 -0,7
C0 15,20%
C1 22,50%
F0 2651
F1 1901
C2 42,70%
kg
Tabl a 3.6: Parám et r os Result ant es d el Mod elo Est át ico ( Fluj os en Kg/ m i n; Tem per a t ura e n º C,
pre sión e n bar )
Con estos datos podemos empezar el modelo dinámico bajo las siguientes
recomendaciones:
La derivada de masa de vapor generado podría considerarse despreciable en
comparación la del jugo.
Para la modelación de las pérdidas entre la cámara de vaporización y el ambiente y
pérdidas entre la cámara de calefacción y ambiente, podemos considerar un
repartición de 50% del total a cada una esto porque si bien es cierto la temperatura
del vapor es mayor que la del jugo el área de transferencia entre la cámara de
evaporación y el ambiente es mayor.
3.4 Comportamiento del Proceso en un Simulador
Para las simulaciones del modelo descrito, podemos variar los argumentos de entrada; esto
para ver la influencia que tienen sobre la salida del sistema. El programa en SIMULINK
está adaptado para el ingreso de variables reales de datos muestreados en un proceso real,
estos datos pueden ser proporcionados al simulador para ser procesado y ver cómo
reaccionaría un proceso real para tales entradas.
3.4.1 Simulaciones a lazo abierto del proceso de evaporación
Para las simulaciones tomaremos en cuenta un proceso de cinco etapas y
estudiaremos
la concentración de salida de la última etapa bajo la influencia de las diferentes variables.
De aquí en adelante todas las pruebas y estudio se realizarán alrededor de unos valores
nominales dados en la Tabla 3.7.
Parámetro
Concentración de ingreso
Temperatura de ingreso de jugo
Flujo de jugo de alimentación
Flujo de vapor de alimentación
Concentración a la salida
Valor
15,2
123
2651
933
66,85
Unidades
ºbrix
ºC
kg/min
kg/min
ºBrix
Tabla 3.7: Valores nom inales de opera ción
Capítulo 3: CONCENTRACIÓN POR EVAPORACIÓN.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
89
3.4.2 Respuesta del proceso frente a variaciones en el flujo del vapor
de calentamiento
Para este ensayo la señal de entrada contemplará variaciones posibles dentro de los rangos
permisibles del flujo de vapor establecidos, es decir entre 800 kg/min y 980 kg/min, para
este caso consideraremos una señal con un incremento en el valor nominal de un 0.6% en la
señal de control como se muestra en la Figura 3.7(a). En la Figura 3.7(b) podemos observar
la reacción del proceso, un aumento del 2.35% en el valor de la concentración de la salida,
por tanto la ganancia observada es positiva y tiene un valor de 0.00421ºbrix/kg/min. La
constante de tiempo para este caso es de 30 min. En la industria se usa esta variable como
la variable manipulable para controlar el proceso.
Entrada escalón
Flujo de vapor de
alim entación (kg/min)
939
938
937
936
935
934
933
1950
2000
2050
2100
2050
2100
(a) Tiempo (min)
Respuesta a escalón
Concentración
a la salida (°brix)
0.685
0.68
0.675
0.67
0.665
0.66
1950
2000
(b) Tiempo (min)
Figura 3.7: ( a) Ent rada escalón posit ivo, ( b) Respuest a del sim ulador
Entrada escalón
Flujo de vapor de
alimentación (kg/min)
933
932
931
930
929
928
927
1950
2000
2050
2100
2050
2100
(a) Tiempo (min)
Respuesta del simulador
Concentración a
la salida (ºbirx)
0.665
0.66
0.655
0.65
0.645
1950
2000
(b) Tiempo (min)
Figura 3.8: ( a) Ent rada escalón negat ivo, ( b) Respuest a del sim ulador
Capítulo 3: CONCENTRACIÓN POR EVAPORACIÓN.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
90
En la Figura 3.8(a) se observa la aplicación de un escalón negativo en el flujo de vapor de
un valor del 0.6% del valor nominal. La respuesta al escalón aplicado se muestra en la
Figura 3.8(b), se observa una ganancia negativa en la concentración a la salida del proceso
de -1,5%, estos valores muestran una ganancia positiva del proceso ante este tipo de
excitación de un valor de 0.00267 ºbrix/kg/min. En este caso el tiempo de establecimiento
es de 30 min.
En la Tabla 3.8 se observa cómo influye el parámetro flujo de vapor en la variable de salida,
podemos observar que los incrementos uniformes del flujo de vapor producen incrementos
en no uniformes en la concentración a la salida, esto muestra el comportamiento no lineal
del sistema respecto a esta variable. En la Figura 3.7 y en la Figura 3.8 podemos ver a
detalle la particular forma de S de la respuesta, esta transición se debe a la dinámica de
niveles y transferencias de calor.
Flujo de vapor de
º Brix
calentamiento
(kg/min)
910.6
60.47%
916.2
61.79%
921.8
63.17%
927.4
64.61%
933
66.85%
938.6
67.67%
Aumento del flujo de Aumento de
vapor
concentración
-2.4%
-1.8%
-1.2%
-0.6%
0.00%
0.6%
la
-8.57%
-6.57%
-4.49%
-2.31%
0.00%
2.31%
Tabla 3.8: Efect o del fluj o de vapor en la Concent ración a la salida, con respect o al fluj o nom inal
3.4.3 Respuesta del proceso frente a variaciones en la concentración
del jugo de caña a la entrada del proceso de evaporación.
En la Figura 3.9(a), se observa la aplicación de un escalón positivo, de 3% del valor
nominal, en la concentración del jugo de alimentación, la respuesta a esta excitación se
observa en la Figura 3.9(b), donde la concentración a la salida logra un aumento de 2,82%,
con una constante de tiempo de 42 min. Lo observado lleva a la conclusión de una ganancia
positiva respecto a la concentración de entrada. En la industria azucarera es muy frecuente
este tipo de variaciones debido a no uniformidad de la caña en al molienda.
La Figura 3.10(a) muestra una señal escalón como excitación del proceso, con una
variación de -3%, provocando una repuesta del simulador mostrada en la Figura 3.10(b),
desarrollando una variación de -2,84%, como se puede observar la ganancia resulta positiva
también en este caso. El tiempo de establecimiento en este caso es de 42 min.
En la Tabla 3.9 se observa la influencia de la concentración del jugo de alimentación a la
entrada, una variación uniforme en éste provoca una variación uniforme en la
concentración de salida por tanto la ganancia del sistema respecto a esta variable es
constante y positiva.
Capítulo 3: CONCENTRACIÓN POR EVAPORACIÓN.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
91
Entrada escalón
C o nc entración a
la e n trada (ºbrix)
0.158
0.157
0.156
0.155
0.154
0.153
0.152
1950
2000
2050
2100
2050
2100
(a) Tiempo (min)
Respuesta del simulador
0.695
C on centración a
la s alida (ºbrix)
0.69
0.685
0.68
0.675
0.67
0.665
1950
2000
(b) Tiempo (min)
Figura 3.9: ( a) Ent rada escalón posit ivo, ( b) Respuest a del sim ulador
Entrada escalón
0.153
C oncentración a
la entrada (ºbrix)
0.152
0.151
0.15
0.149
0.148
0.147
1950
2000
2050
2100
2050
2100
(a) Tiempo (min)
Respuesta del simulador
0.675
C oncentración a
la salida (ºbrix)
0.67
0.665
0.66
0.655
0.65
0.645
1950
2000
(b) Tiempo (min)
Figura 3.10: ( a) Ent rada escalón negat ivo, ( b) Respuest a del sim ulador
Brix a la
entrada
13.83%
14.29%
14.74%
15.20%
15.66%
16.11%
16.57%
17.02%
º Brix
61.07%
63.01%
66.94%
66.85%
68.73%
70.64%
72.52%
74.37%
Aumento de los brix
de la entrada
-9%
-6%
-3%
0.00%
3%
6%
9%
12%
Aumento de la
concentración
-8,4%
-5.6%
-2.8%
0.00%
2,8%
5.6%
8,4%
11.2%
Tabla 3.9: Efect o de la concent ración de ent rada en la concent ración a la salida, con respect o a
la concent ración nom inal
Capítulo 3: CONCENTRACIÓN POR EVAPORACIÓN.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
92
3.4.4 Respuesta del proceso frente a variaciones en el flujo del jugo de
caña a la entrada del proceso de evaporación.
Este ensayo corresponde a la variación del flujo del jugo de caña a la entrada del proceso
de evaporación, de acuerdo a la señal mostrada en la Figura 3.11(a).
La Figura 3.11(b) presenta la respuesta del proceso de evaporación frente a variaciones en
el flujo del jugo de caña, en el gráfico se observa que un aumento del 0.5% en el jugo de
alimentación produce una disminución del 1.63% en la concentración a la salida del
proceso; por tanto que tenemos una ganancia negativa respecto a esta variable con una
constante de tiempo de 30 min. En la industria azucarera esta variación es causada por
irregularidades en la alimentación de los molinos.
Entrada escalón
Flujo de jugo
de alim entación (kg/m in)
2665
2660
2655
2650
1950
2000
2050
2100
2050
2100
(a) Tiempo (min)
Respuesta del simulador
0.67
C oncentración a
la salida (ºbrix)
0.665
0.66
0.655
1950
2000
Figura 3.11: ( a) Ent rada escalón negat ivo, ( b) Respuest a del sim ulador
Entrada escalón
Flujo de jugo
de alim entación (kg/m in)
2655
2650
2645
2640
2635
1950
2000
2050
2100
2050
2100
(a) Tiempo (min)
Respuesta del simulador
0.682
C oncentrac ión a
la salida (º brix)
0.68
0.678
0.676
0.674
0.672
0.67
0.668
1950
2000
Figura 3.12: ( a) Ent rada escalón negat ivo, ( b) Respuest a del sim ulador
Capítulo 3: CONCENTRACIÓN POR EVAPORACIÓN.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
93
Un segundo ensayo, mostrado en la Figura 3.12(a), en esta variable manipulable se realiza
con un escalón negativo de una variación del 0.5%; esto produce aumento del 1.69% en la
concentración a la salida del proceso, Figura 3.12(b); por tanto que tenemos una ganancia
negativa respecto a esta variable con una constante de tiempo de 30 min.
En la Tabla 3.10 podemos ver cómo es que la ganancia del proceso respecto a variaciones
en el flujo de jugo de alimentación es negativa. Se observa que una variación uniforme en
el flujo de jugo de alimentación produce variaciones no uniformes en la concentración a la
salida, esto expresa el comportamiento no lineal del proceso frente a esta variable.
Flujo de jugo a la
entrada
ºBrix
Aumento del flujo en la
entrada
Aumento de la
concentración
2611
2624
2638
2651
2664
2678
2691
2704
70.39%
69.15%
67.97%
66.85%
65.76%
64.71%
63.71%
62.74%
-1.5%
-1.0%
-0.5%
0.00%
0.5%
1.0%
1.5%
2.0%
5.17%
3.35%
1.63%
0.00%
-1.59%
-3.12%
-4.59%
-6.0%
Tabla 3.10: Efect o del fluj o de j ugo en la ent rada en la concent ración a la salida, respect o al
fluj o nom inal
3.4.5 Análisis de la sensibilidad
El estudio de la sensibilidad está relacionado al grado de variación de la variable de salida
respecto a una variación de alguna variable de entrada de forma aislada, en este caso
consideraremos tres principales variables de entrada: el flujo de vapor de alimentación,
flujo de jugo de alimentación y concentración del flujo de jugo de alimentación; todas
inciden sobre la variable de salida: concentración del jugo de salida en la quinta etapa.
La Tabla 3.11 muestra un incremento de las diferentes variables alrededor de su punto
nominal de funcionamiento (0% de incremento), y nos muestra el valor de la variable de
salida ante este incremento.
Flujo vapor de alimentación
Flujo jugo alimentación
Concentración de entrada
Variación
porcentual
Flujo de vapor
Concentración
Flujo de jugo
a la salida
Concentración Concentración Concentración
a la salida
a la entrada
a la salida
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
839.7
858.36
877.02
895.68
914.34
933
951.66
970.32
988.98
0.47422868
0.50337908
0.53663492
0.57491349
0.61914725
0.67022762
0.72894889
0.79595202
0.87166851
1.00000000
0.9178365
0.84095225
0.77491231
0.71831373
0.67022762
0.62837853
0.59278571
0.56212184
2385.9
2438.92
2491.94
2544.96
2597.98
2651
2704.02
2757.04
2810.06
0.1368
0.13984
0.14288
0.14592
0.14896
0.152
0.15504
0.15808
0.16112
0.60540981
0.61853167
0.63157438
0.64453794
0.65742235
0.67022762
0.68295374
0.69560072
0.70816854
Tabla 3.11: I ncrem ent os de las diferent es variables y valor de la de salida
Capítulo 3: CONCENTRACIÓN POR EVAPORACIÓN.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
94
En la Tabla 3.12 podemos ver como el incremento de las diferentes variables en una misma
proporción respecto a su punto nominal de funcionamiento generan una ganancia distinta,
es decir algunas tienen mayor influencia que otras respecto a un incremento porcentual
similar. Pero respecto a un incremento unitario la cosa varía drásticamente, es decir es
mayor la influencia de un aumento o degradación de un ºBrix en la entrada que de un
Kg/min de vapor o jugo.
Flujo vapor de
alimentación
Flujo jugo alimentación
Concentración de entrada
Porcentaje
respecto al
nominal
Variación de la
concentración
de salida
Ganancia
Variación de la
concentración
de salida
Ganancia
Variación de la
concentración
de salida
Ganancia
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
-29.2436381
-24.8943097
-19.9324377
-14.2211581
-7.62134723
0
8.7613921
18.7584628
0.00156219
0.0017822
0.00205137
0.00237051
0.00273743
0.00314691
0.00359074
0.00405769
50.2590952
36.943998
25.4726338
15.619274
7.17459375
0
-6.24401096
-11.554568
-0.00168317
-0.0014501
-0.00124557
-0.00106749
-0.00090694
-0.00078931
-0.00067131
-0.00057835
-9.67101425
-7.71319348
-5.76718167
-3.83297882
-1.91058493
0
1.89877597
3.78574298
4.31639986
4.29036469
4.26432952
4.23829435
4.21225918
4.18622402
4.16018885
4.13415368
Tabla 3.12: I ncrem ent os unit arios de las diferent es variables y valor de la de salida
La Figura 3.13 y la Figura 3.14 muestran claramente que las dos variables de mayor
influencia respecto a su punto nominal de funcionamiento son los flujos de vapor de
alimentación y de jugo de alimentación.
Sensibilidad
0.8
Concentración a la salida (ºbrix)
0.75
Concentración a la entrada
Flujo de vapor de alimentación
Flujo de jugo de alimentación
0.7
0.65
0.6
0.55
0.5
0.45
0.4
0.35
-25
-20
-15
-10
-5
0
5
10
15
20
25
Variación porcentual de la variable manipulable respecto de su valor nominal
Figura 3.13: Variación de la concent ración de salida respect o a las variables m anipulables
Capítulo 3: CONCENTRACIÓN POR EVAPORACIÓN.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
95
Sensibilidad porcentual
30
Variación porcentual de la concetración a la salida
20
Concentración de entrada
Flujo de vapor de alimentación
Flujo de jugo de alimentación
10
0
-10
-20
-30
-40
-50
-60
-25
-20
-15
-10
-5
0
5
10
15
20
25
Variación porcentual de la variable manipulable respecto a su valor nominal
Figura 3.14: Variación porcent ual de la concent ración de salida respect o a las variables
m anipulables
Referencias Bibliográficas
[1]
[2]
Belhadj, M., & Vandoolaeghe, F. X. (1993). Regulation avanc´e multivariable
d'un evaporateur de sucrerie. Revue G_en_erale d'Electricit _e, 11, 17-21.
Cadet C, Y. Tourea, G. Gilles a, J.P. Chabriat b, Knowledge modeling and
nonlinear predictive control of evaporators in cane sugar production plants”,
Journal of Food Engineering 40 (1999) 59-70.
[3]
Gomolka, W. (1985). "Contribution a l' etude de l'analyse dynamique, de la
simulation et de l'automatisation d'un procede d' evaporation a multiples efets" ,
Doctoral Thesis, Ecole Centrale des Arts et Manufactures, Paris.
[4] Elhaq S. Lissane, F. Giri, H. Unbehauen, Modelling, identification and control of
sugar evaporation theoretical design and experimental evaluation, Control
Engineering Practice 7 (1999) 931-942
[5] Hugot, E. (1986). "Handbook of cane sugar engineering” (3rd ed.)., Oxford:
Elsevier.
[6] Montaner y Simon ,Manual de azúcar de caña, para fabricantes de azúcar y
químicos especializados, traducido por: Mario G. Menocal. Por. S.A. Barcelona
1967.
[7] Rousset, F., Saincir, Y., & Daclin, M. (1989a). "Automatic process control of
multiple-efect evaporation" (Part I). Zuckerind, 114(4), 323-328.
[8] Rousset, F., Saincir, Y., & Daclin, M. (1989b). "Automatic process control of
multiple-efect evaporation" (Part II). Zuckerind, 114(4), 470-476.
[9] Solberg David Timothy Online heat transfer measurement and analysis for sugar
mill evaporators, B.S., University of Natal, Durban, South Africa, 2002.
[10] Testud, J. L., & Rankowski, O. (1989). Commande predictive multivariable d´un
atelier d´evaporation en industrie sucriére. Industries Alimentaires et Agricoles
Capítulo 3: CONCENTRACIÓN POR EVAPORACIÓN.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
96
(pp. 629-639). July-August 1989.
[11] Tonelli, S., Romagnoli, J.A. Porras, J.A. (1990), "Computer package for transient
analysis of industrial multiple effect evaporators", Journal of Food Engineering,
12, 267-281
[12] Villar, E., Prada, C., & Perez-Corral, J. M. (1993). "Simulación dinámica de la
estación de evaporación de una industria azucarera". "Informática y Automática,
26(2), 11-21.
[13] Wilson, A., Prada, C., & Vega, P. (1993). "Simulated predictive control of an
industrial process”. Proceedings of the 25th Summer Computer Simulation
Conference (pp. 813-818). Boston.
Capítulo 3: CONCENTRACIÓN POR EVAPORACIÓN.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
97
Capítulo 4: CRISTALIZADORES DE AZÚCAR POR
EVAPORACIÓN AL VACÍO.
Rogelio Mazaeda Echevarría
César de Prada Moraga
Universidad de Valladolid, España
4.1 Introducción.
Los cristalizadores constituyen una de las unidades industriales más importantes en el
proceso de fabricación del azúcar y es la de mayor significación en el último departamento
de la fábrica el llamado Cuarto de Azúcar: una sección que recibe el jarabe de sacarosa,
convenientemente purificado y concentrado para entregar el producto comercial
fundamental de la fábrica: el azúcar blanco (Mazaeda, 2009), (Van der Poel, Schiweck y
Schwartz, 1998). La última sección de la fábrica también entrega como subproducto la
llamada melaza un jarabe que contiene la casi totalidad de las impurezas introducidas en el
departamento pero también aquella proporción de sacarosa que no ha podido ser
cristalizada de manera económicamente eficiente en las condiciones tecnológicas existentes.
Todas las unidades de cristalización realizan evidentemente la misma función básica: el
crecimiento de los cristales de azúcar a partir de la migración de las moléculas de sacarosa
desde la solución hacia la superficie de los primeros cuando dentro del equipo se crean
condiciones termodinámicas que hacen inevitables dicho tránsito. Ahora bien, dentro de la
topología del Cuarto de Azúcar, Figura 4.1, los cristalizadores cumplen dos roles bien
diferenciados: pueden ser utilizados en la etapa de fabricación del azúcar comercial o en las
etapas siguientes de agotamiento. En el primer caso, el énfasis se pone en lograr unas
características de calidad adecuadas de la población de cristales, mientras que en el segundo,
el proceso de cristalización es más bien entendido como un proceso de separación para
recuperar el máximo de sacarosa posible extrayéndola de las mieles alimentadas a la unidad.
En la topología de tres etapas, la más empleada en las fábricas actuales, se tiene una
primera fase de producción de azúcar comercial y dos etapas sucesivas de agotamiento. Los
cristalizadores o tachas que conforman la primera etapa A son alimentados con un llamado
licor estándar constituido en primer lugar por el jarabe proveniente de los evaporadores,
enriquecido con el aporte del azúcar que ha sido previamente recuperado en las etapas de
agotamiento.
El resultado de las tachas de primera es la masa cocida, una suspensión muy concentrada de
los granos de azúcar que han crecido durante el procesamiento del lote, que se encuentran
embebidos en la llamada miel madre, constituida por los remanentes de sacarosa y la casi
totalidad de las impurezas aportadas por el licor de alimentación y que permanecen
disueltas en agua.
La masa cocida es alimentada a una batería de centrifugas, que también operan en régimen
batch, donde se lleva a cabo la separación de los granos de azúcar de la miel madre que los
contiene. Requerimientos de calidad del azúcar blanco exigen que en determinado
momento durante la operación de las centrífugas se introduzca agua en las turbinas para
expulsar la casi totalidad de la miel madre que pudiera quedar adherida a la superficie de
los cristales y que no puede ser separada apelando exclusivamente a la fuerza centrífuga.
Capítulo 4: CRISTALIZADORES DE AZÚCAR POR EVAPORACIÓN AL VACÍO.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
98
Debido a esta característica de operación, las centrífugas entonces entregan en adición al
producto de interés comercial directo, dos tipos de mieles: en los primeros instantes del
proceso del lote la llamada miel pobre, básicamente la miel madre original de la masa, pero
posteriormente la llamada miel rica de mayor pureza puesto que contiene el aporte del
azúcar que ha sido inevitablemente redisuelto a partir de la introducción del agua.
Figura 4.1: Topología del Cuart o de Azúcar
La miel rica es reciclada en la propia primera etapa contribuyendo a la formación del licor
estándar de alimentación de las tachas A, mientras que la miel pobre, de pureza
significativamente inferior pero todavía con demasiada sacarosa aprovechable continuará su
procesamiento en las etapas siguiente de agotamiento.
En la media en que las mieles avanzan de etapa en etapa, la pureza de los licores de
alimentación a los cristalizadores correspondientes disminuyen en pureza y este hecho
Capítulo 4: CRISTALIZADORES DE AZÚCAR POR EVAPORACIÓN AL VACÍO.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
99
dificulta notablemente el proceso de cristalización por las razones que se detallarán
posteriormente. Esta dificultad se expresa en la ralentización del ritmo de crecimiento de
los cristales por una parte y en la necesidad de trabajar con masas cada vez más viscosas
por la otra. Esta última característica hace que sea cada vez más difícil el trabajar con
equipos de procesamiento por lote: en la etapa B por ejemplo todavía es posible utilizar
tachas batch aunque las centrifugas ya suelen ser continuas; pero ya en la etapa C el grueso
del proceso de agotamiento se lleva a cabo en cristalizadores que trabajan en régimen
estacionario.
Como se discutirá más adelante, las condiciones necesarias para que se produzca la
cristalización de la sacarosa se pueden crear o bien por enfriamiento de la masa o bien
eliminando la cantidad suficiente del disolvente agua mediante evaporación. Ambos
procedimientos son utilizados en los cristalizadores comerciales de azúcar. Las tachas de
procesamiento por lotes que conforman las tres etapas descritas utilizan típicamente el
mecanismo de la evaporación. También existen tachas de funcionamiento continuo por
evaporación frecuentemente situadas en la tercera etapa.
En este capítulo se describirán los cristalizadores por evaporación tanto del tipo batch como
estacionario. En todos los casos el proceso de eliminación de agua por evaporación se
realiza a presiones inferiores a la atmosférica entre los 100-300 mbar. De esta forma la
ebullición se logra a temperaturas inferiores de la masa en torno a los 75-80 ºC evitando
que se produzca el proceso degradación térmica conocido como caramelización que
perjudicaría de manera intolerable la calidad del producto final.
4.2 La cristalización de la sacarosa.
La fuerza motriz detrás del fenómeno de la cristalización es la diferencia de potencial
químico que existe entre el estado sobre-saturado de la solución y su estado exactamente
saturado. Por simplicidad, en lugar de la diferencia de potencial químico, se suele tomar la
diferencia de concentraciones entre el estado sobre-saturado y el estado saturado, como la
fuerza que impulsa el fenómeno de la formación y crecimiento de los cristales.
s
c
c sat
s 1
(4.1)
(4.2)
En (1) c, es la concentración de sacarosa en la solución, csat, es la concentración de la
misma en el caso de una solución exactamente saturada, por lo que da cuenta de la
solubilidad de dicha sustancia en las condiciones de temperatura dadas. También se suele
utilizar la sobre-saturación en exceso (σ), definida en (2).
El coeficiente de sobre-saturación (s) ha de ser mayor que la unidad para que se produzca
la aparición de nuevos cristales o el crecimiento de los ya existentes. En el caso de que las
condiciones de la solución sean tales que s sea inferior a uno, (valores de σ negativos), no
sólo no podría ocurrir la cristalización, sino que por el contrario, se produciría la disolución
de los cristales que pudieran existir previamente en la mezcla.
En la Figura 4.2 se muestra una curva típica de solubilidad que muestra la dependencia que
la misma tiene con la temperatura. Para la zona sobre-saturada (concentraciones por encima
Capítulo 4: CRISTALIZADORES DE AZÚCAR POR EVAPORACIÓN AL VACÍO.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
100
Concentración
de c*) es habitual distinguir dos regiones más o menos bien definidas: la zona meta-estable
y la zona lábil. En la primera, para valores moderados de 0 < σ < σ*, ocurre el crecimiento
de posibles cristales ya existentes, pero la probabilidad de surgimiento de nuevos cristales
es mínima. Para valores lo suficientemente altos de la sobresaturación se puede llegar a la
llamada zona lábil, donde además de producirse el crecimiento de los ya existentes,
aumenta de manera considerable la probabilidad de que se formen cristales nuevos,
directamente a partir de la solución mediante un proceso conocido como de nucleación
espontánea.
Zona
Metaestable
Región Lábil
Evaporación
Región
Infrasaturada
Enfriamiento
Línea de solubilidad: c*
Temperatura
Figura 4.2: Curva de solubilidad
También se puede mencionar la existencia de una zona intermedia, entre las zonas metaestables y lábiles, en la cual si bien no se crearían de forma espontánea núcleos nuevos en
una solución libre de la existencia previa de cristales, si aumentaría la probabilidad de
nucleación en una masa que ya los contuviera.
Se puede analizar a partir de la curva de solubilidad, que se podría hacer para lograr el
imprescindible nivel de sobre-saturación partiendo de una solución infra-saturada. En
primer lugar, se puede aumentar la concentración de la sustancia a cristalizar mediante la
evaporación de las cantidades apropiadas de solvente. Pero también se podría lograr un
efecto similar reduciendo la temperatura de la mezcla, aprovechando en este segundo caso
la dependencia de la solubilidad con respecto a la temperatura.
En el sector azucarero se prefiere representar la sobresaturación según la expresión (4.3) en
la que las concentraciones pertinentes se expresan como la razón de la masa de sacarosa
existente entre la masa de disolvente.
s
q sac / W
q sac / W ,sat , p
(4.3)
Capítulo 4: CRISTALIZADORES DE AZÚCAR POR EVAPORACIÓN AL VACÍO.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
101
La concentración de sacarosa que define la solubilidad en una solución pura de sacarosa
depende de forma conocida de la temperatura (Bubnik y Kadlec, 1984).
qsac / W ,sat , p coef _ sol (T )
(4.4)
Pero las soluciones industriales no son soluciones puras de sacarosa y agua, puesto que
inevitablemente contienen disueltas muchas otras sustancias orgánicas e inorgánicas a las
que se hace referencia, de manera colectiva, como impurezas o no azúcares.
El origen de estas impurezas en el proceso azucarero, también conocidas como no-azúcares,
está en todas aquellas sustancias presentes en la composición de la materia prima que han
sido extraídas junto con la sacarosa. Muchas de estas impurezas son eliminadas en la etapa
de purificación pero otras siguen su marcha hasta el Cuarto de Azúcar, comprometiendo, de
la forma en que se explicará más adelante, el proceso de cristalización.
El concepto de impurezas resulta cómodo, puesto que permite resumir en un solo parámetro,
el impacto de la presencia de muchas diversas sustancias contaminantes. No se debe perder
de vista, sin embargo, el hecho de que se trata de una etiqueta conveniente para hacer
referencia en realidad a ese conjunto de sustancias que lo único que tienen en común es el
hecho de no ser sacarosa ni agua.
En presencia de impurezas el cálculo de la sobresaturación se vería modificado tal como se
muestra en (5).
s
q sac / W
q sac / W ,sat , p y sat
(4.5)
donde: ysat es el coeficiente de saturación que se concibe como un factor que describe la
alteración de la solubilidad de la mezcla debida a la presencia de no azúcares.
Ahora bien, el grado exacto de influencia de las impurezas sobre la solubilidad depende de
la composición precisa de las sustancias contaminantes presentes, siendo esta es una
característica propia de cada región azucarera, en incluso de cada fábrica en concreto, y que
puede además variar de campaña en campaña. Se han realizado muchos estudios tratando
de evaluar el coeficiente de saturación, pero los datos obtenidos por Grut (1936/37) se
consideran como los más representativos. La expresión empírica (4.6), conocida como
fórmula de Wiklund-Vavrinecz, puede utilizarse, con las precauciones de rigor, para
predecir el coeficiente de saturación en dependencia de la concentración global de
impurezas, que es expresada como la razón de la masa de no-azúcares a la masa de agua
(qns/w) siempre que se hayan ajustado los coeficientes A, B y C para el caso concreto
analizado.
y sat A qns / W B 1 B expC qns / W
(4.6)
Existe un celebrado procedimiento de estimación de los coeficientes de ajuste susceptible
de ser llevado a cabo en las condiciones industriales, debido a Wagneowski, Dabrowska y
Dabrowski, (1962).
Capítulo 4: CRISTALIZADORES DE AZÚCAR POR EVAPORACIÓN AL VACÍO.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
102
NS/W
Figura 4.3: Dependencia de la solubilidad con la t em perat ura con la concent ración de im purezas
com o parám et ro
En la Figura 4.3 se puede observar el efecto de un aumento de la concentración de
impurezas sobre la curva de solubilidad versus temperatura de la sacarosa. En general, una
mayor presencia de sustancias contaminantes desplaza la curva de solubilidad hacia
mayores valores de concentración de sacarosa y este hecho implica una dificultad cada vez
mayor para crear las condiciones de sobresaturación necesarias para el crecimiento de los
cristales.
4.3 Crecimiento de los cristales
Pero la sobre-saturación existente no sólo es importante como condición necesaria para la
ocurrencia de la cristalización, sino que es uno de los factores, aunque no el único, que
determina la velocidad de ocurrencia del fenómeno. Para comprender mejor las cuestiones
relativas a la cinética del proceso de cristalización de la sacarosa resulta útil el
conocimiento de algún modelo conceptual que explique el proceso.
Entre los varios modelos complementarios existentes que intentan explicar el proceso
(Kossel, 1934), (Vollmer, 1939), Burton, Cabrera y Frank, (1951), uno de los más sencillos
es el modelo de dos pasos o de difusión-reacción (Noyes y Whitney, 1897), (Nernst, 1904),
(Berthoud, 1912) (Valeton, 1924).
Según esta teoría (Mullin, 2001), la cristalización se produce como la combinación en serie
de dos pasos: uno primero de migración de la unidad de crecimiento desde el grueso de la
solución hacia las inmediaciones de la superficie del cristal y uno posterior de
incorporación de la misma a la estructura cristalina. En este marco, el paso que ocurra a
ritmo menor determina la velocidad total de proceso. El paso de difusión ocurre
fundamentalmente a través de una fina capa inmóvil de ancho δ que rodea el cristal y
resulta impulsado por la diferencia de concentración entre la solución (c) y la existente en la
inmediata vecindad de la superficie y que es desconocida (ci):
Rg
1 dmcris
D
k d c ci c ci
Acris dt
(4.7)
En (7) se tiene la conocida ley de Fick en la que el ritmo de transferencia de masa por
unidad de superficie del cristal (Rg en kg/s.m2) depende de la mencionada diferencia de
concentraciones (kg/m3) y del coeficiente de transferencia de masa (kd) en m/s. Este último
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
103
a su vez se define como la razón entre el coeficiente de difusión (D) en m2/s y el ancho de
la capa a través de la cual ocurre el proceso: δ (m).
cristal
capa
de difusión
grueso de
la solución
c
c-ci
ci
δ
ci-c*
difusión
integración en
la superficie
c*
interfaz cristalsolución
Figura 4.4: Modelo de difusión- reacción del crecim ient o de los crist ales
El paso de integración en la superficie, por su parte, es más complejo y a su vez puede
subdividirse en otras tantas sub-etapas, por ejemplo: difusión de la unidad de crecimiento
sobre la superficie del cristal hasta encontrar un llamado centro activo, e integración de la
misma en el sitio correspondiente de la estructura del cristal. Este complejo proceso, sin
embargo, se suele representar mediante una expresión del tipo:
Rg
1 dmcris
k r ci c *r
Acris dt
(4.8)
donde kr es el coeficiente del paso de integración a la superficie, que depende de la
temperatura, c* es la concentración en la superficie del cristal, considerada igual a la
solubilidad y por tanto conocida y r el orden del paso de reacción que es en general
diferente de la unidad.
El valor del coeficiente de transferencia de masa global kt dependerá entonces del la
combinación de los coeficientes de ambos pasos. En el caso, por ejemplo, de que kr sea
muy grande, el paso decisivo será el de difusión, y en esas condiciones una vigorosa
agitación de la mezcla al reducir la capa límite (δ) aumentará el ritmo de cristalización.
Pero este fomento del ritmo de la cristalización mediante la agitación no ocurrirá
indefinidamente, sino sólo hasta el punto en que kd crezca tanto que se vuelva comparable
con kr. En el caso de cristalización controlada por la difusión, la viscosidad de la solución
juega un papel decisivo a través de su influencia en el coeficiente de difusión D,
evidenciado por la conocida relación de Stokes-Einstein.
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104
Ahora bien tanto kd como kr dependen de la temperatura, de manera que la condición de
paso dominante puede cambiar en dependencia de esta última variable.
Las impurezas, inevitables en los procesos prácticos de cristalización, influyen
negativamente sobre el ritmo del proceso. Afectan ambos pasos: en el paso de integración
en la superficie interfieren directamente con la incorporación de la unidad de crecimiento
en el patrón cristalino. En cuanto al paso de difusión, su impacto viene dado a través de su
influencia en la sobre-saturación: ahora para lograr similares niveles de sobre-saturación se
requiere concentrar más la solución, puesto que la presencia de impurezas aumenta la
solubilidad, pero este aumento de la concentración lleva directamente a un aumento de la
viscosidad y por tanto una disminución del coeficiente de transferencia de masa.
Existen en la literatura especializada muchos resultados experimentales sobre el
crecimiento de los cristales de sacarosa así como modelos específicos desarrollados para
describir los mismos. En este sentido se pueden consultar por ejemplo, los trabajos debidos
a Kucharenko y Rozovsky (1925), Smithe (1971), Van Hook (1997), Bubnik y Kadlec
(1984), Ekelhof y Schliephake (1995).
4.4 Nucleación
Se cree que la nucleación ocurre en regiones de alta sobre-saturación local cuando un
conjunto de moléculas del soluto se reúnen y su número es tal, que este embrión inicial
vence la tendencia a re-disolverse del conjunto y forma un núcleo estable con capacidad de
seguir creciendo por incorporación de nuevas unidades de crecimiento (Mullin, 2001),
(Loffelmann, 2002). La nucleación secundaria, que se da en presencia de cristales ya
existentes, es la más importante desde el punto de vista industrial. Existen también modelos
conceptuales que intentan explicar el fenómeno aunque se suele sobre todo acudir a
expresiones empíricas que pesan el impacto de los diferentes factores cuya influencia sobre
el proceso está acreditada, tales como: la sobre-saturación, la fracción en masa de los
cristales ya existentes en la suspensión (CC), la pureza de la miel madre (Pmm), y la
temperatura:
B f , T , Pmm , CC
donde B
(4.9)
es el ritmo de creación de nuevos núcleos por unidad de volumen.
4.5 Cristalizadores industriales por evaporación al vacío
En las tachas se procura el crecimiento de una determinada masa de pequeños cristales de
azúcar que son inicialmente introducidos en el cristalizador durante la llamada siembra y
que se hacen crecer, estimulando la transferencia de sacarosa desde la solución hacia la
superficie de los cristales al mantener la sobre-saturación de la miel madre en valor
superiores a la unidad hasta lograr un tamaño adecuado del grano y una fracción en masa de
azúcar aceptable. Un índice de calidad importante del producto final es la distribución de
tamaños de los cristales de azúcar: una buena calidad exige una distribución de tamaños
que tenga, por supuesto, un tamaño medio adecuado, pero que también sea estrecha en el
sentido de que no exista una dispersión demasiado grande y que esté además libre de falso
grano y tenga pocos conglomerados. Para lograr este objetivo, se debe evitar la creación de
nuevos cristales durante el procesamiento del lote, con lo cual es necesario mantener la
Capítulo 4: CRISTALIZADORES DE AZÚCAR POR EVAPORACIÓN AL VACÍO.
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105
sobresaturación de la solución de sacarosa siempre dentro de los límites seguros de la
llamada zona meta-estable. En esta zona, se favorece el crecimiento de los cristales ya
existentes, pero al mismo tiempo se minimiza la probabilidad de creación de nuevos granos
mediante la nucleación espontánea secundaria.
Figura 4.5: I nst alación t ípica de un crist alizador por evaporación al vacío
La tacha está constituida por un cilindro vertical de altura similar a su diámetro. En la parte
inferior está provista de un calefactor (o calandria) de vapor del tipo de tubos y carcasa,
cuyo objetivo es el de transferir el calor latente de la condensación del vapor que fluye en la
carcasa del intercambiador hacia la masa cocida que lo hace dentro de los tubos. La presión
de vapor a la entrada del calefactor puede ser controlado mediante una válvula provista al
efecto, lo cual permite incidir sobre el ritmo de evaporación impuesto al agua contenida en
la masa dentro de la tacha. Esta válvula es usualmente alimentada a partir de vapores
provenientes de otras unidades de la fábrica: en particular a partir de los producidos por el
tercer o cuarto efecto de la sección de evaporación. Es común que durante el procesamiento
del lote, se cambie la fuente de vapor utilizada, en la medida en que también cambian las
necesidades de acuerdo a la etapa de funcionamiento por la que vaya transcurriendo el
programa de la tacha.
Por encima de los tubos del calefactor se extiende el resto de la cámara de la tacha. El nivel
máximo a ser ocupado por la masa en el cristalizador debe dejar todavía suficiente espacio
en la parte superior de la cámara para garantizar la separación suficiente entre la masa y el
vapor que sale camino al condensador barométrico. Existen además dispositivos
específicamente diseñados para evitar que trazas de miel sean enviadas al condensador.
Capítulo 4: CRISTALIZADORES DE AZÚCAR POR EVAPORACIÓN AL VACÍO.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
106
En la mayoría de los diseños actuales, la calandria posee una toma central que tiene como
objetivo mejorar la circulación de la masa y por tanto, aumentar el coeficiente de
transferencia de calor efectivo. También es habitual proveer a la unidad de un agitador
mecánico para ayudar a la circulación natural que de por sí provoca el burbujeo de la
evaporación. En este caso, las paletas del agitador suelen situarse en la parte inferior de la
toma central.
El procesamiento de un lote nuevo comienza cargando la tacha de licor estándar hasta una
altura que supere el borde superior de la calandria para aprovechar en este momento inicial,
que es crítico, el área máxima posible de calefacción, así como garantizar una buena
circulación. En la medida que avanza el ciclo, el nivel de la masa se eleva a una altura
considerable por encima de la parte superior de la calandria, y esto determina que al
aumentar la presión hidrostática sobre el magma en contacto directo con las paredes del
calefactor, también aumente la temperatura de evaporación y por tanto disminuya la
diferencia de temperatura que impulsa el proceso de transferencia de calor. La reducción
del ritmo de evaporación que ocurre en estas condiciones implica a su vez que la
circulación de la masa en la tacha disminuye al reducirse la agitación natural provocada por
ascenso de las burbujas de vapor. Este aumento del nivel coincide con aquel momento de la
evolución del lote en el cual la masa-cocida tiene una mayor densidad y viscosidad, todo lo
cual incide también negativamente en el grado de agitación y en el coeficiente de
transmisión de calor.
En un primer momento, la agitación mecánica tiene una menor incidencia puesto que el
buen ritmo de evaporación es suficiente para garantizar el nivel de circulación requerido.
De hecho existen algunos modelos de tachas batch que no posee agitación mecánica. La
verdadera necesidad del uso de los agitadores surge precisamente en la mencionada etapa
final del ciclo.
Una pobre circulación no sólo tiene un impacto negativo en el coeficiente de trasmisión de
calor sino que también implica que en diferentes zonas de la tacha existan condiciones
también diferentes lo cual afectará de manera diversa el ritmo de crecimiento en los
cristales en cada una de las mismas, y por tanto, tenderá a aumentar la dispersión del
tamaño de la población de cristales. Un ritmo de transferencia de calor más intenso también
implica ciclos de trabajo de la unidad más cortos y un aumento por ese concepto de la
capacidad de procesamiento de la tacha.
Se requiere que los tubos de la calandria no sean demasiados estrechos para no provocar
una fricción excesiva a las altas viscosidades del magma en la unidad. Tampoco deben ser
demasiado anchos puesto que de esa forma se empeoraría la relación área de intercambio de
calor/volumen de la calandria. Un diámetro de los tubos 100 mm es considerado un buen
compromiso. La longitud de los tubos debe estar en el rango de 700 a 1200 mm. En las
tachas de tercer producto se suelen utilizar tubos más cortos puesto que en este caso la
viscosidad es mayor. También se deben utilizar tubos no demasiado largos cuando no existe
agitación mecánica. En el caso de las tachas de primer producto se pueden tolerar tubos
más largos y por tanto una mayor área de transferencia de calor. Llega un momento, sin
embargo que lo que se gana en área se pierde debido a un menor coeficiente de
transferencia de energía por una circulación menos vigorosa.
El diseño de la toma central también es clave para una buena circulación de la masa:
Capítulo 4: CRISTALIZADORES DE AZÚCAR POR EVAPORACIÓN AL VACÍO.
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107
actualmente se considera que un diámetro de la misma de aproximadamente un 40% del
diámetro de toda la calandria brinda los mejores resultados.
Por otra parte, la tacha se diseña y se debe operar de forma tal que el nivel de la masa no
alcance más de dos metros por encima de la parte superior de la calandria.
Se pueden ver también en la Figura 4.5 la entrada de licor de alimentación y la salida de
masa cocida. La primera es utilizada tanto para realizar la carga inicial de licor estándar en
la tacha como para ir reponiendo durante la cocción la sacarosa que se van transfiriendo a la
fase cristalina. En algunas etapas del trabajo de la tacha es necesario introducir un jarabe
algo menos concentrado o incluso agua, siendo una práctica usual el uso, para estos fines,
del llamado jarabe de ante evaporación. Conectada a la fuente de licor estándar, se
encuentra una válvula de gran capacidad llamada de llenado rápido y que se utiliza durante
la etapa inicial de carga de la tacha. La otra válvula que se muestra relacionada con el licor
estándar es la utilizada para la regulación de la sobresaturación durante la etapa de cocción.
masa
vapor
Figura 4.6: Pat rón de circulación t ípico de la m asa dent ro de la t acha
Una tercera válvula permite la introducción de jarabe de ante evaporación, en las ocasiones
en que esto sea necesario. La entrada de licor a la tacha debe realizarse sin obstaculizar la
circulación de la masa en el interior. Típicamente se realiza por debajo de la calandria.
Mediante la válvula de descarga se evacua la masa cocida hacia los llamados malaxadores
al final del ciclo. Los malaxadores son depósitos convenientemente calorifugados y
provistos de agitadores, que fungen como un almacenamiento intermedio entre las tachas y
el siguiente proceso de separación de los cristales de azúcar y la miel madre en las
centrífugas.
También se tiene la llamada entrada de limpieza que es utilizada para permitir la entrada de
vapor destinado a eliminar cualquier posible resto de masa cocida que pudiera quedar en la
cámara después de finalizar la descarga. La limpieza es una etapa cuya importancia no hay
que desdeñar, puesto que la presencia de trazas de masa cocida en la cámara de un ciclo
Capítulo 4: CRISTALIZADORES DE AZÚCAR POR EVAPORACIÓN AL VACÍO.
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anterior comprometería la calidad del producto al perjudicar la distribución de tamaños del
grano.
Igualmente se debe proveer la manera de introducir en el momento adecuado la población
inicial de pequeños cristales de azúcar, el aumento de cuyo tamaño es el objetivo del
funcionamiento de la tacha. Existen dos formas de realizar este proceso de siembra: la
primera mediante una papilla de pequeño cristales de azúcar (10 µm de tamaño promedio)
preparada e introducida de forma fundamentalmente manual por el operario; y la segunda,
introduciendo de manera automática un magma de siembra con cristales de un tamaño de
grano mayor (alrededor de 110 µm) que ha sido previamente obtenido en cristalizadores
por enfriamiento destinados a ese fin.
En la siembra por papilla, el operario es el responsable de preparar la mezcla de pequeños
cristales siguiendo cuidadosamente las recomendaciones tecnológicas existentes a ese
efecto. En el momento de la siembra, el programa de control de la tacha enviará un aviso al
operario para que introduzca, utilizando una trampilla dispuesta para ese propósito, la
papilla previamente preparada.
La siembra por magma se realiza, por el contrario, de forma completamente automática
utilizando la válvula dispuesta al efecto, que es accionada bajo el control del programa de la
tacha el tiempo necesario para introducir la cantidad justa del llamado magma de siembra.
Cualquiera que sea la forma de realizar la siembra, se debe comprender que las
características de la misma, en cuanto a tamaño medio de los cristales, así como a la
dispersión de la distribución de tamaños que presente y la presencia de falso grano y
conglomerados, es de gran importancia para la obtención de un producto final de calidad.
La distribución de tamaños del producto final, por ejemplo, nunca será más estrecha que la
de la población inicial de cristales introducidos durante la siembra. También es importante
la cantidad de granos que se inyecten: una siembra más numerosa, determinará un tamaño
medio menor en la distribución resultante.
El trabajar con magma de siembra en lugar de con papilla brinda mayores posibilidades de
éxito sobre todo en los instantes inmediatamente posteriores a la implantación del grano. Al
tener un tamaño promedio mucho mayor al inicio, implica que se disminuye el riesgo de
disolución de los granos, al mismo tiempo que se facilita el control de la sobre-saturación
puesto que el área total agregada de los cristales es suficiente como para establecer ya desde
el mismo inicio, un ritmo estable de suministro de licor a la tacha. La desventaja de la
utilización del magma radica en la mayor complejidad de la planta.
4.6 Control de la tacha
El proceso de cristalización al vacío mediante evaporación realizado en las tachas se
conduce de forma semi batch para evitar el ensanchamiento de la distribución de tamaños
que se produce en los procesos continuos. En teoría, en un cristalizador por lotes, si es el
caso de que se logra evitar la nucleación secundaria, se garantiza que todos los cristales
tienen idéntico tiempo de residencia. Si se lograran entonces unas condiciones homogéneas
dentro de la tacha, a través fundamentalmente de una buena circulación, se podría entonces
aspirar a obtener una distribución de tamaños del producto final que sería tan estrecha como
la de la propia siembra.
Capítulo 4: CRISTALIZADORES DE AZÚCAR POR EVAPORACIÓN AL VACÍO.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
109
La decisión de utilizar un proceso semi-batch acarrea las previsibles consecuencias en el
aumento de la complejidad de la conducción de la tacha. Ahora se trata de controlar un
proceso esencialmente variable en el tiempo, al que no puede atribuírsele ningún punto
concreto de operación sino que evoluciona, a lo largo de su ciclo de trabajo, por etapas y
condiciones muy diferentes una de otras. Como consecuencia de ello, los efectos de las no
linealidades no pueden ser, en principio, despreciados.
El caso particular del cristalizador de azúcar plantea adicionalmente otros retos importantes
derivados, por una parte, de la dificultad de obtener información sobre variables claves del
proceso, y por la otra del grado de incertidumbre en el conocimiento de los mecanismos
exactos del crecimiento de los cristales de azúcar.
En cuanto a la primera dificultad, resulta que la distribución de tamaños, una de las
variables de calidad más importante que se quiere controlar, pese a avances recientes
resulta imposible o demasiado cara de medir en línea. Pero también existen dificultades a la
hora de medir otra variable decisiva del proceso como es la sobresaturación, considerada la
fuerza motriz del crecimiento de los cristales.
La sobresaturación no se mide de forma directa sino que se infiere a partir de la medición
de otros variables. De hecho, el hablar de medición en las fábricas actuales (aunque sea
indirecta) de sobresaturación es poco riguroso: es más apropiado hacer referencia a la
conducción del proceso de cristalización a partir de las mediciones de, por ejemplo, la
conductividad del magma o de la elevación del punto de operación. De esta forma se
enfatiza el hecho de que no se obtiene, en muchos casos, un valor numérico muy exacto de
la variable en cuestión ni siquiera una correlación igual de buena en los diferentes rangos de
interés aunque la lectura sea suficiente para conducir el proceso de cristalización de manera
correcta.
Se utilizan sensores basados en diferentes principios para la conducción de los
cristalizadores industriales de azúcar. Entre los más extendidos se los sensores de
conductividad y los de radiofrecuencia.
La utilización de mediciones de la conductividad eléctrica para el manejo de la
cristalización de la sacarosa fue el primero en ser desarrollado. El valor de conductividad
devuelto por los sensores está directamente relacionado con el contenido de iones
inorgánicos o ceniza presentes como parte de las impurezas del jugo. Se puede plantear una
relación del siguiente tipo entre la lectura de conductividad y la viscosidad de la masa:
k
cond mc
const.
(4.10)
donde: k depende de las características de la miel madre: su pureza y la composición de no
azucares, por ejemplo.
Se puede decir que un aumento de la sobresaturación o del contenido de azúcar del magma
determina una disminución de la conductividad. Por otra parte esta última aumenta cuando
la temperatura también lo hace.
Actualmente este tipo de sensores se utiliza preferentemente en los cristalizadores de las
etapas B y C, puesto que los bajos niveles de pureza de las mieles garantizan una alta
Capítulo 4: CRISTALIZADORES DE AZÚCAR POR EVAPORACIÓN AL VACÍO.
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110
presencia de iones. Si se utiliza en cristalizadores de la primera etapa se deberá lidiar con
una muy baja reproducibilidad en sus lecturas.
Por su parte, los sensores de radio frecuencia (RF) se basan en la medición del efecto que
sobre una onda de radio frecuencia, (de valor en torno a 150 MHz en algunos sensores)
tiene su paso a través del magma dentro del cristalizador. El sensor suele entregar dos
señales: una relacionada con la resistencia óhmica (o la conductividad) de la masa y la otra
con la capacidad eléctrica que esta última representa. La primera lectura se puede
correlacionar con el contenido de materia seca de la masa en su conjunto y su valor resulta
dependiente de la pureza de la solución y la segunda refleja la concentración de la miel
madre. La influencia de la temperatura y la pureza sobre las mediciones debe ser
compensada por medio de una calibración cuidadosa. Es considerado un método
relativamente económico.
Otras variables importantes, como la pureza del licor, habitualmente solo se evalúan cada
cierto tiempo, fuera de línea, en el laboratorio de la fábrica. Es por ello que es básico el
reducir el tamaño y la frecuencia de las perturbaciones y conducir toda la planta
minimizando por ejemplo las variaciones de la pureza y el Brix del licor estándar.
Para controlar la sobre-saturación se debe controlar el Brix de la masa manipulando el
ritmo impuesto a la evaporación de agua. En la medida en que el proceso avanza y la
sacarosa abandona la solución para incorporase a la superficie de los cristales la sobresaturación tiende a disminuir, y se detendría totalmente la cristalización si la mencionada
sustancia no se repone desde el exterior introduciendo licor en la proporción requerida.
Un control adecuado del cristalizador debe también, por supuesto, prestar adecuada
atención a la administración eficiente de los recursos: el aprovechamiento de la capacidad
completa de la tacha y un manejo adecuado de la energía la cual es fundamentalmente
provista en forma de vapor.
La conducción de la tacha se complica aún más debido a la ya mencionada dificultad para
obtener el valor de la sobre-saturación: su valor debe ser inferido de alguna manera,
teniendo en cuenta los valores de otras variables que sí pueden ser habitualmente medidas
en línea como son la temperatura, el contenido de materia seca o Brix de la masa, así como
el nivel actual alcanzado por la masa dentro de la tacha. En realidad, la sobresaturación es
en cada instante, una función de la concentración de sacarosa en la solución, así como de la
solubilidad de la misma. La solubilidad, está a su vez influenciada por la temperatura, pero
también por la pureza de la solución existente en la tacha.
La predicción de la evolución dinámica de las variables durante el procesamiento de un lote,
es una tarea difícil que depende de la cinética de la cristalización, a su vez decidida por una
colección compleja de factores, alguno de ellos inciertos: sobresaturación, la masa existente
de azúcar ya cristalizada, la temperatura, la pureza y la hidrodinámica de la mezcla
(determinada a su vez por las geometría de la tacha, la velocidad del posible agitador
mecánico, así como la viscosidad y densidad de la masa entre otras variables).
En un diseño típico, el sistema de control puede conducir el proceso, manipulando la
presión de vapor a la entrada del calentador de la tacha, la presión de vacío en la cámara,
así como la cantidad de licor que se introduce en cada momento. El lote es entonces llevado
a través de una secuencia de etapas, las más importantes de las cuales son: la carga inicial
Capítulo 4: CRISTALIZADORES DE AZÚCAR POR EVAPORACIÓN AL VACÍO.
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111
de la tacha con licor, etapa de concentración para crear la sobresaturación adecuada,
siembra de los granos de azúcar, etapa de cocción o de crecimiento de los cristales
introducidos durante la siembra, etapa de apretado final donde se generan unas condiciones
en la masa que la hagan apta para su posterior evacuación, y finalmente, la etapa de
descarga. En cada una de estas etapas se activan el conjunto apropiado de lazos de control
por realimentación para la regulación de las variables continuas que sean relevantes al caso.
Obviamente existen muchas maneras de llevar a cabo la conducción de una tacha de
cristalización al vacío por lotes. En todas ellas, sin embargo, con independencia del grado
de automatización logrado, la tarea del operario resulta de una importancia decisiva. A
continuación se describe, de la manera más general posible y a modo de ejemplo, las
diferentes etapas típicas en el procesamiento de un lote. En este caso se asume que el
proceso está controlado de forma automática por un programa de secuenciamiento que guía
el proceso de una etapa a la otra. En la Figura 4.7 se muestra una máquina de estados que
describe de manera gráfica el proceso que a continuación se comenta.
El ciclo comienza en la etapa Espera de Carga donde el objetivo es crear rápidamente las
condiciones adecuadas para la carga de un nuevo lote, modificando la situación heredada al
final del ciclo anterior. La presión en la cámara de la tacha irá desde los valores cercanos a
la presión atmosférica hasta el valor de vacío considerado apropiado. Una vez en el valor
apropiado, la presión será controlada automáticamente por el correspondiente regulador que
manipulará la apertura de la válvula de control de salida de los vahos hacia el condensador
barométrico. La tacha pasará a la etapa de Carga a una señal del operario o en respuesta a
algún sistema de secuenciamiento del trabajo de la batería de cristalizadores (Prada, Sarabia,
Cristea, Mazaeda, 2008).
En Carga se trata de introducir la cantidad inicial necesaria de licor estándar hasta que la
masa dentro de la unidad alcance un nivel conocido como pie de tacha y que debe ser tal
que cubra totalmente la calandria (unos 20 cm por encima del haz de tubos). En esta carga
inicial, que puede durar hasta 10 minutos, se puede utilizar una válvula de mayor capacidad
para reducir en la medida de lo posible el tiempo muerto. En la medida en se cubre la
calandria con licor se puede simultáneamente comenzar la introducción de vapor de
calefacción a la calandria e iniciar el trabajo del agitador mecánico. Lo primero se hace
poniendo en automático el PID correspondiente de control de la presión de alimentación de
vapor a la entrada de la calandria.
La siguiente etapa de Concentración se extiende hasta que la masa en ebullición en el
interior de la tacha alcance un determinado Brix que sea apropiado para la introducción de
la siembra. El nivel de concentración adecuado es determinado por el operario en
dependencia de los reportes de laboratorio conocidos acerca de la pureza del licor, para
garantizar que la sobre-saturación que resulte para esas condiciones (que tienen en cuenta
adicionalmente la temperatura establecida a partir del valor de la presión en la cámara) sea
la apropiada para crear el ambiente propicio que garantice un crecimiento de los pequeños
cristales que serán introducidos.
Se debe procurar que la etapa de Concentración, que puede considerarse como tiempo
muerto puesto que no se consume licor estándar, tenga la mínima duración que sea posible
para aumentar la capacidad de trabajo de la tacha. Por ello se determina que la consigna del
lazo de presión a la calandria tenga un valor lo más alto que sea posible.
Capítulo 4: CRISTALIZADORES DE AZÚCAR POR EVAPORACIÓN AL VACÍO.
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Figura 4.7: Et apas del program a de cont rol de la t acha
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Durante la concentración se corre el riesgo que el nivel de la masa disminuya tanto como
consecuencia de la evaporación de agua, que el mismo descienda por debajo de la parte
superior de los tubos de la calandria, con la consecuente pérdida del coeficiente de
transferencia de calor. En caso de que esto ocurra, el programa de control de la tacha o el
operario deberán reponer el pie de tacha introduciendo el licor que sea necesario.
Cuando la concentración del licor dentro se acerca al valor considerado adecuado para la
siembra, se da el aviso al operario para que tenga lista la llamada papilla en el dispositivo
previsto al efecto.
Una vez que el operario confirma la colocación de la papilla y ya en la etapa de Siembra la
consigna del lazo de control de la presión de los vahos se aumenta ligeramente con el fin de
disminuir en lo posible la viscosidad de la masa y de esta forma promover la movilidad de
los diminutos granos de azúcar que van a ser introducidos, minimizando de esta forma el
riesgo de formación de conglomerados. La presión de vapor al calefactor es reducida pero
sin comprometer la buena circulación de la masa por falta de un ritmo suficiente de
burbujeo. Cuando hay agitador mecánico, se puede reducir aún más.
Se procede entonces a la apertura de la válvula de admisión desde el papillero por un
tiempo predefinido. La población inicial de pequeños cristales con tamaño promedio típico
de unos 10 µm resulta mezclada con el licor dentro de la tacha. El número de cristales (o en
definitiva la masa de la papilla) resulta un parámetro importante: un número excesivo de
cristales implicará un tamaño promedio al final del lote demasiado pequeño, mientras que
lo contrario ocurre si la masa de la siembra inicial (y por tanto el número de granos si el
tamaño de estos es fijo) es inferior al valor adecuado.
La masa de la papilla (Mpapilla) se calcula en la industria siguiendo la llamada regla L3 (11)
que ayuda a obtener un valor aproximado de la masa de la papilla asumiendo que el número
de granos se mantiene constante, a partir de los tamaños promedio inicial (Lpapilla) y final
(Lfinal) del grano (en µm) y de la masa de cristales de azúcar que se desea obtener al final de
la cocción (Mfinal). Esta última cantidad se determina a partir del volumen máximo de la
tacha en cuestión y de la fracción de masa de cristales que sea compatible con una
viscosidad aparente de la suspensión manejable tecnológicamente y que para tachas de
primer producto suele estar en torno al 55%. El tamaño promedio final, en torno a 55 µm
en el caso de las tachas de primera, viene dictada por los requerimientos de calidad. Para el
caso de las tachas de agotamiento el tamaño suele ser menos importante pero debe ser tal
que garantice un filtrado adecuado en las centrífugas.
M papilla
L3papilla M final
L3final
(4.11)
El instante de la siembra resulta ser crítico: el tamaño de los cristales es muy pequeño y
cualquier fluctuación local de la sobre-saturación por debajo de la unidad en cualquier
región del volumen de la tacha puede llevar a la disolución parcial del grano. Es por ello
que en los primeros momentos posteriores a la siembra la sobre-saturación de la mezcla (ya
en este instante masa-cocida) es elevada dejando que la concentración se incremente hasta
un valor que se considere adecuado y que sea compatible con una sobre saturación que no
lleve al surgimiento de nuevos cristales por nucleación secundaria.
Capítulo 4: CRISTALIZADORES DE AZÚCAR POR EVAPORACIÓN AL VACÍO.
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114
La etapa de Aclarado viene inmediatamente después de la de formación del grano y tiene
el objetivo de eliminar el falso grano que haya podido crearse durante el aumento de la
sobre-saturación que fue forzado durante la etapa de siembra. Para ello se introduce una
cierta de cantidad de licor estándar abriendo la válvula correspondiente con el objetivo de
disminuir el Brix de la masa. Para evitar que este proceso implique que el nivel en la tacha
se eleve demasiado produciendo la correspondiente disminución de la capacidad disponible
en la misma para el crecimiento de los granos, se establece un límite de seguridad por
encima del pie de tacha de manera que si resulta rebasado, cosa que ocurriría para
concentraciones altas del licor de alimentación, se detiene la introducción del mismo para
buscar la reducción necesaria del Brix de la masa mediante la inyección, en su lugar, de
jarabe de ante-evaporación mucho más diluido.
En el caso de que se decida realizar la siembra por magma, las etapas de Formación de
Grano y de Aclarado antes explicadas resultas sustituidas por una la etapa de Adición de
Magma. En este caso se procede introduciendo desde el depósito correspondiente la
cantidad apropiada de magma que es decidido en base a la regla L3 teniendo en cuenta las
características del magma en cuanto a tamaño promedio del grano y contenido de azúcar
(valor típico de 2 m3). Después de introducido el magma se espera un tiempo (de alrededor
de un minuto) buscando que se restituyan las condiciones homogéneas en la masa dentro de
la tacha.
La etapa de Cocción es la de mayor duración y la más importante del ciclo de la tacha.
Aquí se trata de conducir el proceso de crecimiento de los cristales manteniendo la sobresaturación de la masa en los valores apropiados: mayores que la unidad pero sin sobrepasar
los límites de la zona meta-estable. La sobre-saturación dependerá en cada momento de la
combinación del ritmo de evaporación de agua impuesto, de la temperatura a la que el
proceso tenga lugar, así como de la cantidad de azúcar disuelta introducida desde el exterior
como parte del licor estándar. La cantidad efectiva de sacarosa introducida será obviamente
función del Brix y de la pureza del licor. Una posible estrategia a seguir, teniendo en cuenta
las limitaciones típicas n cuanto a variables medidas, es la de crear una llamada curva de
Brix, que pone en correspondencia a cada valor de nivel alcanzado por la masa dentro de la
tacha, que se toma como índice del avance de la cocción, un valor de concentración que se
estima será el apropiado para garantizar, en este punto concreto de la evolución del lote, la
sobre-saturación deseada. La curva de Brix se mantendrá fija para los diferentes ciclos si se
mantiene constante la pureza del licor estándar y las propiedades de la siembra.
Durante la Cocción, la consigna de presión para la cámara de vahos será modificada desde
el valor existente en la etapa previa de Aclarado hasta un valor menor especificado para el
final de la etapa. El objetivo que se persigue es el de ir aumentando progresivamente el
ritmo de evaporación para de esta forma compensar el hecho de que en la medida en que
avanza el proceso y la pureza de la miel se hace menor resulta más difícil el mantener los
niveles de sobre-saturación requeridos. Con idéntico objetivo de mejorar el proceso de
evaporación a lo largo de la cocida, el valor de la consigna del lazo de regulación de la
presión de entrada a la calandria es progresivamente incrementado.
La etapa de Cocción terminará cuando el nivel dentro de la tacha alcance la capacidad total
de la tacha. En este punto, si todo ha ido bien, se habrá alcanza el tamaño promedio
adecuado de los granos de azúcar, en torno a las 55 µm en el caso de la tachas de primera,
con un Coeficiente de Variación no demasiado elevado.
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115
Antes de proceder a la descarga de la masa, se requiere aumentar la concentración de la
misma hasta darle una consistencia apropiada y esto se hará durante la etapa de Apretado
Final. El control del grado de concentración logrado para estos niveles tan altos del Brix de
la masa se realiza con mayor precisión comprobando directamente el consumo eléctrico del
motor del agitador. En esta etapa se aumenta todo lo posible la consigna del lazo de
regulación de la presión de entrada a la calandria para acortar la duración de esta etapa al
imprimir un ritmo mayor de evaporación. El proceso de apretado continuará hasta que el
consumo de corriente eléctrica del agitador mecánico alcanza un valor prefijado que se
considere esté en correspondencia con la consistencia apropiada de la masa.
En la siguiente etapa de Descarga se procede simultáneamente al apagado del agitador y al
cierre de las válvulas de vacío y de vapor al calefactor. Posteriormente se abre la válvula de
limpieza y cuando la presión en la cámara alcance un valor tal que, junto a la presión
hidrostática ejercida por la columna de masa en la tacha, supere la presión atmosférica se
procede a abrir la válvula de evacuación de la masa hacia el malaxador. El objetivo que se
persigue al introducir vapor es el de parte facilitar el proceso de descarga y
simultáneamente ir eliminando trazas de masa de las paredes de la tacha. La apertura de la
válvula de limpieza se realiza controlando que la presión en la cámara se mantenga dentro
de una banda establecida. La etapa concluye cuando se detecte, utilizando la lectura del
sensor de nivel, que se ha producido el vaciado total de la masa.
Por último se tiene la Etapa de Lavado donde se continúa con el ciclo comenzado en la
etapa anterior de inyección de vapor de limpieza, esta vez con la válvula de descarga
cerrada. Después de transcurrido un tiempo establecido por parámetro se abre la válvula
para volver a cerrarla finalmente, dejando lista la unidad para un nuevo ciclo.
En la Figura 4.8 se muestra la evolución de algunas de las variables más importantes para el
proceso de cristalización obtenidas de una simulación dinámica llevada a cabo a partir de
un modelo detallado de primeros principios de una tacha discontinua (Mazaeda y Prada,
2007), Mazaeda y Prada, 2008),. El modelo, creado como parte de un simulador de
factorías azucareras para entrenamiento de operarios, incluye los balances de masa y
energía además de balances de población para describir la evolución de la fase discreta: los
granos de azúcar. El experimento simulado ha sido llevado a cabo con valores de pureza y
Brix del licor de alimentación que se corresponden a las condiciones típicamente
encontradas en una tacha de primer producto. Sobre los gráficos se señalan los eventos que
marcan el cambio de una etapa a la siguiente.
En la Figura 4.8(a) se muestran los valores del nivel y de la fracción en masa o contenido
de azúcar (CC) a lo largo del proceso del lote. En la Figura 4.8(b) y en la Figura 4.8(d) se
tienen los perfiles de la presión en la cámara de vahos y en la calandria determinados, casi
todo el tiempo, por las consignas de los respectivos controladores. A su vez en la Figura
4.8(c) se pueden observar los valores de Brix de la masa cocida en su conjunto (Bmc) y de
la miel madre (Bmm). La concentración de la masa (Bmc) sería la variable
aproximadamente brindada por el sensor de radiofrecuencia y utilizada en la estrategia de
control descrita anteriormente a modo de ejemplo. De manera análoga, en la Figura 4.8(e)
se grafican la pureza de la masa (Pmc) y la pureza de la miel madre (Pmm). Si se considera
que la pureza del licor de alimentación se mantiene constante, también lo hará pureza de la
masa en el interior de la tacha puesto que la masa de impurezas no se modifica y la de
sacarosa tampoco: sólo se reparte entre la que permanece disuelta y la cristalizada. La
pureza de la miel madre por su parte disminuye en la medida que la mayor parte de las
Capítulo 4: CRISTALIZADORES DE AZÚCAR POR EVAPORACIÓN AL VACÍO.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
116
impurezas introducidas a lo largo del procesamiento del lote permanecen disueltas en la
misma. En la Figura 4.8(g) se tiene la evolución de la sobresaturación de sacarosa en la
solución, una variable muy importante para describir el proceso de cristalización. Por su
parte, en la Figura 4.8(h) se tienen la viscosidad de la masa cocida y la de la miel. La
segunda es una variable que influye en la cinética del proceso de cristalización, mientras
que la segunda, muy dependiente del contenido de azúcar en la suspensión, determina en
gran medida el consumo de corriente eléctrica del motor del agitador mecánico, Figura
4.8(f).
100
80
Nivel CC
[%] [%]
7
8
1.6
1.4
Nivel
1.0
6
60
5
6
4
0.8
4
0.6
CC
9
2
20
8
7
3
1.2
3
40
Pvapor
[bar]
(a)
0
0.4
1 0.2
(b)
0.0
Brix
[%]
90
Pvahos
[bar]
1.0
Bmc
86
82 5
0.8
78
74
0.6
Bmm
6
0.4
(c)
66
96
8
4
70
Pureza
[%]
0.2
1200
Pmc
(d)
Intensidad
Agitador
[A]
1000
94
8
800
92
90
7
600
Pmm
400
88
200
86
(e)
(f)
00
Viscosidad
[kg/ms]
1.3 S
1.2
ηmc
10
0
1.1
1.0
1.0
ηmm
0.9
0.8
0.1
0.7
0.6
0.0
(g)
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
0.01
0.0
3.0
(h)
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
Tiempo
[h]
Figura 4.8: Sim ulación de la evolución de algunas variables im port ant es durant e el
procesam ient o de un lot e. Se m arcan inst ant es de cam bio hacia las et apas señaladas: ( a) Espera
de Carga, ( b) Carga, ( c) Concent ración, ( d) Siem bra y Form ación del Grano, ( e) Aclarado, ( f)
Cocción, ( g) Apret ado Final, ( h) Descarga y ( i) Lavado
Capítulo 4: CRISTALIZADORES DE AZÚCAR POR EVAPORACIÓN AL VACÍO.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
117
En la Figura 4.9 se muestran, a mayor escala, algunos detalles de interés de la misma
simulación.
Pvapor
[bar]
S
1.2
1.2
3
6
5
4
1.1
4
1.0
1.0
6
0.8
0.9
3
0.8
Variable de Proceso
Referencia
0.6
0.7
(b)
(a)
0.4
0.6
Pvahos
[bar]
1.0
Bmm
[%]
80
4
78
5
1
0.8
6
76
74
0.6
72
3
0.4
70
3
4
68
(c)
66
0.0
0.05
0.2
(d)
0.15 0.0
0.1
0.05
0.1
0.15
Tiempo
[h]
Figura 4.9: Det alle de la evolución de algunas variables significat ivas de una t acha por lot es de
prim er product o m arcado inst ant es de cam bio hacia las et apas: ( 1) Espera de Carga,( 2) Carga,
( 3) Concent r ación, ( 4) Siem bra y Form ación del Grano, ( 5) Aclarado y ( 6) Cocción.
S
1.6
1.2e6
1.4
Ac
[m2]
1e6
1.2
8e5
1.0
6e5
0.8
0.6
Siembra por papilla
0.4
4e5
Volumen original
Volumen mayor
0.2
2e5
(a)
(b)
0
0
Lmm
[μm]
Gr
[kg-1]
1e14
200
1e13
150
1e12
100
1e1 1
50
(c)
1e10
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
(d)
3.0
0
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
Tiempo
[h]
Figura 4.10: I nfluencia del volum en de siem bra
Capítulo 4: CRISTALIZADORES DE AZÚCAR POR EVAPORACIÓN AL VACÍO.
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118
En la Figura 4.10 se ilustra, mediante un experimento simulado, la influencia del volumen
de la papilla de siembra sobre algunas importantes variables del proceso. A menor volumen
de papilla, disminuye la superficie agregada de todos los cristales de azúcar, Figura 4.10(b),
y este hecho implica una disminución correspondiente del caudal de sacarosa que cristaliza
y, si todos los demás factores se mantienen invariables, un aumento de la sobre-saturación,
Figura 4.10(a). Se puede observar que el aumento de esta última variable en el ejemplo
mostrado, es especialmente notable en los instantes posteriores a la siembra, cuando el área
de todos los granos de azúcar es insuficiente para impedir que la sacarosa disuelta en la
solución alcance valores tales que impliquen una sobresaturación tan alta, que penetra
claramente la zona lábil. Este último hecho es perjudicial e implica la aparición de nuevos
granos de azúcar por nucleación espontánea, hecho este que se refleja en la Figura 4.10(c)
en el aumento de la cantidad de cristales por unidad de masa (Gr). Una disminución del
volumen de la papilla y por tanto de la cantidad de granos introducidos en la siembra, se
refleja como es conocido, en un aumento del tamaño promedio de la población de cristales
Figura 4.10(d).
4.7 Cristalizador por evaporación al vacío continuo
Las tachas continuas por evaporación al vacío procesan de forma ininterrumpida la masacocida que arriba a su entrada (Broadfoot, 1980), (Hassani, Saidi, y Bounahmidi, 2001),
(Mazaeda, 2009). En la medida en que el magma se desplaza en el interior del equipo los
cristales de azúcar que lo forman crecen continuamente por el aporte de sacarosa desde la
miel madre. La sobre-saturación superior a la unidad que es necesaria para la cristalización,
es mantenida en los valores apropiados mediante la evaporación de las cantidades
suficientes de agua al mismo tiempo que se repone la sacarosa disuelta que ha abandonado
la solución para incorporarse a los cristales.
Este último efecto se logra inyectando licor desde el exterior en puntos seleccionados a lo
largo de la tacha y en las proporciones adecuadas. Se debe evitar en cualquier caso sobresaturaciones locales demasiado altas que provocarían el surgimiento de falso grano por
nucleación secundaria espontánea con el consiguiente empeoramiento de la distribución de
tamaños y de la capacidad de centrifugado. Se debe evitar igualmente la existencia de
puntos infra-saturados para evitar la disolución parcial de los granos y una menor eficiencia
económica del proceso. Las tachas continuas por evaporación suelen ser construidas
divididas internamente en un determinado número de compartimentos con el objetivo de
disminuir, en la medida de lo posible, la dispersión excesiva del tamaño del grano asociada
a una operación continua en un depósito perfectamente mezclado.
Las tachas continuas se clasifican de acuerdo a si garantizan o no la circulación forzada del
magma de compartimento a compartimento en su interior.
En las tachas de circulación forzada, el caudal de magma entre un compartimento y el
siguiente se fuerza a que ocurra siempre en el sentido deseado, eliminado completamente la
llamada mezcla hacia atrás (o backmixing). Esto se hace a través de bombas conectadas
entre los compartimentos, o de la manera más habitual facilitando la existencia de un
desnivel entre los distintos depósitos situados horizontalmente uno al lado del otro, como
es el caso de los modelos VKH, o directamente colocando los compartimentos
verticalmente, como en el modelo VKT. En este tipo de soluciones basta con la presencia
de cuatro o cinco depósitos para garantizar el modelo de flujo deseado.
Capítulo 4: CRISTALIZADORES DE AZÚCAR POR EVAPORACIÓN AL VACÍO.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
119
Por otra parte, las tachas continuas de flujo no forzado consisten básicamente en depósitos
horizontales divididos internamente en varios compartimentos a través de los cuales circula
la masa. Es evidente que un diseño semejante no impide la ocurrencia de un cierto grado de
mezcla hacia atrás. En algunas unidades puede haber hasta dieciséis compartimentos.
Existen varios modelos diferentes (FCB , Tongaat Hullet, entre otros) pero el diseño es
siempre similar, distinguiéndose básicamente uno de otro en el número de compartimentos,
el volumen relativo de los mismos, el patrón de circulación de la masa, así como en los
detalles constructivos de la calandria: el dispositivo diseñado para proveer la energía
térmica necesaria para la ebullición del magma.
4.7.1 Descripción y funcionamiento
El tipo de unidad que será aquí descrito es uno de los cristalizadores continuos por
evaporación al vacío de uso más extendido: la tacha continua de tipo FCB fabricado por la
compañía Fives-Cail. Se trata de un depósito horizontal dividido internamente en varios
compartimentos por paneles convenientemente colocados. La masa pasa de un
compartimento al siguiente, alternando la vías de salida de derecha a izquierda y de arriba
abajo, para garantizar una buena circulación evitando tanto la presencia de zonas donde la
masa se estanque como de otras donde ocurran cortocircuitos en los que la misma pase de
un cubículo al siguiente sin permanecer en cada uno el tiempo requerido. Los
cristalizadores de tipo FCB pueden tener desde ocho hasta veinte compartimentos, aunque
en una de las configuraciones más extendidas tiene trece, los cuales están dispuestos como
se muestra en la Figura 4.11.
Los compartimentos pueden tener dimensiones relativas diferentes: los cuatro primeros, por
ejemplo, tienen la mitad del volumen de los ocho siguientes, mientras que el último tiene
cuatro veces más capacidad que los primeros.
Figura 4.11: Esquem a de circulación del m agm a y de los punt os de sum inist ro de licor de una
t acha cont inua del t ipo FCB
El calor necesario para la ebullición de la masa dentro del cristalizador es cedido por el
vapor de agua saturado que condensa en unos tubos horizontales que discurren a todo lo
largo del equipo y que están colocados en capas verticales una encima de la otra,
permitiendo la circulación de la masa entre los mismos, para de esta forma maximizar el
área de contacto disponible a la transferencia de calor. Este calefactor, denominado también
calandria, realiza hasta tres pases a todo lo largo del cristalizador (Journet, 2002).
La tacha continua, está completamente cubierta por un espacio cerrado común a todos los
compartimentos, que recibe los vahos provocados por la evaporación del agua en la masa
Capítulo 4: CRISTALIZADORES DE AZÚCAR POR EVAPORACIÓN AL VACÍO.
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120
cocida circulante. La presión de vapor en la cámara es mantenida en los valores requeridos,
por ejemplo 180-250 (mBarA), por medio de un controlador de tipo PID que manipula la
apertura de una válvula de control que permite la salida de los vahos hacia un condensador
barométrico.
Debido a las características constructivas de este tipo de cristalizadores, la colocación de
agitadores mecánicos convencionales es prácticamente imposible, por lo que en este caso se
utiliza, como sustituto, la inyección de vapor de agua por la parte inferior del depósito a lo
largo de toda la tacha. Existen dos tomas de entrada para este vapor de agitación y cada uno
de ellas está provista de una válvula de control cuyo apertura puede ser manipulada, por
ejemplo, por sendos controladores PID que regulan el caudal volumétrico de entrada.
La agitación es por supuesto importante para garantizar la homogeneidad de la masa en el
interior de la tacha, lo que se traduce directamente en una mayor uniformidad del grano. A
un mayor nivel de agitación se logra igualmente mejorar el coeficiente de trasmisión de
calor entre la masa y el vapor que condensa en la calandria. Como se verá, la influencia de
la agitación sobre el ritmo de cristalización es mucho menos importante a los niveles de
pureza que se tienen en la tercera etapa.
En la medida en que la masa cocida avanza de compartimento en compartimento, y se
produce la migración progresiva de la sacarosa en la solución a la superficie de los cristales,
la sobre-saturación de la miel madre tiende a disminuir y el proceso de cristalización se
detendría si no se suministraran las cantidades necesarias de sacarosa. Este proceso se
realiza proveyendo las cantidades apropiadas de licor en determinados puntos, cinco o seis,
situados estratégicamente a lo largo de la longitud de la tacha.
En la Figura 4.11, donde además se muestra la disposición relativa de cada compartimento
y el orden en que la masa avanza a través de los mismos, así como la disposición de la
calandria, se describen los puntos de adición de licor de tercera. En este caso existen cinco
tomas, controladas individualmente por válvulas de control y PIDs y que introducen el licor
en las cantidades apropiadas, en cada sector de la tacha.
La sobresaturación alcanzada en cada compartimento será entonces, una vez fijadas la
pureza y el Brix del licor y de la miel madre del magma, así como el contenido de azúcar de
esta última y en particular el área total agregada de los granos, el resultado de la
combinación del ritmo de evaporación de agua, de las cantidades de jarabe introducidos en
el compartimento en cuestión y en los anteriores, y también por supuesto, de la velocidad
de flujo de la masa en el equipo.
En una disposición típica de la tacha continua, y tal como se muestra en Figura 4.12, el
caudal de vapor de entrada a la calandria es regulado mediante una válvula de control
accionada por un controlador PID que recibe como variable de proceso el valor del caudal
de agua a la salida del depósito de condensados. Por otra parte, este último es decidido por
otro controlador PID que en este caso regula el nivel del mencionado depósito.
El nivel en el último compartimento puede ser regulado de varias formas en dependencia de
la unidad concreta: mediante una bomba o válvula a su salida o por rebose del magma, a
partir de modificar mediante un dispositivo mecánico la altura de una de las paredes del
último compartimento. En cualquier caso es importante mantener la altura de la masa
dentro de la tacha lo más estable posible para que la masa cubra completamente la calandria
Capítulo 4: CRISTALIZADORES DE AZÚCAR POR EVAPORACIÓN AL VACÍO.
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121
sin sobrepasarla tampoco en exceso para así mejorar el coeficiente de trasferencia de calor.
En cualquier caso resulta imperativo que la masa no sobrepase determinado nivel crítico
que depende de las características geométricas de la unidad, para evitar que el magma en
ebullición pase por encima de los paneles divisorios de los compartimentos creando así
cortocircuitos entre los mismos con el consiguiente perjuicio para la calidad del producto.
Figura 4.12: I nst alación t ípica de una t acha cont inua por evapor ación al vacío
Habitualmente no se realizan todas las mediciones de las variables importantes de la
instalación que serían deseables: la sobresaturación sólo puede ser inferida a partir del
conocimiento de otras variables y en particular de la concentración, mientras que la pureza
de las masas y mieles, así como el contenido de cristales, son obtenidos a partir de análisis
de laboratorio fuera de línea. Aún en estas condiciones un control apropiado de la tacha
continua es posible, si se mantienen estables tanto la calidad del licor, como las propiedades
de la masa cocida de entrada a la tacha continua: el llamado magma de siembra. Para lograr
lo anterior se requiere de un trabajo sin grandes variaciones de todo el departamento y en
particular de la tacha discontinua del magma encargada de producir la masa que contendrá
los cristales que actuarán como siembra a la entrada del cristalizador.
La tacha continua puede ser conducida manipulando de manera individual cada uno de los
bucles de control básicos, dando valores locales a las referencias de los correspondientes
controladores: el de entrada de vapor, el de entrada de masa de magma, de vacío o los
situados en cada una de las tomas de entrada de miel. Sin embargo, para facilitar el control
de la unidad y mantener las relaciones apropiadas entre las distintas variables, se suele
establecer un modo de funcionamiento semi-automático que permite controlar la marcha de
la tacha en dependencia de la predicción que el operario de la sala de control haga de cuáles
serán las disponibilidades de magma o de licor de alimentación. En este régimen de trabajo,
bastará simplemente con modificar la consigna del controlador de vapor de entrada a la
calandria y a partir de ahí se modificarán en cascada y de manera proporcional, los caudales
de masa a la tacha y de licor a cada uno de los compartimentos. Así el caudal de licor se
Capítulo 4: CRISTALIZADORES DE AZÚCAR POR EVAPORACIÓN AL VACÍO.
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122
pone en función del caudal medido de agua condensada (Qagua) mediante una expresión del
tipo:
Qlic _ sp K l Qagua
(4.12)
El parámetro Kl se ajusta en cada caso concreto para obtener las concentraciones adecuadas
de la masa, y establece la relación apropiada entre el caudal de agua y el caudal total de
mieles para obtener el Brix deseado una vez conocida la concentración de las mieles.
A su vez, las consignas de los PIDs de cada toma individual se determinan a partir del
caudal total de licor requerido, mediante:
Qlic _ sp i Qlic k[i ]
(4.13)
donde los k[i] individuales (en este caso con i en el rango 1-5) deben sumar la unidad.
Mediante estas ganancias individuales se puede controlar
la concentración e,
indirectamente, la sobresaturación en cada compartimento. De esta manera se determina la
forma de la llamada curva de Brix o de cocción mientras que Kl decide los desplazamientos
de esta, paralela a sí misma, hacia valores superiores o inferiores de concentración. La
curva de Brix en este caso es completamente análoga a la ya vista para el caso de la tacha
discontinua, pero en este caso se encuentra desplegada en el espacio, a lo largo de los
compartimentos en el sentido del movimiento del magma, y no en el tiempo como ocurría
con el proceso batch.
Por su parte, la referencia para el controlador de magma a la tacha se fija en el valor que
resulte de la expresión:
Qmagma _ sp K m Qlic
(4.14)
El parámetro Km, que establece la relación que se debe garantizar entre la referencia a
establecer en el controlador de caudal hacia la tacha, Qmagma_sp, y el caudal de licor total
inyectado en la misma, Qlic, depende de las características del magma introducido a la
entrada de la unidad.
En caso de una operación suave, con valores estables de la pureza del licor y de la miel
madre del magma, así como del contenido de cristales de esta última y si se tiene además
que la presión de vacío en la cámara de vahos no es modificada, entonces los valores de los
parámetros mencionados tampoco se deben cambiar. En estas condiciones la marcha de la
instalación en su conjunto se realiza modificando solamente la referencia del controlador de
caudal de aguas condensadas. El cambio de esta consigna ha de realizarse de la manera más
estable posible y para ello el operario deberá comprobar las disponibilidades de miel y
magma en los respectivos depósitos. El operario deberá ser muy consciente de los efectos
dinámicos que envuelve el manejo de un equipo con un tiempo de residencia típico de unas
trece horas, y con una evolución fuertemente marcada también por la dimensión espacial.
De manera que se intentará prever con la suficiente antelación los cambios que serán
necesarios para irlos introduciendo de manera suave logrando establecer el régimen
requerido con la antelación suficiente, evitando que las variaciones bruscas del punto de
operación introduzcan picos de sobre-saturación indeseables en la transición entre estados
Capítulo 4: CRISTALIZADORES DE AZÚCAR POR EVAPORACIÓN AL VACÍO.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
123
estacionarios.
Evidentemente es importante también garantizar que la sobre-saturación en estado de
régimen no sea demasiado alta para de esta forma minimizar el surgimiento de falso grano
por nucleación espontánea secundaria.
En la Figura 4.13 se muestran el perfil por compartimento de un conjunto de variables de
interés en estado de régimen obtenidas de una simulación llevada a cabo a partir de un
modelo detallado de primeros principios de una instalación de cristalización continua de
azúcar como la recién descrita (Mazaeda, 2009). En el modelo se asume que cada uno de
los compartimentos de la tacha puede ser bien representado por un depósito perfectamente
mezclado. En la Figura 4.14 se da cuenta de los caudales de entrada de magma, de vapor de
calefacción y de miel total y a cada compartimento que establecen el punto de operación
estacionario en el que es operada la tacha en el experimento. Los valores de pureza y Brix
de las mieles y magmas de entrada se corresponden con los valores típicamente encontrados
en un cristalizador colocado en la tercera etapa.
5
4
[10-6
Rg
kg/m2s]
90
Brix miel
[%]
80
3
70
2
1
60
(b)
(a)
0
50
1.2
70 Pureza miel
[%]
1.0
60
S
0.8
50
0.6
0.4
0.2
0.0
40
(c)
(d)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
30
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
Compartimento
Figura 4.13: Dist ribución por com part im ent o de algunas de las variables m ás im port ant es que
describen el proceso de cr ist alización en una t acha cont inua por evaporación al vacío.
Com part im ent o 0 corresponde a valores de ent rada a la t acha
En la Figura 4.13(a) se tiene el perfil de densidades de flujo de sacarosa desde la solución a
la superficie de los cristales Rg (kg/m2s) en cada uno de los compartimentos, mientras que
en la Figura 4.13(c) se refleja la sobre saturación establecida en los mismos. En la Figura
4.13(b) y en la Figura 4.13(d) se muestran las concentraciones de la miel y su pureza a todo
lo largo de la tacha. Se debe tener presente que para una tacha situada en la tercera etapa,
como es el caso de este ejemplo, esta última variable constituye el indicador más
importante del trabajo de la unidad al reflejar el grado de agotamiento finalmente
alcanzado.
Capítulo 4: CRISTALIZADORES DE AZÚCAR POR EVAPORACIÓN AL VACÍO.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
124
Figura 4.14: Caudales de ent rada a la t acha cont inua
Figura 4.15: Dist ribución por com part im ent o de algunas de las variables m ás im port ant es que
describen el proceso de cr ist alización en una t acha cont inua por evaporación al vacío.
Com part im ent o 0 corresponde a valores de ent rada a la t acha
En la Figura 4.15(a) se tiene por su parte la fracción en masa de azúcar existente en cada
cubículo, mientras que en la Figura 4.15(d) y en la Figura 4.15(b) se muestran
respectivamente el tamaño promedio de la población de granos y el coeficiente de variación
de la misma. En una tacha continua colocada en la etapa C, las dos variables anteriormente
mencionadas no tienen la misma importancia que en el caso de la producción del azúcar
comercial aunque no deben ser olvidadas puesto que una distribución de tamaños del grano
demasiado ancha o con demasiado falso grano podría perjudicar el trabajo de las
centrífugas situadas aguas abajo.
En la Figura 4.15(c) se tienen los valores por compartimento de la viscosidad de la miel
madre, que es el componente más importante que decide la viscosidad aparente de la
suspensión. La viscosidad de la miel existente en el caso de la etapa C es mucho mayor que
la vigente en la etapa A, Figura 4.8(h) debido a la considerable menor pureza de las mieles
que obliga a trabajar a mayores ritmos de evaporación de agua y, por tanto, a mayores
Brixes para lograr los valores de sobre saturación necesarios. Se debe recordar que es
Capítulo 4: CRISTALIZADORES DE AZÚCAR POR EVAPORACIÓN AL VACÍO.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
125
precisamente el mayor valor de viscosidad de la masa, uno de los elementos fundamentales
que aconseja la utilización de tachas continuas en la tercera etapa.
4.8 Conclusiones
El azúcar comercial se produce preferentemente en cristalizadores de funcionamiento
discontinuo o por lotes. Las garantías que ofrecen este tipo equipos para el logro de los
índices de calidad requeridos del producto final al brindar un mayor control del proceso de
cristalización, hace que sea preferible su utilización aún en presencia de las importantes
desventajas de este régimen de funcionamiento.
En particular, se tiene el requerimiento de que el azúcar comercial exhiba un tamaño
promedio adecuado al mismo tiempo que la dispersión de esa característica en la población
de cristales no sea demasiado grande. Pero la calidad visual percibida por el usuario del
producto final no es el único objetivo de este esfuerzo por lograr una distribución de
tamaños de los granos suficientemente estrecha, este requerimiento también resulta básico a
la hora de lograr unas buenas propiedades de filtrabilidad de la masa cocida en las
centrífugas.
La operación de los cristalizadores discontinuos o tachas resulta una tarea compleja. A
diferencia de las unidades continuas en las que se puede establecer un punto de operación
más o menos fijo, en las tachas batch se producen variaciones importantes en el transcurso
del procesamiento del lote, por ejemplo, en cuanto a la masa total de azúcar, al tamaño
promedio de los granos y el área disponible para la cristalización, en lo que respecta a la
sobre-saturación necesaria o a la que es posible lograr en cada momento, en relación al
coeficiente de transferencia de calor efectivo que es muy dependiente del nivel de la masa
en la unidad, cambios notables también en la pureza y en la concentración de la miel madre,
entre otras muchas variables que exhiben variaciones muy amplias y que poseen relaciones
mutuas complejas y de carácter no lineal.
En las etapas de agotamiento, la uniformidad a lograr en los granos de azúcar es una
exigencia menos perentoria. Es posible entonces la utilización de cristalizadores continuos
con todas las ventajas asociadas a este régimen de funcionamiento: una operación más
suave y predecible. El uso de cristalizadores estacionarios además se hace imperativo en la
medida en que disminuye la pureza de las mieles a procesar debido al inevitable aumento
de la viscosidad.
Referencias Bibliográficas
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
Berthoud, A., (1912), Theorie de la formation des faces d’un crystal. Journal de
Chimique Physique. Vol 10, pp : 624-635. Francia.
Broadfoot, R (1980), Modelling and optimum design of continuous pans. PhD
Thesis. University of Queensland.
Bubnik, Z., Kadlec, P., (1984), Zuckerindustrie. Vol. 109, p : 117. Verlag Dr.
Albert Bartens. Alemania.
Bubnik, Z., Kadlec, P., Urban, D., M. Bruhns (1995), Sugar Technologist Manual.
Chemical and Physical Data Manufacterers and Users. Verlag Dr. Albert Bartens.
Alemania.
Burton, W.K., N. Cabrera, F.C. Frank (1951), Phil. Trans. Roy. Soc. London, Vol.
Capítulo 4: CRISTALIZADORES DE AZÚCAR POR EVAPORACIÓN AL VACÍO.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
[6]
[7]
[8]
[9]
[10]
[11]
[12]
[13]
[14]
[15]
[16]
[17]
[18]
[19]
[20]
[21]
[22]
[23]
[24]
[25]
126
243, 299.
Ekelhof, R., D. Schliephake (1995), Description of Crystal Growth Rate in pure
and impure sucrose solution by means of a single kinetic expression. CITS
Proceedings. Barten Verlag. Alemania.
Grut, E. (1936/37), Z.Zuckerind., Vol. 61. pp: 373 - 375. República Checa.
Hassani, N.S.A., K. Saidi, T., Bounahmidi (2001), Steady State modelling and
simulation of an industrial sugar continuous crystallizer. Computer and Chemical
Engineering, Vol. 25, pp.: 1351 - 1370, Elsevier, Holanda.
Journet, G., (2002), Advantages of FCB continuous vacuum pan. International
Sugar Journal, Vol. 96, pp.: 500 - 503, Agra Europe Ltd. Reino Unido.
Kossel, M. (1934), Annln. Phys, Vol. 21.
Kucharenko, J.A., Rozovsky, (1934), Lousiana Planter, Vol. 75, 117.
Loffelmann, M, (2002), Optimal Operation of Batch Cooling Crystallizers. Tesis
Doctoral. Universisad de Munich. Alemania.
Mazaeda, R., Prada, de C., (2007), Dynamic Simulation of a Sucrose Batch
Evaporative Crystallizer for Operators Training, 19th European Modeling and
Simulation Symposium (Simulation in Industry), EMSS 2007, Bergeggi, Italia.
Mazaeda, R., Prada, de C., (2008), Object Oriented Library for Dynamic
Modeling and Simulation of Sugar Houses for Operators Training, 20th European
Modeling and Simulation Symposium (Simulation in Industry), EMSS 2008,
Calabria, Italia.
Mazaeda, R., (2009), Librería Orientada a Objetos para el Modelado y Simulación
del Cuarto de Azúcar de Fábricas de Azúcar para el Entrenamiento de Operarios.
Tesis Doctoral,Supervisor: Prada, de C., Universidad de Valladolid, España.
Mullin, J.W., (2001), Crystallization. Editado por: Butterwoth-Heinemann. 4th
Edition. Reino Unido.
Nernst, W., (1904). Theorie der Reaktiosgeschwinndigkeit in heterogenen
Systemen. Zeitschrift fur Physikalische Chemie, Vol. 47, pp: 52-5.
Noyes A.A., W.R. Whitney, (1897). Rate of solution of solid substances in their
own solution. Journal of American Chemical Society, Vol. 19, pp: 930-934.
Estados Unidos.
Prada, de C., Sarabia, D., Cristea, S., Mazaeda, R. (2008), Plant-wide control of a
hybrid process. International Journal of Adaptive Control and Signal Processing.
Vol. 22. pp: 124 - 141. Wiley Interscience. Estados Unidos.
Smithe, B.M., (1971), Sugar Technol. Rev. Vol. 191.
Valeton, J.J.P., (1924), Waschstum und Auflosung der Kristalle. Zeitschrift fur
Kristallographie. Vol. 59, pp: 483. Alemania.
Van der Poel, P.W., Schiweck, H., Schwartz, T. (1998), Sugar Technology. Beet
and Cane Sugar Manufacture. Verlag Dr. Albert Bartens. Alemania.
Van Hook, W.A., G. Mantovani, M. Mathlouthi (1997), Sucrose Cristallization.
Science and Technology. Verlag Dr. Albert Bartens. Alemania.
Volmer, M. (1939), Kinetik der Phasenbildung. Ed. Steinkopf. Dresde. Alemania.
Wagneowski, O., Dabrowska, D., Dabrowski, C., (1962), Z.Zuckerind., Vol. 12.
pp: 564 - 671. República Checa.
Capítulo 4: CRISTALIZADORES DE AZÚCAR POR EVAPORACIÓN AL VACÍO.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
127
Capítulo 5: CRISTALIZACIÓN DE AGOTAMIENTO CON
ENFRIAMIENTO Y MOVIMIENTO.
Lázaro de Jesús Gorostiaga Cánepa
Enrique Baeyens Lázaro
Fundación CARTIF – Valladolid, España
5.1 Introducción.
La cristalización por enfriamiento constituye un importante proceso en la producción de
azúcar crudo de caña. Aquí se produce la última extracción de sacarosa del licor madre y
debe lograrse el máximo agotamiento del mismo.
En las fábricas de azúcar, la cristalización de la sacarosa ocurre fundamentalmente en los
tachos de vacío. Sin embargo, en estos equipos, cuando se trata de cocimientos de masas
cocidas de bajas purezas, el agotamiento del licor madre no puede ser llevado hasta el punto
deseado.
Esto es debido a que, en los cocimientos de bajas purezas, la velocidad de cristalización
experimenta una brusca disminución, como consecuencia de las altas viscosidades que se
producen cuando el licor madre se aproxima al agotamiento.
Por esta razón, resulta necesario continuar el proceso de cristalización por otro método y
otros equipos, con el objetivo de reducir al mínimo la cantidad de sacarosa disuelta en el
licor madre.
5.2 Descripción del proceso de agotamiento de las mieles finales
en los cristalizadores de tercera.
Los términos cristalización por enfriamiento, de agotamiento o en movimiento, se aplican
indistintamente para designar esta fase complementaria de cristalización. Igualmente los
términos cristalizadores con enfriamiento, de agotamiento o con movimiento se usan para
denominar los equipos donde se realiza este proceso.
En los cristalizadores de agotamiento, prosigue desarrollándose la cristalización comenzada
en el tacho, con la diferencia de que en ellos, la cristalización se realiza por la disminución
de la solubilidad de la sacarosa, a consecuencia del enfriamiento gradual a que es sometida
la masa cocida.
La solubilidad de la sacarosa en el licor madre, se reducirá a medida que la temperatura
disminuye. Una parte de la sacarosa disuelta estará en solución sobresaturada y bajo
condiciones apropiadas de mezclado se depositará sobre los cristales ya existentes. Este
tratamiento asegura un mayor agotamiento del licor madre y en consecuencia incrementa el
índice de recobrado de azúcar de la fábrica.
Al revisar la literatura existente se detecta que hay muy pocos trabajos sobre el modelado y
control de este importante proceso, pues realmente como afirman Castañeda, Fernández y
Valdés [1] “los cristalizadores son los parientes más pobres, los más abandonados por la
ciencia y la técnica”.
Capítulo 5: CRISTALIZACIÓN DE AGOTAMIENTO CON ENFRIAMIENTO Y MOVIMIENTO.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
128
En [1] Castañeda y colaboradores resumen los resultados de la evaluación experimental del
cristalizador continuo Reto-Werkspoor para masas cocidas de agotamiento, realizada en el
Instituto Cubano de Investigaciones Azucareras (ICINAZ) en 1979. Afirman que el equipo
ocupa un 40% menos de área, que disminuye los costos de energía eléctrica en un 50% y
que su comportamiento tecnológico y termotécnico es superior al sistema de cristalización
utilizado con antelación, permitiendo la eliminación del calentador de masas cocidas.
En [2] Valdés, Cambeiro y Gómez presentan los resultados de la evaluación experimental
de la operación en serie de los cristalizadores de masas cocidas de bajas purezas.
Demuestran que esta tecnología es superior a la discontinua y recomiendan su aplicación
masiva a la industria azucarera.
En [3] Gallardo, Alemán y Valdés exponen un amplio estudio bibliográfico sobre el
proceso de agotamiento, pero tampoco abordan la dinámica y el control del mismo.
En [4] Genotelle recomienda como velocidad de enfriamiento óptima 1C por hora, lo que
según él asegura una sobresaturación constante durante todo el proceso. Recomienda
además una temperatura terminal de 40C y un tiempo de retención mínimo de 40 horas
para cristalizadores verticales.
En [5] Rein extrapola un modelo matemático estacionario de la cristalización en un
cristalizador de planta piloto para representar el comportamiento de los cristalizadores de
tercera. Se utiliza para demostrar como los cambios en el diseño de los cristalizadores y en
su operación afectan su comportamiento. Se dan los resultados de pruebas con rastreadores
y se investigan los efectos de las desviaciones del flujo tapón. Se destaca la importante
contribución de los tachos al agotamiento total.
En [6] Teijero, Padrón y Cabana brindan informaciones preliminares para la modelación y
optimización de los cristalizadores, pero no llegan a ningún resultado práctico.
En [7] Padrón y Verdaguer se plantean el objetivo de crear un algoritmo de optimización
para el control supervisorio del proceso de agotamiento en un banco de cristalizadores en
serie. Con ese fin definen una función objetivo que representa la cantidad de sacarosa en la
miel y cuya minimización lograría la optimización del proceso. A partir de las ecuaciones
de balance del azúcar en la miel y en el grano, llegan a una expresión de la función
objetivo, pero con el inconveniente que su cálculo en tiempo real es imposible pues
depende del gradiente de transferencia de masa cuya medición continua no es posible en el
día de hoy. Para superar este obstáculo adoptan la distribución o perfil de la temperatura a
lo largo de los cristalizadores como índice equivalente de la cantidad de azúcar en la miel.
Por tanto la minimización del área bajo la curva de temperatura contra longitud a lo largo
de la batería de cristalizadores optimizará en forma indirecta el proceso de agotamiento.
Este interesante trabajo tiene el mérito de ser el primero en plantear el problema del control
óptimo del proceso de agotamiento, pero presenta la limitación fundamental de que no
define la estrategia o configuración de control necesaria para optimizar esa función objetivo
y además sus conclusiones no están validadas ni experimentalmente ni por simulación.
En [8] Padrón, Teijero y Cabana desarrollan por vía teórica o analítica un modelo para
representar la dinámica de la temperatura de la masa cocida. Para este fin plantean las
ecuaciones de balance de energía y de masa correspondientes y obtienen la estructura del
modelo. Realmente el modelo es demasiado complejo y resulta prácticamente imposible
Capítulo 5: CRISTALIZACIÓN DE AGOTAMIENTO CON ENFRIAMIENTO Y MOVIMIENTO.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
129
calcular sus coeficientes por técnicas experimentales de identificación y por otra parte no se
dice nada, ni siquiera cualitativo sobre la dinámica del proceso.
Toledo, Carbonell y Gómez en [9] discuten preliminarmente algunas variantes posibles de
control de la temperatura de la masa cocida, caracterizan al proceso como extremadamente
lento, afirman que la estrategia de control PID no es adecuada para el control de la
temperatura y recomiendan el uso de la estrategia de control en cascada propuesta por
Gorostiaga [10].
En [11] se presenta el proyecto típico de automatización del proceso de agotamiento
introducido en los nuevos ingenios azucareros cubanos. Cada cristalizador Reto-Werkspoor
posee tres lazos de regulación PID ; uno para el control de la temperatura terminal de
enfriamiento de la masa cocida, otro para la regulación de la temperatura final de
recalentamiento y otro para el control del nivel de masa cocida en el mismo, Figura 5.1.
Figura 5.1: Est rat egia de cont rol para crist alizador
Este sistema de control no tuvo resultados satisfactorios, debido a su concepción errónea o
inadecuada. No es posible controlar eficientemente con un controlador PID un proceso tan
extraordinariamente lento como este. También es erróneo instalar un control exacto de nivel
en el propio cristalizador; lo correcto es instalar un control de nivel promediante en el
portatemplas o recibidor de masa cocida.
5.2.1 Factores que influyen en el proceso de la cristalización por
enfriamiento.
La cristalización es una operación de transferencia de masa que se realiza en dos fases. La
primera fase consiste en la difusión de las moléculas de azúcar a través de la película de
miel que rodea al cristal. La segunda fase consiste en la incorporación de las moléculas a la
estructura cristalina.
Al revisar la literatura existente sobre el proceso de la cristalización del azúcar en
Capítulo 5: CRISTALIZACIÓN DE AGOTAMIENTO CON ENFRIAMIENTO Y MOVIMIENTO.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
130
soluciones impuras, se encuentra que no hay absoluta unidad de criterios en relación con los
factores o parámetros que inciden en el agotamiento de las mieles finales. Realmente estas
contradicciones se deben a que hasta el presente no se conocen exactamente las leyes que
determinan el proceso de cristalización de la sacarosa en soluciones impuras [12].
Algunos autores están de acuerdo en que la velocidad de cristalización es directamente
proporcional a la sobresaturación y a la superficie de cristalización.
En términos matemáticos esta relación se expresa en la siguiente forma:
dm
K A(C C a )
dt
(5.1)
siendo:
dm/dt
A
C
Ca
K
velocidad de crecimiento del cristal
área de la superficie de intercambio entre los cristales y el licor madre
concentración de azúcar en el licor madre
concentración de azúcar en el estado de equilibrio
factor dependiente de la temperatura y la viscosidad.
El factor K depende de la temperatura y la viscosidad, aumenta con la temperatura pero
disminuye con la viscosidad. De la ecuación anterior se pueden establecer las siguientes
conclusiones:
Mientras mayor es la sobresaturación “C” mayor es la velocidad de cristalización. Es
necesario mantener la temperatura tan alta como sea posible, para incrementar el factor K y
al mismo tiempo que sea suficientemente baja para obtener el grado de sobresaturación
necesario. Según Spencer [13] existe una temperatura óptima, para la cual se obtendría la
máxima velocidad de cristalización.
Incrementando el área de la superficie de cristalización (A) se aumenta la velocidad de
cristalización.
La superficie de intercambio entre los cristales y el licor madre está relacionada con la
pureza de la masa cocida; si la pureza de la masa es muy baja, la velocidad de cristalización
disminuirá. Por otra parte, cuando la pureza de la masa cocida es muy alta, también será
demasiado alta su compacidad y puede ser requerida una cierta dilusión, lo que puede
ocasionar una caída en el grado de sobresaturación.
Para el caso de muy alta pureza de la masa cocida, se recomienda hacer una precentrifugación de una cierta parte de la masa cocida antes de enfriarla o justamente al inicio
del proceso de enfriamiento. Esta centrifugación inicial elimina determinada cantidad de
cristales y el licor madre separado es mezclado otra vez con la masa cocida. De esta forma
se puede disminuir la compacidad y la pureza a valores adecuados.
Sobresaturación.
La sobresaturación constituye la fuerza motriz de la cristalización. Según el grado de
sobresaturación se reconocen tres zonas: la metaestable, la intermedia y la lábil. En la zona
metaestable los cristales existentes continúan creciendo, pero no se forman cristales nuevos;
por el contrario, en la zona lábil, los cristales se forman espontáneamente, sin la presencia
Capítulo 5: CRISTALIZACIÓN DE AGOTAMIENTO CON ENFRIAMIENTO Y MOVIMIENTO.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
131
de otros.
La zona intermedia, realmente despreciable por su estrechez, constituye la frontera entre las
zonas metaestable y lábil.
La sobresaturación puede lograrse de dos formas: disminuyendo agua de la solución
mediante evaporación (proceso que se realiza en el tacho de vacío) o disminuyendo la
temperatura de la solución, que es lo que se hace en el cristalizador de agotamiento.
El control del proceso de la cristalización por enfriamiento debe asegurar que siempre se
opere en la zona metaestable, para evitar que se formen granos nuevos (el llamado grano
falso), ya que estos son irregulares y pequeños, y fácilmente escapan con la miel por las
mallas de las centrífugas, con lo cual aumentan las pérdidas de sacarosa en la miel final.
El principal indicador del comportamiento de una solución de azúcar sometida a
cristalización, obviamente es el grado de sobresaturación. En los tachos de vacío, es una
práctica establecida, guiar el proceso por la medición y control de este indicador. Sin
embargo, en los cristalizadores de agotamiento, el grado de sobresaturación no es medido,
sino que se trata de que la curva de enfriamiento de la masa cocida asegure una
sobresaturación constante durante el proceso de enfriamiento.
Enfriamiento y viscosidad
Las masas cocidas de bajas purezas son descargadas de los tachos a temperaturas
comprendidas entre 65 y 70 C.
En cuanto a la velocidad de enfriamiento idónea de la masa cocida en los cristalizadores,
hay algunas diferencias en los criterios de los especialistas.
Honig [12] afirma que dadas las limitaciones prácticas y teniendo en cuenta el mezclado
producido por la agitación, la velocidad de enfriamiento puede ser la máxima que permita
la capacidad del equipo. Genotelle [4] recomienda una velocidad de enfriamiento de un
grado centígrado por hora, lo que según él asegura una sobresaturación constante durante el
proceso. En [14] Jenkins afirma que la velocidad de enfriamiento puede llegar hasta 1,7
grados centígrados por hora sin peligro de formación de nuevos granos.
Sin embargo, lo cierto es que, en la industria, el control del ciclo de enfriamiento se ejerce
regulando la temperatura final o terminal de la masa cocida (en el caso de los
cristalizadores continuos) o la temperatura a la salida de cada cristalizador (en el caso de
una estación de cristalizadores en serie).
Con relación al valor deseado de la temperatura de la masa cocida, al final del ciclo o fase
de enfriamiento, está bastante generalizado el criterio, de que ésta debe estar alrededor de
40 grados centígrados. Un enfriamiento mayor, incrementa excesivamente la compacidad
de la masa y la viscosidad de la miel; un enfriamiento menor disminuye el agotamiento de
la miel. Sin embargo, es necesario tener en cuenta, que la compacidad de la masa cocida, e
igualmente la viscosidad del licor madre, dependen de otros parámetros además de la
temperatura, tales como la naturaleza de los no-azúcares presentes y su concentración.
Esto significa que en diferentes fábricas, la compacidad de la masa cocida puede tener
valores diferentes, aunque las temperaturas terminales de enfriamiento sean las mismas, e
Capítulo 5: CRISTALIZACIÓN DE AGOTAMIENTO CON ENFRIAMIENTO Y MOVIMIENTO.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
132
incluso, en una misma planta, pero en diferentes etapas de la zafra, la compacidad puede
presentar variaciones, para una misma temperatura final.
Como se ha visto, la viscosidad es un parámetro determinante en la operación de los
cristalizadores de agotamiento, porque además de influir sobre la velocidad de
cristalización, determina el consumo de energía del mecanismo agitador, el tiempo de
residencia de la masa cocida y la eficiencia de la transferencia de calor. Valores demasiado
altos de la viscosidad pueden incluso dañar el sistema agitador y en general el manejo del
material.
Recalentamiento de la masa cocida
Cuando la masa cocida ha sido enfriada hasta el valor terminal deseado (aproximadamente
40 C), la viscosidad es normalmente tan alta, que imposibilita una eficiente separación de
los cristales y la miel durante el proceso de purga o centrifugación. Esto es aún más grave,
en los casos que se utilizan centrífugas continuas.
Hay dos métodos para reducir la viscosidad: el método de dilución y el método de
calentamiento.
El método de dilución no se prefiere debido al riesgo de que ocurra disolución de los
cristales ya formados. El método más utilizado es el calentamiento; con este fin se calienta
gradualmente la masa cocida hasta una temperatura comprendida entre 53 y 55 C.
Trabajos experimentales realizados en el Instituto Cubano de Investigaciones Azucareras,
demuestran que la temperatura de la masa cocida puede incrementarse hasta ese rango, sin
peligro de que se presente el efecto negativo de redisolución de cristales.
Mezclado y agitación.
Al principio, el contenido de los tachos se descargaba en tanques abiertos de
almacenamiento y ahí se dejaba enfriar la masa cocida. Se pensaba que el movimiento
afectaba la cristalización, y realmente lo que ocurría era que gran cantidad de sacarosa
disuelta, que potencialmente podía “adherirse” a los granos ya formados, se fugaba con las
mieles o se formaban nuevos granos (debido a la sobresaturación local) que también salían
por la malla de la centrífuga, junto con las mieles.
Al abandonar el tacho vacío, el licor madre tiene un cierto grado de sobresaturación y es
sumamente viscoso, de modo que si la masa cocida se deja reposar, cesará la cristalización
en el momento que la capa de licor madre que rodea el cristal se agote, porque la alta
viscosidad impedirá que las moléculas de azúcar más alejadas se pongan en contacto con
los cristales.
Por esta razón, se adoptó el método de cristalización con mezclado o movimiento de la
masa cocida. A este fin los cristalizadores de agotamiento disponen de un mecanismo
mezclador o revolvedor, que es diseñado para asegurar los siguientes objetivos:
Posibilitar al máximo que los cristales se muevan libremente en el seno del licor
madre.
Garantizar una temperatura uniforme de la masa cocida.
Evitar la sobresaturación local
Reducir los efectos negativos de zona muerta y canalización que normalmente se
producen en el flujo de la masa cocida.
Capítulo 5: CRISTALIZACIÓN DE AGOTAMIENTO CON ENFRIAMIENTO Y MOVIMIENTO.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
133
5.2.2 Tipos de cristalizadores con enfriamiento y movimiento o
mezclado.
Han sido desarrollados diferentes tipos de cristalizadores con enfriamiento forzado y
mecanismo mezclador. Todos utilizan el agua como agente de intercambio calórico
Pueden mencionarse los siguientes:
Cristalizador con circulación de agua por la superficie exterior de su casco o
carcaza.
Cristalizador de discos estacionarios.
Cristalizador de discos rotatorios.
Cristalizador rotatorio.
Cristalizador vertical.
Cristalizador Werkspoor.
Cristalizador Blanchard.
Cristalizador Reto-Werkspoor.
El cristalizador Blanchard es esencialmente un gran recipiente de sección transversal
cilíndrica o semicilíndrica, construido con chapas de acero. Está dotado de un sistema que
sirve a la vez de mezclador y para el intercambio de calor. Este sistema consiste en un tubo
central al cual están soldadas numerosas aspas o paletas huecas, con sección transversal en
forma elíptica y cuyos extremos están aplastados y soldados.
El tubo central, de diámetro aproximado de l0 pulgadas está situado longitudinalmente a lo
largo del equipo, apoyado en los cabezales del cristalizador. Cuando el cristalizador está
trabajando a su capacidad nominal, el tubo central y el conjunto de paletas están
sumergidos dentro de la masa cocida. El agua (fría o caliente según el caso) es alimentada
por el tubo central y de este fluye hasta las aspas huecas, posibilitando así la transferencia
de calor. Todo el sistema gira a baja velocidad y de esta forma las paletas producen el
mezclado de la masa cocida.
El cristalizador Reto-Werkspoor es un cristalizador continuo; es el resultado del
mejoramiento sucesivo del cristalizador WERKSPOOR. Como sistema de intercambio
calórico, dispone de una serie de pares de parrillas huecas sustituibles, fijadas en posición
vertical y colocadas simétricamente a todo lo largo del equipo. Un esquema de este
cristalizador se muestra en la siguiente Figura 5.2.
Las parrillas de cada etapa están acopladas a una tubería común de alimentación de agua y
a otra para el drenaje. Para forzar el mezclado y el desplazamiento de la masa cocida a
través del equipo, dispone de un eje central de 30 cm de diámetro, dotado de 48 paletas. El
eje central es accionado por un motor eléctrico de 5 kw a través de un reductor de
velocidad.
El equipo dispone además de deflectores o mamparas (baffles). Los deflectores son
planchas de acero cuya única función es evitar que la masa cocida siga una línea recta a
través del cristalizador. Para este fin se colocan dos deflectores en la parte superior y uno en
la parte inferior.
Este sistema (eje, paletas y deflectores) asegura eficientemente el movimiento axial y
longitudinal de la masa y evita hasta cierto grado, los efectos negativos de zona muerta y
Capítulo 5: CRISTALIZACIÓN DE AGOTAMIENTO CON ENFRIAMIENTO Y MOVIMIENTO.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
134
canalización, que comúnmente se producen en el flujo de la masa cocida.
La masa cocida es alimentada desde el receptor de templas al equipo por medio de una
bomba rotatoria, entregando la masa cocida al cristalizador por su parte superior. La
descarga de la masa está ubicada en el extremo opuesto a la alimentación y a un metro por
debajo del borde superior del equipo.
El tiempo de residencia de la masa cocida en el cristalizador puede fluctuar entre 24 y 28
horas para un flujo de alimentación de masa cocida de 2 metros cúbicos por hora
aproximadamente. La caída o reducción de la pureza del licor madre desde que es
descargada del tacho hasta el momento de su centrifugación es de 10 grados
aproximadamente.
Figura 5.2: Crist alizador cont inuo Ret o- Werkspoor
Cristalizadores verticales
Son esencialmente grandes recipientes cilíndricos posicionados verticalmente, dotados de
un sistema de agitación y otro de enfriamiento, Figura 5.3.
Figura 5.3: Crist alizador vert ical
Capítulo 5: CRISTALIZACIÓN DE AGOTAMIENTO CON ENFRIAMIENTO Y MOVIMIENTO.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
135
5.2.3 Modos de operación de los cristalizadores de agotamiento.
Hasta los primeros años de la década de los 70, la batería o estación de cristalizadores de
agotamiento era operada en forma batching o discontinua.
Con esta tecnología, cada templa producida (cada masa cocida descargada del tacho) se
descargaba a uno cualquiera de los cristalizadores disponibles, y en éste, la masa recibía el
tratamiento térmico completo; primeramente se enfriaba hasta la temperatura deseada
(alimentando agua fría al sistema de intercambio calórico) y posteriormente se recalentaba
(alimentando agua caliente al mismo sistema de intercambio calórico ).
Cuando este tratamiento ha sido concluido, comienza la descarga de la masa cocida y
después el equipo queda libre para recibir otra templa.
Con este régimen de operación discontínua, se puede tener, en un momento dado, masas
cocidas en diferentes fases de enfriamiento: algunas pueden estar al inicio del ciclo de
enfriamiento, otras a la mitad y otras en la fase final.
Lo mismo ocurre con la etapa de recalentamiento. Este modo de operación ya casi no se
utiliza en las fábricas cubanas debido a sus limitaciones y desventajas.
Estación de cristalizadores conectados en serie.
En la década del 70, se introdujo una innovación que permitió operar en una forma continua
la estación o batería de cristalizadores de agotamiento discontínua o convencional de las
fábricas de azúcar.
Esta innovación consistió en interconectar por medio de canales alternos los diferentes
cristalizadores que componen la batería de cristalizadores convencionales, tal como se
muestra en la siguiente Figura 5.4:
Figura 5.4: Est aci ón de crist alizadores blanchard op erados en serie
Capítulo 5: CRISTALIZACIÓN DE AGOTAMIENTO CON ENFRIAMIENTO Y MOVIMIENTO.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
136
Con esta modificación, el proceso de tratamiento de la masa cocida de bajo grado, se realiza
en forma continua a través de todos los cristalizadores de la estación.
Las masas cocidas de baja pureza producidas en los diferentes tachos son descargadas a
uno o más tanques receptores de templas y de estos se alimenta al primer cristalizador de
la batería, desde donde fluye por reboso hasta el último cristalizador.
La función de los receptores de templas o portatemplas es de almacenaje , esto es, sirven de
amortiguador a las discontinuidades del flujo de masa cocida, introducidas por la operación
discontinua de los tachos de tercera. En ellos también ocurre alguna cristalización.
Los primeros cristalizadores de la serie se utilizan para el enfriamiento y los últimos para el
recalentamiento. Las cantidades de equipos destinadas al enfriamiento y al recalentamiento
se determinan específicamente para cada caso.
Sin lugar a dudas, esta innovación facilitó la operación, mejora el rendimiento, demanda
menos personal y facilita la automatización del proceso de agotamiento de las mieles
finales.
En algunas fábricas se utiliza una sola batería o banco de cristalizadores conectadas en
serie, pero hay fábricas donde se utilizan dos baterías o bancos que trabajan en paralelo.
5.3 Dinámica de la temperatura de la masa cocida en el proceso
de agotamiento.
Como ya se conoce, el proceso de agotamiento de la miel final se realiza en los
cristalizadores de terceras, y el control del proceso consiste en el control del tratamiento
térmico de la masa cocida durante su residencia en la estación de cristalizadores.
En [13] se desarrolla un modelo matemático para los cristalizadores por enfriamiento que
consta de cinco ecuaciones diferenciales ordinarias no lineales: los balances de masa para la
sacarosa cristalizada, para la sacarosa disuelta, y para el agua, y los balances de energía
para la masa cocida y para el agua de enfriamiento, junto con la expresión cinética para el
crecimiento de los cristales, y las relaciones de equilibrio de fases. El modelo se resuelve
numéricamente empleando el método de Runge-Kutta de cuarto orden. El programa de
simulación desarrollado permite seguir la evolución con la distancia de las variables más
importantes tales como el Brix, la pureza, y la temperatura de la masa cocida, la tasa de
cristalización y el tamaño promedio de los cristales, y la temperatura del agua de
enfriamiento. El programa se validó utilizando datos de planta obtenidos durante un
seguimiento de varios meses a los cristalizadores verticales del Ingenio Manuelita.
Desde el punto de vista del control de la temperatura de la masa cocida cualquier
cristalizador puede ser representado por el esquema de la Figura 5.5:
Obviamente, la dinámica más importante es la de la temperatura de la masa cocida frente a
cambios en el flujo de agua, habida cuentas que ésta es la magnitud manipulada.
La perturbación principal es la variación del flujo de masa cocida entrando al cristalizador,
originado en el hecho de que la alimentación a la estación de cristalizadores es por templas
desde los tachos. Las otras dos perturbaciones externas tienen un efecto menor. La
Capítulo 5: CRISTALIZACIÓN DE AGOTAMIENTO CON ENFRIAMIENTO Y MOVIMIENTO.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
137
temperatura de entrada del agua, en el caso que sea para enfriamiento, cambia poco y muy
lentamente a lo largo del día, y en el caso que sea para calentamiento no cambia porque está
regulada automáticamente.
Figura 5.5: Represent ación esquem át ica de un crist alizador
La temperatura de entrada de la masa cocida, cuando se trata del primer cristalizador de un
banco conectado en serie es la temperatura a que se descargan las templas de tercera, la cual
es bastante constante y cuando varía lo hace lentamente
Desde el punto de vista térmico, un cristalizador no es más que un intercambiador de calor
de diseño especial para manejar un fluido tan viscoso como es la masa cocida. Al igual que
el intercambiador constituye un proceso de elevado orden y de parámetros distribuidos,
pero bajo ciertas condiciones puede ser modelado con suficiente aproximación por un
modelo lineal de primer orden con retardo de tiempo.
Bajo esas condiciones o premisas, y desde el punto de vista del tratamiento térmico de la
masa cocida, un cristalizador (se ha supuesto que se está utilizando para enfriamiento)
puede representarse con suficiente aproximación por el modelo dinámico de la
Figura 5.6:
Figura 5.6: Modelo dinám ico de la t em perat ura de la m asa cocida en un crist alizador
El modelo elegido tiene tres parámetros, la ganancia en el estado estacionario K, la
constante de tiempo T y el retardo L.
Capítulo 5: CRISTALIZACIÓN DE AGOTAMIENTO CON ENFRIAMIENTO Y
.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
138
Para la determinación de los coeficientes o parámetros del modelo dinámico de la
temperatura de la masa cocida en los cristalizadores, el autor utilizó el método de
identificación experimental basado en registrar la respuesta de la temperatura ante un
cambio en escalón en el agua alimentada al cristalizador y aproximarla a la de un sistema
de primer orden con retardo de tiempo.
Los diversos métodos de aproximación gráfica para un modelo de este tipo coinciden en
que la ganancia queda unívocamente determinada como el cociente entre el cambio
observado en la salida y el cambio provocado en la entrada del proceso. No ocurre así con
los otros parámetros del modelo, la constante de tiempo y el retardo, para los que se
proponen diferentes métodos.
Estos experimentos se realizaron en varios ingenios de caña de azúcar:
El centro azucarero “Fernando de Dios” tiene dos bancos de cristalizadores que operan en
paralelo. Cada banco está integrado por cuatro cristalizadores conectados en serie, de los
cuales los tres primeros se utilizan para el enfriamiento y el último para el recalentamiento.
Ambos bancos son alimentados desde un receptor de templas común situado encima de los
bancos. En el segundo cristalizador del primer banco se introdujo un cambio brusco del
agua de 20 galones por minutos y se midió la temperatura cada 5 minutos. Durante todo el
experimento se mantuvieron constante la temperatura (61C) y el flujo de entrada de la
masa cocida al cristalizador.
Los parámetros del modelo son los siguientes:
T = 75 minutos
L = 35 minutos
K = - 0.3 C/GPM
Obsérvese que el cociente L/T = 35/75= 0.466, lo que significa que el proceso es de retardo
dominante.
5.3.1 Validación del modelo.
Para validar el modelo elaborado, Figura 5.7, se comparó su respuesta con la real,
utilizando el propio paquete MATLAB
Como se puede observar el modelo describe con gran aproximación el transitorio de la
temperatura de la masa cocida ante un salto en el flujo de agua de enfriamiento. El error
medio es de -0.4 C, el error máximo absoluto es de -1C y el error máximo en % es del (2.2 %).
El Centro Abraham Lincoln cuenta con una batería de tres cristalizadores conectados en
serie, alimentados desde un receptor de templas de 1300 pies cúbicos ubicado encima del
banco. En un experimento realizado en el segundo cristalizador se sometió primeramente a
un paso escalón positivo en el flujo de agua de 10 galones/min (de 5 a15 GPM) y se
registro la temperatura de la masa cada 5 minutos hasta alcanzar el nuevo estado
estacionario. Inmediatamente se repitió el experimento pero con el escalón negativo.
Durante todo el experimento se mantuvo constante el flujo de masa cocida. Se obtiene un
retardo de 27.5 min., una constante de tiempo de 53,5 min y una ganancia de 0.121
Capítulo 5: CRISTALIZACIÓN DE AGOTAMIENTO CON ENFRIAMIENTO Y MOVIMIENTO.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
139
C/GPM.
Validación del modelo del cristalizador del Fernando de Dios
60
50
Temperatura (ºC)
40
30
o=Temperatura real
20
+=Temperatura del modelo
10
____ = error del modelo
0
-10
0
20
40
60
80
100
120
Tiempo (min)
140
160
180
200
Figura 5.7: Validación del m odelo del Fernando de Dios
La validación de este modelo se realizó de forma similar, obteniéndose un error medio de 0.2 C, un error máximo de -0.4 C y un por ciento de error máximo de -1.1%.
Los ensayos experimentales realizados en diversos ingenios permiten afirmar:
Que la dinámica de la temperatura de la masa cocida frente a cambios en el flujo de
agua se puede representar por un modelo de primer orden con retardo de tiempo.
Que el retardo aparente de tiempo y la constante de tiempo son sumamente grandes,
debido a las grandes capacidades de almacenamiento de masa y energía que posee
un cristalizador.
5.4 Instrumentación y control actual del proceso de agotamiento.
El control actual del proceso de agotamiento en los cristalizadores de tercera de la mayor
parte, por no decir en todos los ingenios latinoamericanos se realiza manualmente por los
operadores del área, es decir no está automatizado.
Este control manual es sumamente deficiente, y por esta razón, entre otras, las mieles
finales presentan altas purezas en la mayoría de dichos ingenios.
Las causas de las deficiencias del control manual son las siguientes:
No se logra un flujo constante y ni siquiera continuo de la masa cocida en proceso
de tratamiento térmico en los cristalizadores y de separación en las centrifugas. Esto
es debido a que el operador no garantiza, ni siquiera un flujo continuo de la masa
cocida entrando al proceso desde el portatemplas.
Las bruscas fluctuaciones del flujo de masa cocida entrando al proceso de la
cristalización por enfriamiento constituye la peor perturbación para el control del
tratamiento térmico de la misma y por esa razón no se logra un agotamiento
aceptable de la miel final.
En la década de los 70 se automatizó el control de este proceso en algunos ingenios que se
Capítulo 5: CRISTALIZACIÓN DE AGOTAMIENTO CON ENFRIAMIENTO Y MOVIMIENTO.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
140
construyeron y en algunos viejos. A esta estrategia es la que denominamos “actual” en este
capítulo.
Como ya se ha dicho, en todos los casos en que se aplicó control automático al proceso de
agotamiento en un cristalizador continuo, la estrategia empleada fue controlar a valor
constante el nivel en el cristalizador manipulando el flujo de masa cocida procedente del
portatemplas, y controlar las temperaturas de enfriamiento y recalentamiento con
reguladores PID manipulando el flujo de agua fría y el de agua caliente respectivamente.
Similarmente, en los pocos casos en que se aplicó automatización a una batería de
cristalizadores en serie, la estrategia fue controlar a valor constante el nivel en el primer
cristalizador de la batería y controlar la temperatura de la masa cocida en cada cristalizador
con reguladores PID.
Esta estrategia de control no tuvo éxito en ningún caso y por esa razón actualmente ningún
ingenio opera esta área automáticamente. Las causas del fracaso de esta estrategia de
regulación son las siguientes:
Es un error pretender controlar a valor constante el nivel en el cristalizador. Esto no es
posible porque el portatemplas recibe la masa cocida por lotes o templas y su capacidad
volumétrica es limitada. Esto redunda en que cuando el portatemplas se vacía se interrumpe
el flujo a través del sistema.
Es también un error pretender controlar las temperaturas con reguladores PID, teniendo en
cuenta las extraordinariamente lentas dinámicas que caracterizan este proceso desde el
punto de vista térmico.
5.4.1 Concepción de una nueva estrategia de control para el proceso
de agotamiento de la miel final.
Para ilustrar la concepción de la nueva estrategia de control para el proceso de agotamiento
se utiliza como caso de estudio una estación de agotamiento típica, integrada por un
receptor de templas y un banco de cuatro cristalizadores conectados en serie, de los cuales
los tres primeros se destinan al enfriamiento y el último al recalentamiento, tal como se
muestra en la Figura 5.8.
Figura 5.8: Est ación de crist alizadores de agot am ient o conect ados en serie
Capítulo 5: CRISTALIZACIÓN DE AGOTAMIENTO CON ENFRIAMIENTO Y MOVIMIENTO.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
141
Las características del proceso de agotamiento de las mieles finales, desde el punto de vista
del control son las siguientes:
Las variables a controlar son las temperaturas de la masa cocida en la salida de cada
cristalizador del banco.
Las variables manipuladas son los flujos de agua fría y caliente alimentados a cada
cristalizador.
La perturbación principal que afecta al control de la temperatura de la masa cocida
es el cambio en el flujo de masa cocida (Fm2) que se suministra al primer
cristalizador del banco. Téngase en cuenta que se trata de un proceso continuo, pero
que es alimentado desde los tachos de tercera, los cuales operan por templas, es
decir en forma discontinua. Aun cuando para acoplar ambos procesos se utiliza un
tanque amortiguador o receptor de templas, lo cierto es que en ningún caso éste es
tan grande como para poder garantizar un flujo constante de masa cocida a los
cristalizadores.
Otras perturbaciones que afectan el control del proceso son los cambios en la
temperatura de la masa cocida descargada de los tachos y los cambios en la
temperatura del agua utilizada para el enfriamiento, pero ciertamente el efecto de
ellos se puede despreciar en comparación con la perturbación principal.
La dinámica de la temperatura de la masa cocida frente a cambios en el flujo de agua o en
el de masa cocida es extremadamente lenta, debido a las altas capacidades de
almacenamiento de energía y masa que posee un cristalizador.
Ahora bien, para optimizar el proceso de la cristalización por enfriamiento bajo el criterio
de minimizar la pureza de la miel final, es necesario garantizar una sobresaturación
constante durante todo el proceso de enfriamiento, que induzca la máxima velocidad de
cristalización posible, pero evitando la formación del falso grano.
A su vez para garantizar esa sobresaturación constante, es necesario asegurar una velocidad
de enfriamiento constante de la masa cocida a lo largo de su recorrido por los
cristalizadores del banco destinados al enfriamiento.
La solución a este problema de control es instalar un lazo de regulación en cada
cristalizador para controlar a valor constante la temperatura de la masa cocida a su salida,
tal como se muestra en la Figura 5.9.
Las referencias, consignas o valores deseados de cada uno esos reguladores se fijarán de
modo de obtener la misma caída o reducción de temperatura en cada uno de los
cristalizadores de enfriamiento de la masa cocida.
El criterio de diseño de estos lazos de regulación de temperatura, es reducir al mínimo
posible la desviación típica de la variable controlada (temperatura) con respecto a su valor
óptimo ajustado en el regulador.
El sistema de control concebido está integrado por dos subsistemas:
El subsistema de control de la alimentación de masa cocida al banco de
cristalizadores.
El subsistema de control del tratamiento térmico de la masa cocida en el banco
de cristalizadores.
Capítulo 5: CRISTALIZACIÓN DE AGOTAMIENTO CON ENFRIAMIENTO Y MOVIMIENTO.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
142
Figura 5.9: Concepción general del sist em a de cont r ol
5.4.2 El subsistema de control de la alimentación de masa cocida al
banco.
El proceso de la cristalización por enfriamiento en un banco de cristalizadores en serie es
un proceso continuo, y como tal, su rendimiento óptimo se logra si se garantiza una
alimentación constante al mismo. Sin embargo el óptimo ideal o teórico (flujo constante de
masa cocida alimentada al banco) es prácticamente imposible de lograr por las siguientes
causas:
El proceso de producción en los tachos es por lotes, es decir discontinuo o
intermitente.
La periodicidad con que se suceden las templas de tercera no es suficientemente
constante. La capacidad volumétrica de los portatemplas es limitada.
Por estas razones, la concepción del sistema de control de alimentación al banco consiste en
un sistema de control promediante de nivel de la masa cocida en el portatempla, sintetizado
para producir el máximo amortiguamiento posible a las fluctuaciones del flujo alimentado
al banco.
Figura 5.10: Diagram a de bloque del sist em a de cont rol prom ediant e
Un diagrama de bloque de este subsistema se muestra en la Figura 5.10 para el caso de un
controlador promediante lineal.
Capítulo 5: CRISTALIZACIÓN DE AGOTAMIENTO CON ENFRIAMIENTO Y MOVIMIENTO.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
143
Como se observa, este sistema de control no garantiza un flujo constante de masa cocida
hacia el banco, pero si garantiza un flujo continuo y con fluctuaciones suaves, tanto más
amortiguado cuanto mayor sea la capacidad volumétrica del portatemplas. Además, si la
periodicidad de producción de las templas de tercera, tiene un mínimo de exactitud y la
capacidad volumétrica del o los portatemplas, es al menos 1.5 veces de la de los tachos, el
sistema garantiza que no se detenga la producción en estos últimos por llenado completo de
los portatemplas y que no se produzca desbordamiento en el portatemplas.
5.4.3 Subsistema de control del tratamiento térmico de la masa cocida.
Como ya se dijo, para optimizar el proceso de la cristalización por enfriamiento bajo el
criterio de minimizar la pureza de la miel final, es necesario garantizar una sobresaturación
constante durante todo el proceso de enfriamiento, que induzca la máxima velocidad de
cristalización posible, pero evitando la formación del falso grano.
A su vez para garantizar esa sobresaturación constante, es necesario asegurar una velocidad
de enfriamiento constante de la masa cocida a lo largo de su recorrido por los
cristalizadores del banco destinados al enfriamiento.
Las referencias, consignas o valores deseados de cada uno esos reguladores se fijaran de
modo de obtener la misma caída o reducción de temperatura en cada uno de los
cristalizadores de enfriamiento constante de la masa cocida.
El criterio de diseño de estos lazos de regulación de temperatura, es reducir al mínimo
posible la desviación típica de la variable controlada (temperatura) con respecto a su valor
óptimo ajustado en el regulador.
Por la naturaleza del proceso, caracterizada por grandes constantes y retardos de tiempo, es
necesario utilizar estrategias de control especiales para procesos extraordinariamente lentos,
tales como el predictor de Smith, el controlador no lineal paso a paso, un controlador
predictivo basado en modelo.
5.5 Conclusiones
Coexisten diferentes tipos de cristalizadores, aunque la tendencia es ir hacía la utilización
de cristalizadores verticales.
En sentido general el proceso de agotamiento de las mieles finales en los crsitalizadores de
terceras está sin automatizar en la gran mayoría de ingenios latinoamericanos, por no decir
en todos.
Referencias Bibliográficas
[1]
[2]
[3]
Castañeda, J., Fernández, R. , Valdés, A.:Evaluación del cristalizador para masas
cocidas de agotamiento. ICINAZ. Informe Técnico. 1979.
Valdés, A., Cambeiro, F., Gómez, O.: Evaluación de la operación en serie de los
cristalizadores de masas cocidas de bajas purezas. Revista Cuba Azúcar. EneroMarzo 1974.
Gallardo, I., Alemán, R., Valdés, A.: Cristalización por agotamiento. Un estudio
Capítulo 5: CRISTALIZACIÓN DE AGOTAMIENTO CON ENFRIAMIENTO Y MOVIMIENTO.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]
[9]
[10]
[11]
[12]
[13]
[14]
[15]
[16]
[17]
144
bibliográfico. Revista Centro- Azúcar, Sept-Dic 1980.
Genotelle, J.: Improvements in molasses exhauction. International Sugar Journal.
March 1977.
Rein, P.: A study of continuos low grade crystallizer perfomance. Processing,
1982.
Teijero, S., Padrón, J., Cabana, J.: Estudio de viabilidad e ideas preliminares
acerca de la modelación y la optimización de los cristalizadores continuos de la
industria azucarera. Primera conferencia científica del IMACC. Abril 1979.
Padrón,P., Verdaguer,R.: Un algoritmo de optimización para los cristalizadores
continuos. Resúmenes 43 Conferencia de la Asociación de Técnicos Azucareros
de Cuba (ATAC). 1981.
Padrón, P., Teijero, S., Cabana, J.: Estructura de un modelo dinámico para los
cristalizadores continuos de la industria azucarera. Memoria de la 42 conferencia
de la ATAC.
Toledo, A., Carbonell, I. y Gómez, L.: Análisis de variantes para el sistema de
control de la temperatura en cristalizadores con enfriamiento forzado. Revista
Electrónica, Automática y Comunicaciones. Vol XV, #1, 1994.
Gorostiaga, L.: Control de la temperatura de la masa cocida en los cristalizadores.
Memorias de la 42 conferencia de la ATAC. Tomo VIII. 1979.
Departamento Técnico de la Empresa de Automatización Industrial (EDAI) del
MINAZ: Automatización de los cristalizadores de agotamiento. Proyecto
ejecutivo. 1982.
Honig, P.: Principios de Tecnología Azucarera. TomoII. Editorial Continental S.A
Spencer, M.: Manual de caña de azúcar
Jenkins, G.: Introducción a la tecnología del azúcar de caña. Edición 1988.
Llano-Resptrepo, M., Benítez, J. y Rocío J.: Modelación matemática y simulación
computacional de cristalizadores por enfriamiento para la producción de azúcar de
caña In: XX Congreso Colombiano de Ingeniería Química, 1999, Cali
Díaz, A. y Remedios, P: Análisis de las viscosidades de mieles y masas cocidas de
las provincias de Santiago de Cuba y Las Tunas con vistas a establecer las
variaciones más esperadas con la temperatura. TECNOLOGÍA QUÍMICA Vol.
XXII, No. 2, 2002
Figueroa, F. y Rodríguez, W.: Automatización de sistemas de control y
preparación de masas. Memorias del IV Congreso Colombiano de la Asociación
de Técnicos de la caña de azúcar. Tomo 2, Pág. 165-193, Septiembre 1997.
Capítulo 5: CRISTALIZACIÓN DE AGOTAMIENTO CON ENFRIAMIENTO Y MOVIMIENTO.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
145
Capítulo 6: CENTRIFUGACIÓN.
Ismael Mazón
Universidad de Costa Rica, Costa Rica
6.1 Introducción.
La caña que llega a la fábrica transportada desde los cañaverales es pesada en básculas y
descargada con grúas tipo hilo o volteadores de camiones sobre las mesas de alimentación.
El proceso de preparación consiste en romper o desfibrar las celdas de los tallos mediante
picadores. Las bandas transportadoras conducen la caña picada a los molinos, donde se
realiza el proceso de extracción de la sacarosa, que consiste en exprimir y lavar la cama de
bagazo por medio del uso de molinos. El lavado de la cama de bagazo se hace con jugo
extraído en el molino siguiente, a esto se le llama maceración, para el caso del último
molino se utiliza agua condensada caliente, a esto se le llama imbibición, que facilita el
agotamiento de la sacarosa en el bagazo y evita la formación de hongos y, por lo tanto,
evita la necesidad de emplear bactericidas. Una vez extraído el jugo el bagazo del último
molino es llevado a las calderas, para utilizarlo ya sea como combustible, o almacenarlo
con el fin de usarlo en otros procesos, por ejemplo en la industria de papel.
Luego de ser pesado el jugo proveniente de los molinos es vertido en el tanque de
alcalinización, donde se rebaja su grado de acidez y se evita la inversión de la sacarosa,
adicionando lechada de cal. Este proceso ayuda a precipitar la mayor parte de las impurezas
que trae el jugo. El jugo alcalinizado se bombea a los calentadores, donde se eleva su
temperatura hasta cerca del punto de ebullición; luego pasa a los clarificadores continuos,
en los que se sedimentan y decantan los sólidos, por otro lado el jugo claro es extraído por
la sección superior. Los sólidos decantados pasan a filtros rotatorios y al vacío, los cuales
están recubiertos con malla metálicas finas que dejan pasar el jugo, pero retienen la cachaza,
útil como abono en la plantación.
El jugo clarificado pasa a evaporadores al vacío que facilitan la ebullición a menor
temperatura. En este paso se extrae el 75% del contenido de agua al jugo, cuyo producto es
el jarabe o meladura.
La cristalización o cocimiento de la sacarosa contenida en el jarabe se lleva a cabo en
tachos al vacío. Este cocimiento producirá, según su pureza, azúcar crudo (para exportación
o producción de concentrados para animales), azúcar blanco (para consumo directo) o
azúcar para refinación. La cristalización del azúcar es un proceso lento que se acelerarse
introduciendo al tacho granos de polvillo de azúcar molidos finamente. Para la obtención de
un buen producto es indispensable la habilidad y la experiencia de los operarios que juzgan
el punto exacto de cada cocimiento.
Los cristales de azúcar se separan de la miel mediante máquinas centrífugas; que consisten
de cilindros de malla muy fina que giran a alta velocidad. El líquido sale por la malla y los
cristales permanecen en el cilindro, que luego se lavan con agua. Las mieles vuelven a los
tachos, o bien se utilizan como materia prima para la producción de alcohol etílico en una
destilería. El azúcar de primera calidad retenido en las mallas de las centrífugas, se disuelve
con agua caliente y se envía a la refinería, para continuar el proceso. En este punto se
Capítulo 6: CENTRIFUGACIÓN.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
146
obtiene el Azúcar Rubia, debido al color de los cristales; a partir del Azúcar Rubia se
obtiene el Azúcar Blanca o Azúcar Refinada.
La refinación elimina o reduce las materias coloidales, colorantes o inorgánicas que el licor
puede contener. El azúcar disuelto se trata con ácido fosfórico y sacarato de calcio para
formar un compuesto floculante que arrastra las impurezas. Estas impurezas son retiradas
en el clarificador. Una vez que ha sido clarificado el producto pasa a cisternas de carbón
que quitan mediante adsorción la mayor parte de las materias colorantes presentes en el
licor. El licor que resulta se concentra, se cristaliza de nuevo en un tacho y se pasa a las
centrífugas, para eliminar el jarabe.
El azúcar refinado se lava con condensado de vapor, se seca con aire caliente, se clasifica
según el tamaño del cristal y se almacena en silos para su posterior empaque.
El azúcar crudo de exportación sale directamente de las centrífugas a los silos de
almacenamiento. Allí se carga a granel y lo llevarán al puerto de embarque o bien se
empaca en sacos de 50 Kg., para ser utilizado en la fabricación de alimentos concentrados
para animales. El azúcar refinado se empaca en presentaciones de 5, 500, 1000 y 2500
gramos; 50 y 100 kilogramos y hasta por toneladas.
En esta sección se hace una descripción de los procesos de centrifugación, secado y
envasado en la producción de azúcar de caña así como los sistemas de control automático
utilizados en estas partes del proceso.
6.2 Tipos de azúcar.
A continuación se describen someramente algunos de los tipos de azúcar más comunes que
se producen en la industria azucarera.
Mascabada: Azúcar granulada cubierta con una capa delgada de melaza de caña
para darle un aroma y sabor característico. Es el azúcar más natural pues que no
sufre ningún proceso de refinación.
Azúcar estándar o morena: Azúcar natural formada por granos finos que
conservan una ligera película dorada de miel que le da su color característico. El
proceso de cristalización le da al azúcar Estándar o Morena su sabor, su
atractivo color y su perfil nutricional.
Azúcar refinada: Se llama así a toda azúcar granulada de color blanco con
mayor concentración de sacarosa y menor grado de impurezas que el azúcar
común; la cual se obtiene mediante la purificación, decoloración y
recristalización del azúcar crudo. Esto se hace disolviendo azúcar crudo,
purificando el jarabe resultante y cristalizándolo de nuevo para formar el grano.
A esto se le llama, industrialmente, refinación.
Azúcar Glass: Azúcar estándar pulverizado finamente y de textura suave,
mezclada con un máximo de 5% de fécula de maíz, muy utilizada en la
producción de glaseados y espolvoreados.
Azúcar baja en calorías: Azúcar que se obtiene de la combinación de azúcar
refinada con edulcorante natural de alta intensidad. Este edulcorante no aporta
calorías.
El azúcar baja en calorías conserva las propiedades de sabor del azúcar refinada, por este
motivo puede ser utilizado de la misma forma que se utilizan los otros tipos de azúcar, la
Capítulo 6: CENTRIFUGACIÓN.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
147
diferencia básica es que el azúcar baja en calorías endulza el doble que el azúcar común.
6.3 Algunas definiciones generales de la caña de azúcar.
A continuación se definen algunos de los términos más utilizados en la producción de
azúcar de caña.
Caña: es la materia prima que normalmente se suministra a la fábrica y que
comprende la caña en sí, la paja, el agua y otras materias extrañas.
Paja: es la materia seca de la caña que no es soluble en agua.
Jugo Absoluto: son todas las materias disueltas en la caña, más el agua total de
la caña.
Bagazo: es el residuo que queda luego de la extracción del jugo de la caña por
cualquier medio ya sea molino o presa.
Jugo Residual: es la fracción de jugo que queda en el bagazo y que no ha podido
ser extraída.
Brix: es la concentración, expresada en g de concentrado en 100 g de solución,
de una solución de sacarosa pura en agua.
Pol: es la concentración expresada en g de solución en 100 g de solución de una
solución de sacarosa pura en agua.
6.4 Resumen del proceso de fabricación de azúcar de caña crudo
Con el fin de tener claridad en todos los subprocesos que intervienen en la producción del
azúcar de caña en esta sección se hace un resumen de su proceso de fabricación.
Extracción del Jugo:
La primera etapa de la producción del azúcar crudo es la extracción del jugo moliendo la
caña entre rodillos pesados o mazas. La caña se prepara para la molienda mediante
cuchillas giratorias que cortan los tallos en pedazos pequeños, o mediante molinos de
martillo que desmenuzan pero no extraen el jugo, o bien, y en forma más general, por una
combinación de dos o tres de estos métodos.
En las prácticas más eficientes de molienda más del 95% del azúcar contenido en la caña
pasa a “guarapo”. Este porcentaje se conoce como la extracción de sacarosa o, simplemente
extracción.
Purificación del Guarapo: Clarificación:
El jugo de color verde oscuro que procede del trapiche es ácido y turbio. El proceso de
clarificación (o defecación) es diseñado para remover las impurezas, tanto solubles como
insolubles, empleando cal y calor como agentes clarificantes. La lechada de cal, alrededor
de 16 (0,5 Kg.) (CaO) por tonelada de caña, neutraliza la acidez natural del guarapo,
formando sales insolubles de calcio. El jugo clarificado transparente, ligeramente pardo,
pasa a los evaporadores sin tratamiento adicional.
Evaporación:
El jugo clarificado, que tiene más o menos la misma composición que el jugo crudo
extraído, excepto las impurezas precipitadas por el tratamiento con cal, contiene
aproximadamente un 85 % de agua. Dos terceras partes de esta agua se evapora en
Capítulo 6: CENTRIFUGACIÓN.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
148
evaporadores de vacío de múltiple efecto, que consisten en un sucesión, generalmente
cuatro, de celdas de ebullición al vacío.
Clarificación del Jugo Crudo:
Se añaden al jarabe o meladura cal y ácido fosfórico, luego se airea junto con la adición de
un polímero floculante.
Cristalización:
Esta etapa tiene lugar en tachas al vacío de simple efecto, donde el jarabe se evapora hasta
quedar saturado de azúcar. A partir de aquí se añaden semillas para que sirvan de medio a
los cristales de azúcar y se continúa añadiendo jarabe según se evapora el agua. El
crecimiento de los cristales continúa hasta que se llena el tacho.
El contenido del tacho (templa) se descarga luego por medio de una válvula de pie a un
mezclador o cristalizador.
Centrifugación o Purga:
La masa cocida proveniente del mezclador o del cristalizador se lleva a maquinas giratorias
llamadas centrifugadores.
El tambor cilíndrico suspendido de un eje tiene paredes laterales perforadas, forradas en el
interior con tela metálica, entre éstas y las paredes hay láminas metálicas que contienen de
400 a 600 perforaciones por pulgada cuadrada. El tambor gira a velocidades que oscilan
entre 1000 1800 rpm. El revestimiento perforado retiene los cristales de azúcar que se
pueden lavar con agua si se desea. El licor madre, la miel, pasa a través del revestimiento
debido a la fuerza centrífuga ejercida, que es de 500 hasta 1800 veces la fuerza de la
gravedad. Luego de que el azúcar es purgado se corta, dejando la centrífuga lista para
recibir otra carga de masa cocida. Las máquinas modernas son exclusivamente del tipo de
alta velocidad, o alta fuerza de gravedad, están provistas de control automático para todo el
ciclo. Los azúcares de un mismo grado pueden purgarse utilizando centrífugas continuas.
6.5 Historia de la maquinaria, el equipo y los procesos
Los fabricantes y refinadores de azúcar son los pioneros de la industria química y del
procesamiento de alimentos. La mayor parte de los equipos básicos se desarrollaron
específicamente para la producción azucarera y más tarde se adaptaron a otros usos
generales. El azúcar fue la primera industria alimenticia en emplear la química y se
adelantó por muchos años a las ideas modernas de control técnico y químico, tan corrientes
ahora en las grandes fábricas de alimentos.
Máquinas y Equipos.
Los primeros tipos de molinos de caña empleaban rodillos de madera verticales movidos ya
fuera por animales, por fuerza hidráulica o molinos de viento. Se le atribuye a Sematon
haber sido el primero en disponer tres rodillos horizontales en la forma triangular actual;
algunos autores prestigiosos afirman que fue él quien ideó en Jamaica el primer molino de
este tipo movido por vapor.
Capacidad del Equipo.
Son muchos los factores que influyen en la selección del equipo adecuado en un ingenio
azucarero, por lo tanto cifras promedio podrían conducir a conclusiones erróneas. Las
Capítulo 6: CENTRIFUGACIÓN.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
149
condiciones locales, las características y riqueza del contenido de la caña, el tipo de proceso,
la calidad deseada de la producción y muchas otras consideraciones, afectan el tamaño y
capacidad de las maquinas y equipos en las diferentes secciones de la fábrica.
Nuevos procesos para la operación en pequeña escala.
El proceso mas reciente en el separador TILBY, la caña se corta longitudinalmente en dos
mitades, cada mitad pasa por su propio separador de manera que la médula es removida del
interior de la corteza. Dicha corteza se raspa aún más para remover la capa exterior de
revestimiento de cera. Las capas se denominan por lo general Compith para la porción de la
médula, Comsind para la capa fibrosa y Dermax para la cubierta de cera.
Hogelsug propone un proceso para 20 a 300 t de caña por día. El jugo se clarifica mediante
cal y fosfato, la espuma o nata se elimina por flotación y el jugo se evapora en tres etapas:
primero, utilizando un evaporador vertical tipo calandra de tubos, que corta hasta 35º Brix;
luego, mediante un evaporador abierto utilizando las gases de la combustión a una
temperatura de 800 C, hasta 80 ºBrix; y finalmente por medio de un evaporador de
partículas delgada hasta de 95 ºBrix, antes de ser enfriado en un cristalizador de aire frío y
vertido en moldes. Para obtener azúcar de consumo directo se conduce el jugo, después de
la primera evaporación, al proceso de carbonatación, utilizando gas de la combustión a 300
ºC, y se filtra antes de las dos etapas siguientes de evaporación. La masa cocida se puede
centrifugar para obtener un producto cristalino.
6.6 Centrifugación.
La masa cocida proveniente del mezclador o del cristalizador se lleva a maquinas giratorias
llamadas centrifugador.
La centrifugación es un método mecánico de separación de líquidos no miscibles, o de
sólidos y líquidos por la aplicación de una fuerza centrífuga que, para ciertas aplicaciones,
puede ser muy grande.
Las separaciones que se llevan a cabo por gravedad y que en general son lentas pueden
acelerarse significativamente con el empleo de equipo centrífugo.
Las centrífugas o bombas centrífugas se usan en diferentes tipos de industrias: industria
química, petroquímica, refinerías, industrias alimenticias, farmacéuticas, textil y azucarera
en muchas otras.
A continuación, se hace una descripción de las máquinas centrífugas, sus tipos y su
clasificación; así como su uso en la industria azucarera.
Una centrífuga es un aparato que aplica una fuerza centrífuga sostenida (esto es, una fuerza
producida por rotación) para impeler la materia hacia afuera del centro de rotación. Este
principio se utiliza para separar partículas en un medio líquido por sedimentación.
Materiales separados
Líquido de líquido
Gas de líquido
Separadores
Tanques de sedimentación, ciclones líquidos, decantadores
centrífugos, coalescedores.
Tanques fijos, deaereadores, rompedores de espumas.
Capítulo 6: CENTRIFUGACIÓN.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
Líquido de gas
Sólido de líquido
Líquido de sólido
Sólido de gas
Sólidos de sólidos
150
Cámaras
de
sedimentación,
ciclones,
precipitadores
electroestáticos, separadores de choque.
Filtros, filtros centrífugos, clarificadores, espesadores,
centrífugas de sedimentación, ciclones líquidos, criba húmeda,
separadores magnéticos.
Prensas, extractores centrífugos.
Cámaras de sedimentación, filtros de aire, filtros de bolsa,
ciclones.
Cribas, clasificadores neumáticos y húmedos, clasificadores
centrífugos.
Tabla 6.1: Tipos de separ ador m ecánico
La fuerza centrífuga se genera dentro del equipo estacionario mediante la introducción de
un fluido con alta velocidad tangencial a una cámara de cilindro cónica, formando un
vórtice de intensidad considerable. Los ciclones que se basan en este principio extraen
gotas líquidas o partículas sólidas de los gases con diámetros de hasta 1 a 2 μm. Unidades
más pequeñas, llamadas ciclones líquidos, separan las partículas sólidas de los líquidos.
La alta velocidad se obtiene con bombas estándar. En los equipos giratorios se genera una
fuerza centrífuga mucho mayor que en los equipos estacionarios; es decir, aquellos
constituidos por tazones o canastas operados en forma mecánica, normalmente de metal,
que giran en el interior de una carcasa estacionaria. Cuando el cilindro rota a alta velocidad,
se induce un esfuerzo de tensión considerable en la pared del mismo. Esto limita la fuerza
centrífuga que puede generarse en una unidad de tamaño y material de construcción de un
tipo dado. De esta forma solo pueden desarrollarse fuerzas intensas en centrífugas pequeñas.
La base física de la separación es la acción de la fuerza centrífuga sobre las partículas en
rotación, que aumenta con el radio del campo rotacional y con la velocidad de rotación. La
velocidad de sedimentación se determina por la densidad de las partículas. Las partículas
densas sedimentan primero, seguidas de las partículas más ligeras. En función de las
condiciones existentes, las partículas muy ligeras pueden permanecer en suspensión.
La fuerza centrífuga relativa guarda relación con el número de revoluciones del rotor por
minuto de acuerdo con la ecuación:
FCR = 1,118 x 10-6 * R* N 2
(6.1)
donde:
FCR = fuerza centrífuga relativa (g)
R = radio en milímetros desde el pivote de la centrifugadora hasta la punta del punto
N = número de revoluciones por minuto.
6.6.1 Historia de la máquina centrifuga.
La invención de la máquina centrífuga para purga masas cocidas azucareras ha sido
atribuida a Schotter en 1848 y a Dubrunfaut, pero los especialistas están de acuerdo en que
fue David Weston quien obtuvo la patente de la centrífuga suspendida en 1852 y la
introdujo en 1867 en Hawai en la producción de azúcar. Actualmente el tipo de máquina
Capítulo 6: CENTRIFUGACIÓN.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
151
centrífuga que está en uso se le llamaba centrífuga Weston.
Para la industria azucare se desarrollaron equipos de filtración de varios tipos, entre ellos el
filtro de bolsas Taylor, como más de cien años de uso; el filtro de prensa, que fue sugerido
por Howard alrededor de 1820, pero fue introducido con éxito por Needham en 1853; y los
filtros modernos de láminas, tales como los Kelley, Sweetland y Vallez, que fueron
introducidos de 1910 a 1920.
6.6.2 Descripción del equipo.
La centrífuga utilizada en la industria azucarera consiste en una canasta cilíndrica y de las
mallas. El canasto cilíndrico de la centrífuga, que está suspendido de una flecha o "huso"
tiene sus costados perforados y forrados de tela metálica; entre el forro y el costado hay
láminas de metal que contienen de 400 a 600 perforaciones por pulgada cuadrada (62 a 93
perforaciones por cm2)
La canasta está diseñada para recibir la masa cocida y está colocada en un eje vertical en
cuyo extremo superior se encuentra un motor que mueve a la máquina.
La canasta está perforada con numerosos orificios que permiten el paso de las mieles, con 7
mm de diámetro y están separados aproximadamente 22 mm entre centros; además está
provista de anillos circulares que soportan la fuerza centrífuga; la canasta esta rodeada de
una malla de metal que retiene el azúcar y deja pasar las mieles. Las canastas se construyen
de mayor o menor grosor, de acuerdo con la fuerza centrífuga que deban soportar. Las que
recibirán las mayores tensiones se fabrican de acero cromo-cobre y los aros algunas veces
de acero niquelado.
La canasta está abierta en su parte superior para permitir la entrada de la masa cocida, por
el fondo descarga el azúcar cuando la máquina se detiene. Durante la operación de la carga
y secado la salida inferior permanece obstruida mediante un cono de lámina delgado. La
canasta está fija al eje por medio de un cubo que ocupa la abertura del fondo, pero que deja
espacio suficiente para la descarga del azúcar.
La canasta está rodeada por una envoltura que recibe las mieles y que protege al operador
de las partes móviles de la máquina. Esta envoltura tiene una abertura en la parte superior
que corresponde con la de la canasta y que puede cerrarse por medio de dos medias tapas de
charnela provistas con una perforación a través de la cual pasa el eje. En general, se
emplean varias centrífugas formando una batería y distribuidas en una línea.
La amplitud del espaciamiento no permite que la canasta esté rodeada ya sea por una simple
lámina perforada o, una sola malla perforada o por una simple malla. La mayor parte de las
perforaciones caerían sobre la pared lisa de la canasta y no dejarían escapar las mieles. Por
esta razón la canasta generalmente se provee de dos envolturas diferentes:
Una malla de sostén que consiste en una tela metálica ordinaria de alambre de bronce o de
cobre de 1 a 1.5 mm de diámetro, con aberturas de 5 a 10 mm que sirve para separar la
malla de la pared de la canasta y la malla propiamente dicha, diseñada para retener los
cristales.
Capítulo 6: CENTRIFUGACIÓN.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
152
6.6.3 Tipos de centrífugas.
Existen 2 grandes tipos de centrífugas:
Centrífuga de Sedimentación.
Este tipo contiene un cilindro o un cono de pared sólida que gira alrededor de un eje
horizontal o vertical. Por fuerza centrífuga, una capa anular de líquido de espesor fijo se
sostiene contra la pared. Debido a que esta fuerza es bastante grande comparada con la de la
gravedad, la superficie del líquido se encuentra esencialmente paralela al eje de rotación,
independientemente de la orientación de la unidad. Las fases densas dirigen hacia fuera y
las fases menos densas se elevan hacia adentro. Las partículas pesadas se acumulan sobre la
pared y deben se retiradas en forma continua y periódicamente.
Centrífugas De Filtro.
Operan como el tambor de rotación de una lavadora doméstica. La pared de la canasta está
perforada y cubierta con un medio de filtración tal como una tela o una rejilla fina. El
líquido pasa a través de la pared impelido por la fuerza centrífuga dejando una masa de
sólidos sobre el medio filtrante. La rapidez de filtración se incrementa con esta fuerza y con
la permeabilidad de la masa sólida. Algunos sólidos compresibles no se filtran bien en una
centrífuga debido a la deformación sufrida por las partículas por efecto de la fuerza
centrífuga, debido a la permeabilidad de la masa el filtraje se ve reducido
considerablemente. La cantidad de líquido que se adhiere a los sólidos luego de que éstos
han sido centrifugados también depende de la fuerza centrífuga aplicada; por lo general, el
líquido retenido es considerablemente menor que el restante en la masa que producen otros
tipos de filtros.
6.6.4 Clasificación de las centrífugas.
Dependiendo del mecanismo utilizado las centrífugas se clasifican en:
Centrífugas Hidráulicas.
Para este tipo de centrífuga es necesario un litro de agua por segundo para cada caballo de
potencia (hp) Cuando la presión se aplica con una bomba centrífuga, ésta tiene
generalmente, un rendimiento propio de 0.65 a 0.80. Las bombas bien construidas, llegan
fácilmente a 0.75.
Tiene la ventaja de que su mantenimiento es simple; las piezas que más se desgastan son las
boquillas y estas se reemplazan fácilmente. En algunas fábricas se han obtenido velocidades
de giro relativamente altas aumentando la presión del agua y la potencia de las bombas.
Su desventaja es que necesitan una alta potencia debido el bajo rendimiento de la rueda
Pelton. El problema anterior se acentúa más si se les hace trabajar con compresores de
acción directa, que consumen de 35 a 40-Kg. por hp. Por otro lado su arranque es
relativamente lento.
Este tipo de centrífuga tiende a desaparecer pues no corresponde con las exigencias de la
industria azucarera moderna.
Centrífugas de Banda.
Este tipo de centrífugas se reúne en grupos movidas por un eje longitudinal común que, a
su vez, es accionado por un motor. Los ejes de las centrífugas son verticales y por lo tanto,
Capítulo 6: CENTRIFUGACIÓN.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
153
la transmisión necesita “poleas locas” para el regreso de la banda. El eje longitudinal gira
comúnmente a una velocidad de aproximadamente un tercio de la velocidad de las
máquinas. El cálculo de las centrífugas de banda se hace a partir del par y de la aceleración
angular. Esta aceleración se puede considerar constante durante el período de arranque.
Tienen la ventaja de que son relativamente baratas de instalar. Son simples y su
mantenimiento es fácil. Producen bajas perturbaciones de carga al dan una marcha suave y
regular.
La desventaja de este tipo de máquina es que el desgaste de las bandas es considerable. Por
otro lado las necesidades de potencia, sin ser tan altas como las de las centrífugas
hidráulicas, son mayores que las de las centrífugas con mando eléctrico directo.
Este tipo de centrífuga ha ido siendo desplazada por las centrífugas con mando eléctrico.
Centrífugas de Mando Eléctrico.
Este tipo de máquina se opera mediante un motor eléctrico vertical con el eje acoplado al
eje de la centrífuga. El mando se realiza mediante un embrague de fricción que consiste en
dos zapatas de un material flexible, provistas de dos balatas de fricción y cargado
apropiadamente. Las zapatas están fijas al eje del motor y giran dentro de un tambor fijo al
eje de la centrífuga. Al principio resbalan arrastrando la centrífuga que gira cada vez a
mayor velocidad y, luego de un período de tiempo, las zapatas se adhieren totalmente. El
incremento en la aceleración puede modificarse cambiando el peso de carga de las zapatas
o cambiando el grueso de la banda flexible de estas zapatas.
La ventaja es que cada máquina centrífuga es independiente y, por lo tanto, forma una
unidad separada; debido a esto se economizan correas y tuberías. Esto economiza tiempo en
caso de falla de algún motor. Un motor individual es un arreglo que permite altas
capacidades, mejor calidad del azúcar y el uso más eficiente del equipo. Otra ventaja es que
las necesidades de mano de obra son mínimas. Por último cabe señalar que el
mantenimiento del equipo es simple y rara vez ocurren paradas por daños en los
componentes del equipo.
La principal desventaja de este tipo de centrífugas es su costo, que es bastante alto. Otra
desventaja es que su motor disminuye el factor potencia.
Centrífugas tipo lote (“Batch”)
Las partes más importantes de este tipo de centrífugas son:
El canasto, también llamado "drum", que es cilíndrico y está perforado con hoyos de 1/8" –
¼" .La parte superior tiene un labio sólido que fija el espesor de la masa y que normalmente
oscila entre 7 y 10 pulgadas. La parte inferior es sólida con hoyos para descargar el azúcar
con una válvula para cierre durante cada ciclo.
El tumbador, que es un mecanismo de descarga neumático y que posee una cuchilla que
raspa el azúcar en el canasto.
El eje, que une el canasto se une al eje central en el fondo y el motor.
El “bearing”, que soporta toda la sección rotativa y por último el interruptor la envolvente
Capítulo 6: CENTRIFUGACIÓN.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
154
y el cedazo.
Una ventaja de este tipo de centrífuga es que ofrece un buen lavado de la masa cocida.
Otras ventajas son que produce azúcar de baja humedad, produce menos rotura de cristales
de azúcar y tiene un bajo consumo de energía.
Sus desventajas son que necesita un mantenimiento considerable y los costo de operación y
capital inicial son altos.
Centrífugas Continuas.
Este tipo de centrífuga gira a velocidad constante, por lo tanto necesita controles más
simples. De esta forma el costo de mantenimiento es menor. La forma del canasto es cónica
con ángulos entre 30 y 34 grados. Este ángulo permite al cristal de azúcar subir y ser
descargado en la parte superior del canasto debido a la fuerza centrífuga.
La alimentación debe ubicar el flujo de masa en el centro del canasto y debe producir una
capa uniforme en la parte inferior del canasto.
Los cedazos son similares a los de las centrífugas batch con algunas diferencias. El cedazo
debe estar fijo al canasto y el tamaño de los hoyos es diferente.
El azúcar produce un desgaste en el cedazo continuo por lo que debe ser cambiado
periódicamente.
Como el azúcar sube a través de la reja los cristales se rompen, produciendo cristales de
diferentes tamaños.
Las ventajas más significativas de este tipo de centrífuga son: necesita poco personal para
su operación, necesita poco mantenimiento y tiene bajos costo de operación y de capital
inicial.
Las desventajas son: requieren consumo de energía eléctrica, ejecutan un lavado pobre de
masa cocida y producen alta rotura de cristales.
Dependiendo del tipo de pared las centrífugas se clasifican en:
Tipo botella en la que la centrífuga o su parte giratoria tienen una pared sólida.
Tubulares en la que la centrífuga o su parte giratoria tienen una pared perforada.
Tipo disco en la que la centrífuga o su parte giratoria tienen una pared que es
combinación de perforada y ahuecada.
Tipo vacío y tipo canasta en la que la centrífuga o su parte giratoria tienen una pared
que es una combinación de perforada y ahuecada.
Centrífuga tipo botella.
Es un separador tipo lote, el cual es usado primordialmente para investigaciones, pruebas o
controles. La separación toma lugar en un tubo de ensayo o en un envase tipo botella, el
cual es simétricamente montado en una vara vertical. La vara de una centrífuga de este tipo
esta usualmente dirigida por un motor eléctrico, turbo-gas, o por un mecanismo de tren
dirigido manualmente, localizado debajo o sobre el rotor.
Capítulo 6: CENTRIFUGACIÓN.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
155
En la mayoría de los casos, las botellas son sostenidas por envases de metálicos muy fuertes,
y de tal modo que su eje sea perpendicular al eje de rotación. En algunas centrífugas tipo
botella, los tubos de ensayo o botellas están inclinadas un ángulo de 37° respecto del eje de
rotación, con el fin de reducir la distancia a la que el material debe ser colocado.
Este tipo de centrífugas es un equipo estándar en la mayoría de los laboratorios biológicos,
químicos o médicos. Son usadas para separar materiales sólidos en suspensión o para
clarificar líquidos cuando las precipitaciones expuestas al campo gravitatorio no suceden en
un tiempo razonable.
Centrífugas tubulares.
Las centrífugas tubulares son utilizadas principalmente en la separación continua de
líquidos de otros líquidos o en la separación de partículas muy finas de líquidos. En general
son usadas cuando se necesitan altos requerimientos de centrifugación. El tazón rotatorio de
una centrífuga tubular es un tubo hueco largo.
Para una separación continua el material a centrifugar es introducido en el extremo cerca
del eje. En muchos casos la separación no es completa y debe pasarse el material varias
veces por la máquina.
El motor que se usa para mover estas centrífugas es de alta velocidad; también puede
utilizarse una turbina de aire o vapor. La sedimentación toma lugar mediante el fluido que
fluye desde un extremo al otro del tubo. Cuando el material está formado por pequeñas
partículas o moléculas y la concentración es muy baja, el material sólido, usualmente, se
deja depositar en la pared. En este caso, la máquina es operada como una centrífuga por
lotes.
Las centrífugas tubulares se usan en un gran número de aplicaciones, por ejemplo:
purificación de vacunas, pues las vacunas no centrifugadas contienen gran cantidad de
materiales no esenciales y dañinos; en la purificación de aceites de lubricación e
industriales; en la clarificación y purificación de productos alimenticios tales como aceites
esenciales, extractos y jugos de fruta y la separación de líquidos inmiscibles que no pueden
ser separados por gravedad.
Centrífugas tipo disco.
Este tipo de centrífuga consiste en una pila de discos delgados en forma de conos. La
sedimentación toma lugar en dirección radial en el espacio entre los conos adyacentes. Este
tipo de centrífuga usualmente opera en forma continua. Son usadas en la separación de
líquidos en los cuales el sólido o los componentes inmiscibles están en bajas
concentraciones. Son usadas en la purificación de aceites combustibles, en el
aprovechamiento de aceites usados de motores y en la refinación de aceites vegetales.
Centrífugas tipo canasta.
Estas centrífugas se las conoce también como "centrífugas filtro o clarificadores". Tienen
una pared perforada y un rotor tubular cilíndrico. En la mayoría de los casos la pared
externa de la centrífuga consiste en una malla metálica fina o una serie de mallas soportadas
por una malla gruesa y pesada, la que a su vez es soportada por un plato.
El líquido pasa a través de la malla, y las partículas más largas se depositan en esta. Estas
centrífugas son empleadas en la manufactura de azúcar de caña, en el secado de ropa en
Capítulo 6: CENTRIFUGACIÓN.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
156
lavadoras caseras y en el lavado y secado de diferentes tipos de cristales y materiales
fibrosos.
Centrífugas tipo vacío.
En este tipo de centrífugas el rotor gira en el aire o en algún otro gas a presión atmosférica.
La fricción gaseosa en el rotor giratorio aumenta a un promedio relativamente alto, de
forma tal que la energía consumida por el motor también aumenta. Esto produce un
aumento drástico de la temperatura del rotor, de forma tal que algunas veces excede el
punto de ebullición del agua.
Estas centrífugas pueden ser usadas para la determinación de pesos moleculares de casi
todas las sustancias en solución. En las centrífugas modernas los conductores de aire han
sido reemplazados por conductores con motores eléctricos muy eficientes. Las centrífugas
tipo vacío son utilizadas para purificar muchos materiales biológicos que no pueden ser
fácilmente separados por otros métodos.
6.7 Principio de funcionamiento.
El operador arranca la máquina y carga la canasta introduciendo la cantidad deseada de
masa cocida. La fuerza centrífuga hace que la masa cocida suba por la pared exterior de la
canasta, la malla detiene al azúcar y es expulsado el licor madre. El licor escurre hacia la
envoltura y se recoge del fondo dirigiéndose a un canal ubicado en la parte inferior trasera y
a lo largo de la batería.
Las dimensiones de las centrífugas se caracterizan por el diámetro interior de la canasta y la
altura interior de la canasta. Otro factor que determina la capacidad de las centrífugas, es la
velocidad. La velocidad y el diámetro son los factores que determinan la fuerza centrífuga
necesaria para eliminar las mieles durante la centrifugación.
Si se considera una centrífuga de un diámetro dado y se varía su velocidad, se obtendrá un
secado más rápido y más completo a medida que la fuerza centrífuga y la velocidad de
rotación se incrementan. Es decir, si una centrífuga que trabaja a una velocidad más alta
que otra, ambas idénticas y centrifugando la misma masa cocida, la que trabaja a mayor
velocidad finalizará el secado primero que la otra.
La velocidad no es el único factor importante en la operación de centrifugación. Otras fases
del proceso ocupan una parte sustancial del ciclo de operación, que es mayor en masas
cocidas de alta pureza que en masas cocidas de baja pureza y es alto en ciclos más rápidos.
Los factores que influyen en el tiempo de la centrifugación son: la viscosidad de las mieles,
por lo tanto de su temperatura, densidad y pureza, el tamaño y la regularidad de los cristales
y la rapidez de aceleración de la máquina; es decir, el tiempo necesario para alcanzar la
velocidad de operación.
La fuerza centrífuga desarrollada por la centrífuga en su velocidad de operación.
La capacidad de trabajo o la producción de azúcar de una centrífuga dependen de dos
factores principales:
El contenido de la canasta en volumen de masa cocida: que puede expresarse en
Capítulo 6: CENTRIFUGACIÓN.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
157
volumen de masa cocida o en peso de azúcar. El volumen de masa cocida depende
principalmente del área de la tela de la centrífuga y del grueso de la capa de masa
cocida.
La duración del ciclo que a su vez depende de la fuerza centrífuga desarrollada a la
velocidad de operación, del cambio en la aceleración y de alguna forma de la
rapidez de freno y de descarga. Todas estas son características de la máquina.
En las centrífugas se debe de considerar la potencia del arranque o potencia necesaria
durante el período de aceleración y la potencia de operación en estado estable.
La potencia de operación es evidentemente mucho menor que la potencia de arranque pues
es la necesario para mantener la velocidad de rotación, mientras que la potencia para el
arranque corresponde al para de giro que vence la inercia hasta llevar la carga desde el
reposo hasta la velocidad de operación.
En las masas cocidas de alta pureza, el azúcar en la centrífuga se lava con agua y luego con
vapor o solo con vapor.
El procedimiento de doble purga usado en separación del azúcar sólo se usa en la
fabricación del azúcar blanco. Consiste primero en purgar la masa cocida, sin lavarla, en
una batería de centrífugas. Las mieles obtenidas de esta forma son "pobres" o "pesadas". El
azúcar se descarga en un mezclador ubicado bajo éstas centrífugas, en donde se mezcla con
mieles de alta pureza para formar una masa cocida. De aquí se envía a un mezclador
distribuidor de una segunda batería de centrífugas llamadas "de afinado", en donde se purga
y se lava con agua y vapor. Las mieles obtenidas son "ricas" o "ligeras".
Para que la centrífuga pueda realizar un buen trabajo depende de la uniformidad del tamaño
del grano y la viscosidad del licor madre.
Si el grano no es uniforme la centrifugación puede ser muy difícil. En este caso, si la
máquina lo permite, la aceleración debe hacerse gradual y lentamente.
Algunas centrífugas disponen de descarga automática, las cuales están abiertas en el fondo
de la canasta y provistas de un disco diseñado para recibir la masa cocida y distribuirla en el
interior de la canasta; sin este disco, la masa cocida caerá directamente, a través de la
canasta al conductor de azúcar. También poseen un fondo de pendiente notablemente
mayor que la pendiente de las centrífugas de descarga manual que tiene, generalmente, 45º
para purezas altas y 60º para purezas bajas 60º
En las centrífugas automáticas la descarga del azúcar se asegura por un dispositivo especial
o llamado "arado".
6.8 Descripción del proceso de centrifugado.
Desde el punto de vista de la operación la caña que llega al ingenio puede dividirse en 2
clases:
La caña que se trasportan por medios mecánicos: remolques, camiones y vagones de
ferrocarril. Estas llegan generalmente en paquetes, amarrados con cadenas y son
descargados mediante grúas.
La caña que es transportado por carretas o camiones, la cual descarga directamente
Capítulo 6: CENTRIFUGACIÓN.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
158
en el conductor de caña.
La caña que es descargada de los camiones o carretas es llevada por medio de las mesas
alimentadoras hacia el conductor de caña, que consiste en un tablero movedizo que lleva la
caña al ingenio y que asegura la alimentación de los molinos, transportándola del patio a la
desmenuzadora.
En algunos ingenios se hace uso de cuchillas para alimentar regularmente a la
desmenuzadora. El trabajo de estas es convertir a las cañas enteras en un material formado
por pedazos cortos y pequeños. Estas cuchillas favorecen la capacidad de los molinos
transformando la caña en una masa compacta y homogénea y mejoran la extracción,
rompiendo la corteza de la caña y facilitando así su desintegración y la extracción del jugo.
Antes de que la caña pase por la desmenuzadora, pasa por un electroimán que atrae y
retiene pedazos de metal. Este separador magnético está instalado sobre todo el ancho de la
banda conductor que va a la desmenuzadora.
La desmenuzadora es la primera máquina de presión entre sus cilindros que encuentra la
caña al llegar a los molinos. Tiene las funciones de asegurar la alimentación de toda la
batería y de preparar la caña, facilitando la toma y extracción por parte de los molinos.
Luego de la desmenuzadora la caña pasa a la desfibradora. Este equipo se emplea para
completar la preparación y la desintegración de la caña, facilitando así la extracción del
jugo en los molinos.
Luego de la desfibradora se pasa a los molinos; que están intercomunicados sucesivamente
mediante conductores intermedios. Estos consisten en cadenas que llevan el bagazo de la
salida de un molino a la entrada del siguiente. El bagazo que sale del último molino debe
distribuirse en los hornos de las calderas. Para este fin un elevador toma el bagazo y lo
coloca sobre un conductor horizontal para distribuirlo a lo largo de los hornos de las
calderas.
Al obtenerse el jugo pasará por el proceso de defecación, que es el único tratamiento que se
practica universalmente. Se aplica cal al jugo. La calidad de la cal es importante; deben
evitarse las cales que contengan más del 2% de MgO o de óxido de hierro o de aluminio. La
purificación es básicamente física. Se forma un precipitado fácil de observar en la probeta,
debido sobre todo a materiales coagulados. Este precipitado envuelve las impurezas físicas
y las arrastra.
Luego se procede a clarificar el jugo por acción del ácido fosfórico. Este ácido se le agrega
al jugo y precipita una parte de los coloide y de las materias colorantes que contiene. El
jugo se pasa luego a los decantadores, que son tanques rectangulares en los cuales se deja
reposar el jugo durante un cierto tiempo.
En el proceso de tratamiento del jugo es necesario calentarlo por lo menos una vez; de
forma que es necesario contar con un intercambiador de calor entre el vapor de escape, o el
vapor de los evaporadores, y el jugo. Estos son los calentadores. El jugo circula dentro de
los tubos y el vapor alrededor de ellos.
El siguiente proceso es la filtración, que es una operación que debe ejecutarse de forma
precisa. Para poder realizarla apropiadamente es conveniente filtrar a alta temperatura, pues
Capítulo 6: CENTRIFUGACIÓN.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
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la viscosidad decrece a medida que la temperatura aumenta y debe agregase cal a las
cachazas antes de enviarlas a la filtración, pues los jugos alcalinos filtran mejor que los
ácidos o neutros.
La purificación del jugo produce un jugo claro. Este jugo es azúcar disuelto en agua junto
con algunas impurezas. Cuando se ha quitado la mayor cantidad posible de estas impurezas
es necesario eliminar el agua. Este es el propósito de la evaporación, la cual se lleva a cabo
en los evaporadores.
Cuando el jugo se concentra su viscosidad aumenta rápidamente; al llegar a los 77-80º
comienzan a aparecer cristales, modificándose la naturaleza del material, al pasar
progresivamente del estado líquido a una condición en parte sólida y en parte líquida. El
material va perdiendo fluidez progresivamente, de manera que es necesario emplear
métodos diferentes para manejarlo. En estas condiciones, el material recibe el nombre de
"masa cocida". Por esta razón, es necesario llevar a cabo la evaporación mediante un tipo
de equipo similar en principio al evaporador, pero mejor adaptado al producto viscoso que
debe concentrar.
Dichos equipos son llamados "Tachos", en los cuales se lleva a cabo la sección del proceso
llamada "cocimiento".
El trabajo del operador de los “tachos” (el tachero) es el más importante de los trabajos que
se realizan en el proceso de fabricación de azúcar de caña. Aunque la tendencia es hacerlo
cada vez más simple y controlarlo mediante tecnología, el cocimiento del azúcar es
evidentemente una cuestión de destreza y, la destreza y la habilidad del tachero, tienen una
influencia decisiva en la calidad y en el rendimiento del azúcar.
El desarrollo de una templa comprende cuatro fases principales: concentración,
cristalización, crecimiento del grano y cerrado de la masa cocida.
La masa cocida sale del tacho con una sobresaturación alta. Si se le permite reposar, el
azúcar que aún contiene el licor madre sigue depositándose sobre los cristales; sin embargo,
esta masa cocida es muy densa y el licor madre es muy viscoso. La cristalización cesará
rápidamente si la masa cocida queda en reposo. La cristalización es entonces un proceso
que consiste en mezclar esta masa durante cierto tiempo luego de caer del tacho y antes de
pasar a las centrífugas, que tiene como finalidad completar la formación de cristales y
forzar un agotamiento más completo del licor madre.
Después de la cristalización las masas cocidas son depositadas en las centrífugas donde son
lavadas con agua o con vapor según sea necesario, con lo que se obtiene el azúcar en la
forma comercial. De esta forma la masa cocida es separada en azúcar y mieles o melazas.
Aún luego de pasar por las centrífugas el azúcar tiene una humedad entre el 0.5 y el 2%.
Esta humedad disminuye la calidad de conservación del azúcar cuando pasa de cierto límite
y particularmente cuando sube del 1%. De esta forma la siguiente etapa del proceso es el
secado.
6.9 Control automático en la industria azucarera.
En la industria azucarera existen muchos puntos del proceso global de hacer azúcar que han
sido o son potencialmente viables de automatizar y la recuperación de la inversión se logra
Capítulo 6: CENTRIFUGACIÓN.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
160
en corto tiempo. Uno de estos procesos es el de evaporación del jugo de caña, identificando
las variables a controlar para obtener un producto de alta calidad. Dichos niveles de calidad
se han incrementado debido a la apertura de mercados para la industria local en Europa,
Asia, EEUU, América del sur. Esto hace necesario que los controles de calidad de la
materia prima y del proceso sean más exigentes. Por lo tanto cada vez se vuelve más
importante contar con la información en línea de lo que sucede en la fábrica, saber
exactamente la calidad requerida del producto, disminuir los costos de producción y de
mantenimiento, con el fin de lograr una mejor competitividad en el mercado mundial.
Estos requerimientos de calidad y rentabilidad de la industria se logran con las tecnologías
de automatización industrial: control total del proceso, control de calidad, información con
base en datos para la toma de decisiones en línea. Una de las etapas importantes de
automatizar es proceso de evaporación de jugo de caña de azúcar, que está constituido por
una sucesión de vasos evaporadores, colocados en serie, que tratan de eliminar la mayor
cantidad de agua contenida en el jugo, llevándola a una determinada densidad en grados
brix, lo mas constante posible, al final del proceso. Otro aspecto es el de disminuir los
tiempos de limpieza del vaso. El proceso de limpieza manual sin ningún control de la
cantidad, sin control del químico utilizado, del tiempo empleado, las perdidas del ciclo de
limpieza ocasionadas por baja capacidad de transferencia de calor en el vaso (producto de
una mala limpieza), que redundan en valores de brix muy bajos en la salida de la
evaporación, altos consumos de vapor ocasionados por la poca transferencia, entre otros,
hacen de la automatizan de esta etapa del proceso una mejorar tecnológica importante a
considerar.
Para optimizar el tiempo de operación del vaso, disminuir el tiempo fuera de operación
durante los ciclos de limpieza y, hacer más eficiente el intercambio de calor en el vaso (con
un menor consumo de vapor y un menor consumo de agua) es necesario implementar una
estrategia de control que ajuste las diferentes variables, con el fin de optimizar el proceso.
Los equipos de medición y regulación deben de llenar las necesidades impuestas por el
proceso: grado de precisión, robustez, condiciones ambientales de trabajo. Para el equipo de
control deben de considerarse las condiciones en las que trabajará y las características
propias del proceso para su adecuado dimensionamiento.
En general se usa una topología de anillo, que está constituida por redes digitales,
bidireccionales, multipunto, en anillo, que conectan dispositivos de campo como PMC
(programm multifunction controller), PLCs, elementos remotos. Cada dispositivo de campo
posee una capacidad de procesamiento considerando la restricción de bajo costo. Cada uno
de estos elementos puede ejecutar funciones de diagnóstico, control, mantenimiento y
comunicaciones. Cada nodo de la red puede informar sobre el estado del dispositivo
asociado. Este monitoreo permite aumentar la eficiencia del sistema y reducir la cantidad de
horas de mantenimiento necesarias.
La automatización básica que se usa en las estaciones de cristalización es la temperatura del
macerado y la carga de los motores. También se usan controles de temperatura del agua
caliente y agua fría para maximizar la exhaustividad del macerado. Las estaciones
centrífugas de alto grado normalmente son del tipo “batch” y son controladas por PLC.
También se usan controles de densidad y temperatura de melazas para coladas pequeñas de
cristales de azúcar. Las centrífugas de bajo grado en la mayoría de los cosas son del tipo
continuo. Los controles automáticos individuales se basan en la carga del motor. El control
Capítulo 6: CENTRIFUGACIÓN.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
161
de temperatura del agua caliente para recalentamiento es usado para reducir la viscosidad
del macerado. También se usa el control automático del magma brix tal que la semilla
magma consistente sea enviada hacia la batea de cocimiento.
Pocas secadoras de azúcar son altamente automatizadas. El ajuste del aire a través del
secador se hace manualmente y no es muy frecuente esta acción. El nivel estándar de
automatización es un lazo de control que regula el flujo de vapor hacia el radiador
calentador de aire, con una referencia establecida manualmente. La Figura 6.1 muestra el
un nivel de complejidad mayor, aquí la temperatura del aire es regulada con base en la
temperatura del azúcar.
Sensor de temperatura
Sensor de humedad
Entra azúcar
TI
UC
TI
MI
control
Aire del
ambiente
secador
calentador
Sale azúcar
PIDS
Control
automático del
filtro rotativo
condensado
Vapor saturado
Aire caliente
Figura 6.1: Cont rol de secado de la cam a Fluidizada
La mezcla de azúcar a la salida normalmente es medida en línea por temperatura
(normalmente un cambio en la mezcla viene acompañado de un cambio en la temperatura),
conductividad o por reflectancia infrarroja cercana (RIC). Se reportan buenos resultados
usando la conductividad de la azúcar húmeda alimentada. Otros investigadores han usado
en método básico de “mirar la humedad” por parte del operador (mirar los cambios en los
grumos y al final de secado) como base para métodos más sofisticados de medición. Han
usado un medidor de atenuación de luz para sensorizar el nivel del polvo en la descarga del
secador como una medida de la humedad del azúcar producido. En todos estos casos la
intervención del control ha sido manual.
El método australiano de control de humedad y temperatura es el de añadir agua al azúcar
antes de pasar al secador, para hacer uso de calentamiento por evaporación el secador (esta
práctica no hace uso de aire caliente). Otros investigadores han hecho uso de la
automatización completa del secado con base en la temperatura y la humedad del azúcar
(conductividad y RIC) dentro y fuera del secador, así como la velocidad de secado, razón
de azúcar, y temperatura, flujo y humedad del aire. La Figura 6.2 es una muestra de este
sistema.
Capítulo 6: CENTRIFUGACIÓN.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
162
Sale aire
Entra aire
8
8
Entra azúcar
Monitoreo de
humedad
Sale azúcar
Medidor de
humedad
agua
Control
PID
Mediciones en
línea
+
Referencia
Remota
Modelo del
secador
Velocidad de giro
Flujo de azúcar
Temperatura de azúcar
Humedad de azúcar
Flujo de aire
Temperatura de aire
Humedad del aire
Fi gura 6.2: Sist em a de cont rol prealim ent ado com plet o de secado
6.10 Conclusiones.
Las centrífugas participan en la parte final de la elaboración del azúcar y de estas depende
la calidad del producto resultante. Debe ponerse especialmente atención al lavado pues se
puede disolver más azúcar de lo conveniente.
Por otro lado si se retirar el azúcar de las centrífugas con un alto porcentaje de humedad el
producto puede echarse a perder durante el tiempo de almacenamiento.
Si el azúcar no resulta de la calidad esperada se procede con una segunda purga en las
centrífugas de terceras. Una vez que el azúcar sale de la centrífuga está lista para el
consumo.
En las estaciones centrífugas para alto grado normalmente son del tipo “batch” y son
controladas por PLC.
También se usan controles de densidad y temperatura de melazas para coladas pequeñas de
cristales de azúcar.
Las centrífugas de bajo grado en la mayoría de los cosas son del tipo continuo.
Los controles automáticos individuales se basan en la carga del motor.
Referencias Bibliográficas
[1]
Bento L., Rein P., Sabliov C., Bolder, D. Coronal, P. C Massecuite re-heating
using Microwaves. Journal of the American Society of Sugar Cane Technologists.
Capítulo 6: CENTRIFUGACIÓN.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]
[9]
[10]
[11]
[12]
[13]
[14]
163
Vol. 26, 2006.
Chen C. P. J. Manual de Caña. Editorial Limusa, 1991.
Hugott, E. Manual para ingeniero Azucarero. Compañía Editorial Continental,
S.A., 1996.
Hugott, E. Handbook of cane sugar engineering. Elsevier Publishing Company,
New York, 1972.
Johnson T., Alvarez, J. The Florida Sugar Industry-Technology and Trenes.
Journal of the American Society of Sugar Cane Technologists. Vol 24, 2004.
J.C.P. Chen and C. Chou, Cane Sugar Handbook, Twelfth Edition, John Wiley
and Sons, Inc., N.Y, 1993.
Murray, C. and Holt, J. The mechanics of crushing sugar cane, Elsevier
Publishing Company, New York, 1967.
Ozkocak, T. and Fu, M. an Goodwin, Gl C. A nonlinear modelling approach to
the sugar cane crushing mill, Ptoc. CD198, 1998.
Pérez, J. Estrategia de control para servo-sistemas hidráulicos utilizando
planificación de ganancia. Tesis de Maestría, UCL, 2004.
Richard, D. Centrifugación. A practical approach. IRL Press, England, 1984.
Sánchez, M.T. Procesos de elaboración de alimentos y bebidas.l Libros Aula
Magna. España, 2003.
Sugar And Sweetener Yearbook, U.S. Department of Agricultura, Economic
Research Service, Washington, DC, 1995.
Tellows, P. Tecnologías del procesado de los alimentos. Principios y Prácticas.
Editorial Acribia, S.A. España, 1994.
West, M. Modelling and control of a sugar cane crushing mill. MEECE Thesis,
Electrical and Computer Engineering, The University of Newcastle, Australia,
1997.
Capítulo 6: CENTRIFUGACIÓN.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
164
Capítulo 6: CENTRIFUGACIÓN.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
165
Capítulo 7: SECADO Y ENVASADO DE AZÚCAR.
Héctor Enrique Gaona
Universidad Autónoma del Estado de México. México.
7.1 Introducción.
La importancia de la caña de azúcar como uno de los productos de mayor importancia
comercial a nivel mundial, de acuerdo con (autor, año ) es una de las principales fuentes de
calorías en la dieta de la mayoría de los países en el mundo. Como es sabido el azúcar
puede obtenerse principalmente a partir de la caña de azúcar y de la remolacha azucarera.
Para su obtención son varios los procesos que deben cumplirse y entre otros están:
Transporte
Molienda
Clarificación
Evaporación
Cristalización
Separación
Refinación
Secado
Envasado
7.2 Definición de secado
Se entiende por proceso de secado al procedimiento adoptado para eliminar el agua de un
producto, térmicamente por evaporación a través del mecanismo de conducción o
convección de calor, este procedimiento involucra un cambio de fase de líquido a vapor.
(KNEULE, 1966). Existen procesos que requieren cierta atención especialmente para que el
producto sea de alta calidad, este proceso es el secado, cuyo propósito es el de evitar la
formación de terrones al empacar o envasar el azúcar.
Según (Sociedad Agrícola E Industrial San Carlos S.A.) Para lograr la formación de los
cristales de azúcar (sacarosa) se requiere eliminar el agua presente en la meladura, esto se
realiza durante la cocción de las templas en equipos llamados “tachos”, que no son otra
cosa que evaporadores de simple efecto que trabajan al vacío. En un sistema de tres templas
se producen tres tipos de masas cocidas o templas: las "A", las "B" y las "C".
Las t em plas A son las de azúcar com ercial y las ot ras son m at eriales para procesos int ernos que
perm it en obt ener finalm ent e el azúcar com ercial,
Figura 7.1.
Una vez descargado de las centrífugas se procede al secado del azúcar "A" empleando una
secadora rotativa al vacío, Figura 7.2. La humedad máxima permitida en el azúcar debe ser
0.075 %. El azúcar seco es conducido hacia las tolvas de almacenamiento para su posterior
envasado en sacos. Una vez envasado el producto se debe controlar el peso de los sacos
para comprobar que se cumpla con la norma de 50 kg de peso neto de azúcar por saco,
luego se transportan los sacos hacia la Bodega para su posterior distribución.
Capítulo 7: SECADO Y ENVASADO DE AZÚCAR.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
166
Figura 7.1: Ciclo de producción de azúcar de caña
Figura 7.2: Ciclo de secado de azúcar m ediant e elim inación de hum edad
Como es sabido para el proceso de secado del azúcar, primeramente es transportada
mediante elevadores y bandas para alimentar las secadoras en donde el azúcar queda en
contacto con el aire caliente mediante elevadores rotatorios y a contracorriente en un
torrente en cascada aplicando una temperatura aproximada a los 60 aC, para lograr que el
azúcar tenga baja humedad aproximadamente 0.05%, para luego pasar a enfriadores
rotatorios inclinados que provocan la generación de aire frío a contracorriente, donde se
disminuye la temperatura hasta ser envasado a una temperatura promedio de 40 – 50oC.
El producto es embalado en las presentaciones de 250 g, 500 g, 1 kg, 2 k y 5 kg envasados
en fundas plásticas (polipropileno) y al granel en 50 kg envasados en sacos. Como se
muestra en la Figura 7.3.
Capítulo 7: SECADO Y ENVASADO DE AZÚCAR.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
167
Figura 7.3: Esquem a que represent a el secado y envasado de la azucar
7.2.1 Definición de los parámetros del proceso
Para evaluar cualquier proceso es un requisito básico definir los parámetros de proceso. En
el presente capitulo se definió parámetros, tales como la humedad promedio, el punto
crítico, humedad de equilibrio, la constante de tiempo y la velocidad máxima de secado y
también otros parámetros adimensionales.
7.2.2 Humedad promedio.
Con los datos obtenidos en el proceso de deshidratación correspondiente a la pérdida de
peso, se puede calcular la humedad promedio, X, como la masa de agua en kg por unidad
de masa del sólido seco en kg en función del tiempo de secado, y según ecuación (7.1)
Humedad promedio
(7.1)
Punto crítico.
A partir del gráfico de humedad del sólido con respecto al sólido seco se puede obtener el
punto crítico (tcr, Xcr), si corresponde al caso. Este punto delimita las dos zonas del proceso
de secado, el periodo de velocidad constante y el periodo de velocidad decreciente. Para la
determinación del punto crítico se utilizó un método gráfico numérico, tomando los
primeros valores de la curva de secado y aplicando el método de regresión lineal. Los
valores de la curva que se ajustan a la recta con valor del coeficiente de correlación igual a
uno corresponden al período de velocidad constante de secado. El punto crítico es el punto
donde termina la recta del periodo de velocidad constante y se inicia el segundo período de
secado a velocidad decreciente.
Humedad de equilibrio.
La curva de secado sigue generalmente un curso asintótico hacia el final del proceso, lo que
permite determinar la humedad de equilibrio (X*). Es la humedad final del producto en
equilibrio con la humedad del aire. En este punto se termina el proceso de secado
convectivo. La humedad que se logra eliminar por el aire es reabsorbida por el producto.
Constante del tiempo.
Se puede definir además un parámetro del tiempo, conocido como la constante del tiempo, t
Capítulo 7: SECADO Y ENVASADO DE AZÚCAR.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
168
*, la cual corresponde a la razón entre la capacidad máxima de secado y la velocidad
máxima de proceso. Este parámetro es también un tiempo ficticio utilizado para caracterizar
el proceso de secado de un producto. Es el tiempo que demoraría el proceso de secado
desde el inicio del ensayo en condición estacionario hasta alcanzar la humedad de equilibrio,
si la velocidad de secado fuese constante en todo el proceso. En la Figura 7.4 se puede
apreciar la recta de extrapolación para obtener la constante del tiempo, t*, y también el
punto de bifurcación correspondiente al punto crítico del experimento. Se debe tener en
cuenta que el estado estacionario del experimento se logra recién cuando el sólido haya
alcanzado la misma temperatura del aire de secado.
Constante de tiempo
(7.2)
Velocidad máxima de secado.
La velocidad máxima de secado corresponde a la máxima cantidad de agua evaporada
respecto a su cantidad de masa seca por tiempo de secado, es decir la capacidad máxima de
proceso por tiempo de secado.
Velocidad máxima de secado
(7.3)
Figura 7.4: Represent ación gráfica de un proceso de secado ilust rando los parám et ros de
proceso
La evaluación de proceso involucra generalmente ensayos con múltiples variables, por lo
que conviene reducir el número de variables para disminuir en consecuencia los números de
ensayos experimentales. La determinación del punto crítico, la constante del tiempo, y
humedad de equilibrio, permiten la definición de variables adimensionales para el proceso
de secado, los cuales pueden ser utilizados en modelos generales del proceso.
Capítulo 7: SECADO Y ENVASADO DE AZÚCAR.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
169
Humedad adimensional.
Este parámetro considera la variación de humedad con respecto a la variación máxima de la
humedad en el ensayo. En el periodo de velocidad decreciente la humedad puede variar
desde la humedad en el punto crítico hasta la humedad de equilibrio. La diferencia entre la
humedad en el punto crítico y la humedad de equilibrio corresponde a la cantidad máxima
de humedad que puede ser eliminada en el proceso. Es un valor constante característico del
producto, lo cual se utiliza como valor de referencia, y que permite evaluar el
comportamiento de diversos productos con humedades iniciales diferentes. Se define según
expresa la ecuación (7.4)
Humedad adimensional
(7.4)
Tiempo adimensional.
En el segundo período de secado con velocidad decreciente, el tiempo necesario para una
reducción constante en la humedad de producto varía durante el proceso. A menor
velocidad de secado, mayor será el tiempo de secado para la eliminación de una misma
cantidad de humedad. Por tanto, en la modelación del proceso de secado es conveniente
relacionar el tiempo absoluto de secado con la constante de tiempo, el cual depende de la
velocidad máxima de secado. Se obtiene así un parámetro de tiempo, en el cual se relativiza
el tiempo en función de la misma velocidad de secado. El tiempo adimensional para el
proceso de secado en el periodo de velocidad decreciente se define en la ecuación (7.5)
Tiempo adimensional
(7.5)
Velocidad real de secado.
Es un concepto utilizado en la modelación del proceso de secado. En la representación
adimensional tiene el significado de un factor empírico para corregir la velocidad de secado
en el segundo periodo. La velocidad real de secado es una función de la humedad.
Velocidad real de secado
(7.6)
Cálculo del consumo energético
Con los datos adquiridos sobre el proceso de secado, se realizan cálculos de consumo de
energía bajo varias condiciones de operación y se determinó los parámetros más apropiados
para el proceso de secado, tales como la humedad del aire de secado, la temperatura de
secado y/o el espesor del producto.
El porcentaje de sólidos secos de la azúcar fue determinado antes del proceso de secado y
una vez terminado el proceso. Con el porcentaje de sólidos totales post secado se calculó el
contenido de masa seca o de sólido seco que presenta cada uno de los tratamientos, lo que
permite la determinación del contenido de humedad de los mismos.
El azúcar húmedo se transporta por elevadores y bandas para alimentar las secadoras que
son elevadores rotatorios en los cuales el azúcar se coloca en contacto con el aire caliente
Capítulo 7: SECADO Y ENVASADO DE AZÚCAR.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
170
que entra en contracorriente. El azúcar debe tener baja humedad, aproximadamente 0,05%,
para evitar la formación de terrones.
Enfriamiento
El azúcar se seca con temperatura cercana a 60ºC, se pasa por los enfriadores rotatorios
inclinados que llevan el aire frío en contracorriente, en donde se disminuye su temperatura
hasta aproximadamente 40-45ºc para conducir al envase.
Aprovechando las cuestiones docentes y prácticas de este apartado se propone retomar
algunas consideraciones didácticas plasmadas en un modelo que permita al estudiante de
ingeniería diseñar su prototipo de control según propuesta de (M. Bañuelos S., J. Castillo
H., G. Rayo L. S. Quintana T. UNAM, México presentado en CONGRESO NACIONAL
DE INSTRUMENTACIÓN) enseñanza de la teoría de sistemas de control, que representa
un reto y más aun si se aplica a los procesos de la obtención de la azúcar.
Esta propuesta permitirá poner en práctica los conceptos relativos a un controlador PID
(proporcional, integral y derivativo), y lo más importante, es que comprobarán que son
capaces de implantar un sistema de control electrónico con el cual efectivamente pueden
manipular una variable física.
El enfoque que se propone, contrasta con el comúnmente seguido en las prácticas de
laboratorio, donde a los estudiantes se les da una serie de instrucciones sobre como conectar
algunos módulos y después se les pide que tomen algunas lecturas.
Se considera que, dado que los estudiantes se involucran en la construcción de todos los
elementos que forman el sistema de control, se puede obtener un entendimiento integral del
problema de control, aplicarlo y mejorarlo el nivel de aplicación concreto a un proceso
especifico del secado de la azúcar, con lo cual se tiene una motivación concreta.
Figura 7.5: Esquem a que represent a el secado y envasado de la azucar
El esquema de la Figura 7.5 puede se usado como referencia para indicar como es que, el
proyecto debe ser incluido. El sistema consiste en un controlador PID analógico, basado en
amplificadores operacionales de propósito general. El controlador está implementado de tal
manera que fácilmente se distinguen cada una de las partes del controlador: sumador,
acción proporcional, acción integral y acción derivativa. El sistema también cuenta con una
Capítulo 7: SECADO Y ENVASADO DE AZÚCAR.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
171
etapa de potencia, que utiliza el método de “paquetes de onda” para regular la potencia
entregada a un secador. En el secador se coloca una masa de azúcar con humedad (agua), y
la temperatura se mide mediante un sensor de temperatura integrado (LM35) o un termistor.
Considerando que se cuenta con una fuente de alimentación y un multímetro, se considera
los beneficios obtenidos desde el punto de vista didáctico.
7.3 Descripción del Sistema
En la Figura 7.6, se muestra un diagrama simplificado del sistema de control de
temperatura. El sistema está constituido por un controlador PID analógico, una etapa de
potencia, dispositivo generador de calor (SECADOR) y un sensor de temperatura.
Figura 7.6: Sist em a de cont rol de t em perat ura
7.3.1 Controlador PID
El controlador utilizado es un controlador PID paralelo, el cual está constituido por una
etapa de acción de control proporcional, una etapa derivativa y una etapa integral, de
acuerdo con el diagrama de la Figura 7.7. El controlador tiene entonces una función de
transferencia dada por:
(7.7)
Capítulo 7: SECADO Y ENVASADO DE AZÚCAR.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
E(S)
+
+
-
1/Tjs
172
+
Kp
+
TdS
Figura 7.7: Cont rolador PI D paralelo
En la Figura 7.8, se muestra un diagrama simplificado de la implementación electrónica
utilizada, la cual consta de cuatro etapas. Por facilidad de implementación, se utilizaron
circuitos integradores y derivadores inversores, así como un sumador inversor y un circuito
de control de ganancia (acción proporcional, Kp) inversor. Esto genera tres etapas
inversoras, y para compensar el signo, se añadió un amplificador diferencial que calcula el
error, pero con signo negativo. De esta manera, el circuito da la apariencia de tener
retroalimentación negativa, pero en realidad no es así.
Figura 7.8: Esq uem a sim plificado del cont rolador PI D elect rónico
En la Figura 7.9, se muestra el diagrama esquemático del controlador PID propuesto. Si
aproximamos el funcionamiento del integrador y del derivador considerando que 16 C5s<<
1 y R18 C6 s >> tenemos que la función de transferencia del controlador está dada por
(7.8)
En donde:
Capítulo 7: SECADO Y ENVASADO DE AZÚCAR.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
173
(7.9)
Figura 7.9: Diagram a esquem át ico del cont rolador PI D
En este caso, las constantes Kp, Ti y Td se ajustan mediante las resistencias R27, R26 y
R25 respectivamente. La implementación presentada no resulta óptima en cuanto al número
de amplificadores operacionales utilizados; sin embargo, tiene la ventaja de separa
claramente cada una de las funciones del controlador, por lo cual es más fácil de entender
su funcionamiento y más fácil de corregir cualquier desperfecto. Por ejemplo, si se
desconecta la retroalimentación y se aplica como señal de referencia una señal cuadrada de
un generador de funciones, se puede observar en un osciloscopio la señal de salida de cada
una de las etapas, y en especial del integrador y el derivador. En este último caso, el
estudiante de ingeniería tiene la oportunidad de visualizar cómo la salida del integrador
corresponde a una señal triangular, y cómo la salida del derivador es un tren de espigas
(positivas y negativas). Esta experiencia puede servir para reforzar los conocimientos de
análisis de señales.
Capítulo 7: SECADO Y ENVASADO DE AZÚCAR.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
174
7.3.2 Etapa de potencia
En la
Figura 7.10 se puede observar el diagrama de bloques de la etapa de potencia. Ésta consiste
de un generador de tiempo proporcional, una etapa de aislamiento y un interruptor de
estado sólido (triac). El circuito generador de tiempo proporcional recibe la señal de salida
del controlador PID (señal de control) y la transforma en un pulso cuya duración es
proporcional a la señal de control. La etapa de aislamiento está formada por un
optoacoplador MOC3030, el cual cuenta con un circuito detector de cruce por cero.
Finalmente, la etapa de potencia cuenta con un TRIAC, con el cual se controla el voltaje de
línea que se aplica al secador.
Línea de CA
TIEMPO
PROPORCIONAL
AISLAMIENTO
TRIAC
SECADOR
SEÑAL DEL CONTROLADOR
Figura 7.10: Diagram a de et apa de pot encia
En conjunto, la etapa de potencia se encarga de regular el número de semiciclos de voltaje
de línea que le son aplicados al secador. Teniéndose como base un período de 5 segundos,
la señal del controlador determina cuanto tiempo deberá encender el secador. Un ejemplo
de lo anterior se muestra en la Tabla 7.1.
Señal del
controlador
0%
20%
40%
60%
80%
100%
Tiempo de encendido
En Segundos
0
1
2
3
4
5
Tiempo
Apagado en Segundos
5
4
3
2
1
0
Tabla 7.1: Funcionam ient o de la et apa de pot encia
El circuito generador de tiempo proporcional se implementó mediante un circuito generador
de pulsos, según se muestra en la Figura 7.11. Un temporizador LM555 (U1) se encarga de
generar una base de tiempo de 5 segundos, la cual consiste en un pequeño pulso negativo
que se aplica a un segundo temporizador LM555 (U2). El pulso que recibe U2 activa la
carga del capacitor C1, el cual se carga mediante una fuente de corriente constante basada
en el amplificador operacional U3. Esto produce una rampa en el voltaje del capacitor C1,
el cual se carga hasta llegar a un voltaje Vcontrol , ya que cuando VC1 > Vcontrol, el
comparador U4 genera una señal que reinicia al temporizador U2, el cual a su vez entonces
descarga al capacitor C1. La señal resultante a la salida del circuito, es un tren de pulsos
con un período fijado por el temporizador U1 y con un pulso alto cuya duración la
determina la rampa de carga del capacitor C1 y el voltaje de control Vcontrol. De hecho,
Capítulo 7: SECADO Y ENVASADO DE AZÚCAR.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
175
con el circuito debidamente ajustado, la duración del pulso alto de salida es directamente
proporcional al voltaje Vcontrol.
Figura 7.11: Diagram a esquem át ico del circuit o generado r de pulsos
La etapa de aislamiento y el TRIAC de salida se muestran en el diagrama esquemático de la
Figura 7.12. Como aislamiento se utiliza un optotriac MOC3030, el cual al contar con un
detector de cruce por cero se reduce la emisión de radiación electromagnética.
Figura 7.12: Et apa de aislam ient o y t riac
En la Figura 7.13, se muestran dos oscilogramas del voltaje aplicado al secador para dos
diferentes valores del voltaje de control. Se puede apreciar como cambia el número de
ciclos aplicados por período.
7.3.3 Sensor de temperatura
Como elemento sensor de temperatura se utilizó un circuito integrado LM35D, el cual es un
sensor que genera un voltaje proporcional a la temperatura en grados Celsius, opera en un
intervalo de 0° a 100 °C con una nolinealidad típica de ± 0.2 °C y una exactitud típica de ±
0.9 °C
Capítulo 7: SECADO Y ENVASADO DE AZÚCAR.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
176
Figura 7.13: Oscilogram as del volt aj e aplicado al secador
Sintonización del controlador
Una vez que se tiene implementado todo el sistema de control de temperatura, se procede a
caracterizar la planta para poder sintonizar el controlador, utilizando el método de ZieglerNichols.
Caracterización del sistema
Para caracterizar el sistema se escogió el método de la curva de reacción, debido a que el
sistema térmico presenta características dinámicas que nos permiten aproximarlo a un
sistema de primer orden con tiempo muerto como el dado por la siguiente expresión
(7.10)
donde: K es la constante de ganancia del proceso, es la constante de tiempo y es el
tiempo muerto.
El método de la curva de reacción consiste de los siguientes pasos:
Permitir que el proceso alcance estado estacionario.
Introducir un cambio tipo escalón en la variable de entrada.
Recolectar datos de la entrada y respuesta de salida hasta que el proceso
nuevamente alcance estado estacionario.
Realizar el cálculo gráfico de los parámetros a partir de la curva de reacción.
Para el cálculo de los parámetros a partir de la curva de reacción, Ziegler y Nichols
propusieron dos métodos conocidos de manera general como el método de la tangente y
método del punto-y tangente. Sin embargo, ambos presentan el inconveniente de que la
determinación de la tangente a la curva de reacción no es fácilmente reproducible, lo cual
crea diferencias en los parámetros obtenidos.
Como alternativa se recomienda utilizar el método de los dos puntos (propuesto por C.L.
Smith), el cual elimina la dependencia en la recta tangente. El método consiste en
determinar los instantes de tiempo t1 y t2 en los cuales la respuesta alcanza el 0.283 y el
0.632 del cambio producido en la salida debido a un escalón en la variable de entrada. A
partir de ellos se determina la constante de tiempo y el tiempo muerto mediante las
Capítulo 7: SECADO Y ENVASADO DE AZÚCAR.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
177
siguientes expresiones:
3
2
t2
(t 2 t1 )
(7.11)
(7.12)
En la Figura 7.14, se muestra la curva de temperatura del secador. Una vez que se ha
estabilizado la temperatura del secador, lo cual ocurre alrededor de los 44 °C, se incrementa
la acción de control un 33% y a partir de ahí se genera una curva de reacción mediante la
cual se definen los parámetros de aproximación del proceso. De acuerdo con la Figura 7.14
se pueden estimar t1= 10 minutos y t2= 18 minutos; por lo tanto, aplicando las expresiones
(7.7) y (7.8) se tienen τ=12 minutos y Ф=6 minutos.
Figura 7.14: Curva de reacción
Figura 7.15: Com paración del m odelo obt enido
En la Figura 7.15 se muestra una comparación de los datos experimentales con el modelo
Matemático encontrado para la respuesta de la planta.
Capítulo 7: SECADO Y ENVASADO DE AZÚCAR.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
178
Ajuste de parámetros
Si se utilizan las fórmulas propuestas por Ziegler y Nichols para obtener los parámetros de
ajuste del controlador se tiene que
Kp=7.5
Ti=15min
y
Td=2.4 min.
Estos datos se utilizan para calcular los componentes del controlador PID analógico, y se
obtienen los valores mostrados en la Tabla 7.2.
Componente
R15
R17
R25
R26
R27
R28
R29
R31
C5
C6
Valor
100 K
100 K
2K
75K
3.75K
5K
100K
10K
10 µf
10 µf
Tabla 7.2: Com ponent es del cont rolador PI D
Figura 7.16: Respuest a del sist em a con el cont rolador PI D
RESULTADOS
Se implementó el controlador PID analógico, y junto con el sensor y la etapa de potencia se
realizó una prueba experimental, la cual se muestra en la Figura 7.16. Como puede
observarse, el controlador permite reducir el tiempo de asentamiento de la temperatura.
Capítulo 7: SECADO Y ENVASADO DE AZÚCAR.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
179
Existe un pequeño sobrepaso, el cual puede reducirse mediante un proceso adicional de
sintonización manual
Se ha demostrado la implantación de un sistema de control de temperatura para el secado de
azúcar tipo didáctico. El controlador PID analógico propuesto permite a los estudiantes de
ingeniería observar de manera independiente la señal producida por cada una de las etapas
del controlador, lo que complementa las explicaciones teóricas. La etapa de potencia se
asemeja a las implementadas en controladores comerciales, lo cual es una aportación
adicional del sistema. El proceso de caracterización del sistema permite comparar el
modelo del sistema con los resultados experimentales. El sistema cumple el objetivo de
acercar al estudiante a todas las etapas del desarrollo de un sistema de control: definición
del problema, modelado, sintonización, implementación y comprobación experimental.
7.3.4 Compensación Anti-windup basada en tolerancia a fallas
Se presenta también en el presente texto un esquema para la implementación práctica de la
ganancia de compensación anti-windup, tomando como base un sistema de diagnóstico y
detección de fallas. Para ello, la saturación en los actuadores es considerada como una falla
en el sistema de control, la cual es detectada y aislada mediante un banco de filtros de
diagnóstico de fallas, cuyos residuos son utilizados para efectuar la compensación de la
saturación, proporcionando un esquema de control tolerante a esta falla particular, el cual
exhibe propiedades de robustez frente a cambios en el funcionamiento de los actuadores
(Acuña, Ríos, 2008).
Para la síntesis de los filtros de detección de fallas, se propone un método derivado de las
técnicas de control óptimo robusto en H2/Hα basado en desigualdades lineales matriciales.
Para verificar las propiedades del esquema propuesto, se presentan algunos ejemplos
numéricos.
En general se buscan sistemas seguros y eficientes, lo que ha impulsado el desarrollo de
nuevas técnicas de análisis y síntesis con miras a satisfacer tales requerimientos. Uno de los
retos más frecuentes con que se encuentra la ingeniería de control, es el de mantener
condiciones de estabilidad y desempeño ante daños en los elementos del sistema, asociado
a los sistemas de control tolerantes a fallas (FTC) (Patton, 1997, Blanke, 2001); o a las
limitaciones en la instrumentación del sistema de control, en este caso asociado a técnicas
de control acotado. Dentro de este último grupo se encuentran las estrategias anti-windup
(AW) que buscan compensar los efectos adversos debido a la saturación de los actuadores o
del cambio de controladores inherente a diferentes escenarios de operación. Según (Acuña,
Kothare, 2008) Por cuenta de las limitaciones físicas presentes en los actuadores y de los
cambios de puntos de operación del sistema de control, según los regímenes de producción,
es común que en la práctica las entradas de control a los procesos y las salidas de los
controladores sean diferentes. Esta característica del lazo de control implica una diferencia
entre la señal que es entregada por el controlador y la que es recibida a la entrada de la
planta, como consecuencia se produce una actualización incorrecta de los estados del
controlador, pues los estados de la planta evolucionan de un modo diferente al considerado
por el controlador, debido a la diferencia de la señal de control. Este efecto es conocido
como controller windup (CW). La actualización forzada de los estados del controlador
genera un conjunto de efectos no deseables en el lazo de control, tales como sobre disparo,
el cual adiciona aún más saturación en los actuadores, aumento del tiempo de respuesta,
llegando en casos extremos a producir inestabilidad en el lazo. De acuerdo con (Beard,
1971, Acuña, 2008)
Capítulo 7: SECADO Y ENVASADO DE AZÚCAR.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
180
Por otro lado, los sistemas de FTC están conformados principalmente por elementos de
detección y aislamiento de fallas (FDI), los cuales determinan cuándo y dónde una falla
ocurre, tomando como base la información contenida en un conjunto de residuos (Jones,
1973, Acuña, 2008) La forma como se generan estos residuos varía según la aplicación
(Ríos- Bolívar, 2001, 2008) En general, si se satisfacen condiciones de detectabilidad y de
separabilidad de fallas, se buscan mecanismos de diseño de un único filtro. FDI para el
diagnóstico, lo cual resulta muy restrictivo (Rios- Bolívar, 2001). Otro enfoque es utilizar el
filtrado múltiple en el cual se construye un banco de filtros que genere residuos para fallas
particulares (Niemann, 1998). En esta contribución se abordará mediante el diseño de un
banco de filtros de detección (multifiltrado), orientado a la implantación práctica de
mecanismos de compensación AW, a los fines de minimizar los efectos nocivos de la
saturación de los actuadores.
Los mecanismos AW son, en general, abordados mediante un enfoque de dos pasos:
1. Diseñar un controlador asumiendo que no hay condiciones anómalas.
2. Diseñar una compensación (dinámica o estática) que mantenga las condiciones
de operación en presencia de alguna condición como windup o sobresaltos
debido a cambios de régimen operación del controlador (Acuña, Kothare, 2008).
La literatura sobre el estudio de los problemas de restricciones en los actuadores es amplia,
puede verse (Bernstein, 1995 Acuña, 2008) para un resumen bibliográfico hasta esa época.
La noción del diseño de la compensación se puede enfocar desde las perspectivas
presentadas por Gomes da Silva [2005]. Formulación del problema En todos los casos, la
señal utilizada para implementar la compensación AWdebe ser medida directamente del
proceso, establecida por la diferencia entre la señal de salida del controlador y la entregada
por los actuadores a la planta, tal como muestra la Figura 7.17. Es conocido que, en muchos
casos, la posibilidad de realizar esta medición es nula, por limitaciones físicas propias del
proceso, por la inexistencia de la tecnología apropiada, o que no sería económicamente
viable adicionar más instrumentación al proceso. El problema radica en que hay situaciones
en donde es necesario hacer la compensación, pues se sabe que la saturación está presente y
no se desea perder características de desempeño o mucho menos que se presente
inestabilidad; pero, no se cuenta con la señal mencionada para hacer la compensación del
controlador requerido.
Figura 7.17: Com pensación ant i- windup
Un mecanismo utilizado para efectuar la implementación consiste en el uso de modelos de
los actuadores (Acuña, 2008; Åström, 1989), los cuales deberían reproducir el
comportamiento ordinario de los mismos. El problema de este enfoque, como el de
cualquier otro que use modelos, es que su validez es limitada; en el tiempo, debido a
cambios en los actuadores por su propio funcionamiento, o en su fiabilidad, debido a un
modelo con exactitud insuficiente, que a su vez no se actualiza dinámicamente en el
tiempo. La solución aquí planteada, consiste en reemplazar la medición de esta señal, por
Capítulo 7: SECADO Y ENVASADO DE AZÚCAR.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
181
un equivalente estimado a partir de filtros FDI, de tal manera que la señal residual de estos
sea utilizada para hacer la compensación AW (Acuña, 2008; Rios- Bolívar, 2001), La
Figura 7.18 presenta este enfoque. Así, este trabajo trata del diseño de mecanismos para la
implementación de la compensación a partir del diagnóstico de fallas.
Filtros de diagnóstico de fallas
Los filtros de detección de fallas, son sistemas que permiten detectar los comportamientos
anómalos dentro de un sistema de control. Están compuestos por tres elementos
fundamentales: mecanismos de generación de residuos, evaluación de los residuos y la
toma de decisiones lógicas. El componente fundamental de estos sistemas es el de
generación de residuos, que se construye a partir de filtros de detección y diagnóstico.
Filtros FDI basados en observadores
Para la generación de los residuos se empleará un esquema basado en observadores. Así,
sea un sistema dado por
(7.13)
donde: x Є
son los estados,
señales de control,
las señales de perturbación externa,
las
las salidas controladas
representan los modos de falla, una función
Las salidas medidas. Las señales
arbitraria y desconocida igual a cero en tiempo t0; k es el número de fallas. Las matrices Li,
Mi, son las direcciones de falla en los subespacios de entrada y salida respectivamente, las
cuales son conocidas y se asumen linealmente independientes. Las matrices restantes, son
conocidas de dimensiones apropiadas. Para la generación de residuos, se asume que se
cuenta con un estimador de tipo Luenberger.
(7.14)
Figura 7.18: Com pensación AW ut ilizando FDI
donde:
son los estados y las salidas estimados, respectivamente, y D es la
ganancia del observador. Los errores de estimación del observador y de predicción
de la salida vienen dados por
Capítulo 7: SECADO Y ENVASADO DE AZÚCAR.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
182
(7.15)
de forma respectiva, con lo que la dinámica del error es
(7.16)
de la cual, se desprenden los requisitos que debe satisfacer el filtro:
DC2) debe ser asintóticamente estable.
En primer lugar,(A-
En segundo término, se debe minimizar el efecto de las perturbaciones
asignando alguna norma
Adicional a estos requerimientos, se presenta un problema aún mayor: toda la información
de las fallas, se encuentra concentrada en una única señale
y ante la presencia de
varias fallas es necesario diferenciar cada una de ellas. Para dar solución a este problema,
pueden ser empleados varios enfoques, por ejemplo, seleccionar D de tal forma que se
obtenga una matriz dinámica diagonal con los residuos y usar un postfiltro para que los
autovalores de (A-DC2) tengan parte real negativa; emplear, como se mostrará a
continuación, un banco de filtros (multi-filtraje) que asigne a cada uno una falla diferente
(Acuña, 2008; Rios- Bolívar, 2005) De igual manera, para el diseño del filtro, existen
condiciones para la detectabilidad y separabilidad de las fallas que deben ser satisfechas.
Para el multifiltraje, asúmase que se cuenta con un banco de filtros dado por
(7.17)
constituye un estimado de la salida controlada, cada uno obtenido con la
donde: cada
ganancia Di. Cada filtro es diseñado de tal manera que sea inmune a perturbaciones
externas y detecte sólo una falla. Ahora, los errores de estimación y predicción para
el banco de filtros son
(7.18)
donde:
(7.19)
Li y Vi (t) constituyen la dirección y el modo de la falla para la cual se diseña el i-ésimo
filtro y Lk y Vk (t) contienen las direcciones y los modos restantes.
Con estas consideraciones, la síntesis de los filtros FDI viene dada por el siguiente
Capítulo 7: SECADO Y ENVASADO DE AZÚCAR.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
183
resultado, el cual garantiza filtros estables y la satisfacción de condiciones de desempeño
sobre la función
(7.20)
Proposición 1
Existe un filtro de detección para la i-ésima falla, tal que
estable y
es asintóticamente
< y si y solo si existen matrices
(7.21)
(7.22)
En ese caso, la ganancia del estimador está dada por W = P iDi.
Demostración. Asúmase que (9) es factible y existe solución para la LMI, con el cambio de
variable W= P iDi se obtiene
(7.23)
Entonces,
del
Lema
Real
Acotado
por
(Grimm,
2003)
se
tiene
que
si y sólo si la desigualdad anterior es satisfecha.
Aunque los esquemas basados en bancos de filtros son comunes dentro de la literatura del
área, la solución planteada aquí representa una nueva aproximación al problema utilizando
nuevos criterios de diseño y mayor flexibilidad en las soluciones obtenidas, evitándose el
conservatismo, aunque la solución se obtiene mediante una formulación LMI. La ventaja
del método de multifiltraje es que se diseña un filtro para cada falla en particular,
generándose soluciones propias para cada filtro. Por otro lado, en los procesos técnicos con
naturaleza incierta pueden generarse falsas alarmas debido a la presencia de residuos por
efecto de incertidumbres y perturbaciones. Para evitar, en lo posible, estos inconvenientes
se recurren a la detección robusta fijando umbrales, que en caso que hemos tratado se
pueden describir a través de los índices de desempeño en
(Acuña, 2008; Rios- Bolívar, 2005).
que han sido utilizados
Control Anti-windup
En la literatura existen diferentes técnicas para el diseño de la ganancia de compensación
AW, (ver Grimm, y Wu, F. y B. Lu y sus referencias para algunos ejemplos). Todos esos
métodos suponen que la salida del actuador es medida, a los fines de la implementación.
Además, muchos de los métodos asumen que se conocen los niveles de saturación de los
Capítulo 7: SECADO Y ENVASADO DE AZÚCAR.
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184
actuadores, lo cual restringe la robustez de la compensación. En este trabajo, para la síntesis
de compensación AW, se ha utilizado un método basado en LMI, que exhibe un cierto nivel
de robustez, y cuyos detalles pueden ser consultados en (Gomes da Silva, 2005). Nótese
que, a los efectos de los resultados en este trabajo se busca, además, una implementación de
la ganancia de compensación con características de robustez, según el desempeño de los
actuadores.
Filtros de detección de saturación
Los filtros de detección de saturación (SDI) son un subconjunto de los presentados en (7.2),
con la diferencia que la falla detectada corresponde a la saturación de los actuadores.
Asúmase que se cuenta con un sistema con saturación, es decir,
(7.24)
Haciendo
(7.25)
Y con la función
se reescribe como sigue:
(7.26)
Es evidente que (7.26) constituye un modelo de diagnóstico, en donde los modos de falla es
la diferencia entre las señales de control saturadas y sus versiones no saturadas, es decir, la
señal necesaria para hacer la compensación AW. Por otro lado, las direcciones de fallas
están representadas por la matriz de control B2. Al igual que en los filtros de detección de
detección de fallas, el banco de filtros SDI viene dado por
(7.27)
Cuyas dinámicas de error están dadas por:
(7.28)
Con
(7.29)
(7.30)
constituyen la dirección y el modo de la falla para la cual se diseña el i-ésimo filtro.
Capítulo 7: SECADO Y ENVASADO DE AZÚCAR.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
185
contienen las direcciones y los modos restantes. A continuación se presenta el
resultado fundamental de esta sección, para obtener las ganancias para lo filtros SDI.
Proposición 2
Existe un filtro de detección para la i-ésima saturación tal que (A-DC2) es asintóticamente
estable,
con autovalores ubica dos a la izquierda de
, y sólo si, existe
tal que
(7.31)
(7.32)
En ese caso, la ganancia del estimador está dada por
(7.33)
Demostración. Asúmase que (7.31) y (7.32) son factibles y se cuenta con una solución para
las LMI, con el cambio de variable W= P i Di se obtienen.
(7.34)
entonces, del Lema Real Acotado se tiene que (A- DC)2 es estable en la región LMI
si y sólo si las desigualdades anteriores son
satisfechas según (Chilali, 1996, Acuña, 2008).
Comentario 1. La adición de la LMI (Grimm, 2003) es importante ya que la misma
permite garantizar la ubicación de los autovalores de (A-DC)2 a la derecha de un valor
determinado, a los fines de dotar al filtro estimador de una velocidad de respuesta superior
a la del sistema en lazo cerrado (sistema controlado). Esto se debe a que los residuos de
estos filtros van a ser utilizados para hacer una realimentación del controlador mediante la
compensación, sus autovalores deben ser lo suficientemente rápidos como para que el
estimado
sea apropiado.
Ejemplo numérico.
Para el conjunto de ecuaciones, correspondiente al modelo linealizado del plano vertical de
un avión según Maciejowski, J.M. (1989)
Capítulo 7: SECADO Y ENVASADO DE AZÚCAR.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
186
(7.35)
Se desea diseñar e implementar una ganancia de compensación AW. En primer lugar, se
sintetiza un controlador, sin compensación. Acá se ha diseñado un controlador óptimo
robusto en
basado en LMI.
La Figura 7.19 presenta los resultados de la simulación del sistema en lazo cerrado con el
controlador obtenido, donde claramente se observa la estabilidad del sistema. En adición se
están logrando propiedades de seguimiento de trayectorias. Para la saturación, se asume que
dos de los actuadores (1 y 3) tienen límite, es decir, entran en saturación en
(7.36)
La Figura 7.20 presenta los resultados de la simulación, bajo condiciones de saturación de
los actuadores. Claramente se evidencia que el sistema al introducir los cambios de
referencia se hace inestable, esto se debe a que éstos últimos son lo suficientemente altos,
como para llevar los actuadores a su límite físico. Para este problema se hace evidente, que
es necesario aplicar algún esquema de corrección cuando los actuadores entran en
saturación. Demostrada la necesidad de utilizar la compensación AW, se procede con el
diseño de la misma.
(7.36)
Para ello, se define el conjunto inicial (7.37):
(7.37)
Capítulo 7: SECADO Y ENVASADO DE AZÚCAR.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
la cual garantiza un factor de escala
187
para el conjunto de condiciones iníciales
Figura 7.19: Salidas del sist em a en lazo cerrado
Figura 7.20: Salidas del sist em a, sat urado sin com pensación
Capítulo 7: SECADO Y ENVASADO DE AZÚCAR.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
188
Ahora, para hacer la implementación de la ganancia obtenida, se procede a calcular los
filtros SDI. Las matrices de perturbación extendida y de direcciones de falla son:
(7.38)
De la Proposición 2, haciendo
filtros SDI son:
las ganancias para los
(7.39)
La Figura 7.21, presenta las salidas del sistema, el cual cuenta con un mecanismo de
compensación. En este caso, el sistema a pesar de la existencia de la saturación de sus
actuadores, se mantiene estable, con una ligera degradación en el desempeño.
Los resultados presentados se han logrado a través de la estimación de las señales
necesarias para hacer la compensación. En consecuencia, este método de implementación
permite variabilidad, dentro de un cierto rango, en los límites de acción de los actuadores,
debido a que los filtros pueden detectar esos cambios.
7.4 Conclusiones
En esta contribución, se ha presentado un nuevo esquema para hacer la implementación de
la compensación anti-windup. La técnica está basada en el uso de un banco de filtros de
diagnóstico de fallas (multifiltrado), para obtener un estimado de la señal residual, que es la
diferencia entre la salida del control y la entrada a la planta. Esta técnica resuelve el
problema en los casos donde se tiene alguna dificultad para efectuar la medición real de la
salida de los actuadores, o el uso de modelos aproximados. El banco de filtros ha sido
obtenido por medio de la solución de un problema de optimización convexa en términos de
desigualdades lineales matriciales.
Capítulo 7: SECADO Y ENVASADO DE AZÚCAR.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
189
Figura 7.21: Salidas del sist em a, sat urado con com pensación vía SDI
El esquema de implementación presentado muestra grandes ventajas, pues es robusto frente
a cambios de los elementos de actuación. La construcción del banco de filtros permite
reducir la conservatividad en las soluciones, pues al tener condiciones de diseño diferentes
para cada filtro, se está aumentando el grado de libertad del problema. El uso de las LMI
permite suficiente flexibilidad en el diseño, ya que es posible adicionar tantas restricciones
como sea necesario, incluso permitiendo aplicar criterios de diseño multiobjetivos; esto es,
diferentes normas en diferentes canales del diseño. La verificación del método se ha
presentado mediante un ejemplo numérico completo, que incluye el diseño del controlador,
la síntesis de la ganancia de compensación y, finalmente, la síntesis de los filtros para el
diagnóstico y separación de las saturaciones. Los resultados han sido evaluados mediante
simulaciones.
7.5 Envasado
La mayoría de los ingenios azucareros se encuentran en zonas de alta humedad relativa. En
ellos se utilizan procesos tradicionales de secado y envasado del azúcar, insuficientes para
evitar que la humedad del ambiente llegue al endulzante.
Después de un tiempo de almacenamiento, el agua contenida en el aire envasado se
condensa, disuelve parte del azúcar y forma los conocidos terrones, que afectan la calidad y
manipulación del producto. El sistema tradicional para evitar la formación de terrones es el
uso de silos de acondicionamiento, en los que se almacena el azúcar durante un día, en el
cual se hace circular aire seco para abatir la humedad del aire ocluido. Este sistema es
intermitente y requiere instalar dos silos de almacenamiento para alternar el
acondicionamiento y la producción. A la fecha, sólo dos de los 61 ingenios del país utilizan
parcialmente este tipo de silos.
Capítulo 7: SECADO Y ENVASADO DE AZÚCAR.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
190
El equipo consta de un cilindro vertical, con una flecha móvil en el centro que soporta unos
deflectores cónicos. El azúcar se alimenta por la parte superior y en su descenso entra en
contacto a contracorriente con aire seco (deshumificado), que a la vez de enfriarla, elimina
la humedad relativa del aire que queda ocluido en el envasado de bultos, Figura 7.22.
Figura 7.22: Proceso de envasado de azúcar
El enfriador-acondicionador resolvió la dificultad de aterronamiento en el azúcar
almacenado, así como la formación posterior de color, otros bacteriológicos, pérdida de
fluidez y dificultades de maniobra. Esta tecnología fue desarrollada a petición de un ingenio
que produce 480 toneladas de azúcar al día (60 mil toneladas por zafra), y comenzó a
aplicar en el ciclo 1996-97. Para la zafra de 1997-98 se obtuvieron los resultados esperados.
Hoy esta tecnología se encuentra disponible para el resto de los ingenios del país.
Envasado: Los silos de envase, con capacidad de 500 Tn, distribuyen el Azúcar para
envasar en las distintas presentaciones que tiene la empresa:
• Big-Bag de 500 y 1000 Kg, en envases de Polipropileno.
• Bolsas de papel o de Polipropileno (para Exportación) de 50 Kg.
• Bolsas de Papel de 25 Kg.
• Bolsa de Polietileno de 1 Kg.
• Bolsas de Papel de 1 Kg.
• Tetra Rex de 1 Kg
• Cajas de 800 Sobrecitos. (5 Kg).
A continuación en la Figura 7.23 se presentan los distintos tipos de envasado en general.
Almohada
Fuelle
Fondo plano sello lateral
Capítulo 7: SECADO Y ENVASADO DE AZÚCAR.
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191
Fondo plano
Fondo plano 4 sellos
Tipo DOY
Fondo plano 4 esquinas sello
lateral
Tres sellos fuelle inferior
Tres sellos
4
sellos
doble
perforaciones
Tetra pack
con
4 sellos
Tipo Duya
Flow pack
Stick pack
Figura 7.23: Tipos de envasado
Capítulo 7: SECADO Y ENVASADO DE AZÚCAR.
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Así mismo en la Figura 7.24 se muestran tres tipos de sellos:
a. Sello vertical
b. Sello horizontal
192
c. Sello diagonal
Figura 7.2 4: Tipos de sellos en en vasado
Referencias Bibliográficas
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]
[9]
[10]
[11]
[12]
[13]
[14]
[15]
[16]
ALEMAN, G.L. 1987 Futuro de la industria, subproductos, eficiencia propaganda.
En VII Congreso Centroamericano de tecnología azucarera. El salvador. Pp 237240.
MEADE. G.P. 1967 Manual del azúcar de caña 9 ed. Montaner y Simón S.A.
Barcelona p 453
HUGOT. E.; RUIZ C. 1976 Manual para ingenieros azucareros IV edición Cia.
Editorial Continental México, p 803.
ASSOCIATION OF OFFICIAL ANALYTICAL CHEMISTRY (AOAC). 1995.
Official Methods of Analysis of AOAC International. Vol. II. 16th Edition. Cap.
37.
BELITZ, H. y GROSCH, W. 1997. Química de los alimentos. 2a Edición.
Editorial Acribia Zaragoza. España.1087 p.
CASP, A y ABRIL, J. 1999. Procesos de conservación de alimentos. Ediciones
Mundi-Prensa. España. 494p.
CHARM, S.E. 1971. Fundamental of food engineering. Van Nostrand Reinhold /
AVI, New York. 164 p.
CHOI, Y., y OKOS, M.R. 1986. The thermal properties of tomato juice
concentrates. Transactions of the ASAE. 26: 305-311.
DICKERSON, R. W. JR. 1969. Thermal properties of food. 4th ed., Van Nostrand
Reinhold / AVI, New York.
GEANKOPLIS, C. 1986. Procesos de transporte y operaciones unitarias. Editorial
Continental, S.A., México. 759 p.
HWANG, M., HAYAKAWA, K. 1979. A specific heat calorimeter for foods. J.
Food Sci. 44: 435-438.
KNEULE, F. 1966. El secado. Ediciones Urmo, S.A. Bilbao. España.414 p.
LAGOS, J. 2002. Determinación del calor específico en pasta de murta (Ugni
molinae Turcz), en función de la temperatura. Tesis Ingeniero en Alimentos.
Valdivia, Chile. Universidad Austral, Facultad de Ciencias Agrarias. 63 p.
LAVIN, A y MUÑOZ, C. 1988. Propagación de la murtilla (Ugni molinae Turcz)
mediante estacas apicales semi leñosas. Agricultura Técnica 48 (1): 58-59.
LIDE, R. D. 1999. Handbook of chemistry and physics. CRC Press LLC 80th
edition. 3-6 p.
McCABE, W., SMITH, J. y HARRIOT, P. 1991. Operaciones básicas de
Ingeniería Química. Cuarta edición. McGraw-Hill, Inc.1112 p.
Capítulo 7: SECADO Y ENVASADO DE AZÚCAR.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
193
[17] McNAUGHTON, I. L., MORTIMER, C. T. 1975. Calorimetría diferencial de
barrido. Physical chemistry. Series 2,10. Perkín Elmer Corporation.
[18] MERINO, F. 2002. Elaboración de Láminas de Fruta (“Fruit leathers”) a partir de
pulpa de murta (Ugni molinae Turcz) congelada. Tesis Ingeniero en Alimentos.
Valdivia, Chile. Universidad Austral, Facultad de Ciencias Agrarias. 66 p.
[19] MOHSENIN, N. M. 1980. Thermal properties of food and agriculture materials.
Gordan and Breach. Science publishers. New York. 407p.
[20] MOYLS, A. 1981.Drying of apple purees. J. Food Sci. 46 (3): 939- 942
[21] MUÑOZ , J. 2002. Determinación de la difusividad térmica en pasta de murta
(Ugni molinae Turcz) en función de la temperatura. Tesis Ingeniero en Alimentos.
Valdivia, Chile. Universidad Austral, Facultad de Ciencias Agrarias. 115 p.
[22] PERRY, J.H. 1958. Chemical Engineers Handbook. 3a Ed., Nueva York
[23] RODRIGUEZ, G. 1986. Murta (Ugni molinae Turcz). Chile Forestal 11 (127): 33
[24] SCHMIDT - HEBBEL, H. y PENNACCHIOTTI, I. 1979. Tabla de composición
química de los alimentos chilenos. Sexta edición. Editorial Antartica S.A. 20 p.
[25] SEPULVEDA, C. 1994. Evaluación del comportamiento físico-químico de
murtilla (Ugni molinae Turcz) sometido a diferentes temperaturas de congelación
y tiempo de almacenaje. Tesis Ingeniero Agrónomo Chillán, Chile. Universidad
de Concepción, Facultad de Agronomía. 104 p.
[26] TORRES, E.; SEGUEL, I.; CONTRERAS, G.; y CASTRO, M.; 1999.
Caracterización Físico-Química de Frutas de Murta (Murtilla) Ugni molinae
Turcz. Agricultura Técnica 59 (4): 260-270
[27] VAN ARSDEL, W., COPLEY, M. y MORGAN, A. 1973. Food Dehydration. 2nd
Edition. The Avi Publishing Company, Inc.374 p.
[28] WEISS, S.; MILITZER, K. E.; 1984. Thermische Verfahrenstechnik, Lehrbuch,
3a Edición . VEB Deutscher Verlag für Grundstoff Industrie, Leipzig.
[29] Viviana Carola Cuvertino Calderón Tesis Valdivia Chile 2004
[30] Corripio, Armando B. Tuning of industrial control systems. Instrument Society of
America. 1990.
[31] Smith, Carlos A.; Corripio, Armando B. Principles and practice of automatic
process control. Second edition. John Wiley & Sons. 1997.
[32] Marlin, Thomas E. Process control: designing processes and control systems for
dynamic performance. Mc Graw-Hill. 1975.
[33] Astrom, Karl J.; Hagglund, Tore. PID controllers: theory, design, and tuning.
Second edition. Instrument Society of America. 1995.
[34] McMillan, Gregory K. Tuning and control loop performance: a practitioners’s
guide. Third edition. Instrument Society of America. 1994.
[35] Roots, William K. Fundamentals of temperature control. Academic Press. 1969.
[36] Bañuelos, M.A.; Martínez, W.; Pérez, J.L. “Análisis y diseño de un controlador
PID
[37] analógico”. Reporte técnico RTESTE9905. Centro de Instrumentos, UNAM.
[38] Rayo, G.D.; Bañuelos, M.A.; Castillo, J.; Pérez, J.L.; Pérez, J.S. “Control de
temperatura de un horno industrial de secado utilizando un PID analógico”. En
memorias de SOMI XIV Congreso de instrumentación. Tonanzintla, Pue. Octubre
de 1999.
[39] Patton, R.J. (1997). Fault-tolerant control systems: The 1997 situation. In: Proc. of
Capítulo 7: SECADO Y ENVASADO DE AZÚCAR.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
[40]
[41]
[42]
[43]
[44]
[45]
[46]
[47]
[48]
[49]
[50]
[51]
[52]
[53]
[54]
[55]
[56]
194
The 3th Symposium on Fault Detection, Supervision and Safety for Technical
Processes (SAFEPROCESS’97). Hull University. pp. 1033-1054.
Blanke, M., M. Staroswiecki y N.E. Wu (2001). Concepts and methods in faulttolerant control. In: Proc. of the American Control Conference. Vol. 4. Arlington,
VA, USA. pp. 2606-2620.
Kothare, M.V., P.J. Campo, M. Morari y C.N. Nett (1994). A unified framework
for the study of anti-windup designs. Automatica 30(12), 1869-1883.
Beard, R.V. (1971). Failure accommodation in linear systems through selfreorganization. PhD thesis. Massachusetts Institute of Technology.
Jones, H.L. (1973). Failure detection in linear systems. PhD thesis. Massachusetts
Institute of Technology.
Ríos-Bolívar, A. (2001). Sur la Synthése de Filtres de Detection de Défaillances.
PhD thesis. Université Paul Sabatier. Toulouse.
Ríos-Bolívar, A. y G. García (2001). Robust Filters for fault detection and
diagnosis: An H_ optimization approach. In: 6th European Control Conference.
Porto, Portugal. pp. 132-137.
Niemann, H.H. y J. Stoustrup (1998). Multiobjective design techniques applied to
fault detection and isolation. In: Proc. of the 1998 American control Conference.
Philadelphia. pp. 2022-2026.
Bernstein, D.S. y A.N. Michel (1995). A chronological bibliography on saturating
actuators. Int. Journ. of Robust and Nonlinear Control?5(5), 375-380.
Gomes da Silva Jr., J.M. y S. Tarbouriech (2005). Anti-windup design with
guaranteed regions of stability: An LMI approach. IEEE Tran. on Autom. Control
50(1), 106-111. Åström, K.J. y L. Rundqwist (1989). Integrator windup and how
to avoid it. In: Proc. Of the American Control Conference. pp. 1693-1698.
Ríos-Bolívar, A. y W. Acuña (2006). FTC usando FDI robusta y compensación
AW. In: Proc. of the XII Latin-American Congress on Automatic Control. Vol. 1.
Salvador, Brazil. pp. 192-197.
Ríos-Bolívar, A. y G. García (2005). Robust filters for fault detection: An LMI
control setting Rev. Téc. Ing. Univ. Zulia 28(3). pp. 189-199.
Ríos-Bolívar, A y W. Acuña (2007). Implementation of AW Compensation
Based-on Multifiltering for Fault Diagnosis. In: 15th IEEE Mediterranean
Conference on Control and Automation. Massoumnia, M.A. (1986). A geometric
approach to the synthesis of failure detection filters. IEEE Trans. On Autom.
Control 31(9), 839-846
Grimm, G., I. Postlethwaite, A.R. Teel, M.C. Turner y L. Zaccarian (2003). Anti
windup for Stable Linear Systems With Input Saturation: An LMI-Based
Synthesis. IEEE Tran. On Autom. Control 48(9), 1509-1525.
Wu, F. y B. Lu (2004). Anti-windup control design for exponentially unstable LTI
systems with actuator saturation. Systems & Control Letters, 52, 305-322.
Chilali, M. y P. Gahinet (1996). H_ design with pole placement constraints: An
LMI approach. IEEE Tran. Aut. Control 41(3), 358-367.
He, Y., Wu, M. and She, J., Improved Bounded-Real-Lemma Representation and
H_ Control of Systems With Polytopic Uncertainties, IEEE Trans. on Autom.
Control, Vol. No. 7, pp. 380-383, 2005.
Maciejowski, J.M. (1989). Multivariable Feedback Design. Addison Wesley.
Capítulo 7: SECADO Y ENVASADO DE AZÚCAR.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
195
Capítulo 8: GENERADORES DE VAPOR DE BAGAZO Y
SU CONTROL.
Raúl Rivas Pérez
Cesar Sánchez E., Busoch Morlan C., Benítez Gonzáles I.
Instituto Superior Politécnico José Antonio Echeverría, Cuba
8.1 Introducción.
En la industria de transformación de la caña de azúcar el vapor constituye un elemento
imprescindible debido su amplio uso en la generación de energía eléctrica y mecánica que
utiliza la propia industria, así como en la alimentación de diferentes equipos y procesos que
requieren de vapor para su funcionamiento y obtención final del azúcar de caña.
La forma más común de producir vapor es a partir de los generadores de vapor, también
conocidos como calderas industriales.
Un generador de vapor es un equipo ó sistema que transforma la energía química contenida
en los combustibles, mediante su combustión, en energía térmica disponible, la cual
transfiere al agua para producir vapor. Este vapor se utiliza como tal ó como sustancia de
trabajo en diferentes equipos y/o procesos.
Los generadores de vapor utilizan diferentes tipos de combustibles para producir vapor,
entre los que se encuentran: fuel-oil, diesel, gas, carbón, biomasa cañera (bagazo), biomasa
vegetal, etc.
En la industria azucarera el combustible más utilizado para generar vapor es el bagazo, el
cual constituye un material sólido y fibroso que se obtiene como subproducto del proceso
de extracción del jugo de la caña.
La combustión es una reacción química que libera calor. Se desarrolla cuando los
elementos carbono (C), hidrógeno (H) y azufre (S) contenidos en un combustible se
combinan con el contenido de oxígeno (O) que tiene el combustible, así como con una
cantidad adicional de oxígeno a una temperatura superior a la de auto-ignición de la mezcla
de combustible/aire. El bagazo es un elemento orgánico, por lo que contiene
fundamentalmente carbono.
La fuente de oxígeno utilizada para la combustión es el aire. La cantidad de oxígeno
contenido en el aire varía en correspondencia con las condiciones atmosféricas, pero es
aproximadamente 21 % por volumen o 23 % por peso. Se asume que el % restante del
contenido del aire es nitrógeno.
Los generadores de vapor que utilizan el bagazo como combustible para generar vapor se
conocen como generadores de vapor de bagazo (bagaceros). En este capitulo se aborda
fundamentalmente el estudio de esta clase de equipos.
La explotación de los generadores de vapor resulta indispensable desarrollarla de forma
eficiente, pues ello implica un ahorro significativo de bagazo. La eficiencia en el
aprovechamiento del calor generado durante la combustión del bagazo y su transferencia al
Capítulo 8: GENERADORES DE VAPOR DE BAGAZO Y SU CONTROL.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
196
agua para generar vapor puede ser mejorada de forma significativa mediante el uso de
estrategias adecuadas de control, las cuales posibilitan además aumentar la fiabilidad y
seguridad en el funcionamiento de estos complejos equipos.
El hecho de que la generación de vapor deba corresponderse en todo momento con la
demanda de vapor de los consumidores, así como que el proceso de generación de vapor se
caracterice por presentar un comportamiento dinámico complejo, en el que intervienen
diversas variables manipuladas, controladas y perturbaciones en constante interacción,
implica elevados requerimientos de diseño y operación de los sistemas de control
automático de los generadores de vapor de bagazo. Es por ello, que el funcionamiento y
explotación eficiente de estos equipos requiere disponer de sistemas efectivos de control.
Es necesario destacar, que para lograr una alta efectividad y fiabilidad en la explotación de
los generadores de vapor resulta imprescindible desarrollar un control integral de todos los
procesos asociados a la generación de vapor, entre los que se encuentran no sólo los
procesos relacionados con la combustión y generación de vapor, sino además con la
preparación del combustible y con el tratamiento del agua de alimentación.
La fiabilidad en la generación y suministro de vapor, así como la eficiencia térmica
constituyen elementos muy importantes en la industria de transformación de la caña de
azúcar y tienen asociado un coste que resulta significativamente más importante que el
precio inicial de un generador de vapor. Por ejemplo, el paro de la industria por falta de
vapor puede traducirse en un coste cercano al valor de un generador de vapor nuevo.
La operación de los generadores de vapor con un buen nivel de eficiencia (bajo consumo de
combustible) reporta un elevado beneficio económico y medioambiental. Por ejemplo, por
cada 20 °C que aumente la temperatura de salida de los gases de la combustión, se
incrementa en un 1% el consumo de combustible. De igual forma, por cada 10 % de
incremento del exceso de aire en el proceso de combustión, el consumo de combustible
aumenta también en un 1 %.
Un determinado número de los generadores de vapor de bagazo utilizados en la industria
azucarera presentan una baja eficiencia energética. Para aumentar la eficiencia en la
operación de estos equipos, son esenciales dos requisitos:
Mantener una correcta relación combustible/ aire, lo que garantiza que la
combustión sea completa dentro de los límites de diseño del generador de vapor.
Garantizar que en todo momento se queme el bagazo necesario para mantener la
presión del vapor dentro de los límites requeridos, independientemente de las
variaciones que se puedan originar en la carga (demanda de vapor).
Estos requisitos no se pueden cumplir si no se dispone de un sistema de control efectivo del
proceso de combustión de los generadores de vapor.
Los controladores más utilizados en el control de los diferentes subprocesos y variables de
los generadores de vapor de bagazo son los PI ó PID (analógicos ó discretos), debido a su
gran flexibilidad, simplicidad de sus algoritmos y sencillo ajuste de sus parámetros, así
como a sus propiedades generales de robustez.
Entre los equipos de control con mayor aplicación en la automatización de los generadores
de vapor de bagazo se encuentran los Autómatas Programables (PLC) debido a sus diversas
Capítulo 8: GENERADORES DE VAPOR DE BAGAZO Y SU CONTROL.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
197
ventajas. Estos dispositivos se caracterizan por su elevada fiabilidad y robustez, así como
por posibilitar la combinación en la ejecución de algoritmos de control lógico-secuenciales
con algoritmos de control clásicos y avanzados. Además, los PLC se encuentran preparados
para trabajar de forma efectiva en ambientes industriales caracterizados por presentar un
elevado nivel de ruido y suciedad, así como altas temperaturas, elevado nivel de humedad,
etc. los cuales son típicos en la industria azucarera.
8.2 Clasificación de los generadores de vapor
Debido a la elevada aplicación que presentan los generadores de vapor y su gran variedad
existe un amplio espectro de clasificación de los mismos. Por ejemplo, estos equipos
pueden ser clasificados en correspondencia con su uso, presión de vapor, materiales de que
están construidos, contenidos de los tubos, forma y posición de los tubos, tipo de
combustible, tiro, forma de transmisión del calor, sistema de circulación, etc.
En correspondencia con el contenido de los tubos los generadores de vapor se subdividen
en dos grandes grupos:
Los de tubos de fuego;
Los de tubos de agua.
Los generadores de vapor de tubos de fuego (también conocidos como de tubos de humos ó
pirotubulares) se caracterizan por la circulación de los gases de la combustión por el
interior de los tubos, mientras que el agua a evaporar rodea la superficie exterior de dichos
tubos. Todo el conjunto, agua y paquete multitubular de transferencia de calor, se encuentra
situado dentro del cuerpo del generador de vapor, formado por un cuerpo cilíndrico de
disposición horizontal, el cual presenta una cámara superior de formación y acumulación de
vapor.
En la Figura 8.1 se muestra una vista frontal de un generador de vapor de tubos de fuego,
en la cual es posible observar algunos de sus principales componentes: el quemador, el
cuerpo cilíndrico de formación y acumulación de vapor y el panel de control
Figura 8.1: Vist a front al de un generador de vapor de t ubos de fuego
Capítulo 8: GENERADORES DE VAPOR DE BAGAZO Y SU CONTROL.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
198
La presión de trabajo de estos equipos normalmente no excede los 20 kg/cm2, ya que
presiones más altas obligaría a espesores de la carcaza demasiado grande. Su máxima
producción de vapor es aproximadamente de 25 t/h. Se utilizan en industrias que presentan
demandas relativamente bajas de vapor.
Estos equipos utilizan para la combustión fundamentalmente combustible líquido (fuel-oil
y/o diesel) ó gaseoso (por ejemplo, GLP).
Los generadores de vapor de tubos de agua (también conocidos como acuotubulares) se
caracterizan por la circulación del agua (o mezcla agua-vapor) por el interior de los tubos y
la aplicación de calor (fuego) en la superficie exterior de los mismos. Los tubos se
encuentran unidos a uno o más domos (depósitos cilíndricos), los cuales se encuentran
colocados generalmente en posición horizontal. El domo superior se mantiene
aproximadamente con un 50 % de nivel de agua. El domo inferior se mantiene lleno
completamente de agua, siendo el punto más bajo del generador de vapor. En el domo
inferior se acumula el lodo que se forma en el proceso de producción de vapor, el cual es
drenado desde este punto.
En la Figura 8.2 se muestra una vista frontal de un generador de vapor de tubos de agua con
circulación natural, en la que se puede apreciar algunos de sus principales componentes: el
horno (hogar), el domo superior y domo inferior, y los haces de tubos descendentes y
ascendentes.
Figura 8.2: Vist a front al de un generador de vapor de t ubos de agua
Esta clase de generadores de vapor presenta un gran espectro de producción de vapor, que
puede variar desde una pequeña producción, en calderas compactas, hasta las grandes
producciones de 1 000 t/h y presiones hasta 150 kg/cm2. Se utilizan principalmente en
industrias que requieren de una elevada demanda de vapor a alta presión y de naturaleza
seca.
Capítulo 8: GENERADORES DE VAPOR DE BAGAZO Y SU CONTROL.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
199
En términos de operación, los generadores de vapor de tubos de agua son mucho más
complejos y exigen una mayor seguridad que los generadores de vapor de tubos de fuego.
Estos equipos utilizan para la combustión combustible líquido (fuel-oil, diesel), gas y/o
combustible sólido (carbón, biomasa cañera ó vegetal, etc.).
8.3 Generadores de vapor de bagazo. Características generales
Como se señaló en el epígrafe anteiror, los generadores de vapor de bagazo (bagaceros) son
aquellos que utilizan el bagazo como combustible, transformado su energía disponible en
energía térmica y transfiriéndola al agua para generar vapor a cierta presión, el cual se
utiliza en la generación de electricidad, así como en el funcionamiento de diferentes
equipos y procesos necesarios para la obtención de azúcar de caña.
La característica más importante del bagazo, desde el punto de vista de la producción de
vapor es su % de humedad. Un bajo % de humedad del bagazo garantiza un buen proceso
de combustión.
En algunos casos, los generadores de vapor bagaceros son del tipo mixto, los cuales tienen
la capacidad de quemar bagazo y/o combustibles fósiles (fuel-oil, diesel, gas, etc.). Esta
característica posibilita que el generador de vapor pueda funcionar de forma ininterrumpida
sin depender de la existencia y disponibilidad del bagazo. Los generadores de vapor de
bagazo son fundamentalmente de tubos de agua ó acuotubulares, debido a que el proceso
productivo de fabricación del azúcar requiere de grandes caudales de vapor a altas
presiones.
Los generadores de vapor bagaceros se caracterizan por presentar una estera (banda)
transportadora para el suministro de bagazo al horno. La velocidad del movimiento de la
estera depende de la demanda de vapor requerida, aumentando con el aumento de dicha
demanda.
Figura 8.3: Vist a front al de un generador de vapor de bagazo
En la Figura 8.3 se muestra una vista frontal de un generador de vapor de bagazo, en la cual
es posible observar su compleja estructura y grandes dimensiones.
Capítulo 8: GENERADORES DE VAPOR DE BAGAZO Y SU CONTROL.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
200
En condiciones normales de operación en los generadores de vapor de bagazo se obtienen
elevadas presiones del vapor, cuyo valor depende del nivel de molienda de la caña. Cuando
la demanda de vapor disminuye y la presión del vapor en el domo superior alcanza valores
por encima de la presión máxima permisible se abre una válvula reguladora de presión, a
través de la cual se libera vapor hasta que se alcance nuevamente la presión de operación.
Los generadores de vapor de bagazo tienen como objetivo producir con elevada eficiencia
vapor a presión constante y bajo % de humedad (vapor seco), así como expulsar los gases
producto de la combustión con la menor contaminación posible del medio ambiente
(bagazo no quemado (inquemados), elevadas temperaturas, etc).
Los generadores de vapor de bagazo se encuentran conformados por los siguientes
elementos:
1. Horno (hogar) ó cámara de combustión;
2. Estera (banda) transportadora de bagazo (alimentador);
3. Cámara de generación de vapor, integrada por el domo superior (DS), domo
inferior (DI) y los haces de tubos descendentes (HTD) y ascendentes (HTA);
4. Sistema de tiro, integrado por el ventiladores de tiro forzado (VTF), el ventilador
de de tiro inducido (VTI), los conductos para el suministro de aire al horno y
extracción de los gases producto de la combustión, así como por la chimenea;
5. Superficies auxiliares de transferencia de calor, entre las que se encuentran el
sobrecalentador (SC), el economizador (E), el calentador de aire (CA) y el
atemperador (A).
6. Otros equipos y dispositivos auxiliares.
Figura 8.4: Diagram a de un generador de vapor de bagazo
Capítulo 8: GENERADORES DE VAPOR DE BAGAZO Y SU CONTROL.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
201
En la Figura 8.4 se muestra un diagrama de un generador de vapor de bagazo, en el cual es
posible observar el suministro de bagazo al horno mediante la estera transportadora.
8.4 Breve descripción del proceso de generación de vapor
En la Figura 8.5 se presenta un diagrama funcional de un generador de vapor de bagazo, en
el cual se muestran sus principales componentes.
El bagazo se introduce en el horno mediante una estera (banda) transportadora con el
caudal de aire caliente ( Gaic ) necesario para la combustión. En el horno se encuentran
situados los quemadores, los cuales proporcionan la llama que posibilita la combustión del
bagazo, liberándose energía en forma de calor. En el horno debe lograrse un régimen
térmico que garantice la ignición continua y combustión total del bagazo, para ello se
requiere de una determinada relación entre los caudales de bagazo ( Gb ) y de aire ( Gaic ).
El caudal de aire ( G ai ) es impulsado hacia el horno mediante el ventilador de tiro forzado
(VTF) a través del calentador de aire (CA), lo cual posibilita proporcionar un suministro
continuo de aire caliente ( G aic ) al horno (tiro forzado).
La combustión completa se desarrolla cuando se introduce en el horno un correcto exceso
de aire en relación con la cantidad de combustible que se está quemando, así como bagazo
con un bajo % de humedad. Si el exceso de aire no es el requerido, pueden surgir las
siguientes dificultades:
1. Cuando el exceso de aire es superior al requerido para la combustión completa
se escapa calor útil con los gases de la combustión a través de la chimenea. En
este caso los gases de la combustión presentan una tonalidad blanca.
2. Cuando el exceso de aire es insuficiente se originan pérdidas de calor debido al
escape de combustible no quemado (inquemado) con los gases de la combustión
a través de la chimenea. En este caso, los gases de la combustión presentan una
tonalidad negra.
3. Cuando se escapa combustible no quemado, existe un cierto riesgo de explosión
como consecuencia de la falta de oxigeno.
4. Las pérdidas que se originan por cantidades insuficientes de aire son muy
superiores a las pérdidas por exceso de aire.
Además, el faltante de aire ocasiona acumulación de combustible no quemado en el horno,
disminución de la transferencia de calor, así como un aumento en los trabajos de
mantenimiento del generador de vapor.
El ingreso de bagazo al horno (hogar) del generador de vapor con un elevado % de
humedad (superior al 50 %) origina una cantidad excesiva de humo, lo cual implica pérdida
de llama y ocasiona una caída de la presión del vapor que afecta al proceso productivo de
generación de electricidad y fabricación de azúcar.
Los gases producto de la combustión ( G gc ) se extraen del horno mediante el ventilador de
tiro inducido (VTI). Estos gases transfieren parte de su calor a los fluidos que circulan por
las diferentes superficies auxiliares antes de ser evacuados a la atmósfera.
Capítulo 8: GENERADORES DE VAPOR DE BAGAZO Y SU CONTROL.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
202
Figura 8.5: Diagram a funcional de un generador de vapor de bagazo
Durante el proceso de combustión se debe asegurar que se produzca un enfriamiento
adecuado de los gases de salida del horno, esto permite que las pérdidas de calor por
incombustión química y mecánica se encuentren en los límites permisibles.
El enfriamiento de los gases producto de la combustión debe realizarse de forma tal que su
temperatura de salida resulte inferior a la temperatura de fusión de la ceniza.
En la Figura 8.6 se muestra un diagrama en el cual es posible observar el proceso de
circulación del aire ( G ai ) y de los gases producto de la combustión ( G gc ) a través de los
diferentes elementos que integran el generador de vapor objeto de estudio.
Para el trabajo eficiente del generador de vapor, el aire que se utiliza en el proceso de
combustión ( G ai ), así como los gases producto de la combustión ( G gc ) deben circular
continuamente a través de los respectivos circuitos del generador de vapor. Este proceso se
conoce como tiro.
La circulación del aire y de los gases puede realizarse de forma natural (tiro natural) o a
través de dispositivos electro-mecánicos (tiro inducido tiro ó tiro forzado).
El tiro inducido es el relacionado con la extracción de los gases producto de la combustión
Capítulo 8: GENERADORES DE VAPOR DE BAGAZO Y SU CONTROL.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
203
debido a la acción del ventilador de tiro inducido (VTI). Para la evacuación de los gases
producto de la combustión ( G gc ), el ventilador de tiro inducido (VTI) debe vencer la
resistencia de todo el circuito de gases, además de garantizar un vacío adecuado en todo
éste circuito, con el objeto de evitar posibles fugas de gases calientes y operar de manera
estable y fiable para lograr un adecuado comportamiento del sistema de tiro.
Figura 8.6: Circulación del aire y de los gases de salida a t ravés del generador de vapor
El flujo de gases y cenizas que debe trasegar el VTI es superior en los generadores de vapor
de bagazo, que en los generadores de vapor que queman combustibles fósiles, por lo que
los mismos se encuentran sometidos a un régimen de carga superior.
El tiro forzado es el relacionado con el suministro de aire al horno ( G aic ) a través de los
quemadores mediante la acción del ventilador de tiro forzado (VTF) para posibilitar vencer
la caída de presión que se origina en el calentador de aire y en el circuito de circulación del
aire.
Los generadores de vapor de bagazo se encuentran equipados con un damper de aire
situado en el circuito de aire y con otro damper de gases situado en el circuito de los gases
producto de la combustión, los cuales posibilitan regular el caudal de aire de entrada
utilizado en el proceso de combustión, así como el caudal de gases producto de la
combustión de salida respectivamente.
El caudal de agua ( Ga ) es impulsado hacia el domo superior (DS) mediante una bomba de
alimentación a través del economizador (EC), originándose un suministro continuo de agua
de alimentación ( G aa ) al domo superior (DS) con la temperatura requerida para la
generación de vapor.
Capítulo 8: GENERADORES DE VAPOR DE BAGAZO Y SU CONTROL.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
204
En la Figura 8.7 se muestra un diagrama en el que se puede observar el proceso de
circulación natural del agua a través de los diferentes elementos que integran la cámara de
generación de vapor.
Figura 8.7: Circulación nat ural del agua en la cám ara de gener ación de vapor
El agua de alimentación ( G aa ) desde el domo superior (DS) desciende hacia el domo
inferior (DI) a través del haz de tubos descendentes (HTD). Estos tubos no reciben calor
por encontrarse situados fuera del horno.
El haz de tubos ascendentes (HTA), también conocido como evaporador, se encuentra
situado dentro del horno, por lo que sus tubos reciben un continuo flujo de calor, el cual es
transferido al agua que fluye por el interior de los mismos. Ello origina que el agua
contenida en el domo inferior (DI) ascienda rápidamente, hacia el domo superior (DS) a
través del haz de tubos ascendentes (HTA), debido a su conversión parcial en vapor.
De esta forma, al domo superior (DS) ingresa desde el domo inferior (DI) una mezcla de
agua/vapor. Las condiciones térmicas de presión y temperatura existentes en el domo
superior (DS) posibilitan la separación del vapor de la mezcla agua/vapor. El agua restante
se mezcla con el caudal de agua de alimentación ( G aa ) que ingresa al domo superior (DS)
procedente del economizador (E).
La circulación natural del agua a través de los diferentes elementos que integran la cámara
de generación de vapor se debe a la diferencia de densidades que se origina entre el agua y
la mezcla agua/vapor que se encuentran en los haces de tubos descendentes (HTD) y
Capítulo 8: GENERADORES DE VAPOR DE BAGAZO Y SU CONTROL.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
205
ascendentes (HTA) respectivamente. Como el vapor es mucho más ligero que el agua se
eleva rápidamente y este movimiento crea turbulencia y circulación.
El calor que eleva la temperatura del agua hasta la temperatura de ebullición se conoce
como calor sensible. La temperatura de ebullición del agua es de 100 0C a presión
atmosférica, aumentando este valor con el aumento de la presión y viceversa. La
temperatura de ebullición del agua se conoce también como temperatura de saturación del
vapor producido.
Cuando en el domo superior comienza la conversión del agua a vapor, la temperatura del
agua se mantiene constante a pesar de que se continúa añadiendo calor. El fluido se
mantiene en condiciones de saturación (presión/temperatura) durante todo el proceso de
conversión agua/vapor. El calor que se añade durante este proceso se conoce como calor
latente de vaporización.
La cantidad de calor total suministrado al agua para su conversión a vapor incluye el calor
sensible y el calor latente. Generalmente, cuando la presión del vapor saturado aumenta, la
cantidad necesaria de calor sensible también aumenta y disminuye la cantidad de calor
latente.
El vapor saturado ( Gv ) sale del domo con una presión y temperatura determinadas y fluye
hacia el sobrecalentador (SC), donde aumenta su temperatura y disminuye ligeramente su
presión debido a las pérdidas que se originan por fricción. El sobrecalentamiento aumenta
la entalpía del vapor, lo que representa aumentar su calor total.
El vapor sobrecalentado de alta presión ( G vscap ) es utilizado inicialmente para generar
electricidad mediante un sistema Turbina (T)/Generador (G). El vapor de baja presión
( G vbp ) de salida de la turbina es aprovechado por los equipos y procesos de la industria
para la obtención del azúcar.
El procedimiento de utilizar el caudal de vapor de alta presión ( G vscap ) para la generación
de electricidad y el caudal de baja presión resultante ( G vbp ) para suministrar calor a los
equipos y procesos de la industria se conoce como cogeneración.
El caudal de vapor de salida del proceso azucarero (caudal de vapor de retorno ( Gvr ))
ingresa al generador de vapor para su conversión nuevamente en caudal de agua de
alimentación mediante un condensador, obteniéndose de esta forma un determinado caudal
de condensado ( G c ), el cual es tratado térmicamente en equipos especiales (deareadores)
que posibilitan eliminar el exceso de oxigeno, que el vapor adquiere en su recorrido por los
diferentes elementos que integran el circuito de circulación agua/vapor.
El agua después de ser tratada térmicamente ( Gatt ) se mezcla con agua tratada
químicamente a temperatura ambiente ( G a ), para compensar las pérdidas que
irremediablemente se originan en el proceso, retornando nuevamente al domo superior del
generador de vapor como caudal de agua de alimentación ( Gaa ) para reiniciar el ciclo de
generación de vapor.
Capítulo 8: GENERADORES DE VAPOR DE BAGAZO Y SU CONTROL.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
206
En el caso que en la industria se requiera de vapor sobrecalentado de alta presión, pero de
menor temperatura y presión que el utilizado para la generación de electricidad mediante la
turbina (T), el caudal de vapor sobrecalentado de alta presión ( G vscap ) puede ser
atemperado mediante un atemperador (A). Como resultado de este proceso se obtienen los
caudales de vapor atemperado ( Gva ) y de agua caliente ( G ac ). El caudal de agua caliente
( G ac ) que se obtiene ingresa al domo superior para ser utilizado en la generación de vapor.
8.5 Superficies auxiliares de transferencia de calor
Las superficies auxiliares son equipos de intercambio de calor que permiten elevar la
temperatura de los diferentes fluidos que se utilizan en la generación de vapor mediante el
aprovechamiento del calor útil contenido en los gases producto de la combustión ( G gc ), lo
cual posibilita mejorar la eficiencia del generador de vapor, así como disminuir el impacto
negativo sobre el medio ambiente de dichos gases.
8.5.1 Sobrecalentador de vapor
El sobrecalentador o recalentador de vapor constituye un intercambiador de calor
(gases/vapor) que utiliza los gases producto de la combustión ( G gc ) para elevar la
temperatura del vapor saturado producido en el domo superior hasta valores aproximados
de 350 0C, manteniendo sin grandes variaciones su presión.
El vapor sobrecalentado ( Gvscap ) se caracteriza por su bajo contenido de humedad y por
ende presentar un menor efecto abrasivo y corrosivo que el vapor saturado ( Gv ). La
turbina utilizada en la generación de electricidad requiere de la condición de sequedad del
vapor.
El sobrecalentador puede ser situado en las paredes y techo del horno (sobrecalentador de
radiación) o en el conducto convectivo de salida de los gases de la combustión del horno
(sobrecalentador convectivo).
8.5.2 Economizador
El economizador representa a un intercambiador de calor (gases/agua) utilizado para
acercar la temperatura del agua de alimentación ( Gaa ) antes de su ingreso al domo
superior a la temperatura de saturación del vapor, aprovechando el calor útil contenido en
los gases producto de la combustión ( G gc ).
Las ventajas que se obtiene del economizador son las siguientes:
Aumento de la eficiencia del generador de vapor como resultado de la reducción de
las pérdidas de calor en los gases producto de la combustión;
Ahorro de combustible debido a que se requiere de un menor suministro de calor
para alcanzar la temperatura de saturación del vapor;
Disminución del choque térmico en el domo superior del generador de vapor.
Capítulo 8: GENERADORES DE VAPOR DE BAGAZO Y SU CONTROL.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
207
Por cada 5 oC de aumento en la temperatura del agua de alimentación se obtiene un ahorro
aproximado de bagazo de 1 %.
8.5.3 Calentador de aire
El calentador de aire constituye un intercambiador de calor (gas/gas) utilizado para calentar
el caudal de aire ( G ai ) utilizado en la combustión (comburente) e impulsado por el
ventilador de tiro forzado (VTF) antes de su ingreso al horno mediante en caudal de gases
producto de la combustión ( G gc ).
Las ventajas que se obtienen del calentador de aire son las siguientes:
Aumento de la eficiencia del generador de vapor debido a la reducción de las
pérdidas de calor en los gases producto de la combustión;
Aumento de la temperatura de la llama, lo que permite disminuir en cierta medida el
exceso de aire empleado en la combustión;
El calor añadido al aire pasa al horno, reduciéndose el bagazo necesario en una
cantidad igual, en valor calórico, al que ha sido transferido al aire.
Aproximadamente por cada 25 oC que se eleve la temperatura del aire se ahorra un 1 % de
bagazo.
8.6 Equipos y dispositivos auxiliares
Los generadores de vapor de bagazo cuentan con otros equipos y dispositivos que
complementan sus funciones y entre los que se encuentran:
1. Equipos para la preparación del bagazo: Estos equipos garantizan una adecuada
preparación del bagazo para lograr una combustión eficiente y entre los mismos se
encuentran: trituradores, secadores, etc.;
2. Equipos para el suministro de bagazo: estera transportadora (alimentador), motores,
variadores de velocidad, etc.
3. Equipos para remover la ceniza de los gases producto de la combustión:
eliminadores ó precipitadotes;
4. Equipos para limpiar la ceniza y escoria adherida a las superficies de transferencia de
calor: sopladores, vibradores, lanzadores de bolas de aceros, lavadores, etc.
8.7 Tratamiento del agua de alimentación
Los generadores de vapor deben ser alimentados con agua debidamente tratada para evitar
las incrustaciones internas de sales, la corrosión, el arrastre y la cristalización de los
metales, los cuales provocan daños en el funcionamiento del generador de vapor y limitan
su vida útil.
El agua que se utiliza para alimentar a los generadores de vapor contiene sólidos en
suspensión, así como sólidos y gases disueltos. La dureza del agua se encuentra
determinada por la presencia de sales de calcio, magnesio y silicio disueltas. El oxigeno y el
anhídrido carbónico representan a los principales gases disueltos en el agua.
El tratamiento del agua de alimentación constituye el procedimiento basado en procesos
químicos y físicos que posibilita reducir las impurezas del agua hasta límites permitidos
Capítulo 8: GENERADORES DE VAPOR DE BAGAZO Y SU CONTROL.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
208
para su uso en la generación de vapor.
Las incrustaciones constituyen costras insolubles que se forman en las paredes internas de
los tubos y domos de la cámara de generación de vapor, las cuales ofrecen una gran
resistencia al proceso de transferencia de calor. Cuando las incrustaciones se someten al
efecto del calor radiante se produce un recalentamiento que puede ocasionar la ruptura de
los diferentes elementos que integran la cámara de generación de vapor.
Las incrustaciones se originan cuando el agua de alimentación contiene una alta proporción
de sales disueltas, debido a que las sustancias solubles a altas temperaturas se convierten
en insolubles precipitándose sobre las superficies internas de los tubos y domos.
La corrosión se acelera con el exceso de oxigeno libre en el agua de alimentación,
ocasionando desgaste en los metales. La presencia de anhídrido carbónico y la acidez del
agua de alimentación también provocan corrosión.
Para evitar la corrosión debe eliminarse el exceso de oxigeno libre y controlarse la
temperatura del agua del alimentación en función de su composición química. El pH del
agua debe mantenerse entre 8 y 9.
El caudal de condensado ( Gc ) antes de ingresar nuevamente en el generador de vapor
como agua de alimentación es tratado térmicamente en el deareador con el objeto de
eliminar el exceso de oxigeno del agua.
El flujo de agua a través del economizador (E) debe crear una turbulencia tal que arrastre el
oxigeno disuelto en el agua hacia el domo, donde es liberado junto con el vapor.
El arrastre constituye el escape de partículas de agua y sólidos con el vapor que sale del
domo superior. El arrastre se origina como resultado de la formación de espuma en el domo
superior debido a las condiciones químicas del agua ó la existencia de partículas en
suspensión. El arrastre también puede ser provocado por condiciones en el domo de
operación ineficiente, como por ejemplo alto nivel del agua, demanda brusca de vapor, etc.
La cristalización representa al proceso de alteración de la estructura de los metales como
consecuencia de la concentración de determinadas sustancias químicas.
El tratamiento del agua de alimentación se puede realizar mediante métodos externos e
internos. Los métodos externos son aquellos que posibilitan eliminar las impurezas del agua
mediante el desarrollo de determinados procesos y operaciones. Los métodos internos se
basan en procedimientos de carácter químico y se utilizan para eliminar las impurezas que
se mantienen en el agua de alimentación a pesar del tratamiento mediante métodos
externos.
Entre los métodos externos de tratamiento del agua de alimentación se encuentran: la
sedimentación, filtración ó coagulación. Entre los métodos internos se encuentra la
suavización, que consiste en agregarle al agua cal apagada ó soda para la precipitación de
las sales carbonatadas. Los precipitados que se forman se eliminan mediante filtración.
La suavización mediante intercambio iónico del agua de alimentación con sustancias
insolubles, por ejemplo la zeolita, consiste en fijar los iones de calcio y magnesio y
Capítulo 8: GENERADORES DE VAPOR DE BAGAZO Y SU CONTROL.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
209
sustituirlos por otros iones, por ejemplo de sodio, los cuales ceden de su estructura.
Después de cierto tiempo la zeolita se agota, perdiendo su efectividad. En este caso, resulta
necesaria su regeneración mediante intercambio iónico con una solución acuosa de cloruro
de sodio, la cual posibilita la restitución de sus propiedades.
La suavización mediante intercambio iónico origina sales solubles de sodio, las cuales no
forman incrustaciones, pero aumentan el contenido de sólidos totales en el agua de
alimentación que pueden descomponerse produciendo sosa cáustica. La sosa cáustica
favorece la cristalización de los metales.
La desmineralización elimina prácticamente todos los minerales presentes en el agua de
alimentación cruda.
Para garantizar la operación adecuada de los generadores de vapor y evitar incrustaciones,
corrosión y contaminación del vapor se toman además las siguientes medidas:
1. Deareación del agua de alimentación;
2. Extracciones continuas de agua del domo (purgas);
3. Evitar la entrada de aire en el sistema de condensado.
8.8 Eficiencia de los generadores de vapor de bagazo
El funcionamiento de los generadores de vapor se específica en términos de su eficiencia.
La operación eficiente de los generadores de vapor requiere garantizar un determinado
equilibrio entre el vapor demandado y el generado considerando las pérdidas. Para ello es
necesario mantener el balance de materiales y de energía en estos equipos.
En el circuito agua/vapor se plantea la siguiente ecuación de de balance de materiales:
Qaa Qv Q p Qui
,
(8.1)
donde:
Q p - caudal de agua utilizado en las purgas continuas en el domo superior;
Qui - caudal de agua de uso interno del generador de vapor (soplo, limpieza, etc.).
En el circuito aire/gases de la combustión se plantea la siguiente ecuación de balance de
materiales:
Qb Qai Q gc Qnq
,
(8.2)
donde:
Qnq - caudal de ceniza y bagazo no quemado
Las pérdidas que se originan durante la transformación de la energía disponible en el
bagazo para la generación de vapor se relacionan mediante la ecuación de balance de
energía (térmico) en el generador de vapor.
El balance de energía en un generador de vapor de bagazo establece la relación entre la
Capítulo 8: GENERADORES DE VAPOR DE BAGAZO Y SU CONTROL.
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210
cantidad de calor disponible en el bagazo y la cantidad de calor utilizado en la generación
de vapor considerando las pérdidas. Este balance se establece para un kilogramo de bagazo.
La ecuación de balance de energía en condiciones de régimen permanente se representa
mediante la expresión:
Q Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 ,
(8.3)
donde:
Q - calor total disponible en el bagazo para la combustión;
Q1 - calor útil (utilizado en la transformación del agua en vapor a una temperatura y
presión determinada);
Q2 - pérdidas de calor en los gases de la combustión;
Q3 - pérdida de calor por combustión química incompleta;
Q4 - pérdida de calor por combustión mecánica incompleta;
Q5 - pérdida de calor con el medio exterior;
Q6 - pérdida de calor sensible con la ceniza.
En la Figura 8.8 se muestra un diagrama en el cual se puede observar los resultados del
balance térmico de un generador de vapor de bagazo.
La eficiencia de un generador de vapor se determina mediante la relación que existe entre el
calor total disponible en el combustible y el calor útil considerando el calor utilizado en la
operación del generador del vapor.
Energía en
gases de la
combustión
8.4 %
Energía
disponible en el
bagazo para
combustión
98.6 %
Generador
de
Vapor
Energía en
el vapor
81.1 %
Pérdidas por
inquemados,
residuos, etc.
9.1 %
Figura 8. 8: Result ados del balance t érm ico de un generador de vapor de bagazo
La eficiencia bruta ( B ) se determina mediante la siguiente relación entre el calor total
disponible y el calor útil:
B
Q1
Q
(8.4)
Capítulo 8: GENERADORES DE VAPOR DE BAGAZO Y SU CONTROL.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
211
La eficiencia neta ( N ) se determina mediante la siguiente relación:
N
donde:
Q1 Qi
Q
Qi QPb QOEL QP
(8.5)
(8.6)
QPb - energía utilizada en la preparación del bagazo (trituración, secado, etc.);
QOEL - energía utilizada en la operación de equipos de limpieza de las superficies
auxiliares de transferencia de calor, entre los que se encuentran equipos de
soplo, lavado, etc., los cuales utilizan vapor sobrecalentado ó aire
comprimido seco;
QP - pérdidas de calor que se originan con las purgas continuas del domo.
Para asegurar una elevada eficiencia del generador de vapor se recomienda:
1. Desarrollar una combustión eficiente, la cual depende de lo completa y eficiente que
sea la reacción oxigeno/carbono, disminuyendo con el aumento del oxigeno necesario
para la combustión completa, así como con el contenido de combustible no quemado
(CO) en los gases producto de la combustión.
Se debe alimentar el quemador con una relación adecuada bagazo-aire, utilizar
bagazo con un bajo % de humedad, así como asegurar la limpieza del quemador.
2. Eliminar las pérdidas de calor, las cuales se originan con mayor frecuencia en las
chimeneas, así como mediante radiación y purgas continuas del domo y pueden
representar pérdidas de hasta 30 % de eficiencia. En las chimeneas es necesario
desarrollar un adecuado mantenimiento y el seguimiento de las normas del fabricante.
Para disminuir las pérdidas de calor por radiación se recomienda aislar las paredes del
horno y en general de todas las superficies de transferencia de calor del generador de
vapor.
3. Evitar los siguientes focos de pérdidas de calor:
- Altas temperaturas en los gases producto de la combustión
- Inquemados del combustible;
- Elevado porcentaje de oxigeno en los gases producto de la combustión debido a
un alto exceso de aire;
- Elevada temperatura de las paredes de los diferentes equipos y dispositivos del
generador de vapor;
- Baja calidad del vapor por arrastre de agua;
- Excesivo caudal de purgas ó muy continuas;
- Paradas frecuentes del generador de vapor por averías;
- Cenizas muy caliente;
- Entrada del caudal de agua de alimentación al domo superior con temperatura
- inferior a la requerida;
- Agua en el aire de combustión;
- Baja calidad del bagazo por exceso de humedad;
- Fugas de vapor;
- Arrastres e incrustaciones de sales;
- Operaciones fluctuantes con demandas muy variables de vapor.
Capítulo 8: GENERADORES DE VAPOR DE BAGAZO Y SU CONTROL.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
212
8.9 Control de generadores de vapor de bagazo
Los generadores de vapor de bagazo como objetos de control automático se caracterizan
por ser plantas muy complejas integradas por múltiples equipos y dispositivos que
presentan una gran interacción y que funcionan en condiciones de elevada presión y
temperatura. Es por ello que estos equipos deben ser operados de forma tal de obtener un
funcionamiento eficiente y seguro que garantice la obtención del caudal requerido de vapor
de calidad con un mínimo consumo de bagazo, así como con la menor contaminación
posible del medio ambiente.
Los generadores de vapor de bagazo se benefician ampliamente en su eficiencia y seguridad
de los sistemas de control automático. Debido a la naturaleza termodinámica de los
diferentes procesos que se desarrollan en estos equipos, los mismos se caracterizan por ser
inherentemente lentos, por lo que los controladores automáticos reaccionan con mayor
velocidad y precisión que los operadores humanos.
El sistema de control automático debe garantizar un funcionamiento efectivo y seguro del
generador de vapor independientemente de las variaciones que se pueden originar en la
carga (demanda de vapor).
Los generadores de vapor de bagazo constituyen plantas con múltiples variables de entrada
y salida y grandes interacciones entre estas variables. Además, se encuentran sometidos al
efecto de diversas perturbaciones externas e internas que afectan de forma significativa su
funcionamiento normal.
Entre las variables de entrada de un generador de vapor de bagazo como objeto de control
se encuentran las siguientes:
Qb (t ) - caudal de bagazo;
Qai (t ) - caudal de aire;
Qaa (t ) - caudal de agua de alimentación;
Q gc (t ) - caudal de gases producto de la combustión;
Entre las variables de salida de un generador de vapor de bagazo como objeto de control se
encuentran las siguientes:
Pv (t ) - presión del vapor en el domo superior;
H d (t ) - nivel de agua en el domo superior;
Qv (t ) - caudal de vapor demandado;
Pai (t ) - presión del aire;
PCv (t ) - presión en colector de vapor (presión del vapor demandado);
Rb / ai (t ) - relación bagazo/aire;
Pvh (t ) - presión de vacío en el horno;
Tso (t ) - temperatura de saturación;
Taao (t ) - temperatura del agua de alimentación;
Capítulo 8: GENERADORES DE VAPOR DE BAGAZO Y SU CONTROL.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
213
Tvso (t ) - temperatura del vapor sobrecalentado;
o
Taic
(t ) - temperatura del aire calentado;
H b (t ) - % de humedad en el bagazo;
(t ) - composición de los gases producto de la combustión (contenido de oxigeno
( O2 ) y de dióxido de carbono ( CO2 ), temperatura, opacidad, etc.);
v (t ) - contenido de sales e impurezas en el vapor;
aa (t ) - contenido de sales e impurezas en el agua de alimentación;
Oaa (t ) - contenido de oxigeno disuelto en el agua de alimentación;
Entre las principales perturbaciones que afectan el funcionamiento adecuado de un
generador de vapor de bagazo se encuentran las siguientes:
M (t ) - variaciones en la carga (vapor demandado);
Qb (t ) - variaciones en el caudal de bagazo suministrado al horno;
H b (t ) - variaciones en la calidad del bagazo (% de humedad);
Pvh (t ) - variaciones en la presión de vacío en el horno;
o
Taic
(t ) - variaciones en la temperatura del aire utilizado en la combustión;
Tso (t ) - variaciones en la temperatura de saturación del vapor;
Texto (t ) - variaciones en la temperatura del medio ambiente exterior;
Tgco (t ) - variaciones en la temperatura de los gases producto de la combustión;
Qaa (t ) - variaciones en el flujo de agua de alimentación.
La acción de control debe restablecer en el menor tiempo posible las afectaciones que se
originen en los indicadores de funcionamiento del generador de vapor debido al efecto de
las perturbaciones externas e internas.
Las variables involucradas en un generador de vapor son fundamentalmente de naturaleza
no lineal, sin embargo para fines prácticos estas pueden ser modeladas como lineales, lo
cual posibilita el análisis y diseño de sistemas efectivos de control utilizando las
herramientas del control lineal.
No todas las variables de salida de un generador de vapor se controlan de forma automática,
aunque la mayor parte de ellas se miden y registran. Existen algunas variables que no se
pueden medir y/o controlar de forma directa.
Las variables que se requiere controlar en un generador de vapor de bagazo responden a la
necesidad de cumplir con los valores máximos absolutos de operación establecidos por el
fabricante y/o por requerimientos especiales relacionados con el proceso en sí y con las
normas y reglamentos estipulados para la operación segura de estos complejos equipos.
En la Figura 8.9 se muestra un diagrama de un generador de vapor de bagazo, en el cual es
posible observar algunas de las principales variables que son objeto de medición, registro y
control.
Capítulo 8: GENERADORES DE VAPOR DE BAGAZO Y SU CONTROL.
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214
Figura 8.9: Princi pales variables de un generador de vapor de bagazo
En los generadores de vapor de bagazo existen tres grupos fundamentales de control:
Control de la combustión;
Control del agua de alimentación;
Control de la temperatura del vapor sobrecalentado.
8.9.1 Control de la combustión
El control efectivo de la combustión presenta una elevada importancia debido a que el
desarrollo de una combustión completa y eficiente constituye el objeto principal del
funcionamiento de todo generador de vapor de bagazo.
La combustión completa se origina cuando se dispone de suficiente exceso de aire. En este
sentido es necesario destacar que la pérdida de calor útil asociada con el exceso de aire en
las emisiones de los gases producto de la combustión a través de la chimenea constituye
una de las causas fundamentales de ineficiencia en los generadores de vapor de bagazo. La
magnitud de estas pérdidas es posible determinarlas mediante la temperatura de los gases de
salida a través la chimenea, la cual es función del volumen de exceso de aire en dichos
gases.
El control de la combustión se encuentra relacionado con el balance de energía en el
generador de vapor. La demanda de energía es función de la carga (demanda de vapor) y
debe ser compensada por la energía suministrada por el bagazo.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
215
Para el desarrollo de una buena combustión se debe controlar las siguientes variables:
- Presión del vapor en el domo ( Pv (t ) );
- Relación bagazo/aire ( Rb / ai (t ) );
- Presión de vacío en el horno ( Pvh (t ) );
- Contenido de oxígeno en los gases producto de la combustión ( O2 ).
La presión del vapor en el domo ( Pv (t ) ) constituye un indicador del balance de energía
entre el vapor generado y el demandado. La presión del vapor es proporcional a la
producción de vapor y representa la energía de salida, mientras que el caudal de bagazo
( Qb (t ) ) representa la energía de entrada.
El método más simple de control de la presión del vapor ( Pv (t ) ) consiste en manipular el
caudal de bagazo que ingresa al horno ( Qb (t ) ), lo cual implica manipular también el
caudal de aire ( Qaic (t ) ) que ingresa al horno (comburente) para garantizar el exceso de
aire necesario para la completa combustión en correspondencia con la relación bagazo/aire
( Rb / ai (t ) ).
La relación bagazo/aire ( Rb / ai (t ) ) no constituye una variable medida y su valor se
determina en función del valor calorífico y % de humedad del bagazo, condiciones
atmosféricas, etc. Se debe garantizar una relación bagazo/aire tal que posibilite obtener un
proceso de combustión completo, eficiente y seguro, así como un adecuado exceso de aire.
El control de relación de caudales (en este caso másicos) se caracteriza por mantener
constante la relación entre dos caudales mediante la regulación de uno de ellos. El caudal
que se regula se denomina caudal secundario y el que puede variar de forma libre caudal
primario. De esta forma, la relación entre el caudal de bagazo ( Qb (t ) ) y el caudal de aire
( Qb (t ) ) se representa mediante la expresión:
K
Qb (t )
Qai (t )
(8.7)
donde:
K - constante de relación entre los caudales másicos de bagazo y aire.
En el control de la combustión puede darse preferencia al combustible ó al aire como
caudal primario. Si se considera al caudal de bagazo como primario, la expresión (8.7) se
presenta en la forma:
Qai (t )
1
Qb (t )
K
(8.8)
Por el contrario, si el caudal de aire es el considerado como el primario, la relación entre los
caudales de bagazo y aire se representa mediante la expresión:
Capítulo 8: GENERADORES DE VAPOR DE BAGAZO Y SU CONTROL.
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Qb (t )
1
Qai (t )
K
216
(8.9)
Considerando las expresiones (8.8) y (8.9) se distinguen los siguientes sistemas de control
de la combustión:
1. Serie caudal bagazo/caudal aire:
En la Figura 8.10 se muestra un diagrama funcional de este sistema de control de la
combustión, en el cual es posible observar sus diferentes componentes.
En este sistema de control la señal inicial corresponde a la presión del vapor ( P (t ) v ) en el
domo superior, la cual es utilizada para controlar el caudal de bagazo requerido (Qb (t ))
para mantener constante la presión de vapor. El controlador de presión de vapor (C pv ) ,
sobre la base de la señal de error entre la salida del transmisor de presión de vapor (T pv ) y
la referencia (consigna) de presión de vapor (rpv ) , regula la velocidad del motor (M ) , que
mueve la estera (banda) transportadora que alimenta de bagazo al horno, mediante un
variador de velocidad (VV ) . De esta forma, el controlador de presión de vapor (C pv )
modifica el caudal de bagazo (Qb (t )) que ingresa al horno para generar vapor mediante su
ignición. La señal de salida del controlador de presión de vapor (u pv (t )) representa la
energía demandada en unidades de bagazo equivalente al aire.
Figura 8.10: Diagram a del sist em a de cont rol de la com bust ión serie caudal bagazo/ caudal aire
El caudal de bagazo (Qb (t )) que ingresa al horno para su ignición se mide mediante un
Capítulo 8: GENERADORES DE VAPOR DE BAGAZO Y SU CONTROL.
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217
transmisor de caudal másico (TQb ) , cuya señal de salida se multiplica por el inverso de la
constante de relación entre los caudales másicos de bagazo y aire ( 1 / K ), obteniéndose
como resultado una señal equivalente al caudal de aire requerido para la combustión
completa, la cual se representa mediante la expresión (8.8). Esta señal se compara con la
señal de salida del transmisor de aire (Tai ) . La señal de error resultante es utilizada por el
controlador de caudal de aire (C ai ) para formar la señal de control (u ai (t )) que modifica
el caudal de aire (Qai (t )) que ingresa al horno a través del damper de aire.
Los controladores utilizados de presión de vapor (C pv ) y caudal de aire (C ai ) son
convencionales y presentan ley de control tipo PI ó PID.
En este sistema, las variaciones que se originan en la presión de vapor implican que el
caudal de bagazo (Qb (t )) cambie antes que el caudal de aire (Qai (t )) . Si se limita el
caudal de bagazo (Qb (t )) , el caudal de aire (Qai (t )) quedará también limitado. Sin
embargo, si se presenta algún fallo en el caudal de aire, el caudal de bagazo continúa
ingresando al horno, originándose de esta forma pérdidas de calor por concepto de bagazo
no quemado (inquemados) y aumentando el riesgo de explosión como consecuencia de la
falta de aire.
2. Serie caudal aire/caudal bagazo:
En la Figura 8.11 se muestra un diagrama funcional de este sistema de control de la
combustión, en el cual es posible observar sus diferentes componentes.
Figura 8.11: Diagram a del sist em a de cont rol de la com bust ión se rie caudal ai re/ caudal bagazo
Capítulo 8: GENERADORES DE VAPOR DE BAGAZO Y SU CONTROL.
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218
Este sistema es similar al sistema anterior excepto que se intercambian en secuencia el
caudal de bagazo (Qb (t )) con el caudal de aire (Qai (t )) , por lo que el caudal de aire
(Qai (t )) es el caudal primario y el de bagazo (Qb (t )) el caudal secundario. La señal
inicial corresponde a la presión del vapor ( Pv (t )) en el domo superior, la cual es utilizada
para controlar el caudal de aire (Qai (t )) requerido para mantener constante la presión de
vapor.
Los controladores utilizados de presión de vapor (C pv ) y caudal de bagazo (Cb ) son
similares a los utilizados en el sistema anterior, presentando ley de control tipo PI ó PID.
Cualquier fallo que se produzca en el caudal de aire (Qai (t )) origina una disminución
automática en el caudal de bagazo (Qb (t )) , eliminándose de esta forma la posibilidad de
explosión en el horno cuando falla el suministro de aire, por lo que este sistema es más
seguro que el sistema serie combustible/aire.
3. Sistema de control integral del proceso de combustión
Este sistema considera el control de las principales variables involucradas en el proceso de
combustión y que fueron mencionadas al inicio de este epígrafe. Para el control de la
presión del vapor ( Pv ) en el domo superior se utiliza el sistema serie caudal bagazo/caudal
aire.
Figura 8.12: Diagram a funci onal del sist em a de cont rol int egral del proceso de com bust ión
Capítulo 8: GENERADORES DE VAPOR DE BAGAZO Y SU CONTROL.
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219
En la Figura 8.12 se ofrece un diagrama funcional de este sistema en el que se puede
observar los lazos de control de sus principales variables.
El control de la presión de vacío en el horno ( Pvh (t )) tiene como objetivo aumentar la
eficiencia del proceso de combustión. Esta variable se mantiene en un valor ligeramente
inferior (valor negativo) al de la presión atmosférica (en vacío), el cual normalmente se
denomina como tiro.
El control de esta variable posibilita:
Disminuir el caudal de aire que se suministra al horno;
Impedir la fuga de los gases calientes producto de la combustión al medio exterior
a través de las paredes del horno;
Estabilizar la llama de los quemadores,
Mantener el balance de material entre el aire que se suministra para la combustión
y los gases producto de la combustión que se evacuan.
Uno de los procedimientos utilizados para el control de la presión de vacío en el horno
( Pvh (t )) consiste en manipular el caudal de los gases producto de la combustión (Qgc (t ))
a través de un variador de velocidad, que varía la velocidad del motor del ventilador de tiro
inducido (VTI) en función del error entre la señal de salida del sensor de presión de vacío
en el horno (T pvh ) y la referencia requerida (rpvh ) .
El ventilador de tiro forzado (VTF) proporciona el caudal de aire requerido (Qai (t )) para
la combustión, creando en los conductos de aire una presión ligeramente positiva, cuyo
valor se regula a través del damper de aire. Por el contrario, el ventilador de tiro inducido
(VTI) posibilita extraer los gases producto de la combustión (Qgc (t )) , creando una presión
negativa (vacío) en el hogar.
Es necesario destacar que existe una dependencia entre el caudal de aire (Qai (t )) que
ingresa al horno para la combustión y el caudal de gases producto de la combustión
(Qgc (t )) que se extrae del horno. Por ejemplo, si el controlador de caudal de aire (CQai )
varía la posición del damper de aire para mantener el suministro de aire requerido para la
combustión completa en el horno, su efecto se detecta de forma inmediata en la presión de
vacío en el horno. Análogamente, si el controlador de presión de vacío en el horno (C pvh )
varía el caudal de extracción de los gases producto de la combustión su efecto es captado de
forma instantánea por el controlador de caudal de aire (CQai ) .
Si la sintonía de los controladores de caudal de aire (CQai ) y de presión de vacío en el
horno (C pvh ) se realiza de forma independiente se pueden producir ciclos de oscilaciones
permanentes que afectan la eficiencia del proceso de combustión y la seguridad del
generador de vapor. Para mantener la estabilidad en ambos lazos de control resulta
necesario ajustar los controladores de forma tal que la respuesta de uno de ellos sea más
lenta que la del otro.
Capítulo 8: GENERADORES DE VAPOR DE BAGAZO Y SU CONTROL.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
220
Para garantizar la estabilidad de ambos lazos de control se introduce un controlador
corrector (CC ) con función anticipatoria (feedforward), la cual posibilita desacoplar el
funcionamiento de ambos controladores. Por ejemplo, si aumenta la señal de salida
(u ai (t )) del controlador de caudal de aire (CQai ) , lo cual implica un aumento en el caudal
de aire (Qai (t )) que ingresa al horno, esta señal se transmite mediante el controlador
corrector (CC ) hacia la salida del controlador de presión de vacío en el horno (C pvh ) ,
aumentando de esta forma la velocidad del motor del ventilador de tiro inducido (VTI), así
como el caudal de salida de los gases producto de la combustión. Esta acción correctora
implica que el aumento en el caudal de salida de los gases producto de la combustión
(Qgc (t )) se realice en el momento requerido, evitándose de esta forma un aumento en la
presión positiva dentro del horno.
Si disminuye el suministro de aire (Qai (t )) al horno debido a una disminución en la señal
de salida del controlador de caudal de aire (CQai ) , el comportamiento del controlador
corrector (CC ) es similar, sólo que en este caso el controlador corrector (CC ) disminuye
el caudal de extracción de los gases producto de la combustión (Qgc (t )) .
De esta forma, el controlador corrector (CC ) posibilita adelantarse a las variaciones que
se pueden originar en la presión del horno como resultado de las variaciones en el caudal de
aire (Qai (t )) que ingresa al horno.
La acción de control (u pvh (t )) del controlador de presión de vacío en el horno (C pvh ) se
limita al ajuste fino del caudal de salida de los gases producto de la combustión (Qgc (t )) .
La emisión de combustible no quemado en los gases producto de la combustión (Qgc (t ))
constituye una condición de alto riesgo de explosión que se evita mediante el control del
contenido de oxigeno ( O2 ) en los gases producto de la combustión. Esta clase de emisión
se origina cuando el caudal de aire (Qai (t )) que ingresa el horno para la combustión es
insuficiente.
Las pérdidas de calor útil que se producen en el proceso de combustión por cantidades
insuficientes de aire son muy superiores a las pérdidas por exceso de aire. El déficit de aire
además disminuye la transferencia de calor, aumenta la necesidad de mantenimiento y
origina problemas de opacidad (atenuación de la luz visible producida por la absorción de
luz de las partículas en la chimenea).
El control del contenido de oxigeno ( O2 ) en los gases producto de la combustión, además
de aumentar la eficiencia del proceso de combustión y la seguridad en el funcionamiento
del generador de vapor, posibilita minimizar la contaminación ambiental ya que reduce las
emisiones al medio ambiente de CO, CO2, NO y SO3.
El control de esta variable se realiza con la ayuda de un analizador (TO 2 ) , el cual transmite
Capítulo 8: GENERADORES DE VAPOR DE BAGAZO Y SU CONTROL.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
221
su señal de salida al controlador del contenido de oxigeno en los gases producto de la
combustión (CO 2 ) . Este controlador sobre la base de la señal de error entre el contenido
real de oxigeno ( O2 ) en los gases producto de la combustión y el valor de referencia
( rO 2 ) elabora la señal de control (uO 2 (t )) , la cual se encarga de modificar la
señal de salida (u ai (t )) del controlador de caudal de aire. De esta forma se modifica la
requerido
relación bagazo/aire y se mantiene constante en el contenido de oxigeno ( O2 ) en los gases
producto de la combustión.
Para garantizar una presión constante en el colector de vapor que abastece a los
consumidores, así como la máxima estabilidad y eficiencia en la generación de vapor frente
a demandas variables de vapor, el sistema de control integral de la combustión representado
en la Figura 8.12 incluye un transmisor (T pCv ) y un controlador (C pCv ) de presión en el
colector de vapor. La señal de presión en el colector de vapor es equivalente a la demanda
de vapor.
El transmisor T pCv capta la presión en el colector de vapor al cual se conectan todos los
consumidores y envía su señal al controlador C pCv . Este controlador sobre la base de la
señal de error entre la presión del vapor real en el colector ( PCv (t )) y el valor requerido de
referencia ( rCv ) elabora la señal de control (u pCv (t )) , la cual modifica la señal de
referencia del controlador de presión de vapor (C pv ) en el domo superior del generador de
vapor. De esta forma, se garantiza que la presión del vapor generado se encuentre en
correspondencia con la presión del vapor demandado, aumentando al disminuir la presión
del vapor en el colector y disminuyendo al aumentar la presión del vapor demandado en el
colector.
Esta clase de sistemas se conoce como sistemas con dos grados de libertad. El primer grado
de libertad lo desarrolla el controlador de presión de vapor en el domo superior (C pv ) , el
cual actúa (en este caso) sobre la velocidad de movimiento de la estera que alimenta de
bagazo (Qb (t )) al horno. Este controlador (C pv ) debe ajustarse de forma tal de garantizar
un buen rechazo al efecto de las perturbaciones externas e internas. El segundo grado de
libertad lo ejecuta el controlador de presión en el colector de vapor (C pCv ) , el cual varía
la señal de referencia del controlador de presión del vapor en el domo superior (C pv )
sobre la base del vapor demandado en el colector de vapor. Este controlador (C pCv ) debe
ajustarse de modo de conseguir un buen seguimiento a su señal de referencia de presión en
el colector de vapor.
8.9.2 Control del agua de alimentación
El sistema de control del agua de alimentación tiene como objetivo mantener el balance de
materiales entre el caudal de agua (Qaa (t )) que entra al domo superior y el caudal de vapor
que se extrae. La variable que caracteriza este equilibrio es el nivel de agua en el domo
Capítulo 8: GENERADORES DE VAPOR DE BAGAZO Y SU CONTROL.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
222
( H d (t )) .
Durante el proceso de generación de vapor es necesario mantener el nivel de agua en el
domo superior dentro de una banda alrededor del valor de operación (normalmente,
±
50 mm del nivel de operación).
Una disminución del nivel de agua en el domo superior por debajo de su valor mínimo
permitido origina violaciones en la circulación del agua a través de los tubos del circuito de
agua, lo cual puede conllevar al sobrecalentamiento y consiguiente perforación y/o
destrucción de dichos tubos. Por el contrario, un aumento en el nivel de agua en el domo
superior por encima de su valor máximo permitido provoca el arrastre de agua y sales con
el vapor, lo cual origina condiciones de peligrosidad en el funcionamiento del generador de
vapor.
Las principales perturbaciones que afectan el nivel de agua en el domo superior son:
Qv (t ) - variaciones en el caudal de extracción de vapor debido a variaciones en la
demanda;
Qaa (t ) - variaciones en el flujo de agua de alimentación;
T o aa (t ) - variaciones en la temperatura del caudal de agua de alimentación;
PC (t ) - variaciones en el proceso de combustión (carga térmica).
El nivel de agua en el domo superior ( H d (t )) constituye una medida del volumen de agua
contenido en el mismo, aunque existen algunos fenómenos que ocasionan información falsa
en la medida. En el domo superior se encuentra un cierto volumen de agua ocupado por las
burbujas de vapor que se originan como resultado del proceso de cambio de fase
agua/vapor que tiene lugar en el circuito de circulación del agua.
Ante un aumento en el caudal de agua de alimentación (Qaa (t )) , el nivel de agua en el
domo superior inicialmente disminuye debido a que disminuye la temperatura de toda la
mezcla agua/vapor, lo que ocasiona la reducción de las burbujas y la disminución del
volumen de vapor en el domo. Con el aumento de la diferencia de temperatura entre el
caudal de agua de alimentación y la temperatura de saturación del vapor la disminución del
nivel de agua en el domo aumenta. Este fenómeno se conoce como contracción de las
burbujas.
Por el contrario, ante un aumento en el caudal de salida de vapor (Qv (t )) del domo
superior (carga), el nivel de agua inicialmente aumenta debido a que al aumentar la carga
disminuye la presión en el domo con el correspondiente aumento del volumen específico
del vapor en la mezcla agua/vapor y la disminución de la temperatura de ebullición del agua
en todo el circuito de circulación. Con la disminución de la temperatura y como
consecuencia del calor acumulado se origina una producción de vapor complementaria con
aumento del contenido de vapor. El aumento del volumen de vapor en el circuito de
circulación ocasiona un aumento en el nivel de agua en el domo. Este fenómeno se conoce
como dilatación de las burbujas.
Todas estas reacciones se equilibran en un corto periodo de tiempo, pero inicialmente
Capítulo 8: GENERADORES DE VAPOR DE BAGAZO Y SU CONTROL.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
223
responden en dirección inversa a la correcta, por lo que el comportamiento dinámico de la
variación del nivel de agua en el domo superior ( H d (t )) se caracteriza por presentar
respuesta inversa y fase no mínima, lo cual dificulta el diseño de sistemas efectivos de
control.
El sistema de control del nivel de agua en los generadores de vapor se puede desarrollar en
base a:
- Una señal (nivel de agua en el domo ( H d (t )) );
- Dos señales (nivel de agua en el domo ( H d (t )) y caudal de vapor extraído
( Qv (t )) );
- Tres señales (nivel de agua en el domo ( H d (t )) , caudal de vapor extraído
( Qv (t )) y caudal de agua de alimentación (Qaa (t )) ).
En la Figura 8.13 se ofrece un diagrama del sistema de control del nivel de agua en el domo
superior de un generador de vapor de bagazo, en el cual es posible observar las diferentes
señales utilizadas para el control de esta importante variable.
Fi gura 8.13: Sist em a de cont rol del nivel de agua en el dom o superior de un generador de vapor
de bagazo
En el sistema de control de nivel basado en una señal, el único instrumento de medida que
se utiliza para la formación de la señal de control (u Hd (t )) es el sensor/transmisor de
nivel.
Capítulo 8: GENERADORES DE VAPOR DE BAGAZO Y SU CONTROL.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
224
En este sistema se obtiene un control adecuado siempre y cuando las variaciones en la
demanda de vapor (carga) no sean grandes. Los efectos de contracción y dilatación de las
burbujas ocasionan dificultades en la obtención de una respuesta temporal de calidad.
Cuando el generador de vapor se encuentra sometido a frecuentes y grandes cambios en la
demanda de vapor (Qv (t )) resulta conveniente implementar un sistema de control de
nivel basado en dos señales, en el cual se utilizan las señales de salida de un transmisor de
nivel ( H d (t )) y de un transmisor de caudal de vapor (Qv (t )) para la formación de la
señal de control (u Hd (t )) .
En este sistema, la medida del caudal de vapor (Qv (t )) se utiliza como señal anticipatoria
para compensar los cambios que se originan en el nivel de agua debido al efecto de las
variaciones en la demanda de vapor y la medida de nivel de agua ( H d (t )) como señal
realimentada.
El lazo de control anticipatorio (feedforward) posibilita eliminar los efectos de las
variaciones en el caudal de vapor (carga) sobre el nivel de agua en el domo tanto en
régimen estacionario como transitorio.
En este sistema se obtiene una respuesta temporal de mejor calidad que en el sistema de
control basado en una señal.
Cuando el generador de vapor se encuentra sometido a frecuentes y grandes cambios en la
demanda de vapor (Qv (t )) y en el caudal de agua de alimentación (Qaa (t )) resulta
conveniente implementar un sistema de control de nivel basado en tres señales.
En el sistema de control de nivel basado en tres señales el controlador elabora la acción de
control (u Hd (t )) considerando las señales de salida de un transmisor de nivel ( H d (t )) , de
un transmisor de caudal de vapor (Qv (t )) y de un transmisor de caudal de agua de
alimentación (Qaa (t )) .
La consideración en la acción de control (u Hd (t )) de la señal correspondiente al caudal de
agua de alimentación (Qaa (t )) , posibilita compensar las oscilaciones que se producen en
este caudal (Qaa (t )) debido a la variación de presión (P (t )) en el conducto de agua
de alimentación. Estas oscilaciones afectan el control efectivo del nivel de agua en el domo.
Cuando el caudal de agua de alimentación disminuye de forma brusca, la presión del vapor
en el domo superior también disminuye, lo cual origina un aumento en la demanda de
vapor, una mayor evaporación y un aumento en el tamaño de las burbujas de vapor,
produciéndose como resultado un aumento aparente en el nivel de agua en el domo. Por el
contrario, cuando el caudal de agua de alimentación sufre un aumento brusco, se origina
una disminución temporal en el nivel de agua en el domo. Estas oscilaciones afectan el
control efectivo del nivel de agua en el domo.
Capítulo 8: GENERADORES DE VAPOR DE BAGAZO Y SU CONTROL.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
225
El sistema de control de nivel basado en tres señales se caracteriza por su elevada
efectividad en el control de nivel, así como por su rápido rechazo a las variaciones que se
originan en el caudal de vapor demandado y en el caudal de agua de alimentación.
Existen diferentes variantes de diseño del sistema de control basado en tres señales. En la
Figura 8.14 se muestra el diagrama de bloques del sistema de control de una de estas
variantes.
En este sistema se utiliza la salida del transmisor de caudal de vapor como señal
anticipatoria y se establece un sistema de control en cascada nivel/caudal de agua de
alimentación, el cual tiene como objetivo estabilizar las variaciones que se originan en el
caudal de agua de alimentación (Qaa (t )) , como resultado de las variaciones que se
producen en la presión (P ( s )) en el conducto del agua de alimentación.
El sistema de control en cascada nivel/caudal de agua de alimentación utiliza un
controlador proporcional (P) en el lazo interno (controlador secundario), el cual tiene como
objetivo estabilizar las variaciones que se originan en el caudal de agua de alimentación
(Qaa (t )) , así como un controlador PID en el lazo externo (controlador primario) para el
control de las variaciones en el nivel de agua (H d (t )) .
En el lazo externo es posible utilizar un controlador PI, sin disminuir las prestaciones del
sistema. Como es conocido la acción derivativa de los controladores PID, en muchos casos
origina problemas de estabilidad en el sistema.
Figura 8.14: Diagram a de bloques del sist em a de cont rol de niv el basado en t r es señales
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
226
El transmisor de caudal de vapor capta las variaciones en la demanda de vapor (Qv (t )) ,
antes de que se originen variaciones en el nivel de agua (H d (t )) en el domo, lo cual
posibilita compensar de forma anticipada su efecto.
El compensador (GK (s )) introducido en el lazo anticipatorio (feedforward) del sistema de
control constituye el elemento utilizado para anular en el menor tiempo posible el efecto de
las variaciones que se originan en el caudal del vapor demandado (Qv (t )) .
En la Figura 8.15 se ofrecen los resultados de la simulación del sistema de control del nivel
del agua en el domo superior basado en tres señales que se muestran en la Figura 8.14,
considerando el efecto de variaciones repetitivas simultáneas cada 50 segundos en el caudal
de vapor (Qv (t )) y en la presión (P (t )) en el conducto de agua de alimentación.
De la Figura 8.15 se observa que el sistema de control logra mantener el nivel requerido
(1.00 m) en el domo y compensar el efecto de las variaciones simultaneas y repetitivas en el
caudal de vapor (Qv (t )) y en la presión (P (t )) en el conducto de agua de
alimentación en un periodo de tiempo relativamente corto (aproximadamente 40 s) y con
cero error de estado estacionario. Los picos máximos que se originan en la respuesta
temporal no superan el 5 % (± 50 mm) del valor de estado estacionario, encontrándose de
esta forma dentro de los valores exigidos en las normas de explotación segura de
generadores de vapor de bagazo.
Los resultados obtenidos de la simulación del sistema de control de nivel basado en tres
señales muestran su elevada efectividad.
Figura 8.15: Result ados de la sim ulación del sist em a de cont rol de nivel basado en t res señales
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
227
8.9.3 Control de la temperatura del vapor sobrecalentado
Generalmente, el caudal de vapor producido (Qv (t )) por los generadores de vapor de
bagazo se utiliza en la generación de la electricidad que necesita la propia industria. Es por
ello que este caudal de vapor debe cumplir con determinados parámetros de calidad
(contenido de agua y temperatura).
Para mejorar la calidad del caudal de vapor que se genera, el mismo es sometido a un
proceso de sobrecalentamiento, el cual tiene como objetivo aumentar su temperatura por
encima de la temperatura de saturación.
Un método frecuentemente utilizado para controlar la temperatura del caudal de vapor
sobrecalentado (Qvscap (t )) consiste en utilizar dos sobrecalentadores denominados
primario (SC1) y secundario (SC2) y un atemperador (A), el cual posibilita disminuir la
o
temperatura (Tvscap (t )) del vapor sobrecalentado de alta presión a la salida del
sobrecalentador primario (SC1) y de esta forma obtener la temperatura requerida del vapor
sobrecalentado a la salida del sobrecalentador secundario (SC2).
Figura 8.16: Sist em a de cont rol de la t em perat ura del vapor sobrecalent ado
En la Figura 8.16 se ofrece un diagrama de un sistema de control de la temperatura
o
(Tvscap
(t )) del vapor sobrecalentado basado en este método.
Este sistema se comporta de forma efectiva en generadores de vapor de bagazo que no se
encuentran sometidos a grandes variaciones en la demanda de vapor sobrecalentado
Capítulo 8: GENERADORES DE VAPOR DE BAGAZO Y SU CONTROL.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
228
(Qvscap (t )) ó con variaciones lentas en dicha demanda.
Referencias Bibliográficas
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]
[9]
[10]
[11]
[12]
[13]
[14]
[15]
[16]
[17]
[18]
[19]
Acedo Sánchez J. (2003). Control avanzado de procesos. Teoría y práctica.
Ediciones Díaz de Santos, S. A., Madrid.
Astrom K. J. and Wittenmark B. (1997). Adaptive control, second edition,
Addison-Wesley, N.Y.
Bychko B. J. (1988). Procesos químicos y termoenergéticos. Dinámica y control,
T.II, Ediciones ENPES, La Habana.
Doñate P., Desages A., Moiola J. (1994). Modelado y control de un generador de
vapor supercrítico de un paso. Memorias del XIV Simposio Nacional de Control
Automático de la AADECA, pp. 195-200, Buenos Aires.
Dorf R., and Bishop R. (1995). Modern control systems, 7th edition. Addison
Wesley, N.Y.
Dukelow S. G. (2001). The control of boilers. Instrument Society of America
(ISA), N.Y.
Feliu-Batlle V., Rivas-Perez R., Castillo García F. (2005). Fire tube industrial
boilers. Fractional control. Automatica and Instrumentation, No 364, pp. 90-95.
Figueroa J., Pérez M., Romagnoli J., Desages A. (1996). Análisis de la
operatividad de una unidad generadora de vapor. Memorias del VII Congreso
Latinoamericano de Control Automático, Vol. 1, pp. 547-552, Argentina.
González Bayón J. (1986). Controles de procesos térmicos en instalaciones
termoenergéticas. Editorial ISPJAE, La Habana.
Hugot, E. (1984). Manual para ingenieros azucareros. Séptima edición, Editorial
Continental.
Ljung L., and Glad T. (1994). Modelling of dynamics systems. Prentice Hall,
N.Y.
Marlin T. (1995). Process Control: Designing process and control systems for
dynamics performance. McGraw Hill, N.Y.
Milán García G., Rivas Pérez R. (1997). Automatización integral de generadores
de vapor igneotubulares. Memorias del Segundo Congreso de la Asociación
Colombiana de Automática, pp. 165-164, Colombia.
Moscinski J. (1996). Advances control with MATLAB and SIMULINK. Prentice
Hall, N.Y.
Pérez Garay L. (1995). Generadores de vapor. Ediciones ENPES, C. Habana.
Rhine J. M. and Tucker R. J. (1994). Modelling of gas-fired furnaces and boilers
and others industrial heating process. McGraw Hill, N.Y.
Rivas Pérez R., Herranz J., Llanes O., Cartaya L. (1994). Modelo matemático
dinámico de generadores de vapor. Ingeniería Eléctrica, Automática y
Comunicaciones, Vol. XV, Nº 3, pp. 45-54.
Rivas Pérez R., Beauchamb G., Saliceti Piazza L., Cesar Sánchez E. (1998).
Automatic control system of steam Generator. Proceedings of XVIII
Interamerican Congress of Chemical Engineering (San Juan, December 6/10),
Puerto Rico.
Rivas Pérez R., Prada Moraga C., Fuente Aparicio M. J. (1999). Control avanzado
Capítulo 8: GENERADORES DE VAPOR DE BAGAZO Y SU CONTROL.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
[20]
[21]
[22]
[23]
[24]
229
de procesos industriales. Electro-Electrónica, No 12, pp. 30-36.
Rivas Perez R, Aref Ghraizi R., Perán González J. R., Cesar Sánchez E. (2000).
Industrial boilers. Integral automatic control system. Automatica and
Instrumentation, No. 308, pp. 79-84.
Rivas Perez R., Feliu Batlle V., Sotomayor Moriano J. (2005). Fault detection
based PC in fire tubes industrial boilers. Ibero-American Journal of Mechanic
Engineering, Vol. 9, No 1, pp. 63-78.
Rodriguez Vazquez R., Rivas-Perez R., Sotomayor Moriano J., Peran Gonzalez
J.R. (2008). System identification of steam pressure in a fire-tube boiler.
Computer & Chemical Engineering, No 32, pp. 2839-2848.
Shield, C. D. (1973). Calderas: tipos, características y sus funciones. Segunda
edición, Editorial Continental.
Smith, Carlos A. (1991). Control Automático de procesos: teoría y práctica.
Tercera edición. Prentice Hall.
Capítulo 8: GENERADORES DE VAPOR DE BAGAZO Y SU CONTROL.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
230
Capítulo 8: GENERADORES DE VAPOR DE BAGAZO Y SU CONTROL.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
231
Capítulo 9: COGENERACIÓN.
Roberto Vignoni,
Universidad Nacional de La Plata, Argentina.
Anibal Zanini,
Universidad de Buenos Aires, Argentina.
9.1 Introducción.
Los sistemas de cogeneración son sistemas de producción conjunta de electricidad (o
energía mecánica) y de energía térmica útil (calor) partiendo de un único combustible. La
literatura en idioma inglés comúnmente utiliza el término Combined Heat and Power
(CHP) en vez de Cogeneration, aunque su significado es el mismo.
El gas natural es la energía primaria más utilizada para el funcionamiento de las centrales
de cogeneración de electricidad-calor, las cuales funcionan con turbinas o motores de gas.
No obstante, también se pueden utilizar fuentes de energía renovables y residuos como
biomasa o residuos que se incineran.
En un proceso de cogeneración, el calor se presenta en forma de vapor de agua a alta
presión o en forma de agua caliente. Por ejemplo, se puede utilizar el vapor caliente que
sale de una turbina de producción de energía eléctrica, para suministrar energía para otros
usos. Hasta hace poco lo usual era dejar que el vapor se enfriara, pero con esta técnica, con
el calor que le queda al vapor se calienta agua para distintos usos.
El aprovechamiento del calor residual en los sistemas de cogeneración presenta
rendimientos globales del orden del 85%. Esto implica que la generación simultánea de
electricidad y calor, favorece el ahorro energético, sin alterar el proceso productivo. Esto es
aún mayor si se utilizan energías residuales.
Históricamente los ingenios azucareros han producido energía eléctrica usando el bagazo
como combustible principal, en calderas de baja presión y con turbas deficientes ya que esta
actividad tenía como objeto principal la utilización del vapor excedente de fábrica y la
eliminación del bagazo. Este elemento era considerado un desecho voluminoso que deber
ser eliminado por los riesgos de combustión espontánea y el costo de su manejo. La
situación que se veía favorecida por los excelentes precios del azúcar, bajos precios del
combustible Bunker, el incipiente desarrollo de los sistemas de riego generalmente de
gravedad, tarifas bajas y preferenciales de suministro eléctrico por las empresas estatales de
producción de energía eléctrica. Por lo expuesto, la cantidad de energía eléctrica producida
en la mayoría de los ingenios azucareros, era insuficiente para cubrir la demanda conjunta
de fábrica y campo así como el consumo doméstico de los poblados o batey que se
desarrollan a la par de estas agro-industrias, por la necesidad de concentrar mano de obra
cercana a las actividades agrícolas e industriales.
La crisis provocada por la caída de los precios del azúcar en la década de los ochenta que
afectó la industria azucarera en general y colapsó en América Latina la de varios países
como México, Perú y Puerto Rico entre otros; obligó a que se tuvieran que redefinirse las
estrategias de desarrollo dada la importancia social y económica de este rubro de
Capítulo 9: COGENERACIÓN.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
232
exportación para muchos de nuestros países. La búsqueda de estas alternativas de desarrollo
encontró su inmediata respuesta en dos ejes principales que apuntaban principalmente hacia
mejorar la eficiencia de los procesos industriales y agrícolas, con el fin de incrementar la
productividad en general disminuyendo los costos fijos generalmente altos y la
diversificación de la producción principalmente mediante la generación de electricidad,
favorecida por los altos costos del combustible bunker, el aumento de la demanda de
energía barata para riego, automatización de algunos procesos, el incremento en la tarifas
de energía así con el mejoramiento de la eficiencia de los procesos de producción de vapor
y su utilización que permitieron mejorar la eficiencia del uso de la energía en los procesos
industriales, creando a partir de la disponibilidad de combustible bagazo excedentes
importantes de vapor que fácilmente se traducen en energía barata, ya que cuenta con una
fuente permanente de combustible orgánico de bajo costo, cubriendo sus necesidades
energéticas completamente y generando excedentes que vendidos a la red nacional, tienen
un impacto positivo en los flujos de caja de estas empresas. El desarrollo de estos esquemas
energéticos requiere de fuertes inversiones tanto en el área de generación de vapor como
eléctrica, sin embargo generan energía solamente durante el tiempo de zafra que tiene una
duración aproximada de 200 días al año. Esta estrategia ha sido asumida por muchos países
productores de azúcar como Brasil, Colombia, Sudán y Guatemala.
9.1.1 Biomasa
La más amplia definición de biomasa sería considerar como tal a toda la materia orgánica
de origen vegetal o animal, incluyendo los materiales procedentes de su transformación
natural o artificial. Clasificándolo de la siguiente forma:
Biomasa natural, es la que se produce en la naturaleza sin la intervención
humana.
Biomasa residual, que es la que genera cualquier actividad humana,
principalmente en los procesos agrícolas, ganaderos y los del propio hombre, tal
como, basuras y aguas residuales.
Biomasa producida, que es la cultivada con el propósito de obtener biomasa
transformable en combustible, en vez de producir alimentos, como la caña de
azúcar en algunos países, orientada a la producción de etanol para carburante.
Desde el punto de vista energético, la biomasa se puede aprovechar de dos maneras;
quemándola para producir calor o transformándola en combustible para su mejor transporte
y almacenamiento la naturaleza de la biomasa es muy variada, ya que depende de la propia
fuente, pudiendo ser animal o vegetal, pero generalmente se puede decir que se compone de
hidratos de carbono, lípidos y prótidos. Siendo la biomasa vegetal la que se compone
mayoritariamente de hidratos de carbono y la animal de lípidos y prótidos.
La utilización con fines energéticos de la biomasa requiere de su adecuación para utilizarla
en los sistemas convencionales.
Estos procesos pueden ser:
Físicos, son procesos que actúan físicamente sobre la biomasa y están asociados
a las fases primarias de transformación, dentro de lo que puede denominarse
fase de acondicionamiento, como, triturado, astillado, compactado e incluso
secado.
Químicos, son los procesos relacionados con la digestión química, generalmente
mediante hidrólisis pirólisis y gasificación.
Capítulo 9: COGENERACIÓN.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
233
Biológicos, son los llevados a cabo por la acción directa de microorganismos o
de sus enzimas, generalmente llamado fermentación. Son procesos relacionados
con la producción de ácidos orgánicos, alcoholes, cetonas y polímeros.
Termoquímicos, están basados en la transformación química de la biomasa, al
someterla a altas temperaturas (300ºC - 1500ºC). Cuando se calienta la biomasa
se produce un proceso de secado y evaporación de sus componentes volátiles,
seguido de reacciones de crakeo o descomposición de sus moléculas, seguidas
por reacciones en la que los productos resultantes de la primera fase reaccionan
entre sí y con los componentes de la atmósfera en la que tenga lugar la reacción,
de esta forma se consiguen los productos finales.
Según el control de las condiciones del proceso se consiguen productos finales diferentes,
lo que da lugar a los tres procesos principales de la conversión termoquímica de la biomasa:
Combustión: Se produce en una atmósfera oxidante, de aire u oxígeno,
obteniendo cuando es completa, dióxido de carbono, agua y sales minerales
(cenizas), obteniendo calor en forma de gases calientes.
Gasificación: Es una combustión incompleta de la biomasa a una temperatura de
entre 600ºC a 1500ºC en una atmósfera pobre de oxígeno, en la que la cantidad
disponible de este compuesto está por debajo del punto estequiométrico, es decir,
el mínimo necesario para que se produzca la reacción de combustión. En este
caso se obtiene principalmente un gas combustible formado por monóxido y
dióxido de carbono, hidrógeno y metano.
Pirólisis: Es el proceso en la descomposición térmica de la biomasa en ausencia
total de oxígeno.
En procesos lentos y temperaturas de 300ºC a 500ºC el producto obtenido es carbón vegetal,
mientras que en procesos rápidos (segundos) y temperaturas entre 800ºC a 1200ºC se
obtienen mezclas de compuestos orgánicos de aspectos aceitosos y de bajo pH,
denominados aceites de pirólisis.
9.1.2 Ventajas de la Biomasa
La emisión de CO2 que se utiliza es la biomasa, es la misma cantidad que previamente han
consumido las plantas durante su crecimiento, es decir, la biomasa forma parte de la
circulación natural entre la atmósfera y la vegetación, siempre, claro está que la vegetación
se renueve, sino, las emisiones de CO2 en mayor cantidad son la que provocarían el efecto
invernadero, como de hecho ocurre con las energías tradicionales y sus emisiones a la
atmósfera. La biomasa no produce emisiones sulforadas o nitrogenadas. Si la biomasa, o
una parte de ella, proviene del aprovechamiento energético de residuos esto supone
convertir un residuo en un recurso.
Ventajas y desventajas de las biomasas en su forma natural como portadores
energéticos.
Entre las mayores ventajas de las biomasas en su forma natural se encuentran:
Son disponibles cíclica o perennemente.
Son renovables.
Garantizan una combustión limpia, con un balance final de contaminación nulo,
por haber servido en su etapa de crecimiento y desarrollo como vegetales como
sumidero de CO2.
Necesitan pocos gastos energéticos y de inversión para su producción.
Capítulo 9: COGENERACIÓN.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
234
No requieren condiciones muy especiales de almacenamiento.
Entre las mayores desventajas están:
Poseen relativamente bajo valor calórico por unidad de volumen.
Su calidad es variable, así como su contenido calórico.
Presentan dificultades para controlar la velocidad de combustión, lo que obliga a
frecuentes reabastecimientos y dificultades para mecanizar su alimentación
continua.
Se requieren grandes áreas para el almacenamiento.
Inducen problemas con su transportación y distribución.
Están sujetos a biodegradación.
No provocan el interés en el uso e inversiones para utilizar “desechos”.
La vegetación empleada para energía puede llegar a ser uno de los combustibles más
importantes en el futuro. En los próximos veinte años podría suministrar un octavo del
presupuesto energético mundial. Una gran variedad de desechos agrícolas y madereros y de
cultivos energéticos, simbolizados por el campo de maíz, pueden transformarse para
suministrar una gama de combustibles para el transporte, o pueden ser quemados para
generar electricidad. Un ejemplo de esto es la conversión de las astillas de madera en un gas
rico en metano. Al igual que los combustibles fósiles, este gas puede quemarse en centrales
eléctricas eficientes que maximicen el contenido energético del combustible, generando
electricidad al mismo tiempo que utilizan el calor sobrante.
9.2 Problemática energética actual
La reducción de las inversiones en el sector eléctrico en los años 80 y 90, en la mayoría de
los países de América Latina, acompañada por un continuo aumento en el consumo de
electricidad, está llevando a serias dificultades en el abastecimiento de la demanda. En este
sentido es notable el potencial de la industria azucarera, debido a la disponibilidad de
grandes cantidades de residuo lignocelulásicos, en la forma de bagazo y paja caña. Este
último término envuelve, además de la paja propiamente dicha (hojas secas), las hojas
verdes y las puntas.
Según datos de Herrera (1999), existen en el mundo 70 países productores de caña de
azúcar, con un área sembrada de 12.7 millones de hectáreas. La generación de electricidad
con tecnologías modernas y un índice de electricidad excelente de 50kWh por tonelada de
caña representativa, para América Latina y el Caribe, cerca de 2.07E10 kWh.
La caña de azúcar debe de ser vista de una manera integral como fuente de alimentos,
energía fertilizante y algunos otros subproductos. Siendo el consumo total de energía
comercial en el mundo de aproximadamente de 330 EJ. La comparación del costo de
energía de otros tipos de biomasa tales como el eucalipto cuyo valor es de US$2.2 por GJ
con el costo del bagazo y el de la paja de caña cuyos valores oscilan entre US$0.281.68 por
GJ y US$0.95-2.21 por GJ, respectivamente, permite clasificar al bagazo como biomasa de
bajo costo, lo que hace rentable la generación de electricidad con tecnologías de baja
eficiencia durante la zafra.
De acuerdo con la publicación del International Cane Energy News (1995) la capacidad
instalada para la generación de electricidad era de 413.4MW de los cuales 287.4MW
corresponde a una energía excedente. En el mismo año estaba en proceso de montaje 287.4
Capítulo 9: COGENERACIÓN.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
235
MW, siendo que 204 MW estaban planeados para producir electricidad excedente.
Actualmente, en varios países latinoamericanos se observa la tendencia de incentivar la
cogeneración en la industria azucarera. Se han reportados estudios y avances en este sentido
en Brasil, Costa Rica, Jamaica, Guatemala y Honduras. En particular en el Brasil, ante la
perspectiva de tarifas competitivas para la venta de electricidad las concesionarias
privatizadas, se observa la formación de joint ventures entre bancos y centrales de azúcar
con el objetivo de aumentar la capacidad de generación y entrar en el marcado de la
electricidad, Un proyecto considera la construcción de una termoeléctrica de bagazo a partir
de excedentes de este combustible comprado en varias centrales.
La tecnología de generación predominante en las centrales en el Brasil es la turbina de
contrapresión. Como desventaja principal de este sistema tiene la poca flexibilidad de
generación y los bajos parámetros de vapor. Varios estudios han sido realizados sobre
aspectos paramétricos y económicos de este sistema de cogeneración. Las turbinas de
condensación de extracciones con alto parámetros de vapor, permiten además de mayores
índices de generación de electricidad y menos costos específicos, una mayor flexibilidad
entre los procesos de producción de electricidad y calor. Existen dudas en relacional costo
de la electricidad en el periodo de zafra, la eficiencia de la generación de electricidad y el
calor con relación a los indicadores del sistema cuando se utilizan combustibles auxiliares
para la operación fuera de zafra.
9.2.1 El caso Brasil
El ejemplo paradigmático de esto es Brasil en donde su Banco de Desarrollo (BNDES)
contribuye con fuerte apoyo financiero (R$ 1,2 mil millones en 2008) a la Compañía
Brasileña de Energía Renovable (Brenco), para la puesta en funcionamiento de cuatro
unidades de procesamiento de caña de azúcar y plantación. El proyecto prevé la generación
de 8,4 mil empleos directos en la plantación y mecanización del 100% de la cosecha. Al
finalizar el proyecto, las unidades tendrán capacidad instalada de molienda de 15 millones
de toneladas de caña de azúcar por zafra, de producción de 1,4 millón de metros cúbicos de
etanol y podrán exportar hasta 220 MW de energía eléctrica. La puesta en marcha se prevé
para 1010.
Parte del proyecto recibirá financiamiento directamente del BNDES y otra parte se repasará
por intermedio de un “pool” de bancos. Las inversiones totales suman R$ 1,8 mil millones,
divididos entre las áreas industrial, agrícola y de cogeneración de energía. Los recursos del
BNDES para la Brenco incluyen, además, financiamiento a proyectos ambientales y
sociales, involucrando la comunidad alrededor de las unidades.
Además, el emprendimiento involucra la construcción de las unidades en áreas de nueva
frontera de la caña y con producción en larga escala. La Brenco, que tiene formas
organizativas similares a las corporativas, tiene como foco la producción de etanol y
electricidad, dos fuentes de energía renovable consideradas prioritarias por el gobierno.
Diversos países empiezan a pensar en una nueva matriz energética, más limpia y renovable,
en función de varios factores, como el aumento del precio del petróleo, los conflictos
existentes en las principales áreas productoras y la perspectiva de escasez del producto
todavía en este siglo. Todo esto sumado a la necesidad de establecerse programas que
busquen la reducción de emisiones de los gases que contribuyen para el efecto invernadero.
Capítulo 9: COGENERACIÓN.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
236
Brasil se destaca en el escenario internacional por acumular experiencia de más de 30 años
de uso del bioetanol como fuente alternativa de combustible limpio, deteniendo
características que le aseguran ventajas competitivas sobre los demás países productores.
Tal hecho resulta en una oportunidad para afianzarse como gran proveedor de energía
renovable para el mercado doméstico e internacional. El país también viene aumentando su
mercado interno de consumo de alcohol debido al aumento de la flota de vehículos capaces
de utilizar este combustible.
En este sentido, proyectos como el de la Brenco, que involucran gran escala de producción
con bajo costo y enfocados en etanol y cogeneración de energía, vienen siendo cada vez
más frecuentes en la cartera de operaciones del BNDES. Los desembolsos del Banco para
el sector productor de alcohol en base a la caña de azúcar, que totalizan cerca de R$ 10 mil
millones desde 2004 hasta julio de 2008, son crecientes.
9.2.2 El caso Colombia
Similar situación se observa en Colombia, que con inversiones que alcanzan los US$200
millones, los ingenios azucareros apuestan por el prometedor negocio de la generación de
energía térmica y eléctrica.
Una alerta que puede surgir con este cambio de objetivos son las variaciones del precio del
azúcar propiamente dicho.
La industria azucarera colombiana suma a la elaboración de azúcar, la producción de
alcohol carburante e industrial y el bagazo para las fábricas de papel. La cogeneración
ofrece la posibilidad a los ingenios del Valle del Cauca de modificar tecnológicamente sus
plantas de producción y poner en marcha un eficiente esquema para originar energía
térmica y eléctrica en un solo proceso, no solo para utilización interna de la planta, sino
para entregar energía a la red de interconexión nacional.
La capacidad de generación actual que tienen los ingenios en el mercado local, gracias a la
biomasa, supera los 80MW, algo que lograron después de invertir unos US$82 millones.
Con las nuevas inversiones, de alrededor de US$200 millones en estructura física, los
ingenios buscan incrementar su capacidad de producción de energía a unos 150MW.
El Valle del Cauca es la región con la mayor productividad mundial azucarera, en donde se
cultivan más de 12 toneladas del producto por hectárea y se supera ampliamente a países
como Australia y Brasil. Cuenta con la garantía de lograr cosechas cada 12 meses, cuando
hace unos años sólo era posible hacerlo cada 17 meses. Asimismo, los industriales lograron
pasar de 3,5 cortes por ciclo de renovación a cinco, ofreciendo más productividad e
ingresos para el cultivador.
Colombia produce el 32% de su energía a partir de combustibles fósiles no renovables, algo
que no es muy buen presagio para el cuidado del medio ambiente. Por eso, frente a este tipo
de combustibles, la gran ventaja de la caña es que es un producto renovable y considerado
como un combustible ambientalmente limpio.
Comparando la caña de azúcar con otro tipo de plantas, se ha encontrado que ésta es la más
eficiente desde el punto de vista energético, pues por cada unidad de energía que requiere
Capítulo 9: COGENERACIÓN.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
237
para su transformación, puede generar 8,3 veces esa energía. En plantas como el maíz la
misma relación es de 1,3.
En Colombia, de los seis millones de toneladas de bagazo producidas al año, un 85% es
utilizado como combustible en las calderas de los ingenios y el 15% se convierte en materia
prima para la industria local del papel. Así las cosas, la disponibilidad de biomasa, el
subproducto derivado de la cosecha y molienda de caña, se convierte en el más importante
ingrediente para el resultado final de la cogeneración.
El método consiste básicamente en la combustión de la biomasa. Lo que quiere decir que
"el bagazo, junto a otros elementos primarios, llega a la caldera de cada ingenio y son
quemados con inyección aire. Con este calor se genera vapor de agua a alta presión,
provocando el movimiento de un turbogenerador, el mismo con el que se realiza finalmente la producción eléctrica.
Como un ejemplo de equipamiento se puede tomar el ingenio Providencia que produce
energía térmica con una caldera acuatubular de 400.000 libras de vapor que opera a 950 psi
de presión y a 950 grados Fahrenheit de temperatura. Además de utilizarla en el proceso
productivo, esta energía térmica alimenta dos turbogeneradores de 20MW.
Entre los países que cuentan con un fuerte desarrollo de esta tecnología de equipamiento
para cogeneración se encuentran Suecia, Japón e India.
En Colombia se ha realizado un estudio por parte del Programa de las Naciones Unidas
para el Desarrollo (PNUD), el Ministerio de Medio Ambiente y la Unidad de Planeación
Minero Energética (UPME). En este trabajo se señala que, en cuatro ingenios pilotos,
responsables de cerca del 50% de la producción nacional de azúcar, es posible aumentar la
capacidad de generación entre 173 y 200MW para el consumo propio y realizar
transferencias a la red de energía eléctrica de entre 50 y 120MW.
Con el Protocolo de Kyoto se han definido los bonos de carbono, un mecanismo
internacional de descontaminación para reducir las emisiones contaminantes al medio
ambiente. El sistema ofrece incentivos económicos para que empresas privadas contribuyan
a la mejora de la calidad ambiental y se consiga regular la emisión generada por sus
procesos productivos, considerando el derecho a emitir CO2 como un bien canjeable y con
un precio establecido en el mercado. La transacción de los bonos de carbono —un bono de
carbono representa el derecho a emitir una tonelada de dióxido de carbono— permite
mitigar la generación de gases invernadero, beneficiando a las empresas que no emiten o
disminuyen la emisión y haciendo pagar a las que emiten más de lo permitido.
Esto es tenido en cuenta a la hora de analizar la factibilidad de la cogeneración. Países
como Brasil, India y Tailandia son los mayores comercializadores de los excedentes de
cogeneración de energía eléctrica a partir del bagazo. Brasil con 1.640 megavatios, India
con 250 y Tailandia con 100. Por su parte, Ecuador, Nicaragua y México vienen creando
programas que respalden la obligatoriedad de la compra, bajo condiciones preferenciales en
materia de precios.
En Colombia, la producción de energía en el país, según la UPME, está sustentada en un
65% de recursos hídricos, el 34% en otros energéticos, especialmente plantas térmicas a
base de gas y carbón, y el 1% final, por medio de aire. Una industria que, además, en los
Capítulo 9: COGENERACIÓN.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
238
últimos cinco años no ha crecido en materia de construcción de nuevas plantas de
generación. Por eso, resulta determinante el aporte que se hace desde la caña, precisamente
con la cogeneración y más aún cuando está en el debate empresarial el ahorro de energía.
Esta incursión y el fortalecimiento de los ingenios en la producción energética no deben ser
vistos como una competencia para las grandes empresas generadoras de energía, sino como
un beneficio para la industria, que finalmente, en el caso de los azucareros, está
autososteniéndose.
9.2.3 El caso Guatemala
Guatemala es un país que cuenta con una gran cantidad de recursos naturales de tipo
renovable, los cuales tienen un gran potencial energético. La fuente energética de mayor
demanda en el país es la leña; se estima que la cobertura forestal del país alcanza los 37.000
km², o sea, un 34% de la superficie nacional, con una tasa de deforestación de 2,1% anual.
Aquí se utiliza la biomasa en diversas formas, tal es el caso de la leña, cogeneración con
bagazo de caña, biodigestión y otras.
El balance energético nacional muestra que en el consumo nacional de energía, la leña
constituye el 63% del consumo final de energía. Le sigue en importancia el diesel con el
12%; las gasolinas representan el 8%; seguidamente están el fuel oíl y la electricidad con el
4% respectivamente, y finalmente el bagazo de caña y el gas licuado de petróleo (gas
propano) con el 3%.
El alto consumo de leña obedece a que la mayor parte de la población vive en el área rural,
siendo en su mayoría de escasos recursos económicos, lo que les impide tener acceso y
disponibilidad a otras fuentes energéticas. Además, existe una tradición cultural que se
refleja en los hábitos alimenticios: la utilización del tipo de estufa denominada "Tres
Piedras" para cocinar, las ollas de barro adecuadas para este fuego abierto, el sabor de los
alimentos y la relativa disponibilidad del recurso.
La leña como combustible es utilizada en forma ineficiente, por cuanto el 81% de los
hogares que la consumen, utilizan la estufa de "Tres Piedras", la cual desaprovecha casi el
90% de la energía consumida. Cabe mencionar en este punto que en los poblados con bajas
temperaturas, el calor que desaprovecha este tipo de estufa, es aprovechado para mantener
una temperatura confortable en el interior de las viviendas.
En materia de biodigestión anaeróbica, se han construido alrededor de 800 biodigestores
tipo familiar en el área rural, pero éstos no han sido operados correctamente, y se ha
aprovechado los beneficios del bioabono más que los propiamente energéticos. La mayoría
de estos biodigestores son de tipo chino.
La única fuente biomásica que se ha utilizado para la producción de energía eléctrica en
Guatemala, ha sido el bagazo de caña de azúcar. Se estima que los recursos en materia de
bagazo de caña son unas 3 toneladas anuales de las cuales solo se aprovechan 0,7 t.
Guatemala depende en un 80% de la energía eléctrica que le provee el sector público, el
Instituto Guatemalteco de Electrificación INDE y la Empresa Eléctrica de Guatemala S.A.
EEGSA, que suministra en conjunto alrededor de 653 MW. Por otro lado, el sector privado
Capítulo 9: COGENERACIÓN.
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239
colabora con el restante 20%, que son 170 MW en este año, totalizando 820 MW de
potencia disponible para el país.
En Guatemala la electricidad se genera básicamente por medio de las centrales
hidroeléctricas, con un porcentaje de capacidad instalada del 52%, las centrales térmicas
con un 40% y los cogeneradores con el restante 8%.
El servicio eléctrico ha alcanzado una cobertura del 42%, siendo una de las más bajas de
Latinoamérica. El consumo per cápita es de 205 kilovatios-hora anuales.
Muchos de los recursos naturales que tiene el país han sido aprovechados a través de la
historia, pero a principios de la década de 1970 se empezó a tratar de aprovecharlos a un
nivel generalizado. Desde entonces se ha impulsado el aprovechamiento de: energía solar,
eólica, hidráulica, geotérmica y la biodigestión anaeróbica para la producción de biogás
como combustible.
La creciente demanda de energía que rebasa los niveles de la oferta, ha despertado
preocupación tanto en el sector público como en el sector privado, lo cual ha obligado al
gobierno, y específicamente al Ministerio de Energía y Minas, el que tiene a su cargo la
definición de la política energética a nivel nacional a encaminar las acciones a seguir.
La Dirección de Planificación y Desarrollo Energético es la Dependencia del Ministerio
que tiene a su cargo el estudio, fomento, control, supervisión y fiscalización de todo lo
relacionado con fuentes renovables de energía.
El término Cogeneración significa, en su versión más utilizada, la "Producción de energía
eléctrica a través de subproductos obtenidos de un proceso de una planta industrial o
manufacturera que dispone de una fuente de energía eléctrica". Los subproductos más
comunes pueden ser desechos de madera (aserrín), bagazo de caña de azúcar y otros que
permitan ser usados como combustible.
La cogeneración que en Guatemala se realiza con la combustión del bagazo de caña, como
fuente biomásica en los ingenios azucareros, debido a la naturaleza estacional del cultivo de
la caña, sólo puede aprovecharse durante los meses de noviembre a mayo en que se realiza
la zafra. Y tanto para los ingenios como para el país, es necesaria la generación de energía
electrice de manera estable.
Actualmente son doce los ingenios calificados por la Dirección de Planificación y
Desarrollo Energético, seis de ellos ya celebraron contrato con la Empresa Eléctrica de
Guatemala, para la generación de energía eléctrica y montaron totalmente sus plantas,
remodelando algunas de ellas. Estos ingenios entrarán en operación en este año y se
pretende una generación de 50 MW en este año, para alcanzar aproximadamente 180 MW a
finales de 1998.
La legislación actual autoriza a las empresas generar energía eléctrica de fuentes
energéticas de cualquier naturaleza durante los períodos en los que no haya disponibilidad
de la fuente energética renovable. Con esta disposición se resuelve el problema de la
cogeneración de energía eléctrica mediante el aprovechamiento del bagazo de caña.
Capítulo 9: COGENERACIÓN.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
240
9.2.4 El caso Nicaragua
En Nicaragua se han implementado en dos ingenios azucareros proyectos para mejorar y
posibilitar la producción de energía a nivel comercial, motivados por la necesidad de contar
con energía a bajos costos para asegurar los planes de expansión industrial y el desarrollo
de programas de riego que incrementen significativamente la producción agropecuaria del
sector azucarero, con el fin de mejorar su competitividad y poder enfrentar las fluctuaciones
de precios de los mercados internacionales. Estos proyectos a diferencia de los
desarrollados en el área Centroamericana han planteado en sus estudios de factibilidad y
están desarrollando plantaciones forestales energéticas, con especie de rápido crecimiento
como combustible complementario al bagazo que permita operar las calderas a plena
capacidad durante el tiempo muerto, produciendo a través de inversiones marginales y
ajustes en el esquema energético mayores excedentes de energía que se pueden colocar
comercialmente en la red nacional, lográndose no sólo beneficios para las empresa sino que
haciendo aportes significativos al país tanto ambientales como económicos, por medio de
sustitución de importaciones de petróleo, generación de nuevas alternativas de empleo y de
producción en suelos degradados por prácticas agrícolas no adecuadas.
La producción de combustible forestal permite maximizar el aprovechamiento de casi todas
las inversiones, genera nuevos ingresos, constituye un combustible barato, seguro e
independiente de las fluctuaciones de los mercados del petróleo y permite con la generación
eléctrica al sector privado participar en la solución de problemas nacionales estrechamente
vinculados al desarrollo económico, sin considerar en este capitulo los beneficios de
carácter ambiental y social que constituyen las principales externalidades de estos proyectos.
El uso como combustible de la leña, proveniente principalmente de bosques naturales es
común en muchos ingenios y se remonta al inicio de esta agro-industria, cuando se
alimentaban las calderas con trozos de madera de manera manual, proceso utilizado por
ingenios pequeños hoy en día. Lo novedoso de estos programas forestales energéticos
consiste en el establecimiento, cultivo y aprovechamiento planificado de extensas áreas con
bajo potencial productivo agropecuario y la integración del proceso de astillado para
masificar los sistemas de alimentación de las calderas de forma fluida, y para abaratar y
mejorar la eficiencia de combustión de la madera. El desarrollo de modelos de generación
eléctrica con el uso de vapor a partir de tecnología apropiada y no de punta, crea las
condiciones económicas que hacen factible el desarrollo de cosechas forestales energética
por el valor que la producción de energía agrega al bosque.
El primer proyecto forestal energético que se desarrollo en el país fue impulsado por una
empresa estatal de inversiones en la década de los años 80 en el complejo Agroindustrial
Azucarero Tipitapa - Malacatoya con una capacidad proyectada de generación total de 30,7
MWh partir de bagazo y leña. En años recientes esta empresa fue privatizada y actualmente
se llama AGROINSA. Las plantaciones forestales se iniciaron como proyecto piloto y
experimental en 1982 y actualmente cuentan con una superficie plantada en producción de
aproximadamente 3.000 ha con capacidad de producir 36.000 t/año.
La empresa está localizada a 36 Km. al Norte de la Capital en la planicie interlacustre. El
área forestal es de 4.829 ha y el área plantada es de 3.000 ha. Las precipitaciones son de
800 a 1.000 mm/año y la temperatura es de 26,7°C promedio. Los suelos son Vertisoles
65% (de 10 a 50 cm de profundidad) y Alfisoles 35% (de 30 a 1 m de profundidad)
Las especies seleccionadas fueron Leucaena lecocephalla. (descartada por baja
Capítulo 9: COGENERACIÓN.
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241
productividad en evaluación de 1986) y Eucaliptus camaldulensis. (Especie altamente
exitosa). La utilización de estas especies se basó en los estudios desarrollados por CATIE a
nivel nacional y las propias experiencias desarrolladas en el establecimiento de plantaciones.
Esta ha sido la primera plantación forestal energética de escala comercial en Centro
América que dio pautas silviculturales, económicas y de investigación al desarrollo de la
dendroenergía (generación de energía a partir de la leña).
La producción actual sustituye la demanda de bunker durante la zafra calculada en 10
galones por tonelada de azúcar producida y el déficit de bagazo durante zafra producto de
no estar produciendo a plena capacidad el área agrícola.
Se han detectado algunos obstáculos como ser: a) que el rendimiento forestal ha sido
inferior al esperado, b) la falta de financiamiento para finalizar las inversiones en el proceso
de cogeneración, plantaciones y desarrollo agrícola, y c) que la falta de inversión en
mantenimiento y renovación de plantaciones está reduciendo la capacidad actual de
producción de leña.
Nicaragua Sugar Estafes, dueña del Ingenio San Antonio, en el año 1992 realizo una serie
de estudios con la finalidad de concebir un plan de inversiones que modernizaran esta
empresa de cien años de existencia, por medio de incrementos de la producción y la
productividad de los sistemas industrial y agrícola. Dentro de estas estrategias y con la
finalidad de aprovechar nuevas oportunidades de negocios se decidió desarrollar el estudio
de factibilidad técnica y financiera para el establecimiento de un área forestal energética
sobre los antiguos potreros utilizados por la no productiva actividad ganadera.
El proyecto conocido como Energético Forestal se desarrolló durante el año 1992; dio
inicio a las primeras plantaciones pilotos en 1993, el componente forestal tiene
programadas inversiones totales de aproximadamente 3 millones de U$S, las que
actualmente se encuentran en marcha. Este ingenio cuenta con un área forestal de 2.700 ha.
9.2.5 El caso Argentina
Las posibilidades de generación de electricidad a partir de la biomasa en Argentina deben
ser analizadas en un contexto que contemple los siguientes aspectos: 1. Situación energética
actual del país. 2. Disponibilidad de combustibles biomásicos. 3. Disponibilidad de
tecnología apta para el tipo de aprovechamiento.
1. Situación energética actual del país
Con referencia a este aspecto se puede decir que tanto el desarrollo social como el
económico se han sustentado históricamente en una oferta abundante y equilibrada de
energía, proveniente de fuentes convencionales con un desarrollo importante de la
generación a partir de estas sustentado en políticas potenciadoras. Argentina es un país con
recursos energéticos tanto renovables como no renovables importantes, lo cual se refleja en
los balances energéticos de los últimos años en los que se indican niveles de
autoabastecimiento aceptables.
Los sectores más modernos y densamente poblados cuentan con un suministro energético
razonable. Sin embargo, la distribución de energía no es uniforme en todo el territorio
nacional, existiendo importantes sectores para los cuales aún no se han satisfecho los
Capítulo 9: COGENERACIÓN.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
242
mínimos requerimientos de energía. Se puede decir que existen provincias con consumos
que están por debajo de la media nacional. Por otra parte, cabe destacar que en las distintas
regiones se presentan diferencias significativas en cuanto a producción, consumo y flujos
energéticos interregionales, lo que marca acentuadas dependencias en algunas de ellas.
El sector urbano, como así también una buena parte del sector rural, se encuentra
abastecido por redes de electrificación, lo cual constituye prácticamente un sistema que
cubre un 65 % de la superficie del territorio nacional. Las grandes distancias entre los
lugares de producción, distribución y consumo influyen notablemente en la calidad del
servicio; además, los altos costos de transporte en muchos casos se trasladan a las tarifas.
Dentro de lo que constituye el sector no abastecido se tiene previsto que en corto y mediano
plazo una buena parte del mismo tendrá resuelto el problema. No obstante existen lugares
en los cuales las posibilidades de interconexión con la red son muy bajas, y son en
consecuencia sectores en los cuales los sistemas de generación descentralizados a través de
organizaciones privadas, mixtas o Cooperativas pueden aparecer como protagonistas
válidos, los que por contratos de concesión u otros esquemas aptos prestarían el servicio.
Por las condiciones geográficas y densidad poblacional también existen regiones sobre todo
rurales en las cuales la energía eléctrica debe ser suministrada mediante pequeños equipos,
lo que constituye un mercado potencial en lo que hace a la generación a través de sistemas
no convencionales.
Otro aspecto a tener en cuenta es el precio de la energía eléctrica en Argentina, que sufre
importantes modificaciones de acuerdo a las regiones o provincias. En algunos casos el
precio de la energía eléctrica es comparativo con el mismo a nivel internacional; pero en
otros casos está muy por encima, lo que indica que la autogeneración es factible, más aún si
se dispone de residuos combustibles como resultado propio de actividades industriales, tal
como ocurre en la industria del aserrío.
2. Disponibilidad de combustibles biomásicos
Argentina posee una cantidad de recursos biomásicos importantes, de los cuales solo una
muy pequeña parte es utilizada en la actualidad, existiendo en consecuencia disponibilidad
de recursos para futuros aprovechamientos. La disponibilidad potencial de residuos en
provincias como Misiones, Corrientes, Entre Ríos y Buenos Aires en alta.
3. Disponibilidad de tecnología apta para el tipo de aprovechamiento.
Sin lugar a dudas este es un factor a tener en cuenta a los efectos de obtener energía
eléctrica a partir de la biomasa. La producción de energía mecánica a partir de la biomasa
para su posterior conversión en energía eléctrica puede ser llevada a cabo por medio de
motores de combustión interna y máquinas a vapor.
Los motores de combustión interna deben ser alimentados con gas pobre producido en
gasógeno, esta tecnología es apta bajo determinadas condiciones y por lo general se limita a
bajas potencias, no obstante en el mundo existen plantas importantes.
La utilización de máquinas a vapor requiere de la producción de vapor que debe ser
generado en calderas de tipo acuotubular o humotubular, con hogares especialmente
diseñados para quemar combustibles biomásicos.
Capítulo 9: COGENERACIÓN.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
243
Las máquinas a vapor pueden ser clasificadas en motores a vapor de tipo vertical u
horizontal y turbinas de vapor, estas últimas se utilizan en un rango de potencias de 1 a 2
MW.
La selección del equipamiento para la generación de vapor y energía mecánica debe
contemplar que el mismo sea confiable, de fácil manejo, de tecnología sencilla a efectos de
facilitar reparaciones, de gran versatilidad en cuanto al uso de distintos combustibles, de
respuesta rápida frente a las variaciones bruscas de carga, posibilidad de cogeneración. La
cogeneración permite obtener mayores rendimientos y resultaría interesante en industrias de
productos regionales en la que el vapor se utilice para operaciones como por ejemplo el
secado.
Por lo anteriormente expuesto, se puede deducir que la tecnología está disponible en el
mercado internacional y también en parte en el mercado nacional, por lo que la posibilidad
de generación a partir de la biomasa es factible.
La generación de energía eléctrica a partir de la biomasa en la Argentina se realiza
exitosamente en algunos establecimientos industriales en base a motores de vapor marca
Spilling, fabricados en la República Federal de Alemania por la Empresa Spillingwerk
GmbH de Hamburgo. Existen además algunos casos aislados de generación mediante
locomovil de pequeña potencia.
Se puede mencionar a las siguientes empresas que generan a partir de combustibles
biomásicos con motores Spilling:
Cooperativa Azucarera San Javier (San Javier - Misiones): 210 Kw., utiliza
bagazo y leña
Cooperativa Agrícola Picada Libertad (Leandro N. Alem - Misiones): 300 Kw.,
utiliza cáscara de tung y leña.
Cooperatica Agrícola Oberá (Oberá - Misiones): 300 Kw., utiliza cáscara de tung
y leña.
Té del Valle (Aristóbulo del Valle - Misiones): 250 Kw., utiliza leña
Las Marías (Gobernador Virasoro - Corrientes): 200 Kw., utiliza leña y residuos
de aserradero
Pindapoy (Apóstoles - Misiones): 200 Kw., utiliza leña y residuos de aserradero.
Probablemente las industrias regionales como las del té y del aserrío son potenciales
mercados para la instalación de emprendimientos de cogeneración. Los primeros
actualmente usan leña en el proceso de secado con bajos rendimientos debido al equipo de
intercambio de calor. En cuanto a la industria del aserrío, este produce importantes
cantidades de residuos combustibles que en muchos casos se queman a cielo abierto, la
cogeneración además del aprovechamiento racional de este recurso permitiría la instalación
de secaderos para mejorar la calidad del producto aserrado
Además, existen estudios de plantas de generación importantes como el de la Asociación
Maderera, Aserraderos y Afines del Alto Paraná, Eldorado, Provincia de Misiones, que
prevé una central para utilizar residuos de aserraderos de una capacidad de generación de
16 MW.
Por otra parte, la Ley N° 24.065 de Generación, Transporte y Distribución de Electricidad
no ofrece restricciones de modo que los generadores o productores son considerados
Capítulo 9: COGENERACIÓN.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
244
actores reconocidos del mercado eléctrico, siempre y cuando cumplan con los términos de
esta ley.
En la Provincia de Misiones rige la Ley N° 3154 del Marco Regulatorio Eléctrico, tampoco
presenta objeciones a la posibilidad de la generación a partir de la Biomasa. El Anexo I de
esta ley constituye el Estatuto de la Empresa Social de Energía de Misiones Sociedad del
Estado, en su Artículo 4 Inc. h se establece lo siguiente:
Desarrollar por sí o por terceros, otras fuentes de energía, en cuanto sean de
competencia e interés de la Provincia de Misiones. Siendo su finalidad propender
a la satisfacción del bienestar de la población en materia energética, coayudando
al desarrollo económico, social y demográfico de la Provincia. A tal fin, asesorará
al Poder Ejecutivo en esa materia y ejecutará en el ámbito provincial la política
que se fije para los servicios públicos de energía, e impulsará las acciones
tendientes al desarrollo de nuevas fuentes de energía y al federalismo energético.
Impacto ambiental.
La utilización de la leña y residuos forestales en instalaciones para la generación de energía
eléctrica no provoca impacto negativo importante sobre el medio ambiente, en la medida
que el manejo sea el apropiado en cuanto control de las variables que aseguren la mejor
combustión.
El principal daño se presenta cuando los proyectos se localizan sin tener en cuenta la
disponibilidad de residuos combustibles, lo que obliga a la provisión de éste a partir de
recursos naturales con el consiguiente riesgo propio de la deforestación. Cabe destacar que
las reforestaciones con fines energéticos aún son muy pocas, y la leña en consecuencia se
extrae a partir de los montes nativos.
Por otra parte, la utilización de los residuos generados en los aserraderos provocaría un
impacto positivo, puesto que la utilización de los mismos en una manera controlada
disminuiría la contaminación del medio ambiente respecto a lo que ocurre actualmente en
muchos casos. Los residuos en muchos establecimientos se queman a cielo abierto con la
pérdida de su energía y contaminación del medio ambiente por falta de control de la
combustión, lo que se manifiesta en una alta emisión de partículas y contenido importante
de CO.
Otro aspecto favorable es la ausencia de azufre en este tipo de combustibles. En
consecuencia los gases de emisión de la combustión no contienen SO2, con lo cual se evita
el efecto indeseado o pernicioso de la lluvia ácida.
Conclusiones y recomendaciones.
Del análisis de la red de distribución en energía eléctrica surge que existen zonas no
cubiertas; como así también se registran diferencias en los precios de esta en distintas
regiones, tomando valores internacionales en muchos casos como consecuencia de la
desaparición de tarifas distorsionadas y subsidios. Estas consideraciones favorecen
emprendimientos de autogeneración o cogeneración.
Existe disponibilidad de residuos biomásicos subaprovechados en la actualidad.
Existe tecnología apropiada para este tipo de emprendimientos, pero es limitada en la
República Argentina. Dentro del país no existen fabricantes de todos los componentes de
Capítulo 9: COGENERACIÓN.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
245
una central, y es de interés inducir a que empresas locales construyan motores a vapor para
bajar costos con la finalidad de su inserción en el medio productivo.
En Argentina, las condiciones para la generación de energía eléctrica a partir de la biomasa
están dadas, el éxito dependerá de las acciones que se encaren para resolver los problemas
existentes, que desde luego está en gran medida en manos del sector privado.
9.3 Tecnologías en cogeneración
9.3.1 Cogeneración
Las tecnologías CHP (Combined Heat and Power) combinan la generación de potencia
eléctrica y calor, a partir de un mismo combustible. Estos sistemas resultan sumamente
eficientes, dado que reutilizan el calor producido por el generador eléctrico, economizando
el combustible que se utilizaría para generar calor en forma independiente.
Los sistemas CHP ofrecen grandes ventajas en eficiencia con mucha menor polución
ambiental que las tecnologías convencionales.
Existe una gran variedad de tecnologías que permiten generar electricidad y al mismo
tiempo satisfacer las necesidades de energía térmica simultáneamente.
Debido a la capacidad de generar tanto energía eléctrica como calórica, los sistemas CHP
poseen mejor eficiencia que cualquier planta generadora convencional.
En la
Figura 9.1 se puede apreciar un esquema simplificado del rendimiento aproximado de una
planta convencional. Generalmente se trata de instalaciones de cierta antigüedad, donde la
tecnología utilizada, así como las propias características inherentes del sistema, hacen que
el rendimiento en cuanto a energía útil sea sumamente reducido.
Pérdidas y Calor al
ambiente (70%)
Combustible
(100%)
Planta Generadora
Convencional
Electricidad
Energía Útil
(30%)
Figura 9.1: Esquem a sim plificado del rendim ient o aproxim ad o de una plant a convencional
En las centrales de generación más modernas, que utilizan como combustible gas natural
se quema combustible en un turbogenerador, cediendo parte de su energía para producir
energía mecánica. Su rendimiento de conversión es relativamente bajo, pero presentan la
ventaja de que permiten una recuperación fácil del calor, que se encuentra concentrado en
su práctica totalidad en sus gases de escape, que está a una temperatura de unos 500ºC,
idónea para producir vapor en un generador de recuperación.
Capítulo 9: COGENERACIÓN.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
246
Se diferencian 2 tipos de ciclos: simple, cuando el vapor se produce a la presión de
utilización del usuario; y combinado, cuando el vapor se produce a alta presión y
temperatura para su expansión previa en una turbina de vapor.
9.3.2 Ciclo simple
Es la planta clásica de cogeneración y su aplicación es adecuada cuando los requisitos de
vapor son importantes (>10 t/h), situación que se encuentra fácilmente en numerosas
industrias (alimentación, química, papelera). Son plantas de gran fiabilidad y
económicamente rentables cuando están diseñadas para una aplicación determinada.
El diseño del sistema de recuperación de calor es fundamental, pues su economía está
directamente ligada al mismo, ya que a diferencia de las plantas con motores alternativos
el precio del calor recuperado es esencial en un ciclo simple de turbina de gas.
9.3.3 Ciclo combinado
Un ciclo combinado ayuda a absorber una parte del vapor generado en el ciclo simple y
permite, por ello, mejorar la recuperación térmica, o instalar una turbina de gas de mayor
tamaño cuya recuperación térmica no estaría aprovechada si no se utilizara el vapor en
una segunda turbina de contrapresión.
En un ciclo combinado el proceso de vapor es esencial para lograr la eficiencia del
mismo. La selección de la presión y la temperatura del vapor vivo se hace en función de
las turbinas de gas y vapor seleccionadas, selección que debe realizarse con criterios de
eficiencia y economía. Por ello se requiere la existencia de experiencias previas e
"imaginación responsable" para crear procesos adaptados a un centro de consumo, que al
mismo tiempo dispongan de gran flexibilidad que posibilite su trabajo eficiente en
situaciones alejadas del punto de diseño. Los sistemas con turbinas de ciclo combinado
(Figura 9.2), poseen menor eficiencia que los sistemas CHP (Figura 9.3).
Pérdidas y Calor al ambiente (40-45 %)
Combustibl
e (100%)
Planta Generadora
Ciclo Combinado
Electricidad
Energía Útil (55-60 %)
Figura 9.2: Sist em a con t urbina de ciclo com binado
Pérdidas y Calor al
ambiente (10-20 %)
Combustible
(100%)
Planta Generadora
CHP
Electricidad
Energía Útil (80-90 %)
Capítulo 9: COGENERACIÓN.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
247
Figura 9.3: Sist em a CHP
9.4 Tecnologías en turbinas de vapor
9.4.1 Introducción
La turbina de vapor, es una de de las mas versátiles y antiguas tecnologías para generación
de movimiento que, por supuesto con las evoluciones normales, se encuentran en plena
producción. La generación de potencia utilizando turbinas de vapor, se realiza desde hace
más de 100 años, desde que comenzaron a reemplazar a las máquinas de vapor, debido a su
mejor rendimiento y menor costo.
La capacidad de las turbinas de vapor van desde 50 Kw. hasta varios cientos de MW y son
ampliamente utilizadas para la generación de potencia y calor en forma combinada
(Combined Heat and Power, CHP).
Al contrario de las turbinas a gas en sistemas CHP, donde el calor es un subproducto de la
generación de potencia, las turbinas de vapor normalmente generan electricidad como un
subproducto de la generación de calor (vapor).
La turbina de vapor, está asociada a una fuente de calor en forma separada y no convierte
en forma directa el combustible en electricidad. La energía es transferida desde una caldera
a la turbina, se realiza por medio de vapor a alta presión haciendo que en esta se genere el
movimiento de rotación necesario para la producción de potencia.
Esta separación de funciones hace que las turbinas a vapor puedan operar con una gran
variedad de combustibles, como gas natural, todo tipo de carbones, madera, deshechos de
madera, subproductos agrícolas como caña de azúcar, bagazo, carozos de frutales, cáscara
de arroz, etc..
En aplicaciones CHP, vapor a baja presión es extraído de la turbina y utilizado ya sea en
forma directa o para generar otras formas de energía.
Las turbinas de vapor ofrecen una amplia gama de diseños y complejidades, que permiten
satisfacer las aplicaciones y/o especificaciones de performance especificadas. Por ejemplo,
para la generación de energía eléctrica las turbinas pueden tener varias etapas y sofisticadas
características de diseño, tendientes a maximizar la eficiencia de la planta. Para
aplicaciones industriales, las turbinas son generalmente de una sola etapa, y menos
complicadas, por razones de confiabilidad y costo. Los sistemas CHP se pueden adaptar
para ambos tipos de aplicaciones.
9.4.2 Aplicaciones
Mientras las turbinas de vapor resultan competitivas en cuanto a costo, respecto de otro tipo
de generadores, en un sistema CHP el conjunto turbina/caldera genera costos relativamente
altos por Kw. de capacidad instalada. Esto es debido a la menor relación potencia – calor
(P/H), el costo de la caldera, el manejo de los combustibles, los sistemas de vapor, etc.
Por lo tanto las turbinas de vapor son apropiadas para sistemas de media a gran escala, en
aplicaciones industriales donde existan combustibles de bajo costo tales como: carbón,
biomasa en residuos sólidos o subproductos, etc.
Capítulo 9: COGENERACIÓN.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
248
Para un sistema con caldera e instalación de vapor existente, resulta relativamente
económico el agregado de un conjunto turbina – generador. Esto requiere que tanto la
caldera como la instalación de vapor, soporten un pequeño aumento de la demanda.
En el caso de plantas nuevas o remodelaciones es conveniente considerar la incorporación
de turbinas de vapor para generar energía eléctrica.
9.4.3 Aplicaciones Industriales y CHP
Las principales aplicaciones de las turbinas de vapor basadas en sistemas CHP para
procesos industriales, son aquellas donde hay accesible combustible de bajo costo para
alimentar la caldera. El vapor que se extrae de la turbina se utiliza directamente en el
proceso o es convertido a otra forma de energía térmica.
Las turbinas utilizadas como alimentadores industriales son generalmente de un solo
cuerpo, de simple o múltiples etapas y de condensación o no- condensación, dependiendo
de las condiciones de vapor necesarias para la aplicación.
Las turbinas de vapor operan a velocidad constante cuando alimentan un generador
eléctrico y sobre un rango relativamente amplio de velocidades cuando trabajan con un
compresor de refrigeración. En aplicaciones con turbinas de no – condensación, el vapor de
escape se encuentra generalmente a temperatura y presión suficientes para las aplicaciones
de sistemas CHP.
9.5 Descripción Técnica
9.5.1 Procesos Básicos y Componentes
La turbina de vapor funciona termodinámicamente según el ciclo Rankine. Este ciclo es la
base de funcionamiento de las plantas convencionales generadoras de energía. El comienzo
del ciclo se basa en una caldera que convierte agua en vapor de alta presión. El agua es
bombeada a una presión intermedia y luego llevada a la temperatura de ebullición
correspondiente a la presión mencionada. Luego, este vapor en muchos casos
sobrecalentado se usa como alimentación de la turbina, la cual expande este vapor a menor
presión y temperatura, derivándolo o bien a un condensador con condiciones de vacío, o
bien a un sistema de distribución de vapor para aplicaciones industriales o comerciales. El
agua proveniente del condensador o del sistema de utilización de vapor, se reingresa al
ciclo por medio de una bomba, Figura 9.4.
Vapor
Combustible
Turbina
Caldera
Potencia de
salida
Condensador
o Proceso
Bomba
Calor de Salida
Capítulo 9: COGENERACIÓN.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
249
Figura 9. 4: Ciclo por m edio de una bom ba
Existen diversas opciones en cuanto a las características del vapor de alimentación, en
cuanto a presión, temperatura, recalentamiento, etc. Los sistemas de vapor varían desde
baja presión para aplicaciones de calefacción, preparación de comidas, etc. a media presión
para procesos industriales, hasta altas presiones para la generación de energía.
Generalmente, a medida que el sistema aumenta en su tamaño y prestaciones, es
conveniente trabajar con mayores presiones y temperaturas, con el consecuente aumento en
el costo de la caldera y accesorios.
9.5.2 Turbina de Condensación
El tipo de turbinas más comúnmente utilizadas en plantas convencionales de generación de
energía son las de condensación. En este caso el vapor de escape de la turbina pasa
directamente al condensador, que mantiene condiciones de vacío a la salida de la turbina.
En un conjunto de cañerías, enfriadas en ríos, lagos o torres de enfriamiento el vapor se
condensa en agua que se reinserta en el sistema por medio de una bomba. En la Figura 9.4
se observa un esquema donde en este tipo de turbinas el calor es extraído solo por un
condensador de los que se mencionó anteriormente.
9.5.3 Turbina de no – condensación
Este tipo de turbina es uno de los utilizados en sistemas CHP. La Figura 9.5 muestra un
esquema de la misma que comúnmente se denomina de contra – presión. El vapor de salida
de la turbina, es íntegramente utilizado en alguna aplicación industrial.
Vapor a alta
presión
Turbin
Potencia de
salida
Vapor a baja
presión al Proceso
Figura 9.5: Esquem a de t urbina de no- condensación de cont rapresión
Generalmente, el vapor enviado al proceso no se encuentra demasiado por encima de la
temperatura de saturación. El término contra – presión se refiere a turbinas cuyo vapor de
escape está a presión atmosférica o por encima. En aplicaciones CHP las presiones de
descarga típicas son 50, 150 y 250 psig. (1 psig = 14,7 psia) para las cuales las temperaturas
son 148, 186 y 208 ºC respectivamente.
Los procesos industriales generalmente utilizan las presiones más altas y en algunos casos
se aumenta esta presión para manejar pesadas cargas mecánicas. Sin embargo, debe tenerse
en cuenta que la capacidad de generación disminuye notablemente, cuando la aplicación
necesita que el vapor de salida de la turbina se encuentre a presiones altas.
Capítulo 9: COGENERACIÓN.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
250
9.5.4 Turbina de extracción
La turbina de extracción está provista de una apertura en su carcasa, que permite la
extracción de una parte del vapor a una presión mayor a la de escape normal. La Figura 9.6
muestra un diagrama donde una parte del vapor a media presión se utiliza en otras
aplicaciones del proceso, como por ejemplo la molienda.
Vapor a alta
presión
Potencia de
salida
Turbina
Vapor a media presión al
Proceso
Vapor a baja presión al
Proceso
Figura 9.6: Esquem a de t urbina de e xt racción
La extracción de vapor a media presión, puede o no estar regulada automáticamente. La
extracción regulada permite que mayor cantidad de vapor circule por la turbina, generando
mayor cantidad de energía en aquellos períodos en que las demandas térmicas del sistema
CHP disminuyen.
9.6 Análisis Comparativo
(Datos obtenidos de la página Web de la Secretaría de Energía de la República Argentina)
A continuación se realizará el análisis comparativo de tres esquemas de cogeneración. Se
considerarán los mismos parámetros para todos los casos. Estos son los siguientes:
Molienda:
Fibra en caña:
Humedad de bagazo:
Pol en bagazo:
Poder Calorífico Bagazo:
Energía Molienda:
Consumo de vapor (proceso):
Pérdidas por condensación:
Caída de presión en línea de alta:
Caída de temperatura en línea de alta:
Otros consumos de vapor en alta:
6000 [t/d] = 250 [t/h]
13,5 %
50 %
2,3 %
7500 [kJ/kg]
13 [Kwh/tc]
50 [% caña]
3 [% generado]
12 [%]
10 [ºC]
5 [t/h]
El primer caso considera un sistema convencional, de los más comúnmente utilizados en
ingenios de cierta antigüedad, con turbina de contrapresión a bajas presiones de operación,
Figura 9.7. El vapor a baja presión es utilizado para la generación de energía eléctrica y de
molienda. El vapor de salida de las turbinas es utilizado en el proceso.
El segundo caso presenta un sistema con turbinas de contrapresión, una de ellas de alta
presión, al tope generando energía eléctrica y otras dos (o más) de baja presión para energía
eléctrica y de molienda, Figura 9.8. Este esquema es similar al anterior desde el circuito de
Capítulo 9: COGENERACIÓN.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
251
media presión en adelante, la diferencia estriba en el agregado de una turbina de alta
presión generadora de energía eléctrica, ubicada antes del circuito de media (al tope), el
cual se alimenta con el vapor de salida de la turbina mencionada. Obviamente la caldera de
vapor también debe ser de alta presión. Esto, si bien implica una mayor inversión inicial,
además de tener un mejor rendimiento permite un aumento considerable el la producción de
energía eléctrica respecto del caso 1.
16 bar, 300
ºC 134 t/h
14 bar, 290
ºC 125 t/h
48 t/h
77 t/h
Otros 5
Bagazo
71 t/h
5315 kW
= 0,70
2.2 bar
Proceso: 50% Caña
Figura 9.7: Esquem a de t urbina de cont rap resión a baj as presiones de operación
60 bar, 450
ºC 138 t/h
60 bar, 450
ºC 134 t/h
Bagazo
71 t/h
9531 kW
14 bar, 290
= 0,81
48 t/h
77 t/h
Otros 5 t/h
5315 kW
2.2 bar
Proceso: 50% Caña
Figura 9.8: Esquem a de t urbinas de cont rapresión, una de ellas alt a presión y varias a baj a
presión
El tercer caso plantea la utilización de una turbina de condensación con extracción de alta
presión para generación eléctrica y otra (o más de una) de baja presión para energía de
molienda, Figura 9.9. En este esquema, también es necesaria una caldera de alta presión
que asociada a la turbina de condensación con extracción implican una mayor inversión
Capítulo 9: COGENERACIÓN.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
252
inicial, pero la posibilidad de una mayor generación de energía eléctrica, justifica la
inversión.
14 bar,
290 ºC
60 bar, 450
ºC 140 t/h
Otros 5 t/h
19920
kW
Bagazo
71 t/h
77 t/h
= 0,81
48 t/h
2.2 bar
Proceso: 50% Caña
Figura 9.9: Esquem a de t urbina de condensación con ext racción de alt a presi ón y ot ras de baj a
presión
La Tabla 9.1 resume los parámetros de operación de los tres casos anteriores
Parámetro
Bagazo de entrada
Excedente
Rendimiento Caldera
Presión de vapor a la salida de la
caldera
Temperatura de vapor a la salida de la
caldera
Vapor a la salida de la caldera
Presión de vapor entrada turbina/s
Temperatura de vapor turbina/s
Vapor turbina energía eléctrica
Vapor turbina energía de molienda
Presión de vapor salida turbina 1
Presión de vapor 1ª Extracción
Presión de vapor a proceso
Generación potencia eléctrica
Generación específica
Unidad
t/h
%
%
Caso 1
71
6
70
Caso 2
71
8
81
Caso 3
71
0
81
bar
16
60
60
ºC
300
450
450
t/h
bar
ºC
t/h
t/h
bar
bar
bar
Kw.
Kw./tc
134
14
290
77
48
2.2
5314
20
138
60
450
77
48
14
2.2
14845
60
140
60
450
77
48
14
2.2
19921
90
Tabla 9.1: Parám e t ros d e operación
9.7 Algunas Conclusiones
Como se desprende de la tabla anterior, existe una importante diferencia en los casos
estudiados respecto de la cantidad de energía eléctrica que puede ser generada, a partir de la
misma cantidad de combustible. Esto no implica en forma directa que, por ejemplo el caso
3 sea el más conveniente, ya que diversas variables entran en juego a la hora de definir un
determinado esquema.
La primera variable a considerar es el combustible, en nuestro caso el bagazo de caña. No
todos los países productores de caña azucarera presentan los mismos períodos de zafra, por
ejemplo Colombia es probablemente el único país que puede cosechar durante todo el año,
Capítulo 9: COGENERACIÓN.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
253
mientras que la mayoría tiene períodos de zafra que van entre los 5 y 8 meses. En estos
casos se debe considerar la posibilidad de algún combustible alternativo para seguir
produciendo energía fuera de zafra.
Por otro lado hay que tener en cuenta los costos aumentan en función de la presión de
vapor, tanto para la caldera como para la turbina. Así mismo es necesario prever que en la
época de no-zafra no existe consumo de vapor de proceso, por lo toda la energía calórica
generada puede ser transformada en energía eléctrica, lo que implica otro esquema que
podrá incluir otra turbina de menor presión, funcionando con la extracción de la original.
Otro tema, si no el más importante, es el valor de venta de la energía eléctrica, el cual
difiere en los distintos países debido a diversos factores como estacionales, promocionales,
etc. Indudablemente, cualquier inversión amerita un exhaustivo análisis costo / beneficios,
con el estudio de los diversos parámetros que influyen en el negocio.
Referencias Bibliográficas
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]
“Cogeneración y generación de electricidad en la industria azucarera”. Electo
Silva Lora, Núcleo de Excelência em Geração Termelétrica e Distribuída.
UNIFEI-Brasil.
“Criterios de evaluación termodinámica para sistemas de cogeneración en
centrales azucareras” Ricardo Carrasco Carpio, Electo Silva Lora, Hidráulica y
Termofluidos 2001; 2 (2): 16-19. UNMSM. Facultad de Ciencias Físicas ISSN
versión impresa 1810-8369.
“Boletín Estadístico Año 5 Nº 1, Junio de 2004”. Centro Guatemalteco de
Investigación y Capacitación de la Caña de Azúcar, Guatemala.
“World Sugar Statistics” – 2004 - F.O.Lichts - 65th Edn.
“Sugar Cane Bagasse for Electricity Generation in Africa” – 2004 - Deepchand,
K. ESI – Africa, 2/2004/44.
“Exporting power to the local network” – 1991 - Unwin, J.S - IEE Colloquium on
Parallel Operation of Generating Plant within a Public Electricity Supply
Network. Pp 4/1 - 4/2.
“Ethanol from sugar cane: a successful alternative energy strategy for Brazil” –
2008 - de Paula, E. - Portland International Conference on Management of
Engineering & Technology, PICMET.
“Cogeneration of Bagasse Energy in Mauritus. Energy for Sustainable
Development” – 2000 - Deepchand, K. V (I)- pp 15 – 22.
Capítulo 9: COGENERACIÓN.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
254
Capítulo 9: COGENERACIÓN.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
255
Capítulo 10: PREPARACIÓN DE MOSTO Y
FERMENTACIÓN.
Hernán Álvarez Zapata
César A. Gómez
Universidad Nacional de Colombia, Sede Medellín. Colombia.
10.1 Introducción.
Durante miles de años el etanol ha sido producido para el consumo humano, pero también
ha sido usado como materia prima química y recientemente ha empezado a usarse como
combustible automotriz. La vía tradicional de producción del etanol es la fermentación,
que ha alcanzado ya los estándares suficientes para ser considerada un proceso industrial.
La obtención de etanol por fermentación alcohólica ha cobrado renovado interés en la
actualidad, precisamente debido a la posibilidad de utilizar etanol como combustible. En
este momento se realizan intensas investigaciones en todo el mundo, principalmente en
Brasil, Sudáfrica y Estados Unidos. Tales investigaciones pretenden incluir el uso no sólo
de azúcar sino de los desechos de la agricultura para obtener combustible por fermentación
alcohólica. De este modo, se podrían aprovechar todos los recursos naturales sin causar un
impacto muy fuerte en la seguridad alimentaria y en el medio el ambiente.
10.2 Proceso de producción del etanol
El proceso global de obtención de etanol a partir de biomasa puede dividirse en las
siguientes etapas (Pinel et al., 1983):
Pretratamiento de las materias primas.
Hidrólisis o sacarificación.
Fermentación.
Separación y purificación del etanol.
Este es un esquema muy general, ya que hay procesos en los que la hidrólisis es innecesaria,
por encontrarse los azucares ya libres en la biomasa, y otros, en que dicha hidrólisis tiene
lugar simultáneamente con la fermentación. Sin embargo una descripción general de cada
etapa sería la siguiente.
Pretratamiento de las materias primas: tiene como objetivo preparar la materia
prima para facilitar la hidrólisis, transformando la biomasa a utilizar mediante
tratamientos físico-químicos, procesos de gelatinización (cuando hay almidón) o
tratamientos con agentes químicos.
Hidrólisis o sacarificación: tiene como finalidad transformar los polímeros de la
materia prima en azucares sencillos. Existen dos tipos, hidrólisis acida, en la cual se
emplean generalmente acido clorhídrico o acido sulfúrico al 10 % a 180 ºC, y la
hidrólisis enzimática, en el cual se emplean enzimas para el desdoblamiento de las
moléculas grandes. Se distinguen dos tipos de sistemas enzimáticos, los que actúan
sobre la celulosa y los que actúan sobre el almidón.
Fermentación: es el proceso de conversión de un material orgánico en otro, en este
caso glucosa en etanol, por acción de microorganismos. La transformación ocurre a
través de una compleja secuencia de reacciones que puede resumirse en la siguiente
reacción global:
Capítulo 10: PREPARACIÓN DE MOSTO Y FERMENTACIÓN.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
256
C6H12O6 → 2CH3CH2OH+ 2CO2 + Calor
El rendimiento real de etanol es menor que el teóricamente calculado a partir de la
reacción anterior, ya que otra parte de la glucosa se consume para la formación de
más microorganismos y otros productos minoritarios como gliceroles, acido acético
y acido láctico.
Separación y purificación del etanol: se realiza comúnmente por medio de
destilación, en donde es típico que sea necesario realizar varias destilaciones hasta
obtener etanol al 95%. No es posible obtener una mayor pureza por simple
destilación, ya que el etanol forma con el agua un azeótropo de esta concentración.
Si el objetivo del proceso es obtener alcohol anhidro, que es el alcohol que se puede
utilizar como combustible, es preciso someter el alcohol al 95% a una destilación
azeotrópica con benceno. El benceno forma un azeótropo con el agua, obteniéndose
alcohol seco con un 99.5 % de pureza, también es posible utilizar éter, hexano o
gasolina en lugar del benceno, la gasolina puede tener el problema de que se
fraccione por el tratamiento.
10.2.1
Materia prima.
El elemento esencial para la producción de alcohol es la glucosa, ya que es este azúcar el
que utilizan los microorganismos para realizar sus funciones metabólicas dejando como
producto de su metabolismo el etanol. No obstante, utilizar glucosa pura no sería viable,
por lo que se utilizan otras fuentes de las que se pueda obtener la glucosa. Tres tipos de
materiales son utilizados en la fermentación de etanol, aunque también se han hecho
investigaciones para producirlo a partir de suero (Roehr, 2001):
Raíces que contienen almidón, tubérculos o granos (maíz, trigo, cebada, soja,
centeno, mijo, avena, arroz, cereales germinados, yuca, camote, papa)
Subproductos del procesamiento de las cosechas de azúcar como melazas o jugo de
caña de azúcar, de remolacha o de sorgo
Madera o residuos celulósicos desechables del procesamiento de la madera (aserrín,
cortezas, paja, papel, etc.)
La melaza es uno de los sustratos más utilizados, es un jarabe denso, viscoso, de color
amarillo oscuro, negro claro e incluso negro, según de donde provenga. Es un compuesto
rico en azúcar y poseedor de elevadas concentraciones de nitrógeno, las melazas crudas son
alcalinas y contienen aproximadamente de 1,3 al 2,3% de nitrógeno (Medina, 2004), las
principales fuentes de melaza son la remolacha y la caña de azúcar.
10.2.2
Microorganismos productores de etanol.
Existe una gran variedad de microorganismos que se pueden emplear para una
fermentación alcohólica, fundamentalmente existen dos grupos diferentes, bacterias y
levaduras. Por parte de las bacterias podemos encontrar la Zymomonas mobilis, Clostridium
felsineum, Thermoanaerobacter ethanolicus y Clostridium thermocellum. Mientras que
entre las levaduras encontramos la Saccharomyces cerevisiae, Kluyveromices fragilis y
Saccharomyces carlbergensis. También algunos hongos filamentosos como Mucor
javanicus, Mucor plambeus, Rhizopus orizae y Oospora lactis pueden utilizarse para una
fermentación alcohólica.
Aunque se tiene una gran variedad de microorganismos, todos tienen en común que se
Capítulo 10: PREPARACIÓN DE MOSTO Y FERMENTACIÓN.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
257
inhiben por la acción del alcohol, unos en mayor proporción que otros. En las levaduras la
tolerancia al alcohol depende, además de las características genéticas de la cepa, de
diversos factores ambientales como concentración de azucares en el medio, estado
metabólico de las células, temperatura y PH. El efecto de inhibición por alcohol y el de
inhibición por una alta osmolaridad en el medio son sinergéticos, por lo tanto altas
concentraciones de azucares reducen la capacidad de tolerar alcohol.
El microorganismo seleccionado debe proporcionar la mejor combinación posible de
características para el proceso y equipo usados. En general, el microorganismo debería
tener (Roehr, 2001):
Un gran rendimiento de producto por sustrato tomado.
Una alta habilidad de fermentación.
Alta Tolerancia al etanol
Habilidad de permanecer viable a altas temperaturas
Estabilidad bajo adecuadas condiciones de fermentación
Tolerancia a valores bajos de pH
10.2.3
Fermentación con levaduras.
La fermentación de azúcar por medio de levaduras, es la fermentación más antigua de todas,
por lo tanto son los microorganismos más estudiados en cuanto a fermentación de alcohol
se refiere. Las levaduras de mayor interés industrial son Saccharomyces cerevisiae,
Saccharomyces ovarum (carlbergensis), Schizosaccharomyces pombe y algunas especies
de Kluyveromices.
Las levaduras tienen la capacidad de utilizar una gran variedad de sustratos como glucosa,
galactosa, maltosa, fructosa y sacarosa; en general pueden crecer eficientemente en
ambientes con un pH de entre 3.5-6.0 y con temperaturas de 28-35 ºC. Bajo condiciones
anaerobias, ocurre el mecanismo de Embden-Meyerhof para la metabolización de glucosa a
etanol, donde se obtienen 2 moles de etanol, CO2 y ATP por cada mol de glucosa. Debido a
que la glucosa no solo se utiliza para producir etanol, cada gramo de glucosa puede
teóricamente dar un 0.51 gramos de alcohol, sin embargo solo se han logrado como
máximo el 90-95 % de este rendimiento en una fermentación real (Roehr, 2001). Las
levaduras son muy susceptibles a la inhibición por etanol.
Utilizar condiciones anaerobias favorece en una gran proporción la producción de alcohol,
pero utilizar condiciones aerobias permite a la levadura crecer más eficientemente, se
acostumbra entonces una aireación preliminar para llegar a la concentración deseada de
microorganismos para después comenzar la fermentación.
10.2.4
Fermentación con bacterias.
Las bacterias tienen una capacidad mayor de tolerancia a la inhibición por etanol, tal vez,
por esta razón es que es posible obtener una mayor concentración y producción de etanol;
sin embargo, las bacterias también pueden generar una gran cantidad de productos
secundarios, otro tipo de alcoholes, ácidos orgánicos, polímeros, cetonas y gases. Así como
las levaduras, las bacterias metabolizan la glucosa por la ruta de Embden-Meyerhof, pero
además pueden utilizar la ruta Entner-Doudoroff como una ruta adicional para
metabolizarla.
Capítulo 10: PREPARACIÓN DE MOSTO Y FERMENTACIÓN.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
258
Entre la gran variedad de bacterias que pueden producir etanol, La Zymomonas mobilis
tiene un lugar especial, ya que ha demostrado que es capaz de producir una gran cantidad
de etanol, tiene muy buena tolerancia, y es capaz de sobrevivir en concentraciones altas de
sustrato (400 g/l) (Roehr, 2001). Sin embargo, la selección del sustrato es una limitante
para la producción de etanol. Los valores óptimos de temperatura y pH encontrados
experimentalmente son 30-40 ºC y 4-5 de pH.
10.2.5
Modos de operación.
La fermentación de etanol puede llevarse a cabo en diferentes modos: Por lotes (batch o
discontinuo), continuo, por lotes con alimentación continua, y por lotes con alimentación
semicontinua. La recirculación de células puede ayudar mucho la fermentación, pero el
sustrato debe ser esencialmente libre de material insoluble, el cual podría acumularse con
las células durante la centrifugación. Todos los sistemas usados en la industria, tienen
ventajas y desventajas, el tipo de proceso debe seleccionarse de acuerdo a las propiedades
del material usado, los costos de inversión y operación y el rendimiento del proceso.
1. Modo batch o por lotes: Este es el modo preferido por las industrias. La mayor
parte del etanol se produce de esta forma, en la cual el sustrato y las células son
cargados al reactor con los nutrientes y las enzimas requeridas por un periodo de
tiempo. Las características generales de un proceso batch son bien conocidas. El
tiempo requerido para que se utilice todo el sustrato es 36-48 h., la temperatura varia
de entre 10-30 ºC y el pH se ajusta a 4.5. Dependiendo de la naturaleza de la fuente de
carbono se pueden obtener una eficiencia de conversión del 90-95 % del valor teórico
con una concentración final de 10-16% (p/v) de etanol. Las ventajas de una operación
batch son: bajos costos de inversión, bajos requerimientos para una esterilización
completa, bajos riesgos de perdidas financieras, fácil manejo, una gran flexibilidad
para obtener diferentes especificaciones del producto, mayor grado de conversión y
menos riesgo a la infección o a la mutación. Las desventajas son: tiempos no
productivos para el vaciado, limpieza y esterilización del equipo, mayores costos por
esterilización frecuente, preparación de muchos subcultivos para el inoculo, mayores
riesgos de contagio del personal de servicio si se trabaja con un microorganismo
patogénico y la fase de latencia del microorganismo que disminuye la productividad.
2. Modo continuo: La operación continua del proceso elimina mucho del tiempo poco
productivo asociado al modo batch, como son los tiempos de limpieza y de
preparación para el siguiente lote. Aquí el sustrato junto con los nutrientes es
alimentado continuamente dentro de un tanque agitado donde los microorganismos
están activos, consumiendo en grandes cantidades y produciendo rápidamente, de lo
que se obtiene un flujo producto que contiene etanol, células y sustrato no consumido.
Se acostumbra airear un poco el reactor para mantener un buen crecimiento de los
microorganismos, se consigue un estado estable cuando la velocidad de crecimiento y
de lavado se igualan, donde generalmente se obtiene una concentración celular de 1012 g/l y una productividad de 6 g/l h (Roehr, 2001). Las ventajas de una operación
continua son: Mecanización del proceso, requiere menos mano de obra, menos
volumen del reactor por la optimización del tiempo, la calidad del producto es
constante, ahorro de productos para la esterilización. Este modo tiene como
desventajas las siguientes: pueden haber problemas de mantenimiento a altas
velocidades de fermentación, baja flexibilidad para las especificaciones del producto,
alto costo de inversión, alto riesgo de mutación por tiempos largos de fermentación y
Capítulo 10: PREPARACIÓN DE MOSTO Y FERMENTACIÓN.
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259
remoción continua de sustrato que puede ser costoso.
3. Modo batch con alimentación continua: Muy popular en la industria, es una
combinación de los modos continuo y batch. En esta operación, la alimentación que
contiene sustrato, microorganismos y nutrientes es inyectada continuamente en
intervalos constantes, mientras que el efluente sale de forma discontinua. La principal
ventaja de este sistema es que se previene la inhibición por sustrato, si el sustrato
tiene un efecto inhibitorio, la adición intermitente del sustrato incrementa la
productividad. La concentración del sustrato debe mantenerse constante, de esta
forma, la inhibición se mantiene en un nivel mínimo. Otras ventajas de este modo son:
se logra un alto rendimiento, alto nivel de flexibilidad, método semi-estacionario de
operación evitando problemas de mutación y optimización de las condiciones de
crecimiento. Sus desventajas son: tiene tiempos no productivos para el llenado y la
esterilización, mayores requerimientos de personal o instrumentos más costosos, alto
riesgo para el personal cuando se trabaja con microorganismos patogénicos y mayor
uso de material para esterilización.
4. Modo semi-continuo: En este modo una porción del cultivo es liberado mientras
medio fresco es añadido al sistema por un cierto intervalo de tiempo, es esencial
mantener el volumen del cultivo constante, aunque siempre hay cierta variación. Esta
operación se utiliza en algunas fermentaciones industriales como la producción de
vinagre, penicilina y levadura. Las ventajas del proceso semi-continuo son: no hay
necesidad de separar un tanque para el inoculo, no se gasta tiempo en la limpieza y reesterilización de los tanques, mayor flexibilidad en la operación, menos uso de los
instrumentos para la esterilización y no se requiere mucho control. Las desventajas de
este modo son: se requiere un gran volumen del reactor y existe un alto riesgo de
contaminación y mutación debido a los periodos largos de fermentación.
10.3 Modelado semifísico de base fenomenológica del proceso de
fermentación.
El uso intensivo de modelos en la ingeniería moderna es más que evidente. Los avances en
la capacidad de computación han catapultado el desarrollo de modelos de proceso cada vez
más detallados y precisos, que luego se utilizan en diseño, optimización, control y
diagnóstico de fallas, entre otras tareas. Entre las tres grandes familias de modelos
(fenomenológicos, empíricos y semifísicos), la facilidad de obtención de los modelos
empíricos (basados solo en datos del proceso), ocultó posibilidades importantes de las otras
dos familias de modelos. De otro lado, el requisito del conocimiento detallado de todos los
fenómenos, ha hecho que los modelos fenomenológicos sean escasos en ingeniería, y que
los existentes, estén confinados solo a centros de investigación especializada. La tercera
familia (modelos semifísicos), solo empezó a demostrar sus verdaderas utilidades hasta que
la potencia de cómputo alcanzó capacidad suficiente para resolver numéricamente sistemas
de varias ecuaciones diferenciales y algebraicas simultáneamente. Sin embargo, aunque la
literatura entrega algunos procedimientos para la construcción de esos modelos
(fenomenológicos y semifísicos de base fenomenológica), tales procedimientos no son lo
suficientemente explícitos para su aplicación inmediata y siempre están soportados en
algunos pasos que dependen de la heurística del modelador. En tal sentido, a pesar de la
demostrada alta utilidad de los Modelos Semifísicos de Base Fenomenológica (MSBF),
todavía su obtención sigue estando restringida a algunos investigadores e ingenieros de
proceso con entrenamiento para tal labor.
Capítulo 10: PREPARACIÓN DE MOSTO Y FERMENTACIÓN.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
260
La construcción de un MSBF resulta la mayoría de las veces una tarea laboriosa, por lo que
un método para su construcción, permite al investigador abordar su problema de una forma
más organizada y sin temor a perderse en una maraña de expresiones matemáticas que
pueden hacer su trabajo más difícil. Como característica fundamental del método que se
describe en este trabajo, debe destacarse su capacidad para ser utilizado por un ingeniero
que no es un experto en el proceso que modela. Basta con conocer la operación del proceso
y contar con las bases de la ingeniería de procesos (termodinámica, fenómenos de
transporte y operaciones unitarias), para que el procedimiento propuesto permita producir
un MSBF útil. Como ejemplo, el método propuesto se utiliza para obtener un modelo del
proceso de fermentación de glucosa en continuo, para la producción de alcohol etílico. El
fin del modelo obtenido, es la optimización de la operación y el control del proceso. En tal
sentido, el MSBF obtenido, no pretende ser un modelo explicativo sino uno descriptivo, de
modo que se puede luego utilizar por ejemplo en el escalado del proceso (Ruíz, 2007).
10.3.1
Método para la construcción de un MSBF.
Un modelo es un conjunto de elementos de representación de información que puestos
juntos replican las características más relevantes (o de interés) de un proceso o sistema real.
Todo modelo posee Estructura y Parámetros. La Estructura es el conjunto de relaciones
entre las partes del modelo, mientras que los Parámetros son los valores numéricos o
simbólicos que modifican o gradan las partes del modelo en su interrelación. Un MSBF es
una estructura matemática que se obtiene con base en la fenomenología subyacente al
proceso que se estudia, y ésta a su vez, se basa en los fenómenos de transporte, tránsito,
transmisión o transferencia, y en el principio de conservación de cualquier propiedad
balanceable.
Por una parte, el transporte, tránsito, transmisión o transferencia se refiere a cómo se mueve
o pasa a través de una superficie cualquier “entidad z” que pueda cuantificarse como dz .
dt
Dicho fenómeno sigue la Ley de Gradiente, que se formula a través de tres términos: fuerza
impulsora, resistencia al flujo de la entidad z y flujo neto producido. Debe destacarse aquí
que el flujo neto es también un diferencial respecto al tiempo. Sin embargo, su
interpretación es la de un flujo y no la de un cambio de una propiedad d Pr en un volumen o
dt
espacio dado (Sistema de Proceso), de modo que:
dz
dt
Área Flujo
1
* Área Flujo * Gradiente
Resistencia
(10.1)
Aunque los Gradientes pueden tener múltiples expresiones para su cálculo, dos de las más
usadas son:
Gradiente
(Pr in Pr out )
Gradiente
(Pr * Pr out )
(10.2)
La primera constituye la diferencia entre el valor de una Propiedad en la entrada y la salida
del Sistema de Proceso. La segunda indica la diferencia entre el valor de una Propiedad en
el equilibrio o saturación (*) y la propiedad en la salida del Sistema de Proceso. Ambas
Capítulo 10: PREPARACIÓN DE MOSTO Y FERMENTACIÓN.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
261
asumen agitación perfecta al interior del Sistema de Proceso, de ahí que se pueda tomar el
valor de la Propiedad en la salida como representación de la propiedad en el interior del
sistema de proceso.
Por otra parte, el principio de conservación dará cuenta del cambio de la Propiedad en el
interior del Sistema de Proceso. La forma genérica de dicho principio es:
d Pr
dt
Sistema Pr oceso
# Ens
F *
i 1
i
i
# Sals
F *
j 1
j
j
# Fuens
k 1
k
# Sums
l 1
l
(10.3)
Con Pr la propiedad balanceable de interés, Fi o j flujo de entrada o salida, i o j proporción
en la que la propiedad está en el flujo, k velocidad de aparición de Pr en la k-ésima fuente
y l la velocidad de consumo de Pr en el l-ésimo sumidero.
Por lo general en procesos químicos y biotecnológicos, las propiedades balanceables son la
materia y la energía, involucradas en el proceso. Mediante balances de materia, energía
(térmica) y cantidad de movimiento, se pueden obtener y relacionar las variables más
significativas del proceso (los estados en el sentido de Kalman (1960)). La universalidad
del principio de conservación, le da a la estructura del MSBF un fundamento
fenomenológico fuerte, además de dotarlo de características muy interesantes.
Obviamente, la estructura del modelo se debe complementar con ecuaciones para los
parámetros del modelo. Tales ecuaciones, denominadas ecuaciones constitutivas, por lo
general hacen referencia a condiciones cinéticas o a fenómenos de transporte en el proceso.
La mayoría de las veces las ecuaciones constitutivas resultan de carácter empírico
(correlaciones desde datos experimentales).
El método que se propone en este trabajo parte de la base que un problema de modelado
puede formularse con los pasos formales de un algoritmo (Hangos and Cameron, 2001)
como el siguiente:
Dado:
Un “Sistema de Proceso”.
Un Objetivo para el Modelado.
Un Criterio de Validación.
Encontrar:
Un modelo para el “Sistema de Proceso”.
De acuerdo con un método Objetivo y Racional, que confine la Subjetividad del que
modela a la mera Intencionalidad del modelo.
Aparecen cuatro conceptos básicos, que deben definirse con claridad para que el método
sea claro para todos los lectores:
Sistema de Proceso. Según (Hangos and Cameron, 2001), el Sistema de Proceso es
una abstracción del Proceso a la manera de un Sistema, con lo cual se pueden
aplicar al proceso todas las herramientas de representación y análisis de sistemas
matemáticos existentes. Para entender esta abstracción o vista que el modelador
Capítulo 10: PREPARACIÓN DE MOSTO Y FERMENTACIÓN.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
262
tiene del proceso, se incluyen brevemente dos definiciones complementarias.
Proceso: grupo de operaciones o tratamientos de materia, energía o información,
organizado de acuerdo con un arreglo dado (Estructura), con el fin de obtener un
producto de características específicas, que resulta de la interacción (Parámetros
funcionales) de las partes del proceso. Sistema: conjunto de reglas, principios,
métodos, técnicas o cosas, ordenadas con arreglo a una ley (Estructura) y para una
finalidad determinada o función común (salida del sistema), que resulta de la
interacción parcial (Parámetros funcionales) de dichos elementos.
Objetivo para el modelado. Es la intencionalidad de quien modela, respecto de al
menos una semejanza que quiere preservar entre el Objeto Real (Proceso) y el
Objeto Práctico-Empírico (Modelo o Sistema). Normalmente tal Objetivo se
expresa en el deseo de “predecir” (usando el modelo) el comportamiento de al
menos una variable del Objeto Real, ante cambios en una o más de sus variables de
entrada o internas. El uso del modelo se funde con el Objetivo para el Modelado,
aunque el uso impone luego restricciones fuertes para la validación del modelo.
Criterio de validación. Al menos una manera de probar la fidelidad del modelo
respecto de la semejanza tomada entre Objeto Real (Proceso) y Objeto Práctico
(Sistema=Modelo). Si no existe, no habrá manera de darle al modelo legalidad ante
sus potenciales usuarios. La validación da al modelo existencia en una comunidad,
pero no lo hace poseedor de la verdad sobre el Objeto Real y mucho menos sobre
toda la verdad: Ningún modelo es bueno, pero alguno sirve.
Finalmente, el aspecto que el algoritmo da como complemento final es el Procedimiento de
Modelado. El que sigue es un resumen del procedimiento que está descrito con todo detalle
en (Alvarez et al., 2009).
1. Elaborar una Descripción Verbal y un Diagrama de Flujo de Proceso que se
complementen. Este paso indica la descripción de forma escrita del objeto de estudio,
con todas sus características. El texto debe contener una descripción fiel de lo que
ocurre en el proceso y de las características más importantes dependiendo del objetivo
del modelo, de forma que cualquier persona que lo lea pueda entender cómo es el
proceso. Si esto se logra, es posible armar un Diagrama de Flujo del Proceso que esté
acorde con lo que se quiere modelar.
2. Fijar un Nivel de Detalle para el Modelo, de acuerdo con su utilización: ¿Qué
preguntas contestará el modelo?. Para este paso se tienen dos insumos: las
características del proceso y el resultado que se espera que el modelo entregue. Las
características pueden ampliarse para abarcar el nivel de detalle perceptible en el
tratamiento del proceso como un sistema. Se debe revisar si existe homogeneidad en
el sistema, o regiones que son homogéneas con el fin de identificar posibles
particiones del sistema. En cuanto al objetivo del modelo, éste define qué variables e
interacciones son de mayor importancia que otras (que muy posiblemente deban
descartarse). El nivel de detalle hace alusión a los alcances que se quieren del modelo
teniendo en cuenta las características importantes del sistema y el deseo del
modelador.
3. Definir tantos Sistemas de Proceso (SdeP) sobre el Proceso que se modelará
como los exija el Nivel de Detalle y representar la relación de todos los SdeP en un
diagrama de bloques. En (Hangos and Cameron, 2001) se define un Sistema de
Proceso (SdeP) como: “…una porción del proceso que se toma como un sistema para
facilitar su análisis”. Esto resulta similar a los típicos “volúmenes de control” de las
Capítulo 10: PREPARACIÓN DE MOSTO Y FERMENTACIÓN.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
263
operaciones unitarias. Por medio de un análisis de los resultados anteriores se deben
definir los SdeP a tratar. Se definen por tanto las fronteras para cada SdeP, lo que
permite visualizar mejor los balances aplicables y el tipo de interacciones que se dan
en las fronteras. Las siguientes consideraciones pueden ayudar en la identificación de
SdeP:
- Buscar separaciones físicas en el equipo de proceso tales como paredes,
membranas, etc.
- Buscar la existencia de diferentes fases en el equipo de proceso.
- Suponer límites arbitrarios cuando una porción del proceso requiera atención
especial.
Cada SdeP definido se representa como una caja en un diagrama de bloques,
procurando reflejar en tal diagrama la secuencia real del proceso. Para tal fin, se
sugiere enlazar los bloques con flechas delgadas para los flujos de materia y flechas
gruesas para los flujos de energía (térmica u otra), de modo que todas las
interacciones e intercambios de materia, energía o cantidad de movimiento queden allí
indicadas.
4. Aplicar el Principio de Conservación sobre cada uno de los Sistemas de Proceso
(SdeP). Se trata de plantear balances dinámicos (considerando acumulación en cada
SdeP) de alguna propiedad en el sistema (masa, energía (térmica), cantidad de
movimiento, otras). Verificar siempre que todas las suposiciones hechas para la
deducción de las ecuaciones de balance son razonables y están de acuerdo con el
proceso real. Este paso entrega la estructura fenomenológica del modelo dinámico:
Ecuaciones Dinámicas de Balance (EDB). En procesos químicos y biotecnológicos se
sugiere tomar para cada SdeP al menos los siguientes balances:
- Total de masa, si existe acumulación detectable o significativa. La masa total en el
sistema de proceso puede luego reescribirse en términos de variables de proceso
como Presión para gases o vapores o Nivel para líquidos, sólidos o lechadas.
- Por componente, si al menos una sustancia está cambiando. Si existen dos o más
sustancias que cambian, debe buscarse una relación entre ellas o formular un
balance para cada una.
- De energía general, que puede ser tomado desde al menos dos sistemas de proceso:
el que entrega energía y el que la recibe.
5. Seleccionar de las Ecuaciones Dinámicas de Balance (EDB) aquellas con
información valiosa para cumplir con el objetivo del modelo. Algunas ecuaciones de
balance resultan redundantes y superfluas, por lo que la estructura (EDB) debe
confrontarse con lo que se pedirá luego al modelo y de este modo depurar la
estructura del mismo.
6. Definir para las EDB esenciales, los parámetros, las variables y las constantes
conocidas en cada SdeP. Nótese que esta definición está directamente asociada con el
uso pensado para el modelo: cuáles son las variables que debe calcular o predecir el
modelo (salidas) y cuáles no debe calcular porque son externas (variables de entrada o
perturbaciones). Además, algunas variables de proceso pueden ser tomadas como
parámetros buscando un punto de operación óptimo, como sucede por ejemplo en un
modelo usado para diseñar.
7. Hallar ecuaciones constitutivas que permitan calcular el mayor número de
parámetros en cada Sistema de Proceso. Se trata de encontrar expresiones que
Capítulo 10: PREPARACIÓN DE MOSTO Y FERMENTACIÓN.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
264
describan los parámetros del modelo de forma que se cumpla con el objetivo y el
nivel de detalle del mismo. Ésta es una de las etapas más laboriosas de la metodología.
Se recurre a todo el conocimiento de base fenomenológica que se tiene del proceso,
en cuanto a cinéticas de reacciones químicas, descripción de fenómenos de transporte,
equilibrios entre fases, etc. Esto se complementa con ajustes empíricos a datos de
operación u otros conocimientos a priori sobre el proceso cuando sea necesario.
Recuérdese que todas las ecuaciones del modelo deben escribirse en un orden que
permita luego la formulación de la solución del sistema de ecuaciones.
8. Verificar los Grados de Libertad del modelo (GL = # Ecuaciones - # Incógnitas).
Cuando los GL del modelo matemático en cada Sistema de Proceso no se cumplen
(generalmente más incógnitas que ecuaciones), es necesario eliminar “incógnitas”, es
decir, existen parámetros del modelo que aún deben hacerse explícitos. Se hace
necesario identificar parámetros en todo o en parte desde datos experimentales hasta
anular los Grados de Libertad (GL) del modelo. La identificación implica la obtención
de un sub-modelo para tal parámetro. Dicho sub-modelo resulta generalmente de
carácter empírico. Al cumplir esta etapa de verificación se dice que el modelo es
“coherente” y está listo para su resolución. Es entonces posible realizar el Diagrama
de Flujo de Información (DFI) del modelo, el cual permite ver la forma de calcular las
salidas del modelo, a partir solamente de las variables de entrada (y de los valores
numéricos fijos que se hayan tomado para otros parámetros del modelo).
9. Resolver el modelo para diferentes condiciones y evaluar su desempeño. La
solución generalmente será numérica, por las ecuaciones no lineales que aparecen.
Por lo tanto, este paso implica:
- Programar un modelo computacional para la solución, verificando que modelo
computacional y modelo de proceso coincidan en comportamiento, puesto que
algunos ajustes de la solución computacional pueden producir resultados que no
son del proceso real: oscilaciones por mala selección del paso de integración, por
ejemplo.
- Resolver el modelo computacional y verificar el desempeño del modelo respecto a
datos reales (validación cuantitativa) o al comportamiento esperado de este tipo de
procesos (validación cualitativa).
10.3.2
Modelo de una fermentación alcohólica en continuo.
A continuación se recorren los pasos enunciados previamente para el método propuesto,
tomando el proceso de fermentación alcohólica en continuo como ejemplo.
Descripción. Un jarabe glucosado de banano proveniente de un tratamiento de hidrólisis, es
procesado para obtener etanol por medio de una fermentación con la levadura
Saccharomyces cereviciae. El jarabe se puede obtener a través de dos líneas de proceso,
simultáneas o individuales: i) hidrólisis ácida del fruto, ii) hidrólisis enzimática del material
lignocelulósico de la planta de banano. El jarabe se complementa con fosfatos, sales de
potasio y fuentes de nitrógeno, cofactores de la ruta metabólica por la cual la levadura
convierte en fase líquida la glucosa a etanol y CO2.
La fermentación se lleva a cabo en un reactor cilíndrico de acero inoxidable, cerrado y
enchaquetado, que se agita mediante una turbina tipo Rushton, Figura 10.1. Esta clase de
agitación produce flujos axiales y radiales que garantizan la homogeneidad del sistema. El
Capítulo 10: PREPARACIÓN DE MOSTO Y FERMENTACIÓN.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
265
reactor es inoculado en el arranque con la levadura en su etapa más activa de crecimiento
exponencial. Inocular la levadura en esta etapa de crecimiento garantiza las mejores
condiciones para la producción de etanol. Al comienzo del proceso la producción de CO2
desplaza el aire presente, garantizando las condiciones anaerobias propias de la
fermentación de etanol. El reactor opera en continuo con un flujo de alimentación del jarabe
y renovación de células cuando se presente pérdida de viabilidad de estas. El reactor tiene
dos corrientes de salida: una en fase líquida formada por el medio de fermentación residual,
levadura y etanol, y la otra en fase gaseosa, principalmente formada por CO2 y vapor de
agua. Las condiciones de operación para la temperatura, pH y nivel de agitación en el
proceso, se establecen de acuerdo al metabolismo de la levadura cuando produce etanol a
partir de glucosa.
Entrada de
Reactivos
Salida
Gases
Vapores
Entrada
Fluido
Térmico
Salida
Fluido
Térmico
Salida de
Productos
Figura 10.1: Diagram a de Fluj o de Proceso del biorreact or
Nivel de detalle. El siguiente modelo tiene por objetivo predecir las dinámicas de volumen,
concentración de biomasa, concentración de sustrato, concentración de producto y
temperatura, tomadas como las variables más importantes (de interés) del bioproceso. De
este modo, el modelo pueda usarse para el control de la fermentación, además de resultar un
modelo lo suficientemente descriptivo como para abordar el problema de ingeniería. Esto
permite analizar el proceso desde un nivel macroscópicamente, es decir que no hay una
discretización del Sistema de Proceso a modelar (fluido en fase líquida dentro del
biorreactor). Esto se puede asumir, sin perdida de validez, por el uso de un reactor
perfectamente agitado (CSTR), en el cual la agitación debe es la suficiente para asegurar
que una pequeña porción de volumen del caldo fermentativo es exactamente igual a otra
porción diferente. Adicionalmente, se considera que el sistema es homogéneo, es decir que
no hay una diferenciación entre los sólidos (la levadura) y el líquido, tomándolos como si
estuvieran en una misma fase (líquida).
Definición de sistemas del proceso. Se pueden tomar tres Sistemas de Proceso: i) Fluido
contenido en la chaqueta, ii) Fluido contenido dentro del reactor, y iii) Vapor y gases
contenidos dentro del reactor. El sistema de proceso asociado con el fluido térmico en la
chaqueta, se asume con una respuesta dinámica tan rápida, comparada con la respuesta del
interior del reactor (líquido y vapores-gases), que se puede formular su comportamiento
estático (con una ecuación algebraica). Por su parte, el sistema de proceso que se toma en la
fase vapor-gas del interior del reactor, tampoco se modela, bajo dos supuestos: la masa de
gas-vapor es muy pequeña comparada con la del líquido dentro del reactor, y el equilibrio
térmico entre las fases es inmediato, por el bajo volumen del gas-vapor dentro del reactor.
Por todo lo anterior, el único Sistema de Proceso que se toma para el análisis en este trabajo
es el fluido dentro del reactor, limitado por las paredes del tanque, la frontera con la fase
Capítulo 10: PREPARACIÓN DE MOSTO Y FERMENTACIÓN.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
266
gaseosa dentro del reactor y la fase líquida que entra y sale del reactor por las tuberías. A
este fluido se le conoce como el caldo de fermentación.
Aplicación del principio de conservación en el Sistema de Proceso. Por el supuesto de
agitación perfecta, las propiedades y concentraciones de cualquier especie del caldo son
iguales en cualquier punto dentro del biorreactor, incluyendo la salida del mismo. Un
supuesto que no es demasiado restrictivo es considerar que propiedades como la densidad,
el calor específico y la viscosidad del caldo son constantes. Esto resulta real, puesto que los
procesos industriales de fermentación industrial se mueven dentro de intervalos de
operación pequeños. Teniendo en cuenta las consideraciones anteriores, se escriben los
balances para el Sistema de Proceso seleccionado como representativo del biorreactor
(líquido interior del tanque):
Balance Total de Masa:
dV
F F
in
out
dt
(10.4)
Balance por Componente Biomasa:
dX 1
dV
Fin X in Fout X VrX X
dt V
dt
(10.5)
Balance por Componente Producto:
dV
dP 1
Fin Pin Fout P VrP P
dt
dt V
(10.6)
Balance por Componente Sustrato:
dS 1
dV
Fin S in Fout S VrS S
dt V
dt
(10.7)
Balance General de Energía:
Fin C P (Tin Tref ) Fout C P (T Tref )
1
dT
dt
C PV C P (T Tref ) dV Q generado Q int ercambio
dt
(10.8)
Definición de parámetros, variables y constantes. Para este modelo en particular
tendremos parámetros de diseño (VT, AT) y parámetros asociados con propiedades de los
fluidos, tales como (ρ, Cp). Aparecen variables ligadas con las condiciones operativas del
proceso (Fin, Xin, Sin, Pin, Tin). Los parámetros que requieren ecuaciones constitutivas para
su cálculo están ligados a la cinética del proceso (rX, rP, rS, Qgenerado).
Ecuaciones constitutivas. A continuación se muestran las expresiones que representan los
parámetros a calcular en el modelo:
Capítulo 10: PREPARACIÓN DE MOSTO Y FERMENTACIÓN.
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267
Cinética de crecimiento. Se utiliza una cinética específica para describir el fenómeno. Tal
cinética contiene una parte de crecimiento neto y otra parte de muerte (Aiba, 1968). En este
caso la muerte del microorganismo debe describir su pérdida de viabilidad:
rX X K d X
(10.9)
Cinética de producción. Se considera que el proceso de producción de etanol es de tipo
mixto, es decir que hay una producción neta por el crecimiento del microorganismo y una
producción por el mantenimiento. Para describir este fenómeno se propone el uso de la
ecuación dada en (Luedeking and Piret, 1959).
rP X X
(10.10)
Cinética de consumo de sustrato. El sustrato consumido por la levadura tiene varias
finalidades. Una parte se asimila para producir los componentes de la biomasa y poder
crecer. Otra parte se utiliza para producir el etanol. Finalmente, otra parte sirve para realizar
procesos como el transporte de la célula o la reparación de componentes en la biomasa.
Estos tres efectos son resumidos en la siguiente expresión.
rS
rX
r
P Km X
YX
YP
S
(10.11)
S
En la cual Y indica el rendimiento de biomasa ó producto por sustrato consumido y Km es la
constante de mantenimiento.
Velocidad específica de crecimiento. Para describir el crecimiento de la levadura se utiliza
una expresión cinética tipo Monod, completada con algunos términos para describir los
efectos de inhibición por altas concentraciones de sustrato, biomasa y producto. La
siguiente ecuación, propuesta por (Atala, 2001), cumple con estos postulados:
m
max
X
P
S
·1
·exp K i S ·1
X max Pmax
KS S
n
(10.12)
Velocidad específica de muerte. Se consideró que la muerte del microorganismo se debe
principalmente a los efectos de estrés por la agitación en el reactor y a muerte natural por
envejecimiento de la levadura (Ghaly and El-Taweel, 1994; Converti, 1996). Para
representar este efecto se utilizó de forma análoga el modelo de Croughan reportado en
(Edgard et al., 2004), en el cuál se define una velocidad específica de muerte mínima dada
por el propio metabolismo de la levadura y totalmente independiente de la agitación, y una
función que describe el efecto de la agitación sobre la pérdida de viabilidad del
microorganismo, con base a la teoría de los torbellinos (eddys) de Kolmogorov.
si
global d Levadura
K d min
0.75
Kd
T
si
global d Levadura
K d min K 3
(10.13)
Capítulo 10: PREPARACIÓN DE MOSTO Y FERMENTACIÓN.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
268
La función anterior define que las células mueren por efecto de la agitación sólo si el
diámetro de los eddys es más pequeño que el diámetro de la levadura. La explicación es
inmediata: si el diámetro del torbellino es más grande, la energía se utiliza simplemente
para mover las células, mientras que en el caso contrario, un torbellino con área de acción
menor puede dañar la membrana celular (Lee et al., 1983).
Energía disipada por el agitador. Se formula como la energía específica que suministra el
agitador, para una velocidad de giro dada, definida por la teoría de Kolmogorov como:
T
Pot
V
(10.14)
Potencia entregada al fluido. Con la siguiente expresión se puede valorar la potencia que
recibe el fluido desde el agitador:
Pot N p N 3 Da5
(10.15)
Diámetro del torbellino. La siguiente expresión (según la teoría de Kolmogorov), permite
encontrar el diámetro promedio de los torbellinos (eddys) en un sistema agitado:
3
K
T
0.25
(10.16)
Calor intercambiado con la chaqueta. Por medio de un balance de energía en el Sistema
de Proceso fluido térmico en la chaqueta, bajo la simplificación mencionada arriba de
tiempo de respuesta rápido de la chaqueta frente a un tiempo más largo en el reactor, se
llega a (Colombié et al., 2007):
UAJ
Q FJ J CPJ (T0 J T ) 1 exp
FJ J CPJ
(10.17)
Calor generado por la fermentación. Se define un rendimiento de calor generado por
biomasa producida, con lo cuál se puede calcular el calor generado como:
Q generado
VX
Y
(10.18)
Valor máximo de la velocidad específica de crecimiento. Se sabe que el crecimiento de la
levadura se ve afectado por la temperatura y el pH del medio (Levenspiel, 1980). Estos
efectos se añaden al modelo por medio de funciones que corrigen el valor de velocidad
específica de crecimiento máximo óptimo (µopt), considerada como la velocidad de
crecimiento cuando la temperatura y el pH están en un valor óptimo para la levadura:
Capítulo 10: PREPARACIÓN DE MOSTO Y FERMENTACIÓN.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
max opt * F (T ) * G ( pH )
269
(10.19)
Las funciones F(T) y G(pH) fueron propuestas en (Rosso, 1995) como:
T Tmin
F (T ) Tmin T Tmax
T Tmax
0
f (T )
0
(10.20)
en la que:
f (T )
(Topt Tmin )[(Topt
(T Tmax )(T Tmin ) 2
Tmin )(T Topt ) (Topt Tmax )(Topt Tmin 2T )]
(10.21)
y para la otra función:
pH pH min
G ( pH ) pH min pH pH max
pH pH max
0
g ( pH )
0
(10.22)
con:
g ( pH )
( pH opt
( pH pH min )( pH pH max )
pH min )( pH pH opt ) ( pH pH opt ) 2
(10.23)
Coeficiente global de transferencia de calor. Se valora entre la chaqueta y el fluido en el
interior del biorreactor, utilizando la formulación típica de “circuito térmico equivalente”
de la transferencia de calor:
U
1
e
1
1
hi he
(10.24)
Coeficiente convectivo de transferencia de calor. Existen propuestas en la literatura que
proponen formulaciones para calcular dicho coeficiente dependiendo, por ejemplo, del tipo
de agitador que se está utilizando. Una de ellas es (Perry and Green, 2001):
Nu
hL
k * Re a Pr b Rc GC
(10.25)
Además de las ecuaciones anteriores, el modelo se completa con expresiones para la
geometría del reactor y para algunas relaciones entre los parámetros de diseño, todas
fácilmente deducibles desde la teoría de diseño. Por cuestiones de espacio no se especifican
aquí en detalle tales expresiones. Al lector interesado se le remite a trabajos de diseño y de
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
270
ingeniería de procesos en los que se hacen aplicaciones a la fermentación (Nagai, 1979;
Tyagy and Ghose, 1980; Converti, 1985; Dourado, 1987; Shuler and Kargi, 1992; Seider et
al, 1999).
Verificación de Grados de Libertad del Modelo. De las ecuaciones anteriores se
evidencia que el modelo tiene cero (0) grados de libertad, por lo que es posible su
simulación sin inconvenientes.
10.4 Simulación del fermentador
En lo que sigue, se muestran cuatro simulaciones del modelo del fermentador. En la Tabla 1,
se presentan los valores de los parámetros utilizados para la simulación, todos tomados de
las fuentes bibliográficas mencionadas en el apartado anterior. El modelo contempla
elementos de peso cuyo ajuste lo acercan al proceso real. Entre éstos están las inhibiciones
por especies (biomasa, sustrato y producto), las inhibiciones por el intervalo de operación
(pH y Temperatura) y los efectos atribuidos a la agitación. Se trata de un modelo decantado,
con información seleccionada minuciosamente como la más apta, no sólo para describir el
proceso, sino para predecirlo. Estas eran característica deseadas para el modelo desde el
inicio de su obtención (objetivo del modelo). El objetivo se logró, como lo demuestran las
simulaciones presentadas a continuación.
Parámetro
µopt
Kdmin
K
dm
Km
Ks
Ki
m
n
Xmax
Pmax
pHmin
pHmax
Valor Parámetro
0.43
pHopt
0.0018
Tmax
1x10-19
Tmin
10
Topt
0.2
Yxs
0.61
Yps
0.002
YΔ
1
α
1.5
β
105
Cp
120
ρ
3
µ*
7.5
Valor
4
316
278
303
0.184
0.51
0.104
2.77
0
4.189 x 103
1000
0.653 x 10-3
Tabla 10.1: Parám et ros ut ilizados en las sim ulaciones
Por la facilidad para programar y comprender su lógica, se utiliza el método de Euler para
resolver las ecuaciones diferenciales que representan las dinámicas del proceso. Esto no
implica que métodos más potentes para solucionar numéricamente ecuaciones diferenciales
no puedan utilizarse también. Sin embargo, con el uso del método de Euler se favorece la
didáctica del modelado y se facilita la aproximación a la simulación en ingeniería [21]. Con
el modelo totalmente identificado (grados de libertad cero), se realizaron las siguientes
simulaciones utilizando Matlab®. La Figura 10.2 muestra el resultado para una
fermentación alcohólica que se realiza en 5 días, en un tanque de 5 L efectivos. Se inicia la
simulación con un valor de biomasa X=5 kg/m3 y un valor de sustrato S=40 kg/m3. La
concentración del sustrato que se alimenta es Sin=150 kg/m3, para una taza de dilución de
0.2 h-1.
Capítulo 10: PREPARACIÓN DE MOSTO Y FERMENTACIÓN.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
271
0.005
0
Temperatura [ºK]
Volumen [m3]
Dinamicas
0.01
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
5
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
5
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
5
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
5
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
tiempo [Dias]
3.5
4
4.5
5
304
303
Sustrato [Kg/m3]
50
Producto [Kg/m3]
40
Biomasa [Kg/m3]
302
15
0
20
0
10
5
Figura 10.2: Prim era sim ulación del ferm ent ador. Punt o de operación nom inal
Si ahora, por ejemplo, cambiamos la concentración de sustrato en el alimento Sin a un valor
de 250 kg/m3, obtenemos otro tipo de resultado, puesto que la alta concentración de sustrato
no permite un buen desempeño de la levadura, como lo muestra la Figura 10.3. Allí puede
verse que la concentración de biomasa cae fuertemente y que se pierde una gran cantidad de
sustrato. Este es justamente el efecto de inhibición por sustrato descrita por la ecuación
(10.12). Es así como podemos variar ciertas entradas y ver cómo se afecta el resultado de la
fermentación. De ahí la buena capacidad predictiva del modelo, junto con su carácter
descriptivo del fenómeno.
0.005
Temperatura [ºK]
0
304
Sustrato [Kg/m3]
Volumen [m3]
Dinamicas
0.01
200
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
5
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
5
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
5
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
5
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
tiempo [Dias]
3.5
4
4.5
5
302
300
100
Producto [Kg/m3]
Biomas a [Kg/m3]
0
40
10
20
0
8
6
Figura 10.3: Segunda sim ulación del ferm ent ador. Cam bio de Sin = 150 a Sin = 250 kg/ m 3
Capítulo 10: PREPARACIÓN DE MOSTO Y FERMENTACIÓN.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
272
En una tercera simulación, en vez de cambiar la concentración de sustrato a la entrada, se
cambió la escala del reactor, llevándolo de 5 a 50 litros. Los resultados se muestran en la
Figura 10.4. Se evidencian ciertos efectos de inhibición, debidos al estrés que se genera en
un reactor más grande, en el cual para mantener el mismo nivel de agitación, debe
aumentarse la potencia entregada al líquido. En consecuencia, se producen torbellinos
mucho más fuertes y de menor tamaño, lo que aumenta la velocidad específica de muerte.
Dinamicas
Volumen [m3]
0.1
0.05
Temperatura [ºK]
0
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
5
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
5
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
5
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
5
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
tiempo [Dias]
3.5
4
4.5
5
306
304
Producto [Kg/m3] Sustrato [Kg/m3]
302
60
50
40
40
20
Biomasa [Kg/m3]
0
8
6
4
Figura 10.4: Tercera sim ulació n del ferm ent a dor. Cam bio de esca la 5 a 50 lit ros
Finalmente, en la Figura 10.5 se muestra el efecto de llenado del reactor, pasando de un
volumen inicial de 2.5 litros a un volumen final de 5 litros. Se nota el impacto que tiene el
llenado sobre las dinámicas del sistema. La biomasa que parece estar muriendo pero que
luego toma fuerza en su crecimiento, mientras que la concentración de sustrato llega a
niveles muy altos.
0.005
0
Biomasa [Kg/m3] Producto [Kg/m3]
Sustrato [Kg/m3] Temperatura [ºK]
Volumen [ m3]
Dinamicas
0.01
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
5
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
5
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
5
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
5
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
tiempo [Dias]
3.5
4
4.5
5
305
300
295
100
50
0
40
20
0
10
5
0
Figura 10.5: Cuart a sim ulación del ferm ent ador. Efect o de llenado de 2.5 a 5.0 lit ros
Capítulo 10: PREPARACIÓN DE MOSTO Y FERMENTACIÓN.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
273
10.5 Conclusiones
En este capítulo se presentó un análisis de la fermentación alcohólica de jugos de caña para
la obtención de Alcohol Carburante. Se mostró en detalle un procedimiento para la
obtención de Modelos Semifísicos de Base Fenomenológica (MSBF) para procesos
químicos y biotecnológicos. La metodología se probó en la construcción de un MSBF para
un fermentador continuo de glucosa a etanol. La utilidad del MSBF obtenido se evidencia
cuando se piensa en aplicaciones de escalado del proceso, diseño simultáneo del proceso y
su control, así como en la optimización de la operación del proceso. El procedimiento
propuesto muestra un camino intuitivo desde los balances de materia, energía y cantidad de
movimiento, que conduce directamente a un modelo en el espacio de estados del proceso
Nomenclatura.
VT
V
F
t
X
P
S
T
pH
Tref
rX
rP
rS
ρ
CP
Q
Q generado
Q int ercambio
μ
Kd
α
β
Yx/s
Yp/s
YΔ
Km
μmax
Ks
Ki
Pmax
Xmax
n
m
Kdmin
ν
Volumen del tanque. [m3]
Volumen del caldo fermentativo. [m3]
Flujo volumétrico. [m3/seg]
Tiempo de fermentación. [seg]
Concentración de biomasa. [Kg/m3]
Concentración de producto. [Kg/m3]
Concentración de sustrato. [Kg/m3]
Temperatura. [ºK]
pH
Temperatura de referencia. [ºK]
Velocidad de formación de biomasa. [Kg/m3seg]
Velocidad de formación de producto. [Kg/m3seg]
Velocidad de consumo de sustrato. [Kg/m3seg]
Densidad. [Kg/m3]
Calor especifico. [J/KgºK]
Flujo de calor [J/seg]
Flujo de calor generado por la fermentación [J/seg]
Flujo de calor intercambiado con la chaqueta y/o el serpentín [J/seg]
Velocidad especifica de crecimiento [seg-1]
Velocidad especifica de muerte [seg-1]
Constante de producción asociada con el crecimiento
Constante de producción asociada con el mantenimiento [seg-1]
Rendimiento de biomasa por sustrato consumido [Kg célula/Kg
Sustrato]
Rendimiento de producto por sustrato consumido [Kg Producto/Kg
sustrato]
Rendimiento de calor por sustrato consumido [Kg célula/J]
Constante de mantenimiento de la célula [Kg sustrato/Kg célula·seg]
Velocidad especifica máxima de crecimiento [seg-1]
Constante de saturación de la célula [Kg/m3]
Constante de inhibición por sustrato [m3/Kg]
Concentración de producto máximo en el que la levadura crece [Kg/m3]
Concentración de biomasa máximo en el que la levadura crece [Kg/m3]
Constante de inhibición asociado al producto
Constante de inhibición asociado a la biomasa
Velocidad especifica de muerte mínima [seg-1]
Viscosidad cinemática [m2/seg]
Capítulo 10: PREPARACIÓN DE MOSTO Y FERMENTACIÓN.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
εT
K
λ
dLevadua
U
Pot
Da
μopt
Tmin
Tmax
Topt
pHmin
pHmax
pHopt
Re
Pr
N
Np
hi
he
μR
Gc
k
a
b
c
L
Subíndices.
in
out
0J
J
274
Energía disipada en el volumen del caldo [m2/seg2] [J/Kg seg]
Constante del modelo de Croughan dependiente de la célula y el reactor
Diámetro de los eddys [μm]
Diámetro de la célula [μm]
Coeficiente global de transferencia de calor [W/m2 ºK]
Potencia entregada por el agitador al caldo [J/seg] [W]
Diámetro del agitador [m]
Velocidad especifica optima de crecimiento [seg-1]
Temperatura mínima en el que la célula vive [ºK]
Temperatura máximo en el que la célula vive [ºK]
Temperatura optima para el crecimiento de la célula [ºK]
pH mínimo en el que la célula vive
pH máximo en el que la célula vive
pH óptimo para el crecimiento de la célula
Número de Reynold
Número de Prandtl
Velocidad de agitación [seg-1]
Número de potencia
Conductividad del material del tanque [W/mºK]
Coeficiente convectivo en el lado del caldo [W/m2ºK]
Coeficiente convectivo en el lado del fluido térmico [W/m2ºK]
Relación de viscosidades
Factor de corrección geométrico
Constante para la correlación del Nussel
Constante para la correlación del Nussel
Constante para la correlación del Nussel
Constante para la correlación del Nussel
Longitud característica [m]
En la entrada al reactor
En la salida del reactor
En la entrada a la Chaqueta/Serpentín
En la salida de la Chaqueta/Serpentín
Referencias Bibliográficas
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
ALVAREZ, H., LAMANNA, R., REVOLLARr, S. and VEGA, P. (2009).
Metodología para la Obtención de Modelos Semifísicos de Base Fenomenológica
Aplicada a una Sulfitadora de Jugo de Caña de Azúcar. Volumen 6, No. 3.
Páginas 10 a 20.
RUÍZ, A.A. (2007). Factores de escala para la producción biotecnológica de
etanol carburante. Propuesta de Tesis Doctoral en Ingeniería. Facultad de Minas.
Universidad Nacional de Colombia, Sede Medellín.
KALMAN, R. (1960). On the general theory of control systems. First IFAC
congress. Moscow.
HANGOS, K., AND CAMERON, I. (2001). Process Modelling and model
analysis. Academic Press.
AIBA, S., SHODA, M. and NAGATANI, M. (1968). Kinetics of product
Capítulo 10: PREPARACIÓN DE MOSTO Y FERMENTACIÓN.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
[6]
[7]
[8]
[9]
[10]
[11]
[12]
[13]
[14]
[15]
[16]
[17]
[18]
[19]
[20]
[21]
[22]
[ 23]
275
inhibition in alcohol fermentation. Biotechnology and bioengineering. Vol. 10,
(1968).
ATALA, D. (2001). Kinetics of ethanol fermentation with high biomass
concentration considering the effect of temperature. Applied biochemistry and
biotechnology. Vol. 91-93.
CONVERTI, A. (1996). Mechanical mixing and biological deactivation: the role
of shear stress application time. The biochemical engineering journal. Vol 62.
GHALY, A.E. and EL-TAWEEL, A.A. (1994). Kinetics of batch production of
ethanol from cheese whey. Biomass and Bioenergy, Vol. 6, No. 6.
EDWARD, L.P., ATIEMO-OBENG, V.A. and KRESTA, S.M. (2004). Handbook
of industrial mixing science and practice. Wiley-Inter-science.
LEE, J. M., POLLARD, J. F. and COULMAN G. A. (1983). Ethanol fermentation
with cell recycling: computer simulation. Biotechnology and bioengineering. Vol.
25.
COLOMBIÉ, S., MALHERBE, S. and SABLAYROLLES, J.M. (2007).
Modeling of heat transfer in tanks during wine-making fermentation. Food control,
No. 18.
LEVENSPIEL, Octave. (1980). The Monod Equation: A revisit and
generalization to product inhibition situation. Biotechnology and bioengineering,
Vol 22.
ROSSO, L. (1995).. Convenient model to describe the combined effects of
temperature and pH on microbial growth. Applied and environmental
microbiology. Vol. 61, No. 2.
PERRY H., GREEN D.W. (2001). Manual del ingeniero químico. Mc Graw Hill.
7ª ed.
SEIDER, W., SEADER, J.D. and LEWIN, D. (1999). Process design principles:
synthesis, analysis and evaluation. John Wiley and Sons.
SHULER, M.L. and KARGI F. (1992). Bioprocess engineering: Basic concepts,
Prentice Hall.
TYAGY R.D. and GHOSE T.K. B(1980). Batch and Multistage continuous
ethanol fermentation of cellulose hydrolysate and optimum design of fermentor by
graphical analysis. Biotechnology and bioengineering. Vol 22.
NAGAI, S. (1979). Mass and energy balances for microbial growth kinetics.
Advances in biochemical engineering.
DOURADO, A. (1987). Modeling and static optimization of the ethanol
production in a cascade reactor. Biotechnology and Bioengineering. Vol 29.
CONVERTI, A.A. (1985). Kinetic study of Saccharomyces Strains: Performance
at high sugar concentration. Biotechnology and bioengineering. Vol 27.
CCOPA, E. Evaluation of optimization techniques for parameter estimation:
application to ethanol fermentation considering the effect of temperature. Process
Biochemistry, No 41, (2006).
FERREIRA, L.S., DE SOUZA, M.B. and FOLLA, R.O. Development of an
alcohol fermentation control system based on biosensor measurements interpreted
by neural networks. Sensors and Actuators B, No. 75, (2001).
[23] LUEDEKING, R. and PIRET, E.L. Transient and steady states in continuous
fermentation. Theory and experiment, Journal of biochemical and microbiological
Capítulo 10: PREPARACIÓN DE MOSTO Y FERMENTACIÓN.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
276
technology and engineering. Vol. 1, No. 4, (1959).
Capítulo 10: PREPARACIÓN DE MOSTO Y FERMENTACIÓN.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
277
Capítulo 11: DESTILACIÓN DE BIOETANOL.
Armando D. Assandri
Instituto de Automática - Universidad Nacional de San Juan - Argentina.
Lázaro Gorostiaga Cánepa
Fundación CARTIF - Valladolid - España
11.1 Introducción.
Figura 11.1: Plant a de dest ilación de bioet anol
11.2 Columnas de destilación
11.2.1
Proceso de destilación
La destilación es un proceso que permite separar los distintos componentes de una mezcla
líquida en función de sus respectivas temperaturas de ebullición, basándose en las distintas
volatilidades relativas de los componentes de la mezcla. Dada la simplicidad de este
proceso, la destilación es una operación básica en la industria química y petroquímica. [1]
La destilación se basa en el hecho de que el vapor de una mezcla en ebullición será más rica
en los componentes que tienen un menor punto de ebullición. Por lo tanto, cuando este
vapor se enfría y condensa, el condensado contendrá una mayor cantidad de componentes
más volátiles. A su vez, la mezcla del fondo contendrá una mayor cantidad de componentes
menos volátiles. Las columnas de destilación se diseñan para lograr esta separación de
manera eficiente. [8]
En este capítulo se describirán de una manera sencilla todos los aspectos básicos
relacionados con la destilación de bioetanol, sin entrar en detalles de diseño. Los temas a
Capítulo 11: DESTILACIÓN DE BIOETANOL.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
278
tratar son: componentes principales de las columnas de destilación, diversas clasificaciones,
principios de funcionamiento, factores que afectan la operación y el control básico y
avanzado de las columnas. En el caso particular del etanol, no es posible la separación total
del agua con un proceso simple de destilación. Esto se debe a la formación de un azeótropo
cuando se llega a una concentración de ~ 96% en volumen de etanol. Por ello, se dedica
algún espacio a la descripción de diversos métodos de obtención de etanol anhidro, muy
usado actualmente como combustible de vehículos motorizados, ya sea en estado puro o
mezclado con otros combustibles líquidos.
11.2.2
Aspectos importantes
La destilación es la técnica de separación más común y se conoce desde la
antigüedad.
Consume grandes cantidades de energía, tanto en términos de las necesidades de
calentamiento como de enfriamiento.
Puede contribuir en más de un 50 % de los costos de operación de una planta.
La mejor manera de reducir los costos operativos de las columnas de destilación,
es mejorar su eficiencia y operación mediante el control y optimización del
proceso.
Para lograr esta mejora, es esencial tener un acabado conocimiento de los
principios de la destilación y de cómo se diseñan los sistemas de destilación.
11.2.3
Componentes principales de una columna de destilación
Cada columna está constituida de varios componentes, cada uno de los cuales se usa para
transferir energía o para aumentar la transferencia de materia. Una columna de destilación
típica dispone de varios componentes principales, Figura 11.2 [8]:
Condensador
Acumulador
de Reflujo
Sección de
enriquecimiento
(Rectificación)
Reflujo
Destilado
Alimentación
Sección de
agotamiento
(Stripping)
Entrada de
calor
Reboiler
Fondo
Figura 11.2: Esquem a de una colum na de dest ilación t ípica con una alim ent ación y dos
corrient es de salida
Capítulo 11: DESTILACIÓN DE BIOETANOL.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
11.2.4
279
Una estructura vertical donde se realiza la separación de los componentes
líquidos.
Las partes internas de la columna, tales como bandejas/platos y/o rellenos que se
usan para potenciar la separación de los componentes.
Un rehervidor (o reboiler) para proporcionar la vaporización necesaria para el
proceso de destilación.
Un condensador para enfriar y condensar el vapor destilado que sale por la
cabeza de la columna.
Un tanque de reflujo o acumulador para contener el vapor condensado de la
cabeza de la columna, de manera que parte del líquido destilado se pueda
reciclar como reflujo a la columna.
Operación básica y terminología
La mezcla líquida que se va a procesar se conoce como alimentación, y ésta se introduce en
algún lugar cerca de la mitad de la columna en un plato que se denomina plato de
alimentación. El plato de alimentación divide a la columna en una sección superior de
enriquecimiento o rectificación y en una sección inferior de agotamiento o stripping. La
corriente de alimentación fluye hacia abajo por la columna y se acumula en el fondo de la
misma o bien en el reboiler, dependiendo del tipo de reboiler que se use [8].
En el reboiler se suministra calor para generar vapor. La fuente de entrada de calor puede
ser cualquier fluido adecuado, normalmente vapor, o bien la corriente de salida de otro
proceso que esté a una temperatura superior a la requerida y que requiera enfriamiento. En
algunos casos excepcionales se puede llegar a usar un horno reboiler, que dispone de
quemadores para realizar la combustión de algún combustible líquido o gaseoso y funciona
en forma análoga a una caldera.
El vapor que se genera en el reboiler, se reintroduce a la columna por el fondo. El líquido
que se extrae por el fondo se denomina producto de fondo o simplemente fondo. El vapor se
mueve hacia la parte superior de la columna (denominada cabeza), y a medida que sale por
arriba se enfría en el condensador. El líquido condensado se almacena en el acumulador de
reflujo. Parte de este líquido se recicla a la cabeza y se lo denomina reflujo. El líquido
condensado que se saca del sistema se denomina destilado o producto de cabeza. La
calidad del destilado depende de la relación de reflujo, que es la proporción del destilado
que se recicla.
Por lo tanto, dentro de la columna hay tanto corrientes internas de vapor ascendente y
líquido descendente, como corrientes externas de alimentación y producto(s), que entran y
salen de la columna.
11.3 Clasificación de las columnas de destilación por la forma de
operar
11.3.1
Columnas batch
En la operación batch o por lotes, la alimentación de realiza de manera discontinua. En una
destilación simple, la columna se llena con producto y se realiza la destilación. Durante la
destilación el vapor se eleva por la columna y por lo tanto, toda la columna es una sección
de enriquecimiento. El vapor se condensa en la cabeza de la columna y parte del líquido
Capítulo 11: DESTILACIÓN DE BIOETANOL.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
280
retorna a la columna como reflujo, mientras que el resto se retira como destilado. A medida
que avanza la destilación, el componente más volátil disminuye. No se retira ni agrega nada
de la columna de destilación hasta que se procesa todo el lote. Cuando se completa el
proceso, se introduce un nuevo lote y se repite la operación. En la Figura 11.3 se puede
observar el diagrama de una columna batch rectificadora [9]
Figura 11.3: Colum na bat ch rect ificadora
11.3.2
Columnas semi-batch
Es similar a la anterior, excepto que la alimentación a la columna se realiza de un modo
continuo o semi continuo. La destilación batch o semi batch se prefiere cuando se deben
procesar cantidades relativamente pequeñas de producto en períodos planificados
regularmente. Para volúmenes de producción pequeños el equipamiento normalmente es
más económico, aunque el consumo de energía suele ser mayor. En la Figura 11.4 se puede
observar el diagrama de una columna semi-batch rectificadora [9].
11.3.3
Columnas continuas
Este tipo de columnas procesa una corriente de alimentación continua. No se producen
interrupciones, salvo que haya algún problema en la columna o en los equipos de proceso
vecinos. Son capaces de manejar grandes producciones y son las más comunes de los tipos
mencionados [8]. En este capítulo nos centraremos en este tipo de columnas.
11.4 Clasificación de las columnas de destilación continuas
a) Por la naturaleza de la alimentación que están procesando
Columnas binarias: la alimentación contiene sólo dos componentes.
Columnas multi componentes: la alimentación contiene más de dos
componentes.
Capítulo 11: DESTILACIÓN DE BIOETANOL.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
281
Figura 11.4: Colum na sem i bat ch rect ificadora
Figura 11.5: Colum na de dest ilación cont inua m ult iproduct o
b) Por la cantidad de productos que se extraen
Columnas multi producto: la columna tiene más de dos corrientes de producto
(Figura 11.5).
Capítulo 11: DESTILACIÓN DE BIOETANOL.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
282
c) Con una alimentación adicional para ayudar a la separación
Destilación extractiva: el componente de la alimentación adicional aparece en la
corriente del producto de fondo.
Destilación azeotrópica: el componente de la alimentación adicional aparece en la
corriente del producto de cabeza.
d) Por la construcción interna de la columna
Columnas de bandejas (o platos): se usan bandejas/platos de diversos diseños
para contener la fase líquida y proporcionar un buen contacto entre el vapor y el
líquido, de manera de lograr una mejor separación.
Columnas de relleno (packed): en lugar de platos, se usan lechos con rellenos de
diverso tipo para aumentar el contacto entre el vapor y el líquido.
11.5 Distintos tipos de platos utilizados en las columnas de
destilación.
En una columna de destilación se pueden montar distintos tipos de platos: con
borboteadores, con ranuras, con válvulas y perforados. En la Figura 11.6, Figura 11.7 y
Figura 11.8 se pueden ver ejemplos de los mismos. La Figura 11.9 muestra un detalle de
algunos borboteadores, válvulas y ranuras usados (Fotos extraídas de [6])
Figura 11.6: Plat o con borbot eadores
Figura 11.7: Plat o con ranuras
Figura 11.8: Plat o perforado
Capítulo 11: DESTILACIÓN DE BIOETANOL.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
283
Figura 11.9: Dist int os t ipos de válvulas, ranuras y borbot eadores usados en los plat os
11.6 Columnas de relleno
Las columnas de relleno disponen de
lechos con rellenos de distinto tipo y
materiales, según la composición de la
mezcla a destilar. Suelen ser más bajas
que las de platos y son más eficientes
desde el punto de vista energético. En la
Figura 11.10 se muestra un dibujo de la
estructura de una columna de relleno
(extraído de [6]), con diversos tipos de
rellenos dispuestos en los lechos. En
casos especiales, los rellenos también se
pueden combinar con platos.
Partículas
aleatorias
Relleno
estructurado
Relleno
en rejilla
Figura 11.10: Est ruct ura de una colum na de
dest ilación de relleno
Capítulo 11: DESTILACIÓN DE BIOETANOL.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
11.6.1
284
Tipos de Rellenos
Como relleno se utilizan partículas aleatorias de diversos tipos, formas y materiales (Figura
11.11). Como material se utiliza metal, carbón, plástico o cerámica, en función de la
composición de la alimentación. También se utilizan rellenos de metal estructurado o bien
con forma de rejilla (Figura 11.12) (Fotos extraídas de [6] y [12]).
Figura 11.11: Dist int os t ipos rellenos de part ículas aleat orias
Capítulo 11: DESTILACIÓN DE BIOETANOL.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
Figura 11.12: Dist int os t ipos de rellenos est ruct u rados y de rej illa
285
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
286
11.7 Partes Internas
Los términos “bandeja” y “plato” se usan indistintamente. Existen muchos tipos y diseños,
pero los más comunes son [8]:
11.7.1
Platos de borboteadotes
Disponen de un conducto de subida o chimenea colocado en cada agujero del plato, donde
se coloca un borboteador que cubre el conducto. El borboteador está montado de manera
que hay un espacio entre el conducto de subida y el borboteador para permitir el pasaje del
vapor. El vapor sube por la chimenea y el borboteador lo dirige hacia abajo, saliendo por
ranuras dispuestas en el costado del mismo (si existen). Finalmente el vapor burbujea en el
líquido que está en el plato.
Figura 11.13: Esquem a de funcionam ient o del borbot eador
11.7.2
Platos de válvulas
En los platos de válvulas, las perforaciones están cubiertas por tapas que suben y bajan
solas (funcionando como válvulas). La corriente de vapor levanta las válvulas, creando así
un área libre para que pase el vapor. La válvula levantada dirige el vapor para que salga
horizontalmente en el líquido, proporcionando una mejor mezcla que la que se obtiene con
los platos perforados.
Figura 11.14: Esquem a de funcionam ient o de una válvula
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
11.7.3
287
Platos perforados
Los platos perforados son simplemente bandejas de metal con agujeros, más chicos que en
los platos de borboteadores y válvulas. El vapor pasa directamente por el líquido que está
en el plato. La disposición, cantidad y tamaño de los agujeros son parámetros de diseño.
Por su eficiencia, amplio rango de operación, facilidad de mantenimiento y costo, los platos
de válvulas y perforados han reemplazado a los de borboteadores en muchas aplicaciones.
Figura 11.15: Operación de plat os con borbot eadot es
11.8 Corrientes de líquido y vapor en una columna de platos
Cada plato dispone de dos conductos, uno a cada lado, denominados conductos de bajada
(Figura 11.15, extraída de [6]). El líquido cae por gravedad de un plato al que tiene debajo.
Un vertedero dispuesto en el plato asegura que siempre haya algo de líquido retenido
(holdup) en el mismo, y está diseñado de manera que el líquido esté a una altura adecuada,
Capítulo 11: DESTILACIÓN DE BIOETANOL.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
288
por ej. que los borboteadores estén cubiertos de líquido. [8], [6]
Como el vapor es más ligero, sube por la columna y se lo obliga a pasar por el líquido
mediante las aberturas que hay en cada plato. La presión generada por el vapor que
asciende desde la parte inferior es la que evita que el plato se quede sin líquido. El área del
plato por la que se permite el pasaje de vapor se denomina área activa del plato.
A medida que el vapor más caliente pasa por el líquido del plato de arriba, transfiere calor
al líquido. Parte del vapor se condensa, sumándose al líquido del plato. El condensado es
más rico en los componentes menos ligeros que el vapor. Debido al aporte de calor del
vapor, el líquido del plato hierve, generando más vapor que es más rico en los componentes
más ligeros. Este contacto continuo que se produce en cada plato entre el líquido y el vapor
provoca la separación entre los componentes de menor punto de ebullición y los de mayor
punto de ebullición.
11.9 Rellenos
Existe una clara tendencia a mejorar la separación suplementando el uso de platos con el
agregado de rellenos. Los rellenos son dispositivos pasivos diseñados para incrementar el
área de contacto de interfaz entre vapor y líquido [8].
Estas piezas de forma tan extraña se supone que confieren un buen contacto entre líquido y
vapor cuando se colocan en cantidad, sin ocasionar una caída de presión excesiva en la
zona con relleno. Esto es importante porque una elevada caída de presión significaría que se
requiere de más energía para llevar el vapor hacia la cabeza de la columna.
Las columnas de relleno se denominan columnas de contacto continuo, mientras que las
columnas de platos se denominan columnas de contacto por etapas debido a la forma en
que se ponen en contacto el líquido y el vapor.
11.10
Rellenos versus Platos
Una columna que está teniendo problemas de producción se puede mejorar reemplazando
una sección de platos con rellenos. Esto es así porque [8]:
Los rellenos proporcionan un área interfacial extra para el contacto líquido vapor.
Se incrementa la eficiencia en la separación para la misma altura de columna.
Las columnas de relleno son más cortas que las de platos.
11.11
Rehervidor o Reboiler
El rehervidor o reboiler es un intercambiador de calor que se requiere para transferir
suficiente energía térmica al líquido del fondo para llevarlo al punto de ebullición. Existen
diversos diseños de rehervidotes (Figura 11.16, extraída de [8] y [12]), cuyos diseños
dependen de la capacidad de calor requerida para la operación de la columna. Algunos se
disponen en forma externa a la columna, mientras que otros forman parte integral de la
misma. Los rehervidotes tipo Kettle son los más usados en las destilerías de etanol,
principalmente porque las temperaturas requeridas para la destilación no son muy altas.
Disponen de una estructura con tubos por donde circula el fluido calefactor, normalmente
vapor. La circulación del producto de fondo a través del rehervidor se puede hacer de
manera forzada (con una bomba), o bien por convección natural.
Capítulo 11: DESTILACIÓN DE BIOETANOL.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
289
Figura 11.16: Dist int os t ipos de reboilers
11.12
Principios de la Destilación
La separación de componentes de una mezcla líquida mediante destilación depende de las
diferencias en los puntos de ebullición de los componentes individuales. Además, el punto
de ebullición de la mezcla líquida tendrá diferentes características, dependiendo de las
concentraciones en moles de los componentes presentes (Ley de Raoult). Por lo tanto, los
procesos de destilación dependen de las características de la presión de vapor de las
mezclas líquidas [8].
11.12.1
Presión de Vapor y Ebullición
La presión de vapor de un líquido a una temperatura particular es la presión de equilibrio
ejercida por las moléculas que salen y entran en la superficie del líquido. Algunos aspectos
Capítulo 11: DESTILACIÓN DE BIOETANOL.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
290
importantes de la presión de vapor son:
El ingreso de energía sube la presión de vapor.
La presión de vapor está relacionada con la ebullición.
Se dice que un líquido “hierve” cuando la presión de vapor es igual a la presión
que rodea el líquido.
La facilidad con la que un líquido hierve depende de su volatilidad.
Los líquidos con una presión de vapor alta (líquidos volátiles) hervirán a menores
temperaturas.
La presión de vapor, y por consiguiente el punto de ebullición, de una mezcla
líquida depende de las cantidades relativas de los componentes en la mezcla.
La destilación se produce debido a las diferencias en las volatilidades de los
componentes en la mezcla líquida.
11.12.2
Diagrama del punto de ebullición
El diagrama del punto de ebullición (Figura 11.17) muestra cómo las composiciones de
equilibrio de los componentes en una mezcla líquida varían con la temperatura a una
presión fija. Considere un ejemplo de una mezcla líquida que contiene 2 componentes (A y
B), denominada mezcla binaria.
120
Vapor sobrecalentado
110
CURVA DEL
PUNTO DE ROCÍO
Líquido y
vapor
100
b
c
90
CURVA DEL
PUNTO DE BURBUJA
80
a
Líquido subenfriado
70
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
Concentración (Fracción molar de A)
Figura 11.17: Diagram a del punt o de ebullición
El punto de ebullición de A es aquél en el que la fracción molar de A es 1. El punto de
ebullición de B es aquél en el que la fracción molar de A es 0. En este ejemplo, A es el
componente más volátil, y por lo tanto, tiene un punto de ebullición más bajo que B. La
curva de arriba del diagrama se denomina curva del punto de rocío, mientras que la de
abajo se denomina curva del punto de burbuja. El punto de rocío es la temperatura a la cual
el vapor saturado comienza a condensar. El punto de burbuja es la temperatura a la cual el
líquido comienza a hervir (Figura 11.18).
Capítulo 11: DESTILACIÓN DE BIOETANOL.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
291
Figura 11.18: Fases de una m ezcla líquido vapor
La región por encima de la curva del punto de rocío muestra la composición de equilibrio
del vapor sobrecalentado, mientras que la región por debajo de la curva del punto de
burbuja muestra la composición de equilibrio del líquido subenfriado. Por ejemplo, cuando
se calienta un líquido subenfriado con fracción molar de A = 0,43 (punto “a”), su
concentración permanece constante hasta que alcanza el punto de burbuja (punto “b”),
cuando comienza a hervir. Los vapores generados durante la ebullición tienen la
composición de equilibrio dada por el punto “c”, aproximadamente una fracción molar de
A de 0,8. Esto es aproximadamente un 85% más rica en A que el líquido original. Esta
diferencia entre las composiciones del líquido y el vapor es la base de las operaciones de
destilación.
11.12.3
Volatilidad relativa
La volatilidad relativa es una medida de las diferencias en volatilidad entre 2 componentes,
y por lo tanto, de sus puntos de ebullición. Indica cuán fácil o difícil será una separación
particular. La volatilidad del componente “i” con respecto al componente “j” de define
como:
yi
xi
aij
yj
xj
(11.1)
Donde:
yi = fracción molar del componente “i” en el vapor
xi = fracción molar del componente “i” en el líquido
yj = fracción molar del componente “j” en el vapor
xj = fracción molar del componente “j” en el líquido
Entonces, si la volatilidad relativa entre 2 componentes es muy cercana a 1, es una
indicación de que tienen características de presión de vapor muy similares. Esto significa
que tienen puntos de ebullición muy parecidos, y por lo tanto, será muy difícil separar los
dos componentes mediante la destilación.
Capítulo 11: DESTILACIÓN DE BIOETANOL.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
11.12.4
292
Equilibrio Líquido-Vapor
Vapor (Y)
Las columnas de destilación se diseñan en base a las propiedades de los puntos de
ebullición de los componentes en las mezclas que se separan. Así, el tamaño, y
particularmente la altura, de las columnas de destilación se determinan con lo datos del
equilibrio líquido-vapor (ELV) de las mezclas.
Figura 11.19: Curva de equilibrio líquido- vapor ( ELV)
De los diagramas del punto de ebullición se obtienen datos del ELV a presión constante.
Los datos del ELV de mezclas binarias se presentan a menudo como un gráfico, como se
muestra en la Figura 11.20. El gráfico ELV expresa el punto de burbuja y el punto de rocío
de una mezcla binaria a presión constante. La línea curva se denomina línea de equilibrio y
describe las composiciones del líquido y el vapor en equilibrio a alguna presión fija. Este
gráfico ELV particular muestra una mezcla binaria que tiene un equilibrio líquido-vapor
uniforme que es relativamente fácil de separar.
1,0
Vapor (Y)
0,8
0,6
0,4
0,2
0,0
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
Líquido (X)
Figura 11.20: Curvas ELV de m ezclas m ás com plej as
Las dos curvas de la Figura 11.20 muestran el comportamiento de sistemas no ideales que
presentan una separación más dificultosa. Observe la forma de las respectivas líneas de
equilibrio con relación a la línea diagonal que bisecciona los gráficos ELV.
Capítulo 11: DESTILACIÓN DE BIOETANOL.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
11.12.5
293
Curvas ELV de azeótropos
Las curvas ELV más interesantes las generan los sistemas azeotrópicos. Un azeótropo es
una mezcla líquida que cuando se vaporiza produce la misma composición que el líquido.
Los dos gráficos ELV de abajo, Figura 11.21, muestran dos sistemas azeotrópicos distintos,
uno con un punto de ebullición mínimo y otro con un punto de ebullición máximo. En
ambos gráficos, las curvas de equilibrio cruzan las líneas diagonales, y estos son puntos
azeotrópicos, donde se produce el azeótropo. En otras palabras, los sistemas azeotrópicos
dan lugar a gráficos ELV donde las curvas de equilibrio cruzan las diagonales.
1,0
1,0
0,8
0,8
0,6
0,6
0,4
0,4
0,2
0,2
0,0
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
0,0
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
Líquido (X)
Líquido (X)
Punto de ebullición máximo
Punto de ebullición mínimo
1,0
Figura 11.21 : Curvas ELV de azeót ropos
Un azeótropo positivo o de punto de ebullición mínimo es aquél cuyo punto de ebullición
es menor que el de cualquiera de sus componentes. Un ejemplo típico es la mezcla de
95,6% de etanol y 4,4% de agua (en vol). El etanol hierve a 78,4 ºC y el agua a 100 ºC, pero
el azeótropo hierve a 78,2 ºC. Un azeótropo negativo o de punto de ebullición máximo es
aquél cuyo punto de ebullición es mayor que el de cualquiera de sus componentes.
Las dos curvas anteriores pertenecen a sistemas azeotrópicos homogéneos. Un azeótropo
que contiene una fase líquida en contacto con el vapor se denomina azeótropo homogéneo.
Un azeótropo homogéneo no se puede separar por destilación convencional. Sin embargo,
se puede usar destilación al vacío para bajar la presión y mover el punto azeotrópico, como
se muestra en la Figura 11.22. De forma alternativa se puede agregar una sustancia para
desplazar el punto azeotrópico a una posición más “favorable”.
Cuando el componente adicional aparece en cantidades apreciables en la cabeza
de la columna, la operación se denomina destilación azeotrópica.
Cuando el componente adicional aparece principalmente en el fondo de la
columna, la operación se denomina destilación extractiva.
La curva ELV del gráfico de la Figura 11.23 también la genera un sistema azeotrópico, en
este caso un azeótropo heterogéneo. Los azeótropos heterogéneos se pueden identificar por
la parte “plana” del diagrama de equilibrio. Pueden separarse en 2 columnas de destilación,
dado que estas sustancias usualmente forman dos fases líquidas con composiciones muy
diferentes. Las fases pueden separarse usando tanques de asentamiento bajo condiciones
Capítulo 11: DESTILACIÓN DE BIOETANOL.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
294
apropiadas.
Figura 11. 22: Modificación del punt o azeot rópico por vacío
Figura 11.23: Curva ELV de un azeót ropo het erogéneo
11.12.6
Diagrama de fases de un azeótropo positivo
En el diagrama de fases de dos componentes X e Y de la Figura 11.24, se puede observar
que si se parte de una mezcla no azeotrópica (punto A), y se la hace hervir, el vapor tendrá
una composición más rica en el componente X (punto B). Si se condensa ese vapor, el
condensado también será más rico en el componente X (punto C). Si se repite la operación,
se alcanza el punto E. La progresión muestra que mediante destilaciones sucesivas, nunca
se podrá obtener un destilado que sea más rico en el componente X que el azeótropo. En el
caso de la mezcla etanol-agua, ese punto es el de 95,6% etanol – 4,4 % agua (en volumen) o
bien 89,5 % etanol – 10,5 % agua (en fracción molar).
Capítulo 11: DESTILACIÓN DE BIOETANOL.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
295
Figura 11.24: Diagram a de fases de un azeót ropo posit ivo
11.13
Separación del azeótropo
Debido a que por una destilación binaria no se pueden separar los componentes del
azeótropo de la mezcla etanol-agua, se debe recurrir a otros métodos para la obtención de
etanol anhidro, que se utiliza en la industria química como insumo o como combustible
para vehículos. Entre los métodos utilizados para obtener etanol anhidro se pueden
mencionar [4]:
Destilación azeotrópica
Destilación extractiva
Destilación extractiva salina
Pervaporación
Adsorción mediante tamiz molecular
11.13.1
Destilación azeotrópica
En la Figura 11.25 se puede ver un esquema de proceso para realizar la destilación
azeotrópica. Al destilado de una columna rectificadora binaria se le agrega un agente de
arrastre (ciclohexano o benceno) para formar un nuevo azeótropo ternario heterogéneo.
Este se destila en una segunda columna, obteniendo etanol anhidro por el fondo. El
destilado de cabeza se envía a una tercera columna para recuperar el agente de arrastre.
Capítulo 11: DESTILACIÓN DE BIOETANOL.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
A: Columna rectificadora
B: Columna azeotrópica
C: Columna recuperadora
D: Decantador
AG: Agua
SA: Solución alcohólica
SAC: Solución alcohólica
concentrada
EN: Entrainer (agente de
arrastre)
EA: Etanol anhidro
296
D
SAC
EA+EN
EN
A
C
B
SA
AG
EA
AG
Figura 11.25: Colum nas de dest ilación azeot rópica
A: Columna rectificadora
B: Columna extractiva
C: Columna recuperadora
AG: Agua
SA: Solución alcohólica
SAC: Solución alcohólica
concentrada
EN: Entrainer (agente de
arrastre)
EA: Etanol anhidro
EA
EN
SAC
AG
A
C
B
SA
AG+EN
AG
Figura 11.26: Colum nas de dest ilación ext ract iva
Capítulo 11: DESTILACIÓN DE BIOETANOL.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
11.13.2
297
Destilación extractiva
En la Figura 11.26 se puede ver un esquema de proceso para realizar la destilación
extractiva. Consiste en adicionar un solvente no volátil, de alto punto de ebullición y
miscible en una mezcla de alimentación azeotrópica, para alterar las volatilidades de los
componentes claves sin la formación de un nuevo azeótropo. Como solvente normalmente
se usa etilenglicol. En este caso, el etanol anhidro se obtiene por la cabeza de la segunda
columna de destilación. La tercera columna se utiliza para recuperar el solvente, que sale
como producto de fondo y se recicla al proceso.
11.13.3
Destilación extractiva salina
Es similar a la destilación extractiva, pero en este caso el agente de arrastre es una sal
iónica, no volátil y soluble en la mezcla de alimentación. En la
Figura 11.27 se muestra un esquema de proceso para realizar la destilación extractiva salina.
Una corriente de solución alcohólica rectificada alimenta a una columna de destilación (B),
llamada destiladora salina, donde se mezcla con la sal iónica (acetato de potasio). Se
obtiene una solución concentrada de la sal como producto de fondo, la cual se envía a una
etapa de recuperación. Como destilado se obtiene etanol anhidro. La etapa de recuperación
consta de un secador por atomización (spray), que permite obtener la sal en estado sólido y
reciclarla a la columna destiladora salina. Como alternativa a este esquema se puede usar
una única columna salina, seguida de un evaporador multietapa y el secador spray de
recuperación de la sal iónica.
A: Columna rectificadora
B: Columna salina
C: Cámara secado spray
AG: Agua
SA: Solución alcohólica
SAC: Solución alcohólica
concentrada
S: Sal iónica
EA: Etanol anhidro
AR: Aire
EA
SAC
A
S
B
AR
C
SA
AR
AG
Figura 11.27: Esquem a de la dest ilación ext ract iva salina
Capítulo 11: DESTILACIÓN DE BIOETANOL.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
11.13.4
298
Pervaporación
Es un proceso de separación en el cual una mezcla líquida se pone en contacto con una
membrana polimérica permeable microporosa y selectiva. En la Figura 11.28 se muestra un
esquema de proceso para realizar la deshidratación por pervaporación. Uno de los
componentes de la mezcla es transportado preferentemente a través de la membrana en
estado vapor (permeado), siendo condensado y recuperado. El permeado (solución
alcohólica diluida) se obtiene al reducir la presión del otro lado de la membrana hidrofílica.
El etanol anhidro se deshidrata y se obtiene como producto de la unidad. El permeado es
condensado y enviado a un tanque acumulador, de donde se lo recicla a la columna
rectificadora.
A: Columna rectificadora
B: Unidad de pervaporación
C: Condensador
D: Tanque de almacenamiento
E: Bomba de vacío
AG: Agua
SA: Solución alcohólica
EA: Etanol anhidro
EA
B
C
A
D
E
SA
AG
Figura 11.28: Esquem a de deshidrat ación por pervaporación
11.13.5
Adsorción mediante tamiz molecular
Actualmente, uno de los métodos de deshidratación más usados por la industria de
producción de etanol combustible es la adsorción utilizando un tamiz molecular. Un tamiz
molecular es un material granulado que contiene poros diminutos de tamaño preciso y
uniforme que se usa como adsorbente para gases y líquidos. Las moléculas que son
suficientemente pequeñas pasan por los poros y se adsorben, mientras que las moléculas
más grandes no pasan. Se diferencia de un filtro común en que funciona a nivel molecular.
Por ejemplo, en una mezcla azeotrópica de agua con etanol, la molécula de agua es lo
suficientemente pequeña como para pasar por el poro, mientras que la de etanol no. Debido
a esto, funciona como un disecante. Un tamiz molecular puede absorber agua hasta un 22%
de su propio peso, y tiene una vida útil de 5 a 7 años.
Capítulo 11: DESTILACIÓN DE BIOETANOL.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
299
Figura 11.29: Part ícula de un t am iz m olecular de 3 Angst rom
Como adsorbentes normalmente se usan zeolitas, que son silicatos de aluminio
(normalmente sintéticos) con poros de unos 3 Angstrom (0.3 nm) (Figura 11.29). El
granulado de zeolita se coloca en lechos por los que se hace pasar una corriente de vapor
sobrecalentado del azeótropo de etanol-agua. Los lechos de zeolitas luego de un tiempo de
operación se saturan de agua y deben ser “regenerados”. Para extraer la humedad
acumulada en el tamiz (regeneración), se puede hacer por calentamiento (a 200 ~ 230 ºC) o
bien disminuyendo la presión para que el agua se evapore. Otro método que aumenta la
duración del tamiz molecular consiste en hacer circular parte de la corriente de salida por el
lecho que se está regenerando, como se explica más abajo.
Como ejemplos de zeolitas sintéticas aptas para la deshidratación de etanol se pueden
mencionar:
Zeochem Z3-03 (Zeochem AG)
UOP Molecular Sieve type 3 A (UOP LLC)
Sylobead 564ET3A y 562Et (Grace Davison).
ZettaPac 3A MS
Una de las principales ventajas de este método es que es simple e inerte, ya que no se usan
productos químicos que sean peligrosos para el ambiente o los seres humanos (como es el
caso de la destilación azeotrópica con benceno). Además, la energía usada en la
deshidratación es ligeramente superior al mínimo absoluto teórico. Si bien el costo de
instalación inicial es más alto, los costos de operación son menores que los otros procesos
de deshidratación mencionados, por lo que el equipamiento se amortiza en un plazo
relativamente corto.
En la Figura 11.30 se muestra un esquema de deshidratación con tamiz molecular [10],
[11]. Del tanque de alimentación, el vino se bombea a la columna rectificadora. Una
corriente parcial de vapores de la cabeza de esta columna se condensa y se envía de retorno
a la columna como reflujo. El resto de los vapores se pasan por un sobrecalentador y se
envían a un conjunto de tamices moleculares para la deshidratación. El vapor
sobrecalentado pasa por un lecho de cuentas de zeolita, donde se adsorbe el agua de la
corriente entrante de vapor. La corriente de salida de esa unidad es vapor de etanol anhidro
combustible (~ 99,5% vol), que se condensa y enfría hasta la temperatura ambiente.
Las unidades de tamices moleculares funcionan secuencialmente y de forma cíclica,
mientras una se está regenerando, las otras están en operación, adsorbiendo agua de la
corriente de vapor entrante. Para la regeneración, en este caso se hace circular una parte de
la corriente de vapor sobrecalentado de salida por el lecho. El agua adsorbida en el
Capítulo 11: DESTILACIÓN DE BIOETANOL.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
300
granulado de zeolita se libera y se evapora en la corriente de vapor de etanol anhidro. Esta
mezcla de etanol y agua se condensa y enfría. El líquido de regeneración enfriado es pobre
en concentración de etanol, ya que contiene toda el agua liberada en el tamiz molecular que
se está regenerando. Este líquido poco concentrado se recicla a la columna de rectificación
primaria, para recuperar el etanol usado en el proceso de regeneración.
Figura 11.30: Esquem a de deshidrat ación con t am ices m oleculares
11.14
Factores que afectan la operación de una columna de
destilación
El rendimiento de una columna de destilación queda determinado por varios factores, entre
los que se pueden mencionar [8]:
Condiciones de la alimentación
- Estado de la alimentación
- Composición de la alimentación
- Trazas de elementos que pueden afectar severamente el ELV de mezclas
líquidas
- Condiciones de la circulación interna de líquidos y vapores
Estado de los platos y/o rellenos
Condiciones atmosféricas
A continuación se detallarán algunos de estos aspectos para dar una idea de la complejidad
de la destilación.
Capítulo 11: DESTILACIÓN DE BIOETANOL.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
11.14.1
301
Condiciones de la alimentación
El estado de la mezcla de alimentación y su composición afecta la líneas de operación, y
por lo tanto el número de etapas (platos) requeridas para la separación. También afecta la
ubicación del plato de alimentación. Si durante la operación la desviación sobre las
especificaciones de diseño es excesiva, la columna puede que no sea capaz de llevar a cabo
la tarea de separación. Para superar los problemas asociados con la alimentación, algunas
columnas se diseñan para tener múltiples puntos de alimentación, cuando se espera que en
la alimentación haya cantidades variantes de componentes.
11.14.2
Condiciones del reflujo
Si se aumenta la relación de reflujo, se recicla a la columna más líquido que es rico en el
componente más ligero. Por lo tanto se necesitarían menos platos para realizar la
separación. La cantidad mínima de platos se da con la condición de reflujo total, en que no
se extrae destilado por cabeza.
Si se disminuye la relación de reflujo, se requieren más platos para lograr la separación. La
condición límite se da con la relación de reflujo mínima, en la que se necesitarían infinitos
platos para lograr la separación. Muchas columnas se diseñan para operar con una relación
de reflujo de 1,2 a 1,5 veces la relación de reflujo mínima, que es aproximadamente la
región de costo mínimo de operación (más reflujo implica más gasto de energía en el
reboiler).
11.14.3
Condiciones del flujo de vapor
Condiciones adversas en el flujo de vapor pueden causar:
a) Formación de espuma: Se refiere a la expansión del líquido debido al pasaje del
vapor. Si bien esto proporciona un alto contacto entre las fases líquida y vapor, una
excesiva formación de espuma a menudo lleva a la acumulación de líquido en los
platos. En algunos casos, la formación de espuma es tan excesiva que hace que la
espuma se mezcle con el líquido del plato de arriba. Si bien la formación de espuma
depende de las propiedades físicas de la mezcla líquida, a veces depende del diseño
del plato y de las condiciones de operación. Cualquiera sea la causa, siempre se
reduce la eficiencia de la separación.
b) Arrastre: El arrastre se refiere a que el vapor lleva el líquido hacia arriba, al plato
superior, invirtiendo el sentido de circulación del líquido. De igual manera que en el
caso anterior, esto es ocasionado por valores altos en la corriente de vapor. Esto es
perjudicial debido a que se reduce la eficiencia de los platos: se lleva líquido menos
volátil a un plato que contiene líquido con mayor volatilidad. Esto también podría
llegar a contaminar el destilado de alta pureza. Un arrastre excesivo puede llevar a la
inundación de la columna.
c) Goteo/Vertido: Este fenómeno es causado por un bajo flujo de vapor. La presión
ejercida por el vapor es insuficiente para retener el líquido en el plato. Por lo tanto, el
líquido empieza a gotear por las perforaciones. Un goteo excesivo llevará al vertido.
Es decir, el líquido de todos los platos se caerá a la base de la columna (por un efecto
dominó) y se tendrá que arrancar de nuevo la columna. El goteo se manifiesta por una
fuerte caída de presión en la columna y una reducción en la eficiencia de la
separación.
Capítulo 11: DESTILACIÓN DE BIOETANOL.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
302
d) Inundación: La inundación de la columna la provoca un excesivo flujo de vapor,
causando que el líquido sea arrastrado por el vapor hacia la cabeza de la columna. La
mayor presión causada por el exceso de vapor también hace retornar el líquido hacia
arriba por el conducto de bajada del plato, causando una acumulación de líquido en el
plato superior. Dependiendo del grado de inundación, la capacidad máxima de la
columna se vera severamente reducida. La inundación se detecta por un fuerte
incremento en la presión diferencial de la columna y por una disminución
significativa en la eficiencia de la separación.
11.14.4
Diámetro de la columna
La mayoría de los factores mencionados anteriormente que afectan la operación de la
columna se deben a las condiciones del flujo de vapor, ya sea éste excesivo o muy bajo. La
velocidad de la corriente de vapor depende del diámetro de la columna. El goteo determina
el caudal mínimo requerido, mientras que la inundación determina el máximo caudal de
vapor admitido, y por lo tanto, la capacidad de la columna. Así, si el diámetro de la
columna no está dimensionado adecuadamente, la columna no funcionará bien. No sólo se
producirán problemas de operación, sino que, además, no se alcanzarán los valores de
separación deseados.
11.14.5
Estado de los platos y del relleno
Conviene recordar que el número real de platos requeridos para una determinada separación
particular está determinado por la eficiencia del plato (o del relleno, si es que se usa). Así,
cualquier factor que cause una disminución en la eficiencia del plato cambiará también el
rendimiento de la columna. La eficiencia de los platos se ve afectada por la suciedad, el
desgaste natural y la corrosión. La velocidad a la que esto se produce depende de las
propiedades de los líquidos que se procesan. Por ello, se deberían especificar materiales
apropiados para la construcción de los platos.
11.14.6
Condiciones climáticas
La mayoría de las columnas de destilación están abiertas a la atmósfera. Si bien muchas de
ellas están aisladas térmicamente, condiciones metereológicas cambiantes pueden afectar lo
mismo la operación de la columna. Por lo tanto, el reboiler debe estar dimensionado
adecuadamente para asegurar que se genere suficiente vapor durante las temporadas frías y
ventosas. Igualmente, que se pueda bajar la generación de vapor lo suficiente durante las
estaciones calurosas. Lo mismo se aplica a los condensadores.
11.14.7
Otros factores
Los ya mencionados son algunos de los factores más importantes que causan que una
columna de destilación tenga un rendimiento pobre. Otros factores que se pueden
mencionar son: condiciones de funcionamiento y producción cambiantes, producidos por
cambios en las condiciones del sistema aguas arriba del proceso o por cambios en la
demanda de los productos.
Todos estos factores, incluyendo el sistema de control asociado, deberían considerarse en
las etapas de diseño de la columna, debido a que una vez que se ha construido e instalado la
columna, no se puede hacer mucho para rectificar la situación sin incurrir en costes
Capítulo 11: DESTILACIÓN DE BIOETANOL.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
303
significativos. El control de las columnas de destilación es un campo en sí mismo, que se
tratará a continuación.
11.15
Control Básico y Avanzado de una Columna de
Destilación
Tal como hemos visto, la destilación se realiza por el contacto en contracorriente del vapor
que asciende por la columna de destilación, como consecuencia del calentamiento
efectuado en el reboiler, y del líquido que desciende como consecuencia del enfriamiento
producido en el condensador de cabeza. De esta manera, los componentes más volátiles se
acumulan en el vapor y los componentes más pesados en el líquido. El reparto entre las dos
fases se traduce a lo largo de la columna en un gradiente de temperatura proporcional a la
concentración de los componentes [1].
Figura 11.31: Esquem a del balance de m at eria en una colum na de dest ilación
El sistema de control debe encargarse de mantener la especificación de los productos de
cabeza y fondo, obtenidos a partir de la alimentación, de acuerdo al siguiente balance de
materia, cuyas composiciones molares aparecen en minúsculas, Figura 11.31.
F z D yB x
(11.2)
A continuación se describirá el sistema de control de una columna de destilación binaria,
que puede separarse en control básico y control avanzado.
11.15.1
Control Básico
El control básico [1], realizado por controladores con realimentación (o feedback), trata de
Capítulo 11: DESTILACIÓN DE BIOETANOL.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
304
mantener constantes algunas variables que son fundamentales para lograr una
especificación determinada. Debe ser capaz de compensar las variaciones que se produzcan,
como cambios en la composición, en el caudal y temperatura de la alimentación,
temperatura ambiente, etc.
En general suele colocarse un control de temperatura en la zona de agotamiento (stripping)
para ajustar el caudal de fluido calefactor al reboiler, y por lo tanto la composición del
líquido de fondo. La calidad del producto de cabeza se suele obtener en función del caudal
de reflujo, bien directamente o modificado por otra variable manipulada.
Figura 11.32: Esquem a de cont rol básico de una colum na de dest ilación
En la Figura 11.32 se muestra una columna de destilación binaria en la que aparecen 5
válvulas de control, lo que equivale a 5 variables manipuladas o grados de libertad. Es
necesario actuar sobre 5 variables controladas, que han de ser emparejadas con las
manipuladas para mantener el balance de materia y las composiciones de cabeza y fondo.
Es evidente que cuando se produzca una variación en la calidad o cantidad de la
alimentación a la columna, existirá una variación en las composiciones de los productos de
cabeza y fondo, hasta que se reajusten los caudales de reflujo y fluido calefactor
respectivamente.
En la Figura 11.32, salvo la presión, las válvulas controlan las siguientes los siguientes
lazos de caudal y relaciones:
Caudal de reflujo (L)
Caudal destilado (D)
Relación reflujo / destilado (L/D)
Vaporización producida por el fluido calefactor (V)
Caudal de fondo (B)
Capítulo 11: DESTILACIÓN DE BIOETANOL.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
305
Relación vaporizado / fondo (V/B)
Para mantener el balance de materia, se utilizan como variables controladas:
Nivel en el fondo de la columna (Lf)
Nivel en el acumulador de reflujo (Lc)
Quedan otras 2 variables que deben ser controladas:
Composición del componente ligero en cabeza (y) o impureza (1-y)
Composición del componente ligero en fondo (x)
11.15.2
Emparejamiento de variables
Partiendo de los 5 pares de variables, existen 5! = 120 maneras de realizar el
emparejamiento, pero la gran mayoría no tienen sentido (por ej., caudal de fondo con
presión de la columna). Dejando aparte la presión y siguiendo un criterio lógico, se pueden
reducir a 9 casos, para controlar las composiciones de cabeza y fondo.
Cabeza (y) con: L, D o L/D
Fondo (x) con: V, B o V/B
De esta forma quedan 9 combinaciones en las que la primera variable manipulada se utiliza
para controlar y y la segunda para controlar x.
Primera variable el reflujo: L, V; L, B; L, V/B
Primera variable el destilado: D, V; D, B; D, V/B
Primera variable la relación reflujo / destilado: L/D, V; L/D, B; L/D, V/B
En general la combinación L, V tiene buenas características dinámicas, pero produce
acoplamiento con cierta facilidad, mientras que la combinación L/D, V/B es la que produce
menos acoplamiento. Cada columna puede necesitar alguna de las 9 combinaciones
expuestas, por lo que el emparejamiento de variables es un problema desde el punto de
vista del control y de la eficiencia del proceso de separación.
11.15.3
Control de una sola composición
En el caso de la destilación de bioetanol, interesa obtener el máximo de etanol en la cabeza,
tratando de que por el fondo se vaya la menor cantidad posible de dicho producto. La
configuración L, V es la que se suele utilizar para recuperar al máximo el producto ligero
que queda en el fondo de la columna. Emparejando como variables controladas, para
mantener el balance de materia, el nivel del acumulador en cascada con el caudal destilado
y el nivel en el fondo de la columna en cascada con el caudal de extracción de fondo [1].
Se controla la composición de un producto, permitiendo variar la del otro producto. Se
conoce como control de balance de energía, manteniendo el balance de materia con los
controladores de nivel. Este sistema no produce acoplamiento al dejar libre el control de
una de las composiciones, de forma que:
Si se utiliza L para controlar y, V debe permanecer constante. Queda como grado
de libertad la composición del producto de fondo.
Si se utiliza V para controlar x, L debe permanecer constante. Queda como grado
de libertad la composición del producto de cabeza.
Para que no existan pérdidas de especificación en el producto de cabeza, se suele recurrir a
Capítulo 11: DESTILACIÓN DE BIOETANOL.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
306
aumentar el caudal de reflujo, de forma de mantener un margen para evitar sobrepasar la
especificación cuando se tiene una perturbación. Esto implica aumentar los costes
energéticos, ya que se debe calentar más producto en el reboiler, para luego enfriarlo en el
condensador. Cuanto más próximo se encuentre el producto al límite de la especificación,
más impureza lo acompaña, reduciendo el coste del proceso de destilación.
Figura 11.33: Esquem a de cont rol de una com posición
Existen otras alternativas para emparejar las variables, pero no son adecuadas para las
columnas de destilación de etanol. Los inconvenientes que suelen presentarse en el control
se solucionan aplicando técnicas de control avanzado, basadas en la utilización de control
por avanacción (o feedforward) o bien mediante el control predictivo multivariable,
incluyendo control de calidad, bien por medio de analizadores en línea o por cálculo
inferencial (estimadores).
Para poder controlar la composición en uno de los extremos de la columna, se debe medir la
composición o mejor aún, la impureza. Los tres procedimientos generales son:
Estimación a partir de temperaturas: Normalmente se mide la temperatura en
el plato sensible, que está unos platos por encima del reingreso que viene desde el
reboiler. Ese plato es el que tiene la mayor relación incremental entre
concentración y variable manipulada.
Medida con Analizadores: Es el mejor sistema, pero requiere una inversión
relativamente alta en equipos y elementos auxiliares (sistema de toma de muestra,
caseta, cableado, etc.). Requieren de un mantenimiento con un índice de
revisiones alto, lo que implica elevados costes de mantenimiento.
Cálculo inferencial: Se utilizan estimadores basados en otras medidas del
proceso, como caudales, presiones, temperaturas, etc. En muchos casos esto
sustituye a un analizador en línea y es más económico.
Capítulo 11: DESTILACIÓN DE BIOETANOL.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
307
Cuando se utiliza la temperatura del plato sensible como medida de la calidad, se utiliza
una cascada de controladores que utilizan como variable manipulada el caudal del fluido
calefactor en el último controlador. Es decir, el controlador de temperatura fijará las
consignas del control de caudal de fluido calefactor, como se muestra en la Figura 11.33.
11.15.4 Control por avanacción (feedforward) y realimentación
(feedback)
Esta estrategia de control obtiene el valor de la variable manipulada mediante un cálculo
que utiliza las variables de entrada del proceso, como pueden ser el caudal y la composición
de la alimentación, temperaturas, etc. Se necesita tener conocimiento de la relación entre las
variables de entrada y la variable manipulada. Es decir, se debe disponer de un modelo
matemático del proceso, cuya complejidad dependerá del tipo de control a desarrollar. Este
modelo nunca es exacto, debido a variaciones en el proceso (ensuciamiento, desgaste), no
linealidades, variaciones en la composición, etc. Por ellos es necesario combinar la
avanacción con la realimentación para mantener el control en forma estable, como se
muestra en la Figura 11.34 [1].
Figura 11.34: Cont rol por avanacción y real im ent ación
La gran ventaja de esta estrategia de control es que las perturbaciones medidas se
compensan antes de que lleguen a afectar a las variables controladas. El compensador
dinámico está compuesto (en general) de un tiempo muerto fijo más una función de retardo
ajustable de primer orden (lag), que simula el efecto de la capacidad existente en los
equipos.
11.16
Control multivariable
En cualquier proceso en el que existe más de un lazo de control existe la posibilidad de
interacción o acoplamiento entre ellos (Figura 11.35). Cualquier columna de destilación
tiene cuatro o cinco lazos cerrados de control. Por lo tanto, es necesario diseñar un sistema
de control que tenga en cuenta los posibles acoplamientos entre las variables manipuladas
(MVs) y las controladas (CVs o PVs). Los métodos más usados (aunque no los únicos) para
el control multivariable son: el método de las ganancias relativas y el control predictivo
basado en modelo (MPC).
Capítulo 11: DESTILACIÓN DE BIOETANOL.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
11.16.1
308
Método de las ganancias relativas
La ganancia relativa mide la influencia relativa de una variable manipulada sobre una
controlada, con respecto a la actuación del resto de las variables manipuladas del proceso.
La ganancia de un lazo abierto (controlador en manual) se debe evaluar primero con el resto
de los lazos abiertos (MVs constantes) y luego con los otros lazos cerrados (CVs
constantes). Así se obtiene la relación (11.3):
ij
dCi / dM j
M
dCi / dM j
C
(11.3)
donde:
Ci = variable controlada i
Mj = variable manipulada j
Variables controladas
Figura 11.35: Acoplam ient o ent re variables m anipuladas y cont roladas
Figura 11.36: Mat riz de ganancias relat ivas
La matriz de ganancias relativas permite seleccionar el emparejamiento de variables más
adecuado para cada columna en particular, Figura 11.36. Cuando no existe interacción entre
los lazos, esta ganancia es igual a 1. Si la variable manipulada se encuentra en un circuito
de proceso diferente, esta ganancia es igual a 0 y no debería usarse para el control de esa
parte del proceso. Si existe alguna interacción entre los lazos de control, si se cambia Mj, se
Capítulo 11: DESTILACIÓN DE BIOETANOL.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
309
afectará tanto a Cj como a la variable controlada de otro lazo y por lo tanto 0<ij<1. Si ij=
0,5 se tiene la máxima interacción. Este método permite obtener el emparejamiento de
variables que mejor rechazan el acoplamiento existente entre cabeza y fondo de la columna.
11.16.2
Control Predictivo Basado en Modelo
Es una estrategia de control que se basa en el uso explícito de un modelo del proceso para
predecir el comportamiento futuro del sistema y en base a él calcular la señal de control
futura en forma óptima. Actualmente es la metodología de control avanzado con mayo
grado de impacto en la industria de proceso. [2], [3], [7]
El Control Predictivo Basado en Modelo se denota por:
MBPC/MPC: Model Based Predictive Control
CPBM: Control Predictivo Basado en Modelos
Es una forma general de formular el problema de control en el dominio del tiempo. Integra
disciplinas como:
Control lineal y no lineal
Modelado y simulación de procesos
Optimización
Control multivariable
Control con restricciones
Control estocástico
Ha sido adoptado por la industria de proceso a partir de la década de 1970 como respuesta a
las exigencias crecientes de optimización de costos, mejora de la calidad, la productividad y
la seguridad, el respeto al medio ambiente, permitir el funcionamiento de las plantas en un
amplio rango de condiciones de operación, existencia de restricciones, etc.
Su implementación es costosa, pero se ha difundido su uso debido a:
Hardware más potente y a menor costo
Digitalización de las señales
Mejora en la fiabilidad y disponibilidad de los componentes electrónicos
Mejoras en la instrumentación
Sistemas abiertos y estandarizados
Mejoras en el software
Redes de comunicación estándares
Nuevos desarrollos en métodos y teoría
En la industria de procesos, los reguladores PID solucionan bien la mayoría de los
problemas de control monovariable (caudal, presión, nivel, temperatura, concentración,
etc.). Un 95% de los lazos de control sencillos o de nivel inferior se regulan adecuadamente
con un PID. En sistemas más complejos con dinámicas difíciles e interacción entre
variables, se recurre a estructuras de control complicadas implementadas en los sistemas de
control distribuido (DCS), pero:
Son difíciles de mantener
En muchas ocasiones no tienen un comportamiento suficientemente bueno
A menudo la unidad termina siendo regulada manualmente por un operario
El MPC se recomienda especialmente cuando se tienen algunas de las siguientes
Capítulo 11: DESTILACIÓN DE BIOETANOL.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
310
condiciones:
Procesos con dinámicas difíciles
Procesos con respuesta inversa (fase no mínima)
Procesos no lineales
Procesos multivariables con fuerte acoplamiento entre sus variables
Procesos con grandes tiempos muertos o retardos
En un esquema jerárquico de control, como el mostrado en la Figura 11.37, el MPC se
suele instalar en el Nivel 3, especialmente en aquellos lazos que tienen una gravitación
económica importante en el proceso.
Nivel 4
Optimización económica
LP, QP, NLP, MILP, MIQP, …
Nivel 3
Control Avanzado
NNs, Fuzzy, No lineal, MPC, …
Nivel 2
Control convencional
PIDs, DCS
Nivel 1
Instrumentación de
campo
Figura 11.37: Jerarquía de Cont rol de Procesos
El MPC es una familia de métodos de control con las siguientes ideas comunes:
Modelo de Predicción: Usa en línea un modelo explícito del proceso para predecir
el comportamiento futuro del sistema.
Señal de Referencia: Usa una señal de referencia para llevar la salida al valor de la
consigna.
Estructuración de la Ley de Control: Reducción de los grados de libertad para
simplificar los cálculos.
Estrategia de Horizonte Móvil o Deslizante: En cada instante de muestreo se
realiza la medición de las entradas y las salidas y se recalcula la acción de control.
Obtención de la Acción de Control Óptima: Obtiene la acción de control óptimo
mediante la minimización de una función objetivo que tiene en cuenta las salidas,
las acciones de control futuras en un intervalo de tiempo y las restricciones de
operación.
En cada período de control, el algoritmo del MPC determina una secuencia de ajustes en la
variable manipulada que optimizan el comportamiento futuro de la planta. Luego se envía a
la planta la primer entrada de la secuencia óptima y se repite toda la optimización en los
intervalos de control subsecuentes.
Capítulo 11: DESTILACIÓN DE BIOETANOL.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
311
Figura 11.38: Esquem a de funcionam ient o de un MPC
En la Figura 11.38 se muestra un esquema de funcionamiento de un MPC. Los modelos
internos que se usan para predecir el comportamiento del sistema pueden ser de diversos
tipos:
Función de transferencia
Respuesta al impulso
Respuesta al escalón
Espacio de estados
Modelos de conocimiento
Redes neuronales
Series de Volterra
Multimodelos
…..
La razón más frecuentemente citada del éxito del control predictivo en la industria es que el
proceso funciona de manera más rentable, fundamentalmente por la funcionalidad de
optimización de consignas asociada al controlador, y por la capacidad de éste de operar
sobre una o más restricciones y de manera más uniforme.
11.16.3
Ventajas y desventajas del MPC
Las principales razones de su éxito en la industria se pueden atribuir a las siguientes
razones:
Los conceptos fundamentales del MPC son fáciles de comprender.
La incorporación de un modelo explícito del proceso permite que el controlador
tome en cuenta las dinámicas e interacciones del mismo.
El algoritmo considera el comportamiento futuro de la planta como función de las
acciones sobre la misma. De esta manera se pueden compensar los efectos de las
perturbaciones y llevar la planta más cerca de la trayectoria de referencia futura.
Capítulo 11: DESTILACIÓN DE BIOETANOL.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
312
Son técnicas que se pueden aplicar a muchos tipos de sistemas (SISO, MIMO,
con y sin perturbaciones, etc.).
Son adecuadas para resolver problemas con dinámicas difíciles (tiempos muertos,
retardos, fase no mínima, inestables, etc.).
Su formulación en el dominio temporal hace que se puedan incluir restricciones
en las entradas, en los estados y en las salidas en forma directa en la optimización.
Permite resolver problemas de control multivariable con fuerte acoplamiento
entre las variables del sistema.
Está particularmente indicado para aquellos casos en los que se conoce de
antemano la evolución de la referencia (robótica, procesos batch, etc.).
Su sintonía no es complicada.
Es posible montarlos sobre la capa de regulación (PIDs) y combinarlos con una
capa de optimización de consignas, fundamentalmente económica.
Entre las desventajas se pueden mencionar:
Son costosos desde el punto de vista computacional, particularmente si se
incluyen restricciones, garantías de robustez, modelos no-lineales, etc. Sin
embargo, en la actualidad esto tiende a ser cada vez menos un problema dado el
avance que se ha producido en el rendimiento de los ordenadores.
Se necesita un buen modelo del proceso a controlar. El desempeño del controlador
es función de la calidad del modelo.
Referencias Bibliográficas
[1]
Acedo Sánchez, J. - Control Avanzado de Procesos – Teoría y práctica –
Ediciones Días de Santos – 2003
[2] Assandri, A. – Control Predictivo Paramétrico de Procesos – Tesis Doctoral –
Universidad de Valladolid - 2005
[3] Camacho, E. F. y Bordons, C. – Model Predictive Control – 2da Ed. – Springer 2004
[4] Cerpa, Manuel G. - Producción del etanol anhidro como aditivo para la gasolina
a partir de la caña de azúcar de la región del río Huallaga - 2005
[5] Kister, Henry Z. - Distillation operation – McGraw-Hill - 1990
[6] Ludwing, Ernest - Applied Process Design for Chemical and Petrochemical
Plants Vol. 2 3ra Ed.- Gulf Publishing Company – 1994
[7] Maciejowski, J. M. - Predictive Control with Constraints – Prentice Hall - 2002
[8] Tham, Ming T.
Distillation – Newcastle University http://lorien.ncl.ac.uk/ming/distil/distil0.htm - 1997
[9] Mujtaba, I. M. - Batch Distillation – Design and Operation – Imperial College
Press – 2004
[10] Rein, Peter - Cane Sugar Engineering – Bartens – 2007
[11] http://www.ethanolindia.net/molecular_sieves.html
[12] http://www.wikipedia.org
Capítulo 11: DESTILACIÓN DE BIOETANOL.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
313
Capítulo 12: TRATAMIENTO DE VINAZAS.
Julio Elias Normey Rico
Marcus V. Americano da Costa Filho
Departamento de Automação e Sistemas
Universidad de Federal de Santa Catarina - Brasil
12.1 Introducción.
Este capítulo analiza diversos aspectos relacionados con el tratamiento de las vinazas
producidas como sub-producto en las columnas de destilación de la industria del alcohol de
caña. Primeramente se presentan las caraterísticas de este producto, sus cualidades e
inconvenientes, para posteriormente mostrar los posibles usos y como puede ser tratada de
forma a potencializar su aprovechamiento y aumentar el valor agregado.
En el proceso de fermentación biológica utilizado para producir alcohol etílico y levadura
resulta un residuo líquido final llamado vinaza. Tiene coloración verde castaña, turbidez y
temperatura elevadas y una DBO (Demanda Bioquímica de Oxígeno) que oscila entre 7.000
y 20.000 mg/litro [8].
Desde que Brasil inició su programa “Proálcool”, en los años 70, la vinaza ha sido motivo
de preocupaciones, tanto por su alto potencial de polución, como por la posibilidad de ser
utilizada como una fuente de rendimientos para a agroindustria. Actualmente la vinaza
puede considerarse hoy como un sub-producto rentable de la producción de alcohol y no
apenas un residuo a ser eliminado [4].
Debemos sin embargo considerar que la vinaza no puede utilizarse directamente en el
medio ambiente sin tener garantías de que se producirá una dilución compatible con sus
características. Si esta dilución no es controlada su elevada DBO provoca rápido
agotamiento del oxígeno en el medio líquido y genera efectos desastrosos en la flora y
fauna del local.
Para atenuar los efectos contaminantes de la vinaza se pueden utilizar tratamientos
químicos basados en la conversión de las sales solubles y las sustancias orgánicas en sales
insolubles de calcio para separarlas por precipitación (este tratamiento puede remover hasta
el 50% de la DBO). Otro tratamiento biológico de tipo anaerobio-aerobio puede remover
hasta el 95% de la DBO [8].
Por otro lado, si las vinazas son reutilizadas pueden contribuir a mejorar el retorno
económico de todo el proceso de producción. Debemos destacar que el costo de producción
altamente competitivo de la caña-de-azúcar brasileña frente a otras materias-primas
utilizadas en otras partes del mundo, se debe en parte a que la vinaza hace de la caña el
único producto agrícola auto-suficiente en fertilización. De hecho la vinaza substituye casi
totalmente a los fertilizantes químicos en las plantaciones [7].
El uso de la vinaza como fertilizante exigió que modernas técnicas de transporte con
tanques de gran volumen fuesen utilizadas y que nuevos materiales con mayor resistencia a
la corrosión fuesen usados para el transporte de este fluido.
Capítulo 12: TRATAMIENTO DE VINAZAS.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
314
Recientemente, con los incentivos que han surgido para aumentar la producción de caña de
azúcar para conseguir aumentar el volumen de bio-etanol y con las nuevas exigencias de
preservación del medio ambiente, es necesario analizar y estudiar las diferentes alternativas
de re-aprovechamiento de la vinaza.
12.2 El tamaño del problema
Es importante destacar las dimensiones del problema que se quiere analizar, estudiando las
relaciones entre los volúmenes de alcohol y vinaza producidos. Esto nos dará una idea
también del potencial energético y del valor económico de los subproductos.
De una tonelada caña destinada para la producción de alcohol se obtienen
aproximadamente 70 litros de alcohol y entre 700 y 980 litros de vinaza (valor que depende
de los contenidos de sólidos totales). Esto da un promedio de 10 a 14 litros de vinaza por
cada litro de alcohol.
En valores totales, para tener una idea de volumen total, la Tabla 12.1 muestra los datos de
producción de Brasil en 2004-2005 para 5,5 millones de hectáreas de área recogida:
Alcohol (m3)
Vinaza (m3)
14,8 MILLONES
207,2 MILLONES
Tabla 12.1: Producción aproxim ada de vinaza en Brasil en 2004- 2005
Considerando a la vinaza como un residuo podemos calcular que este volumen es
equivalente a la carga contaminante de una población de 33 millones de habitantes.
Por otro lado si este volumen de vinaza es considerado un fertilizante estamos hablando de
un ahorro muy expresivo en productos químicos. Del punto de vista económico la
situación puede ser mejor aún si la vinaza no es usada natural sino posteriormente a un
tratamiento en bio-digestores anaeróbicos que producen biogás (gas metano) [7]. Esta
experiencia ya existe en algunos locales de Brasil. Después de la digestión en el reactor, la
vinaza se transforma en un biofertilizante líquido de gran valor biológico.
La vinaza tratada contribuye aumentando substancialmente la fertilidad del suelo y también
mejora la rigidez de la planta cuando se lo usa en las hojas. Además, la vinaza fermentada
se puede usar en otros cultivos [7].
12.3 Problemas energéticos asociados
Además del aprovechamiento de la vinaza, otros aspectos deben ser considerados. Un
estudio realizado en Brasil con datos de 1997 [6] analiza que con los 1.333 Mt de caña
procesada, se obtuvieron 335 Mt (25%) de bagazo. La energía aprovechable en una
tonelada de bagazo, con 50% de humedad es de 2,85 GJ. El bagazo es utilizado como
combustible en las calderas que generan vapor para atender diversos sectores del ingenio.
Este bagazo no incluye la paja ni las puntas, que representan 55% de la energía acumulada
en el cañaveral. Este potencial fabuloso no es aprovechado, ya que, en la mayoría de los
casos, esta parte se quema en el campo.
Capítulo 12: TRATAMIENTO DE VINAZAS.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
12.3.1
315
Ideas y soluciones
Actualmente tenemos dos posiciones contrarias al crecimiento de la producción de alcohol.
Por un lado la crisis del petróleo apuntando a los bio-combustibles como una de las
opciones para substituirlo energéticamente. Por otro lado están las posiciones contrarias a
un programa que usa grandes áreas para plantío y que genera gran cantidad de residuos. Por
estos motivos se exigen hoy soluciones que no ataquen al medio ambiente y al mismo
tiempo resuelvan los problemas energéticos [7].
La industria del alcohol a partir de la caña de azúcar puede transformarse para mejor si
algunas medidas son tomadas en la dirección de disminuir los efectos al medio ambiente y
mejorar la eficiencia energética de todo el proceso.
Mencionaremos aquí de forma sintética algunos aspectos y después nos concentraremos en
dos puntos principales relacionados con la vinaza: su uso para producir bio-gas y
fertilizantes.
Puntos a mejorar en el proceso [7]:
1. No quemar antes de colectar. Con esto se evita la generación de humo, no se
pierde grande parte de los nutrientes que se “escapan” en el humo (algunos
estudios apuntan para casi 60% de perdidas). Se podría dejar una capa de hojas
sobre el suelo que evitará el uso de herbicidas, mejorará el nivel de nutrientes y
mantendrá la humedad del suelo. Con esto se evitan las cenizas en el campo y los
venenos aplicados a la tierra, mejorando el medio ambiente y disminuyendo los
costes del tratamiento de la tierra. Además la aplicación de la vinaza sobre este
suelo protegido de hojas mejora la absorción y si aplicado en medida correcta
dejará el suelo más aereado.
2. La vinaza no se aplicará cruda sobre el suelo sino previamente procesada en un
bio-reactor. Esto tiene dos ventajas principales. La primera es que el gas obtenido
del reactor puede usarse como combustible. La segunda es que la vinaza
procesada se convierte en un biofertilizante líquido de excelentes propiedades
biológicas que se puede usar en otros cultivos.
3. Como parte de la energía del ingenio será generada por el bio-gas sobrará mas
bagazo que puede ser utilizado para alimento animal o para mantener al ingenio
generando energía eléctrica después del final de la zafra (como ya es común en
muchos casos con ingenios que venden energía eléctrica). Para la alimentación
animal también pueden usarse las puntas verdes del corte, aumentando así el
reaprovechamiento de los residuos.
4. Las cenizas que sobran en la quema de bagazo mantienen los nutrientes minerales
del bagazo, salvo lo que se pierde en el humo. Estos residuos, mismo vitrificados
pueden molerse y usarse en la plantación para mejorar el suelo. En estas cenizas y
en la vinaza se encuentran los elementos que la planta retira del suelo, fósforo (P),
potasio (K), calcio (Ca), y magnesio (Mg) entre otros.
5. Las vinazas que no sean aprovechadas directamente en el ingenio y sus
plantaciones también podrán ser concentradas para facilitar el transporte a otros
locales donde serán re-aprovechadas como fertilizantes.
Capítulo 12: TRATAMIENTO DE VINAZAS.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
316
12.4 Concentración de vinazas y su uso como fertilizante
12.4.1
Propiedades de la vinaza natural
La aplicación de la vinaza al suelo es considerada como una fertilización de elevada
eficiencia pues, además de dar a la tierra los nutrientes necesarios, causa una mejora en las
condiciones físicas, químicas y bacteriológicas del suelo. Un metro cúbico de vinaza
diluida contiene sales minerales equivalentes a 2.6 kg de urea (46% N), 0.3 kg de
superfosfato triple (45% P2O5) y 15.7 kg de KCl (50% K2O) [8].
La vinaza in natura se aplica directamente a los cultivos por medio de canales, tuberías de
hierro fundido, maderas o materiales plásticos, etc. Se debe aplicar cada 4 ó 5 años. En
tierras con pH inferior a 4 se debe usar a razón de 1,100 m3 /ha, ó 100 litros/m lineal de
surco. Para pH entre 4 y 5, 850 m3 /ha, ó 95 litros/m lineal de surco; y para pH superior a 5,
650 m3 /ha, ó 70 litros/m lineal de surco [8].
La aplicación de vinaza diluida como fertilizante en caña de azúcar genera un gran aumento
de producción media (hasta un 74%) y también mejora cultivos como frijol, algodón y
maíz. Puede usarse también en alimentación animal.
12.4.2
Vinaza concentrada
El principal motivo para concentrar la vinaza es que una vez concentrada se convierte en un
jarabe que puede transportarse con más facilidad y una vez en el local de uso se puede
diluir para ser aplicada con la concentración adecuada a cada caso.
La concentración de los sólidos se realiza mediante evaporación por calefacción a vapor de
parte del agua contenida en la vinaza. El porcentaje de sólidos se eleva desde 5-8% hasta
60%. También es posible deshidratarlo completamente, mediante secado por aspersión,
hasta obtener un polvo fino que conserva sus características de material orgánico.
El porcentaje de materia orgánica y nutrientes en NPK para vinaza concentrada pueden
observarse en la Tabla 12.2, presentando además, en forma comparativa los valores para
vinaza seca [8]:
Vinaza
Materia Org (%)
N (%)
P2O5 (%)
K2O (%)
Otros (%)
Concentrada 60 o Brix
49.2
0.90
0.13
6.03
3.67
Seca
82.0
1.53
0.19
10.13
6.11
Tabla 12.2: Porcent aj e de m at eria orgánica y nut rient e NPK para la vinaza concent rada a 60
o
Brix y vinaza seca
La vinaza concentrada puede usarse como fertilizante y como insumo para ración animal.
Algunos estudios realizados en Europa muestran que con la vinaza es posible mejorar la
rapidez de crecimiento de los animales en un 5% y disminuir el precio de la ración en 15%.
12.4.3
Ventajas y desventajas
Desventajas de la vinaza natural:
Puede contaminar las aguas
Capítulo 12: TRATAMIENTO DE VINAZAS.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
317
Dificultad para dosificar
Costo elevado del transporte
Se desconoce su composición y se controla la concentración.
Aplicada en exceso contamina el suelo
Ventajas de producir la vinaza concentrada:
Soluciona el problema de las aguas contaminadas.
El proceso de concentración de la vinaza permite reutilizar el agua que resulta del
proceso mediante el uso de torres de enfriamiento o reutilizando el agua caliente
directamente en el proceso, por ejemplo en las calderas.
La concentración reduce el volumen de la vinaza facilitando así su transporte y
distribución.
La vinaza concentrada permite su utilización en mezclas alimenticias de forraje
para ganado.
12.4.4
Proceso de concentración
De acuerdo con De Biase [4] los primeros concentradores de vinaza usaban evaporadores
inclinados de tipo termo-sifón. Después se utilizaron los de tipo película fina donde la
vinaza a evaporar escurre en alta velocidad por las paredes internas de los tubos del
intercambiador, reduciendo el tiempo de permanencia en contacto con el vapor de
calentamiento y de esta forma disminuyendo las incrustaciones. Estas propiedades de los
evaporadores de película fina los hacen los más indicados para su uso en la industria del
alcohol y azúcar y por ello se aplican también en los evaporadores de jugo.
Estos concentradores se usan desde hace varios años. Un ejemplo interesante de la
aplicación de éstos concentradores se instaló en 1976 en Sertãozinho, estado de São Paulo,
para una unidad que producía 120.000 litros de alcohol por día [4]. El concentrador era
alimentado con 70 m³/h de vinaza con 6% de sólidos, concentrando el producto hasta 60°
Brix. El objetivo principal de esta unidad era poder usar la vinaza concentrada en áreas de
plantío alejadas, con un gran ahorro en el costo del transporte.
El sistema de evaporación operaba en cuádruplo efecto con un termo-compresor de vapor a
8kgf/cm², con un consumo de 13 ton /h de vapor directo rebajado. El condensador final era
de tipo barométrico, con bomba de vacío. El consumo de energía eléctrica de la planta era
de 400 kw/h, para producir 5 m³/hora de vinaza concentrada, o 7 ton/hora de producto
concentrado con densidad aproximada de 1,4 kg/m³.
Los evaporadores del primer al tercer efecto eran del tipo película fina de caudal
descendiente y tenían control automático de caudal para la inyección rápida de agua
caliente para lavar los tubos en caso de falta de líquido o parada de las bombas. El
intercambiador del último efecto era del tipo recirculación forzada, para posibilitar la
operación de la etapa final con concentración de 45° a 60° Brix y evitar los problemas de
incrustaciones.
12.5 Biodigestión de la vinaza
La vinaza también puede usarse como fertilizante después de pasar por un proceso en un
bioreactor del cual de puede producir biogas, que permite mejorar la eficiencia energética
del proceso como un todo. Las propiedades de la vinaza bio-digerida son tan o mas
Capítulo 12: TRATAMIENTO DE VINAZAS.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
318
interesantes como las de la vinaza concentrada.
La bio digestión de vinazas en las destilerías de alcohol se reduce a un proceso de digestión
anaerobia que puede ser continuo o discontinuo, de acuerdo a las posibilidades técnicas y a
los intereses económicos de la usina.
Analizaremos primero las propiedades de la vinaza tratada.
12.5.1
Vinaza biodigerida vs vinaza natural
La biodigestión normaliza físico-químicamente la vinaza y promueve el mejor uso de sus
sustancias regeneradoras de suelos agrícolas (nitrógeno, fósforo y potasio, calcio,
magnesio, etc). Las vinazas tratadas proporcionan una mejor calidad ambiental, eliminando
olores y evitando poblaciones de insectos en este entorno. Como factor de equilibrio de
órgano-mineral, la normalización de pH 6,0 a 6,9, dará lugar a un menor gasto con
correctores de la acidez del suelo en las zonas de plantación de caña de azúcar.
La Tabla 12.3 compara las propiedades de las vinazas antes y después del tratamiento [2].
Componente-Propiedad
Vinaza natural
Vinaza Biodigerida
pH
4,0
6,9
DQO (g/l)
29
9,0
N total (mg/l)
550
600
P total (mg/l)
17
32
K total (mg/l)
1400
1400
Tabla 12.3: Propiedades de las vinazas ant es y después del t rat am ient o
Se observa que la vinaza no pierde propiedades minerales y mejora sus características de
DQO (demanda química de oxígeno) y pH.
12.5.2
Generación de bio-gas a partir de la vinaza
La producción de metano es sólo uno de los beneficios de la bio digestión anaeróbica, cuyo
principal objetivo es el tratamiento de efluentes. Las ventajas de este proceso son las
siguientes: reducción de DBO, producción de biofertilizante, pequeña producción de barro,
bajos gastos de funcionamiento e inversión y la posibilidad de sistemas descentralizados de
tratamiento.
Otro factor determinante que hace que el proceso sea aún más útil es el uso del biogás
generado como una fuente de calor para el proceso, ayudando a reducir el costo del
tratamiento. En términos de energía, su uso puede hacerse simplemente por la quema en
calderas, dispensación de los sistemas complejos de purificación, compresión y
almacenamiento. Para su uso en vehículos se requiere altos niveles de depuración para la
eliminación de H2O, CO2 y H2S y complejos sistemas de compresión a alta presión.
La utilización de la biomasa como fuente de energía (biogás, por ejemplo) no aumenta el
nivel de CO2 en la atmósfera, ya que el CO2 liberado durante la combustión de la biomasa,
Capítulo 12: TRATAMIENTO DE VINAZAS.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
319
se compensa con el que se consume durante la fotosíntesis.
Es importante conocer primero el potencial energético disponible en el proceso, incluyendo
el uso de la vinaza.
12.5.3
Potencial energético
La Tabla 12.4 y la Tabla 12.5, muestran el potencial energético de una tonelada de caña de
azúcar [1] y el potencial energético del Brasil, calculado con una producción de 16 millones
de metros cúbicos.
1 tonelada de caña
Valor energético (kcal)
%
250 kg bagazo
450 mil
49,5
70 litros alcohol
392 mil
43,0
11,83 m3 bio-gas
67 mil
7,5
Energía total
909 mil
100,0
Tabla 12.4: Pot encial energét ico de una t onelada de caña
Producción de alcohol
16 millones m3
Vinazas
224 millones m3
Bio-gás
3000 millones m3
Energía (60% metano)
1,65 1016 cal
Toneladas equiv. de petróleo
1,5 millones tEP
Consumo energia de Brasil
0,67%
Consumo petróleo Brasil
2,2 %
Tabla 12.5: Pot encial energét ico de la producción de Brasil en 2005
Estos datos muestran que si no se trata la vinaza se pierde hasta un 7,5% del potencial
energético de la caña molida. Del punto de vista económico las ganancias son aún mayores
pues la vinaza tratada en los bio reactores tiene un importante valor comercial como
fertilizante.
A continuación estudiaremos algunos aspectos del uso de los bio reactores.
12.5.4
Uso de reactores en la producción de bio-gas
Los digestores pueden clasificarse según el tipo de construcción y funcionamiento, por la
forma de almacenamiento del gas, por las corrientes de las sustancias en el proceso de
fermentación, por la temperatura de operación, por el uso o no de agitación y por el uso o
no de dispositivos para añadir la biomasa bacteriana [9].
El proceso de biodigestión realizado en reactores convencionales es relativamente lento,
con un tiempo de retención de aguas residuales en el reactor de varios días. Por este motivo
para el caso de las vinazas es necesario usar reactores más eficientes, como los
Capítulo 12: TRATAMIENTO DE VINAZAS.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
320
biodigestores de alta eficiencia, denominados UASB (Upflow Anaeróbic Sludge Blanket
Reactor). Los UASB usan una alta concentración de microorganismos en el interior del
reactor, a través de la recirculación externa o retención interna de los microorganismos [3].
El reactor UASB es un tanque con un compartimiento digestor localizado en la base, que
contiene la cámara de lodo biológico y en la parte superior posee un decantador precedido
por un sistema de separación de gas [5]. El afluente a ser tratado es distribuido
uniformemente en la base del reactor, pasando por la capa de lodo, a través de la cual la
materia orgánica se convierte en biogás. Un sistema de deflectores impide que el gas
producido se dirija al sedimentador. La porción de lodo que llega al decantador se separa,
volviendo a la base del reactor y el afluente es eliminado de manera uniforme de la
superficie del mismo.
La Figura 12.1 muestra un esquema del reactor UASB donde se muestran los flujos de
afluente, efluente y gas producido.
Figura 12.1: Esquem át ico de un react or UASB
Los criterios utilizados para el control y operación de un biodigestor deben basarse en la
estimación del potencial de producción de biogás a partir de la vinaza considerando que
[3]:
la producción de CH4 en estado estacionario es proporcional a la cantidad de
DQO consumida en el reactor (1 gr de DQO consumido corresponde a la
producción de 0,35 litros de CH4);
una parte del biogás producido se disuelve y se pierde en los efluentes;
parte de la DQO se transforma en biomasa.
En la práctica, con los digestores de vinaza se obtiene una producción de 0,30 litros de CH4
por gramo de DQO consumido, y la proporción de CH4 en biogás es aproximadamente de
55% a 65% de CH4.
En [10] se muestra un estudio realizado en una planta piloto de escala industrial, un reactor
UASB de 75 m³ operando 280 días al año, con digestión anaerobia termofílica (55-57 ° C)
de vinazas. Se consiguieron altas tasas de carga orgánica (25-30 kg DQO / m³ de
Capítulo 12: TRATAMIENTO DE VINAZAS.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
321
reactor.dia), aproximadamente el doble de los que normalmente se consiguen en
tratamientos mesófilas de vinazas en este tipo de reactor. En consecuencia, hubo una alta
conversión de materia orgánica (con un 72% la eficiencia en la remoción de DQO) y la tasa
de producción de biogás fue de 10 m³ / m³ de reator.dia.
Este funcionamiento del reactor da una producción de biogas de 0.37 m3 de metano por
cada kg de DQO, o sea que como 1 m3 de etanol general 500 kg de DQO, la producción de
metano puede estimarse en 185 m3 de CH4 por m3 de etanol.
Estos resultados nos llevan a lo anteriormente expuesto, que de 1 tonelada de caña es
posible obtener aproximadamente 13 m3 de biogas, que representa 7,5% de la energía total
contenida en la caña.
12.6 Control y automatización
Para que cualquiera de los tratamientos de las vinazas aquí analizados pueda ejecutarse de
forma rentable y con productos de calidad controlada es necesario que se invierta en
automatización y control del proceso. Tanto la concentración como la bio digestión exigen
que se utilicen diversos tipos de control como por ejemplo lazos de nivel, pH, temperatura
y caudal.
Debemos destacar que debido a los altos costos de inversión, pocas empresas del sector
alcoholero ya tienen instalado un sistema de concentración o aprovechamiento energético
de vinazas. Sin embargo, con las nuevas normas ambientales el uso de este tipo de sistema
se está transformando en una solución técnicamente viable y cada día mas buscada en el
mercado.
En los siguientes apartados de este capítulo se analizan las estructuras de control de
evaporadores y reactores básicas con el objetivo de entender la problemática asociada al
control de estos sistemas.
12.6.1
Sistema de control-evaporadores
Como ya fue comentado los evaporadores de múltiple efecto y de película descendente son
los más indicados para usar en el proceso de concentración de vinazas. Lógicamente la
configuración final que será usada depende de las necesidades de cada ingenio.
Diferentemente de los evaporadores utilizados en otros procesos de la industria azucareraalcoholera, el funcionamiento y control de los evaporadores de película descendente para
concentrar vinazas ha sido poco estudiado y son muy pocos los trabajos publicados en este
tema. Así, es importante que se desarrollen proyectos de investigación y desarrollo de
sistemas de optimización y control de este proceso.
La Figura 12.2 muestra un esquema básico de control de un evaporador de vinazas de doble
efecto. En este esquema se han incluído los lazos de control local fundamentales
La vinaza entra en el sistema con la temperatura y concentración de salida de la columna de
destilación (valores cercanos a de 90 C y 10 Brix respectivamente) y con un caudal definido
también por el funcionamiento de la destilación.
Capítulo 12: TRATAMIENTO DE VINAZAS.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
322
Solamente el primer vaso evaporador recibe el vapor (que es normalmente vapor de escape)
y el vapor vegetal de este primer vaso es usado como fuente de energía (calor) para el
segundo vaso. Con este proceso se ahorra vapor de escape y se consigue en dos etapas
concentrar el producto, que normalmente sale del vaso 2 con un Brix de 50.
La principal variable controlada es la concentración del producto, el Brix de la vinaza, y en
este esquema de control la variable manipulada es el caudal de vapor en la entrada del
primer efecto. Para este esquema se usa un control tipo cascada, con el control de caudal
como esclavo y el control de Brix como maestro. En este esquema se usa una medición
directa del Brix.
Figura 12.2: Esquem a de cont rol en un evaporador de vinazas de dob le efect o
Como los medidores en línea de Brix son caros, en algunas instalaciones se usan medidas
indirectas para estimar su valor. Por ejemplo, se puede usar la medición de vacío en el
segundo vaso como una medida del Brix. En este caso se coloca una bomba de vacío y un
controlador de vacío en el segundo vaso.
Además de esta variable también se desea mantener el nivel de cada vaso en un valor
determinado para poder conseguir la mejor eficiencia en el proceso de evaporación. Para el
control de nivel se usan en este esquema los caudales de salida de cada vaso. En este
esquema se utilizan conjuntos de bombas de desplazamiento positivo con válvulas, que
podrían ser substituidos por bombas con variadores de frecuencia. Finalmente el vapor de
agua es condensado en la salida del segundo efecto e una determinada temperatura,
generando agua que puede ser reaprovechada.
12.6.2
Sistema de control del reactor UASB
El sistema de control e instrumentación para un reactor anaeróbico depende fuertemente de
las características del bioreactor y del afluente [11]. Así, no se puede definir una única
estructura de control y aplicarla de forma general a todos los reatores.
A pesar de que ya existan estudios relacionados con la producción de bio-gas a partir de la
vinaza, no existe un proyecto de control consolidado. Sin embargo, el desafío del proyecto
de ingeniería de plantas y control es tornar el proceso lo mas homogéneo posible,
permitiendo que las bacterias entren en contacto con la materia orgánica en las condiciones
Capítulo 12: TRATAMIENTO DE VINAZAS.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
323
deseadas y durante el tiempo necesario de la reacción. Por ello, en este apartado se analizan
de forma general las principales variables que deben ser controladas y se propone una
estructura también general de control.
En los reactores del tipo UASB existe una constante variación del pH, del substrato y de la
biomasa involucrada en el sistema. Si la carga orgánica excede la capacidad de degradación
y satura el sistema, se pierde eficiencia y calidad en el proceso [13]. Del punto de vista de
control manual, en la práctica se evita que el sistema se sobrecargue operando lejos de la
capacidad máxima del bio-reactor. En un sistema automático debemos mantener el proceso
funcionando siempre próximo de su capacidad máxima para obtener el mejor rendimiento.
En algunos trabajos recientes [11, 12] se proponen estructuras de control donde el pH y el
caudal de biogás son controlados manipulando el caudal de afluente. Además, se muestra
que estos reactores trabajan siempre con altas tasas de recirculación para conseguir el
rendimiento deseado.
En el caso de las vinazas esto exige utilizar un tanque de alimentación (tanque pulmón) en
la entrada del sistema para evitar los efectos de la variación del caudal de producción de
vinazas. Por otro lado los estudios presentados muestran el efecto de la temperatura en la
eficiencia del reactor. Como los reactores UASB utilizan bacterias termofílicas que operan
en temperaturas que varían de 55 C a 57 C y la vinaza entra en el proceso a mayores
temperaturas (de 80 C a 90 C) es necesario utilizar un intercambiador de calor a la entrada
del proceso para mantener la temperatura controlada.
Usando estas ideas la Figura 12.3 muestra una configuración de control del reactor UASB.
En esta estructura se controla el nivel dentro del reactor, la temperatura, el pH y el caudal
de salida de bio-gas. En un sistema mas completo y complejo otras variables como tasa de
de remoción de DQO, por ejemplo, pueden ser controladas o monitoreadas.
Figura 12.3: Sist em a de cont rol de un react or UASB
Capítulo 12: TRATAMIENTO DE VINAZAS.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
324
En el sistema de la Figura 12.3, el caudal de agua fría que entra al intercambiador de calor
se usa para controlar la temperatura en el reactor. Para controlar el nivel dentro del reactor y
la producción de bio-gas se utilizan los caudales de afluente y de recirculación. El pH
puede usarse como variable de control intermediaria como en [11] (esclava del control de
caudal de salida de bio-gas) o en un control independiente si se adiciona algún producto
para regular el pH. Es importante destacar que todas las variables están acopladas y que un
control multivariable debe ser usado si se desea optimizar el rendimiento del reactor. En
general, la acidez de la vinaza es muy alta, por lo que no se puede alimentar el reactor
directamente con ella. Así, se utiliza un tratamiento previo para el control de pH de la
vinaza mezclándola con una base hasta conseguir un pH adecuado.
12.7 Conclusiones
La utilización de la vinaza como fuente de energía y bio fertilizante es muy importante,
tanto de punto de vista medio-ambiental como energético. Su tratamiento, sea por
concentración o bio digestión requiere estudios e inversiones en nuevos procesos y sistemas
de automatización que garanticen la operación correcta de estos sistemas.
Trabajos ya realizados en diversos ingenios demuestran la factibilidad de las soluciones y
su importancia en el balance económico.
Es importante destacar que debido a la complejidad del proyecto, el coste final de la
instalación de una concentración de vinazas y el gran volumen de aguas residuales con alta
DBO y DQO para ser tratadas, la decisión final debe estar precedida de un correcto análisis
económico. También debemos pensar en la posibilidad de reducir la cantidad de vinaza
producida mejorando el nivel de tecnología del proceso. Así, antes de invertir en las
concentraciones o biodigestores, debemos concentrar nuestras inversiones en las prácticas
de la fermentación las levaduras y que permita a elevar los niveles de alcohol.
Para finalizar comentar que de acuerdo con lo publicado en la prensa brasileña con datos de
la Empresa de Investigación Energética de Brasil, actualmente 16% de la matriz energética
brasileña proviene de la caña de azúcar, superando inclusive a la energía hidroeléctrica que
tiene el 14,7%. Hoy, las energías renovables en Brasil representan 46,4% de la energía
producida (el petróleo y derivados ocupan 36,7%).
Referencias Bibliográficas
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
Sistema Produtor de Gás etano Através de Tratamento de Efluentes Industriais.
Lamo, Paulo de. Methax/Biopaq - Codistil - Piracicaba, 1991.
Tratamento de Vinhaças & Produção de Biogás Tratamento de Vinhaça:
Conceitos e Gestão Ambiental. http://www.bancor.com.br/vinha%E7a.htm
Geração de Energia Elétrica a partir do Resíduo Vinhaça. Fonzar G.,Eder & Luiz
S., Celso, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Industrial - UNESP Universidade Estadual Paulista – Bauru - S. P., Brasil.
Aspectos Gerais da Concentração das Vinhaças. De Biase, Luiz P.
www.fzea.usp.br/green/GERA/Luiz%20Paulo%20De%20Biase.doc
Estimativa do Potencial Brasileiro de Produção de Biogás através da Biodigestão
da Vinhaça e Comparação com outros Energéticos. Pompermayer, Raquel de
Souza & Paula Júnior, Durval Rodrigues de. In Proceedings of the 3. Encontro de
Capítulo 12: TRATAMIENTO DE VINAZAS.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
[6]
[7]
[8]
[9]
[10]
[11]
[12]
[13]
325
Energia no Meio Rural, 2000, Campinas (SP, Brasil)
Informativo do BIODIESELBR.COM, revisado en mayo de 2008,
http://www.biodieselbr.com/energia/residuo/residuo-setor-sucroalooeiro.htm
Como Melhorar Ecológica e Economicamente a Produção de Álcool.
Lutzenberger, José A. I Encontro Internacional de Energia da Cana de Açúcar 2931 de agosto de 1990 em Maceió – AL, Brasil.
Reemplazo Parcial del Jugo de Caña con Vinaza y Uso del Grano de Soya a
Cambio de Torta en Dietas de Cerdos de Engorde. Sarria, P & R. P., Thomas.
Livestock Research for Rural Development, Vol 4, 1, julio 1992.
Tecnologia da Digestão Anaeróbica da Vinhaça e Desenvolvimento Sustentável.
Pinto, Cláudio Plaza. Tese de Mestrado, Faculdade de Engenharia Mecânica,
Unicamp, 1999.
Thermophilic Anaerobic Digestion of Vinasse in Pilot Plant UASB Reactor.
Souza, M. E., Fuzaro, G. & Polegato, A. R. Water Science and Technology, v. 25,
n. 7, p. 191-200, 1992.
Monitoring and Control of an Anaerobic Upflow Fixed-Bed Reactor for HighLoading-Rate Operation and Rejection of Disturbances. Liu, J., Olsson G. &
Mattiasson, B. Biotechnology and Bioengineering, Vol. 87, N º. 1, July 5, 2004.
Simulation and Control of an Upflow Anaerobic Sludge Blanket (UASB) Reactor
Using an ADM1-Based Distributed Parameter Model. Mu, S. J., Zeng, Y.,
Tartakovsky, B. & Wu,P. Ind. Eng. Chem. Res. 2007, 46, 1519-1526.
Selection of Controlled Variables for a High Rate Anaerobic Reactor. Denac, M.,
Lee, P. & Greenfield, P. Environ Technol Lett 9: 1028-1040, 1988.
Capítulo 12: TRATAMIENTO DE VINAZAS.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
326
Capítulo 12: TRATAMIENTO DE VINAZAS.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
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Capítulo 13: TECNOLOGÍAS AVANZADAS DE
AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL.
Dr. Eduardo Julio Moya de la Torre
Fundación CARTIF, Valladolid, España
13.1 Introducción.
En este capítulo se van a analizar los elementos principales de automatización que serán
empleados a lo largo de todo este trabajo. La visión tratará de ser amplia y enfocada tanto
desde un punto de vista teórico como práctico. La visión práctica es necesaria puesto que la
culminación de este trabajo es la aplicación de los resultados de la investigación sobre las
plantas industriales, para permitirles mejorar su funcionamiento y sus prestaciones. La
visión teórica es igualmente importante en este capítulo, base para los demás, para disponer
de un marco claro y conciso sobre el que asentar los conceptos posteriores.
La historia de la automatización industrial está caracterizada por períodos de constantes
innovaciones tecnológicas. Esto se debe a que las técnicas de automatización están muy
ligadas a los sucesos económicos mundiales. La implantación de las nuevas técnicas y
tecnologías en los procesos industriales constituye una necesidad cada día más evidente en
el marco de la globalización y la altísima competencia en la que está avanzando la
producción y la sociedad en general. Desde la propia aparición de los procesos productivos,
los avances e innovaciones han supuesto una forma de diferenciación y un camino a seguir
en pro de la competitividad, pero además esta evolución de los procesos sigue un
crecimiento exponencial, de tal forma que no tomar a tiempo el tren de las nuevas
tecnologías puede suponer un fracaso de muy costosa solución.
En este sentido, y siendo conscientes del papel que se ha propuesto realizar esta red
temática, como motor e impulsor de los avances e innovaciones científicas, se ha realizado
un esfuerzo para ayudar a implantar esos avances en los procesos productivos industriales.
Hoy en día, las empresas que quieran ser competitivas necesitan realizar mejoras en sus
procesos productivos para obtener una mejor calidad del producto, con el menor coste
posible y con tiempos de producción más reducidos.
La implantación de las Técnicas de Control Avanzadas en los procesos industriales requiere
de un equipo de investigación que pueda aportar una base científica y aplicada en las
diversas materias que componen la automatización y el control industrial y que esté al día
en las novedades y tendencias que se siguen en esos campos a escala mundial. También se
requiere de un profundo conocimiento de los procesos que son susceptibles de incorporar
dichas investigaciones, así como de la tecnología existente a nivel industrial que haga
factible económicamente incorporar las mejoras técnicas.
En un contexto industrial se puede definir la automatización como una tecnología que está
relacionada con el empleo de sistemas mecánicos-eléctricos basados en computadoras para
la operación y control de la producción. En consecuencia la robótica es una forma de
automatización industrial.
Hay tres clases muy amplias de automatización industrial:
Automatización fija
Capítulo 13: TECNOLOGÍAS AVANZADAS DE AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
328
Automatización programable
Automatización flexible
La automatización fija se utiliza cuando el volumen de producción es muy alto, y por tanto
se puede justificar económicamente el alto costo del diseño de equipo especializado para
procesar el producto, con un rendimiento alto y tasas de producción elevadas. Además de
esto, otro inconveniente de la automatización fija es su ciclo de vida que va de acuerdo a la
vigencia del producto en el mercado.
La automatización programable se emplea cuando el volumen de producción es
relativamente bajo y hay una diversidad de productos a obtener. En este caso el equipo de
producción es diseñado para adaptarse a las variaciones de configuración del producto; ésta
adaptación se realiza por medio de un programa (software).
La automatización flexible, por su parte, es más adecuada para un rango de producción
medio. Estos sistemas flexibles poseen características de la automatización fija y de la
automatización programable. Los sistemas flexibles suelen estar constituidos por una serie
de estaciones de trabajo interconectadas entre si por sistemas de almacenamiento y
manipulación de materiales, controlados en su conjunto por una computadora.
En tiempos más recientes, el control numérico y la telequerica son dos tecnologías
importantes en el desarrollo de la robótica. El control numérico (CN) se desarrolló para
máquinas herramienta a finales de los años 40 y principios de los 50. Como su nombre lo
indica, el control numérico implica el control de acciones de una máquina-herramienta por
medio de números. Está basado en el trabajo original de Jhon Parsons, que concibió el
empleo de tarjetas perforadas, que contienen datos de posiciones, para controlar los ejes de
una máquina-herramienta.
El campo de la telequerica abarca la utilización de un manipulador remoto controlado por
un ser humano. A veces denominado teleoperador, el operador remoto es un dispositivo
mecánico que traduce los movimientos del operador humano en movimientos
correspondientes en una posición remota. A Goertz se le acredita el desarrollo de la
telequerica. En 1948 construyó un mecanismo manipulador bilateral maestro-esclavo en el
Argonne National Laboratory. El empleo más frecuente de los teleoperadores se encuentra
en la manipulación de sustancias radiactivas o peligrosas para el ser humano.
Por lo tanto se pueden distinguir cinco formas de automatizar en la industria moderna, de
modo que se deberá analizar cada situación a fin de decidir correctamente el esquema más
adecuado.
Control Automático de Procesos.
El Procesamiento Electrónico de Datos.
La Automatización Fija.
El Control Numérico Computarizado.
La Automatización Flexible.
El Control Automático de Procesos, se refiere usualmente al manejo de procesos
caracterizados por diversos tipos de cambios (generalmente químicos y físicos); un ejemplo
de esto podría ser el proceso de refinación de petróleo.
El Proceso Electrónico de Datos frecuentemente es relacionado con los sistemas de
Capítulo 13: TECNOLOGÍAS AVANZADAS DE AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
329
información, centros de computación, etc. Sin embargo en la actualidad también se
considera dentro de esto la obtención, análisis y registros de datos a través de interfases y
computadores.
La Automatización Fija, es aquella asociada al empleo de sistemas lógicos tales como: los
sistemas de relevadores y compuertas lógicas; sin embargo estos sistemas se han ido
flexibilizando al introducir algunos elementos de programación como en el caso de los
Controladores Lógicos Programables (o PLCs).
Un mayor nivel de flexibilidad lo poseen las máquinas de control numérico computarizado.
Este tipo de control se ha aplicado con éxito a Máquinas de Herramientas de Control
Numérico (MHCN), entre las que podemos mencionar:
Fresadoras CNC.
Tornos CNC.
Máquinas de Electroerosionado.
Máquinas de Corte por Hilo, etc.
El mayor grado de flexibilidad, en cuanto a automatización se refiere, se encuentra en los
robots industriales, que en forma más genérica se denominan "Celdas de Manufactura
Flexible".
13.2 Automatización Industrial. ¿Qué es un PLC?
Un autómata es una máquina industrial susceptible de ser programada (autómata
programable industrial, API) al estar basada en un sistema de microprocesador dotado de
un hardware estándar independiente del proceso a controlar. Se adapta a tal proceso
mediante un programa de usuario específico (software), escrito en algún lenguaje de
programación y que contiene la secuencia de operaciones a realizar.
El programa, realizado y depurado en una unidad de programación propia o ajena al
autómata, se incorpora a la memoria de programa del mismo, para su ejecución por la
Unidad Central de Proceso (CPU) del autómata.
La secuencia de operaciones del programa se realiza sobre señales de entrada y salida del
proceso, llevadas al bus interno del autómata a través de las correspondientes interfaces de
entrada y salida (E/S). El autómata gobierna las señales de salida según el programa de
control previamente almacenado en su memoria de programa, a partir del estado de las
señales de entrada. Los tipos de interfaces de E/S son muy variados, según las
características de las señales procedentes del proceso o las que se van a aplicar al mismo
(señales analógicas de tensión o corriente, pulsos de 0/5 V, 0/24 V, tensiones alternas 110
V, 220 V, tensiones continuas 12/24/48 V, etc.). En la mayoría de los PLC’s, el número
(hasta la capacidad permitida por la CPU), tipo y ubicación de las interfaces lo define el
usuario, adaptando así el autómata, junto con su programa, a las necesidades de su proceso.
Ejemplos de señales de entrada son las procedentes de elementos digitales, como
interruptores, finales de carrera y detectores de proximidad, o analógicos, como tensiones
de dinamos tacométricas, tensiones de termopares, etc. Ejemplos de señales de salida son
las órdenes digitales todo o nada o analógicas en tensión o corriente, que se envían a los
elementos indicadores y actuadores del proceso, tales como lámparas, contactores, válvulas,
etc.
Capítulo 13: TECNOLOGÍAS AVANZADAS DE AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
330
Ha de hacerse constar como característica esencial de los PLC’s, el disponer de un
hardware estándar que posibilita la realización de sistemas de control de acuerdo con las
necesidades del usuario. Por lo tanto su elección (gama baja, media o alta) será función de
las necesidades de potencia de cálculo y número y tipo de señales de entrada y de salida.
La configuración del autómata, llamada arquitectura interna, como en todo sistema
microprocesador, incluye fundamentalmente los siguientes cuatro bloques básicos: una
CPU o unidad central de proceso, una memoria interna de trabajo (RAM), una memoria de
programa (RAM, EPROM, EEPROM), y las interfaces de entradas y salidas conectadas al
bus interno. A su vez, tanto la CPU como la memoria de programa están conectadas a dicho
bus interno.
Las instrucciones de un programa de usuario almacenado en la memoria de un API son
ejecutadas correlativamente generando unas órdenes o señales de control a partir de las
señales de entrada leídas de la planta. Cuando se detectan cambios en las señales, el
autómata reacciona de acuerdo con el programa hasta que obtiene las órdenes de salida
necesarias. Esta secuencia se ejecuta continuamente a fin de conseguir el control
actualizado del proceso.
Además de ejecutar las instrucciones del programa, el autómata realiza un conjunto de
acciones que aseguran su funcionamiento correcto: test de CPU y memoria, comprobación
del reloj de guarda, etc. La secuencia o ciclo de operación consta básicamente de las
siguientes etapas:
1. Test del sistema.
2. Lectura de señales desde la interfaz de entrada.
3. Procesamiento del programa a fin de obtener las señales de control.
4. Escritura de señales en la interfaz de salida.
Para reducir los tiempos de acceso a las interfaces de E/S, la lectura y escritura de las
entradas y salidas involucradas se realiza a la vez, las entradas leídas se guardan en una
memoria temporal o imagen de entradas a la que accede la CPU mientras ejecuta el
programa, en tanto que los resultados o señales de control se van guardando en otra
memoria temporal o imagen de salidas a medida que se van obteniendo. Al terminar la
ejecución del programa los resultados se colocan de una sola vez en la interfaz de salida.
Aparte de las cuatro etapas descritas anteriormente, el autómata eventualmente puede
establecer comunicación con periféricos exteriores, por ejemplo, para sacar datos por
impresora, comunicación con otros autómatas u ordenadores, conexión con la unidad de
programación, etc.
Las acciones anteriores, repitiéndose periódicamente, definen un ciclo de operación que
requiere un cierto tiempo (dependiendo del número de entradas y salidas, y de la longitud
del programa) para ser ejecutado, de modo que el autómata no puede responder
instantáneamente a sucesos que ocurren en el sistema exterior. Este tiempo será
determinante cuando se pretendan controlar procesos rápidos con el autómata, con señales
de muy corta duración o alta frecuencia de conmutación.
Los retardos aportados por entradas o salidas son debidos, respectivamente, al filtrado de
Capítulo 13: TECNOLOGÍAS AVANZADAS DE AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
331
señal que incorporan (filtro pasa bajo), y a los tiempos de respuesta del interruptor (relé,
transistor, etc.) o convertidor digital/analógico. Para las entradas, los retardos típicos
oscilan entre 10ms y 100ms, aunque hay autómatas que permiten ajustes del tiempo de
filtro menores. Para los tiempos típicos, la frecuencia máxima de señal de entrada queda
limitada entre 100Hz y 10Hz, de forma que cualquier señal de frecuencia superior, o de
periodo T menor que el tiempo de filtro, no podrá ser leída desde las entradas estándar del
autómata.
En la teoría de los lenguajes formales, disciplina perteneciente a la informática se describen
tres tipos de autómatas que reconocen diferentes tipos de lenguajes: los autómatas finitos,
los autómatas a pila y las máquinas de Turing. El autómata es la primera máquina con
lenguaje, es decir, un calculador lógico cuyo juego de instrucciones se orienta hacia los
sistemas de evolución secuencial.
13.2.1
Recorrido histórico.
En los años 60, con el uso de los computadores o microprocesadores conectados a un
proceso industrial para su control comenzó el Control Digital Directo (DDC). No obstante,
aunque estos ordenadores resolvían los inconvenientes de un sistema cableado (o lógica
cableada), presentaban nuevos problemas:
Mala adaptación al entorno industrial.
Coste elevado de los equipos.
Necesidad de personal informático para la realización de los programas.
Necesidad de personal especializado para el mantenimiento.
Estos problemas se solucionarían con la aparición del autómata programable o PLC
(Controlador Lógico Programable; en inglés Programmable Logic Controller). Se
denomina PLC, o autómata programable, a toda máquina electrónica, basada en
microprocesador, diseñada para controlar en tiempo real y en un entorno industrial procesos
secuenciales. Su manejo y programación puede ser realizada por personal electricista o
electrónico sin demasiados conocimientos informáticos. Realiza funciones lógicas (Y, O,
Negación, implementadas como conexiones de llaves en serie o paralelo), temporizaciones,
conteos y otras más potentes como cálculos, algoritmos de control, etc.
También se le puede definir como una “caja negra” en la que existen unos terminales de
entrada a los que se conectarán pulsadores, fines de carreras, detectores de posición,
sensores de temperatura y presión, etc., conectándose a los terminales de salida dispositivos
tales como electroválvulas, contactores, lámparas, etc., de tal forma que la actuación de
estos últimos está en función de las señales de entrada que están activadas en cada
momento y según el programa almacenado.
En electrónica un autómata es un sistema secuencial, aunque en ocasiones la palabra es
utilizada también para referirse a un robot. Puede definirse como un equipo electrónico
programable en lenguaje no informático y diseñado para controlar, en tiempo real y en
ambiente industrial, procesos secuenciales. Sin embargo, la rápida evolución de los
autómatas hace que esta definición no esté cerrada.
A mediados de los años 60, General Motors, preocupada por los elevados costos de los
sistemas de control a base de relés, de lógica cableada, comenzó a trabajar con Digital
Capítulo 13: TECNOLOGÍAS AVANZADAS DE AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
332
Equipment Corporation (DEC) en el desarrollo de un sistema de control que evitara los
inconvenientes de la lógica cableada. El resultado de la colaboración fue un equipo
programado, denominado PDP-14, cuyo empleo no tardó en extenderse a otras industrias.
En un principio, los autómatas programables sólo trabajaban con control discreto (Si o No),
por lo que los problemas que requerían la manipulación de magnitudes analógicas se
dejaron para los tradicionales sistemas de control distribuido.
Resulta curioso anotar que R. E. Moreley, considerado por muchos el padre del autómata
programable, trabajando independientemente de las especificaciones de la General Motors,
desarrolló un equipo que respondía a las necesidades de dicha multinacional. Hacia la
primera mitad de los años 70 los autómatas programables incorporan la tecnología de los
microcontroladores, aumentando de este modo sus prestaciones:
Realización de operaciones aritméticas.
Comunicación con los ordenadores.
Incremento de la capacidad de memoria.
Mejoras en los lenguajes de programación.
Posibilidad de entradas y salidas analógicas.
Posibilidad de utilizar redes de comunicaciones.
La década de los años 80 se caracteriza por la incorporación de los microprocesadores,
consiguiendo:
Alta velocidad de respuesta.
Reducción de las dimensiones.
Mayor seguridad de funcionamiento.
Gran capacidad de almacenamiento de datos.
Lenguajes de programación más potentes: contactos, bloques funcionales,
GRAFCET (GRAFica de Control de Etapa de Transición).
En la actualidad existen autómatas que permiten la automatización a todos los niveles,
desde pequeños sistemas mediante autómatas compactos, hasta sistemas sumamente
complejos mediante la utilización de grandes redes de autómatas.
Como ya se ha comentado, las primeras aplicaciones de los autómatas programables se
dieron en la industria automotriz para sustituir los complejos equipos basados en relés. Sin
embargo, la disminución de tamaño y el menor costo han permitido que los autómatas sean
utilizados en todos los sectores de la industria. Sólo a modo de ejemplo, se mencionan a
continuación algunos de los múltiples campos de aplicación.
- Automóvil:
Cadenas de montaje, soldadura, cabinas de pintura, etc.
Máquinas herramientas: Tornos, fresadoras, taladradoras, etc.
- Plantas químicas y petroquímicas:
Control de procesos (dosificación, mezcla, pesaje, etc).
Baños electrolíticos, oleoductos, refinado, tratamiento de aguas residuales, etc.
- Metalurgia:
Capítulo 13: TECNOLOGÍAS AVANZADAS DE AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
333
Control de hornos, laminado, fundición, soldadura, forja, grúas,
- Alimentación:
Envasado, empaquetado, embotellado, almacenaje, llenado de botellas, etc.
- Papeleras y madereras:
Control de procesos, serradoras, producción de conglomerados y de laminados,
etc.
- Producción de energía:
Centrales eléctricas, turbinas, transporte de combustible, energía solar, etc.
- Tráfico:
Regulación y control del tráfico, ferrocarriles, etc.
- Domótica:
Iluminación, temperatura ambiente, sistemas antirrobo, etc.
- Fabricación de Neumáticos
Control de calderas, sistemas de refrigeración, prensas que vulcanizan los
neumáticos.
Control de las máquinas para el armado de las cubiertas, extrusoras de goma.
Control de las máquinas para mezclar goma.
Como ventajas del uso de los PLC frente a lógica cableada antigua encontramos:
Menor tiempo empleado en la elaboración del proyecto.
Posibilidad de introducir modificaciones sin cambiar el cableado ni añadir
elementos.
Reducido espacio de ocupación.
Menor costo de mano de obra de instalación.
Menor tiempo para la puesta en funcionamiento, al quedar reducido el de cableado.
Posibilidad de controlar varias máquinas con el mismo autómata.
Economía de mantenimiento.
Si por alguna razón la máquina queda fuera de servicio, el PLC sigue siendo útil
para otra máquina o sistema de producción.
Con el término estructura externa o configuración externa de un autómata programable nos
referimos al aspecto físico del mismo, bloques o elementos en que está dividido, así
encontramos:
Diseño compacto: En un solo bloque residen todos sus elementos (fuente, CPU,
entradas/salidas, interfaces, etc.). Tienen la ventaja de ser generalmente más baratos y
su principal desventaja es que no siempre es posible ampliarlos.
Diseño modular: Los distintos elementos se presentan en módulos con grandes
posibilidades de configuración de acuerdo a las necesidades del usuario. La estructura
más común es tener en un bloque la CPU, la memoria, las interfaces y la fuente. En
bloques separados las unidades de entrada/salida que pueden ser ampliadas según
necesidades.
En general se dice que un autómata es capaz de controlar en tiempo real un proceso, cuando
sus tiempos de respuesta o retardo son muy pequeños comparados con los tiempos de
reacción del mismo.
Capítulo 13: TECNOLOGÍAS AVANZADAS DE AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
13.2.2
334
Arquitectura del PLC.
La configuración del autómata es la estructura que tiene su sistema físico (hardware),
fundamentalmente la unidad de control, el sistema de E/S y la memoria, de modo que
pueda adaptarse a las características particulares de la aplicación industrial en que vaya a
usarse, Figura 13.1.
Siendo la modularidad una de las características fundamentales de los autómatas, la
elección de la configuración adecuada resulta fácil al ofrecer sus fabricantes una amplia
variedad de módulos y ampliaciones.
Figura 13.1: Arquit ect ura de un PLC
En cuanto a la unidad de control las configuraciones son:
Unidad de control compacta (control centralizado). Es el caso en el que una única
CPU gestiona tanto el programa como las entradas y salidas asociadas, agrupadas
en módulos que contienen exclusivamente interfaces E/S. Esta configuración se
usa en aplicaciones de poca complejidad, dando lugar a los llamados
microautómatas y miniautómatas.
Unidad de control modular (control distribuido). En aplicaciones de mayor
complejidad, en lugar de una única CPU, existen varios módulos con tarjetas o
unidades de proceso propias e incluso con sus interfaces de E/S. Es lo que se
denomina estructura de multiprocesadores o con control distribuido. Cada
procesador trabaja sobre subprogramas (partes del programa de usuario) o
específicamente sobre otras aplicaciones concretas (regulación, posicionamiento,
etc.) con su propio programa de tratamiento. En la estructura de
multiprocesadores las unidades de proceso están conectadas a una unidad central
(CPU maestra o principal) que gestiona el sistema en conjunto y permite el
intercambio de datos entre el resto de las unidades e interfaces. En algunas
aplicaciones es interesante duplicar la CPU o algún otro elemento del autómata,
en una configuración de seguridad, de modo que esta redundancia permite un
funcionamiento ininterrumpido aún en caso de avería, por conmutación al
elemento de reserva.
Capítulo 13: TECNOLOGÍAS AVANZADAS DE AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
335
El sistema de entrada-salida de un autómata es el conjunto de interfaces E/S que hacen
posible la conexión de la CPU con la planta y la identificación de las señales de ésta
mediante una tabla de direcciones. Dada la modularidad característica de los autómatas, en
casi todos ellos puede ampliarse el número de E/S mediante la conexión a la CPU de
módulos de expansión con interfaces de E/S adicionales. En cuanto al sistema de
entrada/salida, las configuraciones pueden ser:
Sistema de E/S centralizado. Es aquel en el que las interfaces de E/S se comunican
con el autómata directamente a través de su bus interno, o a lo sumo mediando un
amplificador de bus si se emplea un bastidor de ampliación, pero sin mediar
procesadores de comunicación.
Sistema de E/S distribuido. Es aquel en el que se necesitan procesadores de enlace
de E/S conectados sobre el bus interno para la comunicación entre los módulos de
E/S y la CPU. Estos procesadores de enlace son los encargados de amplificar y
transmitir las informaciones entre las expansiones y la CPU del autómata base,
mediante una línea común. En función de las distancias de conexión y de las
prestaciones del enlace distribuido, éste puede ser local o remoto.
En cuanto a la capacidad de almacenamiento (memoria), en general los autómatas disponen
de suficiente memoria como para realizar el mando y control de la mayoría de los procesos
industriales, si bien en casos de aplicaciones con gran volumen de información a gestionar
puede ser necesaria la instalación de una memoria de masa adicional que, conectada
directamente a las unidades de programación y bajo el control de la CPU puede
intercambiar datos con la memoria de trabajo.
En resumen, dada la amplia gama de autómatas existente en el mercado y la modularización
de sus elementos, es posible en cualquier caso encontrar la configuración adecuada para
una determinada aplicación.
Dentro de los principales bloques, Figura 13.2, que conforman un autómata programable
tenemos:
Bloque de entradas: Adapta y codifica de forma comprensible para la CPU las
señales procedentes de los dispositivos de entrada o captadores, como por ejemplo,
pulsadores, finales de carrera, sensores, etc.
Bloque de salidas: Decodifica las señales procedentes de la CPU, las amplifica y
las envía a los dispositivos de salida o actuadores, como lámparas, arrancadores,
electroválvulas, etc.
Unidad central de proceso (CPU): Este bloque es el cerebro del autómata y su
función es la interpretación de las instrucciones del programa de usuario y en
función de las entradas, activa las salidas deseadas.
Fuente de alimentación: A partir de una tensión exterior proporciona las tensiones
necesarias para el funcionamiento de los distintos circuitos electrónicos del
autómata. Proporciona las tensiones necesarias para el funcionamiento de los
distintos circuitos del sistema: Alimentación del autómata (CPU, memoria e
interfaces) normalmente se alimenta a 24 V de corriente continua y Alimentación
de los emisores de señal y de los actuadotes de salida, puede ir en continua o
alterna según las necesidades.
Consola de programación: podemos encontrar consolas con teclado y pantalla de
tubo de rayos catódicos (CRT) o de cristal líquido (LCD), programador manual,
semejante a una calculadora de bolsillo, o un PC con el software apropiado.
Periféricos: Elementos auxiliares, físicamente independientes del autómata, que se
Capítulo 13: TECNOLOGÍAS AVANZADAS DE AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
336
unen al mismo para realizar una función específica y que amplían su campo de
aplicación o facilitan su uso. Dentro de los mismos podemos encontrar módulos
de tratamiento de datos, impresoras, visualizadores alfanuméricos y lectores de
código de barras. Como tales no intervienen directamente ni en la elaboración ni
en la ejecución del programa.
Interfaces: Circuitos o dispositivos electrónicos que permiten la conexión a la
CPU de los elementos periféricos descritos.
Figura 13.2: Bloques principales de un PLC
En cuanto a la arquitectura interna de un PLC, Figura 13.3, podemos distinguir los
siguientes elementos:
Figura 13.3: Arquit ect ura int erna de un PLC
Unidad central de procesos (CPU): Constituida por el procesador, memoria y
circuitos auxiliares asociados. El procesador a su vez está constituido por el
microprocesador, el generador de impulsos de onda cuadrada o reloj y algún chip
auxiliar. Se monta sobre una placa de circuito impreso, en la cual se sitúan todos
aquellos circuitos integrados que lo componen, principalmente memorias ROM
del sistema. En algunos tipos de autómatas aquí se sitúan también los chips de
comunicación con periféricos o de interconexión con el sistema de entradas /
Capítulo 13: TECNOLOGÍAS AVANZADAS DE AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
337
salidas.
La CPU realiza el control interno y externo del autómata y la interpretación de las
instrucciones del programa una a una, siendo su funcionamiento de tipo interpretado, con
decodificación de las instrucciones cada vez que son ejecutadas. Una instrucción u orden de
trabajo es la parte más pequeña de un programa y consta de dos partes principales:
operación y operando; a su vez el operando está dividido en símbolo y parámetro.
A partir de las instrucciones almacenadas en la memoria y de los datos que recibe de las
entradas, genera las señales de las salidas. La memoria se divide en dos bloques, la
memoria de solo lectura o ROM (Read Only Memory) y la memoria de lectura y escritura o
RAM (Random Access Memory). En la memoria ROM se almacenan programas para el
correcto funcionamiento del sistema, como el programa de comprobación de la puesta en
marcha y el programa de exploración de la memoria RAM.
La memoria RAM a su vez puede dividirse en dos áreas:
Memoria de datos, en la que se almacena la información de los estados de las
entradas y salidas y de variables internas.
Memoria de usuario, en la que se almacena el programa con el que trabajará el
autómata.
Figura 13.4: Esquem a de los bloques de una CPU
La memoria del autómata, está formada por cualquier tipo de dispositivo que permita
almacenar información en forma de bits (unos y ceros), los cuales pueden ser leídos
posición a posición (bit a bit), o por bloques de 8 (byte) o dieciséis posiciones (word).
Podemos distinguir:
RAM (Random Access Memory), memoria de acceso aleatorio o memoria de
lectura-escritura. Pueden realizar los procesos de lectura y escritura por
procedimientos eléctricos. Su información desaparece al faltarle la alimentación.
ROM (Read Only Memory), o memoria de sólo lectura. En estas memorias se
puede leer su contenido, pero no se puede escribir en ellas; los datos e
instrucciones los graba el fabricante y el usuario no puede alterar su contenido.
Capítulo 13: TECNOLOGÍAS AVANZADAS DE AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
338
Memoria Interna, la cual almacena el estado de las variables que maneja el
autómata: entradas, salidas, temporizadores, contadores, relés internos, señales de
estado, etc, pudiendo ser consultadas y modificadas continuamente por el
programa, cualquier número de veces.
Memoria del Programa: Almacena el programa de usuario; puede contener datos
alfanuméricos y textos variables, así como también información parametrizada
sobre el sistema, por ejemplo nombre o identificación del programa escrito,
indicaciones sobre la configuración de E/S o sobre la red de autómatas, si existe,
etc. Cada instrucción del programa de usuario ocupa un paso o dirección del
programa y necesita para ser almacenada dos posiciones de memoria. A todas las
posiciones de memoria que es capaz de direccionar el autómata se le denomina
mapa de memoria, el cual depende: de la capacidad de direccionamiento de la
CPU, que determina el número de direcciones asignadas a los dispositivos
internos; del número de entradas/salidas conectadas, que determina la longitud de
la memoria imagen de E/S; y de la longitud de la memoria de usuario utilizada.
En cuanto a los bloques fundamentales de una CPU podemos encontrar, Figura 13.4: ALU
(Arithmetic Logic Unit), Acumulador, Banderas (Flags), Contador de Programa (PC),
decodificador de instrucciones y secuenciador (unidad de control), programa en ROM
Son muchos los automatismos industriales que necesitan de una cadena de realimentación
para poder ejecutar un control en lazo cerrado con una regulación precisa y rápida. La
cadena de realimentación se alimenta de las magnitudes de la planta a controlar (entradas),
que son captadas mediante sensores o transductores y cuyas salidas han de adaptarse en
unos circuitos llamados de interfaz para su procesamiento por el autómata.
Por otra parte, las débiles señales de control generadas por el autómata han de actuar,
generalmente previa amplificación, sobre la parte de potencia de la planta. A los elementos
finales que actúan sobre la parte de potencia de la planta se les denomina accionamientos, y
a los elementos intermedios que interpretan las señales de control y las amplifican se les
denomina preaccionamientos.
En el control de cualquier proceso ha de existir un diálogo entre el operador y la máquina a
controlar (diálogo hombre-máquina), y una comunicación entre el sistema de control y la
máquina a controlar. A todo el conjunto de entradas-salidas (E/S), es a lo se le denomina
comúnmente "medios de diálogo operador-máquina y máquina-controlador".
Tanto las entradas como las salidas pueden consistir en señales todo-nada (final de carrera,
electroválvulas, etc.), señales analógicas (velocidades, temperaturas, presiones) y señales
digitales (contadores).
Una característica ventajosa y esencial de los autómatas programables, frente a otros
controladores digitales, es el disponer de un bloque de interfaces E/S muy potente que les
capacita para conectarse directamente con los sensores y accionamientos del proceso. De
ahí que de la adecuada elección de las interfaces E/S se derive una alta fiabilidad y
disponibilidad del sistema.
Teniendo en cuenta lo anterior, es frecuente que sistemas de control complejos que
incorporan un ordenador central con gran potencia de cálculo, utilicen como elemento de
interfaz con el proceso industrial un autómata programable.
Capítulo 13: TECNOLOGÍAS AVANZADAS DE AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL.
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339
Por otra parte y como elementos no menos importantes encontramos las denominadas
interfaces, que son circuitos que permiten la comunicación de la CPU con el exterior
llevando la información acerca del estado de las entradas y transmitiendo las órdenes de
activación de las salidas. Constan de enlaces del tipo RS-232 o RS-485, y efectúan la
comunicación mediante el código ASCII. Así mismo, permite la introducción, verificación
y depuración del programa mediante la consola de programación, así como la grabación del
programa a soporte magnético, en memoria EPROM, comunicación con TRC (monitor),
impresora, etc.
Podemos encontrar:
Interfaces de entrada: filtran, adaptan y codifican de forma comprensible para la
CPU las señales procedentes de los elementos de entrada. Estas son fácilmente
identificables, ya que se caracterizan físicamente por sus bornes para acoplar los
dispositivos de entrada o captadores, por su numeración, y por su identificación
INPUT o ENTRADA; llevan además una indicación luminosa de activado por
medio de un diodo LED.
En cuanto a su tensión, las entradas pueden ser: Libres de tensión, corriente continua,
corriente alterna.
En cuanto al tipo de señal que reciben, las entradas pueden ser:
o Analógicas: Cuando la magnitud que se acopla a la entrada corresponde a
una medida de, por ejemplo, presión, temperatura, velocidad, etc., esto es,
analógica, es necesario disponer de este tipo de módulo de entrada. Su
principio de funcionamiento se basa en la conversión de la señal analógica a
código binario mediante un convertidor analógico-digital (A/D).
o Digitales: Son las más usadas y corresponden a una señal de entrada todo o
nada, esto es, a un nivel de tensión o a la ausencia de la misma. Ejemplo de
elementos de este tipo son los finales de carreras, interruptores, pulsadores,
etc.
Interfaces de salida: son las encargadas de decodificar y amplificar las señales
generadas durante la ejecución del programa antes de enviarlas a los elementos de
salida. La identificación de estas se realiza igual que en las entradas, figurando en
este caso la identificación de OUTPUT o SALIDA. Es en las salidas donde se
conectan o acoplan los dispositivos de salida o actuadores, e incluye un indicador
luminoso LED de activado.
En cuanto a su tensión, las salidas pueden ser: a relé, a triac, a transistor.
En cuanto al tipo de señal que proporcionan, las salidas pueden ser analógicas y
digitales, si bien estas últimas son las más utilizadas. En las analógicas es necesario
un convertidor digital-analógico (D/A) que nos realice la función inversa a la de la
entrada.
Las E/S numéricas permiten la adquisición o generación de información a nivel numérico,
en códigos BCD, Gray u otros; las de entrada mediante dispositivos electrónicos digitales
apropiados y las de salida suministrando información a dispositivos visualizadores (de 7
segmentos) u otros equipos digitales.
Por último, las E/S especiales se utilizan en procesos en los que con las anteriores E/S
vistas son poco efectivas, bien porque es necesario un gran número de elementos
Capítulo 13: TECNOLOGÍAS AVANZADAS DE AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL.
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340
adicionales, bien porque el programa necesita de muchas instrucciones. Entre las más
importantes están:
Entradas para termopar y termorresistencia: Para el control de temperaturas.
Salidas de trenes de impulso: Para el control de motores paso a paso (PAP).
Entradas y salidas de regulación P+I+D (Proporcional + Integral + Derivativo):
Para procesos de regulación de alta precisión.
Salidas ASCII: Para la comunicación con periféricos inteligentes (equipo de
programación, impresora, PC, etc.).
Además de las interfaces estándar digitales y analógicas, disponibles para todas las gamas
de autómatas, existen otros tipos de interfaces llamadas específicas que, de modo opcional,
pueden ser incorporadas al autómata base como tarjetas o módulos en las máquinas de las
gamas media y alta. Tales interfaces específicas hacen posible la conexión con elementos o
procesos particulares de la planta, pudiendo realizar funciones muy variadas: manejo de
señales particulares (códigos binarios, impulsos, señales analógicas débiles, etc.),
regulación (PID, comparadores, control numérico), presentación de sinópticos y control
(SCADA), posicionamiento de ejes, contadores rápidos, etc. Por la función que realizan, las
interfaces específicas pueden clasificarse como: de E/S especiales, de E/S inteligentes, y
procesadores periféricos inteligentes.
Las interfaces con E/S especiales son interfaces análogas a las estándar pero que tratan
señales particulares por su forma o por su aplicación, pero sin ningún control sobre las
variables de la planta. El tratamiento de las señales está predeterminado y no es modificable
por el usuario que sólo puede actuar sobre los modos de trabajo o algún parámetro de la
tarjeta mediante instrucciones de programa o por micro-switch externos.
Las interfaces con E/S inteligentes permiten diferentes modos de configuración ordenados
por programa, e incorporan un control elemental que posibilita, utilizando señales binarias
propias de la tarjeta, establecer lazos de regulación ON-OFF sobre variables de la planta, en
funcionamiento transparente para la CPU. Desde la CPU y por el programa de usuario se
envían las consignas y controles necesarios a estas interfaces.
Tal forma de actuar descarga de trabajo a la unidad central y mejora de paso la capacidad
de direccionamiento al poder acceder a señales de E/S que no han de aparecer en su
memoria imagen. Finalmente, los procesadores periféricos inteligentes son tarjetas o
módulos que disponen de su propio procesador, memoria y puntos auxiliares de E/S. Tales
procesadores incorporan de origen un programa o intérprete de programa especializado para
la ejecución de una tarea específica, al que sólo se le han de fijar las consignas y los
parámetros de aplicación para que, de forma autónoma y sin intervención de la CPU
principal ejecute el programa de control.
Como ya hemos dicho el autómata es una máquina electrónica integrando elementos de
hardware que son capaces de comunicarse físicamente con un proceso para: a) Recibir
desde el proceso algunas variables (analógicas o digitales) que determinan su estado y que
se denominan señales de entrada, y b) Enviar otras variables que modifiquen tal estado en
un determinado sentido, y que se denominan señales de salida.
Por su condición de programable, es necesaria la intervención de un operador humano que
defina cómo ha de evolucionar el proceso y que intercambie información con el autómata
para: a) Configurar completamente la estructura de control, Figura 13.5; b) Establecer
Capítulo 13: TECNOLOGÍAS AVANZADAS DE AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL.
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341
mediante una secuencia de instrucciones (programa), cuál ha de ser la ley general de mando.
De la ejecución de tal programa se obtienen las señales de salida o de control
(programación del autómata); y c) Intervenir, esporádica o continuamente, sobre el proceso
a efectos de informarse de su estado o de modificar su evolución (explotación de la
aplicación).
Figura 13.5: Configuración de un sist em a de cont rol
Las intervenciones sobre la planta se realizan normalmente mediante el autómata, si bien en
casos de fuerza mayor (parada de emergencia por motivos de seguridad), el operador puede
actuar directamente sobre el proceso.
El intercambio de información entre autómata y proceso corre a cargo de las interfaces de
E/S, en tanto que la comunicación con el operador para programación/explotación requiere
de un software que haga de intérprete entre el sistema real y los deseos del usuario.
13.2.3
Herramientas de programación.
Las herramientas de software son clasificables como: a) Sistemas operativos residentes en
el propio autómata, que tienen la misión de establecer las secuencias de intercambios de
información, interpretar y ejecutar las instrucciones del usuario y vigilar el correcto
funcionamiento del equipo, y b) Software de edición/depuración de programas, que permite
al usuario introducir su propio programa sobre soportes físicos tipo cinta, disco, etc.,
modificarlo para perfeccionarlo, obtener la documentación que se precise del proceso y, en
su caso sacar copias de seguridad.
Según los casos, el software de edición/depuración puede ser residente, es decir está
instalado en la máquina o, es instalable sobre un terminal denominado unidad de
programación que a su vez puede ser autónoma o dependiente de la CPU.
Las instrucciones u órdenes que el usuario introduce en el programa han de ser entendibles
por el autómata, es decir que han de ser codificadas mediante los lenguajes de
programación y explotación prefijados por el fabricante. Por tanto, el lenguaje de
Capítulo 13: TECNOLOGÍAS AVANZADAS DE AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL.
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342
programación puede definirse como "el conjunto de símbolos y textos, entendibles por la
unidad de programación, que utiliza el usuario para codificar sobre un autómata las leyes de
control que desea". Asimismo, el lenguaje de explotación se definiría como "el conjunto de
comandos y órdenes que, desde la CPU u otro terminal adecuado, puede enviar el usuario
para conocer el estado del proceso, y en su caso para modificar alguna variable".
El usuario introduce su secuencia de instrucciones (programa) en la unidad de
programación, en un lenguaje que entienden ambos. La unidad de programación compila
(convierte) las instrucciones del programa a unos códigos binarios, únicos, que entiende el
autómata (código máquina del autómata) y los almacena en la memoria. Finalmente el
sistema operativo residente interpreta tales códigos binarios para activar los recursos físicos
que requiere la ejecución del programa (procesador, interfaces E/S, etc.).
En la tarea de programación del autómata, es decir de establecer el programa a introducir en
la unidad de programación, han de seguirse los siguientes pasos:
1) Establecer mediante un diagrama de flujo, una descripción literal o gráfica
(GRAFCET, etc.) que indique qué es lo que se quiere que haga el sistema y en
qué orden.
2) Identificar las señales de E/S del autómata.
3) Representar de forma algebraica (instrucciones literales o de textos) o gráfica
(símbolos gráficos) un modelo del sistema de control con las funciones que
intervienen, con las relaciones entre las mismas y con la secuencia a seguir.
4) Asignar a cada uno de los elementos que figuran en el modelo direcciones de E/S
o internas.
5) Codificar la representación del paso 3 en instrucciones o símbolos entendibles por
la unidad de programación (lenguaje de programación). Cada instrucción del
programa consta de dos partes: el código de operación, que dice qué se ha de
hacer y el código de los operandos (identificados por su dirección) que dicen
sobre qué variables, o constantes, se ha de operar.
6) Transferir el conjunto de instrucciones escrito en la unidad de programación a la
memoria del autómata.
7) Depurar, poner a punto el programa y guardar una copia de seguridad.
En cuanto a los lenguajes de programación a utilizar: literales o gráficos ha de decirse que
depende de la aplicación a que se destina e incluso de la costumbre o hábito del
programador.
No obstante, seguidamente se comentan las características fundamentales de ambos:
Lenguajes literales.- Formados por instrucciones elementales del programa, cada
una de las cuales es una secuencia de textos. Las instrucciones disponibles
dependen de la complejidad del lenguaje y van desde muy sencillas funciones
lógicas (AND, OR, NOR) hasta las estructuras complejas de programación de alto
nivel (FOR ...NEXT, DO, WHILE, etc.), o instrucciones de manipulación de
textos y valores numéricos, o instrucciones de acceso a bloques secuenciales (TIM,
CNT, etc.).
Lenguajes gráficos.- Tienen su origen en los esquemas eléctricos de relés
(diagramas escalera) y utilizan símbolos de contactos y bobinas para las
instrucciones básicas y símbolos de bloques lógicos para las extensiones al
lenguaje, con una potencia similar a la de los lenguajes literales de alto nivel y con
la ventaja de visión de conjunto que proporciona la representación gráfica.
Capítulo 13: TECNOLOGÍAS AVANZADAS DE AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL.
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343
Varios son los lenguajes o sistemas de programación posibles en los autómatas
programables, aunque su utilización no se puede dar en todos los autómatas; por esto cada
fabricante indica en las características generales de sus equipos el lenguaje o los lenguajes
con los que puede operar. En general, se podría decir que los lenguajes de programación
más usuales son aquellos que transfieren directamente el esquema de contactos y las
ecuaciones lógicas o los algoritmos, pero éstos no son los únicos.
A continuación figura una relación de los lenguajes y métodos gráficos más utilizados:
• Nemónico o booleano o lista de instrucciones (IL): Es un lenguaje en el cual cada
instrucción se basa en las definiciones del álgebra de Boole o álgebra lógica. A
continuación figura una relación de nemónicos, con indicación de lo que representan:
LD: Carga de un operando
STD: Operación contacto abierto
STR NOT: operación inicio contacto cerrado
AND (Y): Contacto serie abierto
OR (O): Contacto paralelo abierto
AND NOT: Contacto serie cerrado
OR NOT: Contacto paralelo cerrado
Figura 13.6: Ej em plo de GRAFCET
Capítulo 13: TECNOLOGÍAS AVANZADAS DE AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL.
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344
• GRAFCET: El Gráfico de Orden Etapa Transición (Graphe de Comande Etape
Transition), Figura 13.6, es un método por el cual se describen en una forma gráfica
perfectamente inteligible las especificaciones de cualquier automatismo, es decir, es
un método de análisis que consiste en descomponer todo mecanismo secuencial en
una sucesión de etapas, las cuales están asociadas a la acción, transición y
receptividad. Las etapas representan acciones, y las transiciones representan
condiciones que deben cumplirse para pasar de una etapa a la siguiente. Cada etapa o
transición puede ir programada en cualquiera de los otros lenguajes. Permite el
procesamiento en paralelo de varias secuencias, así como ir a etapas alternativas
según se verifiquen unas transiciones u otras, y realimentaciones. La siguiente figura
6 nos da una idea simplificada de este sistema.
• Diagrama de contactos o lógica escalera (LD): La mayoría de los fabricantes
incorporan este lenguaje, ello es debido a la semejanza con los esquemas de relés
utilizados en los autómatas eléctricos de lógica cableada, lo que facilita la labor a los
técnicos habituados a trabajar con dichos automatismos. Este lenguaje tiene como
base su representación gráfica, pero debe ir acompañado del correspondiente cuadro o
lista de programación, esto es, la relación de líneas de programa que configuran el
mismo. Este lenguaje usa normalmente contactos, contactos normalmente cerrados y
elementos propios de los diagramas de contactos. Además en desarrollos modernos,
se han implementado gran cantidad de bloques de función y funciones para estos
diagramas.
- Contactos en general: Estos representarían físicamente, Figura 13.7 a un pulsador,
tecla, golpe de puño, etc., presentes generalmente en el tablero de comandos.
Figura 13.7: Represent ación de Cont act os
- Bobinas: Este representaría a una bobina de relé en general, de salida, auxiliares,
etc, Figura 13.8.
Figura 13.8: Represent ación bobina
- Contadores o Temporizadores:
Figura 13.9: Represent ación del Bloque Cont ador
Capítulo 13: TECNOLOGÍAS AVANZADAS DE AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL.
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345
• Diagrama de bloques de función (FBD): Los llamados diagramas de bloques de
funciones, corresponden a los ampliamente usados diagramas de circuitos, Figura
13.10. En ellos tanto los bloques de funciones como las funciones propiamente dichas,
se representan por un bloque. Además un bloque puede integrar a varios bloques a su
vez. Por ello, las entradas y salidas binarias que acepta un bloque no son obligatorias
sino opcionales.
Figura 13.10: Represent ación en FBD de puert as AND y com parador
• Texto estructurado (ST): Consiste en un lenguaje de alto nivel que contiene todos
los elementos esenciales de un lenguaje de programación moderno, incluyendo
condicionales como las estructuras IF-THEN ELSE y CASE OF, así como estructuras
de lazo, como FOR, WHILE y REPEAT. Todas ellas pueden ser anidadas de la
forma habitual. El lenguaje ST es una aportación valiosa a la programación de PLCs,
ya que si bien no son especialmente adecuados para la programación de controladores
programables, son adecuados para la programación de computadores que gobiernan
procesos y que por tanto trabajan en estrecha colaboración con los PLCs.
J:=1;
WHILE J<=100 AND X1<>X2 DO;
J:=J+2;
END_WHILE;
En la automatización de procesos usuales, de no mucha complejidad (cadenas de montaje,
control de máquinas, etc.), puede utilizarse indistintamente un programa a base de lista de
instrucciones o uno a base de diagrama de contactos, lenguajes básicos para la mayoría de
autómatas. Tanto es así que varios fabricantes prevén en su software de programación sobre
PC la posibilidad de transcodificación entre ellos con sencillas operaciones de
compilación/descompilación.
Para aplicaciones complejas que requieran manipular largas cadenas de caracteres, realizar
muchos cálculos, utilizar subrutinas o bloques de programación específicos (regulación PID,
posicionamiento de ejes, conteo rápido, etc.), podría ser necesaria la utilización de
lenguajes literales de alto nivel que también permiten programar sencillas sentencias
booleanas o manejar contadores y temporizadores como listas de instrucciones.
La tendencia actual de los fabricantes en cuanto a los lenguajes de programación se centra
en integrar los lenguajes antedichos en un lenguaje mixto que aúne la claridad de los
lenguajes gráficos para las funciones combinacionales y secuenciales con la compacidad de
los literales para el manejo de textos y los cálculos matemáticos.
Capítulo 13: TECNOLOGÍAS AVANZADAS DE AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL.
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346
En definitiva y en lo referente a los lenguajes de programación, se prevé una evolución de
los lenguajes gráficos en el sentido de hacerlos más potentes, más abiertos y de más fácil
manejo por el usuario que, progresivamente podrá desarrollar sus aplicaciones sobre
terminales tipo PC.
Los bloques funcionales, de mayor o menor complejidad, añaden al lenguaje básico
instrucciones preprogramadas por el fabricante, de uso general en automatización
(contadores, temporizadores, transferencias, registros, etc.) aumentando así la potencia de
cálculo del autómata y simplificando su programación. Tales bloques, se clasifican en dos
grupos en función de su forma de operar y su disponibilidad en el programa:
Bloques secuenciales básicos: Aquellos que son de uso generalizado en todo tipo de
autómatas, incluidos los de la gama baja (contadores, biestables, temporizadores y
registros de desplazamiento).
Bloques de expansión o funciones: Los que hacen posible el tratamiento de
variables numéricas y el registro de datos, con sentencias aritméticas (comparación,
transferencias, etc.), aumentando así la potencia del lenguaje.
Los programas de autómata para un proceso determinado pueden escribirse según
estructuras monotarea (que se desarrolla sobre una tarea única incluyendo la totalidad del
programa, con todas sus variables de E/S y todas las sentencias de operación, siendo su
ejecución periódica en un único ciclo de operación) y multitarea (aquella en que el
programa está integrado por subprogramas, independientes o no, dando lugar a tareas
aisladas referidas a tratamientos parciales y particulares de la aplicación, siendo su
ejecución acíclica).
13.3 El SCADA
En la fase de explotación, es imprescindible la comunicación entre el hombre (operador) y
la planta, a fin de conocer (monitorizar) a través del autómata los valores de ciertas
variables claves para el correcto desarrollo del proceso y su control, variables que en su
caso pueden modificarse (forzado). Estas comunicaciones se realizan mediante dispositivos
específicos o mediante la utilización de un entorno software que corre sobre un PC. En
general existe una gran variedad de dispositivos conectables a un autómata, bien
directamente o vía modem, aportando soluciones a necesidades del proceso muy dispares:
unidades específicas de programación o entornos software sobre PC, para la edición y
puesta a punto de programas de autómata; unidades de explotación desde un visualizador de
baja funcionalidad hasta un terminal gráfico interactivo pasando por visualización de
mensajes asociados a la evolución del programa, impresión de textos, intercambio de datos
con otros equipos, etc.
Para un sistema típico el control directo de la planta corre a cargo de los autómatas
programables, en tanto que el ordenador a ellos conectado se encarga de las funciones de
diálogo con el operador, tratamiento de la información del proceso y control de la
producción.
Con tal estructura, el ordenador se limita a la supervisión y control de los elementos de
regulación locales instalados en la planta y al tratamiento y presentación de la información,
pero no actúa directamente sobre la planta. Aunque eventualmente el ordenador podría
ejercer acciones directas de control como lecturas de sensores o activación o desactivación
de actuadores, dotado de un hardware adicional conectado a sus buses internos, no es usual
Capítulo 13: TECNOLOGÍAS AVANZADAS DE AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL.
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tal forma de actuación. Apoyándose en la estructura de dispositivos locales, el ordenador u
ordenadores se conectan a ellos mediante líneas de interconexión digital, tales como buses
de campo o redes locales por las que reciben información sobre la evolución del proceso
(obtención de datos) y envía comandos u órdenes del tipo arranque, parada, cambios de
producción, etc. para su gobierno (control de producción).
A los programas requeridos y, en su caso el hardware adicional necesario, se les denomina
genéricamente como sistemas SCADA ("Supervisory Control And Data Acquisition") y
pueden ofrecer prestaciones avanzadas como:
Crear paneles de alarmas, con registro de incidencias que exijan la presencia del
operador para darse por enterado de una parada o una situación de alarma.
Posibilidad de generación de históricos de señales de planta que pueden ser
volcados sobre una impresora o sobre una hoja de cálculo para su procesado
inmediato.
Imprimir informes, avisos y documentación varia sobre la evolución del proceso.
Ejecutar programas modificando la ley de control o cambio total del programa
ante determinadas condiciones en el proceso.
Posibilidad de una programación numérica que posibilite la realización de
complejos cálculos matemáticos sobre la CPU del ordenador, más especializada
que la del autómata.
En general, un paquete SCADA incluye dos programas: Editor y Ejecutor ("Run-Time").
Con el Editor se generan las aplicaciones antes descritas haciendo uso de los editores,
macros, lenguajes y ayudas de que dispone, y con el Ejecutor se compilan a fin de obtener
el fichero .EXE de ejecución.
Un sistema SCADA podría definirse como "una aplicación software diseñada
especialmente para funcionar sobre ordenadores de control de producción", comunicada
con la planta mediante interconexión digital con los reguladores locales básicos y, con el
usuario mediante interfaces gráficas de alto nivel como pantallas táctiles, lápices ópticos,
ratones, etc.
Desde la pantalla del ordenador, que es configurada por el usuario y es fácilmente
modificable, el sistema permite la comunicación con los dispositivos de campo
(controladores autónomos, autómatas programables, sistemas de dosificación, máquinas de
control numérico, etc.) para controlar el proceso de forma automática. Además, de toda la
información generada en el proceso productivo, se envía a cada usuario de la empresa
(supervisión, ingeniería, control de calidad, mantenimiento, etc.) la que necesita.
A fin de que la instalación de un sistema SCADA sea perfectamente aprovechada debe
cumplir ciertas condiciones:
a) Ha de ser un sistema de arquitectura abierta, capaz de ampliarse y acomodarse a
necesidades cambiantes.
b) Ha de permitir una fácil comunicación y de forma transparente para el operador,
tanto con el equipo de planta (drivers de comunicación con API, CN, PID, etc.)
como con el resto de la empresa (gestión y acceso a redes locales).
c) Ha de utilizar programas fáciles de instalar, con no demasiadas exigencias de
hardware, sencillos de utilizar, y disponiendo de interfaces afines al usuario, tales
como imágenes, sonido, pantallas táctiles, etc.
Capítulo 13: TECNOLOGÍAS AVANZADAS DE AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL.
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Cumpliendo tales condiciones, el sistema SCADA llega a ser una herramienta fundamental
en la organización del proceso productivo permitiendo el establecimiento de estrategias
avanzadas de gestión con respuestas inmediatas de la producción.
Como soporte hardware de los programas SCADA se utilizan normalmente ordenadores
convencionales (miniordenadores PC, ordenadores portátiles y estaciones de trabajo).
Aunque pueden emplearse arquitecturas económicas basadas en ordenadores PC con
sistema operativo DOS/Windows y software adicional con funcionalidades del tipo
interrupciones, comunicación en red, etc., para mejorar sus prestaciones, la utilización de
ordenadores con sistemas operativos más completos (VAX/VMS, Unix, Windows, etc.) y
arquitecturas cliente-servidor aptas para compartir recursos informáticos (datos y
aplicaciones) permiten ofrecer programas capaces de atender simultáneamente a varios
servicios. Por ejemplo, un operador puede estar viendo informes de incidencias desde un
ordenador industrial con sistema operativo Unix en tanto que otro está modificando la
evolución del proceso desde una estación de trabajo y un tercero monitorizando la situación
en planta desde un PC. Estas arquitecturas cliente-servidor se utilizan en grandes
aplicaciones a fin de repartir los datos procesados entre distintos ordenadores.
Por ejemplo se podrían establecer nudos separados a modo de servidores para la demanda
de tareas tales como monitorización y procesado de alarmas, comunicación con los
dispositivos de E/S de campo, registro y almacenado de datos para históricos, análisis de
tendencias, etc.
Un factor esencial a tener en cuenta para la elección del sistema es la capacidad del sistema
operativo sobre el que corre la aplicación para soportar multitarea y/o multiusuario. La
capacidad multiusuario es de utilidad cuando en aplicaciones complejas se han de disponer
en lugares separados funciones específicas en cada uno de ellos. Tales sistemas usualmente
se articulan mediante redes de área local.
Para aplicaciones de media y baja complejidad, actualmente es habitual la utilización de
ordenadores PC, con una CPU tanto más potente cuanto menores sean los tiempos de
respuesta exigidos y configuraciones tanto más robustas cuanto más agresivas sean las
condiciones ambientales de la aplicación. A pesar de leves inconvenientes, Windows se
mantiene como el sistema operativo típico de soporte con un paquete software SCADA que
corre sobre él en multitarea y monousuario. Windows aprovecha las ventajas de un entorno
familiar multitarea con un intercambio de datos entre aplicaciones muy sencillo (DDE,
OLE), una potente interfaz de usuario (GUI) y características de sistema abierto para
incorporar fácilmente nuevos software de interfaz audiovisual o multimedia.
Mediante interfaces serie estándar (RS-232, RS-422 o RS-485) y utilizando los protocolos
adecuados, ya incluidos en el propio SCADA, se realiza la comunicación con los elementos
de campo.
También es importante saber el número de pantallas gráficas de representación (sinópticos)
que el sistema puede soportar, así como el número máximo de variables a manipular.
Finalmente son también datos a considerar la capacidad de intercambio de datos con otros
entornos como dBase o Excel para integrar sus funciones dentro de la aplicación (cálculos
estadísticos, gráficos, presentaciones, etc.) y, la posibilidad de programación de funciones
complejas incluyendo en el SCADA ficheros y rutinas escritos en lenguajes de propósito
Capítulo 13: TECNOLOGÍAS AVANZADAS DE AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
349
general (C, Pascal, Basic, etc.).
Para la selección de un paquete SCADA, como en la mayoría de aplicaciones informáticas,
han de distinguirse las dos posibilidades siguientes:
Puede encargarse a una empresa especializada el desarrollo de un software (y
eventualmente incluso el hardware), específicamente orientado a una aplicación
concreta. En el encargo se definen las especificaciones del cliente: pantallas,
sinópticos, señales de control, históricos, informes, gráficos, etc. que la empresa
programa y compila en una aplicación cerrada, como un "traje a medida". La
ventaja de esta posibilidad es que el programa responde perfectamente a los
deseos del cliente (usuario), pero como inconveniente la dependencia del
programador y la dificultad de obtener los protocolos de comunicación con los
actuales elementos de campo y los que en el futuro puedan instalarse.
La otra posibilidad consiste en la utilización de un paquete genérico comercial que
el usuario ha de parametrizar adecuadamente para adaptarlo a su aplicación
particular. Con esta solución, el usuario puede desarrollar su aplicación
ayudándose de los editores gráficos y funcionales y de los drivers de
comunicación suministrados por el proveedor. Para tal desarrollo, el usuario
dibuja los sinópticos de planta indicando las variables y textos que quiere
visualizar, define las relaciones entre variables, configura las comunicaciones, etc.,
es decir, parametriza el paquete de acuerdo con sus necesidades actuales, si bien
este permanece abierto a modificaciones o ampliaciones posteriores hasta donde
lo permita la licencia del suministrador del paquete o su capacidad.
Sea cual sea la solución adoptada, el sistema SCADA ha de realizar las tres funciones
principales siguientes: a) Recoger la información que ha de procesar y almacenar
(adquisición de datos). b) Visualización de la evolución del proceso (monitorización) y c)
Modificar, si es necesario, la evolución del proceso actuando directamente sobre él o sobre
los reguladores autónomos básicos tales como alarmas, consignas, menús, etc. (supervisión
y control).
Para el desarrollo de las tres funciones expuestas el sistema dispone de un módulo de
configuración en el cual se define el entorno de trabajo del SCADA y lo adapta a su
aplicación particular. En efecto, con él define las pantallas de texto o gráficas que quiere
utilizar, para lo cual las genera desde el mismo sistema SCADA o las aprovecha de otra
aplicación anterior, apoyándose en el editor gráfico que incorpora y con el que puede
dibujar a nivel de pixel cualquier figura o utilizar elementos ya disponibles, tales como
círculos, cuadrados, líneas, etc. con las funciones clásicas de mover, copiar, desplazar, etc.
Una vez definidas las pantallas, se establece la relación entre ellas determinando el orden de
presentación, los enlaces y su accesibilidad a diferentes operarios. Teniendo cada pantalla
asociadas sus propiedades configurables, el mantenimiento de las mismas resulta sencillo.
Igualmente, en esta fase de configuración se seleccionan los drivers de comunicación para
el enlace con los elementos de campo y su conexión o no en red. En ciertos sistemas es
también en esta fase de configuración donde se definen las variables a visualizar, procesar o
controlar, identificadas por nombres o etiquetas para su posterior referenciado y
programación.
El proceso a supervisar es representado por sinópticos gráficos, almacenados en el
ordenador de proceso y generados previamente en la fase de configuración. Los cambios
que se producen en la planta a lo largo del tiempo pueden ser contemplados en el gráfico
Capítulo 13: TECNOLOGÍAS AVANZADAS DE AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL.
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350
mediante zonas dinámicas que varían con tales cambios. En efecto, los sinópticos presentan
zonas activas cambiantes en forma y color, siguiendo la evolución del proceso en la planta
o las acciones del operador. Así por ejemplo, la pantalla podría configurarse de modo que
muestre las tres áreas siguientes: a) proceso global, b) partes significativas del proceso y c)
zona con esquema de asignación de teclas para el mando de las posibles acciones. Cada una
de las zonas puede asimismo incluir valores numéricos o alfanuméricos de variables según
la evolución de la planta.
Las actuaciones del operador pueden ser, bien sobre variables intermedias en el ordenador o
autómata, o bien sobre variables directas de la planta, posicionando el ratón sobre alguna
zona activa y modificando el valor de la variable seleccionada. Determinadas acciones de
mando pueden estar reservadas sólo a operadores autorizados que para ejercerlas han de
activar previamente su código personal.
13.3.1
Elementos del SCADA.
Sobre cada pantalla o zona activa es posible programar relaciones entre variables del
ordenador o autómata, que se ejecutarán continuamente en tanto la pantalla esté activa.
Tales programaciones se realizan mediante bloques escritos en lenguajes de alto nivel
(Pascal, C, etc.), o parametrizando macroinstrucciones suministradas por el fabricante, y
pueden llevar asociada una plantilla de tiempos para definir su frecuencia de ejecución.
Usualmente el sistema SCADA utiliza a los dispositivos de campo (generalmente
autómatas) como controladores directos de planta, reservándose para sí la supervisión
(control del proceso, análisis de tendencias, generación de históricos, gestión de alarmas,
etc.).
El programa de mando que el sistema SCADA ejecuta de forma automática, relaciona las
variables para conseguir:
Acciones de mando automático, previamente programadas, función de las señales
de entrada, salida o sus combinaciones.
Maniobras o secuencias de acciones de mando.
Animaciones sobre figuras y dibujos que relacionen su color, forma, tamaño,
parpadeo, etc. con el valor actual de ciertas variables.
Procedimientos de arranque/parada del proceso (en frío, en caliente, condicionado
al valor de ciertas variables, etc.).
Gestión de recetas modificando los parámetros del proceso (estado de variables,
conteo, consignas de tiempo, etc.), de una forma preprogramada en función del
tiempo o dinámicamente, a la vista de la evolución de la planta.
Los comandos (maniobras y secuencias de mando) son las más importantes de las acciones
anteriores, puesto que implementan la comunicación hombre-máquina con que el usuario
puede controlar el proceso.
En el módulo de proceso existe un caso particular de relaciones programadas que constituye
lo que se denomina gestión de alarmas, pudiéndose definir intervalos de variación de las
variables (lógicas o numéricas), fuera de los cuales se dan condiciones de alarma, y en caso
de que varias aparezcan al mismo tiempo, su orden de prioridad. En caso de detectarse una
alarma, el sistema, de forma preprogramada, reacciona advirtiendo al operador, con señales
acústicas, con textos parpadeantes, con cambios de color, etc. El operador, ante tal
Capítulo 13: TECNOLOGÍAS AVANZADAS DE AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL.
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351
advertencia, puede darse por enterado de la anomalía, modificar alguna variable del proceso
o dirigirse a una pantalla auxiliar específica que dé instrucciones de cómo tratar tal alarma.
Las alarmas ocurridas quedan registradas con el estado que las produjo y codificadas como:
a) Alarma activa no reconocida, es el caso en que ante una alarma el operador no ha
pulsado el botón de "enterado" y por tanto no ha efectuado ninguna corrección.
b) Alarma activa reconocida, el operador ha pulsado el botón de "enterado", aunque
la alarma permanece activa por no haberse efectuado aun ninguna corrección.
c) Alarma inactiva, el operador ha efectuado las correcciones pertinentes y la alarma
se ha eliminado.
En el registro de alarmas quedan reflejados los datos correspondientes a la hora en que se
produjeron las alarmas, la hora en que se desactivaron y si el operador se dio o no por
enterado de ella.
La simulación del proceso ayuda a desarrollar comportamientos avanzados del sistema,
tales como controles redundantes, supervisión, control adaptativo, etc.
Cuando queremos desarrollar un sistema complejo, Figura 13.11, el uso de una
metodología muy estructurada que permita aplicar técnicas bien conocidas y resultados a
nuestro sistema puede ser indispensable. La primera tarea a llevar a cabo es la descripción y
modelado del sistema, que consiste en una representación simple pero válida y fiable de su
comportamiento. El paso siguiente consiste en llevar a cabo la automatización, de forma
que el dispositivo donde se implementa la automatización recibe las señales del sistema
como entradas, y envía las órdenes como salidas. La automatización está normalmente
incorporada con un sistema de monitorización con el que la evolución de las entradas y las
salidas del sistema y sus estados internos pueden ser expuestos de una manera gráfica.
También se ha visto que no sólo puede ser muy interesante visualizar el sistema sino
también la herramienta gráfica que lo modela y lo describe. Ello permite identificar errores
en el funcionamiento, desarrollar el arranque del sistema, visualizar el proceso global, etc.
Cuando el sistema de monitorización, además de leer los valores de las entradas, salidas y
estados internos del sistema, puede modificarlos en tiempo real, entonces se trata de un
sistema de supervisión.
La supervisión consiste en la capacidad de monitorización junto a la de cambiar los datos y
programas de los elementos del sistema desde el terminal. Con el SCADA podemos
modificar desde la pantalla gráfica las consignas, para que el sistema real evolucione hasta
obtener la curva que necesita. Igualmente se puede hacer desde una hoja de cálculo o desde
una base de datos, puesto que se emplean tanto para monitorizar como para supervisar,
Figura 13.12.
La monitorización del sistema consiste en la capacidad de mostrar sus datos en tiempo real,
incorporando formatos alfanuméricos y gráficos, y se realiza mediante un SCADA, que
consiste en un software de control de producción con acceso mediante comunicación digital
a los elementos de control de la planta, y con interfaz gráfica de alto nivel con el usuario.
Se pueden realizar a medida (programados en lenguajes de programación de propósito
general), o bien se puede emplear alguno comercial de los muchos que existen en el
mercado.
Si bien la monitorización del sistema es imprescindible por la facilidad y fiabilidad que
Capítulo 13: TECNOLOGÍAS AVANZADAS DE AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL.
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352
ofrece de manejo, es poco lo que aporta innovador a la automatización. Sin embargo los
SCADAs no sólo realizan monitorización, sino también supervisión, adquisición y
almacenamiento de datos, y otras tareas adicionales importantísimas (tratamiento de datos
on-line, comunicación con base de datos, operaciones sobre hojas de cálculo, control
remoto, etc.) que permiten un control mucho más potente.
Figura 13.11: Aplicación SCADA de un proceso de producción indust rial
Figura 13.12: Ut ilización de hoj a de cálculo y base de dat os m ediant e SCADA
13.3.2
Posibilidades del SCADA.
La simulación se emplea muchas veces como método de análisis del sistema de producción.
Sin embargo el análisis por simulación sólo es preciso cuando se realiza de forma
exhaustiva, por lo que es conveniente realizar, siempre que sea posible, análisis de tipo
cualitativo. La simulación del proceso puede ser también muy interesante para conseguir
diseños de altas prestaciones. Al simular el proceso podemos detectar errores de
funcionamiento antes de que se produzcan. Por otro lado, y esto es muy importante,
podemos comparar el funcionamiento real con la simulación, para detectar desviaciones del
funcionamiento de la planta.
Los propios SCADAs disponen a menudo de herramientas de simulación, por lo que no
hace falta recurrir a otras aplicaciones para ello.
También se puede recurrir a otras aplicaciones de simulación, Figura 13.13, desarrolladas a
Capítulo 13: TECNOLOGÍAS AVANZADAS DE AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL.
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353
medida o comerciales. Entre estas últimas destacan las aplicaciones de simulación para
realidad virtual, cada vez más potentes y avanzadas. Otra forma de simulación consiste en
implementar en el propio PLC un programa de simulación de la planta que funcione
conjuntamente a la automatización, pero sin estar conectada la planta. Puede parecer un
inconveniente de este método el que la simulación no sea gráfica, sino en el entorno del
PLC, pero podemos hacerla gráfica simplemente empleando la monitorización sobre el
programa de simulación, igual que si fuese sobre la planta real.
Figura 13.13: Sim ulación de proceso indust rial con SCADA
La simulación por medio de un lenguaje de programación es similar a la programación
llevada a cabo para la automatización, excepto que las entradas y salidas son ahora
simuladas por medio de las variables internas. La supervisión y la simulación por medio de
una aplicación SCADA dependen de la aplicación empleada, pero es muy similar a la
utilización de un lenguaje de programación de alto nivel.
Los SCADAs disponen además de métodos de control de proceso y automatización, Figura
13.14, tal cual se haría con un sistema informático.
Figura 13.14: Esquem a general de cont rol en lazo cerrado con sist em a inform át ico
Muchos de estos sistemas disponen de bloques de control PID, Figura 13.15, y de la
posibilidad de implementar otros sistemas de control más complicados. Además esos
Capítulo 13: TECNOLOGÍAS AVANZADAS DE AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL.
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354
bloques de control pueden combinarse en estructuras realimentadas simples o más
complejas (maestro esclavo) tal como se haría con cualquier otro sistema de control, como
se puede observar en la Figura 13.16 y en la Figura 13.17.
Figura 13.15: Funcionam ient o de los bloques PI D del SCADA
Figura 13.16: Cont rol sim ple en lazo cerrado con bloques PI D de un SCADA
Figura 13.17: Cont rol m aest ro- esclavo con bloques PI D de un SCADA
Capítulo 13: TECNOLOGÍAS AVANZADAS DE AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL.
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Una comparación entre el control real y el control simulado nos permite detectar cualquier
fallo en el control, o bien detectar fallos en el modelo del sistema, o en el funcionamiento
del sistema, Figura 13.18. Este control redundante podría implementarse en el PLC, pero
esto podría incrementar el tiempo del ciclo, y por consiguiente empeoraría las propiedades
dinámicas del control, Figura 13.19. De todas formas este sistema redundante constituye un
control avanzado que mejora substancialmente la ejecución obtenida, ya que puede detectar
fallos en la automatización, e incluso funcionar correctamente cuando ocurran esos fallos,
puesto que el control redundante puede manejar el sistema; dicha característica también
permite la modificación en tiempo real de los parámetros de la automatización y de la
simulación (control adaptativo) para optimizar el sistema, Figura 13.20.
Figura 13.18: Det ección de errores m ediant e cont rol con PLC y sim ulación con SCADA
Figura 13.19: Sim ulación del cont rol y del proceso con el SCADA
Figura 13.20: Cont rol adapt at ivo y redundant e
Capítulo 13: TECNOLOGÍAS AVANZADAS DE AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL.
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Figura 13.21: Cont rol redundant e PLC- PC para seguridad en caso de caída del cont rol
13.4 Redes de Comunicación.
Desde finales de los años ochenta se han propuesto muchos sistemas de comunicación
industrial, para conectar los captadores y actuadores a los controladores, que sustituyeran al
tradicional cableado hilo a hilo, estos sistemas se denominan buses de campo.
En el mercado sólo han logrado imponerse los buses que han contando con el respaldo de
grandes fabricantes de sistemas de Automatización y control, como pueden ser Profibus
respaldado por Siemens, (Figura 13.22), Device-Net respaldado por Allen Bradley, y el bus
MODBUS y FIPIO, respaldados principalmente por el grupo Schneider. Todos ellos son
buses de célula, que permiten la conexión de dispositivos inteligentes: variadores de
velocidad, sistemas de identificación, terminales de visualización, sistemas de
programación. Por supuesto también permiten conectar módulos de entrada/salida digitales
y/o analógicos. Integran la función clásica de bus de campo (nivel de captadores y
actuadores) y la función de red de comunicación (nivel de célula).
Figura 13.22: Ej em plo de com unicación
13.4.1
Conceptos generales de comunicación
Seguidamente vamos a tratar los conceptos fundamentales y los principios de la
comunicación decisivos para el intercambio de datos entre autómatas programables y
OP/PCs (Figura 13.23):
Capítulo 13: TECNOLOGÍAS AVANZADAS DE AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL.
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357
- Comunicación es la transferencia de datos entre dos interlocutores con diferentes
prestaciones, el control del interlocutor así como la consulta o interrogación del estado
del interlocutor. La comunicación puede realizarse a través de diferentes vías.
- Interlocutor es el módulo apto para comunicación, es decir, que permite intercambiar
datos. El interlocutor puede encontrarse dentro del mismo equipo o en otro equipo. En
este contexto se denomina equipo a una unidad conexa (autómata, unidad de
programación, panel/sistema de operador, PC, aparato no Siemens) que puede
conectarse a una o varias subredes.
- Subred es el conjunto de todos los componentes físicos necesarios para establecer una
vía de transmisión de datos así como los procedimientos comunes asociados para
intercambiar datos.
Las estaciones conectadas a una subred pueden intercomunicarse sin necesidad de
transiciones o pasarelas en la red. El conjunto físico de una subred (MPI, PROFIBUS,
Industrial Ethernet) se denomina también medio o soporte de transmisión.
- Red es un conjunto formado por una o varias subredes iguales o diferentes
interconectadas. Comprende pues todos los equipos que pueden comunicarse entre sí.
- Enlace es la correspondencia lógica de dos interlocutores para ejecutar un determinado
servicio de comunicación. El enlace está directamente asociado a un servicio de
comunicación, Figura 13.24. Cada enlace tiene dos puntos finales que contienen las
informaciones necesarias para direccionar el interlocutor así como otros atributos para el
establecimiento del enlace. Para referenciar un enlace, las funciones de comunicación
sólo utilizan el punto final local.
Figura 13.23: Esquem a de com unicación
Las funciones de comunicación permiten transmitir datos entre interlocutores con
diferentes prestaciones, controlar el interlocutor (p. ej. pasarlo al estado STOP) o
interrogar su estado operativo actual. El servicio de comunicación e interfaces software
describe las funciones de comunicación con prestaciones definidas (p. ej. intercambiar
datos, controlar dispositivos, supervisar dispositivos y cargar programas). Los servicios
de comunicación se pueden clasificar en el modelo de referencia ISO.
- Protocolo es un convenio exacto al bit entre interlocutores para poder ejecutar un
determinado servicio de comunicación. El protocolo define el contenido estructural del
tráfico de datos en la línea física, definiendo p. ej. el modo de operación, la forma de
realizar el establecimiento del enlace, la protección de los datos o la velocidad de
transferencia.
Capítulo 13: TECNOLOGÍAS AVANZADAS DE AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL.
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Figura 13.24: Ej em plo de enlaces
Un enlace establece el acceso de un interface software a un servicio de comunicación.
Como un enlace está directamente asociado a un servicio de comunicación, cada uno de
éstos tiene un tipo de enlace específico, Tabla 13.1:
Servicio
Tipo de enlace
Funciones S7
Enlace S7
ISO – Transport
Enlace de transporte ISO
ISO – on – TCP
Enlace ISO – on – TCP
FDL
Enlace FDL
FMS
Enlace FMS
Procedimiento p. ej: RK512
Enlace punto a punto
Tabla 13.1: Tipo de enlace de los servicios de com unicaciones
Las redes de comunicaciones se encuadran dentro de los cuatros niveles de automatización
siguientes, Figura 13.25:
Nivel de sensor-actuador.
Nivel de campo.
Nivel de célula.
Nivel de control central.
En los últimos años existe una tendencia a integrar los sistemas de comunicación clásicos
de las redes informáticas empresariales en los sistemas de automatización industrial. Se
pretende en definitiva que Ethernet se convierta en el estándar de la comunicación
industrial, incluso en el ámbito de captadores y actuadores. Estas propuestas pretenden dar
una total transparencia a la comunicación y permitir la disponibilidad de los datos en
tiempo real en los sistemas de comunicación industrial, teniendo como herramientas el
protocolo TCP/IP y la incorporación de Internet al control industrial.
En lo más bajo de la pirámide se encuentra el nivel sensor-actuador un maestro se
comunica con actuadores y sensores conectados a su subred. Este nivel se caracteriza por
Capítulo 13: TECNOLOGÍAS AVANZADAS DE AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL.
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tiempos de respuesta rápidos y un número reducido de bits de datos. Permite la conexión de
captadores y actuadores de tipo todo o nada. También puede conectarse a la mayoría de los
buses de célula mediante pasarelas.
Figura 13.25: Pirám ide de aut om at ización
A continuación nos encontramos el nivel de campo que es el nexo entre las instalaciones y
los equipos de automatización. Los dispositivos de campo miden, señalizan y transmiten a
la instalación las órdenes recibidas del nivel de célula. En general se transmiten pequeñas
cantidades de datos. En este caso es típica una comunicación jerarquizada, es decir varios
dispositivos de campo se comunican con un maestro.
Por encima nos encontramos el llamado nivel de célula en el cual se procesan
autónomamente todas las tareas de automatización y optimización. En el nivel de célula
están interconectados los autómatas, PCs y equipos para manejo y visualización.
Por último y en lo alto de la pirámide de automatización está el nivel de control central en
el cual se procesan tareas de carácter general para toda la empresa (funciones de gestión).
Además de la memorización de valores del proceso, funciones de procesamiento de carácter
optimizador y analizador así como su presentación en forma de listado. Los datos para ellos
necesarios se recolectan y procesan para toda la empresa, con independencia del lugar de
emplazamiento. Desde el nivel de control central puede accederse a las diferentes
localizaciones.
Por lo tanto dentro de cada nivel de automatización es necesario establecer los protocolos
necesarios para definir sus propios buses de campo, los cuales presentarán las siguientes
ventajas:
El intercambio se puede llevar a cabo por medio de un mecanismo estándar.
Flexibilidad de extensión.
Conexión de módulos diferentes en una misma línea.
Posibilidad de conexión de dispositivos de diferentes procedencias.
Distancias operativas superiores al cableado tradicional.
Reducción masiva de cables y costo asociado.
Simplificación de la puesta en servicio.
Capítulo 13: TECNOLOGÍAS AVANZADAS DE AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL.
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360
Y como desventajas:
Necesidad de conocimientos superiores.
Inversión en instrumentación y accesorios de diagnóstico.
Costos globales inicialmente superiores.
Cuando dos equipos intercambian datos a través de un sistema de
definir el sistema de transmisión y el método de acceso. Además
informaciones relativas, por ejemplo relativas al establecimiento
International Standardization Organisation (ISO) ha definido un
capas.
bus común es necesario
es necesario especificar
del enlace. Por ello, la
modelo de 7 niveles o
El modelo de referencia ISO define niveles o capas que regulan el comportamiento de los
interlocutores. Estos niveles están apilados, siguiendo el nivel 7 la capa superior. Al
describir posteriormente los servicios se hace referencia a este modelo ISO. Sólo es posible
comunicarse en un mismo nivel.
Los diferentes niveles están definidos de la forma siguiente, Tabla 13.2:
Nivel
Designación
7
Application layer
(aplicación)
6
Presentation layer
(presentación)
5
Session layer
(sesión)
4
Transport layer
(transporte)
3
Network layer
(red)
2
Data link layer
(enlace)
1
Physical layer
(físico)
Función
Características
Funciones de usuario.
Oferta de servicios de comunicación
específicos de usuario
Representación de datos.
Conversión del tipo de representación
normalizado del sistema de comunicación
en un formato adecuado al equipo
Sincronización
Establecimiento, disolución y vigilancia de
una sesión
Establecimiento/disolución de enlace
Repetición de paquetes, clasificación de
paquetes, formación de paquetes
Direccionamiento
de
otras
redes
(encaminamiento) (Routing), control de
flujo
Método de acceso.
Limitación de los bloques de datos,
transmisión asegurada, detección y
eliminación de errores
Características
físicas,
soporte
de
transmisión, velocidad, definición de los
parámetros eléctricos, mecánicos y
funcionales de la línea/bus
Servicios
de
comunicación
p.ej.
Read/Write Start/Stop
Lenguaje común
Coordinación
sesión
Transmisión
de paquetes
de
la
asegurada
Comunicación entre dos
subredes
CRC-Check CSMA/CD
Token
Cable coax/triax cable
óptico, cable bifilar
Tabla 13.2: Capas del m odelo de refer encia I SO
Para lograr un entendimiento suficiente y seguro se precisan imprescindiblemente los
niveles 1, 2 y 4. El nivel 1 define las condiciones físicas tales como p. ej. niveles de tensión
e intensidad. El nivel 2 define el mecanismo de acceso y el direccionamiento de la estación.
Por ello, en un determinado instante sólo puede enviar datos una estación del bus. La
seguridad y coherencia de los datos sólo se garantiza gracias a la función del nivel 4 (de
transporte). Además del control y el transporte, dicho nivel ejecuta también tareas de
control de flujo de datos, de seccionamiento en bloques o paquetes y mecanismos de acuse
o confirmación. Para realizar estas funciones se establecen enlaces (conexiones). El nivel
Capítulo 13: TECNOLOGÍAS AVANZADAS DE AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL.
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361
de aplicación 7 incluye los servicios de comunicación.
13.4.2
Buses de Campo
Podemos realizar una clasificación de los buses de campo más importantes (Figura 13.26)
en:
Figura 13.26: Esquem a general de com unicaciones ent re elem ent os Siem ens
Capítulo 13: TECNOLOGÍAS AVANZADAS DE AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL.
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362
– AS-i (Actuator Sensor Interface) Es el bus más inmediato en el nivel de campo y más
sencillo de controlar, consiste en un bus cliente/servidor con un máximo de 31
participantes, transmite por paquetes de solo 4 bits de datos. Es muy veloz, con un ciclo de
5ms aproximadamente. Alcanza distancias de 100 m o hasta 300 m con ayuda de
repetidores. AS-i se sitúa en la parte más baja de la pirámide de control, conectando los
sensores y actuadores con el maestro del nivel de campo. Los maestros pueden ser
autómatas o pasarelas que comuniquen la red AS-Interface con otras redes de nivel
superior, como Profibus. Fue diseñado en 1990 como una alternativa económica al
cableado tradicional. La idea original fue crear una red simple para sensores y actuadores
binarios, capaz de transmitir datos y alimentación a través del mismo bus, manteniendo una
gran variedad de topologías que faciliten la instalación de los sensores y actuadores en
cualquier punto del proceso con el menor esfuerzo posible.
Las características principales de AS-Interface son:
Ideal para la interconexión de sensores y actuadores binarios.
A través del cable AS-i se transmiten datos y alimentación.
Cableado sencillo y económico. Se puede emplear cualquier cable bifilar de 2 x
1.5mm2 no trenzado ni apantallado.
El cable específico para AS-i, el Cable Amarillo, es autocicatrizante y está
codificado mecánicamente para evitar su polarización incorrecta.
Gran flexibilidad de topologías, que facilita el cableado de la instalación.
Sistema mono maestro, con un protocolo de comunicación con los esclavos muy
sencillo.
Ciclo del bus rápido. Máximo tiempo de ciclo 5ms con direccionamiento estándar
y 10ms con direccionamiento extendido.
Permite la conexión de sensores y actuadores No AS-i mediante módulos activos.
Hasta 124 sensores y 124 actuadores binarios con direccionamiento estándar.
Hasta 248 sensores y 186 actuadores binarios con direccionamiento extendido.
Longitud máxima de cable de 100 m uniendo todos los tramos, o hasta 300m con
repetidores.
Detección de errores en la transmisión y supervisión del correcto funcionamiento
de los esclavos por parte del maestro de la red.
Temperaturas de funcionamiento entre -25ºC y +85ºC.
– Profibus (PROcess FIeld BUS). Es el estándar europeo en tecnología de buses, se
encuentra jerárquicamente por encima de AS-i, trabaja según procedimiento híbrido
mediante paso de testigo “token passing”, dispone de 32 participantes hasta un máximo de
127 con repetidores. Su paquete puede transmitir un máximo de 246 bytes, y el ciclo para
31 participantes es de aproximadamente 90ms.
Características:
Número máximo de estaciones: 127 (32 sin utilizar repetidores).
Velocidades de trasmisión entre 9.6 y 12000 Kbps.
Cable especifico de color morado.
Distancias máximas alcanzables (cable de 0.22mm de diámetro) hasta 1200m
según velocidad
Las estaciones pueden ser activas (maestros) o pasivas (esclavos).
Conexiones de tipo bidireccionales, multidifusión “multicast” o difusión
“broadcast”.
Capítulo 13: TECNOLOGÍAS AVANZADAS DE AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
363
Existen tres variaciones de PROFIBUS, el más comúnmente utilizado es el DP (Periferia
Descentralizada) que se utiliza para operar los sensores y actuadores a través de un
controlador centralizado, en otras áreas que incluyen el uso de complejas estructuras de
comunicación se utiliza la conexión de "inteligencia distribuida", PROFIBUS FMS).
Admite velocidades de transmisión de datos de hasta 12 Mbps, tanto por cable trenzado
como por fibra óptica. El menos utilizado es la versión PA (Automatización de Procesos)
que se utiliza para supervisar los equipos de medición a través de un sistema de control de
procesos en ingeniería de procesos en sustitución de la tecnología analógica 4-20mA. La
desventaja de esta variante es la lenta velocidad de transmisión de datos de 31.25 Kbps.
PROFIBUS es el único bus de campo que se puede utilizar en igual medida en la
automatización de la producción y en la automatización de procesos continuos y por lotes, y
desde entonces se ha convertido en un líder mundial de mercado.
– MPI (Multi Point Interface). Es la interfaz de comunicación más sencilla que existe
entre los equipos S7, y la más económica, ya que no requiere, a diferencia de las otras
comunicaciones, de una tarjeta adicional de comunicaciones (CP). La interfaz MPI sólo
permite que un PC o PG (dispositivos de programación de las estaciones que integran la
red) tenga acceso a la vez. La información se maneja en bloques pequeños. Únicamente es
para equipo SIEMENS.
Características:
Número máximo de estaciones: 32
Velocidad de transmisión entre 19.2 Kbps y 12 Mbps.
Cable bifilar apantallado de color especifico rojo.
Conexiones de tipo lineal.
Longitudes máximas alcanzables de 50 m o de 1100 m con repetidores.
También hay cables de fibra óptica con mayores longitudes y con conexiones más
variables.
– Industrial Ethernet. A este nivel es necesario tener: una tarjeta de red, varios repetidores,
concentradores, puentes, conmutadores, nodos de red y el medio de interconexión. Los
nodos de red pueden clasificarse en dos grandes grupos: Equipo Terminal de Datos (DTE)
y Equipo de Comunicación de Datos (DCE). Los DTE son dispositivos de red que generan
lo que son el destino de los datos: como los PCs, las estaciones de trabajo, los servidores de
archivos, los servidores de impresión; todos son parte del grupo de las estaciones finales.
Los DCE son los dispositivos de red intermediarios que reciben y retransmiten las tramas
dentro de la red; pueden ser: routers, conmutadores (switch), concentradores (hub),
repetidores o interfaces de comunicación. Por ejemplo: un módem o una tarjeta de interfaz.
Ventajas:
Aumento de la velocidad, frente a 9.6 Kbps con RS-232 a 1 Gbps con cables de
fibra óptica.
El aumento de rendimiento global.
Mayor distancia.
Capacidad para utilizar los puntos de acceso, routers, switches, hubs, cables y
fibra óptica, que son mucho más baratos que el equivalente de los dispositivos de
puerto serie.
Capacidad de tener más de dos nodos en el enlace.
Capítulo 13: TECNOLOGÍAS AVANZADAS DE AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
364
Mejor interoperabilidad.
Desventajas:
Migración de los sistemas existentes a un nuevo protocolo (sin embargo, muchos
adaptadores están disponibles).
Pérdida de la capacidad de ejecución en tiempo real en aquéllos usos que pueden
sufrir por el uso del protocolo TCP (que no es determinístico).
La gestión de un conjunto de pila TCP / IP es más complejo que sólo la recepción
de datos en serie.
El mínimo tamaño de marco Fast Ethernet incluido entre cuadernas es de unos 80
bytes, mientras que la comunicación de datos industriales típicos tiene tamaños
que pueden estar más cerca de 1-8 bytes.
A continuación, Figura 13.27, se muestra un ejemplo de comunicación con SIMATIC y los
S7-300 utilizando redes PROFIBUS, MPI e Industrial ETHERNET.
Figura 13.27: Ej em plo de com unicaciones con Sim at ic y S7- 300
Para cumplir con las crecientes necesidades de desarrollo de sistemas de control industrial y
control de máquinas, las empresas líderes en automatización han creado una nueva clase de
Capítulo 13: TECNOLOGÍAS AVANZADAS DE AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
365
controladores industriales conocidos como PACs. Los PACs combinan la robustez del
controlador lógico programable (PLC) con la funcionalidad del PC en una arquitectura de
software abierta y flexible. Con estos controladores, se puede construir sistemas avanzados
integrando ciertas capacidades del software tales como control avanzado, comunicación,
registro de datos y procesamiento de señales con hardware robusto que realice lógica,
movimiento, control de procesos y visión.
Es necesario consolidar los progresos realizados en esta área, especialmente en los temas
relacionados con el estudio y desarrollo de métodos de control adecuados para nuevos tipos
de sistemas, componentes avanzados y sistemas informáticos de control.
Sistemas distribuidos de control.
Sistemas inteligentes de control.
Sistemas de control de eventos discretos.
Interfaces hombre-máquina.
Componentes mecatrónicos para la producción.
Sensores y actuadores inteligentes.
Sistemas informáticos de tiempo real.
Tolerancia de fallos.
Referencias Bibliográficas
J. Balcells, J. y J. L. Romeral (1997). “Autómatas programables”. Marcombo
Editores, Barcelona
[2] R. David, “Grafcet: A powerful tool for specification of logic controllers”, IEEE
Transations on Control Systems Technology, 3 (3), 253-268 (1995)
[3] E: Jiménez Macias, J. M. Miruri, F. J. Martínez de Pisón, M. Gil (2000).
Supervised Real-Time Control with PLCs and SCADA in Ceramic Plant, 6th
IFAC Workshop on AARTC’2000, p.p. 221-226
[4] E: Jiménez Macias, E. Jiménez (2001). Industrial Automation Techniques in
Manufacturing Processes, IASTED International Conference on Intelligent
Systems and Control, ISC'2001, p.p. 61-67
[5] Emilio Jiménez Macías (2004), Técnicas de automatización avanzadas en
procesos industriales, Tesis Doctoral, Universidad de la Rioja, Servicio de
Publicaciones, ISBN 84-689-0360-4
[6] Mikell P. Groover, Sebastian Dormido, Angel Segado (1990). Robótica Industrial.
Tecnología, Programación y Aplicaciones. McGraw-Hill.
[7] Andrés J, Piñón Pazos, Ramón Ferreiro, Francisco J. Pérez, Tecnologías actuales
de comunicación de las variables de campo en la industria de proceso,
http://www.cea-ifac.es/actividades/jornadas/XXII/documentos/A_03_IC.pdf
[8] http://www.omron.com/products/indu.html (última consulta 11-11-09)
[9] http://w1.siemens.com/entry/es/es/ (última consulta 11-11-09)
[10] http://www.schneiderelectric.es/sites/spain/es/productos-servicios/automatizacioncontrol/ automatizacion-control.page (última consulta 11-11-09)
[11] http://www.rockwellautomation.com/ (última consulta 11-11-09)
[1]
Capítulo 13: TECNOLOGÍAS AVANZADAS DE AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
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Capítulo 13: TECNOLOGÍAS AVANZADAS DE AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL.
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
367
Capítulo 14: SISTEMAS DE CONTROL DE PROCESOS
Dr. Lázaro de Jesús Gorostiaga Cánepa
Alberto Herreros López
Enrique Baeyens Lázaro
Fundación CARTIF
14.1 Introducción
El 95% de los controladores usados en la industria de procesos, incluida la azucarera, son
controladores PID (Proporcional Integral Derivativo), y en casi un 80% de los casos sólo se
usan las acciones proporcional e integral del mismo, ver [1, 2, 3, 4]. Ello se debe a la
simplicidad de su estructura unido a sus buenas prestaciones en cuanto a la eliminación de
errores y a su robustez frente a cambios en la planta a controlar. También se debe, en el
caso de la industria azucarera, a que las plantas se modifican con mucha frecuencia por
motivos de producción y no se dispone de buenos modelos de las mismas, imprescindibles
para el uso de otro tipo de controladores. Los controladores PID han sobrevivido a muchos
cambios en la tecnología de control pasando desde controladores neumáticos hasta
microprocesadores. Estos cambios tecnológicos han motivado que los PID hayan pasado de
ser sistemas en tiempo continuo, cuando se construían con elementos neumáticos, a
programas de autómatas al implementarse en un PLC. La forma de diseñar sus parámetros
también se ha adaptado a la moderna teoría de control de forma que, por ejemplo, puedan
ser más robustos a variaciones en la planta o que se puedan adaptar a dichos cambios con
estrategias adecuadas.
La característica que diferencia a un sistema de control de otro en la industria de procesos
no es, por tanto, el tipo de controlador usado, en su mayor parte PIDs, si no la estructura de
bucles empleada. Dependiendo de la dificultad del problema de control se emplean distintas
estrategias para asegurar el buen funcionamiento de la planta o evitar el posible
acoplamiento entre los bucles de control. Son los llamados controles o estructuras de
control especiales. La base principal de control es, sin duda, la realimentación básica de la
señal a controlar, pero a partir de ahí se pueden diseñar controles en adelanto, que se
anticipen a una posible perturbación, controles en cascada que amortigüen las
perturbaciones internas y otras muchas técnicas que consiguen mejorar una estructura
básica de control.
En este capítulo se expondrán las principales estrategias de control usadas en el proceso
azucarero. Se comenzará presentando la realimentación básica de control con las acciones
proporcional, integral y derivativa de un controlador PID, y sus implantaciones en tiempo
continuo y discreto. Tras ello, se introducirán otros paradigmas de control con bucles o
especificaciones más complejos, como control anticipativo, control promediante, control en
cascada, control de bucles acoplados, control de relación, control selectivo, control de
rango partido, control adaptativo, control predictivo, control óptimo, control borroso y
control no lineal. La mayoría de ellos, en la industrial de procesos, tienen como base el
controlador PID pero usando más bucles de control e introduciendo filtros que mejoran la
estructura básica de control. Por último, se comentará diferentes técnicas de evaluación de
bucles de control en una planta industrial en funcionamiento. Este aspecto es muy
importante en el buen funcionamiento de la planta, ya que como se describe en [5] un tanto
por ciento muy elevado de los controladores de la industria de procesos, incluida la
Capítulo 14: SISTEMAS DE CONTROL DE PROCESOS
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
368
industria azucarera, están mal sintonizados, sus válvulas no se encuentran bien calibradas o
no están bien dimensionadas. La posibilidad de determinar este hecho sin parar la
producción exige el uso de técnicas complejas muy interesantes para el buen
funcionamiento de una industria de procesos.
14.2 Control básico en realimentación.
14.2.1
Control de realimentación en dos posiciones.
Se trata del control de realimentación más sencillo donde el actuador sólo puede tomar dos
valores extremos, por lo que se le da el nombre de controlador todo-nada, “on-off” o
control a relé. Los controladores típicos de dos posiciones en industria de procesos son los
termostatos, presostatos o nivelostatos, y los actuadores de dos posiciones son las válvulas
senoides, arrancadores, contactores, etc.
El diagrama de bloques genérico de un bucle de dos posiciones es el que se muestra en la
Figura 14.1.
Figura 14.1: Diagram a de bloques del bucle de cont rol de dos posiciones
En los bucles de control de dos posiciones existe un ciclo límite estable. La variable
controlada oscila alrededor del punto de consigna con una amplitud y frecuencia constantes.
La amplitud de este ciclo límite depende de la anchura del bucle de histéresis y la
frecuencia de la dinámica del sistema. El diseño consiste básicamente en calcular la
frecuencia y amplitud del ciclo límite a partir del plano de fase y la función descriptiva. En
algunos controladores PID autoajustables se emplea este controlador para identificar los
parámetros de la planta en línea que luego serán usados para diseñar los parámetros del PID,
ver [2].
14.2.2
Control en realimentación con acciones Proporcional,
Integral y Derivativa.
El control que ejerce un controlador PID se puede analizar por sus tres acciones de control:
proporcional, integral y derivativa. La formula clásica del PID en paralelo responde a la
siguiente ecuación,
U (t ) K C e(t )
KC
Ti
e(t ) K C Td
0
de(t )
dt
(14.1)
donde,
e(t ) YR (t ) Y (t ) ,
(14.2)
Capítulo 14: SISTEMAS DE CONTROL DE PROCESOS
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
369
es el error entre la señal de referencia y la señal medida de salida.
La acción de control se divide en tres acciones, la proporcional, basada en el actual error, la
integral basada en el error pasado del sistema y la derivada que trata de predecir el error
futuro. La sintonización de un PID requiere definir el valor de tres parámetros, Kc, ganancia
proporcional, Ti, tiempo de integración y Td, tiempo derivativo. La acción derivativa puede
generar problemas si la señal medida tiene ruidos o si la referencia cambia de forma brusca
por lo que se suele introducir un filtro en dicha acción.
La transformada de Laplace del PID clásico en su formulación en paralelo se muestra a
continuación,
1
U ( s)
K C (1
Td s).
E (s)
Ti s
(14.3)
Los ceros del sistema pueden ser reales o complejos conjugados dependiendo del valor de
los parámetros. Una formulación en serie del controlador es la siguiente
1
U (s)
)(1 Td s) ,
K C (1
E (s)
Ti s
(14.4)
donde el valor de los ceros del mismo son siempre reales. Esta formulación es más simple
de sintonizar y en industria de proceso es la más empleada. En muchos casos se prescinde
de la acción derivativa por los problemas que genera los ruidos de la planta.
Los PIDs con dos grados de libertad surgen de la ponderación de la referencia en la acción
proporcional y derivativa,
U (t ) K C ( ay R (t ) y (t )) e(t )
KC
Ti
e(t ) K C Td
0
d (by R (t ) y (t ))
, 0 a, b 1,
dt
(14.5)
con el fin de que cambios bruscos en la señal de referencia no saturen la acción de control.
En este caso la variable de control no es función sólo del error si no de la señal de
referencia y la señal medida, de ahí los dos grados de libertad.
Cuando la acción de control satura la planta, el efecto integral se incrementa sin obtener
respuesta por parte de la planta y ello provoca oscilaciones futuras. Por ello, los
controladores PID industriales incorporan acciones no lineales que eliminan la acción
integral cuando esta satura la entrada en la planta, es el llamado “efecto wind-up”. Esta
estrategia es también útil para los cambios de manual a automático, donde se producen
saltos en todas las variables y el efecto integral puede tener un valor aleatorio.
Los controladores PID están actualmente implementados en PLCs, por lo que su
formulación debe ser discreta. El algoritmo discreto de un PID es muy sencillo de
determinar a partir de su formulación continua
Capítulo 14: SISTEMAS DE CONTROL DE PROCESOS
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
T
U (kT ) K e(kT )
Ti
e((h 1)T e(hT )) Td
e(kT ) e((k 1)T )
2
T
h 0
370
k
(14.6)
Para evitar que el efecto integral sature la planta se formula el algoritmo discreto de
velocidad de un PID, donde lo que se obtiene es el incremento de la acción de control que
se desea, [U(kT)-U((k-1)T)].
2T
T
T T
U (kT ) U ((k 1)T ) K (1 d )e(kT ) (1 d )e((k 1)T ) ( d )e((k 2)T )
Ti T
T
T
(14.7)
Como se ve el controlador en esta formulación no tiene integrador, y la acción integral se
produce en el actuador. Si la planta no está saturada se aplica el incremento en el actuador y
si lo está no se hace nada. Con ello se consigue un efecto similar a anti-windup descrito
antes. La mayoría de los controladores industriales aplican este algoritmo por su sencillez y
buenas prestaciones.
14.2.3
Sintonización de PID.
La sintonización clásica de PID se realiza con métodos muy intuitivos de prueba y error.
Con un conocimiento mínimo de la planta, se proponen reglas de sintonización a partir de
cuyos valores se ajustan los parámetros con pequeñas modificaciones. Las más clásicas son
las reglas de Zieglers-Nichols, que han sobrevivido durante muchos años, ver [1, 2, 3]. Los
parámetros de la planta en la que se basan estas reglas pueden ser obtenidos con la planta en
bucle abierto o con la planta en bucle cerrado, usando como controlador para medir los
parámetros característicos, un controlador todo-nada, ver [1, 2, 3].
El objetivo de estas reglas era esencialmente la reducción del error estacionario y la
eliminación del sobrepaso de la planta en bucle cerrado. Recientemente, se están aplicando
otros criterios y reglas más generales que tratan de aplicar la teoría de control moderna a la
sintonización de PIDs. Por ejemplo, en [4] se generan tablas similares a las de ZieglersNichols pero donde el objetivo de control es la robustez del sistema en bucle cerrado. En
[9] se presentan más de doscientas reglas para sintonización de PID optimizando diferentes
índices.
Casi todos los PIDs comerciales tienen algoritmos de sintonización directa, auto-tuning,
basados en algún tipo de reglas y mucho de ellos algoritmos adaptativos a cambios en la
dinámica de la planta, los llamados self-tuning, ver [7]. Sin embargo, en la industria de
procesos se sigue sintonizando en muchos casos los PID de forma manual, lo que hace que
frecuentemente sus parámetros estén mal sintonizados, y la planta en bucle cerrado tenga
muchas oscilaciones. Se trata en la mayoría de los casos de plantas complejas, muy lentas y
con grandes retardos que hacen difícil su control.
14.3 Controladores especiales.
Partiendo de la estructura de control más sencilla, la realimentación básica de un PID, la
industria de proceso, y con ella la azucarera, ha desarrollado una serie de nuevas técnicas
que incorporan nuevos bucles y filtros con el fin de mejorar las prestaciones del original
bucle de control. En esta sección se detallan las más usadas en la industria azucarera.
Capítulo 14: SISTEMAS DE CONTROL DE PROCESOS
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
14.3.1
371
Bucles de control anticipativo.
En inglés es conocido por “feedforward control” y en la literatura hispana recibe diferentes
nombres, control prealimentado, control por compensación de perturbaciones y control en
adelanto. No debe confundirse con el control predictivo del que se hablará en otro punto, ni
con el filtrado de la señal de consigna para evitar grandes oscilaciones en la señal de
entrada.
El control anticipativo puede usarse si se dispone de sensores que midan las perturbaciones
de la planta. En función de la medida de la perturbación, se modifica la acción de control
con el fin de eliminar su efecto en la salida de la planta. El principio del control anticipativo
es la cancelación por un controlador de las dinámicas de las perturbaciones, de forma que
todas ellas queden eliminadas y la planta siga a la referencia. Su aplicación pura es
imposible de realizar en la mayoría de los casos, porque no se dispone de información de
las dinámicas exactas de las perturbaciones y porque los sistemas con dinámicas inestables
o retardos no son cancelables por un controlador. En estos casos se debe aproximar el
controlador obtenido a uno físicamente realizable que no cancele dinámicas inestables de la
planta o de las perturbaciones.
La Figura 14.2 plantea un control anticipativo puro para un sistema con un actuador U, y
dos perturbaciones d1 y d2 que actúan sobre la variable de control VC.
Figura 14.2: Diagram a de bloques del cont rol ant icipat ivo puro.
Suponiendo que las funciones de transferencia de la planta y de las perturbaciones fueran
conocidas, los controladores que lograrían eliminar el efecto de las perturbaciones y que la
salida siguiera a la referencia son de la forma, ver [1, 2, 3],
C1 ( s )
G1 ( s )
Gm1 ( s )G P ( s )
C2 ( s)
G 2 ( s )
Gm 2 ( s )G P ( s )
C R (s)
1
GP (s)
(14.8)
Como se comentó, estos controladores deben ser físicamente realizables, con una diferencia
entre polos y ceros mayor o igual a cero y retardo positivo, y no deben cancelar dinámicas
inestables. Si no se cumpliera esos requisitos habría que aproximar los controladores a otros
físicamente realizables.
Capítulo 14: SISTEMAS DE CONTROL DE PROCESOS
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
372
14.3.2
Control realimentado con control anticipativo para anular
perturbaciones.
Lo normal es el uso del control anticipativo para eliminar la perturbación en la salida de la
planta, dejando a un bucle de realimentación básico el objetivo de seguir la referencia. La
estructura de control en este caso se muestra en la Figura 14.3:
Figura 14.3: Diagram a de bloques cont rol en realim ent ación y cont rol ant icipat ivo
La perturbación d1 se intenta eliminar por medio del control anticipativo, para facilitar el
efecto del bucle de realimentación en el seguimiento de la señal de referencia. Para eliminar
el efecto de la perturbación se debe cumplir que
C ( s)
G1 ( s )
G m1 ( s )G P ( s )
(14.9)
Por supuesto, este controlador debe ser físicamente realizable, la diferencia entre polos y
cero mayor o igual a cero y el retardo positivo, y no debe cancelar dinámicas inestables. Por
ello, en la mayoría de los casos de control de procesos, lo que se aplica es una
compensación estacionaria, es decir, el compensador es un amplificador con ganancia
C (s)
14.3.3
K1
K m1 K P
(14.10)
Bucles de control acoplados.
En muchos procesos, las variables controladas (de salida) no dependen sólo de una variable
de control (entrada), si no de varias variables, este tipo de procesos se denominan
multivariables. Las variables de salida pueden en estos casos ser controladas por algunas de
las variables de entrada, actuando el resto de dichas variables como perturbaciones de ese
bucle de control. La estrategia de control para este tipo de plantas tiene tres pasos, primero
se debe estudiar la relación entre las entradas y salidas para encontrar el mejor
Capítulo 14: SISTEMAS DE CONTROL DE PROCESOS
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
373
emparejamiento. Tras ello, se cierran bucles entre las entradas y salidas emparejadas
diseñándose controladores una entrada una salida. Por último, se comprueba el rendimiento
de dichos controladores con el acoplamiento y se agregan desacopladores si fuera necesario.
La Figura 14.4 muestra los dos primeros pasos de este proceso, selección de bucles y cierre
de los mismos.
Figura 14.4: Sist em a m ult ibucle con cont rol en realim ent ación
El sistema es multivariable porque tiene dos entradas U1 y U2, y dos salidas Y1 e Y2
acopladas, todas las entradas influyen en todas las salidas. Se ha establecido que la entrada
que más influye en la salida Y1 es U1 y del mismo modo se empareja Y2 con U2. Se cierran
dos bucles de control, uno por cada uno de las dos entradas. En muchos casos la relación de
entradas y salidas es obvia pero en otros es necesario el uso de herramientas matemáticas
que muestren cual es el mejor emparejamiento, por ejemplo, el método de la matriz de
ganancias relativas (Bristol), ver [1, 3]. Los controladores C1 y C2 se han diseñados sin
tener en cuenta el acoplamiento entre ambos bucles de control.
Si el efecto del acoplamiento entre bucles fuera muy grande, se debería pasar al tercer paso
y desacoplar ambos bucles. Para ello se emplean controladores C12 y C21 que actúan de
forma similar a los mostrados en el control anticipativo, su función es eliminar el efecto
perturbador de cada entrada en la salida donde no se realimenta, ver [1, 2, 3]. Los
controladores así obtenidos deben ser físicamente realizables, relación polos-ceros mayor
que ceros y retardo positivo y no deben cancelar dinámicas inestables. En caso de que no lo
fueran se deberá aproximar a controladores físicamente realizables como se explicó en los
controladores anticipativos.
La Figura 14.5 muestra los bucles de realimentación y los desacopladores de un sistema
multivariable con dos entradas y dos salidas.
14.3.4
Bucles de control en cascada.
El control en cascada de varios bucles anidados es útil para un sistema compuesto de
subsistemas en serie cuya señal de salida pueda medirse. El diagrama de bloques genérico
de este control especial se muestra en la Figura 14.6.
Capítulo 14: SISTEMAS DE CONTROL DE PROCESOS
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
374
Figura 14.5: Sist em a m ult ibucle con cont rol en realim ent ación y desacoplam ient o
Figura 14.6: Diagram a de bloques genérico del cont rol en cascada
Se dispone de varios subsistemas, en este caso dos, normalmente con distintas dinámicas, el
subsistema interno es más rápido que el externo. Con el fin de que las perturbaciones que se
generen en el subsistema interno d1 no influyan en la señal de salida se genera un bucle con
un controlador C2 que elimina esas perturbaciones de forma rápida, este es el llamado bucle
de control esclavo. En este bucle no se pretende alcanzar ninguna referencia por lo que el
controlador empleado no tiene normalmente acción integral, sólo proporcional o derivativa
para eliminar perturbaciones rápidamente.
El primer subsistema ya controlado en serie con el segundo es compensado por un segundo
bucle de realimentación y un controlador C1, llamado maestro, para conseguir que la salida
final siga a la señal de referencia. El controlador maestro sí debe tener acción integral
porque su principal función es que la señal de salida siga a la referencia. La estrategia se
puede ampliar a más bucles con el fin que las perturbaciones internas sean eliminadas en
los bucles esclavos y el bucle maestro lleve a la salida a la referencia requerida.
Una aplicación típica de este tipo de control es el control de temperatura en los
intercambiadores de calor mostrado en la Figura 14.7.
Capítulo 14: SISTEMAS DE CONTROL DE PROCESOS
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
375
Figura 14.7: Cont rol en cascada de la t em perat ura en un int ercam biador de calor
La variable auxiliar es el propio caudal manipulado para controlar la temperatura a la salida
del intercambiador. Los cambios en la presión P(t) del fluido manipulado se reflejan casi
instantáneamente en el caudal del mismo, y por tanto el bucle interior los corrige
inmediatamente y no da tiempo a que se reflejen en la temperatura de salida, cuya dinámica
es mucho más lenta que la dinámica del caudal. Este esquema se justifica si el fluido
manipulado (por ejemplo vapor) experimenta frecuentes y súbitos cambios de presión.
La sintonización de este tipo de controladores se realiza en varios pasos. Con el bucle
externo abierto se sintoniza el control del controlador esclavo, que como se ha comentado
no tiene acción integral porque lo que pretende es reducir las perturbaciones. En una
segunda fase se sintoniza el controlador externo, controlador maestro, para que el sistema
siga la señal de referencia usando una acción integral.
14.3.5
Bucles de “control medio”.
El control medio o promediante tiene como objetivo que la señal de salida de una planta se
mantenga entre unos límites fijados por el usuario, en vez de seguir a una referencia dada.
Un ejemplo de las plantas que requieren este tipo de control se muestra en la siguiente
Figura 14.8.
Figura 14.8: Bucle de “ cont rol m edio” del nivel en un depósit o pulm ón
Capítulo 14: SISTEMAS DE CONTROL DE PROCESOS
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
376
Un subsistema produce un determinado flujo F1 que es la entrada a un segundo subsistema
que requiere un flujo F2. La sincronización entre ambos subsistema no es absoluta, y se
dispone de un tanque pulmón que sirva de amortiguador. El objetivo del controlador es que
la salida F2 se mantenga constante sin dejar que el nivel en el tanque pulmón se salga de
unos límites. Se da por supuesto que las medias de los flujos F1 y F2 son similares y que el
tanque pulmón sólo debe amortiguar los picos que se produzcan en el flujo F1.
La acción adecuada para este tipo de sistema es la acción proporcional, ya que no se
requiere que el sistema siga a una referencia, si no que permanezca entre unos límites. El
diagrama de bloques de este sistema se puede ver en la Figura 14.9.
Figura 14.9: Diagram a de bloques para cont rolador prom ediado
El flujo F1 actúa como perturbación del sistema de nivel que es regulado modificando el
valor del flujo F2. Para regular el sistema se debe poner como consigna (referencia) el valor
medio entre Lmax y Lmin y ajustar el valor de Kc del controlador de forma que no se rebose
los límites permitidos. Para ello es útil ver que los incrementos en el nivel son producto de
incrementos en la perturbación, dependiendo del valor de Kc, según la formula
L
F1
KC K AKM
(14.11)
Sabiendo los picos de flujo F1 que el sistema va a recibir se puede dar un valor a Kc que
cumpla con el objetivo de control.
14.3.6
Bucles de control de relación
En muchos casos, la referencia de control no es una variable, si no la relación entre varias
variables. Es el caso de un mezclador donde se requiere que la mezcla de un tanque tenga
una determinada proporción de varios productos. Para conseguir este propósito se puede
aplicar diferentes estrategias de control.
Una de ellas consiste en utilizar dos bucles en cascada, donde el primero fije la referencia
del segundo con se indica en la Figura 14.10. El bucle maestro fija una referencia para que
el interno manipule la entrada de F2 de forma adecuada.
Capítulo 14: SISTEMAS DE CONTROL DE PROCESOS
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
377
Figura 14.10: Bucle de cont rol de relación t ipo seguidor
Otra forma es la realimentación directa de la relación de señales deseadas usando sólo un
bucle como se indica en la Figura 14.11. Es más sencillo pero tiene el problema de la
alinealidad de la operación de división.
Figura 14.11: Bucle de cont rol de relación t ipo regulador
14.3.7
Bucles de control selectivo.
Este tipo de control se emplea en sistemas con una variable manipulada y varias variables
que controlar. Normalmente, el controlador actúa siguiendo a una señal de control, pero
ante alarmas en las otras, cambia su modo de funcionamiento. Un ejemplo es el control del
combustible que entra en una caldera para conseguir una temperatura dada, que se muestra
en la Figura 14.12.
Capítulo 14: SISTEMAS DE CONTROL DE PROCESOS
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
378
Figura 14.12: Bucle de cont rol select ivo, ut ilizado para reconfigurar el cont rol, en caso de
operación insegura.
En su modo normal, el actuador sigue la señal de la temperatura externa pero ante altas
temperaturas en el interior de la caldera se cambia el objetivo.
Otra aplicación de este tipo es el control que evita que el gas de petróleo licuado pueda
gasificarse.
Con el objeto de mantener en fase líquida al gas de petróleo licuado (GPL) cuando se
bombea, es necesario mantenerlo a cierta presión por encima de la presión de vapor de la
mezcla. Si la presión cae por debajo de ese valor se gasifica el GPL y se producen errores
en la medición del caudal y masa bombeada. El control normal es de caudal, pero si por
perturbaciones (por ejemplo fuertes variaciones de presión aguas arribas o abajo) la presión
alcanza el mínimo fijado en la consigna, el control se reconfigura automáticamente, Figura
14.13.
Figura 14.13: Cont rol select ivo para evit ar la gasificación del gas de pet róleo licuado
Otro tipo de aplicación, algo diferente a las anteriores es el control de la temperatura en un
reactor tubular mostrada en la Figura 14.14.
Capítulo 14: SISTEMAS DE CONTROL DE PROCESOS
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379
Figura 14.14: Cont rol select ivo de la t em perat ura en un react or t ubular.
En esta aplicación se utiliza un único controlador PID, pero la señal de medición es la que
varía conforme al selector.
14.3.8
Bucles de control con rango partido (splits-range-control).
Este tipo de control se usa cuando se dispone de varios actuadores para controlar una sola
variable. En este caso, el controlador tiene una parte no lineal para dividir el rango de
actuación de cada una de las válvulas. La Figura 14.15 muestra un ejemplo de este tipo de
controladores.
Se dispone de dos actuadores, dos válvulas para conseguir un determinado caudal de salida.
El controlador tras un PID fija un rango de actuación para cada una de las válvulas.
Este tipo de controladores puede dar problemas cuando las dinámicas de los dos actuadores
no son similares ya que se usa el mismo controlador para accionar ambas válvulas. En ese
caso es aconsejable el uso de dos controladores, uno para cada válvula y rango de control.
Una aplicación muy típica de este tipo de controladores son los sistemas frío-calor, donde
se dispone de dos actuadores, uno para suministrar frío y otro calor. El PID que controla el
suministro de calor es de acción inversa y el que controla la extracción de calor es de acción
directa y la sintonía de cada uno es totalmente diferente por ser diferente su dinámica.
Figura 14.15: Cont rol de rango part ido para aum ent ar el rango de caudales a cont rolar
Capítulo 14: SISTEMAS DE CONTROL DE PROCESOS
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
14.3.9
380
Bucles de control adaptativo.
Se usan en sistemas donde el proceso cambia sustancialmente sus características dinámicas
en el tiempo.
La teoría del control adaptativo surgió en la década de los 60, pero hasta la última década
del siglo pasado no se aplicó a la industria de procesos.
Los controladores adaptables cambian su algoritmo de control o sus parámetros, para
adaptarse a los cambios en la dinámica de la planta controlada y mantener los indicadores
de comportamiento. Hay tres variantes básicas: control adaptativo con modelo de referencia,
control adaptativo por identificación en tiempo real y control adaptativo programable, ver
[7].
La estructura y funcionamiento del bucle de control adaptativo con identificación en tiempo
real se muestra en la Figura 14.16. Cada cierto tiempo a partir de acción en el actuador y la
variable controlada se identifica la dinámica de la planta y se trata de acomodar los
parámetros del PID a las variaciones de la planta. Los cambios que se introduzcan en los
parámetros del controlador deben ser lo suficientemente lentos como para no producir
oscilaciones ni inestabilidades.
Numerosas firmas productoras de instrumentos de medición y control, ofertan reguladores
digitales y autómatas con algoritmos autoadaptables (“self-tuning”). Dichos controladores
suelen tener también auto-sintonía (“auto-tuning”), que consiste en algoritmos para
sintonizar de forma automática los parámetros óptimos del PID cuando el usuario se lo pida.
Ambos conceptos no deben ser confundidos, en un caso se ajustan de forma periódica y en
otro cuando lo pide el usuario, ver [7].
Una aplicación en la industria azucarera del control adaptativo es el control del pH. La
dinámica del pH del jugo de la caña de azúcar en el proceso de neutralización, experimenta
grandes cambios en función de la variedad de caña, de su grado de madurez, de su grado de
frescura y de la composición de la cal que se utilice.
Figura 14.16: Bucle de cont rol adapt at ivo
Capítulo 14: SISTEMAS DE CONTROL DE PROCESOS
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
14.3.10
381
Bucles de control predictivo.
Las acciones proporcional e integral de un PID usan información presente y pasada,
mientras que la acción derivativa trata de predecir el futuro de forma lineal para tomar una
decisión de control. De la misma forma, muchos otros controladores intentan predecir el
futuro del proceso para tomar una decisión. Esta estrategia puede mejorar el
funcionamiento del sistema de control, particularmente si el sistema tiene grandes retardos.
Pr e dict or de Sm it h
Si una planta tiene grandes retardos, las acciones de control sólo se cumplen después de ese
periodo de retardo, lo que hace que el controlador actúe precipitadamente. El predictor de
Smith pretende extraer del bucle de control en realimentación el efecto pernicioso del
retrato de la planta. Para ello formula un bucle extra que posee información sobre el retardo
y modelo de la planta de la forma que se muestra en la Figura 14.17.
Figura 14.17: Diagram a de bloques del bucle de cont rol con predict or de Sm it h ideal
Matemáticamente se puede demostrar que el uso del predictor de Smith ideal convierte el
sistema en bucle cerrado al equivalente mostrado en la Figura 14.18, donde el retardo de la
planta queda excluido del bucle, ver [1, 2, 3].
Figura 14.18: Diagram a de bloques equivalent e del bucle de cont rol con Predict or de Sm it h ideal
Cuando el modelo de la planta no sea exactamente igual al real no todo el efecto del retardo
va a salir del bucle, pero las prestaciones de este sistema de control son mejores que las del
uso exclusivo del bucle del PID. El predictor de Smith puede presentar problemas de
oscilaciones si el modelado del retardo fuera muy diferente al real, caso que puede ocurrir
en sistemas con retardos variables con el tiempo.
Con t r ol ba sa do e n m ode lo in t e r n o I M C
Puede ser considerado como una variante del predictor del Smith, donde se prescinde del
Capítulo 14: SISTEMAS DE CONTROL DE PROCESOS
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382
uso de PID para el bucle de control. Su esquema se muestra en la Figura 14.19.
Figura 14.19: Diagram a de bloques del Bucle de cont rol con algorit m o I MC
La función de transferencia GCL es la función en bucle cerrado deseada, GP es el modelo
real y GM es el modelo estimado del proceso. En un caso ideal, si GM = GP, entonces la
salida del sistema sería igual a la referencia Y(s) = GCL(s)YR(s). Sin embargo, eso en
muchas ocasiones no es posible, ya que se trata de un control por cancelación. El
controlador obtenido debe ser físicamente realizable, con una diferencia entre polos y ceros
mayor que cero y retardo positivo, y no se deben cancelar dinámicas inestables entre planta
y controlador.
Bu cle de con t r ol pr e dict ivo ba sa do e n m ode los.
El control predictivo parte de la identificación de un modelo del proceso a partir del
histórico de los datos, ver [1, 2, 3, 8]. Los algoritmos de control predictivo calculan los
valores de las variables manipuladas que hacen evolucionar el proceso en el futuro de modo
que las variables controladas permanezcan próximas a sus puntos de consigna,
manteniéndose todas ellas dentro de los límites escogidos por el operador. En este paso se
usan algoritmos de optimización complejos que obtienen la mejor acción de control para
los objetivos propuestos. Estos objetivos están evidentemente relacionados con la reducción
del error, robustez del sistema ante perturbaciones y se pueden añadir restricciones en las
variables manipuladas. La Figura 14.20 muestra un ejemplo de los resultados de este
proceso.
Figura 14.20: Acción de cont rol y t rayect oria est im ada por el algorit m o predict ivo para
opt im izar obj et ivos.
El coste computacional de este cálculo es grande, pero los modernos equipos de control
Capítulo 14: SISTEMAS DE CONTROL DE PROCESOS
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383
pueden realizarlo sin demasiados problemas. El proceso se repite de forma cíclica
consiguiendo corregir las posibles perturbaciones no tenidas en cuenta o las diferencias
entre el modelo real y el estimado.
El control predictivo aporta bastantes ventajas en sistemas con dinámicas difíciles, como
por ejemplo los sistemas con retardo, muy comunes en la industria de procesos. Además, se
pueden incorporar a la simulación todos los conocimientos de que se disponga, como el
efecto de las perturbaciones conocidas.
Un ejemplo de aplicación de control predictivo aplicado a la industria azucarera es el
controlador HITO-WNT, diseñado por el departamento de Ingeniería de sistema y
automática de la Universidad de Valladolid. HITO-WNT ofrece un variado repertorio de
algoritmos de control predictivo lineal y no-lineal que permiten seleccionar la técnica más
adecuada para el tipo de proceso y los objetivos deseados. También implementa un
optimizador de consignas, que permite calcular en línea el punto de operación óptimo del
proceso desde un punto de vista económico. Este controlador se está aplicando en industrias
azucareras al poder conectarse vía OPC con SCADAs comerciales.
14.3.11
Bucle de control óptimo.
El control óptimo puede ser entendido a nivel de controlador o a nivel de diseño de un
sistema de control para la planta. Un controlador optimo es aquel cuyos parámetros han
sido diseñados ajustándose a la minimización de un problema de optimización planteado.
Normalmente, se suelen emplear varios objetivos de control, unos relacionados con las
especificaciones del problema y otros con la robustez, con lo que el problema a resolver es
multiobjetivo, normalmente de difícil solución. Las reglas propuestas por diversos autores
para la sintonización directa de los parámetros de un PIDs, no son más que las soluciones a
problemas de optimización con respecto a determinados objetivos, ver [2, 9].
En la industria de procesos, es común el planteamiento de un problema global de
optimización que incluya las consignas con respecto a objetivos normalmente económicos.
El diagrama de la Figura 14.21 muestra un esquema de este planteamiento.
Figura 14.21: Cont rol ópt im o de consignas
Un ejemplo típico en la industria de procesos es el de las refinerías de petróleo.
Dependiendo del precio de los diferentes componentes en el mercado, el control óptimo
Capítulo 14: SISTEMAS DE CONTROL DE PROCESOS
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
384
gestiona las consignas de cada uno de los derivados. En las industrias azucareras también se
pueden aplicar objetivos similares. El controlador predictivo HITO-WNT citado
anteriormente incorpora esta posibilidad.
14.3.12
Bucles de control borroso o difuso.
Los controladores borrosos aplican la lógica difusa para emular las decisiones de un
operario ante un problema de control. La lógica difusa utiliza variables con valores
discretos diferentes de los dos de la lógica convencional (verdadero o falso); pudiendo
tomar valores del tipo, pequeño, mediano o grande. Las variables de error y acciones de
control de estos controladores son traducidas a este tipo de variables; por ejemplo, error
pequeño, mediano, grande. Las decisiones se ajustan a una tabla de verdad con
proposiciones condicionales del tipo: “Si E es pequeño entonces U es pequeño”. En esta
tabla se tiene que reflejar la experiencia del operario sobre las decisiones que son más
interesantes en cada caso. Recientemente, se intenta obtener la tabla de verdad a partir del
histórico de datos usando técnicas de inteligencia artificial. Por último, se requiere una fase
de conversión de los valores continuos de las variables a valores difusos y su inversa. La
Figura 14.22 es un ejemplo del esquema clásico de un controlador difuso.
Figura 14.22: Bucle de cont rol borroso
Esta técnica es muy útil en sistemas con no linealidades donde las decisiones que haya que
tomar sean muy diferentes dependiendo del valor de las entradas. Existen muchas
aplicaciones de este tipo de control, algunas de ellas en el área de la ingeniería de procesos.
Por ejemplo, se usa en el control de intercambiadores de calor, hornos de cemento,
secaderos de pulpa y evaporadores.
14.3.13
Bucles de control no lineal (PI-sampling).
En términos absolutos, todos los sistemas de control reales son no lineales en alguna
extensión. De hecho, el control borroso descrito en el punto anterior es claramente no lineal,
de la misma forma que el control de rango dividido o de selección. En el controlador PID
clásico, se dispone de acciones no lineales para evitar la saturación en el efecto integral,
como ya se comento.
En este punto se va a tratar un controlador no lineal muy útil en la industria de procesos por
su simplicidad y facilidad para controlar sistemas con retardo, se trata del controlador PIsampling, o controlador paso a paso. Este controlador ejecuta la acción de control del PI
durante un periodo 1 congelando su actividad en un periodo 2. La Figura 14.23 describe
el proceso.
Capítulo 14: SISTEMAS DE CONTROL DE PROCESOS
Libro Blanco de la Automatización y Control en la industria de la caña de azúcar.
385
Figura 14.23: Principio de funcionam ient o del cont rolador no lineal PI - sam pl in g
La variable 2 deber ser ajustada al retardo del sistema. El PI-sampling tiene cinco
parámetros, los tres clásicos y dos de ajuste al retardo de la planta. El controlador PIsampling actúa como un operador bien entrenado, que cada vez que hace una corrección
sobre el proceso espera el tiempo necesario antes de ejecutar cualquier otra.
14.4 Evaluación automática de las prestaciones del sistema.
Tras el diseño de los bucles de control óptimos para una planta y la sintonización de los
parámetros de los controladores, una segunda fase incluye la supervisión y mantenimiento
de los bucles de control. Como se comentó en la introducción, estudios realizados sobre
miles de controladores [5] reflejan que muchos de ellos se encuentran mal sintonizados, las
válvulas de control y posicionadores no están bien calibrados y en general los componentes
de los sistema de control están sobredimensionados o subdimensionados. Este hecho es
especialmente frecuente en la industria azucarera, donde las plantas van modificándose en
función de los requisitos de la producción, con lo que la mayoría de sus componentes están
mal dimensionados.
Las válvulas son la principal fuente de problemas en el control de procesos. Por una parte
producen saturación en la acción de control, ya que la válvula sólo se puede mover en un
determinado rango, abrir y cerrar. En segundo lugar está el fenómeno de la fricción de la
válvula. Una válvula genera una resistencia al ser abierta y cuando se consigue abrir suele
saltar a otra posición donde se queda clavada de nuevo. Si la válvula se clava en una
posición mayor de la deseada hace que la planta oscile en su conjunto. En tercer lugar, es
preciso estudiar la histéresis de una válvula, es decir el huelgo entre la apertura y cierre de
la misma. Por último, las válvulas se pueden comportan de forma no lineal. Normalmente,
las válvulas están sobredimensionadas lo que provoca la no linealidad de su acción de
control. Este hecho se puede intentar subsanar limitando a apertura de la válvula a una
zona donde se comporte de forma lineal y escalando la relación entrada-salida de forma que
la ganancia de la planta sea unitaria. Pero desgraciadamente esto no ocurre en muchos de
los casos.
Existen varias técnicas que tratan de evaluar el rendimiento de un sistema en bucle cerrado.
La primera de ellas es la evaluación estática entre la entrada y salida del sistema. Si se
dispone de un detector para medir la estacionalidad, se puede obtener una nube de puntos
entrada y salida de régimen estacionarios. Esta nube nos aporta información sobre las
acciones más frecuentes empleadas en nuestro sistema, cambios en la referencia o cambios
en la carga, y es útil en el diagnostico de posibles problemas en los sensores o actuadores.
Capítulo 14: SISTEMAS DE CONTROL DE PROCESOS
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386
Otra técnica muy usada es el índice de Harris, que analiza la varianza de la salida de un
sistema en función de la varianza óptima, ver [2, 6]. A partir de este índice se han propuesto
otros que desde un punto de vista práctico son más útiles en la industria de proceso y se
adaptan mejor a las especificaciones de los controladores PIDs. Con estos índices se
consigue determinar lo próximo que está un bucle de su comportamiento ideal y se pueden
detectar los controladores que están mal sintonizados.
14.5 Conclusiones.
Los bucles de control en la industria azucarera, y la de procesos en general, están en su
mayor parte regulados por controladores PID, y en muchos casos sólo se usa el efecto
proporcional e integral. Al bucle de control básico, se le añade a menudo otros bucles de
control que ayudan a eliminar perturbaciones o a hacer más robusto el bucle básico. Sólo en
algunos casos, la industria azucarera emplea otros controladores diferentes al PID, como
puede ser los controladores predictivos basados en modelos.
La sintonización de los bucles de control en la industria azucarera es un tema complejo
porque en muchos casos las plantas se modifican en función de las necesidades de
producción, con lo que los componentes de las mismas realizan una función para la que no
estaban diseñadas. Es muy típico detectar oscilaciones en los bucles de control por efecto
de una mala sintonización de los controladores o por el efecto de válvulas
sobredimensionadas que generan no linealidades en el sistema. El uso de técnicas de
evaluación automática de prestaciones podría ser muy útil para mejorar la calidad de los
productos y ahorrar energía en la industria azucarera.
Referencias Bibliográficas
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]
[9]
B.A. Ogunnaike and W.H. Ray. Process Dynamics, Modelling and Control.
Oxford University Press, 1994.
K.J. Ästrom y T. Hägglund. Control PID Avanzado. Prentice Hall, 2009.
D. Seborg, T.F. Edgar, y D.A. Mellichamp. Process Dynamic and Control. John
Willey and Sons, Inc., 2004.
J.E. Normey-Rico y E.F Camacho. Control of Dead-time Process. SpringerVerlag 2007.
D. Ender. Process control performance: Not as good as you think. Control
Engineering, 40:180–190, 1995.
T. J. Harris, C.T. Seppala y L.D. Desborough. A review of performance
monitoring and assessment techniques for univariante and multivariante control
systems. Journal of Process Control, 9:1-17, 1999.
C.C Hang, T.H. Lee y W.K. Ho. Adaptative control. Instrument Society of
America, 1993.
Camacho, E.F. y C. Bordons. Model Predictive Control, Second Edition.
Springer-Verlag, 2004.
Handbook of PI and PID Controller Tuning Rules, Aidan O’Dwyer, Imperial
College Press, London 2003.
Capítulo 14: SISTEMAS DE CONTROL DE PROCESOS
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