TECNOLOGA QUMICA Vol. XXXI, No. 1, enero-abril del 201140METODOLOGAGENERALPARALAEVALUACININTEGRALDELAEFICIENCIAENERGTICAENLOSCENTRALESAZUCAREROSMSc. Santiago Melchor Soler-Prez, soler@fiq.uo.edu.cuFacultaddeIngenieraQumica,UniversidaddeOriente,SantiagodeCubaSepresentadeformadetalladaunametodologageneralquepermiteevaluarintegralmenteelcomportamientoenergticodeloscentralesazucareros.Lametodologasebasaenrealizarbalances de masa y de energa en todas las secciones de la industria, desde los molinos hasta lostachos, incluyendo los generadores de vapor. Para llevar a cabo estos balances se utilizandatosque deben ser conocidos en la generalidad de los casos o que, de no disponerse de ellos, puedanserestimadosconaltogradodeconfiabilidad.Lasecuacionesdeclculoplanteadasestnplenamentefundamentadasenlosbasamentostericoscorrespondientesysolamenteencasosimprescindiblessehacenaproximacionesoconsideraciones totalmente justificadas y validadas por la experiencia prctica. La efectividad deesta metodologa se comprob al ser aplicada en 12centrales azucareros, con dismiles esquemasenergticos, de las provincias de Santiago de Cuba, Holgun y Granma. En todos ellos seobtuvolainformacinnecesariaquepermiticonocerelcomportamientodelosparmetrosqueesnecesario tener en cuenta en la evaluacin integral de la eficiencia energtica del proceso y porconsiguiente, tomar decisiones a supersonal tcnico.Palabras clave: eficiencia energtica, ndices de eficiencia, evaluacinenergtica.We present in detail a general approach that allows fully assess the energy performance of the sugarmills. Themethodologyisbasedonperformingmassbalancesandenergyinallsectionsoftheindustry, from the mills to the bins, including the steam generators. To carry out these balancesusing data that must be known in most of the cases or that, but if available, can be estimated witha high degree of reliability.Calculationequationsinvolvedarefullyinformedonrelevanttheoreticalbackgroundandonlywhenessentialapproximationsorconsiderationsarefullyjustifiedandvalidatedbypracticalexperiece.The effectiveness of this methodology was found to be implemented in 12 sugar mills, with dissimilarenergy schemes in the provinces of Santiago de Cuba, Holgun and Granma. In all the necessaryinformation was obtained that allowed to know the behavior of the parameters that must be takeninto account in the comprehensive assessment of energy efficiency of the process and therefore makedecisions on their technical staff.Key words: energy efficiency, efficiency index, energy evaluationt._____________________IntroduccinLa eficiencia energtica en los centrales azu-careros,tiene que evaluarse de forma integralyhacerseelanlisisentodaslasseccionesdelproceso,desdelaetapademoliendahastalaproduccin de azcar, incluyendo, como es lgicolos generadores de vapor.Esnecesariotenerencuentaaspectostalescomo: la eficiencia de generacin y el comporta-miento de los diferentes renglones que inciden enlas prdidas energticas que provocan una dismi-nucin del valor que se puede obtener en esteparmetrotanfundamental;elanlisisdelacogeneracin y la posibilidad de su incremento, elestudio del comportamiento de las diferentes seccio-nes del proceso (calentamiento, evaporacin y tachos)y el aprovechamiento que se haga en cada una deellas del vapor disponible; la necesaria correspon-dencia entre la disponibilidad y consumo de vapor enlas diferentes lneas de presinpara detectar posi-bles cuellos de botella o excesos evitables; el estudiodel vapor que se circula por reductora y la posibilidadde su reduccin; el aprovechamiento que se hace delvapor generado en el proceso tecnolgico en otraspartes del propio proceso; etctera.Fecha de recepci n: j ul i o/2010, f echa de acept aci n/publ i caci n:di c./2010-marzo2011, pgs. 40-46TECNOLOGA QUMICA Vol. XXXI, No. 1, enero-abril del 201141Paradeterminartodosestosparmetrosesnecesario utilizar los mtodos y ecuaciones msconfiables y evitar, en lo posible, hacer considera-ciones que no siempre son satisfactorias en algu-nas condiciones.Las metodologas que se aplican frecuente-mente en la actualidad por el MINAZ adolecen dealgunas deficiencias: no se hace una evaluacinintegral, ya que no consideran todos los parmetrosque es necesario analizar, utilizan aproximacionesque pueden, en muchos casos, ser evitables y queson innecesarias , si se utilizan adecuadamente lasecuaciones debalances de masa y energa en lasdiferentes secciones del proceso y no toman encuenta algunos aspectos importantes que influyenel los balances de masa y energacomo son entreotros, los atemperadores y el tanque flash.El siguiente trabajo que tiene como objetivo,desarrollar y aplicar una metodologa ms eficaze integral para el estudio de la eficiencia energ-tica de los centrales azucareros.FundamentostericosBalancesdemasayenergaenlosgeneradores de vaporPara estos clculos se utiliza la metodologapropuesta en/12/.Balances de masa en el proceso tecnolgicoPara determinar los flujos de las corrientes quese alimentan a los diferentes equipos tecnolgicosque consumen vapor de agua es necesario reali-zarbalancesdemasaenelproceso.Sedebencalcular los flujos msicos que se relacionan acontinuacin.- J ugo mezclado.- J ugo alcalizado en fro que se alimenta a loscalentadores primarios y rectificadores.- J ugoque se alimenta a los calentadores de jugoclarificado.Paraelloesnecesariotenerencuenta el proceso de alcalizacin en caliente, sise utilizara en el sistema en estudio y el deevaporacin que tiene lugar, inevitablemente,en el tanque flash.- Flujos alimentados a los diferentes equipos queforman el sistema de evaporacin. Para ello esnecesariotenerencuentalascantidadesdeagua evaporada en los diferentes procesos.La metodologa y las ecuaciones de clculoaparecen en /17/.Clculo del consumo de vapor directo en losmotores primariosLos equipos que consumen vapor directo sonlos turbogeneradores, las mquinas de vapor paramover los tndemes de los molinos y las bombasreciprocantes.El mtodo de clculo correspondiente a cadauno de ellos para determinar el flujo de vaporconsumido (G) en kg/h se puede encontrar en /17/.El vapor directo tambin se utiliza en las des-tileras de los centrales que dispongan de ellas ascomo en la dilucin de las mieles, esterilizacin delas bandas conductoras y como vapor de escoba.Elconsumoenlasdestilerasseestimadeacuerdo a la siguiente norma: 0,4 ton de vapor porhectolitro de alcohol producido por da.El vapor consumido en la dilucin de mieles yen la esterilizacin de las esteras se estima entreun 4 y un 6 por ciento de la caa molida.El vapor de escobapara la limpieza se puedeestimar entre el 1 y el 2 por ciento de la caa molida.Este vapor se puede agrupar como el vaporconsumido para otros usos.Tambin debeconsiderarse un factor de prdi-das en la lnea de vapor directo que depende de lalongitud de las tuberas y del estado de las mismas.Clculo del consumo de vapor en los equipostecnolgicosLos equipos tecnolgicos son los que se utili-zan en el proceso para el calentamiento y concen-tracin del jugo. Estos equipos pueden variar enlos diferentes centrales y entre ellos se encuen-TECNOLOGA QUMICA Vol. XXXI, No. 1, enero-abril del 201142tran los calentadores (primarios, rectificadores, yde jugo clarificado) y los sistemas de evapora-cin. Entre estos ltimos se encuentran los pre-evaporadores, los sistemas de mltiples efectos(desdedoshastacinco)ylostachos.Enlossistemasdemltiplesefectossepuedenhacerextracciones de vapor para utilizarlo como fuentede energa en el proceso.El mtodo de clculo correspondiente a cadauno de ellos para determinar el flujo msico devapor de agua consumido (G) en kg/h se da acontinuacin.CalentadoresSon utilizados para elevar la temperatura dejugo extrado, su consumo de vapor depende de laeficiencia trmica que tenga y el tipo de vaporutilizado.Ecuaciones de clculoEsta ecuacin es vlida para cualquier calen-tador en el proceso, utilizando los valores corres-pondientes de las variables para cada uno de ellos.EvaporadoresSon equipos de concentracin del el jugo hastala obtencin de la meladura, su consumo dependede la eficiencia trmica, del nmero de efectos ydel uso o no de extracciones del vapor secundariode diferentes efectos. Para el pre-evaporador:Ecuaciones de clculo: *) ( *XvTe Ts Cp FjGcal= (1)(4)(2)(3) (6)(5)XvTej Teb Cp FejvvcuW Gpre *) ( * + = Para un mltiple efecto sin extracciones de vaporEcuaciones de clculoEsta expresin es vlida para cualquier nme-ro de efectos y proporciona resultados muy satis-factorios. En caso de que se disponga del dato dela concentracin del jugo a la salida del primerefecto (algopoco comn), se realizara el balancedemasaendichoefectoysedeterminaralacantidad de agua evaporada (W1), sustituyendoeste valor al trmino W/N de la ecuacin.TECNOLOGA QUMICA Vol. XXXI, No. 1, enero-abril del 201143 Para un mltiple efecto con extraccin de vaporEn caso de que se hagan extracciones de vapor en el mltiple efecto para ser utilizado en otras seccioneses necesario tenerlas en cuenta en el clculo del consumo energtico. La ecuacin sera la siguiente:(7)donde:Ei es el flujo msico de agua extrada en el efecto i.Tachos al vacoEl principio de estos equipos, es anlogo a uno delos cuerpos de un evaporador con la particularidadde que se cristaliza la mayor parte de la sacarosacontenida en la meladura y mieles en operaciones asimple efecto, en estos equipos al inicio de cadatempla el consumo de vapor es mayor y a medidaque va pasando el tiempo este va disminuyendodebido a la discontinuidad de la masa.La metodologa de clculo aparece en /17/.Balance de energa en los atemperadores devapor de escapeEl atemperador de vapor de escape no constituyeun equipo como tal, es simplemente la inyeccin deagua en forma de lluvia sobre la corriente del flujo devapor procedente de los turbogeneradores y de lavlvula reductora. Sin embargo es necesario esteclculo ya que afecta en el valor real de losflujosdevapor en el sistema.Lascaractersticasdelvaporquesaledeatemperadordependendel gradodesobrecalentamiento que posea el vapor de escapey de la temperatura del agua que se utiliza comomedio de enfriamiento.Si el vapor que se usara en el proceso fuera elde escape sobrecalentado, se oscurecera el colordel azcar, debido a la formacin de una capa decaramelo en el rea de transferencia de calor, quese ira requemando poco a poco a causa de laelevada temperatura del mismo.Clculo del consumo de vapor de agua enotros equipos tecnolgicosRefineras de azcarLos clculos planteados corresponden a losequipos que forman parte de la generalidad de losprocesos de produccin de azcar. En algunoscomplejos agroindustriales estudiados se presen-tan procesos de refinacin de azcar, en estoscasos es necesario tener en cuenta los siguientesaspectos;Clculo del consumo de vapor en los calenta-dores.Se utiliza la misma ecuacin que para calenta-dores del proceso de azcar crudo.Clculo del consumo de vapor en tachosSe utiliza la siguiente ecuacin;Para estimar todos estos parmetros se debedisponer en la industria de las normas estableci-das para estos casos.Clculo del vapor generado en el procesotecnolgico que se utiliza en otras seccionesdel mismoPara poder hacer el clculo de la correspon-dencia entre el vapor necesario a consumir y elvapor disponible es necesario conocer la cantidadde vapor generado en el proceso que puede serutilizado en otras secciones del mismo. Este vapores el producido en los preevaporadores, en los(8)TECNOLOGA QUMICA Vol. XXXI, No. 1, enero-abril del 201144sistemas mltiples (fundamentalmente los duplex)ylasposiblesextraccionesenalgunosvasos,como ya se plante anteriormente.En el clculo de los preevaporadores se deter-minaesteflujoporlaecuacindebalancedemasa ya planteada:Para los mltiples efectos (como los duplex):Wp =W/NWp : Flujo que puede ser utilizado en el proceso (kg/h)N:Nmero de efectos.Si se hiciera alguna extraccin en el ltimo vaso:Wp =( W/N) ELasextracciones,queseutilizaranenotraseccin diferente, se determinaran en cada casoen particular.Clculodelosflujosdevaporenlasdiferentes lneas de presin de la industriaDe acuerdo al diagrama energtico del central ya los clculos realizados en los equipos primarios ytecnolgicos, es necesario determinar el flujo devapor disponible y el flujo de vapor necesario aconsumir en cada una de las diferentes lneas depresin que hay en el proceso.Balance de bagazoEnlaindustriaazucareraesimprescindiblerealizar un balance de bagazo, con el objetivodeterminar el posible dficit del mismo o la canti-dad sobrante que puede ser comercializada.Para este balance es necesario estimar el bagazoproducido, as como el consumido en la generacinde vapor (bagazo combustible), el consumido en elproceso tecnolgico y el que se pierde durante sumanipulacin y almacenamiento.El sistema de ecuaciones para este clculo sepuede encontrar en /17/.Indicadores de eficiencia energticaEn los generadores de vaporndice de generacin bruta (IGB)IGB =FV/FCEficiencia de generacin bruta (Egb)EGB =(IGB (HV- HL)/ VCS)*100Bagazo sobranteBsobrante = BdisponibleBcombustiblePor cientos de prdidas de calor, por renglones (% Qi)% Qi =(Qi/VCS)*100En el proceso de produccinndice de consumo de calor en los equipos. (ICQ)ICQ= QCONSUMIDO/PAzcardonde:QCONSUMIDO: Flujo total de calor consumido por los equipos. (kJ /h)PAzcar: Azcar producida (kg/h)Este ndice debe ser determinado para el sistemade calentamiento, para el sistema de evaporacin ypara los tachos, es decir, ICQC, ICQEV e ICQTTasa de evaporacindonde:W: flujo de agua evaporado,Atc: rea de transferencia de calor, m2Segn aparece en la literatura los valores eficien-tes de tasas de evaporacin son los siguientes:Simple efecto: 44 49kg /h-m2Doble efecto:39 44 kg /h-m2(9)(10)(12)(15)(14)(11)(13)AtcWTevap =hkgTECNOLOGA QUMICA Vol. XXXI, No. 1, enero-abril del 201145Triple efecto:>44 kg /h-m2Cudruple efecto:>34 kg /h-m2Porcientodeinyeccindevaporporreductora (%INYV)%INYV =(FVR/ FVE)*100FVE: Flujo msico de vapor de escape (kg/h)FVR: Flujo msico de vapor en la reductora (kg/h).Por ciento de vapor generado en el procesoque se aprovecha en el mismo%Vaporusado=(FV.usado/FV.gen)*100FVgen.:Flujomsicodevaporgeneradoenelprocesodeevaporacin(preevaporadoresymltiples efectos) kg/hFV.usado:Flujomsicodevaporgeneradoenelprocesodeevaporacinqueseutilizaenelmismo (kg/h)ndice de correspondencia disponibilidad consumo. ICORRICORR =(FVD-FVC/FVD)100FVD: Flujo msico de vapor disponible en cada seccindel proceso. (kg/h)FVC: Flujo msico de vapor a consumir en cada seccin del proceso (kg/h)MetodologapropuestaLa metodologa propuesta para la evaluacinintegraldelcomportamientoenergticodeloscentrales azucareros es la siguiente.- Confeccionar el diagrama de flujo del procesoy el esquema energtico.- Realizar los balances de masa en los generado-res de vapor siguiendo la metodologa de clcu-lo propuesta.- Realizar los balances de energa en los genera-dores de vapor siguiendo la metodologa declculo propuesta.- Realizar los balances de masa en el procesotecnolgicodeacuerdoalametodologadeclculo planteada en /17/.- Determinar el consumo de vapor en los equiposprimarios, aplicando las ecuaciones de clculoplanteadas de acuerdo a los equipos que for-men parte del esquema energtico del central.- Determinar el consumo de vapor en los equipostecnolgicos, aplicando las ecuaciones de clculoplanteadas de acuerdo a los equipos que formenparte del esquema energtico del central.- Realizar los balances de masa y de energa enel atemperador del vapor de escape.- Determinar los flujos msicos producidos en elproceso que se aprovechan en otras seccionesdel mismo segn lo planteado .- Determinar los flujos de vapor a circular por lasvlvulas reductoras.- Determinar los flujos de vapor en las diferenteslneas de presin y analizar la correspondenciadisponibilidad-consumo en cada una de ellas.- Realizarelbalancedebagazoaplicandolametodologa de clculoplanteada en /17/.- Determinar los indicadores de eficiencia pro-puestos .- Analizar los resultados obtenidos y tomar lasmedidas necesarias para resolver las deficien-ciasdetectadas.Obviamente en esta metodologa se puede variarel orden de algunas de las etapas sealadas.Aplicacin de la metodologa propuesta enotros centrales azucarerosLa metodologa fue aplicadaen los complejosagroindustriales azucareros; Urbano Noris, Ra-fael Freyre, Antonio Maceo, Loynaz Echevarria,Fernando de Dios y Cristino Naranjo, de lapro-vincia de Holgun. De la provincia de Santiago deCuba, se escogieron los complejos J ulio AntonioMella,DosRos,PaquitoRosalesySalvadorRosales; as como el complejo Arqumedes Colinay Bartolom Mas de provincia Granma.AnlisisdelosresultadosEn los 12 complejos agroindustriales donde seaplic la metodologa propuesta se pudo evaluarintegralmente el comportamiento energtico delos procesos respectivos y detectar las principales(17)(18)(16)TECNOLOGA QUMICA Vol. XXXI, No. 1, enero-abril del 201146deficiencias, pudiendo el personal tcnico tomarmedidas para eliminar o disminuir las mismas.En aquellas empresas en las que no se disponade algunos datos se pudieron determinar experi-mentalmente algunos de ellos, estimarlos en basea la experiencia desu personal o hacer conside-raciones confiables que solucionaran las dificulta-des. Es importante destacar que se presentarondismiles esquemas energticos,lo que no impidialcanzar los objetivos propuestos.Conclusiones- La metodologa desarrollada permite evaluarde forma eficaz e integral el comportamientodela eficiencia energtica del proceso de produc-cin en los centrales azucareros.- Esta metodologa se basa en la realizacin debalances de masa y energa en todas las seccio-nes de la industriaapartir, fundamentalmente, dedatos que se deben conocer del proceso.- La metodologa es aplicable a cualquier centralazucarero, independientemente de su esquemaenergtico.- En todos los casos se pudieron detectar dondese encontraban las principales dificultades enel proceso y tomar medidas al respecto.NomenclaturaBX: concentracin del jugo. oBXCp: capacidad calorfica.kJ /kg oC.c: subndice que denota combustible.e: subndice que denota entrada.E: extraccin de vapor.kg/hF: flujo msico de jugo. kg/hFR y FRT: coeficientes de ajustes segn el rendi-miento de azcar de las templasFS: coeficiente que tiene en cuenta el brix de los siropesFTr: consumo especfico de vaporFXR: factor que define el uso del aguaG: consumo de vapor. kg/hH: entalpa. kJ /kgi: subndice que denota el nmero del efectoj: subndice que denota jugo.N: nmero de efectos.s: subndice que denota salida.v: subndice que denota vaporVCS: valor calrico superior.kJ /kgW: flujo msico de agua evaporada. kg/hWp: flujo msico de agua evaporada que puedeser utilizado en el proceso.kg/hBibliografa1 CABRALES, B. 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