Optimización del diseño e instrumentación del
concentrador doble efecto de la Facultad de Ingeniería, Universidad Nacional de
San Juan. Argentina.
Optimization
of the design and instrumentation of the double-effect concentrator at School
of Engineering. National University of San Juan.
Argentina
Graciela Ingrid Suarez1, *; Veronica
Beatriz Navas Nale1; Carla Valeria Lorenzo Doncel1
1- Facultad de Ingeniería, Universidad Nacional de San Juan,
Argentina.
* E-mail: ginsuarez@gmail.com
Recibido
el 27 de Julio de 2018, Aprobado el 25 de Noviembre de 2019.
Resumen
En
el Laboratorio Tecnológico de la Facultad de Ingeniería, UNSJ se cuenta con un
evaporador doble efecto en escala piloto. El presente artículo analiza el
mismo, consolidando conocimientos de operación del concentrador de doble efecto
y de instrumentación industrial, estableciendo las variables a manipular y
controlar, y realizando mejoras en el diseño, con el objeto de que pueda ser
utilizado tanto en investigación como para prácticas de los alumnos de las
carreras de Ingeniería en Alimentos, Ingeniería Industrial y de Ingeniería Química. Se trabajó con el equipo, se lo
desarmó, se realizaron ensayos y pruebas determinando que la variable a
controlar más representativa para el evaporador es la temperatura, se
determinaron los puntos en los cuales se colocaron los sensores y como mejoras
se determinó la colocación de una válvula y el agregado de dos purgas para
poder limpiar el equipo.
Palabras clave: evaporador, control, instrumentación.
Abstract
The Technological Laboratory at the
School Engineering, NUSJ counts with a double-effect evaporator on pilot scale.
This article suggests to analyze it by consolidating knowledge about its operational
and industrial instrumentation, determining the variables to manipulate it, as
well as improving its design and correct use not only on research projects but
also in training practices among Food Engineering, Industrial Engineering and
Chemical Engineering undergraduates. The equipment
was dismantled and several tests were conducted. The results established that the
temperature and the placement points of the sensors were the most
representative variables for the control of the evaporator. The identified
improvements were both the valve placement and the addition of two purges to
clean the equipment.
Keywords: evaporator, control, instrumentation.
INTRODUCCIÓN
La
Instrumentación y Control, como especialidad de Ingeniería, es la parte de la
ingeniería responsable de definir el nivel de automatización de cualquier
planta de proceso e instalación industrial, la instrumentación de campo y el
sistema de control para un buen funcionamiento del proceso, dentro de la
seguridad para los equipos y personas, también de los costos establecidos y
manteniendo la calidad.
Por
medio de la instrumentación de evaporadores o concentradores, que son utilizados
ampliamente en la industria, por ejemplo en la concentración de mosto, se
consiguió: analizar las variables del proceso, determinar la más representativa
a controlar, se consiguió optimizar recursos, ahorro energético y una calidad
de producto constante.
Las
últimas cifras dadas a conocer por el Instituto Nacional de Vitivinicultura
(INV) , Estadísticas de exportaciones, indican
que en el año 2016, el volumen de mosto exportado fue de 104.121tn, hubo una
disminución del 17,1% en volumen comparado con el año 2015.
Tabla Nº1: Exportaciones Argentinas de mosto concentrado
(INV).
Considerando
estos antecedentes es que resulta sumamente importante para la industria local
como la Argentina la incorporación y mejora de la tecnología en las diferentes
etapas de la elaboración de productos concentrados.
DESARROLLO
Analizando
el intercambiador de calor según Kern (1999) “Procesos de Transferencia de
Calor”, Perry (1992) “Manual del Ingeniero Químico y TLV(2012); podemos analizar
que por medio de la evaporación podemos eliminar un solvente de un soluto, a
través de la generación de una fase gaseosa de un solvente volátil. Para el
caso en estudio, a través de un evaporador doble efecto de escala piloto se
elimina agua (solvente volátil a la temperatura y presión de trabajo) que es el
desecho generado en la operación unitaria del mosto o jugo de uva, dando como
producto mosto concentrado (soluto no volátil a temperatura y presión de
trabajo).
Se
hace referencia a escala piloto considerando que el equipo es de un tamaño
reducido es capaz de operar con un pequeño caudal de materia prima a igual
condición de presión y temperatura que una planta tamaño industrial.
Este
evaporador al ser de doble efecto (el vapor generado en un efecto se aprovecha
en el otro efecto como medio de calefacción) permite un mejor aprovechamiento
energético, por la disminución de las pérdidas de calor (a causa de la
utilización en el 2° efecto del vapor generado en el 1° efecto) y la reducción
de los costos operativos.
Si los
evaporadores se numeran en el sentido en que disminuye la presión, y las
presiones y las temperaturas en cada unidad son, respectivamente, P1,
P2, y T1, T2
se cumple que: P1
> P2 y T1
> T2.
Para el
estudio del evaporador, se tomaron las siguientes suposiciones:
a) El sistema opera en condiciones de flujo y
estado estacionarios. Las velocidades de flujo de masa son tales que en ningún
evaporador hay acumulación o disminución de disolvente o soluto. Las concentraciones,
las presiones y las temperaturas en cada evaporador se mantienen constantes.
b) El mosto no presenta elevación del punto de
ebullición, y los efectos de la carga hidrostática son despreciables.
c) La
cantidad de calor necesaria para llevar la alimentación desde su temperatura
inicial, TF, hasta la temperatura de ebullición, T1, también se considera
despreciable, de tal forma que la cantidad de calor proporcionada por el vapor
de calefacción en el primer efecto se encuentra como calor latente en el vapor
que sale del mismo.
d) Las entalpías de dilución no se toman en
consideración.
e) También se desprecia el calor que lleva el
mosto, como consecuencia de estar a una temperatura por encima de la de
ebullición, cuando pasa de un efecto a otro.
Entonces,
la cantidad de calor transmitida en cada efecto en la unidad de tiempo es:
Qi = Ui Ai ∆Ti siendo ∆T1=TVC – T1
y ∆T2=T1–T2.
Siendo
TVC la temperatura del vapor condensado que sale del primer efecto.
Se
pueden establecer las ecuaciones anteriores con carácter aproximado ya que los
errores cometidos con estas suposiciones son cuantitativamente pequeños.
En los
evaporadores de doble efecto las áreas son iguales, por lo que se puede
escribir que U1.∆T1 =U2 .∆T2 donde se deduce que, en ellos, la diferencia
de temperatura es, de forma aproximada, inversamente proporcional al valor del
coeficiente global de transmisión de calor en el mismo. Si se considera que no
hay elevación en el punto de ebullición, se cumplirá:
(1)
Se
define la capacidad de un evaporador como la cantidad de líquido evaporado en
la unidad de tiempo. Como la entalpía de vaporización es prácticamente
constante en el rango de presiones utilizado, existe una proporcionalidad entre
la cantidad de líquido evaporado y la cantidad de calor transmitido.
En un
evaporador de dos efectos con la misma superficie de calefacción en cada uno de
ellos y con el coeficiente global medio de transmisión del calor, UM, para los
mismos, la cantidad de calor total (QT) transmitida en la unidad de
tiempo es:QT=Q1+Q2=A.UM(
∆T1+∆T2)
En un
evaporador simple con la misma superficie de calefacción, A, un coeficiente
global de transmisión de calor U = UM, y una diferencia de temperatura igual a
la diferencia de temperatura total en el doble efecto, la capacidad es: Q=
A.UM.∆TT
Por lo
tanto, en un evaporador de doble efectos, la capacidad es la misma que en uno
de efecto simple que tenga el mismo coeficiente global, la misma superficie de
calefacción que una de las unidades del doble efecto y que opere con una
diferencia de temperatura igual a la diferencia total de temperatura con la que
opera el sistema de doble efecto. Por tanto, la capacidad por metro cuadrado de
superficie en un evaporador de dos efectos es aproximadamente igual a 1/2 veces
la capacidad del evaporador de efecto simple.
En
cambio, en el sistema de doble efecto se consigue una gran economía, pues, dado
que la variación de la entalpía de vaporización al pasar de un efecto a otro es
muy pequeña, cuando se condensa 1 kg de vapor de calefacción se vaporiza en la
disolución hirviente aproximadamente un kg de agua, y así, aumenta la economía
dos veces.
Tabla 2. Comparación de consumos
energéticos según la cantidad de efectos utilizados.
|
Consumo de vapor para evaporar 1 kg de
agua |
En kg de vapor |
|
Evaporación a
simple efecto |
1,1 |
|
Evaporación a
doble efecto |
0,57 |
La
capacidad de estos sistemas también se ve reducida por la elevación del punto
de ebullición de la disolución, pero no así la economía, ya que ésta depende
del balance de energía en cada efecto y no de la velocidad de transmisión del
calor.
Propiedades del
mosto a concentrar.
Algunas
de las propiedades más importantes del mosto a concentrar son las siguientes:
·
Concentración de la disolución: Aunque
el mosto que entra en un evaporador puede ser suficientemente diluido y poseer
las propiedades del agua, a medida que aumenta la concentración, la densidad y
viscosidad de la disolución aumentan, disminuyendo, por tanto, el coeficiente
global de transmisión del calor. Si la ebullición es continuada, se puede
alcanzar el estado de saturación, en cuyo caso habrá que retirar los cristales
formados. Así mismo, es frecuente que con el aumento de concentración aumente
también la temperatura de ebullición de la disolución, dificultando el proceso,
incluso impidiéndolo, si no se prevé, ya que podría resultar mayor la
temperatura de ebullición que la del propio vapor de calefacción.
·
Formación de espumas: Puede
haber presencia de una capa de espuma durante la ebullición. Esta capa de
espuma es indeseable porque el vapor formado puede arrastrarla y, por tanto,
perderse una cantidad importante de líquido. Las espumas se forman cuando hay
una capa de líquido con distinta tensión superficial que el resto de la masa,
ocasionada a veces por la presencia de pequeñísimas partículas sólidas o
incluso coloidales, habiéndose dedicado un esfuerzo considerable al estudio de
las técnicas antiespumantes.
A
veces se utilizan métodos químicos, adicionando pequeñas cantidades de reactivos,
para disminuir o reducir la formación de espumas. Si se quiere evitar la
adición de sustancias extrañas, se pueden eliminar las espumas modificando el
diseño del evaporador, con una superficie caliente que rompa la espuma, (muchas
se destruyen a alta temperatura), o haciendo pasar el vapor formado a través de
unas placas deflectoras, contra las que choca, evitando así el arrastre.
·
Formación de incrustaciones: Hay
sustancias que se denominan de solubilidad invertida, en las que la solubilidad
disminuye con la temperatura, y tienden a depositarse sobre las superficies de
calefacción. Otra causa es la descomposición térmica por el calor. En estos
casos se produce una disminución del coeficiente global de transmisión del
calor en el evaporador, y el proceso, se ve, en parte, impedido, siendo
necesario parar el evaporador y limpiar los tubos, (con agua, ácidos, álcalis,
rascado mecánico, etc.), cosa que a veces es difícil y costosa.
·
Eliminación del aire, (u otros incondensables): El vapor de agua arrastra
siempre aire y otros gases no condensables, los cuales se acumulan en la cámara
de calefacción, con lo que disminuye progresivamente el coeficiente de
transmisión de calor.
Metodología
El
mosto ingresa al primer efecto ascendiendo por los tubos ubicados en el
interior del primer intercambiador de calor o hervidor de flujo ascendente.
Este evapora el agua aumentando su concentración como consecuencia del
intercambio de calor que se produce entre el vapor latente provisto por una
caldera y el mosto que circula por el interior de los tubos.
El
concentrador o evaporador, está formado por una zona de calentamiento, una
cámara de condensación y una cámara de evaporación.
En la cámara de condensación el vapor de agua eliminado del mosto
se transforma en líquido, cediendo su calor latente de condensación el cual es
captado en la cámara de evaporación por el mosto a concentrar.
El
mosto concentrado en el primer efecto ingresa al segundo mientras que el vapor
abandona la cámara de evaporación a la temperatura de ebullición, obteniéndose
una solución concentrada o mosto concentrado en este caso.
El
vapor que sale del primer efecto ingresa al segundo evaporando o aumentando la
concentración del mosto que sale del primer efecto. Si la concentración del
mosto es inferior a la requerida existe la posibilidad de recircularlo hacia el
primer efecto nuevamente.
El
vapor extraído del segundo efecto pasa a un intercambiador tubular horizontal a
través de la carcasa en donde es enfriado o condensado por agua que circula por
los tubos. Este condensado se extrae con una bomba de vacío.
Análisis de los componentes del
concentrador.
·
Intercambiador
de calor tubular o evaporador tubular: es donde se produce la transferencia
del calor del vapor al mosto. Consiste en un haz de tubos a través de los
cuales circula el mosto y una carcasa exterior por el cual circula el vapor de
agua.
Posee
circulación forzada ya que el mosto es un líquido viscoso el cual provoca
incrustaciones si no se opera con la velocidad de circulación adecuada, además
de que afectaría la calidad del mosto concentrado o producto final.
·
Separador
Flash: el mosto al ingresar al separador flash disminuye su
presión produciendo la separación entre el mosto concentrado y el vapor que lo
constituía.
Figura
N° 1. Esquema del separador Flash.
·
Condensador
y bomba de vacío: el vapor utilizado para calefaccionar
el primer efecto, junto con el vapor del segundo efecto y el que proviene del
separador flash al salir ingresa a un intercambiado de tubos en donde se
condensa al ser enfriado con agua. A través de la bomba de vacío se extrae el
condensado generando además una disminución de presión en el segundo separador
flash.
·
Cabezal de alimentación al intercambiador
de calor: El intercambiador es de tubos
ascendentes por lo que el mosto ingresa al cabezal y sube por los tubos en
donde se produce el intercambio.
Al trabajar con el equipo se observó que para poder limpiar
el equipo es necesario colocarle una purga ya que el cabezal queda cargado con
el producto.
Figura
N° 2. Cabezal de alimentación del intercambiador.
Considerando que el
equipo no posee aislación, se trabajó realizando pruebas y se determinaron los
puntos en los cuales se necesitaban los sensores.
CONCLUSIONES
Analizando
el funcionamiento del equipo, se determinaron las siguientes mejoras:
1)
Variable
a controlar: se determinó que la variable a controlar que
más afecta la calidad final del producto es la temperatura.
2)
Colocación
de purga: Pudo observarse que la cámara de ingreso del mosto, del
intercambiador de tubos verticales de película ascendente no posee purga para
extraer el remanente de la operación.
Se
determinó colocar las purgas correspondientes ya que de lo contrario se debería
desarmar el cabezal para vaciado completo del producto y limpieza del mismo.
Figura
N° 3. Ubicación de las purgas en el evaporador.
3)
Colocación
de válvula en la cañería de alimentación al segundo efecto: esto
permite, de ser necesario, trabajar con un solo efecto o en paralelo, en el
caso en el cual se alcance la concentración deseada o se deseen realizar tareas
de investigación.
Figura
N° 4. Ubicación de la valvula.
4) Disposición
de los sensores: en
función de las pérdidas de calor que se generan a través de las cañerías, se
seleccionaron los puntos a censar. Los mismos pueden observarse en la figura N°
5. Para la selección de los sensores se tomo como base la
bibliografía: “Instrumentación y Control Avanzado de Procesos” Acedo
(2006) e “Instrumentación Industrial” Creus Sole (2006).
Figura
N° 5. Ubicación de los sensores.
BIBLIOGRAFÍA
1.
Acedo
Sánchez, José. “Instrumentación y Control Avanzado de Procesos”. Madrid,
España. Editorial Díaz de Santos. 2006
2.
Cao,
Eduardo. “Transferencia de Calor en Ingeniería de Procesos”.2ª edición.
Argentina. Librería Editorial Nueva. 2004.
3.
Creus Sole, Antonio.
“Instrumentación Industrial”.7ª edición. México. Editorial Alfaomega.
2006. 10
4.
INV
(2012), Estadísticas de exportaciones, recuperado 5/11/2012 de:
http://www.inv.gov.ar/PDF/Estadisticas/Exportaciones/2012/ProvinciaOrigenAgosto2012.
pdf
5.
Kern
Donald. “Procesos de Transferencia de Calor”. México. Editorial CECSA. 1999.
6.
Perry,
Green, Maloney. “Manual del Ingeniero Químico”. 7ª
edición. México McGrawHill.1992
7.
TLV-
Compañía especialista en vapor, recuperada 15/10/2012 de: http://www.tlv.com/global/LA/calculator/steam-table-temperature.html