CURSO INTERNACIONAL ““ENERGIA NA …...DE AZUCAR Cuarta etapa: Movimiento por turbinas de vapor...

CURSO INTERNACIONALCURSO INTERNACIONALCURSO INTERNACIONALCURSO INTERNACIONAL

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EFICIENCIA EN EL USO DEL VAPOR EFICIENCIA EN EL USO DEL VAPOR EFICIENCIA EN EL USO DEL VAPOR EFICIENCIA EN EL USO DEL VAPOR DEL PROCESODEL PROCESODEL PROCESODEL PROCESO

Ing. Antonio Ing. Antonio Ing. Antonio Ing. Antonio Valdes Valdes Valdes Valdes Delgado Delgado Delgado Delgado PhDPhDPhDPhD

Ministerio Ciencia Ministerio Ciencia Ministerio Ciencia Ministerio Ciencia TecnologiaTecnologiaTecnologiaTecnologia y y y y Medio Ambiente Medio Ambiente Medio Ambiente Medio Ambiente ---- CubaCubaCubaCuba

EFICIENCIA EN EL USO DEL VAPOR DEL PROCESO

Ing. Antonio Valdes Delgado PhD

Centro Gerencia Programas y Proyectos Priorizados

Ministerio Ciencia Tecnologia y Medio Ambiente

Cuba

Tel. 0 537 203 0778

Fax 0 537 202 9372

ce: [email protected]

INDICEINTRODUCCION

1.- CONCEPTO EBULLICIÓN/CONDENSACIÓN

2.- CONCEPTOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR

3.- COEFICIENTE TRANSFERENCIA CALOR: EJEMPLOS.

4.- BALANCE TERMICO DE UN VASO DE EVAPORACIÓN

5.- PRINCIPIOS DE RILLEUX

6.- COEFICIENTE DE EVAPORACIÓN

7.- CONSUMO VAPOR EN DIFERENTES ESQUEMAS.

8.- CALENTAMIENTO ESCALONADO DE LOS JUGOS.

9.- DISEÑO CALENTADORES ATIPICOS10.- ALTERNATIVAS SUMINISTRO VAPOR A TACHOS.

11.- PRINCIPIOS DE DISEÑO PARA ESQUEMAS EFICIENTES.

12.- CRITERIOS DE DISEÑOS EN LA INDUSTRIA PRODUCCIÓN

DEL AZUCARA A PARTIR DE LA REMOLACHA AZUCARERA.

13.- DISEÑO DE ESQUEMAS.

INTRODUCCIONAREAS QUE INCIDEN EN EL CONSUMO DE COMBUSTIBLE DE LA FABRICA DE AZUCAR

1.- Generacion del Vapor: Calderas para

la combustion del bagazo

2.- Consumo del vapor: Calentamiento y

Evaporacion de los Jugos – Coccion de

las Masas Cocidas

Introduccion

DESARROLLO ENERGETICA EN FABRICAS DE AZUCAR

Primera etapa: Movimiento animal para realizar la extraccion del jugo y quemado del bagazo y leña a cielo abierto para la coccion en tachos abiertos a la atmosfera.

Segunda etapa: Movimiento por maquinas de vapor para la extraccion de los jugos y equipos auxiliares, combustion del bagazo y produccion de vapor , coccion por vapor, no se produce energia electrica.

Introduccion


Tercera etapa: Movimiento por turbinas de vapor o motores electricos para la extraccion de los jugos, introduccion de la evaporacion a multiple efecto y coccion por vapor, se genera energia electrica usando turbinas de contrapresionsufficiente para las necesidades del proceso.

Introduccion


Cuarta etapa: Movimiento por turbinas de vapor o motores electricos para la extraccionde los jugos, empleo evaporacion a multipleefecto con evaporadores de pelicula y coccionpor vapor en tachos continuos, se genera energia electrica usando turbinas de extraccion-condensacion o condensacioncubriendo las necesidades del proceso y suministrando excedentes a la RED publica.

Introduccion


Quinta etapa: Movimiento por turbinas de vapor o motores electricos para la extraccion de los jugos, empleo evaporacion a multiple efecto con evaporadores de pelicula y coccion por vapor en tachos continuos, se gasifica la biomasa y genera energia electrica usando turbinas de gas y de vapor según un ciclo combinado cubriendo las necesidades del proceso y suministrando excedentes a la RED publica.

INCREMENTO EN LA GENERACION DE VAPOR AL UTILIZARSE DIFERENTES EQUIPOS RECUPERADORES DE CALOR.

Equipos Cantidad de vapor Incrementoa producir por

(%)cantidad de bagazocombustionado

Caldera sin S.R. 1.9 -Economizadores 2.0 5.3Calentadores aire 2.2 15.7Economizadores y calen-tadores de aire 2.3 21.0Secado bagazo a 30% H 3.0 57.8

DEMANDA ENERGIA EN EL INGENIO

Operación Demanda (kCal/kg azúcar) %

Fuerza motriz 400-450 10

Calentamiento yevaporación

2000-2400 50

Tachos 1100-1400 30

Perdidas 350-400 9

Otros 40-50 1

Total 3890-4700 100

CONSUMO DE VAPOR EN LAS DIFERENTES AREAS DEL PROCESO.

Consumo vaporKcal/kg azúcar % Caña % Total

Áreas

Calentamiento y evaporación 1176 27.3 49.0Cocción 720 16.8 30.0Fuerza motriz 178 4.2 7.4Perdidas en tuberías 144 3.4 6.0Perdidas en condensados 48 1.1 2.0Perdidas vapor a la atm. 24 0.6 1.0Perdida por paradas 72 1.7 3.0Limpieza general yescobas a techos 38 0.9 1.6

Total 2400 56.0 100.0

1.- CONCEPTOEBULLICIÓN/CONDENSACIÓNEBULLICIÓN

A) Ebullición del liquido saturado o de nucleacion, en esta la temperatura de la masa del liquido esta bajo la presión existente en el equipo, las burbujas de vapor se crean en la superficie de calentamiento, suben a través de la masa del liquido y se desprenden en la superficie.

B) Ebullición de superficie, en esta la temperatura del liquido esta por debajo del punto de ebullición y la temperatura de calentamiento esta por encima de a temperatura del punto de ebullición y las burbujas se absorben en la masa del liquido, no existe separación vapor liquido.

EXISTEN TRES ZONAS EN EL TUBO CALÓRICO DURANTE LA EBULLICION

Primera: Se produce el calentamiento del masa del liquido hasta el punto de ebullición es un flujo casi laminar a baja velocidad.

Segunda: Se produce la formación de burbujas de vapor, aumenta la velocidad por cambios en la densidad y aumenta la temperatura.

Tercera: Se produce la evaporación con la continua formación de burbujas y flashean en el espacio del vapor

CONDENSACION

Transformación de un fluido de etapa gaseosa a liquida a determinada presión y temperatura.

La condensación se puede considerar como un proceso a presión constante y la temperatura de condensación de una sustancia depende solo de la presión y por lo tanto es un proceso isotérmico que puede ocurrir por goteo o por película.

La condensación por película es la mas frecuente originada por una capa de condensado que fluye verticalmente bajo la acción de la gravedad tiene coeficientes de transferencia de calor de 15 000 mientras la de goteo es muy inestable y difícil de mantener presenta valores de 100 000 , sin embargo no influye grandemente sobre el coeficiente total de la transferencia de calor.

2.- CONCEPTOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR.

El coeficiente global de transferencia de calor es un resultado de una serie de coeficientes individuales que determinan su magnitud, en la expresión siguiente se exponen estos:

1/Us = 1/hi(Ai/Ae) + 1/kp/xp + 1/he + Rie + Rii

donde:

hi,he - Coeficiente pelicular de transferencia de calor interior, exterior en kcal/m2 - hr - oC

km - conductividad térmica del metal de la superficie acalórica en kcal/m/hoC.

Xp - espesor de la pared del tubo metálico en m

Rie,Rii resistencia térmica por incrustación exterior, interior.

El coeficiente pelicular interior se determina por las interrelaciones de los números adimensionales de Reynold y Prandtl por la ecuación siguiente:

hi di / k = 0.0258 Re0.8 Pr0.33 (u/up)0.14

donde:

Re = v di d / u = Numero Reynolds Pr = Cp u / K = Numero Prandtl

v-velocidad circulación fluido

di-diámetro interior tubo

k- conductividad térmica del jugo en Kcal/m/h/oC

d-densidad liquido

u, up - Viscosidad del jugo a la temperatura del fluido y de la pared del tubo

Cp- coeficiente conductividad térmica

La resistencia térmica de la pared se relaciona con:

Rp= Xp / Kp = dt / QA

Es de señalar que esta ecuación se puede aplicar también a ambas resistencias por incrustaciones siendo necesario conocer el espesor y la composición química para hallar el coeficiente de conductividad

El coeficiente pelicular exterior se produce por la condensación del vapor, variando en función de la colocación vertical y horizontal de los tubos según las expresiones:

a) Posición horizontal

heH = 0.725 (kf3 ef2 g dh / N de uf (tv-tp))1/4

donde:

N- numero de tubos en fila vertical.

de- diámetro exterior del tubo en mm

Kf, ef, uf, propiedades del condensado: conductividad térmica, densidad y viscosidad

tv. tp, temperatura del vapor y pared del tubo con oC.

El coeficiente pelicular exterior se produce por la condensación del vapor, variando en función de la colocación vertical y horizontal de los tubos según las expresionesb) posición vertical

hev = 0.943 (kf3 df2 g dh/uf L (tv-tp))1/4

donde: g – aceleración de la gravedad en m/h2

L -longitud tubo en m

La resistencia térmica debido a la formación de la incrustación se puede calcular por:

Ri = 1/(Us - 1/Ul)

donde:

Ri - resistencia a la transferencia de calor por incrustaciones en m2/hoC/kcal

Us, Ul- son los coeficientes de transferencia de calor con los tubos sucios y limpios.

Reconsiderando la ecuación tendremos que de las cinco resistencias a la transferencia de calor solo aquella que se corresponde con el coeficiente pelicular interior y la resistencia por incrustaciones en el interior de los tubos son las predominantes debido a:

- el termino 1 / Kp / xp .- es pequeño en relación con las otras resistencias.

- el termino 1/ho es prácticamente constante, motivado principalmente por la posición en la colocación de los tubos calórico.

LUEGO

1 / Us =( 1 / hi) + Rii

3.- COEFICIENTES DE TRANSFERENCIA DE CALOR :EJEMPLOS A) Tubo limpio

Tomando

Km-146 kCal/m2hoC/m

Xp-1.5 mm

ho-10 000 kcal/m2hroC

Ai/Ae=1

hi=7143 kcal/m2hroC

U-4000 kcal/m2hroC

1/U=100%

ho=40%

hi=56%

xp/k=4%

ANALISIS DE LAS RESITENCIAS TERMICAS SOBRE EL COEFICIENTE GLOBAL DE TRANSFERNCIA DE CALOR

Considerando tubos acero

Km=20 kCal/m2hoC/m

1/U=100%

ho=32%

hi=44%

xp/Km=24%

U=3175 kcal/m2hroC

Se incrementa un 20% por usar tubos cobre


Considerando incrustaciones ligeras

Ri-1.75 10-4 m2hroC/kCal

1/U=100%

ho=23%

hi=33%

xp/Km=2%

Ri=42%

U=2353 kcal/m2hroC

La U disminuye en un 42%.


Considerando incrustaciones fuertes

Ri=0.0006 10-4 m2hroC/kCal

1/U=100%

ho=12%

hi=16%

xp/Km=1%

Ri=71%

U=1176 kcal/m2hroC

La U disminuye en un 71%.

4.- BALANCE TERMICO DE UN VASO EVAPORADOR

BALANCE DE ENTALPIA

Wv dhv = wj cp d t+ w1 dh1

BALANCE SOLIDOS:

Wje (Be) = Wj (Bs) Wjs= Wje - W1

Wje (Be) = (Wje - W1)Bs W1 = Wje (1 - Be/Bs)

Donde:

Wv, W1- vapor alimentado al vaso y evaporación del vaso.

Wje, Wjs - cantidad jugo a la entrada y salida.

Pv, tv,dh - presión y temperatura calor latente vapor.

P1, t1, dh- Idem evaporación.

Be, Bs - sólidos solubles entrada y salida del jugo en grados Bx.

5.- PRINCIPIOS DE NORBERT RILLEUX. (1807-1894)

1.- En un evaporador a múltiple efecto por cada kg de vapor alimentado se obtendrá tantos kg de evaporación como vasos tiene el equipo.

2.- Si se extrae vapor de cualquier vaso de un evaporador a múltiple efecto para sustituir vapor en un proceso de ahorro de vapor será equivalente a la cantidad de vapor extraído dividido por el numero del vaso correspondiente del sistema empleado multiplicado por la posición que ocupa el vaso de donde se realiza la extracción.

3.- En todo aparato en que se condensa vapor es necesario extraer continuamente los gases incondensables que se acumulan en la calandria donde esta el vapor.

FORMULAS EMPÍRICAS PARA EL CALCULO DEL COEFICIENTE DE TRANSFERNCIA DE CALOR GLOBAL

FORMULA DESSIN (Apropiada para los primeros vasos)

U=dH(100-B)(tv-130)/x

Donde :x-16 000 buena operación equipo limpio

x-20 000 sucio

x-22 000 mala operación equipo sucio

U-BTU/pie2hroF

tv-temperatura vapor oF

dH-calor latente vapor BTU/lb

FORMULAS EMPÍRICAS PARA EL CALCULO DEL COEFICIENTE DE TRANSFERNCIA DE CALOR GLOBAL

FORMULA SUECOS (Apropiada para los ultimos vasos)

U=49.2(tf-32)/Bx

Donde:

tf-temperatura ebullición jugo en oF

Bx- Brix del jugo que sale del equipo

VALORES COEFICIENTE TRANSFERENCIA DE CALOR DE DIFERENTES VASOS PARA SISTEMAS A MÚLTIPLE EFECTO

VASO

SISTEMA EVAPORACIÓN- COEFICIENTE TRANSFERENCIA DE CALOR en kcal/m2hroC

TRIPLE EFECTO

CUADRUPLE EFECTO

QUINTUPLE EFECTO

1 2000-2200

2000 2000

2 1400-1500

1400 1400

3 600-700 900-1000 1000

4 - 400-500 700-750

5 - - 400-450

VALORES COEFICIENTES TRANSFERENCIA CALOR PARA DIFERENTES DISEÑOS

Diseño Coeficiente transferencia calor (kCal/m2hr0C)

Tubos horizontales 1000-2000

Tubos cortos verticales

1500-2500

Tubos largos verticales

1000-3000

Circulación forzada 30000

VALORES TRANSFERENCIA CALOR PARA VASO TIPO TUBOS CORTOS(ROBERT) Y TUBOS LARGOS CON PELÍCULA DESCENDENTE.

(Para un primer vaso)Dias Diseño tubos cortos Diseño tubos largos

K (kcal/m2hroC)

Diferencial temperatura

K (kcal/m2hroC)

Diferencial temperatura

1 3 090 8 2 250 4

9 2 391 11 2 245 4

17 2 470 12 2 150 4

25 2 095 13 2 134 4

32 1 388 15 2 179 4

6.- COEFICIENTES DE EVAPORACIÓN PARA DIFERENTES VASOS en kg/hr/m2

Numero efectos

VASO

1

VASO 2

VASO 3

VASO4

VASO5

Cuádruple 35 33 29 23 -

Quíntuple 26 25 23 21 16

COEFICIENTES DE EVAPORACIÓN PARA DIFERENTES NUMERO DE EFECTOS

Numero efectos Coeficiente evaporación en kg/hr/m2

1 100

2 50

3 33

4 25

5 20

7.- CONSUMO VAPOR PARA DIFERENTES ESQUEMASEVAPORACIÓN:

COMPARACIÓN ENTRE SISTEMAS EVAPORACIÓN INSTALADOS

SistemaConsumovapor % Caña

Triple efecto sin extracciones 61.1

Cuádruple efecto sin extracciones 54.1

Cuádruple efecto con extracción en primer vaso 47.9

Cuádruple efecto con extracción en primer y segundo vaso

45.4

Quíntuple efecto con extracción en primer y segundo vaso

43.0


A) Sistema con preevaporación y un cuádruple efecto

Alto consumo de vapor (53,4 % vapor / jugo claro), la utilización de 2 niveles de presión de vapor de escape, lo cual resta simplicidad al sistema y la existencia de varios consumidores de vapor de escape.

Caña molida Jugo mezclado Consumo total vapor

(t/d) ( % ) Pureza % jugo claro

791,4 95,9 83,4 53,4


Esquema de Quíntuple Efecto con 2 extracciones

Caña molida Jugo mezclado Consumo

total(t/d) ( % ) pureza vapor

% jugoclaro

867 99,6 84,7 44,1


Esquema de Quíntuple efecto con 3 extracciones

Caña molida Jugo mezclado Consumo total %(t/d (%) pureza vapor jugo claro

919,4 100,2 84,7 41,0


Esquema de séxtuple efecto con cuatro extracciones

Caña molida Jugo mezclado Consumo de vapor (%) pureza total %

jugo claro

1 069 98,13 82,6 39,0

ANALISIS DIFERENTES ESQUEMAS

Caso 1 Pre evaporador con cuádruple efecto Pv=1.7 kg/cm2

Caso 2 Quíntuple efecto Pv=2.7 kg/cm2

Caso 3 Quíntuple efecto con extracciones en vasos 1,2,3,4Pv=2.7 kg/cm2

Caso 4 Quíntuple efecto con extracciones en vasos 1,2,3,4Pv=2.9 kg/cm2

Caso 5 Quíntuple efecto con extracciones en vasos 1,2,3,4 Pv=3.0 kg/cm2y 0.6 kg/cm2 en el ultimo vaso kg/cm2

Caso 6 Quíntuple efecto con extracción en todos los vasos

Pv 3.1 kg/cm2

Variable Caso 1

(P+C)

Caso2

(Q)

Caso 3

(Q+EV1-4)

Caso 4

(Q+EV1-4)

Caso 5

(Q+EV1-4)

Caso6

(Q+EV1-5)

Consumo proceso(kCal/kgazúcar)

2154 2035 1486 1436 1320 1190

Vapor a proceso % caña

50.5 48.3 34.8 34.2 31.5 28.4

Kg bagazo necesario/kg azúcar

2.30 2.20 1.78 1.76 1.67 1.57

Ahorro bagazo (%)

-- 4.0 22.5 23.5 27.5 31.6

8.- CALENTAMIENTO ESCALONADO DE LOS JUGOS

SISTEMA Vapor extraído (kg/h) Total vaporextraído(kg/h)

Ahorrovapor (kg/h)

Ahorro bagazo(kg/h)

4 3 2 1

4-3-2-1 1695 1406 750 680 4531 2636 1318

3-2-1 - 2389 1300 887 4576 2130 1065

2-1 - - 4113 400 4513 1725 862

1-E - - - 390 3900 780 390

JUGO CLARIFICADO

Vapor extraído (kg/h)

Ahorrovapor bagazo

Vaso (kg/h)

1 - - - 1190 238 119

1-E - - - 1190 238 119

SOBRANTE DE BAGAZO OBTENIBLE

NUMERO DE BAGAZO SOBRANTE

EXTRACCIONES (t/h) (%)

4 1.32 12.8

3 1.06 9.1

2 0.86 7.4

1 0.39 3.3

EFECTO ECONOMICO DEL AHORRO DE VAPOR POR UN SISTEMA DE

CALENTAMIENTO ESCALONADO DE LOS JUGOS.Sistema Ahorro de Vapor Costo Total Benef. Económico

$/año $/año $Jugo mezclado

4-3-2-1 147 000 840 138 599

3-2-1 126 000 637 119 622

2-1 91 000 493 86 061

1-E 43 000 493 38 061

Jugo clarificado

1 13 000 115 11 847

1-E 13 000 160 11 400

9.- CARACTERISTICAS DE DISEÑOS ATIPICOS DE CALENTADORES DE JUGO.

Espiral Placa Contacto

DISEÑO ESPIRAL

Operación en serie con vapor de escapeTiempo Calentador primario Calentador secundario

Wj tej tsj tv U tsj tv U (10)3

51.3 40 86 115 1718 107 115 2308

Operación en serie con vapor de extracción (d)

0 44,2 71 88 109 1187 103 115 117020 43.6 69 88 111 1001 101 115 943

Operación en paralelo(d)

0 20.1 96 104 107 919 104 107 91913 25.1 91 104 108 1290 102 108 905

DISEÑO PLACAS

(hr) Primer ciclo de pruebas0 55.2 68 96 105 283390 56.6 60 80 101 1300

(hr) Segundo ciclo de pruebas0 48.7 68 95 107 214184 46.8 41 78 105 1585

(hr) Tercer ciclo de pruebas0 47.7 48 86 107 190224 51.4 75 94 110 1553

(hr) Cuarto ciclo de pruebas0 47.5 68 96 104 249924 51.4 75 94 110 1553Se observo deposición de bagacillo y tierra entre las placas.

CARACTERISTICAS DE DISEÑOS ATIPICOS DE CALENTADORES DE JUGO.

DISEÑO CONTACTO DIRECTO

Wj tej tsj tv (10)3

(d)0 30.9 42 104 114 8 31.0 37 102 113

Se produjo una disminución en el contenido de sólidos solubles del jugo de 1.4 unidades (Bx).

INCREMENTO DE LA TEMPERATURA DEL JUGO MEZCLADO USANDO EL CALOR SENSIBLE DE LOS CONDENSADOS CON LA ALTERNATIVA DE UTILIZAR LOS CONDENSADOS A 70 ºC.

Sin Autoevaporación Con autoevaporaciónCondensado del vaso

tjs (ºC)

tce(ºC)

wc(10)3

SuperficieCalórica(m2)

tjs(ºC)

tce(ºC)

wc(10)3

Superficiecalórica (m2)

4 42.5 100 3.2 3.0 ------ ------ ----- -----

4+3 47.5 108 7.6 9.0 45.6 101 7.5 7.7

4+3+2 60.0 117 16.7 25.0 51.6 101 16.7 17.9

4+3+2+1 85.6 126 31.5 69.0 63.9 101 30.3 37.7

4+1 67.1 128 18.3 33.0 53.5 101 17.3 19.3

4+2 56.4 121 12.3 19.1 49.2 101 12.0 12.7

3+2 58.1 123 13.5 22.0 54.7 112 13.3 18.1

3+1 69.4 130 19.5 36.0 61.0 112 18.9 27.8

3 44.7 112 4.4 5.5 ----- ---- ----- -----

2+1 78.3 132 24.1 49.8 75.0 127 24.0 46.7

2 53.2 127 9.1 14.5 ----- ---- ---- -----

1 64.7 135 15.1 28.5 ----- ---- ----- -----

Incremento de la temperatura del jugo mezclado usando el calor sensible de los condensados con la alternativa de utilizar los condensados a 85ºC.

Sin Autoevaporación Con autoevaporación

Condensado del vaso (ºC)

tce(ºC)

wc(10)3


tjs (ºC)

Tce(ºC)

wc(10)3


4 41.2 100 3.2 1.3 ------ ------ ----- -----

4+3 44.6 108 7.6 4.6 43.1 101 7.5 3.1

4+3+2 53.7 117 16.7 13.5 46.9 101 16.7 7.4

4+3+2+1 73.7 126 31.5 36.8 52.5 101 30.3 14.1

4+1 60.2 128 18.3 19.5 47.1 101 17.3 7.7

4+2 51.4 121 12.3 10.6 44.9 101 12.0 5.2

3+2 55.2 123 13.5 12.3 49.2 112 13.3 9.1

3+1 62.5 130 19.5 21.8 53.1 112 10.9 12.9

3 43.1 112 4.4 2.3 ----- ---- ----- -----

2+1 69.1 132 24.1 28.6 55.9 127 24.0 16.7

2 49.8 127 9.1 8.6 ----- ---- ---- -----

1 52.1 135 15.1 17.2 ----- ---- ----- -----

10.- ALTERNATIVAS DE LA EXTRACCION DE VAPOR DEL EQUIPO DE EVAPORACION HACIA LOS TACHOS

Tres alternativas de operación:

1.- Efectuar todo el suministro de vapor a partir del

primer vaso.

2.- Efectuar un 50% a partir del primer y un 50% del

segundo vaso

3.- Efectuar el suministro a partir del tercer vaso con

el empleo de calentamiento liquido-liquido para

sustituir los primeros calentamiento del jugo

mediante el uso de los condensados.10.-

Vapor extraído del primer vaso (100 %)

Consumo vapor Ahorro vapor Ahorro bagazo

% caña (t/h) (t/h) (t/h) %

16 6,6 1,32 0,66 5,6

18 7,5 1,50 0,75 6,4Vapor extraído del segundo vaso (100 %)

16 6,6 2,64 1,32 11,3

18 7,5 3,00 1,50 12,8

20 8,3 3,30 1,66 14,2Vapor extraído del tercer vaso (100 %)

16 6,6 3,96 1,98 16,9

18 7,5 4,50 2,25 19,3

20 8,3 4,98 2,49 21,3Vapor extraído del primer vaso (50 %) y del segundo vaso (50 %)

16 6,6 1,98 0,99 8,4

18 7,5 2,85 1,12 9,6

20 8,3 2,49 1,25 10,7

11.- PRINCIPIOS PARA EL DISEÑO DE ESQUEMAS TERMICOS DE ALTA EFICIENCIA

Obtener todo el vapor necesario para calentadores y tachos a partir de los vasos delequipo de evaporación.

Efectuar las mayores cantidades de vapor extraído hacia los calentadores a partir de los vasos del evaporador que se encuentren mas cercanos al condensador y mediante un calentamiento escalonado.

Efectuar la extracción de vapor hacia los tachos a partir del segundo o tercer vaso del múltiple efecto.

Efectuar la extracción de vapor hacia los tachos como alternativa a partir de un segundo vaso de un doble efecto.

Establecer las superficies caloricas de cada vaso del evaporador en función de la cantidad de vapor necesario de suministrar el vaso siguiente y la cantidad de vapor necesaria a extraer.

Utilizar una presión de vapor hacia el primer vaso del evaporador entre 1.76 y 2.10 kg/cm2 (m).

Incluir en el diseño el mejor uso de las aguas condensadas, empleando separadores de arrastre eficientes e incrementar la temperatura del jugo mezclado en su primeraetapa por medio de un calentador liquido-liquido.

RECOMENDACIONES PARA EL USO DE LOS CONDENSADOS

- Aprovechar las auto evaporaciones en cada efecto posible.

- Usar el primer condensado para caldera.

- Usar el segundo vaso como agua de reposición de calderas.

- Circular los condensados de un tanque de flasheo a otro.

- Enviar el condensado del ultimo vaso al tanque de agua - caliente.

- Usar los condensados de los últimos vasos, de los calentadoresy de los tachos para el intercambio de calor con el jugo mezclado.

12.- CRITERIOS DISEÑOS DE LOS ESQUEMAS DE EVAPORACIÓN EN LA INDUSTRIA

AZUCARERA DE REMOLACHA

OPERACIÓN DE UN SÉXTUPLE EFECTO DE PELÍCULA DESCENDENTE

Variables Unidades VASO

1 2 3 4 5 6

Vapor/Temp al vaso

Bar/oC 3.00/133

2.64/129

2.27/124

1.87/118

1.27/106

1.09/101

Vapor/Tempcuerpo

Bar/ oC 2.64/129

2,27/124

1.87/118

1.27/106

1.09/101

0.70/90

Jugo entrada Bx 18.5 22.8 29.6 41.6 16.0 67.2

Jugo salida Bx 22.8 29.6 41.6 67.2 18.5 74.0

DT 0K 4.3 4.9 6.2 11.7 4.4 12.0

Coeficiente transferencia calor

kW/m2K 3.70 3.25 2.41 1.69 2.94 1.60

Areas m2 3200 3100 3600 3500 3200 550

COMPARACION SUPERFICIES ENTRE DIFERENTES DISEÑOS (en m2)

Vaso Diseño placas flujo descendente

Diseño tubos flujo descendente

Diseño tubos cortos (Robert)

1 3200 4645 5232

2 3100 4148 5157

3 3600 4136 6911

4 3500 4446 14226

5 3200 3864 4763

6 550 812 3982

Total 17150 22051 40271

ASPECTOS DE LAS FABRICAS MAS EFICIENTES:Thompson Phil

•Recuperación calor de los tachos y aguas condensadas

•Diseño sistema de evaporación con el mínimo de vapor al condensador

•Empleo de evaporadores de película con bajos diferenciales de temperatura

•Uso de tachos continuos para usar vapores de los vasos 4 y 5 del sistema de evaporación

•Centrifugas mayores y mas eficientes

•Monitoreo energético y programas de gerencia minimizando la adición uso de agua

ASPECTOS DE LAS FABRICAS MAS EFICIENTES:Thompson Phil

•Uso de gases de la combustión para el precalentamiento del aire

•Uso de calderas a 1300 psig para máxima generación y menor demanda de vapor

La mayor parte de la fabricas operan con un consumo de vapor de 20-30 % de la remolacha en peso, aunque existe fabricas diseñadas para operar a 17% y otros estudios para disminuir hasta 14% que resulta lo mínimo con las actuales tecnologías probadas.

Filosofía para el Ahorro de Energía: K .L. Carter and P. D. Thompson

•El calentamiento de fluidos fríos hasta 55 oC debe ser realizado usando calor recuperado.

•Fluidos calientes deben ser enfriados a 60oC por intercambio de calor sin usar agua de enfriamiento

•El intercambio de calor no debe de realizarse entre fluidos sobre los 60oC y fluidos fríos por debajo de 55oC.

•El vapor de los tachos – a 200 mbar- se debe usar para el calentamiento de los jugos hasta 55 o.

•Los condensados de los vasos del evaporados debe ser enfriado hasta 60oC con jugo crudo.

•El vapor del ultimo efecto del evaporador no debe ser enviado a un condensador.

UN DISEÑO DEL SISTEMA DE EVAPORACIÓN PARA REDUCIR EL CONSUMO A VALORES DE 22% VAPOR / REMOLACHA INDICA LA NECESIDAD DE:

•Usar seis efectos con una temperatura en el ultimo vaso de 90oC.

•Empleo de una presión de vapor de escape de 3.1 bar (máximo)

•En contenido de sólidos solubles del jugo claro no debe ser menor de 16.5 Bx.

•En contenido de sólidos solubles de a meladura no debe ser menor de 69.5 Bx.

UN DISEÑO DEL SISTEMA DE EVAPORACIÓN PARA REDUCIR EL CONSUMO A VALORES DE 22% VAPOR / REMOLACHA INDICA LA NECESIDAD DE

La obtención de 90oC en el ultimo efecto implica que el diferencial de temperatura sea no mayor de 6 oC lo que indica la necesidad de emplear evaporadores de película descendente.

Este permite menores diferenciales al no tener la carga hidrostática , menores tiempos de residencia con menores afectaciones de color y destrucción de sacarosa y mayores coeficientes de transferencia de calor.

DETALLES COMUNES DE SISTEMAS DE EVAPORACIÓN.

•Retorno de todos los condensados a las calderas sin auto evaporación previa.

•Calentamiento jugo claro con vapores desde el quinto al primer efecto con 3oC de diferencial

•Los vapores a los calentadores son tomados de la calandria de del siguiente vaso para purgar los gases incondensablesventilando directo a la atmósfera del primero al tercero.

•No auto evaporar el condensado del sexto efecto, recuperar el calor por intercambio de calor

•Retornar el condensado del sexto vaso al vapor condensado del quinto efecto por la pata barométrica.

CONCEPTOS PARA REDUCIR EL CONSUMO DE VAPOR % REMOLACHA DE 33% A 24%: N. R. Twaite, H.J. Davenport, E. K. MacDonald

•Aumentar el contenido de sólidos solubles del jugo claro y disminución cantidad de agua de imbibición.

•Aumentar el contenido de sólidos solubles del licor.

•Aumentar la cantidad de azúcar producida en relación a la cantidad de meladura.

•Reducción de la recirculación de siropes y una menor adición de agua.

TRABAJOS REALIZADOS PARA LA OPTIMIZACIÓN DE LOS CONSUMOS ENERGÉTICOS: Osvaldo Romero

• Incrementar el numero de efectos en los evaporadores, uso de evaporadores con altos coeficientes de transferencia de calor y bajos diferenciales de temperatura

•Trasladar las extracciones hacia los últimos vasos del evaporador

•Utilizar la compresión de los vapores.

•Aumentar el contenido de los sólidos solubles en la meladura.

TRABAJOS REALIZADOS PARA LA OPTIMIZACIÓN DE LOS CONSUMOS ENERGÉTICOS: Osvaldo Romero

•Elevar el contenido de sólidos de las masas y por consiguiente el contenido de cristales disminuyendo los volúmenes de mieles

•Elevar la pureza de la meladura para obtener menor cantidad de miel en la primera masa.

•Empleo de tachos continuos

•Uso de pie de semilla para todas las masas

•Uso de la mezcla de sirope y agua para la centrifugación

VENTAJAS DE EVAPORADOR PELÍCULA DESCENDENTE

• Bajo volumen de jugo en el evaporador correspondiente a un tercio del Diseño Robert con la misma superficie calorica.

•Operación a pequeños diferenciales de temperatura.

•Usando 6 o 7 vasos con una temperatura del vapor de escape de 135oC y 90 oC en el ultimo efecto.

•Poder operar a un 20-30% de su capacidad de diseño

Altas áreas (6000-9000 m2) con tubos largos (hasta 15 metros) pueden agruparse en vasos pequeños (3.4-3.6 metros de diametro)

DESARROLLO EVAPORADORES: H. Licha, P. Valentin, M. Wersel, G. Witte

Anteriormente:

Evaporadores a cuádruple efecto con una superficie de 1.6 m2 por ton remolacha procesada por día con consumos de vapor de 40 kg/100kg de remolacha

Actualmente:

Evaporadores a séxtuple efecto con una superficie de 2.6 m2 por ton remolacha procesada por día con consumos de vapor de 25 kg/100kg de remolacha

DESARROLLO EVAPORADORES: H. Licha, P. Valentin, M. Wersel, G. Witte

El aumento de superficie calorica se ha realizado por evaporadores de película descendente en la etapa de altas densidades mientras se dejaron los diseños Roberts para las etapas de bajas densidades.

Una comparación de los coeficientes de transferencia de calor indica que por ejemplo en densidades de jugo de 40 contenido de sólidos solubles en un diseño Roberts el coeficiente es de 700 W/m2K, el diseño de película descendente es de 1500 W/m2K y el diseño de placas de 2700 W/m2K.

Comparación de dos diseños de evaporadores: Pascal A. Christodoulou

Etapa Diseño Robert (cinco vasos) Diseño película descendente (siete vasos)

Consumo vapor kg/100 kg remolacha

Fuente vapor Consumo vapor kg/100 kgremolacha

Fuente vapor

Extracción 0.9 Vaso 3 0.6 Vaso 4

Calentamiento jugo alcalizado (25 a 70 0C)

- Tachos y condensados

- Tachos y condensados

Calentamiento jugo alcalizado (70 a 85 0C)

5.1 Vasos 5 y 4 5.1 Vasos 7, 6, 5 y 4

Calentamiento jugo claro (85 a 130 oC)

9.7 Vasos 4,3,2,1 y vapor directo

7.9 Vasos 4,3,2,1 y vapor directo

Secado azucar y calentamiento meladura

1.8 Vaso 2 1.1 Vaso 4

Estacion de coccion 11.0 Vaso 3 3.2 Vasos 6,5 y 4

Deducible para expansion vapores

-3.8 -- -4.1 --

Consumo total de vapor

24.7 -- 13.8 --

CRITERIOS DISEÑOS DE LOS ESQUEMAS DE EVAPORACIÓN EN LA INDUSTRIA AZUCARERA DE

REMOLACHA

• Se diseñen los equipos en múltiple efecto de forma tal que se

alcance la menor cantidad o ninguna cantidad de vapor al condensador.

• Se incremente el valor de la densidad de la meladura a valores de 70-75 oBx.

• Se realicen las extracciones de vapor hacia los tachos de losvasos 3, 4 o 5, con temperaturas de unos 100 oC.

• Se empleen evaporadores a seis o siete efectos de película descendente, para lograr menores diferenciales de temperatura

en los vasos, menores tiempos de residencia de los jugos conmas altos coeficientes de transferencia de calor.

CRITERIOS DISEÑOS DE LOS ESQUEMAS DE EVAPORACIÓN EN LA INDUSTRIA AZUCARERA DE

REMOLACHA• Se empleen tachos continuos o con agitacion mecanica.

• Se recupere calor de las evaporaciones de los tachos.

• Se recupere del calor de las aguas condensadas.

• Se minimizar el uso del agua externa.

• Se use una presion de vapor al primer vaso de 3.0 kg/cm2

• Se disminuya la cantidad del agua de imbibicion y del

• jugo de difusion.

• Se emplee sirope para el lavado durante la centrifugacion.

FIN DE LA PRESENTACION

MUCHAS GRACIAS

CURSO INTERNACIONAL ““ENERGIA NA …...DE AZUCAR Cuarta etapa: Movimiento por turbinas de vapor...

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