ahorro de agua
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TRATAMIENTO DE AGUA EN LA
INDUSTRIA AZUCARERA
I. INTRODUCCION
Se dice con frecuencia que el agua es el elemento
esencial de nuestro planeta. Pero si bien es cierto que esto se
dice corrientemente, también lo es que la humanidad ha
tardado mucho tiempo en darse cuenta del verdadero
alcance de esta expresión, fundamentalmente cuando
carecemos de este precioso líquido.
Para tener una idea concreta de las necesidades reales del
agua revisemos las siguientes advertencias:
Se puede sobrevivir cerca de un mes sin alimento, pero
sólo una semana sin agua.
Cerca del 70 % de la piel humana es agua.
Mujeres y niños de la mayoría de las regiones en
desarrollo recorren una media de 10 a 15 kilómetros
diarios para abastecerse de agua.
Una persona necesita cinco litros diarios para beber y
cocinar y 25 litros para su higiene personal.
Cada día se utilizan 1400 millones de litros de agua para
imprimir la prensa en todo el mundo.
No sólo para el uso social; cada día somos más
exigentes en lo que se refiere a la calidad del agua para el
uso industrial, para las calderas modernas y para el proceso
tecnológico azucarero. Se parte por tanto, con frecuencia, de
agua más compleja y debe obtenerse un agua mucho mejor
acondicionada que antaño. Sabiendo que el condensado
puede y debe ser un agua químicamente pura, no lo
atendemos para su perfecta recolección, no evitamos la
contaminación y los arrastres con métodos eficientes desde
el punto de vista tecnológico.
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Cambiamos entonces nuestra agua; la que nos da la
caña, por agua de fuentes externas, quitándosela a veces al
pueblo, malgastando dinero y energía, para mal-tratarla, y
sus resultados irán a las calderas para incrustarlas, hacerlas
ineficientes, con sus costos de eficiencia, mantenimiento,
reposición y consumo de combustible adicional. ¿Dónde está
el secreto? ; en la técnica para el uso eficiente del agua, la
misma que nos ofrece la caña.
Por otra parte existe la tendencia generalizada, como
criterios, en nuestras fábricas de azúcar, de que siempre
debe sobrar el agua, producto del alto contenido de la misma
en la caña de azúcar – y cuando profundizamos en esto
ocurre que:
La lechada de cal se prepara generalmente con agua de
fuentes externas.
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En casi todos los ingenios se ha generalizado la
necesidad de instalar una planta de tratamiento de
agua, utilizando agua de fuentes externas.
Se repone agua al enfriadero cuya procedencia es de
fuentes externas.
El incremento del tiempo perdido desplaza el equilibrio
entre la demanda y sobrante de agua, más hacia el
primero, resultando dominante.
Los supuestos circuitos cerrados de enfriamiento
complementario (agua de enfriamiento de cajas
laterales de molinos, sello liquido de bombas de vacío,
agua de turbogeneradores, etc.) utilizan reposiciones
con agua de fuentes externa en la mayoría de los casos,
o suministro total con agua de fuentes externas cuando
el sistema es abierto.
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Paradójicamente sobra enorme cantidad de agua
producto de condensados en tachos y primeros vasos de
evaporadores, con aceptables características
termodinámicas, pero que, algunas veces, por la
presencia de trazas de azúcar en la misma, es enviada a
algún curso receptor por carencia de técnicas que
eviten su contaminación y otras por falta de capacidad
de almacenamiento. En este sentido, también existe un
enorme excedente de agua de uso tecnológico de otros
equipos como calentadores de jugo, últimos vasos de
evaporadores, etc, que por falta de un adecuado uso y
almacenamiento, se bota.
En esta situación se requiere evidentemente y de
acuerdo a todo lo anterior el establecer claramente tres
caminos:
1- Definir con claridad las necesidades de agua de
distintas calidades y disponibilidades de la misma en el
proceso tecnológico.
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2- Establecer un plan detallado de medidas y soluciones
concretas para lograr un balance favorable. Se puede
sobre llamar ingeniería del agua condensada.
3- Controlar administrativamente esta actividad.
Este, nuestro trabajo, contiene en detalles los dos
primeros aspectos, con vista a que puedan ser materializadas
y controladas por cada ingenio; por lo que estimamos que sea
de gran valor para el patrimonio nacional.
El mensaje del mismo puede muy bien ser este.
"La tragedia de tener los labios quebrados por el sol, la
garganta seca, la piel enrojecida, el sol quemando nuestros
cuerpos, mientras andamos con un cubo sobre los hombros
para darle de beber a nuestros hijos no está ubicado en el
paisaje cubano; no por la geografía y el clima, ni nuestros
cuidados y costumbres, sino por la estrategia hidráulica de
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un país que diseña todo proyecto a partir del ser humano.
Dejar de contribuir con el ahorro es un acto de insensatez
que nuestros hijos y nuestro país pudieran pagar con creces".
II. OBJETIVOS PRINCIPALES DEL TRABAJO
Tal como lo planteamos en la introducción del trabajo, el
agua es una necesidad vital para la operación de la fábrica.
Un sentido especial de calidades del agua, puede ser usado
en todo el ingenio, desde el agua pura y caliente para las
calderas, libres de trazas azucaradas; hasta las aguas de
preparación de cal, disolución de mieles, lavado de
centrífugas y más de cuatro centros de enfriamiento en
circuito cerrado.
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Si todo opera con la regularidad del tránsito de una
gran ciudad, sobrará agua para comenzar luego de una
parada, para uso social y sobre todo para impedir a toda
costa el uso de agua de fuentes externas.
Como objetivos básicos podemos señalar, cinco muy
importantes:
1. Lograr disminuir los arrastres de azúcar en los vapores
del pre evaporador, a valores máximos de 50 ppm.
2. Parar el uso de la planta de tratamiento de agua,
logrando un mínimo de extracción de agua en las
calderas.
3. Eliminar el uso de agua de fuentes externas y el ahorro
de 10 centavos por m3 de agua consumida.
4. Lograr que toda el agua para uso del proceso sea
proveniente de la caña.
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5. Lograr una mayor eficiencia en todos y cada uno de los
circuitos de enfriamiento cerrados del ingenio.
Como resultado de todo este trabajo de administración
del agua se obtiene una disminución en la producción de los
residuales. El agua que dejamos correr, arrastra los
productos azucarados, el aceite y grasas y los productos
químicos de la limpieza. Este gran proyecto termina cuando
nuestros ríos se salven de la contaminación, nuestros mares
no pierdan su pesca, y los vecinos del batey puedan respirar
aire puro y beber agua de manantiales no contaminados.
La ingeniería en el uso del agua, las instalaciones
tecnológicas que en este proyecto recomendamos y la
gerencia de la administración de la misma, con mano de
hierro y el uso además de la inteligencia son básicamente los
objetivos de este trabajo.
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ESTUDIO DE UN CASO REAL:
Ingenio de más de un millón de arrobas de molida, con
suficiente cosecha de caña para más del 90% de la norma
potencial, con orden y disciplina media de operación;
comienza a parar la molida por falta de agua. La planta de
tratamiento de agua no alcanza para suministro de agua a la
caldera. El agua de alimentación es totalmente agua de
retorno y no existen arrastres de azúcar en los vapores de
jugo.
Un experto comienza a verificar las causales de esta
anomalía: en su recorrido integral al ingenio no consigue
obtener ningún parámetro anormal de trabajo, en especial de
equipos productores de condensado, evaporadores y tachos.
Se encamina al centro supervisor por computación del
proceso, comprueba el balance de cada caldera y sólo en ese
instante descubre el problema.
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La caldera 1 tiene fijado un flujo de entrada de agua de
60t/h y producción de vapor de 43t/h, la segunda 55t/h y
40t/h de producción de vapor y todos sin excepción
presentan diferencias de más de 10t/h entre la alimentación
de agua y la producción de vapor. Ese 25% de agua se está
botando a la zanja como extracción continua de agua de las
calderas, desde luego sin control alguno, además la total
ignorancia del hecho no los justifica de tal problemática.
Se prueba; cerrando completamente la extracción
continua 45 minutos, y el agua sobrante llena los tanques de
alimentación de las calderas.
Quiere esto decir que un sistema sin control a 250
lb/pulg2, puede significar:
Paradas de la fábrica (sépase que un ingenio de un
millón de arrobas cuesta más de 10 000 pesos la hora de
parada), gasto de combustible adicional y uso de agua cruda
en la caldera.
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III. DESARROLLO DE LOS CÁLCULOS BÁSICOS
A continuación se hace un breve análisis de los
diferentes circuitos de agua que conforman el ciclo del agua
en un central y se realizan los cálculos en cada uno con el
objetivo de conocer disponibilidades y necesidades.
Existen fundamentalmente siete circuitos definidos en la
mayoría de los ingenios.
o El del agua vegetal que entra con la caña al proceso y
que está directamente involucrada en el proceso
químico físico de extracción de la sacarosa.
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o El sistema de enfriamiento del agua de inyección a
condensadores.
o Ciclo de vapor de motores primarios (agua de
alimentación a calderas).
o Sistema de enfriamiento de cajas laterales del
tandem.
o Sistema de enfriamiento de bombas de vacío.
o Sistema de enfriamiento de cristalizadores Blanchard.
o Sistema de enfriamiento del agua de los
turbogeneradores.
Para el desarrollo de los cálculos, primeramente se
realizará un balance de agua por bloques tecnológicos y
estaciones en el primero de los circuitos mencionados ya
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que este, además de autoabastecerse debe suplir la demanda
de agua para reponer en los restantes sistemas, siendo así
fundamental cuantificar el potencial de entrega del mismo;
posteriormente se calculará el agua perdida total en el
ingenio como la suma de las pérdidas en cada sistema de
enfriamiento y en el circuito de alimentación a la caldera
para conocer la necesidad de agua de reposición diaria y una
vez conocidos ambos volúmenes se efectuará un balance
total.
Balance de agua por bloques tecnológicos y
estaciones
En el proceso de fabricación se produce una cantidad
sobrante continua de agua que puede ser utilizada en otro
sistema y/o ser acumulada para su uso cuando sea requerida;
para su cálculo el proceso ha sido dividido en los bloques
tecnológicos de Tandem, Purificación, Evaporación a múltiple
efecto y Tachos; y en las estaciones de Dilución de mieles y
Centrifugación.
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Los cálculos son realizados tomando una molida diaria
de 1150 t y una relación de imbibición de 30 %.
Bloque tecnológico – Tandem
Figura N°1: Extracción del Jugo mezclado
En esta estación se consume agua para la imbibición y
para las limpiezas sistemáticas en los molinos y existe una
salida con el bagazo.
Agua de imbibición = 0.3 * 47.5 t/h = 14.25 t/h
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suponiendo la humedad en bagazo de 50 % y 13 % de fibra
(despreciando brix) :
Agua en bagazo = 0.13 * 47.5 t/h = 6.17 t/h
como el jugo de la caña es aproximadamente el 87 % en peso
de la caña molida,
Jugo mezclado = 0.87 * 47.5 t/h + 14.25 t/h - 6.17 t/h =
49.5 t/h
La limpieza en el tandem se realiza dos veces por turno
durante veinte minutos, generalmente con manguera de una
pulgada de diámetro y con una velocidad de flujo de agua de
aproximadamente 10 pie/seg.
Flujo de una manguera = Velocidad * Area de la sección
transversal
Area de la sección transversal = 3.14 (0.0833)2/ 4 =
0.00545 pie2
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Flujo de agua de limpieza = 10 pie/seg * 0.00545 pie2 =
0.0545 pie3/seg
Cada vez que se efectúe la limpieza serán 0.0545
pie3/seg * 1200 seg = 65.4 pie3; como esto ocurre seis veces
en el día, tendremos:
Flujo de agua de limpieza = 65.4 pie3 * 6 = 392 pie3/día
= 11 m3/día = 0.458 m3/h
Agua consumida en el tandem = 14.25 m3/h + 0.458
m3/h = 14.7 m3/h
Bloque tecnológico – Purificación
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Figura N°2: Purificación de los jugos.
En este bloque se requiere agua para la preparación de
la lechada de cal y para el agua de lavado de la cachaza en el
filtro.
El flujo de cal es aproximadamente el 3 % del jugo
mezclado.
Cal = 0.03 * Jugo mezclado = 0.03 * 49.5 t/h = 1.5 t/h
que despreciando el contenido de sólidos, serían 1.5 t/h de
agua necesaria para alcalizar.
Considerando que el jugo de los filtros es alrededor del
20 % del jugo alcalizado y que la caída del brix del jugo
clarificado al jugo del filtro es cerca de 3 grados:
Jugo del filtro = 0.2 * Jugo alcalizado
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Jugo alcalizado = Jugo mezclado + Cal = 49.5 t/h + 1.5
t/h = 51 t/h
Jugo del filtro = 0.2 * 51 t/h = 10.2 t/h
Agua de lavado = 10.2 t/h (1 – 13/16) = 1.9 t/h
Jugo clarificado = Jugo mezclado + Cal + Agua de lavado –
Agua en cachaza
Asumiendo una producción de cachaza del 5 % de la
caña molida y una humedad de 75 %:
Agua en cachaza = 0.75 * 0.05 * 47.5 t/h = 1.8 t/h
Jugo clarificado = 49.5 t/h + 1.5 t/h + 1.9 t/h – 1.8 t/h =
51.2 t/h (224 gal/min)
Agua consumida en purificación = 1.5 t/h + 1.9 t/h = 3.4
t/h = 3.4 m3/h
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Bloque tecnológico – Evaporación a múltiple efecto
En esta etapa comienza la extracción de agua en el
proceso.
El pre cierra el ciclo de vapor de motores primarios y
desde luego es el encargado de alimentar a las calderas y con
su evaporación debe proveer de vapor a los tachos y de vapor
de calentamiento a los calentadores de jugo clarificado,
además de abastecer al cuádruple.
El consumo de vapor de la estación de tachos para una
molida de 1150 t/día es aproximadamente 10 t/h y la cantidad
de vapor necesario para calentador de jugo se puede
calcular como sigue:
Mvapor =Q/ Calor latente, Q = m * cp * Δt
Q = 49.5 t/h * 905 kcal/t °C * (110 - 95)°C = 671962
kcal/h
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Mvapor = 671962 kcal/h /527000 kcal/t = 1.27 t/h
Figura N°3: Sistemas de Evaporación de múltiples efectos
Una vez conocidos los flujos de vapor necesarios a
tachos y calentador de jugo clarificado; el agua evaporada en
el pre y por lo tanto el vapor de escape consumido queda
definido por la cantidad de vapor que necesita el cuádruple,
que deberá ser suficiente para obtener una concentración
aproximada en la meladura de alrededor de 65 Bx y
satisfacer las extracciones a los calentadores primario y
rectificador de jugo mezclado.
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Según el esquema de evaporación escogido, se realizan
dos extracciones en el cuádruple; en el primer y segundo
vaso, aunque también se plantea la ubicación de un tercer
calentador con el objetivo de rectificar la temperatura del
jugo mezclado cuando por motivo de la caída de presión en el
vapor de calentamiento debido a incrustaciones u otras
causas descienda a menos de cuatro grados la diferencia de
temperatura entre este y el jugo a calentar.
La cantidad de vapor requerido para la extracción
del primer vaso será:
Q = 49.5 t/h * 905 kcal/t °C * (105 - 85)°C = 895950
kcal/h
Mvapor = 895950 kcal/h / 532200 kcal/t = 1.68 t/h
Y para el segundo vaso:
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Q = 49.5 t/h * 905 kcal/t °C * (85 - 50)°C = 1569912
kcal/h
Mvapor = 1569912 kcal/h / 536200 kcal/t = 2.92 t/h
Con los flujos de las extracciones, asumiendo diversos
valores de flujo de vapor al primer vaso y chequeando con el
Bx de la meladura; se calcularon, por tanteo y error; las
corrientes de evaporación del cuádruple así como el consumo
de vapor del pre.
Se obtuvo que para un consumo de vapor al primer vaso
del cuádruple de 7.87 t/h
Evaporación del pre = Vapor al calentador + Vapor a tachos +
vapor al cuádruple
Evaporación del pre = 1.27 t/h + 10 t/h + 7.87 t/h =
19.14 t/h
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Vapor de escape al pre = 19.14 t/h /0.97 = 19.73 t/h
Є4 = 0.97 * Vapor al primer vaso = 0.97 * 7.87 t/h
=7.63 t/h
E4 = Є4 – Ext1 = 7.63 t/h – 1.68 t/h = 5.95 t/h
Є3 = 0.97 * E4 = 0.97 * 5.95 t/h = 5.77 t/h
E3 = Є3 – Ext 2 = 5.77 t/h – 2.92 t/h = 2.85 t/h
E2 = 0.97 * E3 = 0.97 * 2.85 t/h = 2.76 t/h
E1 = 0.97 * E2 = 0.97 * 2.76 t/h = 2.67 t/h (Agua al
enfriadero)
Etotal = E1 + E2 + Є3 + Є4 = 2.67 t/h + 2.76 t/h + 5.77 t/h
+ 7.63 t/h
= 18.83 t/h
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Bx meladura = (T. sólidos/ T.meladura )* 100 = 8.61/ (51.2-
19.14-18.83) = 65
El agua total aportada por este bloque es la suma de la
evaporación del pre más la evaporación del cuádruple sin el
agua evaporada en el último vaso, que va al enfriadero.
Agua total aportada = 19.14 t/h + 18.83 t/h - 2.67 t/h = 35.32
t/h = 35.32 m3/h.
Bloque tecnológico - Tachos
Del total del vapor consumido por los tachos (10 t/h), el
45 porciento aproximadamente es consumido en las masas
cocidas A, el 30 porciento por las masas cocidas B y el 25
porciento por las masas cocidas C.
En esta estación todo el vapor consumido es recuperado
en forma de condensado y el agua evaporada es incorporada
a la corriente del enfriadero.
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Agua al tanque colector = 10 t/h (vapor de calentamiento
condensado)
Agua evaporada =10 t/h * 0.97 = 9.7 t/h al enfriadero
Figura N°4: Balance de Materia en un tacho
En ocasiones, cuando hay reproducción en la templa, es
necesario, para diluir los granos pequeños una cierta
cantidad de agua de manejo que se estima en 0.5 t/h, pero
esta no influye en el balance total al regresar como retorno
del tacho 0.5 t/h (debido a que fue necesario incrementar en
esa cantidad el consumo de vapor de calentamiento) y
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aumentar el enfriadero con 0.5 t/h. Esto afecta al balance de
vapor y muy poco al balance general de agua.
Estación – Dilución de mieles
En este bloque se consume agua para disminuir la
concentración de sólidos en las mieles A y B de 83 °Bx a 65
°Bx.
Mieles A
Figura N°5: Balance de Materiales para la Miel A
Según índice de consumo, para miel A, Kg sólidos/ Kg de
caña =85.46
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Peso de miel A = 85.46/0.83 = 103 Kg miel A/ t caña *
1150 t caña /día
Peso de miel A = 118 t /día = 5 t/h
Agua de dilución para mieles A = 5 t/h ( 65/83 - 1) =
1.38 t/h
Mieles B
Figura N°6: Balance de Materiales para las Mieles B
Para mieles B, Kg sólidos / t caña = 53.19
Peso de miel B = 53.19 / 0.83 = 64 kg miel B / t caña *
1150 t caña / día
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Peso de miel B = 74 t miel B / día = 3.1 t/h
Agua de dilución para mieles B = 3.1t/h ( 65/83 - 1) =
0.86 t/h
Agua total consumida para diluir mieles = 1.88 t/h +
0.86 t/h = 2.24 t/h
Estación – Centrifugación
En esta etapa se consume agua para lavado del azúcar
en la centrifuga.
En cada segundo de lavado el gasto de agua es de un
litro, cada carga implica diez segundos de lavado. Teniendo
en cuenta que para una molida de 1150 t/h se realizan
alrededor de 20 cargas por hora, el consumo de agua sería:
Agua de lavado consumida en la centrifuga
= 20 cargas / h * 1 l/seg * 10 seg/carga
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= 20 l/h = 0.2 t/h
Balance del proceso de extracción:
Agua sobrante
= 35.32t/h – 14.71t/h – 3.4 t/h – 2.24 t/h – 0.2 t/h =
14.78 t/h
Agua sobrante al día = 355 m3
De los bloques tecnológicos, los de Tandem y
Purificación son consumidores de agua vegetal, así como las
estaciones de Dilución de mieles y de Centrifugación.
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Los tachos trabaja directamente con el agua evaporada
en el cuádruple y la evaporación producida por ellos pasa a
formar parte del agua de enfriamiento a condensadores por
lo que estos como bloque no aporta agua al sistema de
recolección de agua vegetal ni tampoco consume de él;
aunque el condensado del vapor de calentamiento pase a
formar parte del agua de reserva del proceso, no fue
realmente generado en ellos.
.
En el bloque tecnológico de Evaporación a múltiple
efecto es donde se libera la totalidad del agua vegetal que es
extraída de la caña para ser utilizada en forma de vapor en
tachos y calentadores cuyos condensados son recirculados al
proceso (tandem, purificación, dilución de mieles y
centrifugación), enviados como reposición de algún circuito
de agua o acumulado en tanque para posterior uso. Estos
condensados, según su procedencia tendrán un mayor o
menor contenido de azúcar debido a arrastres, pudiéndose
clasificar en:
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- Agua de buena calidad producto de la evaporación en
el pre-evaporador que son colectadas como
condensados del primer vaso del múltiple efecto y de
tachos (menos de 60 ppm de azúcar).
- Agua contaminada procedente de la evaporación del
múltiple efecto.
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Como se observa es necesario suplir 1.61 t/h del agua
necesaria para las operaciones que admiten utilizar agua con
alto contenido de azúcar, por lo que el agua sobrante del
proceso sería 14.78 t/h, toda de buena calidad.
Entrega de agua por el proceso tecnológico a otros
sistemas = 14.78 t/h = 355 m 3 /día
Cálculo de las pérdidas diarias de agua en el ingenio.
Las principales pérdidas de agua en el ingenio ocurren
en el sistema de enfriamiento de agua de inyección a
condensadores, en los sistemas de enfriamiento de equipos
tecnológicos y en el ciclo de vapor de motores primarios, ya
que en la mayoría de los casos se alejan considerablemente
de un sistema cerrado.
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La suma de el agua perdida en cada uno determina el
agua que es necesario reponer diariamente en el central.
Sistema de enfriamiento del agua de inyección a
condensadores:
Este sistema se caracteriza por grandes pérdidas,
comprende el enfriadero y los condensadores de tachos y
evaporadores.
Las pérdidas en el enfriadero ocurren de dos formas,
por evaporación-humidificación y por arrastre del viento.
Teóricamente la cantidad de agua evaporada en el
enfriadero debe ser igual a la cantidad de vapor condensado
en tachos y evaporadores (12.23 t/h), pero debido a la caída
de temperatura entre la salida del condensador y la salida de
los sprays no ocurre así y se puede considerar que
34
aproximadamente el 20 % de esta corriente queda formando
parte del agua circulante.
Agua incorporada al agua de inyección = 12.23 t/h * 0.2
= 2.4 t/h
Las pérdidas debido al arrastre de agua por el viento
son las de mayor peso y varían a través del día de acuerdo a
la velocidad del viento. Para su cálculo podemos agruparlas
en tres horarios.
De 10 am a 3 pm (pérdidas aproximadas del 3%
volumen del agua circulante).
Tomando un volumen de agua circulante de 4500
gal/min por 1150 t/día de caña molida:
Pérdidas por arrastre
= 0.03 * 4500 gal/ min * 8.4 lb/gal * 60 min/h = 68040
lb/h = 31 t/h,
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entonces tenemos que la pérdida neta en este periodo será:
Agua perdida = (30.9 t/h- 2.4 t/h) * 5 h = 142.5 t
De 3 pm a 8 pm (2% de pérdidas).
Pérdidas por arrastre
= 0.02 * 4500 gal /min * 8.4 lb/gal * 60 min/h = 45360
lb/h
= 20.6 t/h
Agua perdida = (20.6 t/h – 2.4 t/h) * 5 h = 91 t
De 8 pm a 10 am (no hay pérdidas por arrastre).
En este horario sólo hay ganancias.
Agua ganada = 2.4 t/h * 14 h = 33.6 t
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Balance del día
Agua pérdida = 142.5 t + 91 t - 33.6 t = 200 m3
Sistema de enfriamiento de planta eléctrica
Considerando para 1150 t/día de molida, bombas
proveedoras de agua de enfriamiento de 100 gal/min y
pérdidas promedio en el enfriadero de un 2% por arrastre de
aire durante 12 horas al día:
Agua perdida
= 0.02 * 100 gal/min * 8.4 lb/gal * 60 min/h = 1008 lb/h
= 0.457 t/h
= 0.457 m3/h * 12 h/día = 5.5 m3/día
Sistema de enfriamiento de cajas laterales del
tandem
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En el sistema de enfriamiento las perdidas ocurren
debido al arrastre de agua por el viento y por la utilización de
mangueras directamente sobre los guijos, cuando hay
sobrecalentamiento de estos.
Se estima para el enfriadero de un tandem de 18
mazas, un flujo de agua circulante de 180 gal/min y
pérdidas promedio de 2% por arrastre de aire durante 12
horas al día, por lo que el agua perdida por esa causa será:
Agua perdida por arrastre del viento
= 0.02 * 180 gal/min * 8.4 lb/gal * 60 min/h
= 1814 lb/h =0.82 t/h = 0.82 m3/h * 12 h/día = 9.87
m3/día = 9.9 m3/día.
Frecuentemente debido a roturas en cajas laterales,
deficiencias en la lubricación y el ajuste en diversas partes
del molino o a la excesiva carga hidráulica aplicada, entre
otros factores, se sobrecalientan los guijos sobre todo a
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medida que avanza la zafra, lo que generalmente se trata de
compensar con la aplicación directa sobre estos de las
mangueras de agua de enfriamiento que normalmente deben
verter sobre las cajas laterales colectoras. Con esta
operación se pierde casi la totalidad de este flujo.
Para el enfriamiento de los guijos de las mazas
moledoras se utilizan mangueras de una pulgada de diámetro
con una velocidad de flujo de agua de aproximadamente 3
pie/s; de esta corriente alrededor del 30 % pasa a formar
parte del jugo y el 70 % se derrama fuera de las cajas, no
reincorporándose al sistema de enfriamiento. .
Flujo de una manguera = Velocidad * Área de la sección
transversal
Área de la sección transversal = 3.14 (0.0833 pie)2 / 4 =
0.00545 pie2
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Flujo de agua por una manguera = 3 pie/seg. * 0.00545
pie 2 =0.0163 pie3/seg.
Como promedio se utilizan cuatro mangueras en un
tandem, por lo que el flujo total por este concepto será:
Flujo total de agua de enfriamiento de guijos
= 4 * 0.0163 pie3 / seg. = 0.0654 pie3/seg
= 0.111m3/h = 2.7 m3/día
Agua perdida en el enfriamiento de guijos
= 2.7 m3/día * 0.7 = 1.89 m3/día
.Agua perdida total en este bloque
=9.9 m3/día + 1.89 m3/día = 11.7 m3/día.
Sistema de enfriamiento de bombas de vacío.
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Asumiendo un flujo de 100 gal/min para sello liquido de
bombas de vacío y enfriadero con perdidas promedio del 2%
durante 12 horas al día:
Agua perdida = 0.02 * 100 gal/min * 8.4 lb/gal * 60
min/h
= 1008 lb/h = 0.457 t/h
= 0.475 m3/h * 12 h/día = 5.5 m3/día
Sistema de enfriamiento de cristalizadores
Blanchard.
Para un banco de 5 equipos se propone un flujo de 125
gal/min de agua de enfriamiento. Enfriaderos con pérdidas
del 3% en 12 horas de operación.
Agua perdida = 0.03 * 125 gal/min * 8.4 lb/gal * 60
min/h
41
= 1890 lb//h = 0.85 t//h
= 0.85 m3/h * 12 h/día = 10.3 m3/día
Ciclo de vapor de motores primarios.
Las principales pérdidas en el ciclo del vapor producido
por la caldera están en el uso de vapores de limpieza,
escobas, en las fugas y principalmente en las extracciones
continuas y discontinuas que se realizan en los domos de las
calderas para el mantenimiento de la calidad de las aguas y
eliminación de incondensables.
El consumo de vapor en el proceso tecnológico es
aproximadamente 19.81 t/h para 1150 t/día de molida (según
balance de materiales anterior). Suponiendo un consumo de
5% en el uso de vapores de limpieza, escobas, fugas etc. el
total de vapor que debe producir la caldera es:
42
Vapor producido por la caldera = 19.81 t/h + 0.05 *
19.81 t/h = 20.8 t/h
Despreciando las extracciones discontinuas y
considerando las continuas cuando son controladas,
aproximadamente de un 3 % del vapor producido:
Extracciones continuas = 20.8 t/h * 0.03 = 0.624 t/h
Pérdidas en calderas = Extracciones continuas + pérdidas en
fugas, limpiezas etc.
Pérdidas en calderas = 0.624 t/h +0.05 * 19.81 t/h =
1.614t/h
= 38.75 t/día = 38.75 m3/día
Pérdida total diaria
43
Pérdida total diaria = 200 m3 + 5.5 m3 + 10.3 m3 +38.75 m3
+ 11.7 m3 + 5.5 m3
= 271.75 m3
Debido a que el enfriadero del agua de inyección a
condensadores necesita el mayor volumen de agua a reponer
y que para cuantificar sus pérdidas el día fue dividido
convenientemente en tres horarios, podemos calcular las
pérdidas totales en cada uno de estos tres periodos.
Según lo calculado anteriormente tenemos:
Pérdidas totales de 10 am a 3 pm = 164.13 m3
de 3 pm a 8 pm = 112.63 m3
de 8 pm a 10 am = -4.26 m3
Balance total en un día.
44
Del balance en el proceso tecnológico se obtuvo que el
agua vegetal sobrante (o sea, lo que aporta el proceso a otros
sistemas) es de 14.78 t/h por lo que al día serían 355 m3 de
agua, toda de buena calidad.
El volumen total de agua necesaria a reponer en los
restantes circuitos es igual a las pérdidas en cada uno, que
según lo calculado es 271.7 m3 al día, por lo tanto, el agua
sobrante en el ingenio será la diferencia entre la aportada
por el proceso y la consumida por los demás sistemas.
Agua sobrante total diaria en el ingenio = 83 m3
IV. ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS
45
A continuación se presentan los principales resultados
obtenidos en los cálculos anteriores.
Los condensados de los calentadores rectificador y de
jugo mezclado pueden oscilar entre una y otra calidad, su
clasificación se realiza previo análisis del contenido de
azúcar; en el caso de los tachos, de las 10 t/h de vapor que
consumen, se asume que es de buena calidad 8.5 t/h, ya que
existe gran riesgo de contaminación en el comienzo de la
operación, antes de producirse el vacío en el cuerpo del
equipo
.
46
Como se observa en la tabla 4, el sistema de
enfriamiento de agua de inyección a condensadores es con
gran margen el mayor consumidor de agua en el ingenio.
47
Como se muestra en la tabla 6 el volumen de agua de
buena calidad que se produce en un día es superior a la
necesidad de esta por parte de los sistemas consumidores
(calderas y sistemas de enfriamiento) incluyendo el sistema
de enfriamiento de agua de inyección a condensadores,
quedando un sobrante de 83 m3 que puede ser acumulado
para usarse en caso de paradas, limpiezas u otros usos; por
supuesto, para esto es preciso continuidad en la molida,
disminución al máximo del arrastre de azúcar en la corriente
de evaporación del pre, y que los sistemas de enfriamiento y
de alimentación a la caldera se comporten lo más cerca
posible de un sistema cerrado.
Este balance puede alterarse positiva o negativamente
según el sentido en que se afecten los distintos circuitos, ya
sea por causas administrativas, operacionales o por
funcionamiento de los equipos, pudiendo atravesar desde una
situación de ahorro máximo a una situación crítica que
implique la parada del ingenio por falta de agua.
48
Especial atención deben recibir los sistemas de mayores
pérdidas. El diseño inadecuado o mal funcionamiento del
enfriadero del agua de inyección a condensadores puede
incrementar considerablemente las pérdidas totales debido al
gran volumen de agua circulante en este circuito. En el
sistema de alimentación a calderas es preciso controlar las
extracciones continuas en los domos, que muy
frecuentemente están por encima de lo necesario para
mantener la calidad adecuada del agua, creando una sensible
fuga del sistema. La falta de lubricación y desajustes en
diversas partes de los molinos también son factores que
aumentan el consumo de agua de enfriamiento y por lo tanto
las pérdidas totales.
En general es fundamental el diseño y funcionamiento
adecuado de los enfriaderos de los diversos sistemas, así
como el ajuste de los volúmenes de agua de enfriamiento a
los equipos con la temperatura de trabajo en cada uno para
no utilizar más de la cantidad necesaria.
49
Una idea general del comportamiento consumo-
disponibilidad de agua durante el día de molida se muestra
en la tabla 7.
En los horarios de la mañana (10 am - 3 pm) y de la
tarde (3 pm - 8 pm) las pérdidas son considerables y la
disponibilidad de agua es muy inferior a la demanda, pero si
existe suficiente capacidad de almacenaje y los sistemas
funcionan adecuadamente, los 211 m3 acumulados durante el
horario de 8 pm a 10 am son suficientes para satisfacer el
consumo y dejar un sobrante.
50
Figura N°7: Datos de disponibilidad del agua durante el día.
51
V. INGENIERÍA PARA EL AHORRO DE AGUA
La extracción continua de la caldera
Figura N°8: Esquema energético azucarero
Si todo funcionara adecuadamente y existiera una
administración eficiente del agua y la energía. Las perdidas
de agua por extracción continua de la caldera (E.C.C.) serían
52
de 2 a 3 % del total de agua del circuito descrito. Pero esto
no es ciertamente así, las pérdidas de E.C.C. ascienden entre
12 y 20 % del total de agua del circuito, entonces es
necesario reponer una cantidad considerable de agua de
retorno o condensada de evaporadores y tachos al vacío. Se
necesita además de ese gran volumen, una alta calidad de la
misma, siendo la eficiencia de separación de arrastre en las
corrientes evaporadas en el pre y el primer vaso del múltiple
efecto el centro del problema. Pero si solo el 2 % se extrae
de la caldera, la calidad necesaria del agua para ser
utilizada como reposición puede ser otra. Veamos el ejemplo:
Cantidad de vapor para la molida de la fábrica 50 t/h
Cantidad de agua necesaria 51 t/h
Pérdidas por extracción continua de la caldera 1 t/h =
2 %
53
Cuando esto sucede puede usarse 1 t/h de agua de hasta
100 ppm de azúcar, ya que 49 t/h con cero azúcar y 1 t/h con
100 darán:
1/50 x 100 = 2 ppm de azúcar en el agua de alimentar.
Siendo el máximo 20 ppm para 18 ATA, 150 psig.
Pero si la extracción es el 20 %, entonces las cosas
cambian.
10/50 x 100 = 20 ppm, el agua no debe usarse, ya que
está en el límite máximo admisible para ser utilizado como
alimentación en la caldera, y teniendo en cuenta la pérdida
aproximada de 5% en limpiezas de tachos (escoba) y otras
fugas se excedería fácilmente ese valor; luego , el sistema
puede paralizar el ingenio como ejemplificamos
anteriormente.
Para evitar la situación anterior es necesario contar con
un buen diseño de separador que logre una mayor
54
disminución del contenido de azúcar en el condensado y/o
disminuir el flujo de extracción continua de la caldera.
La primera operación para el control será regular la
extracción continua al mínimo en función del contenido de
sólidos en el interior de la caldera y el contenido máximo
permisible de estos según la presión de generación (ver
anexos).
El camello
La introducción de este equipo permite recuperar el
calor sensible contenido en el agua de la extracción
continua, convirtiéndolo realmente, en calor latente, válido
para la obtención adicional por flasheo de un vapor a 25
psig.. En este sentido también se incorpora una cantidad
adicional de condensado caliente y de gran calidad al
condensarse ese vapor adicional flasheado, con lo que se
disminuyen las necesidades de “Make-UP” en esa magnitud.
55
Es un equipo de flasheo horizontal, de gran simplicidad
con dimensiones de 2 m largo x 1 m de diámetro para
ingenios de hasta 600 000 @s. Con este equipo se recupera
calor y el flujo de extracción puede ser observado con
nuestra propia vista. Posee un vertedero donde se mide
adecuadamente el flujo que se determina extraer. También
recupera el 1 % del total de calor generado por la caldera al
aprovechar los flasheos de los condensados. El agua vertida
puede aprovecharse en cualquier parte del proceso, en
especial en el enfriadero.
Con este equipo se puede administrar lo que se quiere
extraer.
L.T.T. Limpieza técnica de tachos
Con el fin de eliminar el uso de vapor directo en los
tachos (limpieza o escoba) 5 % del total producido, La
División Tecnológica del ICINAZ y su Departamento de
Desarrollo han ideado modificar esta metodología con el
56
L.T.T. (Limpieza técnica de tachos). Con este sistema,
mediante un diseño de duchas de agua caliente y vapor
vegetal de escape en forma de torbellino, se puede efectuar
la limpieza de tachos luego de terminar cada templa, con
mayor efectividad y lo que es más importante, sin pérdidas
de vapor directo.
Ambos diseños, EL CAMELLO y la tecnología L.T.T.
Disminuyen entre un 10 % y un 20 % las pérdidas actuales de
vapor y agua de nuestras fábricas de azúcar.
Separadores de arrastres
Los últimos diseños de separadores de cama empacada
húmeda probados en los ingenios más críticos del país como
“G. Moncada” “Smith Comas” y “Mal Tiempo”, donde fueron
empleados por más de 15 años, cuanto diseño aparecía, hoy
son fábricas donde su planta de tratamiento de agua no se
usa y sus condensados son de alta calidad.
57
Recomendamos para todos los separadores de Pre-
evaporadores, primer vaso de múltiples y vapor Cells del
país, el separador de Cama Empacada Húmeda,
confeccionado con virutas de acero de desecho de nuestros
talleres y duchas de condensado, por su alta eficiencia (98
%), su facilidad de instalación y su bajo costo. Desde luego lo
más significativo del diseño son sus resultados.
El tanque elevado
Para la utilización eficiente, económica y sencilla del
agua de retorno contaminada recomendamos un tanque de
más de 3000 gal de capacidad con dos bombas únicamente;
una para agua de imbibición, con la toma en el fondo del
mismo y otra un metro por encima para uso del proceso,
ambas con sus repuestos. La bomba del agua de imbibición
58
con su toma en la parte inferior del tanque garantiza siempre
la prioridad del suministro.
La bomba de agua del proceso bombeará a un tanque
elevado de cualquier geometría, de una capacidad de 5000
galones aproximados. La entrada del agua será por la parte
superior y cada 12 pulgadas desde el fondo tendrá las
siguientes tomas o ladrones 1ra. agua de filtros, 2da agua de
preparación de cal, agua de dilución de mieles, agua de
lavado de centrífugas, agua de manejo y limpieza en tachos
etc. El ladrón superior irá al tanque de reserva, o a un
clarificador inactivo. Estas aguas se utilizarán en limpieza,
incendios etc. Si el tanque de reserva se construye cerca del
enfriadero su ladrón superior o desborde puede ir al
enfriadero.
Con un solo tanque se racionaliza bombas, el operador
de los mismos y la operación es más fácil que tener un
bombeo para cada sistema.
De los sistemas de enfriamiento cerrados.
59
Los circuitos de agua de enfriamientos para las cajas
laterales de los molinos, agua para sellos de los turbo
generadores, agua para sello líquido de las bombas de vacío
y agua de enfriamiento de los cristalizadores de tercera,
requieren además del diseño y la instalación adecuada,
disponer de un “ Make -Up”” con agua de buena calidad y sin
sólidos.
La adición necesaria de un tanque de almacenamiento
de agua de calidad, suministrada por 1er vaso de cuádruple y
Tachos como consecuencia de condensar vapores del Pre-
evaporador con mínimos arrastres, permitirá disponer de la
cantidad necesaria para la reposición de éstos cuatro
circuitos fundamentales.
El agua de reposición del enfriadero general, según el
PH necesario a mantener y el volumen de la misma deberá
contemplarse de aguas provenientes del “CAMELLO” etc.
60
Las capacidades de almacenamiento de agua vegetal
contemplarán las necesidades de agua para preparación de
lechada de cal, enjuagues necesarios cuando se proceda a la
limpieza química de evaporadores, etc.
Del control administrativo
Para obtener de forma estable los resultados expuestos,
deberá tenerse presente con mayor énfasis lo siguiente:
- Revisión técnica y solución cuando aparezcan flojedades
en fluses de tachos, evaporadores y calentadores.
- Filtros para agua de lavado de centrifugas.
- Instalación de compensaciones de vacío en bombeo de condensados cuando lo
necesiten.
- Administración adecuada de los flujos de cada tipo de condensados, su
almacenamiento y utilización.
61
- Funcionamiento adecuado de los elementos de control automático como pueden ser:
niveles, mandos a distancia, etc.
VI. CONCLUSIONES
1. El análisis de las pérdidas probables del país, si en los ingenios ocurren los
actuales problemas de pérdidas de agua detectadas serían:
6 000 000 m3/ zafra de agua total.
2’500 000 m3/ zafra de agua a 200 o C.
Esto equivale a:
1530 millones de lbs de vapor.
694192 t de vapor perdidas
347096 t de bagazo que no están en nuestros almacenes.
69419 t de petróleo equivalentes consumidos
62
9 millones de dólares perdidos
2. Los problemas principales de pérdidas de agua están en nuestros enfriaderos y
en las extracciones continuas de nuestras calderas. Estas últimas unidas a las
escobas de los tachos definen pérdidas de calor expuestas anteriormente.
3. Solo la ingeniería para el ahorro de agua y una administración eficiente, puede
definir en no más de un 5 % las pérdidas de agua en una fábrica de azúcar, que
son los causales y formadores de productos residuales de los ingenios
azucareros.
4. Se ofrecen todos y cada uno de los valores de cantidad de agua utilizada por
bloque tecnológicos y totales de la fábrica.
5. Se demuestra que un ingenio puede no utilizar agua de fuentes externas, si
define como se señala en este trabajo, una sistemática labor de erradicar las
pérdidas con el uso de la técnica y de moler sobre el 80 % de su capacidad.
63
ANEXOS
DETERMINACIÓN DE AZÚCAR EN AGUAS DE
RETORNO Y DE ALIMENTACIÓN DE CALDERAS.
Métodos de alfa -naftol y del molibdato de amonio.
Determinaciones cualitativas y cuantitativas.
A continuación se relacionan dos métodos de detección
y evaluación del contenido de azúcar en condensados y aguas
de alimentar calderas que permiten decidir con veracidad la
calidad de un condensado.
Método del alfa-naftol
El método se basa en la formación de hidroximetil
furfural de color violeta, el cual se forma debido a la
descomposición del azúcar en medio ácido y su reacción
posterior con el alfa-naftol.
64
Reactivos
- Alfa-naftol 5% (solución atenólica)
- Ácido sulfúrico concentrado.
- Solución patrón de sacarosa 1 mg/ml.
Para su preparación se pesa exactamente 1.0 g de
sacarosa y disuelva en agua utilizando un volumétrico de
1000 ml
Aparatos y utensilios
- Tubos de ensayo resistentes al calor.
- Fotocolorímetro
65
Preparación de la muestra
Dada la alta sensibilidad de este método que es capaz de
detectar hasta 1 ppm de azúcar se recomienda que se lleve a
cabo en locales cerrados donde no exista contaminación del
ambiente con bagacillo o polvo portador de trazas de azúcar.
Por otro lado se recomienda que el tubo de análisis se
enjuague varias veces con la muestra objeto de análisis.
Procedimiento
a.- Método cualitativo
Tome una cantidad de muestra que ocupe
aproximadamente 1/3 del volumen del tubo, enfríe con agua
66
corriente y seque el exterior. Añada 5 gotas de solución de
alfa-naftol. Mezcle.
Añada entonces con cuidado y dándole cierta inclinación
al tubo 5 ml de H2SO4 concentrado y si en la línea de
intersección del ácido y el agua aparece una zona de color
lila o púrpura inmediato a la adición del ácido indica que la
muestra contiene azúcar, más o menos en dependencia del
color que aparezca.
B - Método cuantitativo.
En nueve frascos volumétricos de 50 ml se preparan a
partir de la solución matriz de 1 mg/ml 8 patrones y un
blanco, tomando las cantidades siguientes:
Solución matriz Sacarosa (ppm)
0 0
0.25 5
67
0.5 10
1.0 20
2.5 50
4.0 80
5.0 100
10.0 200
25.0 500
Se enrasan con agua y de cada uno de ellos se toma
exactamente 1 ml y deposite en nueve tubos de ensayo. A
continuación a cada tubo de ensayo se le añade 5 gotas de
alfa-naftol 5% y 5 ml de H2SO4 concentrado con los mismos
requerimientos que en el ensayo cualitativo y se homogeniza,
se deja en reposo 3 minutos. A continuación se enfría
externamente con agua y se lee la absorbancia de las
soluciones en Fotocolorímetro en cubetas de 1.0 cm a 570
nm (filtro verde No 6).
68
Con los valores de absorbancia hallados se traza la
curva de calibración.
Análisis de la muestra.
Tome 1 ml de la porción de prueba y deposítelo en un
tubo de ensayo. Enfríe externamente y siga el procedimiento
descrito para el juego de patrones leyendo la absorbancia en
las mismas condiciones.
La concentración de azúcar a de agua puede ser
obtenida directamente de la curva.
Regulaciones técnicas
- La solución de alfa -naftol debe conservarse en frasco
ámbar y herméticamente tapado para alargar su vida
útil.
69
- Un ácido sulfúrico coloreado oscuro producto de su
contaminación con el ambiente resulta inservible para el
análisis.
- Debe tenerse especial cuidado en la manipulación del
ácido sulfúrico que resulta peligroso al contacto con la
piel y destructivo con las ropas u otros objetos.
Método del molibdato de amonio
El método se basa en la formación de azul de molibdeno
mediante calentamiento del molibdato de amonio en un
medio ácido en presencia de azúcares.
Reactivos
- Äcido clorhídrico concentrado (puede utilizarse el
conocido como "comercial").
70
- Molibdato de amonio 6% en agua (puede usarse agua
cruda o suave siempre que esté libre de azúcares)
Aparatos y utensilios
- Tubos de ensayo resistentes al calor.
- Fotocolorímetro.
Preparación de la muestra
Se recomienda enjuagar varias veces el tubo con la
muestra objeto de análisis.
Procedimiento
Debemos señalar que en este caso el procedimiento es
el mismo para la detección cualitativa que para la evaluación
cuantitativa, sólo que para esta última se prepara un juego
de patrones de los cuales puede elaborarse una curva de
71
calibración (al leerse los mismos en un fotocolorímetro) o
determinarse la concentración aproximada mediante
comprobación visual de la coloración de la muestra de
ensayo con el juego de patrones.
En 8 frascos volumétricos de 50 ml se preparan a partir
de la solución de sacarosa de 1 mg/ml, 7 patrones y un
blanco tomando las cantidades siguientes:
Solución matriz Sacarosa (ppm)
0 0
1.0 20
2.5 50
5.0 100
10.0 200
15.0 300
20.0 400
25.0 500
50.0 1000
72
Se enrasan con agua y de cada uno de ellos se toma
exactamente 5 ml y se depositan en un tubo de ensayo. A
continuación a cada tubo se le añaden 3 gotas de HCL
concentrado y 2 ml de solución de molibdato de amonio al
6%. Se calienta en baño de María por 6 minutos, se enfrían
externamente y se lee su absorbancia en fotocolorímetro con
filtro rojo No. 8 (597 nm) o se conservan para comparación
visual.
Con los valores de absorbancia hallados se traza la
curva de calibración.
Análisis de la muestra
Tome 5 ml de la porción de ensayo y desarrolle color
como se realizó con el juego de patrones. Lea la absobancia
en fotocolorímetro con filtro rojo No. 8. La concentración de
azúcar de la muestra puede ser obtenida directamente de la
curva de calibración.
73
Regulaciones técnicas
- La temperatura del baño de María debe ser muy
cercana a la temperatura de ebullición del agua
(100°C).
- El método puede ser utilizado a modo cualitativo.
Coloración azul indica presencia de azúcar más o menos
intensa en dependencia de la contaminación de la
muestra.
CONTENIDO DE AZÚCAR PERMITIDO PARA EL AGUA
DE ALIMENTACIÓN EN CALDERAS DE ACUERDO A LA
PRESIÓN DE TRABAJO.
Presiones de
trabajo
Azúcar
(ppm)
74
Hasta 11 kg/cm2 40
11 a 18 kg/cm2 20
18 a 28 kg/cm2 10
75