estudio tÉrmico, econÓmico y de calidad en sistemas de
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ESTUDIO TÉRMICO, ECONÓMICO Y DE CALIDAD EN SISTEMAS DE
PRODUCCIÓN DE PANELA.
ELIZABETH DURÁN SÁNCHEZ
UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA
FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA Y AMBIENTAL
BOGOTÁ, COLOMBIA,
2019
ESTUDIO TÉRMICO, ECONÓMICO Y DE CALIDAD EN SISTEMAS DE
PRODUCCIÓN DE PANELA.
PRESENTADO POR:
ELIZABETH DURÁN SÁNCHEZ
Trabajo Final presentado como requisito parcial para optar al título de:
Magister en Ingeniería Química
DIRECTOR:
Ing. Carlos Martínez Riascos
UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA
FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA Y AMBIENTAL
BOGOTÁ, COLOMBIA,
2019
AGRADECIMIENTOS
En primer lugar, agradezco y dedico a Dios y a mi familia, su incondicional apoyo durante el
desarrollo de este trabajo, definitivamente sin ellos no hubiera podido culminar con esta
grandiosa etapa de mi vida
Al I.Q. Carlos Martínez, Director de este trabajo, por su dedicación, paciencia, aportes y
enseñanzas durante esta etapa y desarrollo de este trabajo.
Al I.Q. Hugo R. García B., por brindarme la oportunidad de participar en este proyecto
Al I.Q. Oscar Andrés Mendieta, Co-Director por parte de CORPOICA, por su participación y
apoyo para el desarrollo de este proyecto.
A los I.Q. Adriana Carolina Peña, Ricardo Andrés López y Juan Pablo Fajardo, por su
colaboración para el desarrollo del trabajo.
Al Sr. Hernando, dueño de la finca Santa Bárbara, por permitir la realización de pruebas a los
sistemas productivos de panela.
A la Corporación Colombiana de Investigación Agropecuaria (CORPOICA, TIBAITATÁ), por
el apoyo técnico que prestaron.
A todas las personas que de una u otra manera se encuentran relacionados con la realización del
presente trabajo.
RESUMEN
Colombia es el primer productor de panela en América y el segundo productor mundial de
después de la India con más del 10% de la producción mundial, siendo este un producto de gran
importancia en la agroindustria nacional, posicionándolo como una de las principales actividades
económicas del país. No obstante, y pese su participación económica, el proceso productivo de la
misma presenta ineficiencias energéticas debido al atraso tecnológico en el mismo.
Actualmente existen dos tipos de sistemas productivos, el primero emplea la hornilla panelera en
la que el medio de calentamiento son los gases de combustión del bagazo de caña y evaporadores
abiertos como intercambiadores de calor denominados “pailas”, este proceso es más conocido
como sistema abierto y presenta baja eficiencia en el uso de la energía. El segundo sistema
productivo emplea en la etapa de evaporación un sistema múltiple efecto y el medio de
calentamiento es vapor de agua proveniente de la combustión del bagazo de caña en una caldera
el cual sede su energía al primer efecto y el vapor generado en el mismo se emplea para calentar
el segundo efecto hasta el cuarto efecto.
La implementación de nuevas tecnologías de producción de panela ha creado incertidumbre en
los productores del sector con respecto a que configuración genera mejores ganancias y es más
eficiente para su modelo económico generando la necesidad de establecer criterios de
comparación entre los dos sistemas productivos que generen desde el punto de vista energético,
productivo y económico la selección de la tecnología más apta para cada productor.
Se presentan los resultados de la evaluación técnica y económica de dos sistemas productivos de
panela ubicados en la finca Santa Barbará en el municipio de San José de Suaita - Santander en
condiciones de operación, sin alterar el funcionamiento de las mismas. Adicional a ello, se
presenta la simulación del uso de vapor en los sistemas, para minimizar su consumo energético.
Los resultados muestran una disminución en el costo de fabricación de panela al emplear el
sistema de evaporación múltiple efecto el cual a su vez es más eficiente desde el punto
energético y productivo, no obstante, para los dos sistemas la panela cumple con los estándares
de calidad definidas en el decreto 779 de 2006. Adicional a ello se evidencia disminución en la
producción de gases de efecto invernadero teniendo en cuenta el porcentaje de disminución de
quema de bagazo de caña.
Palabras clave: Producción de panela, hornilla panelera, evaporación múltiple efecto, eficiencia
energética, optimización.
ABSTRACT
Colombia is the first producer of panela in America and the second world producer after India
with more than 10% of world production, this being a product of great importance in the national
agribusiness, positioning it as one of the main economic activities of the country. However,
despite its economic participation, its production process has energy inefficiencies due to its
technological backwardness.
Currently there are two types of production systems, the first uses the pane burner in which the
heating medium is the combustion gases of the cane bagasse and open evaporators as heat
exchangers called "pailas", this process is better known as open system and has low efficiency in
the use of energy. In the evaporation stage, the second production system uses a multiple effect
system and the heating medium is water vapor from the combustion of the cane bagasse in a
boiler, which bases its energy at the first effect, and the steam generated therein. Used to heat the
second effect to the fourth effect.
The implementation of new panela production technologies has generated uncertainty in the
producers of the sector with respect to which configuration generates better profits and is more
efficient for its economic model generating the need to establish criteria for comparison between
the two production systems that generate from the energy, productive and economic point of
view the selection of the most suitable technology for each producer.
The results of the technical and economic evaluation of two-panela production systems located
in the Santa Barbará farm in the municipality of San José de Suaita - Santander in operating
conditions are presented, without altering their operation. In addition to this, the simulation of
the use of steam in the systems is presented, to minimize their energy consumption.
The results show a decrease in the cost of manufacturing panela by using the multiple effect
evaporation system, which in turn is more energy efficient and productive, however, for both
systems the panela meets quality standards defined in decree 779 of 2006. In addition to this,
there is evidence of a decrease in the production of greenhouse gases taking into account the
percentage of decrease in the burning of cane bagasse.
Key words: panela production, panela burner, multiple effect evaporation, energy efficiency,
optimization.
CONTENIDO
RESUMEN ..................................................................................................................................... 6
INTRODUCCIÓN .......................................................................................................................... 1
1 MARCO TEÓRICO ................................................................................................................... 5
1.1 GENERALIDADES DE LA PANELA. .................................................................................. 5
1.1.1 LA PANELA EN EL MUNDO. ............................................................................................ 5
1.1.2 LA PANELA EN COLOMBIA. ........................................................................................... 6
1.2 PROCESO DE PRODUCCIÓN DE PANELA. ...................................................................... 7
1.2.1 HORNILLA PANELERA. .................................................................................................... 9
CLASIFICACIÓN DE LA HORNILLA ...................................................................................... 12
EFICIENCIA EN LA HORNILLA .............................................................................................. 14
1.2.2 PROCESO DE PRODUCCIÓN DE PANELA EMPLEANDO EVAPORACIÓN
MULTIPLE EFECTO. .................................................................................................................. 15
1.2.3 PRODUCCIÓN DE PANELA CON EVAPORACIÓN MÚLTIPLE EFECTO. ............... 15
1.2.4 EFICIENCIA EN EL SISTEMA DE EVAPORACIÓN MÚLTIPLE EFECTO ............. 19
1.3 VARIABLES DE CALIDAD DEL PRODUCTO FINAL.................................................... 20
2 METODOLOGÍA .................................................................................................................... 23
2.1 LOCALIZACIÓN. ................................................................................................................. 23
2.2 CARACTERIZACIÓN TÉCNICA DEL TRAPICHE Y DESCRIPCIÓN DE EQUIPOS. .. 23
2.2.1 Molienda y/o Extracción. .................................................................................................... 24
2.2.2 Pre limpieza. ........................................................................................................................ 27
2.2.3 Clarificación. ....................................................................................................................... 27
2.2.4 Evaporación. ........................................................................................................................ 28
2.2.5 Concentración. ..................................................................................................................... 33
2.3 IDENTIFICACIÓN DE VARIABLES Y METODOLOGÍA DE EVALUACIÓN. ............ 35
2.3.1 Variables independientes. .................................................................................................... 35
2.3.2 Variables dependientes. ....................................................................................................... 36
2.4 DESCRIPCIÓN ESPERIMENTAL. ..................................................................................... 37
2.5 MEDICIÓN DE VARIABLES DE PROCESO Y CALCULOS PRELIMINARES. ........... 37
2.5.1 TEMPERATURA DE EBULLICIÓN DE JUGOS Y MIELES Y TEMPERATURA DE
COMBUSTIÓN DE GASES. ....................................................................................................... 37
2.5.2 PRESIONES DE VAPOR Y DE VACÍO. .......................................................................... 38
2.5.3 FLUJO DE JUGOS. ............................................................................................................ 38
2.5.4 SOLIDOS SOLUBLES TOTALES (°BRIX). .................................................................... 39
2.5.5 CAPACIDAD DE MOLIENDA, EXTRACCIÓN Y EFICIENCIA DEL MOLINO. ....... 39
2.5.6 HUMEDAD DEL BAGAZO. ............................................................................................. 41
2.5.7 DETERMINACIÓN DE LA CAPACIDAD DE PRODUCCIÓN. .................................... 41
2.5.8 DETERMINACIÓN DEL CONSUMO DE BAGAZO. ..................................................... 41
2.5.9 ANÁLISIS DE GASES DE COMBUSTIÓN. .................................................................... 42
2.5.10 DETERMINACIÓN DEL CALOR REQUERIDO Y DEL AGUA EVAPORADA. ...... 42
2.5.11 DETERMINACIÓN DEL CALOR APROVECHADO. .................................................. 44
2.5.12 DETERMINACIÓN DEL CALOR DISPONIBLE. ......................................................... 47
2.6 REQUERIMIENTO ENERGÉTICO. ................................................................................... 49
2.7 REQUERIMIENTO ENERGÉTICO EN EL PROCESO PRODUCTIVO DE LA
PANELA. ...................................................................................................................................... 49
2.7.1 Balance en el molino. .......................................................................................................... 49
2.7.2 Balance en la clarificación ................................................................................................... 50
2.7.3 Balance en Evaporación Cerrada ......................................................................................... 52
2.7.4 Balance en Evaporación Abierta. ........................................................................................ 53
2.7.5 Balance en Concentración. .................................................................................................. 54
3 RESULTADOS EXPERIMENTALES ................................................................................... 56
3.1 EXTRACCIÓN DEL MOLINO Y HUMEDAD DE BAGAZO........................................... 56
3.2 SÓLIDOS SOLUBLES TOTALES (°Brix) .......................................................................... 57
3.3 CAPACIDAD DE PRODUCCIÓN Y CONSUMO DE BAGAZO. ..................................... 58
3.4 REQUERIMIENTO ENERGÉTICO. ................................................................................... 60
3.5 GASES DE COMBUSTIÓN. ................................................................................................ 61
4 CARACTERIZACIÓN DE PRODUCTO FINAL .................................................................. 63
5 COSTOS DE PRODUCCIÓN ................................................................................................. 67
5.1 MATERIA PRIMA................................................................................................................ 68
5.2 MANO DE OBRA: ................................................................................................................ 69
5.3 COSTO DE ENERGÍA ......................................................................................................... 71
5.4 COSTOS INDIRECTOS ....................................................................................................... 72
5.4.1 ALIMENTACIÓN .............................................................................................................. 72
5.4.2 ALQUILER DE LA TIERRA ............................................................................................. 72
5.4.3 TRANSPORTE DE LA CAÑA DE AZÚCAR................................................................... 73
5.5 MANTENIMIENTO ............................................................................................................. 74
5.6 COSTO TOTAL DE PRODUCCIÓN ................................................................................... 75
6 ANALISIS DE RESULTADOS .............................................................................................. 77
7 CONCLUSIONES ................................................................................................................... 83
8 BIBLIOGRAFÍA ...................................................................................................................... 87
9 ANEXOS .................................................................................................................................. 90
ANEXO 1. Certificados de expedición de análisis de jugos, mieles y panela.............................. 90
ANEXO 2. OPTIMIZACIÓN DE LA OPERACIÓN DE EVAPORADORES PARA LA
PRODUCCIÓN DE PANELA. .................................................................................................... 92
ANEXO 3. DIAGRAMA DE FLUJO DE PROCESO PFD. ....................................................... 97
ANEXO 4. DIAGRAMA DE INSTRUMENTACIÓN Y TUBERIA PI&D. ............................. 98
ANEXO 5. MANUAL DE OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO. ........................................... 99
1.1. CLARIFICACIÓN ............................................................................................................. 99
1.2. EVAPORACIÓN ............................................................................................................... 99
1.3. CONCENTRACIÓN ....................................................................................................... 100
2. OPERACIÓN DE LA PLANTA ........................................................................................... 101
2.1. CLARIFICACIÓN ........................................................................................................... 101
2.2. EVAPORACIÓN ............................................................................................................. 102
2.2.1. CONTROL DE NIVEL EN EL TANQUE PULMÓN ................................................ 102
2.2.2. CONTROL DE PRESIÓN EN LOS FILTROS ........................................................... 103
2.2.3. CONTROL DEL FLUJO DE JUGO............................................................................ 106
2.2.4. CONTROL DE PRESIÓN EN LA ETAPA DE EVAPORACIÓN ............................ 108
2.2.5. SISTEMA DE CONDENSACIÓN Y VACÍO ............................................................ 110
2.2.6. RECIRCULACIÓN O ALMACENAMIENTO DE MIEL ......................................... 111
2.2.7. PROCEDIMIENTO DE OPERACIÓN EN EL SISTEMA DE EVAPORACIÓN .... 112
2.3. CONCENTRACIÓN ....................................................................................................... 113
3. MANTENIMIENTO DE LA PLANTA ................................................................................ 114
3.1. CLARIFICACIÓN ........................................................................................................... 114
3.2. EVAPORACIÓN ............................................................................................................. 115
3.2.1. LIMPIEZA DEL TANQUE PULMÓN ....................................................................... 115
3.2.2. LIMPIEZA DE LAS MANGAS DE LOS FILTROS .................................................. 115
3.2.3. LIMPIEZA DE LOS TUBOS DEL EVAPORADOR ................................................. 116
3.2.4. SISTEMA DE CONDENSACIÓN Y VACÍO ............................................................ 118
3.3. CONCENTRACIÓN ....................................................................................................... 119
4. INSTALACIÓN DEL SOFTWARE DE LA PLANTA ........................................................ 119
LISTA DE FIGURAS
Figura 1. Distribución mundial de la producción de panela en Ton. ............................................. 6
Figura 2. Departamentos productores de caña panelera en Colombia. .......................................... 7
Figura 3. Distribución del Trapiche panelero típico. ..................................................................... 8
Figura 4. Proceso de producción de la panela ............................................................................... 9
Figura 5. Hornilla panelera. ......................................................................................................... 10
Figura 6. Flujo contracorriente en la hornilla. ............................................................................. 12
Figura 7. Flujo paralelo en la hornilla.......................................................................................... 13
Figura 8. Flujo mixto en la hornilla. ........................................................................................... 13
Figura 9. Intercambiadores de calor o pailas empleadas en los trapiches paneleros .................. 15
Figura 10. Diagrama de flujo de una planta de panela con tecnología de múltiple efecto. ........ 16
Figura 11. Clarificación empleando vapor como medio de calentamiento. ................................ 17
Figura 12. Sistema de evaporación múltiple efecto la Hacienda Santa Barbará.. ............................ 19
Figura 13. Batido y moldeo de la panela. .................................................................................... 19
Figura 14. Distribución en planta finca Santa Bárbara. ............................................................... 24
Figura 15. Molino panelero de tres mazas. ................................................................................. 25
Figura 16. Pre limpiadores empleados en el proceso productivo de la panela. .......................... 27
Figura 17. Clarificador empleado en hacienda Santa Bárbara. Fuente: ...................................... 27
Figura 18. Pailas pirotubulares empleadas en la finca Santa Bárbara. ........................................ 28
Figura 19. Tanque pulmón empleado en la finca Santa Bárbara. ................................................ 29
Figura 20. Válvula reguladora de presión empleado en la finca Santa Bárbara. ........................ 30
Figura 21. Desplazamiento de vapor generado en el sistema de evaporación múltiple efecto. ... 30
Figura 22. Caldera empleada en proceso productivo de panela con evaporación múltiple
efecto ............................................................................................................................................. 31
Figura 23. Piscina de enfriamiento empleada en el productivo de panela con evaporación
múltiple efecto.. ............................................................................................................................ 32
Figura 24. Condensador barométrico empleada en el productivo de panela con evaporación
múltiple efecto. ............................................................................................................................. 32
Figura 25. Intercambiador de calor semiesférica empleada en el proceso tradicional de
producción de panela. ................................................................................................................... 33
Figura 26. Tanques colectores de mieles empleadas en la etapa de concentración empleando el
sistema de evaporación múltiple efecto. ....................................................................................... 34
Figura 27. Equipo concentrador de mieles empleado en el sistema de evaporación múltiple
efecto.. ........................................................................................................................................... 34
Figura 28. Transmisor de presión Siemens. ................................................................................. 38
Figura 29. Medidor de flujo marca FN20XX.1 DN 15 de ELIS PLZEN. ................................... 39
Figura 30. Refractómetros digitales. ............................................................................................ 39
Figura 31. Corrientes presentes en la etapa de evaporación ........................................................ 42
Figura 32. Diagrama del flujo de condensados del primer efecto. .............................................. 47
Figura 33. Balance en la etapa de la molienda. ........................................................................... 50
Figura 34. Balance en la etapa de clarificación ........................................................................... 50
Figura 35. Balance en la etapa de evaporación con evaporación múltiple efecto. ...................... 52
Figura 36. Balance en fase de evaporación. ................................................................................. 53
Figura 37. Balance en fase de concentración ............................................................................... 54
Figura 38. Humedad del bagazo en los dos sistemas productivos de panela............................... 57
Figura 39. Comportamiento de los SST (°Brix) por proceso productivo. ................................... 57
Figura 40. Producción de panela empleando los sistemas productivos en finca Santa Bárbara. . 58
Figura 41. Consumo de bagazo empleando los sistemas productivos en finca Santa Bárbara .... 59
Figura 42. Relación entre el bagazo y la producción de panela por tecnología de producción� .. 59
Figura 43. Balance de masa en el sistema de evaporación múltiple efecto. . .............................. 60
Figura 44. Eficiencia global del proceso en dos de los sistemas productivos de panela por kg de
panela. ........................................................................................................................................... 61
Figura 45. Emisión de gases en función de la tecnología de producción. ................................... 62
Figura 46. Algoritmo de solución para los sistemas productivos de panela. ............................... 93
Figura 47. Consumo de vapor en las distintas etapas productivas de panela. ............................. 95
Figura 48. Bagazo sobrante en los procesos optimizados. .......................................................... 95
LISTA DE TABLAS
Tabla 1. Poder calorífico de algunos combustibles utilizados en las hornillas. ........................... 10
Tabla 2. Eficiencias Térmicas en algunos trapiches de la Hoya del Rio Suarez ......................... 14
Tabla 3. Parámetros de calidad de la panela según el decreto 779 de 2006 ................................ 21
Tabla 4. Bomba de alimentación empleada en la finca Santa Bárbara. ....................................... 29
Tabla 5. Especiaciones técnicas de la caldera empleada en el productivo de panela con
evaporación múltiple efecto. ......................................................................................................... 31
Tabla 6. Especiaciones de bombas centrifugas empleadas en el sistema de refrigeración para el
evaporador múltiple efecto. .......................................................................................................... 32
Tabla 7. Resultados promedio de las mediciones obtenidas en la etapa de molienda para los dos
sistemas. ........................................................................................................................................ 56
Tabla 8. Requerimiento energético en cada etapa productiva en función de la tecnología por kg
de panela. ...................................................................................................................................... 60
Tabla 9. Emisiones de gases en kg/h en función de tecnología de producción. .......................... 62
Tabla 10. Resultados de parámetros de calidad en la pre limpieza y encalado. .......................... 64
Tabla 11. Resultados de parámetros de calidad en la clarificación ............................................. 64
Tabla 12. Resultados de parámetros de calidad en la evaporación .............................................. 64
Tabla 13. Resultados de parámetros de calidad de la panela para cada sistema productivo ....... 65
Tabla 14. Variables operacionales en sistemas productivos de panela de la finca
Santa Bárbara. ............................................................................................................................... 67
Tabla 15. Requerimiento semanal de materia prima para los procesos productivos. .................. 68
Tabla 16. Costo de materia prima por proceso productivo. ......................................................... 69
Tabla 17. Costo mano de obra CAT por sistema productivo. ...................................................... 69
Tabla 18. Costo de mano semanal de obra por actividad en cada sistema productivo. ............... 70
Tabla 19. Costo de mano de obra por sistema productivo ........................................................... 71
Tabla 20. Costo total de energía en los sistemas productivos ...................................................... 72
Tabla 21. Costo de alimentación de la mano de obra por sistema productivo ............................. 72
Tabla 22. Productividad de hectárea por jornada de trabajo en cada sistema productivo ........... 73
Tabla 23. Requerimiento de tierra por jornada laboral según sistema productivo ...................... 73
Tabla 24. Costo de mulas por semana en cada sistema productivo ............................................. 74
Tabla 25. Costo total de inversión de equipos en el EME ........................................................... 74
Tabla 26. Mantenimiento especifico de cada sistema por jornada de trabajo. ............................. 75
Tabla 27. Costos totales de producción por sistema productivo. ................................................. 75
Tabla 28. Costo por kg de panela en cada sistema productivo. ................................................... 76
Tabla 29. Emisiones semanales por etapa productiva y emisiones ahorradas. ............................ 81
Tabla 30. Restricciones empleas en la optimización de condiciones en sistemas productivos de
panela. ........................................................................................................................................... 92
P á g i n a | 1
INTRODUCCIÓN
La panela es un producto de economía campesina, el cual se produce en casi todo el país durante
todo el año y constituye la economía básica de 511 municipios, en 26 departamentos
(FINAGRO, 2018). Este producto es la fuente de ingresos para más de 287.000 familias y genera
cerca de 570 empleos directos (FINAGRO, 2018) y existe una disponibilidad cercana a los
20.000 trapiches (ALFONSO, 2017) como infraestructura para la fabricación de la misma. Por lo
anterior se deduce que este mercado tiene una demanda nacional y a un consumo arraigado en
los sectores urbanos y rurales del país.
La mayoría de las actividades de producción se realizan dentro de esquemas de economía
campesina en unidades de pequeña escala, con alto uso de mano de obra y bajos niveles de
inversión en mejoras tecnológicas, lo que ha llevado a que diferentes instituciones a realizar
nuevos diseños de hornillas y procesos productivos que permitan hacer un buen uso del
combustible empleado en el proceso, disminuyendo la emisión de gases de efecto invernadero y
logrando mayores eficiencias energéticas en el proceso (García y colaboradores, 2010).
El Centro de Investigación para el Mejoramiento de la Industria Panelera (CIMPA), en convenio
con la Corporación Colombiana de Investigación Agropecuaria (CORPOICA), ha desarrollado
programas de generación y transferencia tecnológica para solucionar problemas relacionados con
la baja productividad agrícola, la deficiencia en la calidad del producto, los impactos indeseables
sobre el ambiente, dificultades en el mercado de la panela y en la organización de los
productores. Entre estos programas se destaca el desarrollo de nuevas tipologías que permitan
mejorar la eficiencia en los procesos principalmente en la etapa de evaporación, en la que se
evidencia el mayor consumo de energía del proceso.
P á g i n a | 2
Teniendo en cuenta los últimos avances en el sector panelero, se seleccionaron dos de los
sistemas productivos que presentan la mayor tendencia dentro de los productores. El primero de
ellos consiste en un sistema productivo que cuenta con intercambiadores de calor abiertos en las
que se emplean pailas de tipo pirotubular con vapores de combustión provenientes del bagazo de
caña y el segundo sistema productivo es una a vapor cerrado donde se emplea un equipo de
evaporación múltiple efecto con una alimentación de vapor de agua proveniente de una caldera
para el primer efecto y posteriormente el vapor generado en la etapa anterior.
Acorde con el mercado de panela en el país (FINAGRO, 2018), se evidencia que las regiones de
Boyacá y Santander sobresalen en la producción de la misma con una participación del (19%) y
(13%) respectivamente por lo que durante los últimos años se ha generado la implementación de
nuevas tecnologías en el sector panelero dentro de la zona. No obstante, esto ha generado
incertidumbre en los productores del sector con respecto a que configuración genera mejores
ganancias y es más eficiente para su modelo económico, creando la necesidad de establecer
criterios de comparación entre los dos sistemas productivos que permita abordar desde el punto
de vista energético, productivo y económico la selección de la tecnología más apta para cada
productor.
Por lo anterior, el objeto de este trabajo se centra en el sector de Santander, teniendo en cuenta
que actualmente se encuentran disponibles las dos tecnologías nombradas anteriormente y es
posible generar criterios de comparación entre ellos, que a su vez permite a los productores de
panela conocer e implementar el sistema que más se adapte a sus capacidades económicas y
productivas y que supla sus necesidades.
Durante el desarrollo de este trabajo se evidenciarán los resultados de la evaluación realizada a
dos sistemas de producción de panela en la hoya del rio Suarez, los cuales muestran los
resultados de los parámetros térmicos y económicos para las dos tipologías de producción
(Proceso tradicional y Sistema a vapor cerrado), considerando los costos de proceso, análisis
térmico del mismo y características del producto final. Por lo antes expuesto se plantean los
siguientes objetivos:
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Objetivo General. Evaluar la eficiencia energética, los costos de producción y efectos
ambientales de dos de las tecnologías de producción de panela existentes en la hoya del río
Suárez, generando criterios de comparación y selección.
Objetivos Específicos.
1. Evaluar los costos de producción en el proceso tradicional y a vapor cerrado para la
producción de panela.
2. Determinar las eficiencias térmicas en las configuraciones de producción de panela.
3. Determinar el requerimiento energético mínimo en los sistemas de estudio.
4. Determinar la calidad del producto obtenido y su variabilidad, en las dos configuraciones de
producción.
5. Identificar ventajas y desventajas en los sistemas productivos y definir criterios de selección.
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1 MARCO TEÓRICO
1.1 GENERALIDADES DE LA PANELA.
La panela es un alimento cuya materia prima es el jugo de la caña de azúcar y su procesamiento
consiste en la concentración de los mismos para posteriormente solidificarlo en paneles
rectangulares o moldes de diferentes formas o mezclarla para pulverizarla. Para producir la
panela, el jugo de caña de azúcar es sometido a altas temperaturas hasta formar mieles
concentradas, las cuales al alcanzar el punto de panela se vierten en moldes en forma de prisma
donde se deja secar hasta que se solidifican. Este proceso es realizado en molinos de caña de
azúcar rurales denominados trapiches.
La panela es la mayor fuente inmediata de energía, ya que entre el 6% y 15% de su peso seco son
azúcares reductores que el organismo metaboliza fácilmente (Prada, 2015). Cada 100g de panela
contiene 351kcal, 80g de hidratos de carbono, 0.7g de proteínas, 0.27g de fibra, 0.14g de grasas,
204mg de calcio, 5mg de hierro, 66mg de fósforo y 165mg de potasio, por lo que es
nutricionalmente más rica que el azúcar (Prada, 2015).
1.1.1 LA PANELA EN EL MUNDO.
En el mundo cerca de treinta países producen panela (FAO, 2018). Tiene sus raíces en el sur del
Himalaya, en donde hace unos miles de años se cultivaba la caña de azúcar y de allí se extraía un
azúcar no centrifugado, más conocido como “gur”. En el siglo VII el cultivo de la caña y el
procesamiento de la misma fueron llevados hasta Persia y luego a Egipto, y por los árabes llegó
hasta Italia y España. Finalmente, fue introducida por Cristóbal Colón a América, iniciándose el
cultivo en la isla de Santo Domingo, y de allí se extiende a la porción inferior del continente. En
la Figura 1 se observa la producción mundial de caña panelera en el mundo por toneladas.
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Figura 1. Distribución mundial de la producción de panela en Ton. (FAO, 2018).
De acuerdo con la FAO, la producción de la panela es una agroindustria rural en América Latina
y el Caribe y la producción mundial de este producto se encuentra en alrededor de 13 millones de
toneladas por año y se caracteriza porque es realizada en pequeñas explotaciones campesinas,
existiendo alrededor de 50.000 trapiches en América latina (MARD, 2006)
1.1.2 LA PANELA EN COLOMBIA.
Según Fedepanela en el 2017 los departamentos de Santander, Cundinamarca, Nariño, Boyacá y
Antioquia manejan el 70% de la producción nacional con un equivalente de 800.750 toneladas de
panela, con una superficie de cultivo de 200.000 hectáreas. En regiones ubicadas al occidente de
Cundinamarca, como las Provincias de Gualivá, Rio negro y Tequendama, así como en la
mayoría de los municipios de clima medio de Antioquia, Tolima, Huila y Norte de Santander se
encuentran explotaciones en pequeña escala de la agroindustria panelera colombiana. La
producción panelera, en este caso, se desarrolla, en su mayor parte, dentro de un esquema de
economía campesina, en fincas con extensiones que varían entre 5 y 20 hectáreas y en trapiches
de tracción mecánica cuyas capacidades de proceso oscilan entre 150 y 100 kg de panela por
INDIA
7.235COLOMBIA
1.787
PAKISTAN
607
CHINA
465
BRASIL
446
OTROS PAISES
1.476
P á g i n a | 7
hora (Orjuela, 2018). En la Figura 2 se presentan las zonas del país en donde se produce panela
actualmente con su porcentaje de producción.
Figura 2. Departamentos productores de caña panelera en Colombia. (FINAGRO, 2019)
1.2 PROCESO DE PRODUCCIÓN DE PANELA.
La producción de panela se lleva a cabo en un trapiche panelero (García 2007), que comprende
las instalaciones donde se ubican los equipos necesarios para realizar las operaciones que
permiten transformar la caña en panela. Dentro del trapiche panelero se tienen las áreas de
apronte de la caña, de procesamiento, elaboración, almacenamiento de la panela, secado y
almacenamiento del bagazo y las instalaciones sanitarías. En la Figura 3 se presenta la
distribución del trapiche panelero.
19%
18%
15%
12%
6%
6%
6%
5%
4%
3%
3%
2%
Santander
Boyaca
Cundinamarca
Antioquia
Caldas
Nariño
Tolima
Cauca
Huila
Norte de Santander
Valle del Cauca
Risaralda
0% 2% 4% 6% 8% 10% 12% 14% 16% 18% 20%
P á g i n a | 8
Figura 3. Distribución del Trapiche panelero típico. Fuente: García (2007)
El proceso de elaboración de panela consiste básicamente en extraer los jugos por compresión de
la caña. Esto es posible gracias a la utilización de molinos, los cuales logran aproximadamente
una extracción del 60%. Posteriormente los jugos de caña se llevan a una etapa de prelimpieza y
precalentamiento cuyo objetivo es eliminar la mayor cantidad de sólidos no solubles presentes
los mismos mediante la adición de floculantes y el aumento de temperatura de 75°C hasta su
punto de ebullición se.
Después de que los jugos son clarificados, se concentran desde 20°Brix hasta 96°Brix, mediante
la evaporación del agua, manteniendo un pH superior a 5,5 para inhibir la inversión de la
sacarosa. La temperatura de ebullición de los jugos es de 96°C y cuando alcanzan un contenido
de sólidos solubles totales cercano a los 70°Brix, adquieren el nombre de mieles, a partir de allí
se inicia la concentración. El punto de panela se da cuando las mieles alcanzan una
concentración cercana a los 96°Brix y presentan una temperatura de 123ºC. En la Figura 4 se
presenta un diagrama de flujo del proceso productivo de la panela.
P á g i n a | 9
Figura 4. Proceso de producción de la panela
Las etapas de clarificación, evaporación y concentración de los jugos se pueden realizan en una
hornilla panelera y empleando tecnología múltiple efecto.
1.2.1 HORNILLA PANELERA.
Equipo donde se transforma la energía del combustible en energía calórica, para evaporar el agua
de los jugos de la caña y obtener la panela. Según García (2010) el principal combustible es el
bagazo y algunas veces se adicionan otros combustibles como: leña, caucho de llanta usada,
guadua, cizco de café, carbón mineral, caracterizados en la Tabla 1.
P á g i n a | 10
Tabla 1. Poder calorífico de algunos combustibles utilizados en las hornillas. Fuente: García (1992).
Combustible Poder Calorífico Neto (kJ/kg)
Bagazo (30% Humedad)
ACPM
Leña (20% humedad)
Carbón Semibituminoso
Carbón Bituminoso
11700
45000
14600
25600
30200
A continuación, se describen las partes de la hornilla las cuales son la cámara de combustión, el
ducto de Humos y la chimenea. En la Figura 5 se presenta un diagrama de la hornilla panelera.
Figura 5. Hornilla panelera. Fuente: García (1992).
• Cámara de Combustión (García, 1992): Espacio de la hornilla donde se realiza la
combustión. Su forma varía de acuerdo a la calidad y tipo de bagazo o combustible a
utilizar. Se ubica en la parte anterior de la hornilla y está conformada por el cenicero, la
puerta de alimentación y la parrilla. La cámara se construye en ladrillo refractario que
soporta cambios de temperatura en rangos variables de acuerdo al tipo de cámara, para
temperaturas bajas se utilizan ladrillos semirefractarios con una composición de arena
30%, arcilla 45%, cemento 15%, cal 10%. Para temperaturas mayores a 950°C, se
P á g i n a | 11
emplean ladrillos de tipo refractarios ya que soportan temperaturas entre 1.200 y
1.800°C.
• Cenicero: es un compartimiento ubicado debajo de la parrilla, en donde se almacenan
las cenizas producidas al quemar el combustible, y canalizar y precalentar el aire
necesario para la combustión.
• Puerta de alimentación: es la abertura por donde se introduce el combustible. Se
construye en general en fundición de hierro gris para soportar altas temperaturas sin
deformarse.
• Parrilla: es un enrejado que sirve de techo para el bagazo, permite la entrada del aire y el
paso de las cenizas al cenicero. Se fabrica tradicionalmente en hierro gris, con diferentes
tamaños y formas. Algunos trapiches tradicionales la construyen en ladrillo o rieles de
ferrocarril, pero no es muy resistente, además dificulta la entrada de aire y dan paso al
bagazo por los orificios, por esto se afloja el molino para sacar bagazo entero,
perjudicando la extracción.
• Ducto de Humos: Su función principal consiste en llevar los gases de combustión a la
chimenea transfiriendo parte del calor a los jugos a través de las pailas. Está conformado
por las paredes y muros de soporte, piso, arcos y pailas. La forma y los materiales de
construcción de los ductos varían, sin embargo, los más tradicionales son excavaciones
en el sitio de construcción de la hornilla y las pailas son soportadas por muros y arcos de
adobe. Las más recientes contienen paredes, pisos, arcos y muros construidos en ladrillos
refractarios que soporten temperaturas de 1.200°C. En la zona fría de las paredes y el piso
del ducto se utilizan ladrillos menos refractarios que soporten temperaturas de 800°C. El
ducto debe aislarse térmicamente utilizando doble pared y un doble piso. Entre las dos
paredes y pisos se deja una cámara de aire estanco o cascarilla de arroz.
• Área de transferencia de calor. Es aquella constituida por pailas, que son recipientes
metálicos generalmente llamados fondos donde se depositan los jugos, para llevar a cabo
la evaporación del agua en el proceso de la elaboración de la panela. Estas generalmente
se fabrican en cobre, aluminio o hierro por procesos de fundición o deformado en
P á g i n a | 12
caliente. Existen pailas en forma: semiesférica, semicilíndrica, trapezoidales, planas,
planas aletadas y pirotubulares.
• Chimenea. Conducto ubicado al final de la hornilla, empalmado con el ducto de humos y
considerado como un ventilador que trabaja a succión, su función es crear una diferencia
de presión entre la presión atmosférica y la de los gases de combustión dentro de la
hornilla, necesario para la combustión del bagazo y el transporte de los gases a través del
ducto. Tiene forma trapezoidal, cilíndrica o cónica y sus dimensiones varían de acuerdo
al tamaño de la hornilla. Está construida de ladrillo, metal o utilizando una combinación
de los anteriores. Su sección transversal puede ser constante o variable con la altura y
tener una forma circular, cuadrada o rectangular. Cuando las chimeneas son en ladrillo el
espesor de las paredes puede ser sencillo, doble o triple dependiendo de la altura. El
ladrillo puede ser común pues las temperaturas de los gases de chimenea son bajas.
CLASIFICACIÓN DE LA HORNILLA. La clasificación de las hornillas paneleras está dada
por la relación entre la dirección del flujo de los jugos y la dirección del flujo de los gases de
combustión de la siguiente manera:
• En flujo en contracorriente: los jugos y los gases circulan en dirección opuesta; tiene el
riesgo que se queme la panela por la ubicación de la paila punteadora, la cual es la
encargada de almacenar las mieles que han alcanzado el punto de panela.
Figura 6. Flujo contracorriente en la hornilla. Fuente: García (1992).
P á g i n a | 13
• En flujo paralelo: los gases circulan en la misma dirección que lo hacen los jugos. Su
inconveniente es que la clarificación se realiza en forma muy rápida obteniéndose jugos
muy opacos y turbios. Adicional a ello en las secciones de evaporación y concentración
donde las temperaturas deben ser altas, éstas son bajas.
Figura 7. Flujo paralelo en la hornilla. Fuente: García (1992).
• En flujo mixto es la combinación del paralelo y contracorriente, donde los jugos
inicialmente siguen la dirección opuesta del flujo de gases y luego se mueven en el
mismo sentido.
Figura 8. Flujo mixto en la hornilla. Fuente: García (1992).
Al emplear la hornilla en flujo contracorriente y mixto se presentan mayores ventajas con
respecto a la calidad de la panela teniendo en cuenta que la etapa de clarificación de los jugos de
P á g i n a | 14
caña se realiza en el sector de menor temperatura de la hornilla, permitiendo que los agentes
clarificantes actúen por más tiempo y haya una mejor remoción de impurezas en los jugos.
Adicional a ello la evaporación de agua y concentración de mieles se realiza en un sector de
mayor temperatura disminuyendo el tiempo de residencia de las mieles evitando la inversión de
la sacarosa y coloraciones oscuras de la panela.
EFICIENCIA EN LA HORNILLA (García, 1992). La eficiencia térmica determina la cantidad
de energía aprovechada en la hornilla, al igual que la autosuficiencia energética del trapiche. La
autosuficiencia se consigue cuando el bagazo producido por el molino es igual o mayor al
consumido por la hornilla. Para determinar la eficiencia en una hornilla se utiliza la siguiente
ecuación:
�� = ������ ∗ 100% Ecuación 1
donde:
Qapr = Calor aprovechado, [kW].
Qsum = Calor suministrado, [kW].
En la
Tabla 2 (García, 2010) se presentan los resultados de las eficiencias obtenidas en algunos de los
trapiches de la Hoya del Rio Suarez, con su respectiva tecnología para la producción de panela,
en las cuales se utiliza bagazo como combustible principal, el tipo de paila empleada se muestra
en la Figura 9 .
Tabla 2. Eficiencias Térmicas en algunos trapiches de la Hoya del Rio Suarez
TTR TPA TWA TPP TWP TVA
31,1 36,1 39,4 40,9 51,3 34,6
donde:
TTR =Hornilla tradicional. Es aquella que cuenta con pailas redondas en su configuración.
TPA = Hornilla plana. Es aquella que cuenta con pailas aleteadas en su configuración.
TWA = Hornilla Ward. Es aquella que cuenta con pailas aleteadas en su configuración.
P á g i n a | 15
TPP = Hornilla plana. Es aquella que tiene pailas pirotubulares en su configuración.
TWP= Hornilla Ward. Es aquella que tiene pailas pirotubulares en su configuración.
TVA = Hornilla a vapor. Es aquella que tiene pailas con bancos de tubos internos en su
configuración.
Figura 9. Intercambiadores de calor o pailas empleadas en los trapiches paneleros (CORPOICA,
2013).
1.2.2 PROCESO DE PRODUCCIÓN DE PANELA EMPLEANDO EVAPORACIÓN MULTIPLE EFECTO.
En este tipo de proceso el equipo empleado en la etapa de evaporación para el proceso
productivo de la panela es un evaporador químico de tubos cortos verticales y circulación natural
de cuatro efectos. Teniendo en cuenta el alcance de este trabajo, a continuación, se describe el
equipo a evaluar el cual se encuentra ubicado en la Hacienda Santa Barbará en el municipio de
Suata –Santander.
1.2.3 PRODUCCIÓN DE PANELA CON EVAPORACIÓN MÚLTIPLE EFECTO.
Al emplear este tipo de proceso productivo, se presentan variaciones en el proceso, no obstante,
las etapas globales son las mismas. El medio de calentamiento cambia, puesto que ya no se
emplean gases de combustión provenientes directamente del bagazo en el proceso, sino que se
usa vapor proveniente de una caldera, la cual es la encargada de quemar el bagazo y transferir la
energía al vapor de agua generado por la caldera al proceso.
P á g i n a | 16
En la Figura 10 se muestra un diagrama de flujo donde se muestran todas las etapas del proceso
usando la tecnología de múltiple efecto.
Figura 10. Diagrama de flujo de una planta de panela con tecnología de múltiple efecto. Fuente: Autor
El equipo empleado en la etapa de evaporación para el proceso productivo de la panela es un
evaporador de tubos cortos verticales y circulación natural de cuádruple efecto.
La etapa de limpieza y clarificación se realizan en sistemas o pailas abiertas donde se adicionan
agentes clarificantes para aglutinar las impurezas que están presentes en la solución.
Generalmente se utilizan mucilagos vegetales, que se obtienen de las cortezas del balso, cadillo o
guácimo, las cuales se maceran y se depositan en un recipiente con agua para que se forme una
baba gelatinosa para luego adicionarla al jugo cuando la temperatura se encuentre a 50°C
agregándose inicialmente ¾ partes (Moreno, 2011) de la cantidad de la solución y se deja en
reposo para que la capa de cachaza que se esté formando no se rompa.
Cuando los jugos tengan una temperatura entre 75 y 82°C (Moreno, 2011) se retiran las
impurezas que flotan (cachaza negra) y se agrega el mucilago restante. Antes de que los jugos
lleguen a ebullición se remueve la segunda capa de impurezas o cachaza blanca la cual es llevada
a las cachaceras donde se deja por un periodo de aproximadamente una hora, donde se observan
P á g i n a | 17
tres capas: una con jugo que es recirculado a la paila recibidora, otra que son los lodos y otra que
es la chaza fresca. La cachaza es aproximadamente el 2.5% del peso de la caña molida (Moreno,
2011) y se utiliza en forma fresca como alimento para animales o se deja en la paila melotera
para concentrarla hasta 40 o 50°Brix y poder tener un alto valor nutricional para los animales
bovinos y equinos.
En esta etapa del proceso se realiza la encalada de los jugos que consiste en la adición de una
lechada de Cal si el pH de los jugos de caña se encuentra por ácido, es decir inferior a 5.6 con la
finalidad de evitar la inversión de la sacarosa.
La clarificación se divide en dos etapas globales que se ejecutan en dos equipos aparte. La
primera etapa de calentamiento (Figura 11A) en donde el jugo recibe energía en forma de calor
sensible aumentando su temperatura hasta el punto de ebullición y se retiran las primeras
impurezas o cachaza empleando como floculantes el balso, cadillo o guácimo. En la segunda
etapa de ebullición (Figura 11B) el jugo comienza la evaporación del agua y en donde expulsa
por flotación otra gran cantidad de cachaza, manejando presiones entre 10 y 30 psig,
dependiendo de la velocidad de calentamiento deseada. (López, 2016).
Figura 11. Clarificación empleando vapor como medio de calentamiento. Fuente: López (2016)
P á g i n a | 18
Una vez clarificados los jugos se inicia la etapa de evaporación (Figura 12) en donde se retiran la
mayor cantidad de agua presente en los jugos. En el proceso de producción de panela se define
evaporación como el proceso de separar el agua de los jugos de caña desde que salen del proceso
de clarificación, hasta que llegan a una concentración cercana a los 70°Brix denominados mieles.
El equipo trabaja en configuración paralela, es decir, el alimento y la energía en forma de vapor
de caldera se alimentan en el primer efecto y el vapor generado pasa a calentar el segundo cuerpo
y así sucesivamente hasta llegar al último evaporador condensando los vapores formados para
posteriormente usarlos para el precalentamiento del alimento u otra corriente que la requiera.
Gracias a este sistema el producto generado en cada efecto se concentra utilizando el vapor de
agua producido.
Para el funcionamiento de la tecnología de múltiple efecto es necesaria la disminución de la
presión como mecanismo en la obtención de puntos de ebullición más bajos, y la circulación
natural entre efecto y efecto. Es necesario entonces obtener presiones manométricas negativas.
En el proceso productivo de panela se emplea un condensador barométrico que consta de un
cilindro hueco, en donde entra agua fría por un distribuidor en la parte superior del cilindro y
tiene contacto directo con el vapor del último efecto que entra en la parte inferior del cilindro, El
distribuidor contiene una serie de boquillas las cuales están apuntando al centro inferior del
condensador en donde sale agua caliente producto de la condensación del vapor y el agua
entrante. En la parte inferior se conecta una tubería unida al tubo inferior central denominada pie
barométrico y debe tener una altura mínima de 11 metros que permite la generación de vacío por
caída de agua. El agua de enfriamiento se calienta y es enviada a una piscina para ser enfriada
por el aire aspersando el agua caliente por una red de tuberías con boquillas. El agua enfriada de
esta piscina es bombeada continuamente de regreso hacia el condensador barométrico. La
temperatura del cuarto efecto varía entre 70 ºC a 80 ºC, con un valor promedio de 75 ºC, lo cual
corresponde a un nivel de vacío de 17 in. Hg aproximadamente. (López, 2016).
P á g i n a | 19
Figura 12. Sistema de evaporación múltiple efecto la Hacienda Santa Barbará. Cely (2011).
Las mieles obtenidas se someten a un proceso de concentración, en el que se calientan con vapor
hasta obtener miel concentrada a 95 º Brix a una temperatura de 120 ºC. Finalmente se baten y se
pasan a la etapa de moldeo para posteriormente ser empacadas. En esta etapa se da la forma a la
panela y se pueden dar diferentes presentaciones como el moldeo redondo, cuadrado, granulado.
(Figura 13)
Figura 13. Batido y moldeo de la panela. Hacienda Santa Bárbara (2011)
1.2.4 EFICIENCIA EN EL SISTEMA DE EVAPORACIÓN MÚLTIPLE EFECTO
La eficiencia térmica determina la cantidad de energía aprovechada en el sistema y es la relación
entre el calor disponible que viene en forma de vapor de la caldera y el calor real aprovechado el
cual utiliza los jugos para concentrarse. Para determinar la eficiencia en cada efecto del sistema,
se debe tener en cuenta los siguientes parámetros:
• Flujos de alimento.
• Flujo de vapor
P á g i n a | 20
• Temperaturas de los efectos.
• Capacidad calorífica.
• Calor latente de vaporización.
El término eficiencia se define como la relación entre la cantidad de calor transferido y la
cantidad de calor máximo que puede ceder el sistema de calentamiento y se calcula utilizando la
siguiente expresión:
�� = ��������������������������������������������� � =
! ∗ ℎ#! + %! ∗ &! − !() ∗ ℎ#!()(+�() ∗ ,�()).!/01�!234 567869ó;2
donde:
ξn= Eficiencia del efecto n.
! = Flujo de jugos que salen del efecto en kg
ℎ#,! = Entalpia de los jugos de caña, a la salida del efecto en kJ/kg
&! = Entalpia del vapor a la salida del efecto i en kJ/kg
%! = Flujo de vapor que sale del efecto i en kg/h
Wn-1= Flujo de vapor que sale del efecto n-1 en kg/h.
λn-1 = entalpía de vaporización del agua del efecto n-1
1.3 VARIABLES DE CALIDAD DEL PRODUCTO FINAL.
Algunos factores que influyen en el deterioro de la panela se relacionan con la humedad, la
composición y las condiciones del medio ambiente. En Colombia la resolución 779 de 2006,
establece los requisitos físico-químicos de la panela en bloque y los rangos válidos para
determinar los parámetros de calidad del producto con sus respectivas especificaciones (Tabla 3).
Adicional a ello es fundamental conocer el significado de las siguientes variables que afectan
directamente el producto final y determinar la calidad de la panela.
• Sólidos Solubles (°Brix). Contenido de sólidos totales solubles (azúcares totales =
sacarosa + reductores) en el jugo de la caña o panela y se expresa en porcentaje
• pH: Potencial de hidrogeno o grado de acides en los jugos de caña y/o panela.
P á g i n a | 21
• Sacarosa (%). Disacárido puro o azúcar de doble cadena propiamente dicho cuya fórmula
química es C12H12O11 y cuyo contenido en jugos y/o panela se expresa en porcentajes
• Azúcares reductores (%): Azúcares de cadena sencilla que se conocen con el nombre de
fructosa y Glucosa, cuya fórmula química es C6H11O6 y cuyo contenido en jugos y/o
panela se expresa en porcentajes.
Tabla 3. Parámetros de calidad de la panela según el decreto 779 de 2006
Ensayo Mínimo Máximo
Azúcar reductor (Expresado en glucosa, en %) 5.5% --
Azúcar no reductor (Expresado en Sacarosa, en %) -- 83%
Proteína, en % (N*6.25) 0.2%
Cenizas, en % 0.8%
Humedad, en % -- 9.0%
P á g i n a | 23
2 METODOLOGÍA
El desarrollo de este trabajo busca evaluar las variables operacionales durante el proceso
productivo de panela de las dos tipologías de producción, con la finalidad de definir criterios de
selección y comparación entre ellos.
2.1 LOCALIZACIÓN.
Los sistemas productivos se encuentran ubicados en San José de Suaita, en el departamento de
Santander en la finca Santa Barbará cuya temperatura y presión son 24°C y 660 mmHg,
respectivamente. Cada planta cuenta con una capacidad de producción de aproximadamente
200kg/h de panela. Es importante resaltar que las evaluaciones a cada proceso se realizaran para
verificar y evidenciar criterios de selección entre los sistemas de producción y se llevaran a lo
largo del proceso productivo, indicando que no se interrumpirá la producción del trapiche.
2.2 CARACTERIZACIÓN TÉCNICA DEL TRAPICHE Y DESCRIPCIÓN DE
EQUIPOS.
En la Figura 14 se presenta la distribución de las zonas de proceso teniendo en cuenta la
ubicación para las dos tipologías productivas en la finca Santa Bárbara.
A continuación, se describen las etapas empleadas en las dos tipologías productivas a evaluar.
No obstante, es importante resaltar que la etapa de molienda, pre limpieza y clarificación son
exactamente iguales en los dos procesos productivos. La variación se evidencia en las etapas de
evaporación, concentración y medios de calentamiento empleados.
P á g i n a | 24
Figura 14. Distribución en planta finca Santa Bárbara. Fuente: Autor
2.2.1 Molienda y/o Extracción.
Etapa donde se realiza la extracción de los jugos de caña mediante molinos de masas con
motor eléctrico o diésel. Adicional a ello esta zona cuenta con un área de apronte de la
caña en la que es posible pesarla. Siendo esta la primera etapa del proceso.
En la Figura 15 se presentan el molino de motor eléctrico empleado para la extracción de
los jugos de caña en la finca Santa Bárbara, el cual es de tipo horizontal de tres masas.
Una vez ingresa la caña por la bandeja de alimentación, esta es quebrada por compresión
física, expulsando los jugos de caña los cuales continuaran al proceso de pre limpieza y el
bagazo de caña que posteriormente será empleado como combustible en el proceso.
P á g i n a | 25
Figura 15. Molino panelero de tres mazas. Fuente: Cely (2011)
El bagazo, proveniente de la molienda de la caña, es un material fibroso, cuyos componentes
principales son celulosa, azúcares y agua. Este material se utiliza como combustible en las
hornillas paneleras para el calentamiento y evaporación del agua de los jugos, previo
almacenamiento y secado en depósitos llamados bagaceras. La humedad del bagazo se reduce,
durante el secado, de valores que fluctúan entre 53 y 58% (Garcia, 2019) a la salida del molino
hasta cerca del 30%, que es como se utiliza en la mayor parte en las hornillas tradicionales.
El tiempo de secado del bagazo en los sistemas tradicionales es prolongado y fluctúa entre 20 y
60 días, dependiendo de las características de las bagaceras y de las condiciones climáticas. La
mayor parte de los trapiches tienen bagaceras con techos construidos con tejas de barro, zinc o
fibrocemento, los cuales son materiales opacos que evitan el paso de la energía solar y por tanto
la energía requerida para el secado del bagazo, proviene principalmente del calentamiento
producido por la fermentación de los azúcares. De esta manera, en el almacenamiento y secado
tradicional, los azúcares se pierden no solo para obtener panela, por la baja extracción de los
molinos, sino como combustible para la evaporación del agua de los jugos.
A medida que el bagazo se seca, su peso disminuye por la cantidad de agua evaporada. Así
mismo, a medida que aumenta la extracción, la masa de bagazo, verde y seco disminuye por los
azúcares que se van en el jugo extraído. A continuación, se presentan los tipos de secado de
bagazo empleados por los productores de panela y sus principios:
PRINCIPIOS BÁSICOS DEL SECADO NATURAL El uso del calor radiante del sol es el
procedimiento de secado más antiguo para los productos agropecuarios. No obstante, el secado al
P á g i n a | 26
aire tiene limitaciones como: “Los elevados costos de mano de obra, la necesidad de grandes
superficies, ausencia de control del proceso de secado, infestación por insectos, posible
degradación de los productos debida a reacciones bioquímicas y desarrollo de microorganismos,
debido entre otras cosas a los largos tiempos de secado”. La ventaja más importante de la energía
solar “es que se trata de una energía libre, no contaminante, renovable y abundante que no puede
ser monopolizada y satisface los requerimientos globales para el desarrollo sostenible” (De
Guzmán y Meythaler, 2007, p.50). Las estructuras de los secadores solares se ajustan de acuerdo
a la cantidad y características del material a secar, así como por la forma de utilizar la energía.
SECADO TRADICIONAL DEL BAGAZO.
De acuerdo con lo anterior, el secado del bagazo se podría considerar dentro de los sistemas de
secado natural con energía proveniente de la fermentación de sus azúcares y del medio ambiente.
Las desventajas de las bagaceras tradicionales:
• Normalmente, las bagaceras son estructuras bastante grandes por la gran cantidad de producto a
almacenar y por su baja densidad (100 a 150 kg/m3) y por eso no es raro encontrar bagaceras de
más de 1.200 m2.
• Como se construyen grandes arrumes de bagazo y se recibe poca energía del medio ambiente,
el secado del bagazo es muy lento, entre tres y doce semanas.
• Las grandes áreas de las bagaceras (60 a 80% del área del trapiche) aumentan los costos de
construcción y; los grandes recorridos, el esfuerzo físico de los obreros.
• La pérdida de humedad se produce por el calentamiento producido por la fermentación de los
azúcares y por tanto se producen pérdidas de energía significativas, que luego se suplen con leña
o caucho de llantas usadas.
• Los productores usan tejas viejas y rotas que dejan pasar la lluvia y los arrumes quedan
expuestos a la acción del agua que entra por los lados. Esto deteriora aún más la calidad térmica
del bagazo.
• El mal manejo y mal secado del bagazo genera pérdidas de energía, que luego son suplidas con
combustibles como leña o caucho de llantas usadas. Además, el alto contenido de humedad
disminuye la capacidad de producción de panela de la hornilla.
P á g i n a | 27
2.2.2 Pre limpieza.
Los jugos de caña extraídos en la etapa de la molienda son sometidos a una pre limpieza cuyo
objetivo es remover la mayor cantidad de impurezas tales como tierra y barro provenientes de la
caña de azúcar.
En esta etapa se emplean dos pre limpiadores que funcionan de manera continua y cuyo principio
se basa en separar las impurezas mediante la diferencia de densidades, precipitando las
impurezas más pesadas en el fondo del pre limpiador tales como residuos de bagazo, lodo o
arena y las impurezas más livianas como bagacillo, hojas e insectos son separadas por flotación.
En la Figura 16 se muestra diseño de los pre limpiadores empleado en el proceso productivo.
Figura 16. Pre limpiadores empleados en el proceso productivo de la panela. Fuente: Cely
(2011)
2.2.3 Clarificación.
En esta etapa del proceso los jugos son clarificados mediante flotación gracias a la adición de
floculantes como el guácimo, cal, balso y/o cadillo. La trasferencia de calor es generada gracias a
un banco de tubos ubicado en el interior de la paila, permitiendo la flotación de las impurezas al
alcanzar el punto de ebullición. La entrada de vapor se controla de manera manual mediante una
válvula tipo globo.
Figura 17. Clarificador empleado en hacienda Santa Bárbara. Fuente: Cely (2011)
P á g i n a | 28
2.2.4 Evaporación.
Esta etapa depende del tipo de tecnología a evaluar, es por ello que realiza la descripción de
equipos empleados dependiendo del sistema productivo. Sin embargo, en los dos procesos el
objetivo de etapa es concentrar los jugos clarificados hasta la obtención de mieles, las cuales
serán concentradas en la etapa posterior.
Proceso tradicional. El tipo de paila empleada en esta etapa es de tipo piro tubular lo que ayuda
a favorecer la transferencia de calor en la etapa. Los jugos clarificados ingresan a las pailas a
través de una tubería la cual es manipulada por el operador y se abre o cierra teniendo en cuenta
el nivel de la misma. En la finca Santa Bárbara se cuenta con tres pailas pirotubulares cuyas
dimensiones se presentan en la Figura 18:
Figura 18. Pailas pirotubulares empleadas en la finca Santa Bárbara. (Soler 2004)
P á g i n a | 29
Proceso múltiple efecto: A diferencia del proceso tradicional, en esta etapa los jugos
clarificados se almacenan en un tanque pulmón (Figura 19) desde donde se alimenta el primer
efecto de manera continua mediante el uso de una bomba de tipo centrifuga (Tabla 4) y cuyo
caudal es controlado gracias a un medidor de flujo en L/h. En el Anexo 3 se presenta el
diagrama de flujo de proceso (PFD) y en Anexo 4 se presenta el diagrama de instrumentación y
tubería (PI&D) para el proceso productivo empleando evaporación múltiple efecto. En el Anexo
5 se evidencia el manual de operación y mantenimiento de los equipos empleados en el sistema
de evaporación múltiple efecto (CORPOICA, 2014).
Figura 19. Tanque pulmón empleado en la finca Santa Bárbara. Fuente Cely (2011)
Tabla 4. Bomba de alimentación empleada en la finca Santa Bárbara. Fuente Cely (2011)
Una vez ingresan al primer efecto se realiza el intercambio de calor donde los jugos fluyen por
los tubos y el vapor por la coraza. El vapor es controlado a su vez por una válvula reguladora de
P á g i n a | 30
presión (Figura 34)que se encarga de mantener el flujo de vapor que ingresa al sistema. Una vez
realizado el intercambio de calor, los jugos generan vapor que es empleado como medio de
calentamiento del segundo al cuarto efecto (Figura 35). Gracias a la configuración del equipo se
generan diferencias de presiones que permiten que los jugos pasen de un efecto a otro.
Figura 20. Válvula reguladora de presión empleado en la finca Santa Bárbara. Fuente Cely (2011)
Figura 21. Desplazamiento de vapor generado en el sistema de evaporación múltiple efecto.
Fuente Cely (2011)
El vapor que se condensa dentro de los efectos se almacena en tanques colectores y a su vez son
enviados a los condensados de agua de la caldera y permiten la generación de vapor de agua
dentro de la caldera.
La caldera empleada en este proceso es de tipo acuotubular (Figura 35) y el bagazo producido en
la etapa de la molienda es empleado como combustible para la generación de vapor de agua
alcanzando. La presión de la caldera es de 145 psi. El vapor generado en la caldera es distribuido
para suministrar energía a los sistemas de clarificación, concentración y evaporación. A
continuación, se presentan las características de la caldera empleada en la finca Santa Bárbara:
P á g i n a | 31
Tabla 5. Especiaciones técnicas de la caldera empleada en el productivo de panela con evaporación múltiple efecto.
CARACTERÍSTICA ESPECIFICACIÓN PRESIÓN DE DISEÑO (PSI) 245
PRESIÓN DE TRABAJO (PSI) 145 EFICIENCIA (%) 85
MOTOR 1 MOTOR DE 15 Hp Y 7,5
Hp Y 2 DE 1Hp POTENCIA (BHP) 120
Figura 22. Caldera empleada en proceso productivo de panela con evaporación múltiple efecto. Fuente Cely (2011)
La refrigeración del sistema de evaporación múltiple efecto se genera a través de una piscina de
enfriamiento (Figura 23) que envía el agua refrigerada a un condensador barométrico cuya
función es generar vacío en el sistema facilitando el paso de los jugos por diferencia de presión
de un efecto a otro como se mencionó anteriormente (Figura 24) . En su interior se genera un
choque térmico con el vapor generado en el último efecto permitiendo la condensación del
mismo. Este sistema emplea dos (2) bombas de tipo centrifugo cuyas especificaciones se
presentan en la Tabla 6. (Ver Anexo 5).
P á g i n a | 32
Tabla 6. Especiaciones de bombas centrifugas empleadas en el sistema de refrigeración para el
evaporador múltiple efecto. Fuente Cely (2011)
Figura 23. Piscina de enfriamiento empleada en el productivo de panela con evaporación
múltiple efecto. Fuente Cely (2011).
Figura 24. Condensador barométrico empleada en el productivo de panela con evaporación
múltiple efecto. Fuente Cely (2011)
P á g i n a | 33
2.2.5 Concentración.
Una vez finalizada la etapa de evaporación bien sea empleando el sistema tradicional o el
múltiple efecto, los jugos clarificados alcanzan una mayor concentración y reciben el nombre de
mieles las cuales tienen una concentración de aproximadamente 70°Brix. Estas son sometidas a
un proceso de concentración en intercambiadores de calor abiertos a vapor para el caso del
sistema múltiple efecto y pailas semiesféricas para el proceso tradicional. En este punto las
mieles son llevadas a una temperatura de 123°C (punto de panela) y se vierten en moldes o
bateas para obtener la presentación fina de producto. A continuación, se describen los equipos
empleados en la etapa teniendo en cuenta el sistema productivo:
Proceso tradicional: La concentración en esta etapa se realiza en pailas semiesféricas (Figura
25) donde la superficie de transferencia de calor es la que posee el casquete esférico empleando
gases de combustión generados en la honrilla panelera. Actualmente la finca santa barbará cuenta
con dos (2) pailas concentradoras.
Figura 25. Intercambiador de calor semiesférica empleada en el proceso tradicional de
producción de panela. Fuente. Soler (2004)
Proceso múltiple efecto: Inicialmente las mieles producidas en el evaporador múltiple efecto
son almacenadas en tanques colectores (Figura 26) para alimentar de manera continua los
concentradores, son intercambiadores de calor recubiertos con una chaqueta (Figura 26)
encargada de circular el vapor proveniente de la caldera para la realización del intercambio de
calor. Los condensados generados en esta etapa son almacenados en el tanque de condensados de
la caldera.
P á g i n a | 34
Figura 26. Tanques colectores de mieles empleadas en la etapa de concentración empleando el
sistema de evaporación múltiple efecto. Fuente Cely (2011)
Figura 27. Equipo concentrador de mieles empleado en el sistema de evaporación múltiple
efecto. Fuente Cely (2011).
P á g i n a | 35
2.3 IDENTIFICACIÓN DE VARIABLES Y METODOLOGÍA DE EVALUACIÓN.
La metodología de evaluación de los dos sistemas productivos de panela se centra en medir las
variables de operación durante su etapa productiva, por lo que durante el desarrollo de este
trabajo no se establecerán condiciones de funcionamiento de las plantas, solo se evaluarán las
mismas durante sus procesos productivos. No obstante, es importante resaltar que las variables
de operación del sistema de evaporación múltiple efecto fueron definidas previamente tomando
como referencia el trabajo realizado por Duran (2011), en el que se realizó una simulación en
Matlab (Anexo 2) y se establecieron las condiciones óptimas de operación del equipo.
El sistema tradicional opera dos veces al mes las 24 horas del día y el sistema evaporación
múltiple efecto opera de igual manera dos veces al mes 12 horas al día, por lo tanto y con la
finalidad de tener repetitividad en las pruebas se realizarán tres mediciones a las variables de
operación a los dos sistemas en periodos diferentes con la finalidad de evidenciar criterios de
comparación entre los dos sistemas productivos, por lo que es fundamental identificar las
variables de entrada o independientes y de salida o dependientes clasificándolas de la siguiente
manera:
2.3.1 Variables independientes.
• Cantidad de caña suministrada. Manipulada por la persona que opera el molino. Se
determina pesando la caña empleada en el molino durante un periodo de operación
determinado.
• Presión del vapor de agua empleado en la etapa de clarificación. Se mide por medio de un
manómetro, controlado manualmente por una válvula tipo globo, la cual permite regular
la cantidad de vapor saturado que ingresa al banco de tubos.
• Flujos de alimentación en la etapa de clarificación. Corresponde a la cantidad de jugos
provenientes de las etapas de pre-limpieza los cuales son controlados gracias a una
válvula mariposa.
• Presión de vacío en el tercer efecto de la etapa de evaporación. Corresponde a la presión
que se encuentra por debajo de la presión atmosférica generada gracias al condensador
barométrico. Esta variable se puede medir con un manovacuómetro el cual se encuentra
ubicado en el tercer efecto.
P á g i n a | 36
• Presión de vapor de agua a la entrada del primer efecto. Variable controlada mediante
una válvula tipo compuerta la cual es regulada por una válvula reguladora de presión.
• Flujo de alimentación a la entrada del primer efecto en la etapa de evaporación.
Controlada por un medidor de flujo el cual alimenta el efecto de los jugos provenientes
de la etapa de pre limpieza los cuales son almacenados en un tanque pulmón.
• Presión de vapor de agua empleado en la etapa de concentración. El vapor que empleado
en esta etapa es controlada por una válvula tipo compuerta la cual es manipulada
manualmente.
• Flujo de mieles en la etapa de concentración. Las mieles se encuentran almacenadas en
tanques colectores y son manipuladas mediante válvulas de manera manual.
2.3.2 Variables dependientes.
• Calor requerido en la etapa de clarificación. Calor requerido por los jugos hasta alcanzar
su punto de ebullición.
• Calor requerido en la etapa de evaporación. Se determina mediante la cantidad de
condensados almacenados en los tanques colectores los cuales son procesados en los
balances de masa y energía.
• Cantidad de agua evaporada en las etapas del proceso empleando evaporación múltiple
efecto.
• Flujos de alimentación en los efectos. Son determinados mediante los balances de masa y
energía.
• Temperatura de ebullición de los jugos y mieles. Estas temperaturas se obtienen de la
lectura de los termómetros ubicados en la parte en cada efecto.
• Sólidos solubles totales (°Brix). Se requiere tomar muestras abriendo las válvulas de tipo
bola localizadas en cada efecto y tanques de almacenamiento de mieles y jugos
clarificados, los cuales son analizados en un refractómetro.
• Presiones de vacío en los efectos empleados en la etapa de evaporación múltiple efecto.
Obtenidos por medio de manómetros y manovacuómetro ubicados en cada uno de los
efectos y tanques colectores.
P á g i n a | 37
2.4 DESCRIPCIÓN EXPERIMENTAL.
La medición de variables se llevó a cabo teniendo en cuenta una evaluación completamente al
azar partiendo de las unidades de estudio realizando tres repeticiones en cada una con la
finalidad de evidenciar el comportamiento de las mismas y estabilidad del proceso. Por tal
motivo cada evaluación fue desarrollada durante el funcionamiento de las mismas sin afectar la
operación productiva.
La evaluación de los procesos de producción de panela tuvo una duración de 12 horas continuas
toma de datos cada 60 minutos a las variables independientes en cada etapa sin tener en cuenta
los tiempos de estabilización. La hornilla panelera tiene un tiempo de estabilización de
aproximadamente dos horas y el sistema de evaporación múltiple efecto una hora.
2.5 MEDICIÓN DE VARIABLES DE PROCESO Y CALCULOS PRELIMINARES.
Este trabajo comprendió la evaluación de resultados experimentales obtenidos de los sistemas de
producción de panela en la finca Santa Bárbara, los cuales cuentan con una capacidad de
producción de 200kg/h. A continuación, se describe las variables empleadas en el proceso y su
modo de evaluación:
2.5.1 TEMPERATURA DE EBULLICIÓN DE JUGOS Y MIELES Y TEMPERATURA DE COMBUSTIÓN DE GASES.
Esta variable es evidenciada en cada una de las etapas del proceso, utilizando un termómetro
Testo 735 y termocuplas PT-100 y tipo K para los jugos y gases de combustión, las cuales se
encuentran conectadas a un PLC que permite evidenciar la variación de la misma en los
procesos. En el sistema de evaporación múltiple efecto, las termocuplas se encuentran ubicadas
de la siguiente manera:
• T0: Temperatura de los jugos clarificados. La termocupla se encuentra ubicada en la
tubería de entrada al primer efecto.
• T1, T2, T3, T4: Temperatura de cada efecto. La termocupla se encuentra ubicada en el
separador cada uno de los efectos. Mide la temperatura del vapor que sale del jugo. En
este caso se supone que la temperatura del vapor es la misma que la temperatura del jugo
dentro de cada uno de los efectos.
P á g i n a | 38
2.5.2 PRESIONES DE VAPOR Y DE VACÍO.
Esta variable se evidencia en los manómetros ubicados en cada etapa de los procesos. No
obstante, en el sistema de evaporación múltiple efecto se emplean transmisores de presión marca
Siemens referencia SITRANS P200 (7M1565) distribuidos de la siguiente manera:
• P0: Presión a la entrada del primer efecto. Se tiene instalado un transmisor de presión de 0
a 10 bares marca Danfoss, con señal de salida de 4 a 20 mA conectado a un PLC.
• P1, P2: Presión dentro del primer y segundo efectos. Se tiene instalado en cada efecto, un
transmisor de presión de 0 a 1 bar marca Danfoss, con señal de salida de 4 a 20 mA
conectado a un PLC.
• P3, P4: Presión dentro del tercer y cuarto efectos. Se tiene instalado en cada efecto, un
transmisor de presión de -1 a 1 bar marca Danfoss, con señal de salida de 4 a 20 mA
conectado a un PLC.
Figura 28. Transmisor de presión Siemens. Fuente. López (2014)
2.5.3 FLUJO DE JUGOS.
En el sistema de evaporación múltiple efecto se emplea un medidor de flujo con un Caudal
máximo: 6500 litros/hora de alimentación el cual mostrado en la siguiente figura.
P á g i n a | 39
Figura 29. Medidor de flujo marca FN20XX.1 DN 15 de ELIS PLZEN. Fuente. López (2014)
2.5.4 SOLIDOS SOLUBLES TOTALES (°BRIX).
La concentración de azucares presentes en los jugos de caña (Sacarosa, fructosa, glucosa entre
otros) se mide en la escala de °Brix, la cual corresponde a la concentración en peso de los
azucares presentes en un jugo o miel. Los °Brix se miden con 3 refractómetros digitales marca
ATAGO con los siguientes rangos: 0 – 93°Brix, 0 – 53°Brix, 45 – 93°Brix, de referencia PAL-3,
PAL-1, PAL-2 respectivamente.
Figura 30. Refractómetros digitales. Fuente. López (2014)
2.5.5 CAPACIDAD DE MOLIENDA, EXTRACCIÓN Y EFICIENCIA DEL MOLINO.
Para la determinación de estas variables, se requiere tomar una muestra de caña de
aproximadamente 200 kg los cuales deben ser molidas calculando el tiempo de este proceso. Una
vez se finalice la molienda, se debe pesar el bagazo producido y determinar la eficiencia y
capacidad de molienda mediante la Ecuación 3 y Ecuación 4.
P á g i n a | 40
�> = ?@/@ABCD�EC��CEDFEC?@/@�GH��EGD�ñ� J100 =
?@/@�GH��EGD�ñ�(?@/@K�B�LC��CEDFEC?@/@�GH��EGD�ñ� M100 Ecuación 3
����N����?13!4�.@ = ?@/@�GH��D�ñ�O!4?01�CPFGQE�EGP��GH�� Ecuación 4
Para la determinación de la capacidad real de la molienda, se toma el tiempo de operación y
paradas del molino, de la siguiente manera:
����N����R4@3 = N���N��� ∗ ST(STUSE) Ecuación 5
donde:
to= Tiempo de operación del molino
td= Tiempo de paradas del molino
La cantidad de bagazo producido real es:
V�W�X�R4@3 = ����N����?13!4�.@ ∗ ST(STUSE) ∗
()YY(Z[))YY Ecuación 6
donde:
EM= Extracción del molino
�> = (N�ñ� �����−V�W�X�����\N���)N�ñ� ����� Ecuación 7
La cantidad real de jugo crudo producido real es:
]\W�N�\��R4@3 = ����N����R4@3 − V�W�X�R4@3 Ecuación 8
El bagazo seco que se produce, teniendo en cuenta la humedad del bagazo, es:
V�W�X���N�R4@3 = V�W�X�R4@3 ∗ ()YY(^_`)()YY(^a) Ecuación 9
donde:
HBP= Humedad del bagazo producido HBc=Humedad del bagazo verde Finalmente se determina la eficiencia real del molino de la siguiente manera:
P á g i n a | 41
���N���N��R4@3 = b@0@c!.@.�G�Pb@0@c!.@.�CPFGQE� ∗ 100 Ecuación 10
2.5.6 HUMEDAD DEL BAGAZO.
El bagazo que sale del molino es suministrado a la hornilla o a la caldera para ser empleado
como combustible dentro del proceso. Generalmente este se deja secar por un tiempo, motivo por
el cual se apronta en la bagacera y posteriormente pasa al proceso de combustión. Para
determinar esta variable se tomaron tres muestras de bagazo producido (recién salido del molino)
y muestras de bagazo a la entrada de la cámara (listo para ser empleado como combustible);
posteriormente se determinó el porcentaje de humedad de la siguiente manera:
• Colocar una caja metálica vacía en una balanza (Caja)
• Colocar dentro de la caja una muestra aproximada a 100g de bagazo (Binicial)
• Introducir el conjunto caja–bagazo en un horno durante 24h a 105ºC
• Pesar nuevamente la caja–bagazo (Bfinal)
El porcentaje de humedad se determina de la siguiente manera:
& = dFQFDF�P(deFQ�PdFQFDF�P(b@#@ ∗ 100 Ecuación 11
2.5.7 DETERMINACIÓN DE LA CAPACIDAD DE PRODUCCIÓN.
Para determinar la capacidad de producción es necesario contabilizar la cantidad de panela
producida en función del tiempo, para lo cual se emplea la siguiente ecuación.
f���\NN�ó� = ∑h@�43@��CEDFE�∗?@/@��QGP�^1R@eFQ�P(^1R@FQFDF�P Ecuación 12
El rendimiento se determinó de la siguiente manera:
i���� �����0@�43@ = hR1.jcc!ó�b@0@c!.@.�G�P ∗ 100 Ecuación 13
2.5.8 DETERMINACIÓN DEL CONSUMO DE BAGAZO.
Para la determinación del consumo de bagazo es indispensable el uso de una balanza, la cual
permite determinar el peso del bagazo que ingresa a la hornilla, empleando la siguiente ecuación.
����\ �2@k@l1 = b1?2j/S!234K�B�LCO!4?01DCQ�C Ecuación 14
P á g i n a | 42
2.5.9 ANÁLISIS DE GASES DE COMBUSTIÓN.
Para la determinación de estos parámetros es necesario hacer uso de cada instrumento de
medición dependiendo la variable a medir de la siguiente manera:
La composición de los gases de combustión, se midió con un analizador de gases, colocado en la
chimenea.
2.5.10 DETERMINACIÓN DEL CALOR REQUERIDO Y DEL AGUA EVAPORADA.
El calor requerido y la cantidad de agua evaporada en cada efecto, se determina mediante los
balances de masa.
Figura 31. Corrientes presentes en la etapa de evaporación
1° Efecto.
+) = me∗°dR!oe°dR!op Ecuación 15
%) = +� −+) Ecuación 16
2° Efecto.
P á g i n a | 43
+q = mp∗°dR!op°dR!or Ecuación 17
%q = +) −+q Ecuación 18
3° Efecto.
+s = mr∗°dR!or°dR!ot Ecuación 19
%s = +q −+s Ecuación 20
4° Efecto.
+u = mt∗°dR!ot°dR!ov Ecuación 21
%u = +s −+u Ecuación 22
Donde:
°Brixf = Sólidos solubles totales del alimento.
°Brix1 = Sólidos solubles totales del primer efecto.
°Brix2 = Sólidos solubles totales del segundo efecto.
°Brix3= Sólidos solubles totales del tercer efecto.
°Brix4= Sólidos solubles totales del cuarto efecto.
wf =Flujo de alimento en kg/h.
W1=Flujo de jugos que sale del primer efecto en kg/h
W2=Flujo de jugos que sale del segundo efecto en kg/h.
W3=Flujo de jugos que sale del tercer efecto en kg/h.
W4=Flujo de mieles que sale del cuarto efecto en kg/h.
V1=Flujo de vapor que sale del primer efecto en kg/h
V2=Flujo de vapor que sale del segundo efecto en kg/h.
V3=Flujo de vapor que sale del tercer efecto en kg/h.
V4=Flujo de vapor que sale del cuarto efecto en kg/h.
Una vez realizados los balances de masa, se debe determinar la cantidad de jugos concentrados
en cada efecto y producto final mediante las ecuaciones anteriores que a su vez permiten
determinar la eficiencia energética, calculada de la siguiente manera:
P á g i n a | 44
w = �xQ�yQ Ecuación 23
ε1= Eficiencia del intercambio de calor, adimensional
QAn= Calor aprovechado en n efecto.
QDn= Calor disponible en n efecto.
Para la determinación de la eficiencia energética, es necesario desarrollar los balances de energía
en los cuerpos y calcular el calor disponible y el calor aprovechado.
2.5.11 DETERMINACIÓN DEL CALOR APROVECHADO.
Se define como la energía absorbida por los jugos para retirar por evaporación la mayor cantidad
de agua posible y a su vez aumentar su concentración. El calor aprovechado se determina de la
siguiente manera.
Primer Efecto.
z{) = %) ∗ (,) + ℎ3) −+) ∗ ℎ#) ++� ∗ ℎ#� Ecuación 24
Donde:
λ1=Calor latente de vaporización del agua en el primer efecto en kJ/kg.
h1 = entalpía del agua evaporada en la etapa de concentración. kJ/kg
hJ1=entalpía de los jugos de caña concentrados en el primer efecto en kJ/kg.
El flujo de vapor que sale del primer efecto (V1), se obtiene mediante la ecuación (15), sin
embargo, se debe determinar primero la cantidad de jugos que salen del primer efecto mediante
la ecuación (14). El calor latente de vaporización del primer efecto (λ1), se calcula con la
siguiente correlación,
,) = −0,57 ∗ ~(°�) + 10951 Ecuación 25
1 PEÑA HOLGUÍN, Adriana Carolina. Determinación de propiedades fisicoquímicas de jugos y mieles de caña panelera. Trabajo de grado ingeniería química. Bogotá D.C.: Universidad Nacional De Colombia. Facultad de ciencias. Departamento de química, 2009. 10 P
P á g i n a | 45
La entalpía (Cantidad de energía que un sistema puede intercambiar con su entorno) se define
como la capacidad calorífica del fluido multiplicada por la diferencia de temperatura como se
presenta en la ecuación 25.
h= � ���~OrOp Ecuación 26
La temperatura y los sólidos solubles totales influyen en la variación de la capacidad calorífica
de los jugos, es por ello que para el cálculo de la misma se utiliza la ecuación 26 (Peña 2009). En
el caso de la capacidad calorífica del agua, se toma un valor constante promedio de 4,18kJ/kg°C,
debido a que la Cp en función de la temperatura presenta un comportamiento casi constante.
�� = 3,228 − 0,03��~ + 0,226 ∗ ��(~) Ecuación 27
Haciendo uso de las ecuaciones 25 y 26, la entalpía de los jugos se calcula de la siguiente
manera:
� ���~ = �3,228 ∗ �~) − ~R4��� − �0,03 ∗ ��~ ∗ �~) − ~R4��� + [(0,226 ∗ (~)) ∗OrO�Ge
(��(~)) − ~)) − (0,226 ∗ �~R4�� ∗ ����~R4�� − ~R4�� Ecuación 28
De la misma forma se calcula la entalpía de los jugos a la entrada del primer efecto. Una vez
calculados los parámetros anteriores, se procede a calcular el calor aprovechado en el primer
efecto utilizando la ecuación (23).
z{) = %) ∗ (,) + ℎ�) −+) ∗ ℎ�) ++� ∗ ℎ�� Ecuación 29
donde:
hL=entalpía del agua en kJ/kg.
hJ1=entalpía de los jugos de caña concentrados en el primer efecto en kJ/kg.
wf =Flujo de alimento en kg/h.
W1=Flujo de jugos que sale del primer efecto en kg/h
hJf=entalpía de los jugos de caña clarificados en kJ/kg.
Siguiendo el mismo procedimiento se calcula el calor absorbido en el segundo, tercero y cuarto
efecto utilizando las siguientes ecuaciones
P á g i n a | 46
Segundo Efecto.
z{q = %q ∗ (,q + ℎ�) −+q ∗ ℎ�q ++) ∗ �ℎ�) − ℎ�q� ++� ∗ �ℎ�q − ℎ�)� Ecuación 30
donde:
V2=Flujo de vapor que sale del segundo efecto en kg/h.
λ2= Calor latente de vaporización del agua en el segundo efecto en kJ/kg.
hJ2=entalpía de los jugos de caña concentrados en el segundo efecto en kJ/kg.
W2=Flujo de jugos que sale del segundo efecto en kg/h.
Tercer Efecto.
z{s = %s ∗ (,s + ℎ�) −+s ∗ ℎ�s ++q ∗ �ℎ�q − ℎ�s� ++) ∗ �ℎ�q − ℎ�s� ++� ∗ �ℎ�s − ℎ�q� Ecuación 31
donde:
V3=Flujo de vapor que sale del tercer efecto en kg/h.
λ3= Calor latente de vaporización del agua en el tercer efecto en kJ/kg.
λ2= Calor latente de vaporización del agua en el segundo efecto en kJ/kg.
W3=Flujo de jugos que sale del tercer efecto en kg/h.
h J3=entalpía de los jugos de caña concentrados en el tercer efecto en kJ/kg.
Cuarto Efecto.
z{u = %u ∗ (,u + ℎ�) −+u ∗ ℎ�u ++s ∗ �ℎ�s − ℎ�u� ++q ∗ �ℎ�s − ℎ�u� ++) ∗ �ℎ�s − ℎ�u� + +� ∗ �ℎ�u − ℎ�s�Ecuación 32
donde:
V4 = Flujo de vapor que sale del cuarto efecto. (kg/h)
λ4= Calor latente de vaporización del agua en el cuarto efecto en kJ/kg.
W4=Flujo de mieles que sale del cuarto efecto en kg/h.
h J4=entalpía de los jugos de caña concentrados en el cuarto efecto en kJ/kg.
P á g i n a | 47
2.5.12 DETERMINACIÓN DEL CALOR DISPONIBLE.
El calor disponible es la energía que viene en forma de vapor de la caldera. Se calcula de la
siguiente manera.
Primer Efecto.
z) = %/ ∗ ,/ Ecuación 33
donde:
λs= Calor latente de vaporización del agua a la entrada del primer efecto en kJ/kg.
Vs = Flujo de vapor que ingresa del primer efecto. (kg/h)
El flujo vapor requerido en el evaporador múltiple efecto se determina por la cantidad de
condensados que salen del primer efecto. Para dicho cálculo se debe medir la cantidad de
condensados que sale del primer efecto en un tanque colector con capacidad de 100 Litros. Se
debe contabilizar el tiempo de llenado. Es necesario tener en cuenta las perdidas por evaporación
flash
Para determinar los condensados, se realiza el balance de material y energía teniendo en cuenta
la Figura 32
�Y = V+ �∗ Ecuación 34
�Y ∗ ℎ�Y = %&� + �∗ℎ� Ecuación 35
Figura 32. Diagrama del flujo de condensados del primer efecto. Fuente: López 2016
P á g i n a | 48
Las variables conocidas corresponden al flujo de condensados medibles (v*v*). Por tanto para
calcular el flujo real de condensados, se despeja vY en términos de v*.
�Y = �∗ ���∗(^���T(^�� Ecuación 36
La Entalpia de los condensados antes de la entrada a la trampa de vapor se calcula con la presión
del vapor que entra al primer efecto. Las entalpias del condensado medible, y de las perdidas por
evaporación flash, se calculan con la presión ambiente dada en la zona de Santander que en este
caso corresponde a 12,7 PSI.
De las ecuaciones anteriores se realizan arreglos algebraicos para dejar las expresiones de calor
en términos de la eficiencia, obteniendo el término de eficiencia energética
Balances De Energía.
Primer Efecto.
w) = �p∗(�pU�P)(mp∗�ApUme∗�Ae�T∗�T Ecuación 37
Segundo Efecto.
wq = �r∗(�rU��)(mr∗��rUmp∗���p(��r�Ume∗���r(��p��p∗�p Ecuación 38
Tercer Efecto.
ws = �t∗(�tU��)(mt∗��tUmr∗���r(��t�Ump∗���r(��t�Ume∗���t(��r��r∗�r Ecuación 39
Cuarto Efecto.
wu = �v∗(�vU��)(mv∗��vUmt∗���t(��v�Umr∗���t(��v�Ump∗���t(��v�Ume∗���v(��t��t∗�t Ecuación 40
De la ecuación 22 se deduce que la eficiencia energética es la relación entre el calor aprovechado
y el suministrado.
P á g i n a | 49
2.6 REQUERIMIENTO ENERGÉTICO.
La energía suministrada al sistema proviene de una caldera en forma de vapor, utilizando bagazo
de caña como combustible, para evaporar un kilogramo de agua se determina de la siguiente
manera.
�� = �yp�pU�rU�t Ecuación 41
donde:
QD1= Calor disponible en primer efecto.
El calor disponible se calculó con la ecuación 31 y la cantidad de agua evaporada en cada efecto
con las ecuaciones 15, 17, 19 y 21. Para determinar la cantidad de combustible que se emplea para
evaporar un kilogramo de agua se emplea la siguiente ecuación.
�� �\������� ������ = �if�� Ecuación 42
El poder calorífico (PCC) cambia según el combustible empleado, el cual se muestra en la Tabla
1
2.7 REQUERIMIENTO ENERGÉTICO EN EL PROCESO PRODUCTIVO DE LA
PANELA.
Al implementar el sistema de evaporación múltiple efecto en el proceso productivo de panela, el
aprovechamiento energético aumentaría de manera significativa, puesto que el vapor producido
en la etapa de evaporación de los jugos de caña se estaría reutilizando. A continuación, se
realizan balances de masa y energía utilizando evaporación abierta y cerrada (múltiple efecto).
2.7.1 Balance en el molino.
Para determinar la caña necesaria se debe tener en cuenta el porcentaje de extracción y la
cantidad de jugo clarificado, los cuales se presentan en la siguiente ecuación:
P á g i n a | 50
Figura 33. Balance en la etapa de la molienda. Fuente: Cely 2011
>) = � ∗>c Ecuación 43
>c = >) +>2 Ecuación 44
La cantidad de impurezas o cachaza, corresponde al 4% de la masa total de la caña a utilizar:
>c� = 0,04>c Ecuación 45
Las etapas de clarificación y concentración se realizaron de manera abierta sin importar el tipo
de evaporación que se emplee.
2.7.2 Balance en la clarificación
Figura 34. Balance en la etapa de clarificación
Teniendo en cuenta que el flujo de cachaza retirado en la clarificación equivale al 2% y teniendo
en cuenta la Figura 34 se obtiene lo siguiente:
Balance global
��b = ��DPUmTY, Ecuación 46
P á g i n a | 51
donde:
Fjc= Flujo de jugos de caña que salen del molino. (kg/h)
Fácil=Flujo de jugos clarificados. (kg /h)
W0 = Flujo de agua evaporada en la etapa de clarificación. (kg /h)
Balance de jugos
��c = �ADP°dR!o�DP(°dR!o�a(Y,q°dR!o¡a) Ecuación 47
donde: °BrixJc= Sólidos solubles totales de los jugos de caña que salen del molino. °BrixJcl= Sólidos solubles totales de los jugos clarificados
°BrixFC= Sólidos solubles totales de la cachaza.
Balance de Energía.
��cℎ#c ++/)&/) = +/)ℎ/) +��c3ℎ�c3 + ��cℎ�c3 ++Y&Y Ecuación 48
donde:
hjc=entalpía de los jugos que salen del molino en kJ/kg.
Hsi=entalpía del vapor empleado en la clarificación en kJ/kg.
Wsi=Flujo de vapor empleado en la clarificación en kJ/kg.
hs1=entalpía de los condensados producidos en la clarificación en kJ/kg.
W0 = Flujo de agua evaporada en la etapa de clarificación. (kg /h)
H0=entalpía del vapor del agua evaporada en la clarificación en kJ/kg
hjcl=entalpía de los jugos clarificados en kJ/kg.
hjc=entalpía de la cachaza en kJ/kg.
P á g i n a | 52
2.7.3 Balance en Evaporación Cerrada
Figura 35. Balance en la etapa de evaporación con evaporación múltiple efecto.
Primer efecto
Balance global
�Y = %) + (�Y − %)) Ecuación 49
Balance de Energía.
%)(ℎ�)&)) +%Y,Y = �Y(ℎ¢) − ℎ�Y) Ecuación 50
donde:
F0= Jugos de caña clarificados en kg/h
Segundo efecto
Balance global
(�Y − %)) = %q + (�Y − %) − %q) Ecuación 51
Balance de Energía.
%)�,) − ℎ�) − ℎ�q� + %q(ℎ�q − &q),Y = �Y(ℎ¢q − ℎ�)) Ecuación 52
Tercer efecto
Balance global
(�Y − %) − %q) = %s + (�Y − %) − %q − %s) Ecuación 53
P á g i n a | 53
Balance de Energía.
%)�ℎ�s − ℎ�q� + %q�,q − ℎ�q + ℎ�s� + %s(ℎ�s −&s) = �Y(ℎ¢s − ℎ�q) Ecuación 54
Cuarto efecto
Balance global
(�Y − %) − %q − %s) = %s + (�Y − %) − %q − %s − %u) Ecuación 55
Balance de Energía.
%s�,s − ℎ�s + ℎ�u� + %q�ℎ�u − ℎ�s� + %)�ℎ�u − ℎ�s� + %u�ℎ�u − &u� = �Y(ℎ¢u − ℎ�s) Ecuación 56
2.7.4 Balance en Evaporación Abierta.
Figura 36. Balance en fase de evaporación.
Balance global
�b3 =£4 +> Ecuación 57
Balance de jugos
�c3 = [°dR!o¤°dR!oDP Ecuación 58
Balance de Energía.
�c3ℎc3 +%4,4 = >ℎ[ + %4ℎ4 Ecuación 59
P á g i n a | 54
2.7.5 Balance en Concentración.
Figura 37. Balance en fase de concentración
Balance global
> + %b =%4 + %b + f Ecuación 60
Balance de jugos
>°V��M[ = f°V��Mh Ecuación 61
Balance de Energía
>ℎ[ +%b,b = fℎh + %4ℎ4 Ecuación 62
donde:
M= Flujo mieles. (kg /h)
P= Flujo de panela. (kg/h)
VC =Flujo de vapor empleado en la etapa de concentración. (kg/h)
hM = entalpía de las mieles kJ/kg
hP = entalpía de la panela kJ/ kg
λC=Calor latente de vaporización del agua evaporada en la etapa de concentración. kJ/kg
he = entalpía del agua evaporada en la etapa de concentración. kJ/kg
Ve = Flujo de agua evaporada en la etapa de concentración. (kg/h)
La ecuación 27 permite determinar la entalpia de los jugos y mieles, es decir hasta 70 °Brix. Esto
indica que para la determinación de la entalpía del flujo de panela no aplica dicha correlación
puesto que los °Brix son aproximadamente 96. No obstante, suponiendo un estado en que las
P á g i n a | 55
mieles que se encuentran a 70°Brix se calientan hasta 123°C y posteriormente se evaporan
isotérmicamente, es posible reemplazar la Ecuación 61 por la Ecuación 62.
> ∗ ℎ[ +%b ∗ ,b = f � ���~)qs¥u + %4ℎ4 Ecuación 63
P á g i n a | 56
3 RESULTADOS EXPERIMENTALES
3.1 EXTRACCIÓN DEL MOLINO Y HUMEDAD DE BAGAZO.
Tabla 7. Resultados promedio de las mediciones obtenidas en la etapa de molienda para los dos
sistemas.
Variable Promedio S.D C.V
Extracción del Molino (%) 57% 0.00 0.01
Capacidad de molienda (kg/h) 2012 47.99 0.02
Capacidad real del molino (kg/h) 1132 69.91 0.06
Eficiencia real del molino (%) 56% 0.02 0.04
Humedad del Bagazo 49.59 10.43 0.21
Humedad del Bagazo salida molino 63.15 8.76 0.14
Bagazo real (kg/h) 634.5 64.34 0.10
Jugo crudo real (kg/h) 519.5 91.35 0.18 Bagazo seco real (kg/h) 473.9 61.37 0.13 Cachaza (kg/h) 14.12 2.14 0.15 Jugo real (kg/h) 519.9 69.37 0.13
Es importante resaltar que la etapa de la molienda no difiere por el tipo de tecnología, debido a
que el molino empleado en las dos tipologías de producción es el mismo, evidenciando
homogeneidad en los datos, a pesar de la variabilidad en los resultados de algunas variables.
La humedad del bagazo en la salida del molino corresponde al 63,15%, en promedio y a la
entrada de la caldera o la hornilla corresponde en promedio a 49,59%, debido a que el proceso de
secado del bagazo no es suficiente y se requiere mejorar el secado del bagazo para no afectar la
P á g i n a | 57
eficiencia del proceso. No obstante, el bagazo que sale de molino no presentó diferencia
importante en función de la tecnología. Sin embargo, se observa que la humedad del bagazo
empleada como combustible es mayor en el EME (Figura 28), debido a que al emplear este
sistema el bagazo tiene menor tiempo de secado antes de ingresar a la caldera.
Figura 38. Humedad del bagazo en los dos sistemas productivos de panela.
3.2 SÓLIDOS SOLUBLES TOTALES (°BRIX)
Figura 39. Comportamiento de los SST (°Brix) por proceso productivo.
6663
44
50
0
10
20
30
40
50
60
70
HORNILLA EME
Hu
me
da
d d
el
Ba
ga
zo (
)%
Tecnología
Humedad del bagazo a la salida del
molino (%)
Humedad del bagazo como
combustible (%)
18,4 18,422,2
67,3
92,8
18,4 18,4 19,1
68,4
92,8
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Jugos de caña Prelimpieza Clarificación Evaporación Concentración
Hornilla EME
P á g i n a | 58
Se evidencia un comportamiento homogéneo entre las mediciones realizadas durante la
evaluación en cada una de las etapas. Adicional a ello se evidencia poca variabilidad y
homogeneidad entre los datos, sin embargo, pese a que en la etapa de clarificación empleando
evaporación múltiple efecto los °Brix son menores, se evidencia un aumento significativo en la
etapa de evaporación.
3.3 CAPACIDAD DE PRODUCCIÓN Y CONSUMO DE BAGAZO.
En la Figura 40, se presenta la producción de panela en función de los sistemas productivos. Se
observa que la menor producción de panela se presenta en la tecnología tradicional, con un valor
de 129,5 kg de panela/h; mientras que al emplear EME en la producción de panela se observa un
aumento de 70,5 kg/h, indicando que la producción aumentó con el nivel tecnológico. Es
importante resaltar que, pese a la diferencia en producción, el rendimiento de panela es del 11%
en la hornilla y del 18% empleando evaporación múltiple efecto.
Figura 40. Producción de panela empleando los sistemas productivos en finca Santa Bárbara.
En la Figura 41 se presenta el consumo de bagazo por sistema productivo.
0
50
100
150
200
HORNILLA EME
kg
/h d
e p
an
ela
Tecnología
P á g i n a | 59
Figura 41. Consumo de bagazo empleando los sistemas productivos en finca Santa Bárbara
Del gráfico anterior se puede observar que con la hornilla se requiere un menor consumo de
bagazo con relación al evaporador múltiple efecto, sin embargo, es importante tener en cuenta la
humedad del bagazo ya que, si se emplea bagazo húmedo en la combustión, se presentará un
déficit en la demanda energética, lo cual ocasiona problemas ambientales, puesto que con el fin
de suplirla se emplean combustibles alternos como llantas o leña.
La relación entre el consumo de bagazo y la producción de panela se presenta en la Figura 42, de
la cual se puede observar que la hornilla presenta una relación de 3.3, mientras que el EME
presenta una relación de 2.3.
Figura 42. Relación entre el bagazo y la producción de panela por tecnología de producción�
430
440
450
460
470
480
HORNILLA EME
kg
de
Ba
ga
zo/h
Tecnología
Consumo de bagazo (kg/h) Bagazo producido real (kg/h)
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
HORNILLA EME
kg
de
Ba
ga
zo/k
g d
e P
an
ela
Tecnología
P á g i n a | 60
3.4 REQUERIMIENTO ENERGÉTICO.
En la Figura 43 se presentan los resultados obtenidos de los balances de materia enunciados en la
sección 2 del evaporador cuádruple efecto, con los cuales es posible determinar el requerimiento
energético de cada sistema productivo, los cuales se presentan en la Tabla 8.
Figura 43. Balance de masa en el sistema de evaporación múltiple efecto. Fuente García y
colaboradores (2012).
Tabla 8. Requerimiento energético en cada etapa productiva en función de la tecnología por kg de panela.
PARAMETRO
Etapa
Clarificación Evaporación Concentración
EME Hornilla EME Hornilla EME Hornilla
Capacidad Calorífica (kJ/kg°C)
0.02 0.03 0.02 0.03 0.01 0.02
Calor sensible (kW) 0.38 0.32 0.03 0.01 0.03 0.01
Calor latente (kW) 0.15 0.54 2.24 1.72 0.22 0.24
Calor total (kW) 0.54 0.89 2.28 1.75 0.27 0.27
P á g i n a | 61
Teniendo en cuenta el consumo de bagazo en cada sistema productivo con ayuda de la siguiente
ecuación se determina el calor suministrado en cada sistema, con la finalidad de terminar la
eficiencia en cada etapa
z/j? = b1�/j?1_�B�LC∗hbK�B�LCs¦YY Ecuación 64
donde:
Qsum: calor suministrado en la producción de panela (kW)
PCbagazo: Poder calorífico del bagazo (Tabla 1)
La eficiencia térmica es la relación que hay entre el calor aprovechado para la producción de panela y el
calor suministrado por el bagazo:
wS = ������ Ecuación 65
A continuación, se presenta la eficiencia global del proceso para los dos tipos de sistemas
productivos en la que se evidencia que al emplear un sistema de evaporación múltiple efecto, el
proceso de panela es más eficiente térmicamente, teniendo en cuenta el aprovechamiento de la
energía del vapor generado por los jugos de caña.
Figura 44. Eficiencia global del proceso en dos de los sistemas productivos de panela por kg de
panela.
3.5 GASES DE COMBUSTIÓN.
A continuación, se presentan las emisiones de los gases de combustión en la chimenea por hora.
0
20
40
60
80
HORNILLA EME
39
65
Efi
cie
nci
a T
erm
ica
(%
)
Tecnología
P á g i n a | 62
Tabla 9. Emisiones de gases en kg/h en función de tecnología de producción.
PARÁMETRO Hornilla EME
Dióxido de Carbono - CO2 (Kg/h) 349,3 337,81
Monóxido de Carbono - CO (Kg/h) 44,2 43,22
Oxigeno - O2 (Kg/h) 190,3 145,68
Hidrogeno - H2 (Kg/h) 93,8 52, 83
Óxidos de Nitrógeno - NOx (Kg/h) 241,1 204,20
La contaminación ambiental que provoca la obtención, transformación y utilización de la energía
para la producción de panela es causada por la emisión de gases de efecto invernadero como CO,
O2, y NOX producto de la quema del bagazo. En la tabla anterior se evidencia que al emplear
evaporación múltiple efecto se presenta menores emisiones que al emplear la hornilla como
sistema productivo. En cuanto a los contaminantes CO2 y NOX, las mayores emisiones también
se presentan al emplear la hornilla como sistema productivo, debido a que en este sistema se
consume menos bagazo que con el método de la hornilla. En la Figura 45 se presenta la
comparación de emisiones por kilogramo de panela producido en la que se evidencia que desde
el punto de vista ambiental al emplear evaporación múltiple efecto es mejor que al emplear la
hornilla.
Figura 45. Emisión de gases en función de la tecnología de producción.
En el Anexo 2 se plantea una optimización para la operación de evaporadores para la producción
de panela.
0,00
0,50
1,00
1,50
2,00
2,50
3,00
kg de CO2/
Kg panela
kg de CO/
Kg panela
kg de O2/
Kg panela
kg de H2/ Kg
panela
kg de NOx/
Kg panela
2,70
0,34
1,47
0,72
1,861,69
0,22
0,73
0,26
1,02
kg
de
ga
s/k
g d
e p
an
ela
HORNILLA
EME
P á g i n a | 63
4 CARACTERIZACIÓN DE PRODUCTO FINAL
Los parámetros de calidad del producto final obtenido en cada sistema productivo juegan un
papel importante para generar criterios de comparación entre los mismos. Con el objeto de poder
generar criterios válidos y habilitados por la normatividad de calidad de la panela, durante las
pruebas realizadas a los sistemas productivos se midieron los sólidos solubles totales de las
mieles obtenidas como parámetro de control de operación de proceso las cuales presentaron
concentraciones entre 68ºBrix y 72ºBrix. Estos valores obtenidos indicaban un buen desempeño
en los mismos.
Durante la evaluación realizada al sistema empleando evaporación múltiple efecto se identificó
que si los sólidos solubles totales estaban por debajo de 68ºBrix el equipo presentaba problemas
de incrustación generando una disminución de transferencia de calor, si por el contrario las
mieles salían muy concentradas era indicativo de que se estaba acabando el jugo clarificado o
que la presión del vapor de la caldera estaba muy alta lo que generaba un mayor grado de
evaporación del equipo.
Adicional al control de °Brix durante el proceso se tomaron muestras de la panela en bloque
obtenida durante los procesos productivos con la finalidad de cuantificar los siguientes
parámetros y generar criterios de comparación entre los mismos:
• Sólidos Solubles (°Brix)
• pH
• Sacarosa (%)
• Azúcares reductores (%)
• Sólidos Insolubles (%)
P á g i n a | 64
En la Tabla 10 se presentan los resultados obtenidos para cada etapa y tecnología cuyos
certificados se evidencian en el Anexo 1.
Tabla 10. Resultados de parámetros de calidad en la pre limpieza y encalado.
Ensayo Hornilla EME
Promedio S.D (%) C.V (%) Promedio S.D (%) C.V (%)
Sólidos Solubles (°Brix) 18.54 15 1 18.77 11 1
pH 5.67 14 2 5.56 8 1
Sacarosa (%) 16.6 13 1 17.1 11 1
Azúcares reductores (%)
1.8 10 5 1.3 12 8
Sólidos Insolubles (%) 0.45 8 14 0.52 9 14
Tabla 11. Resultados de parámetros de calidad en la clarificación
Ensayo Hornilla EME
Promedio S.D (%) C.V (%) Promedio S.D (%) C.V (%)
Sólidos Solubles (°Brix) 20.21 7 1 20.7 20 1
pH 6.1 8 1 6.015 11 2
Sacarosa (%) 18.2 10 7 18.75 23 1
Azúcares reductores (%) 1.8 13 13 1.45 11 8
Sólidos Insolubles (%) 0.59 8 8 0.66 8 15
Tabla 12. Resultados de parámetros de calidad en la evaporación
Ensayo Hornilla EME
Promedio S.D (%) C.V (%) Promedio S.D (%) C.V (%)
Sólidos Solubles (°Brix) 68.075 9 0.13 73.9 9 0.15
pH 5.59 8 1 5.72 8 1
Sacarosa (%) 59 7 0.12 62 7 0.1
Azúcares reductores (%) 6.2 11 2 5.4 11 2
Sólidos Insolubles (%) 0.7 3 15 0.18 3 15
Turbiedad (IU Turbidez) 15825.5 13 0 25801 13 0
Color (IU Color) 22037.5 12 0 24424 12 0
P á g i n a | 65
Tabla 13. Resultados de parámetros de calidad de la panela para cada sistema productivo
Ensayo Especificación Hornilla EME
Promedio S.D (%) C.V (%) Promedio S.D (%) C.V (%)
Sólidos Solubles (°Brix) Informativo 93.1 11 0.12 92.2 7 0.07
pH Informativo 5.96 11 2 5.94 12 2
Sacarosa (%) Máximo 83% 73 8 0.1 75 10 0.13
Azúcares reductores (%) Mínimo 5.5% 10.2 10 0.09 8.3 15 2
Sólidos Insolubles (%) Informativo 0.7 11 15 0.18 3 14
Turbiedad (IU Turbidez) Informativo 41623 10 0 37160 12 0
Color (IU Color) Informativo 34624 10 0 30496 7 0
Humedad (%) Informativo 8.3 13 2 8.8 11 1
P á g i n a | 67
5 COSTOS DE PRODUCCIÓN
Se realizó un análisis de los costos de producción de las dos tecnologías instaladas en la finca
Santa Bárbara teniendo en cuenta los costos de personal, energía eléctrica empleada, materia
prima e insumos empleados. La finca cuenta con una hornilla en la que se produce panela de
manera tradicional y tiene una capacidad de producción de 129.5kg/h de panela y un sistema de
evaporación múltiple efecto de producción de 200kg/h de panela. Por lo que se determinaron los
costos por capacidad de producción y finalmente presentar el costo total por kg de panela.
Se debe aclarar que la hornilla trabaja 24 horas, 5.5 días a la semana, mientras que el prototipo
del evaporador de cuádruple efecto durante las pruebas realizadas trabajó 12 horas diarias 5 días
a la semana. Sin embargo, para poder realizar el análisis, se supone que el productor está en
capacidad de suplir la cantidad de caña e insumos necesarios para poder trabajar 24 horas al día 5
días a la semana (120 horas semanales) con cualquiera de las dos tecnologías. En la Tabla 14 se
presentan las variables de operación que se deben tener en cuenta para realizar el análisis de
costos por tipología productiva.
Tabla 14. Variables operacionales en sistemas productivos de panela de la finca Santa Bárbara.
Variable Tecnología Hornilla EME
Horas trabajadas a la Semana 120
Producción de Panela (kg / h) 129.5 200
Producción de Panela (kg / Semana) 17.100 24.000
Eficiencia del Molino 60%
Concentración del Jugo (°Brix) 18
Concentración de la Panela (°Brix) 94
Semana (Días) 5 5
P á g i n a | 68
Una vez planteadas las condiciones de operatividad de cada sistema, se procede a analizar las
variables que afectan los costos del proceso en cada sistema productivo, las cuales se presentan a
continuación:
5.1 MATERIA PRIMA
Teniendo en cuenta las variables de la tabla anterior y teniendo en cuenta la diferencia de la
cantidad de producto final, se determina el requerimiento de caña de azúcar considerando la
cantidad de panela producida, la cantidad de jugo de caña empleado y la eficiencia del molino:
����������]\W�(�) = b@�[email protected]@�43@(S)∗b1�c4�SR@c!ó�.43@h@�43@b1�c4�SR@c!ó�.43#jk1 Ecuación 66
��ñ�(�) = b@�[email protected]�jk1Z�!c!4�[email protected]?13!�1 Ecuación 67
La materia prima principal es la caña de azúcar, con un costo de $60.000∗ la tonelada y
considerando la ecuación 64 y 65 se obtienen los requerimientos de caña para los dos procesos
objeto de análisis:
Tabla 15. Requerimiento semanal de materia prima para los procesos productivos.
Variable Tecnología
Hornilla EME
Caña de azúcar (t/sem) 135.3 208.9
El costo total de la materia prima se determina sumando el costo de todos los insumos requeridos
mediante la siguiente ecuación:
�����~����>������f�� �($) = ∑ ¨��\ �!�!©Y Ecuación 68
∗ Información suministrada por el productor los cuales tiene en cuenta todos los impuestos tales como IVA,
retenciones y otros.
P á g i n a | 69
Dentro de los insumos empleados en la producción de panela se encuentran la cal, y el balso el
cual no tiene costo para el productor. Para el prototipo del evaporador de múltiple efecto se
requiere además de soda caustica para la limpieza del equipo.
Al trabajar120h semanales se requieren aproximadamente 12kg de cal en el evaporador y de 4kg
en la hornilla. Cabe anotar que la limpieza del evaporador es realizada por el mismo personal de
la planta, al cual se capacitó para esto. En la Tabla 16 se presenta el costo total de materia prima
en función del proceso productivo.
Tabla 16. Costo de materia prima por proceso productivo.
Insumo Hornilla EME
Caña de Azúcar ($) $ 8,930,000 $12,533,333
Insumos Y Empaque ($) $750,700 $888,000
Costo Total ($) $9,680,700 $13,421,333
5.2 MANO DE OBRA:
Se considera dentro de la mano de obra todas las personas que participan en las actividades de
corte, recolección y transporte (CAT) y su costo se determina con la siguiente ecuación:
����������($) = %���������� ª $04R/1�@« ∗ #f������� ∗ #�í�������®���� Ecuación 69
Tabla 17. Costo mano de obra CAT por sistema productivo.
Labor Valor diario ($/persona)
Días trabajados
Hornilla EME
No. De Personas
Costo Labor ($)
No. De Personas
Costo Labor ($)
Corte 23,183 6 10 1,391,000 14 1,947,400
Alce y transporte
20,000 6 7 840,000 10 1,200,000
Silleros 13,500 6 4 324,000 6 486,000
Costo mano de obra CAT ($) 2,555,000 3,633,400
P á g i n a | 70
El costo de la mano de obra de las personas que participan en las actividades de fabricación de
panela se determina considerando el salario semanal por cada persona y el número de personas
que intervienen en cada actividad:
����������($) = ��������� ���� ∗ #f������� Ecuación 70Tabla 18. Costo de mano semanal de obra por actividad en cada sistema productivo.
Labor Hornilla EME
Salario Semanal Personal Costo Total ($) Salario Semanal Personal Costo Total ($)
Molienda $200,000 4 $800,000 $200,000 4 $800,000
Clarificación $200,000 2 $400,000 $200,000 2 $400,000
Evaporación $200,000 2 $400,000 $300,000 2 $600,000
Concentración $200,000 4 $800,000 $200,000 4 $800,000
Caldera $300,000 0 $ 0 $300,000 2 $600,000
Supervisor $250,000 2 $500,000 $250,000 2 $500,000
Empaque $110,000 4 $440,000 $110,000 4 $440,000
Aseo $110,000 1 $110,000 $110,000 1 $110,000
Costo Total Producción ($) $3,450,000 $4,250,000
El costo total de la mano de obra se determina como la suma del costo de todo el personal que
interviene en las actividades de corte, recolección y transporte (CAT) y en las actividades de
producción:
�����~����>�����¯���($) = ������£~($) + �����f���\NN�ó�($) Ecuación 71En la Tabla 19 se presenta el costo total de mano de obra asociados a la producción de panela,
los cuales se determinaron con la Ecuación 70:
P á g i n a | 71
Tabla 19. Costo de mano de obra por sistema productivo
Hornilla EME
Costo Total CAT ($) 2,555,000 3,633,400
Costo Total Producción ($) 3,450,000 4,250,000
Costo Total Mano de Obra ($) 6,005,000 7,883,400
5.3 COSTO DE ENERGÍA
El costo de energía se determinó con el recibo de electricidad de un mes utilizando el método de
Hornilla dos semanas y comparando el recibo de electricidad de un mes utilizando dos semanas
el método de Hornilla y dos semanas el método EME
�����������Wí�(&�������)($) = b1/S1 ���\��Z�4Rkí@^1R�!33@($)q°4?@�@/ Ecuación 72
�����������Wí�(&�������)($) = $1.700.0002�� ����
C����������Wí�(&�������) = $850.000
�����������Wí�(�>�)($) = b1/S1[4�/j@3Z�4Rkí@(b1/S1?4�/j@3Z�4Rkí@^1R�!33@q°4?@�@/ Ecuación 73
�����������Wí�(�>�)($) = $2.800.000 − $850.0002�� ����
�����������Wí�(�>�)($) = $975.000
En la Tabla 20 se presenta el costo total de energía el cual se determina de acuerdo a la siguiente
ecuación.
�����~����������Wí�($) = �����������Wí� + ������������ó� Ecuación 74
P á g i n a | 72
Tabla 20. Costo total de energía en los sistemas productivos
Hornilla EME
Costo de Energía ($) 850,000 975,000
Costo del Carbón ($) 497,405 349,920
Costo Total de Energía ($) 1,347,405 1,324,920
5.4 COSTOS INDIRECTOS
5.4.1 ALIMENTACIÓN
A todo el personal se le provee alimentación a un costo de $8.000∗ el plato por 5 días para el
personal de Corte, Recolección y Transporte (CAT) y 5 días para el personal de producción, el
día adicional no se da alimentación al personal.
Tabla 21. Costo de alimentación de la mano de obra por sistema productivo
Alimentación Valor Unitario
($) No. Días
Hornilla EME
Personal Costo Total ($) Personal Costo Total ($) $ 8,000 5 40 $ 1,600,000 255 $ 2,040,000
5.4.2 ALQUILER DE LA TIERRA
El valor de alquiler de la tierra se determina considerando la productividad de la tierra por
hectárea, el requerimiento de tierra semanal y que después de cada corte hay un ciclo de espera
antes del nuevo corte de la caña de azúcar. La productividad por jornada se determina con la
Ecuación 75 una vez determinada la productividad mensual con la Ecuación 74:
f���\N������� ª S�@∗?4/« =
hR1.jcS!�!.@.( H³�∗DFDPC)
b!c31(?4/4/) Ecuación 75
f���\N������� ª S�@∗#1R�@.@« =
hR1.jcS!�!.@.( H³�∗�G)
q/4?@�@//?4/ Ecuación 76
∗ Información suministrada por el productor los cuales tiene en cuenta todos los impuestos tales como IVA,
retenciones y otros.
P á g i n a | 73
El requerimiento de tierra y el alquiler de tierra por jornada se determinan de la siguiente
manera:
i�µ\��� �����(ℎ�) = b@�[email protected]@ñ@.4{lúc@R(S)hR1.jcS!�!.@.ª H
AC�Q�E�∗³�« Ecuación 77
£�µ\����~����� ª $�1R�@.@« =
{3·j!34RO!4RR@( $�G∗³�)
q¸G��Q��G∗ i�µ\��� �����(ℎ�) Ecuación 78
Se determina la productividad de cada hectárea por cada jornada de trabajo de acuerdo a la
ecuación 75
Tabla 22. Productividad de hectárea por jornada de trabajo en cada sistema productivo
Alquiler Tierra ($/mes*ha) 70,000
Productividad (t/ciclo*ha) 130.5
Ciclo (Meses) 18
Productividad (t/mes*ha) 7.25
Productividad (t/jornada*ha) 3.625
Se determina el requerimiento de tierra por jornada de trabajo para la cantidad de caña necesaria
en cada jornada de trabajo
Tabla 23. Requerimiento de tierra por jornada laboral según sistema productivo
Hornilla EME
Requerimiento (ha) 41.1 57.6
Alquiler Tierra ($/jornada) $1,437,011 $2,016,858
5.4.3 TRANSPORTE DE LA CAÑA DE AZÚCAR
El transporte final se realiza en mulas (Se les paga $5.000 pesos diarios, pero por facilidad de
cálculo se determinó el número de mulas requeridas y el valor semanal cancelado), este valor se
considera como flete mula:
P á g i n a | 74
Tabla 24. Costo de mulas por semana en cada sistema productivo
Labor Valor ($/Semana) Hornilla EME
No. De mulas Costo ($) No. De mulas Costo ($)
Flete mula $30,000 21 $630,000 30 $900,000
5.5 MANTENIMIENTO
El mantenimiento general de la planta tiene un costo fijo para ambos procesos de fabricación y el
mantenimiento específico para equipos y la estructura donde se soportan los mismos de
determina de la siguiente manera:
>������ ���������Ní��N�($) = b1/S1.431/4·j!01/($))q¹ñº» % ������ ����� Ecuación 79
El porcentaje de mantenimiento es una provisión del 2.5% de la depresión de 12 años del equipo
teniendo en cuenta los requerimientos del productor. En el proceso de Hornilla se toma un valor
de costo de los equipos de $380.000.000 dado por los dueños de este tipo de plantas, y en el
proceso EME se toma el valor de acuerdo a los valores obtenidos en la siguiente Tabla 25. Los
costos de mantenimiento general de la planta ascienden a $250.000 por semana de trabajo y el
mantenimiento específico se determina de acuerdo a la Ecuación 78.
Tabla 25. Costo total de inversión de equipos en el EME
ITEM Cantidad Valor Unitario Valor Total
Estructuras 1 $22,371,263 $22,371,263
Equipos
Clarificadores 2 $3,000,000 $6,000,000
Evaporadores 5 $9,028,000 $45,140,000
Concentradores 4 $3,500,000 $14,000,000
Piscina de enfriamiento 1 $10,000,000 $10,000,000
Caldera (con tk de condensado, ciclón, bombas y ventiladores)
1 $180,000,000 $180,000,000
Planta eléctrica de emergencia 1 $40,000,000 $40,000,000
Bombas de refrigeración 2 $780,000 $1,560,000
Bombas de jugos y mieles 2 $1,200,000 $2,400,000
Tanques Colectores 3 $769,000 $2,307,000
Tanques de jugos 2 $2,145,000 $4,290,000
P á g i n a | 75
Tanques de mieles 2 $4,600,000 $9,200,000
Condensador Barométrico 1 $2,500,000 $2,500,000
Tubería y Accesorios 1 $112,091,224 $112,091,224
TOTAL EQUIPOS Y ESTRUCTURA ($) $451,859,487
Tabla 26. Mantenimiento especifico de cada sistema por jornada de trabajo.
Porcentaje de mantenimiento 2.5%
Costo de los equipos (Hornilla)($) $ 380,000,000
Costo de los equipos (EME)($) $ 451,859,487
Mantenimiento específico (Hornilla) ($/jornada) $ 791,667
Mantenimiento específico (EME) ($/jornada) $ 941,374
5.6 COSTO TOTAL DE PRODUCCIÓN
En la Tabla 27 se presentan los costos totales de producción semanal de panela por kilogramo
producido para cada una de las tecnologías instaladas en la finca Santa Bárbara.
Tabla 27. Costos totales de producción por sistema productivo.
Hornilla EME
Costos Directos
Mano de Obra $6,005,000 $7,883,400
Materia Prima $9,680,700 $13,421,333
Energía $1,347,405 $1,324,920
SUB TOTAL ($) $17,033,105 $22,629,653
Costos Indirectos
Insumos $300,000 $400,000
Alimentación $1,920,000 $2,280,000
Mantenimiento General $250,000 $250,000
Mantenimiento Específico $791,667 $941,374
Flete Mula ($) $630,000 $900,000
Alquiler tierra ($) $1,437,011 $2,016,858
P á g i n a | 76
SUB TOTAL ($) $5,328.678 $6,788,232
TOTAL ($) $22,361,783 $29,417,886
kg Panela Producidos 17.100 24.000
TOTAL ($/kg de panela) $1,308 $1,226
Tabla 28. Costo por kg de panela en cada sistema productivo.
Parámetro Hornilla EME
Costos Directos
Mano de Obra $351 $328
Materia Prima $566 $559
Energía $79 $55
SUB TOTAL ($) $999 $943
Costos Indirectos
Insumos $18 $17
Alimentación $112 $95
Mantenimiento General $15 $10
Mantenimiento Específico
$46 $39
Flete Mula ($) $37 $38
Alquiler tierra ($) $84 $84
SUB TOTAL ($) $312 $283
TOTAL ($) $1,308 $1,226
P á g i n a | 77
6 ANÁLISIS DE RESULTADOS
La evaluación de las variables independientes se realizó teniendo en cuenta trabajos antecesores
los cuales permitieron dar puntos de partida para el desarrollo adecuado de la evaluación de las
dos tipologías de producción instaladas en la Finca Santa Bárbara. La medición de variables se
llevó a cabo teniendo en cuenta una evaluación completamente al azar partiendo de las unidades
de estudio realizando tres repeticiones en cada una con la finalidad de evidenciar el
comportamiento de las mismas y estabilidad del proceso. Por tal motivo cada evaluación fue
desarrollada durante el funcionamiento de las mismas sin afectar la operación productiva.
Se evidenció un porcentaje de extracción del molino del 57%, no obstante, según García y
colaboradores el porcentaje de extracción de los molinos en la Hoya del Río Suarez no supera el
60% de extracción, por lo que se determina que el molino se encuentra dentro de los rangos
normales de operación.
La etapa de la molienda y pre limpieza no presentan ninguna diferencia significativa al emplear
diferentes sistemas productivos, teniendo en cuenta que la principal diferencia se genera en la
etapa de evaporación.
El bagazo generado en la etapa de la molienda es empleado como combustible para los sistemas
productivos por lo que se dispone de una zona de apronte cuya finalidad es secar el bagazo y
mejorar la eficiencia de proceso. Los resultados experimentales evidencian que la humedad del
bagazo a la salida del molino es del 63.15% y al ser empleado como combustible del 49.59%,
perdiendo 13.56% de humedad. No obstante, durante la evaluación realizada al emplear
evaporación múltiple efecto el bagazo fue empleado con mayor humedad observando mayor
eficiencia en el proceso sin emplear combustibles alternos que emiten contaminantes al ambiente
teniendo en cuenta el aprovechamiento de energía en la etapa de evaporación.
P á g i n a | 78
La relación de consumo de bagazo en función de la producción de panela evidencia una
diferencia entre las dos tecnologías (Hornilla 3.3, evaporador múltiple efecto 2.3), en donde la
hornilla requiere mayor consumo puesto que en la etapa de evaporación requiere ceder mayor
energía para la concentración de los jugos. Por otro lado, al emplear el evaporador múltiple
efecto se aprovecha el vapor generado por los jugos, requiriendo menor consumo de bagazo
durante el proceso. Por lo que se deduce que la hornilla no es autosuficiente y requiere del uso de
otros combustibles que generen la energía requerida por el proceso, teniendo en cuenta que para
que un sistema sea autosuficiente relación del consumo de bagazo debe ser inferior a 2.52.
El bagazo sobrante al emplear evaporación múltiple efecto, puede ser empleado en este sistema
siempre y cuando se opere de manera alterna la hornilla, de lo contrarios es indispensable la
generación de nuevas alternativas para el uso de bagazo, tales como compostaje, alimentación
animal o generación de carbón vegetal que eviten contaminación o acumulación del mismo.
Los °Brix de los jugos de caña dependen dela variedad de caña a procesar, sin embargo, se
evidencia que para las dos tecnologías productivas el comportamiento de los °Brix es constante y
no presenta diferencias significas entre ellas. No obstante, con la finalidad de realizar
seguimiento al proceso es indispensable controlar los °Brix en cada etapa puesto que si se
encuentra bajo posiblemente el equipo presente incrustaciones en el área de intercambio de calor
evitando la transferencia efectiva de energía en el proceso.
Al emplear el sistema productivo con evaporación múltiple efecto se evidencia un incremento
del 35% en la producción de panela, puesto que se pasa de 17.100 kg/semana de panela con el
método de la hornilla a 24.000 kg/semana, adicional a ello se evidencia una disminución del
tiempo de operación de 5.5 días/semana a 5 días/semana, lo cual es asociado a las condiciones de
diseño y estabilidad de proceso.
Teniendo en cuenta que el requerimiento energético es menor al emplear evaporación múltiple
efecto como sistema productivo, se evidencia que las emisiones de gases de efecto invernadero
disminuyen. Adicional a ello al emplear el sistema tradicional es necesario que el bagazo
2 GARCÍA BERNAL, Hugo R., PEÑA HOLGUÍN, Adriana Carolina, LÓPEZ ZARAZA, Ricardo Andrés, DURÁN SÁNCHEZ, Elizabeth, LÓPEZ NAVARRETE, Eduardo. Identificación De Necesidades De Desarrollo Y Puesta A Punto Del Sistema De Evaporación Multiefecto Para Producción De Panela. CORPOICA 2011. 18 P.
P á g i n a | 79
empleado tenga una etapa de pre-secado disminuyendo las emisiones de agua por los gases de
combustión, muestras que al emplear evaporación múltiple efecto no es indispensable disminuir
la humedad del bagazo, pues este ingresa húmedo a la caldera generando un aumento de
concentración de agua a la salida de los gases.
Con respecto a la calidad del producto final, los Sólidos Solubles (°Brix) no presenta cambios
considerables para ambos procesos de fabricación y cada etapa, indicando que esta propiedad se
ve afectada por la calidad de caña empleada y los jugos de entrada mas no por las condiciones de
operación. Así mismo el pH tampoco presenta variaciones mayores a 0.5 unidades para cada
etapa y cada proceso debido a la adición de sustancias reguladoras de pH y a que no se
incrementa la formación de ácidos orgánicos (Prada 2015) por tener propiedades de entrada
similares.
La panela producida se moldeo en bloques, sin embargo, es importante resaltar que las
tendencias del mercado apuntan al consumo de panela granulada, por lo que se evidencia y/o
recomienda la producción de la panela granulada principalmente por las características físicas de
la panela obtenida en el evaporador múltiple efecto.
La configuración del proceso de fabricación con el método evaporación múltiple efecto permite
que la reacción de reducción de la Sacarosa (Azúcares No Reductores) no se vea favorecida al
presentarse un menor tiempo de calentamiento dentro del proceso. Adicional a ello la
concentración de azúcares reductores (Glucosa y Fructosa) es menor debido a la influencia que el
pH, la temperatura (Kornvalai, 2008) y el tiempo (Manzano, 2005) tienen en la reacción de
inversión de la sacarosa.
La concentración de sólidos insolubles es menor con el método EME debido a las condiciones de
entrada de las materias primas y a la filtración realizada al jugo obtenido en la molienda, esto
también influye en las propiedades de turbiedad y color, las cuales son mejores en el método
EME teniendo en cuenta que durante la etapa de evaporación no se han iniciado los procesos de
coloración por descomposición del azúcar invertido, el cual es dado por acción de calor, y el
proceso de sustancias álcalis usadas empleadas para el control del pH, los cuales en la se
evidencia que la turbiedad y el color son mayores debido a que por efecto del tiempo se
incrementa la sacarosa, y por lo tanto la obtención de mayor cantidad de azúcares reductores
P á g i n a | 80
permiten que estos se descompongan (Manzano, 2005) y generen una mayor coloración con el
paso del tiempo a una temperatura y pH determinados (Bonney y Thomas, 1972)
Comparando los resultados de contenido de sacarosa y azúcares reductores de la panela
producida con ambos métodos, se observa que en ambos casos se cumple con lo establecido en el
decreto 779 de 2006, sin embargo su afectación en la sensación final del producto no es
relevante, pues a pesar que el dulzor relativo de la fructosa es mayor al de la sacarosa (Rakoff y
Norman, 1980) la sensación final va a ser una panela más dulce y es el cliente el que valorará
dicha propiedad; de igual forma la coloración y la turbiedad aunque se consideran propiedades
informativas, es la percepción del cliente la que asigna dicho valor de calidad pues se ha
observado que el personal que participa en las actividades de fabricación consideran una panela
con una mejor calidad por su coloración oscura, mientras que el cliente de exportación asume
esta variable de calidad por la coloración clara.
En la operación con el sistema EME se observa un incremento en la mano de obra requerida (11
personas más en todas las actividades incluyendo la obtención de la caña de azúcar), se pasa de
40 a 51, pero este aumento se compensa con la mayor producción, pues el número operarios por
tonelada de panela se reduce levemente: 2.35 empleados/tonelada para el sistema tradicional,
2.13 para el sistema evaporación múltiple efecto. Así mismo, observa una relación directa entre
el incremento de la mano de obra y los gastos de alimentación, sin embargo, se evidencia que
dicho aumento no afecta el costo final de la panela debido al incremento en la producción,
permitiendo que el costo de salarios sea 6.5% menor por kg de panela producida y el costo de
alimentación sea 15.4 menos por kg de panela producida con respecto al método de hornilla.
Con la configuración actual del método de fabricación evaporación múltiple efecto, se evidencia
un aumento en el consumo de energía por la mayor molienda de caña de azúcar, sin embargo, se
disminuye el consumo de carbón con respecto al método hornilla y por ello el costo final de la
energía es 29.9% menor; de igual forma a pesar de requerir mayor cantidad de equipos y una
inversión inicial superior, el costo de mantenimiento por kg de panela producida es 28.8% menor
debido al incremento del 40% en la producción de panela.
Al comparar los costos de producción por kilogramo de panela se evidencia que el kilogramo de
panela al emplear evaporación múltiple efecto es $82 (6%) menor que al emplear el sistema
P á g i n a | 81
tradicional. Indicando que desde el punto de vista de costos al emplear el sistema de evaporación
múltiple efecto se tiene mayor capacidad de producción a menor costo unitarios, por lo que se
recomienda al productor de la finca Santa Bárbara el empleo continuo del sistema productivo con
evaporación múltiple efecto. No obstante, para poder realizar una comparación se plantea el
siguiente escenario en el que se asume la misma cantidad de producción de panela, es decir, si
produzco 24.000kg semana con un ahorro de $82 el ahorro mensual será de $3.936.000,
indicando que al año el ahorro será de $47.232.000. Por lo tal si la inversión inicial de una planta
productora de panela con evaporación múltiple efecto es de $451.859.487,70 (López,2016) la
recuperación de la inversión para un productor que no cuenta con un sistema de evaporación
múltiple efecto estaría retornando en 9.5 años.
Teniendo en cuenta las emisiones generadas al ambiente (Tabla 9), se evidencia que al emplear
el sistema múltiple efecto se disminuye la difusión de gases de efecto invernadero al ambiente.
Por lo tanto, para poder determinar el ahorro de emisiones de gases de efecto invernadero al
ambiente se emplea la siguiente ecuación, cuyos resultados se presentan en la Tabla 29.
%� �������@�1RR@.@/ = Z?!/!1�4/Z[Z(¼k//4?@�@)(Z?!/!1�4/�1R�!33@(¼k//4?@�@)Z?!/!1�4/Z[Z(¼k//4?@�@) Ecuación 80
Tabla 29. Emisiones semanales por etapa productiva y emisiones ahorradas.
Hornilla EME % Emisiones
ahorradas
Dióxido de Carbono - CO2
(Kg/semana) 469.3 457.81 3%
Monóxido de Carbono - CO
(Kg/semana) 164.2 163.22 1%
Oxigeno - O2
(Kg/semana) 310.3 265.68 17%
Hidrogeno - H2
(Kg/semana) 213.8 172.83 24%
Óxidos de Nitrógeno - NOx
(Kg/semana) 361.1 324.2 11%
P á g i n a | 82
Por lo anterior se puede evidenciar que se presenta una disminución significativa de emisiones al
ambiente que no solo pueden generar contaminación ambiental, sino que a su vez puede
presentar oxidación a la maquinaria empleada ya que genera el 17% menos de Oxigeno ionizado.
P á g i n a | 83
7 CONCLUSIONES
Los costos de producción para la fabricación de panela equivalen a $1.308/kg de panela al
emplear el sistema tradicional y $1.226/kg de panela al emplear evaporación múltiple efecto
teniendo en cuenta:
• El costo de mano de obra/Kg de panela equivale a $351 en el sistema tradicional y a $328
en el evaporador múltiple efecto.
• El costo de materias primas/kg de panela equivale a $566 pesos en el sistema tradicional
y a $559 en el evaporador múltiple efecto.
• El costo de energía eléctrica/kg de panela en el sistema tradicional es de $50 y en
tradicional es de $41. Al emplear combustibles alternativos para el arranque de la planta
(Carbón) en la hornilla es de $29 y para el evaporador múltiple efecto es de $15.
• El costo de insumos/kg de panela en el sistema tradicional es de $18 y $17 en el
evaporador múltiple efecto.
• La alimentación/kg de panela para los trabajadores tiene un costo de $112 para el sistema
tradicional y $95 al emplear evaporación múltiple efecto.
• El mantenimiento general/ kg de panela es de $15 en el sistema tradicional y el en
evaporador múltiple efecto $10. Mientras que el especifico es de $46 y $39
respectivamente.
• El costo de flete de mula/kg de panela equivale a $37 en el sistema tradicional y $38 para
el evaporador múltiple efecto.
• El alquilar de la tierra/kg de panela corresponde a $312 en el sistema tradicional y $283
en el evaporador múltiple efecto.
P á g i n a | 84
La eficiencia térmica del sistema de evaporación múltiple efecto es del 65% y en el sistema
tradicional es de 39%, evidenciado que al emplear evaporación múltiple efecto la energía
suministrada al proceso es mayormente aprovechada principalmente en la etapa de evaporación.
La energía mínima requerida en el proceso productivo de la panela equivale a 558.30kW al
emplear evaporación múltiple efecto y 349.36kW con el sistema tradicional. Ésta, fue
determinada teniendo en cuenta el punto mínimo de producción desde el punto de vista
energético el cual se obtiene al tomar como referencia la mayor concentración de sólidos
solubles totales (°Brix) de los jugos de caña obtenidos durante la evaluación, es decir, 19.1 y
91°Brix∗ para la panela producida debido a que en este punto se requiere menor energía para la
evaporación de agua, es decir, menor requerimiento energético.
La panela producida por los dos métodos de fabricación cumple con las especificaciones de
calidad definidas para el sistema (decreto 779 de 2006) con los siguientes resultados:
• Los sólidos solubles totales (°Brix) al emplear el sistema tradicional presenta 93.1 °Brix
con un porcentaje de variación de 0.12% y al emplear evaporación múltiple efecto se
tuvieron °Brix de 92.2 con variaciones del 0.07%.
• El pH presento un porcentaje de variación del 2% entre los resultados obtenidos siento
de 5.96 para el sistema tradicional y 5.94 para el evaporador múltiple efecto.
• El % de sacarosa se encuentra en un orden de 73% para la panela producida en el sistema
tradicional y 75% para la panela producida en el evaporador múltiple efecto con
coeficientes de variación del 0.1% y 0.13% respectivamente.
• El % de azucares reductores es de 10.02% con un porcentaje de variación del 0.09% para
la panela del sistema tradicional y 8.3% para la del evaporador múltiple efecto con una
variación del 2%.
• El color y la turbiedad de la panela no presentó % de variación entre los datos obtenidos
y sus valores son de 41623 y 34624 para la obtenida en el sistema tradicional y 37160 y
30496 para el evaporador múltiple efecto respectivamente.
∗ Según decreto 779 de 2016, la concentración mínima de los sólidos soluble totales (°Brix) es 91.
P á g i n a | 85
• Los sólidos insolubles al emplear el sistema tradicional son de 0.7% con una variación
del 11% y 0.18% para el evaporador múltiple efecto con una variación del 14%
• La humedad de la panela en el evaporador múltiple efecto es de 8.3% y para la del
evaporador múltiple efecto es de 8.8 con porcentajes de variación del 2% y 1%
respectivamente.
Se evidencia un incremento del 35% en la capacidad de producción de panela al emplear el
sistema de evaporación múltiple efecto con una diferencia de 70kg/h con respecto al proceso
tradicional de panela, reduciendo la jornada laboran en un día. Adicional a ello al implementar
evaporación múltiple efecto se generan emisiones de 2.7 kg de CO2/ kg de panela y 0.34 kg de
CO/ kg de panela para el sistema tradicional y para en el sistema múltiple efecto se generan 0.34
kg de CO2/ kg de panela y 0.22 kg de CO/ kg de panela disminuye en 1.01kg de CO2 y 0.12kg
de CO por cada kg de panela producido con el evaporador múltiple efecto.
El producto obtenido en los dos sistemas no presenta variación en los sólidos soluble totales
(°Brix), adicionalmente, la totalidad de parámetros de calidad permiten determinar que en los dos
sistemas productivos la panela cumple con los requisitos de calidad definidos (Decreto 779 de
2006).
El sistema de evaporación múltiple efecto al tener un consumo de 2.3 kg de bagazo/ kg de panela
es autosuficiente desde el punto de vista energético mientras que el sistema tradicional no lo es,
al requerir 3.3 kg de bagazo/ kg de panela, con una humedad del 63.15%.
El sistema de evaporación múltiple efecto al ser autosuficiente energéticamente y teniendo en
cuenta la configuración del sistema genera un sobrante de bagazo lo que se traduce en una
posible fuente de ingreso para el productor.
El costo unitario de fabricación de panela mediante el sistema de evaporación múltiple efecto es
6% menor con respecto al sistema tradicional, es decir $82 menos por unidades, indicando que:
• El ahorro anual al emplear el sistema múltiple efecto equivale a $47.232.000.
P á g i n a | 86
• Teniendo en cuenta el ahorro económico obtenido por el cambio de tecnología, el retorno
de la inversión se logra en 9.57 años, sin contar con la utilidad generada por la venta de la
panela.
• El ahorro obtenido se ve reflejado en el incremento de la utilidad si se mantiene el precio
de venta por kg de panela.
Las emisiones de gases de efecto invernadero al ambiente disminuyen al emplear el evaporador
múltiple efecto teniendo en cuenta que la quema de bagazo es menor, puesto que solo se requiere
vapor de agua proveniente de la caldera al primer efecto en la etapa de evaporación, adicional a
ello al emplear este sistema no se requiere el uso de combustibles alternativos para mejorar la
transferencia de calor en el proceso.
P á g i n a | 87
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Cimpa En Hornillas Paneleras. Universidad Industrial de Santander. Bucaramanga 2004. Anexo
C.
P á g i n a | 90
9 ANEXOS
ANEXO 1. CERTIFICADOS DE EXPEDICIÓN DE ANÁLISIS DE JUGOS, MIELES Y PANELA
P á g i n a | 91
P á g i n a | 92
ANEXO 2. OPTIMIZACIÓN DE LA OPERACIÓN DE EVAPORADORES PARA LA
PRODUCCIÓN DE PANELA.
Con la finalidad de determinar las condiciones de operación que mejoren la viabilidad
económica y el uso de vapor en los sistemas productivos de panela, se plantea el siguiente
algoritmo de solución evidenciado en la Figura 46 considerando los siguientes escenarios:
• Sistema de evaporación abierta, empleando vapor proveniente de una caldera como
medio de calentamiento.
• Sistema de evaporación cerrado cuádruple efecto, que emplea vapor proveniente de una
caldera como medio de calentamiento, dividiendo las presiones de manera uniforme en
los efectos.
• Sistema de evaporación cerrado cuádruple efecto, que emplea vapor proveniente de una
caldera como medio de calentamiento, optimizando el sistema mediante funciones de
conveniencia.
• Sistema de evaporación cerrado cuádruple efecto, que emplea vapor proveniente de una
caldera como medio de calentamiento, minimizando el consumo de bagazo.
Para realizar la optimización de parámetros y minimizar el costo de vapor en los sistemas
productivos, se deben tener en cuenta las siguientes restricciones:
Tabla 30. Restricciones empleas en la optimización de condiciones en sistemas productivos de panela.
Restricción 1 Restricción 2 Restricción 3
20 ≤Pclar ≤100 20 ≤P0 ≤100 20 ≤Pconc ≤100
-9 ≤ P4 ≤ P4 ≤ P4 ≤ P4 ≤10
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Iniciar
CÁLCULO DE TRANSFERENCIA GLOBAL DE TRANSFERENCIA DE
CALOR EN CADA EFECTO Ui
Terminar
No
SUPOSICIÓN DE LA PRESIÓN DE CADA
EFECTO Pi
SUPOSICIÓN DE LA CONCENTRACIÓN
DE SALIDA DE CADA EFECTO Xj
CÁLCULO DE LA TEMPERATURA DE CADA EFECTO Ti
CÁLCULO DEL CALOR LATENTE DE VAPORIZACIÓN EN CADA EFECTO λi
SOLUCIÓN DEL BALANCE DE ENERGÍA.SE OBTIENE:AGUA EVAPORADA EN CADA EFECTO ViJUGO CONCENTRADO QUE SALE DE CAD EFECTO miVAPOR REQUERIDO Vo
CÁLCULO DE LA CONCENTRACIÓN A LA SALIDA DE CADA EFECTO, MEDIANTE
EL BALANCE DE ENERGÍA Xj i+1
EL VALOR DE CONCENTRACIÓN SUPUESTO ES IGUAL AL VALOR DE CONCENTRACIÓN
CALCULADO POR EL BALANCE DE MATERIA?Xji+1=Xj
SI
CÁLCULO DE CALOR A TRANSFERIR EN CADA UNO
DE LOS EFECTOS Qj
CÁLCULO DEL AREA DE TRANSFERENCIA DE CALOR
EN CADA EFECTOAi
Figura 46. Algoritmo de solución para los sistemas productivos de panela. Fuente: Autor
Las funciones objetivo de la optimización giran en torno a minimizar costos de vapor y equipo y
se plantean de la siguiente manera:
�) = +c3�c3 ++4�4 ++c�c Ecuación 81
�q = £c3�{c3 + £4�{4 + £c�{c Ecuación 82
donde:
Wi = Flujo de vapor
Ci = Costo del vapor
CAi = Costo del equipo i
P á g i n a | 94
Ai = Área del equipo i
Con la finalidad de resolver el problema de optimización, se aplica un método multi-objetivo,
considerando una variable de conveniencia (di) para cada función: F1 corresponde a la función
objetivo para minimizar el costo de vapor y F2 corresponde a la función objetivo para minimizar
la inversión inicial. Estas funciones de conveniencia se definen de la siguiente manera:
�) =ª �p��½(�p�p��½(�p�FQ«
s
�) = 1, �) < �)?!��) = 0, �) > �)?@o
Ecuación 83
�q =ª �r��½(�r�r��½(�r�FQ«
s
�q = 1, �q < �q?!��q = 0, �q > �q?@o
Ecuación 84
Las funciones de conveniencia normalizan las variables de optimización, siendo 1 el valor
deseado y 0 el valor poco deseado, esto implica que para ambas funciones se desea tener el valor
de 1, por ende, la función objetivo al agrupar dichas variables, se expresa de la siguiente manera,
donde se busca maximizar la función objetivo que incluye el costo de capital y el consumo de
bagazo:
2
1
viv
ii
OF d=
∑= ∏ Ecuación 85
donde vi es la importancia dada a cada función dentro de la función objetivo total.
La optimización se resolvió con un algoritmo evolutivo (OPTIMTOOL), para 7 variables con
una población de 200 individuos y una tolerancia de 1x10-12.
Los resultados obtenidos se resumen en las siguientes figuras:
P á g i n a | 95
Figura 47. Consumo de vapor en las distintas etapas productivas de panela.
Figura 48. Bagazo sobrante en los procesos optimizados.
Los resultados muestran que, en cualquier escenario, es mucho mejor usar un sistema de múltiple
efecto, que un sistema que usa evaporación abierta, lo cual se debe a la gran cantidad de energía
que se envía al ambiente en este tipo de sistemas, energía que es recuperada en un sistema de
múltiple efecto minimizando el uso de combustible.
Dentro de los escenarios propuestos, se observa la minimización en los consumos de vapor, y el
bagazo requerido con respecto al escenario en donde las presiones se distribuyen uniformemente.
El escenario en donde se minimiza el consumo de bagazo muestra menores consumos, sin
embargo, las áreas de transferencia de calor se hacen muy grandes, hasta tal punto de ser
imposible de implementar en la realidad.
P á g i n a | 96
Por esto se hace necesario el uso de las funciones de conveniencia, debido a que tiene en cuenta
las 2 funciones objetivo (inversión inicial y costo de los consumos de vapor), y lleva a resultados
que son aplicables a la realidad.
Aunque los resultados muestran una minimización del consumo de bagazo y los consumos de
vapor mayor en el escenario en donde se minimiza el consumo de bagazo, es indispensable hacer
un análisis del experto para ver si realmente es el escenario que se debe aplicar en la planta. Este
es el caso en donde a partir de un análisis profundo del resultado de las optimizaciones, se escoge
llevar a la realidad el escenario en donde se optimiza la función de deseabilidad
CONCLUSIONES.
Las condiciones de operación óptimas para la planta de producción de panela en evaporación
cerrada son las correspondientes al escenario en donde se optimiza las funciones de deseabilidad
propuestas y correspondes a los siguientes valores:
P1 (PSIg) 20 Acl (in2) 22,67
P2 (PSIg) 20
Ae (in2) 116,04
P3 (PSIg) 7,78 P4 (PSIg) 0,73 P5 (PSIg) -4,5 P6 (PSIg) -8,99
P7 (PSIg) 40 Ac (in2) 207,58
El sistema de producción de panela usando evaporación cerrada cuenta con las siguientes
ventajas:
� Menor consumo de vapor que se traduce en menor costo por el servicio de vapor
� Menor uso de bagazo, lo que genera mayores excedentes de bagazo que pueden ser
usados en procesos secundarios
� Menores emisiones al ambiente, tanto en el vapor que es enviado al ambiente, como en
los gases de combustión resultantes de quemar menos bagazo para suplir energéticamente
el sistema de producción de panela.
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ANEXO 3. DIAGRAMA DE FLUJO DE PROCESO PFD. (CORPOICA, 2014)
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ANEXO 4. DIAGRAMA DE INSTRUMENTACIÓN Y TUBERIA PI&D. (CORPOICA, 2014)
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ANEXO 5. MANUAL DE OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO. (CORPOICA, 2014)
1. DESCRIPCIÓN DE LA PLANTA DE PROCESAMIENTO
La planta de producción de panela a vapor con evaporación de múltiple efecto procesa la caña de azúcar para la producción de panela. Inicialmente hay una etapa de molienda donde se extrae el jugo de la caña de azúcar y al mismo tiempo se produce bagazo. Las etapas siguientes de procesamiento en la planta (clarificación, evaporación y concentración) se describen a continuación.
1.1. CLARIFICACIÓN La planta recibe jugo crudo y decantado (por medio de pre limpiadores tipo CIMPA) en una paila clarificadora a una temperatura aproximada de 25°C, una concentración de solidos solubles de 18°Brix y en promedio 1.300 kg por lote. La paila clarificadora tiene un serpentín de calentamiento por donde circula vapor proveniente de la caldera. Para controlar la cantidad de vapor hay una válvula de globo, y un manómetro para la presión. Como elemento adicional hay instalada una válvula de seguridad de 30 psig, la cual no permite sobrepasar esta presión.
Una vez el jugo cubre por completo el serpentín, se hace ingresar vapor y se inicia el calentamiento. Para la limpieza del jugo se agrega el mucílago de balso, y para regular el pH se emplea bicarbonato de sodio.
Cuando la primera paila se ha llenado de jugo, se transfiere a una segunda paila en donde sigue el proceso de calentamiento y una parte del agua se evapora. Por medio de flotación se retiran impurezas que se van separando por efecto de la ebullición. Posteriormente, el jugo de caña limpio (clarificado), se envía a la etapa de evaporación. La concentración del jugo a la salida de la clarificación oscila entre 19 y 25°Brix.
1.2. EVAPORACIÓN En la fase de evaporación se retira agua al jugo de caña de azúcar hasta lograr una concentración aproximada de 70°Brix.
En esta etapa el jugo de caña clarificado cae a un tanque pulmón, donde una bomba lo transporta hacia unos filtros, y luego al primer efecto. El equipo de evaporación consta de 4 efectos conectados en serie. El jugo ingresa al primer cuerpo en donde se calienta con vapor proveniente de la caldera hasta alcanzar la ebullición. El vapor que se desprende del jugo se transfiere al segundo cuerpo para utilizarlo como medio de calentamiento. El jugo concentrado del primer cuerpo o efecto, cae por un sifón y entra al segundo cuerpo. Este proceso se repite en el tercer y cuarto cuerpo.
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El vapor generado en el cuarto cuerpo es enviado a un condensador barométrico, en el cual se condensa y se genera el vacío necesario para la operación de la planta. El sistema de vacío cuenta con piscinas de enfriamiento y bombas que hacen circular agua por el condensador barométrico.
La miel concentrada cae a un tanque colector, donde se analiza la concentración de sólidos solubles con un refractómetro (°Brix). Si la concentración de la miel es adecuada, se envía a los tanques de almacenamiento. Si la miel no tiene la concentración adecuada, se recircula al tanque pulmón.
Las condiciones de operación promedio de la planta de producción de panela son:
Capacidad de producción 200 kg/h de panela
Concentración del jugo crudo a la entrada 18°Brix
Concentración de la miel a la salida del evaporador 70°Brix
Temperatura de entrada 20°C
Capacidad de procesamiento de jugo 1.000 kg/h
Cantidad de caña requerida 1.800 kg/h
Las condiciones de operación máximas de la planta de producción de panela son:
Capacidad de producción 250 kg/h de panela
Concentración del jugo crudo a la entrada 15°Brix
Concentración de la miel a la salida del evaporador 80°Brix
Temperatura de entrada 20°C
Capacidad de procesamiento de jugo 1.300 kg/h
Cantidad de caña requerida 2.300 kg/h
1.3. CONCENTRACIÓN
Para la producción de panela se realiza una etapa de concentración, en la cual se retira agua a la miel empleando concentradores calentados con vapor.
El calentamiento en la concentración se hace lo más rápido posible hasta lograr la temperatura de punteo la cual se muestra en un panel de control en la zona de concentración. Entonces se detiene el calentamiento y la meladura se deposita en una batea
101
P á g i n a | 101
donde es agitada manualmente hasta obtener las condiciones necesarias para la obtención de panela.
2. OPERACIÓN DE LA PLANTA
2.1. CLARIFICACIÓN
PRIMER RECIPIENTE DE CLARIFICACIÓN:
• El primer recipiente de clarificación se llena con jugo hasta un nivel que corresponde a un volumen aproximado de 1.300 litros.
• Cuando el jugo cubre el serpentín de la paila se inicia el calentamiento abriendo la válvula de globo para permitir el ingreso de vapor a dicha sección.
• Al inicio, se debe tener abierta la válvula de Bypass de la trampa de vapor (ubicada en la parte posterior de la paila).
• Una vez ha pasado cierta cantidad de vapor (durante 30 segundos aproximadamente), se cierra la válvula de Bypass de la trampa de vapor. Esto se debe realizar únicamente la primera vez que llega el jugo a este recipiente, en las otras cochadas de jugo a calentar, no es necesario realizar esta operación debido a que la trampa de vapor ha sido purgada y ya no hay presencia de aire o condensado frio dentro de los serpentines.
• Controlar la presión de vapor entre 10 y 20 psig.
• Cuando el jugo llegue a una temperatura de 60°C, agregar el balso necesario para su clarificación.
• Si la presión supera los 30 psig, la válvula de seguridad se activa. En dicho caso, cerrar la válvula de suministro de vapor hacia dicha paila hasta que la válvula de seguridad se cierre por sí sola.
• Cuando el jugo alcance una temperatura entre 80 y 90°C, cerrar la válvula de calentamiento y abrir la válvula de paso al siguiente recipiente de clarificación.
SEGUNDO RECIPIENTE DE CLARIFICACIÓN:
• Esperar hasta que el jugo cubra la sección tubular (serpentín) del segundo recipiente de clarificación.
• Iniciar el paso de vapor hacia el serpentín del segundo recipiente, manteniendo abierta la válvula de Bypass de la trampa de vapor.
• Después de 30 segundos aproximadamente cerrar la válvula de Bypass de la trampa de vapor. Esta operación se debe realizar únicamente en la primera cochada.
• Mantener una presión entre 5 y 20 psig, usando la válvula de globo y el manómetro instalado en el serpentín del segundo recipiente.
• Si la presión del serpentín supera los 30 psig, la válvula de seguridad se dispara. En dicho caso, cerrar el paso de vapor por medio de la válvula de globo.
• Durante el calentamiento, la cachaza se remueve por medio de flotación empleando un cazo. Agregar bicarbonato de sodio para ajustar el pH del jugo de caña hasta un valor de 6.
• Una vez el jugo se encuentre limpio se envía al tanque pulmón tan pronto se active la alarma de
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jugo ubicada en la zona de clarificación.
2.2. EVAPORACIÓN
Para iniciar cualquier operación en la planta de evaporación, es necesario encender el PLC y el computador de control de la planta. Para ello se activan los tacos en el tablero de distribución de energía, y el taco al interior de la caja que contiene el PLC. También se debe verificar la conexión del PLC con el Reuter a través del cable de red.
Una vez verificadas las conexiones, se debe encender el computador y conectarse a la red del Reuter llamada “SANTA BARBARA”. Iniciar el programa “PAC DISPLAY RUNTIME” donde aparece la interfaz de usuario para la operación de la planta.
AVISO: ANTES DE INICIAR LA OPERACIÓN CON JUGO DE CAÑA SE DEBE
ENJUAGAR EL INTERIOR DE LOS EFECTOS CON AGUA CALIENTE, CON EL FIN
DE ELIMINAR TRAZAS DE QUÍMICOS EMPLEADOS EN LA LIMPIEZA U OTRA
IMPUREZA PRESENTE.
El jugo proveniente de la etapa de clarificación llega al tanque pulmón (Tk-102, Figura 1). En
dicho tanque se mide la concentración de sólidos solubles del jugo con el fin de establecer el
flujo de operación hacia el evaporador.
2.2.1. CONTROL DE NIVEL EN EL TANQUE PULMÓN
El tanque pulmón contiene un sensor de nivel bajo y un sensor de nivel alto. En la interfaz de usuario, en el computador, se puede observar el tanque pulmón con los dos sensores de nivel (Figura 1). Si el color del sensor bajo esta en rojo indica que el nivel de jugo en el tanque pulmón está muy bajo y es necesario el ingreso de jugo clarificado para continuar la operación. Si el color del sensor alto está en verde significa que el tanque ha alcanzado su capacidad máxima de llenado y es necesario suspender el flujo de jugo hacia el tanque pulmón.
103
P á g i n a | 103
Figura 1. Tanque pulmón (Tk-102)
En la zona de clarificación de jugo se encuentra una alarma sonora y visual conectada al PLC, la cual le avisa al operario de clarificación el momento de abrir o cerrar la válvula de paso de jugo hacia el tanque pulmón.
La activación de la alarma se visualiza con el Botón “Alarma Jugos” (Figura 1): Si se encuentra en color blanco (inactivo) la alarma en la zona de clarificación está apagada. Si el botón está en color verde (activo), la alarma en la zona de clarificación se encuentra activada.
La alarma tiene un modo MANUAL y otro AUTOMÁTICO (Figura 1), y se controla con el botón MODO: si este botón se encuentra en “MANUAL”, el operario de la planta de evaporación debe dar clic sobre el botón “Alarma Jugos” para activarla e indicar que se requiere jugo o que el tanque está lleno.
Si el botón se encuentra en modo “AUTO” la alarma se activa automáticamente: Cuando los dos sensores de nivel se encuentran en rojo (nivel mínimo del tanque), la alarma le indica al operario de clarificación que debe abrir la válvula de paso de jugo hacia el tanque pulmón para poder continuar la operación; Cuando los dos sensores de nivel se encuentran en verde (nivel máximo de llenado del tanque), la alarma le indica al operario de clarificación que debe cerrar la válvula de paso hacia el tanque pulmón para evitar el rebose de jugo.
2.2.2. CONTROL DE PRESIÓN EN LOS FILTROS
El sistema de control de presión de los filtros se muestra en la Figura 2.
P á g i n a | 104
Figura 2. Diagrama del tanque pulmón y los filtros de jugo. TK–102: Tanque pulmón de jugo clarificados, P–101: Bomba para recirculación del tanque pulmón (limpieza con soda), P–105: Bomba de presión para los filtros (operación
con jugo), A: Filtro de jugo, B: Filtro de jugo, V: Válvulas varias
La bomba P-101 se utiliza para realizar labores de limpieza en los evaporadores (ya que es de acero inoxidable), o cuando no se vayan a utilizar los filtros. La bomba P-105 se emplea para el jugo de caña de azúcar. Dicha bomba no es de acero inoxidable por lo tanto en labores de limpieza NO debe ser operada ya que se utilizan sustancias químicas agresivas (soda caustica y ácido fosfórico).
Para la operación con los filtros se usa la bomba P-105, la cual tiene un variador de velocidad que controla la presión dentro de los filtros. Antes de iniciar la operación de los filtros, se debe asegurar que las mangas de filtrado se encuentren adecuadamente instaladas y los tornillos de la tapa que forman el sello en el filtro estén debidamente colocados. El control de la presión en el filtro se muestra en la interfaz de usuario (Figura 3):
Figura 3. Control de presión de los filtros desde el PLC
a) El botón superior – izquierdo controla el modo en que se operan los filtros:
105
P á g i n a | 105
• Modo MANUAL: la velocidad de la bomba de los filtros se fija introduciendo en el botón inferior izquierdo un valor entre 0% (bomba completamente detenida) y 100% (máxima velocidad de la bomba). En la parte inferior derecha se muestra la presión después de los filtros que corresponde a la velocidad designada por el operario. En el modo MANUAL el botón “SP: ### PSIg” no tiene incidencia sobre la bomba.
• Modo AUTOMÁTICO: La velocidad de la bomba se controla automáticamente hasta igualar el valor correspondiente a la presión colocada por el usuario en el botón “SP: ### PSIg” o Set Point. En el modo AUTOMÁTICO la presión después de los filtros (mostrada en la parte inferior derecha de la Figura 3), igualará la presión del Set Point ingresada por el usuario, siempre y cuando la bomba sea capaz de producir la presión deseada.
Para el inicio de la operación con los filtros se deben seguir los siguientes pasos (Figura 2):
• Verificar que las siguientes válvulas se encuentren cerradas: V-109, V-198, V-200, V-199.
• Verificar que la válvula de acceso de jugo hacia la bomba de los filtros esté abierta: V-195.
• Seleccionar el filtro a operar (A o B). Si el filtro a operar es el A, se deben abrir las válvulas V-191 y V192 y cerrar las válvulas V-196, V-193 y V-194. Si el filtro a operar es el B, se deben abrir las válvulas V-193 y V-194 y cerrar las válvulas V-197, V-191 y V192.
• Colocar el modo del control de presión de los filtros en MANUAL. • Colocar el porcentaje de velocidad de la bomba en 50%. • Iniciar la bomba de los filtros haciendo clic sobre la bomba P–105 en la interfaz de
usuario en el computador (Figura 4). • Esperar que la presión después de la bomba aumente por encima de 5 psig, lo cual
puede ser observado en la parte inferior derecha de la Figura 3. • Una vez se evidencie el incremento de la presión de la bomba, colocar el Set Point en
20 psig y cambiar el modo a AUTOMÁTICO.
• La presión se controlará automáticamente al valor colocado en Set Point
P á g i n a | 106
Figura 4. Bomba P-105 en la interfaz de usuario
• Cuando la velocidad de la bomba llega a 80%, significa que la manga filtrante se ha saturado y se debe proceder al cambio de filtro para continuar la operación y a la limpieza de la manga. Se recomienda cambiar las mangas filtrantes cada 6 horas, así no se haya alcanzado su saturación, con el fin de garantizar la inocuidad del proceso.
• Para el cambio de filtro durante la operación se procede de la siguiente forma (Figura 2): Si está operando el filtro A y se va activar el B, primero se abre la válvula V-193 hasta que el filtro B se llene con jugo (mantener cerrada la válvula V-197). Luego se abre la válvula V-194 y se cierran las válvulas V-191 y V-192. Si está operando el filtro B y se desea activar el A, primero se abre la válvula V-191 hasta que el filtro A se llene con jugo (mantener cerrada la válvula V-196). Luego se abre la válvula V-192 y se cierran las válvulas V-193 y V-194.
2.2.3. CONTROL DEL FLUJO DE JUGO
El sistema de control de flujo de jugo se compone de los elementos mostrados en la Figura 5.
Figura 5. Diagrama del control del flujo de jugo. FTI 02: Medidor de flujo de jugo de caña, V-114: Válvula automática de bola con motor, V-112 y V-111: Válvulas tipo mariposa, V-113: Válvula de compuerta para el control del flujo (sin el
uso de la válvula automática).
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P á g i n a | 107
En la interfaz de usuario, el control de flujo se muestra de la siguiente forma (Figura 6):
Figura 6. Control de flujo del jugo en la interfaz de usuario
El control de flujo de jugo puede operar en dos modos: MANUAL o AUTOMÁTICO, el cual se define haciendo clic sobre el botón superior izquierdo.
• En el modo MANUAL se controla directamente el porcentaje de apertura de la válvula V-114. De esta forma, el usuario puede ingresar el porcentaje de apertura de la válvula en el botón inferior izquierdo (Figura 6), valor que permanecerá fijo hasta que el usuario lo modifique. En la parte inferior derecha se mostrará el flujo de jugo correspondiente al porcentaje de apertura definido por el operario. El botón superior derecho “SP: ### l/h”, en el modo MANUAL, no tiene incidencia sobre la válvula.
• En el modo AUTOMÁTICO, se controla automáticamente la válvula V-114 para lograr un flujo de jugo. El operario define el flujo de jugo en el botón superior derecho “SP: ### l/h” o Set Point. A medida que se realiza el control automático del flujo, el valor se va visualizando en la parte inferior derecha (Figura 6) de tal forma que se iguala dicho valor con el del Set Point.
Para el inicio del control de flujo del jugo se deben seguir los siguientes pasos:
• Colocar el modo de control de flujo de jugo en MANUAL. • Abrir la válvula hasta un 15% (hacer clic en el botón inferior izquierdo). • Colocar el Set Point del flujo de jugo en 850 Litros/hora (hacer clic en el botón
superior derecho). • Iniciar la bomba y control de presión en los filtros de acuerdo al numeral 2.2.2. • Verificar que exista flujo de jugo hacia el primer efecto, esto se observa en la parte
inferior derecha de la Figura 6, o directamente en el medidor de flujo. • Cambiar el modo de control de flujo de jugo a AUTOMÁTICO. • Verificar que el flujo de jugo se controle de acuerdo al valor del Set Point ingresado.
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• El lazo de control del flujo de jugo tiene un tiempo de respuesta de 30 segundos aproximadamente. Esperar en promedio este tiempo para observar que efectivamente el control del flujo de jugo se esté llevando a cabo.
2.2.4. CONTROL DE PRESIÓN EN LA ETAPA DE EVAPORACIÓN
En la Figura 7 se muestra el control de presión en el primer efecto:
Figura 7. Esquema del control de presión de vapor en el primer efecto
Para la evaporación del jugo de caña en los efectos se ingresa vapor proveniente de la caldera siguiendo el procedimiento:
• Verificar que al primer efecto le ingrese jugo de caña o agua, según sea el caso de operación o limpieza.
• Al iniciar la operación, las válvulas V-118, V-119 y V-120 deben estar cerradas. • Verificar que la válvula V-123 esté abierta. • Verificar que el paso de vapor hacia la caldera esté cerrado (válvula V-121 cerrada).
Esto se hace oprimiendo la flecha hacia abajo que se encuentra en el control de presión de la interfaz de usuario (Figura 8).
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P á g i n a | 109
Figura 8. Control de presión en el primer efecto mostrada en la interfaz de usuario
• Iniciar el paso de vapor hacia la válvula de regulación abriendo las válvulas V-118 y V-119.
• Abrir la válvula de regulación de vapor haciendo clic en la flecha hacia arriba (cinco veces) que se encuentra en la interfaz de usuario (Figura 8)
• Después de 30 segundos aproximadamente, cerrar la válvula de Bypass de la trampa de vapor V- 123.
• Verificar que la presión se controle en un valor, la cual aparece en la interfaz de usuario como Regulado (Figura 8).
• Regular la presión de entrada al primer efecto con las flechas de control de presión del vapor (Figura 8); la presión se muestra al lado izquierdo de los botones de control. En el inicio de la operación se debe controlar la presión regulada de tal modo que la presión en el primer efecto llegue a un valor aproximado a 6 psig.
• Tan pronto como se vaya acumulando miel en el tanque colector, se debe medir su concentración, la cual debe estar entre 68 y 72°Brix.
• Si la concentración de la miel está por debajo de este rango, es necesario aumentar la presión de vapor regulada al primer efecto (Figura 8) o disminuir el flujo de jugo que entra al primer efecto (numeral 2.2.3).
• Si la concentración de la miel está por encima de este rango, es necesario disminuir la presión de vapor regulada al primer efecto (Figura 8), o aumentar el flujo de jugo que entra al primer efecto (numeral 2.2.3). El indicador de Presión de la Caldera de la Figura 8 cambia de color de la siguiente forma:
• Si la presión de la caldera se encuentra entre 80 y 125 psig, el indicador se muestra en color VERDE. Este rango de presión es el adecuado para la operación de la planta.
• Si la presión de la caldera es superior a 125 psig, el indicador se muestra en ROJO. Arriba de dicha presión la válvula de seguridad se abre para proteger la caldera, y se desperdicia vapor y genera ruido. Para evitar que la válvula de seguridad se active, una vez el indicador se encuentre en ROJO (P caldera>125psig), se debe avisar al operario de la caldera que haga los correctivos pertinentes (reducir la generación de
P á g i n a | 110
presión de vapor apagando los ventiladores de la caldera). También se puede arrojar vapor al ambiente de manera controlada usando la válvula destinada para tal fin, ubicada en la línea de vapor cerca a la estación reguladora de presión. Si la válvula de seguridad se dispara, conservar la calma. Esto ocurre como proceso normal cuando la presión de la caldera es muy alta. Se debe abrir la válvula para arrojar vapor al ambiente de forma controlada y así ayudar a estabilizar la presión de la caldera. Esperar a que la válvula de seguridad de la caldera se cierre por sí sola.
• Si la presión de la caldera es menor a 80 psig, el indicador estará ROJO debido a que la operación del evaporador puede afectarse. El operario del evaporador deberá alertar al de la caldera para que actué en la recuperación de la presión de vapor. Si durante la operación de la planta hay caídas en la presión de vapor de la caldera, es necesario disminuir el flujo de jugo, siempre y cuando la disminución de presión no sea abrupta. Si la presión de la caldera se encuentra por debajo de 50 psig, se recomienda parar la operación de la planta de evaporación mientras que el operario de la caldera hace los correctivos necesarios para lograr la presión adecuada y continuar la producción.
2.2.5. SISTEMA DE CONDENSACIÓN Y VACÍO
Para el funcionamiento del evaporador es necesario iniciar el sistema de condensación y vacío una vez el jugo de caña se encuentren en ebullición en el primer efecto. En la Figura 9 se muestra el sistema de condensación y vacío que aparece en la interfaz gráfica de usuario. A continuación, se indica el procedimiento a seguir:
• Iniciar la bomba P-103 que da paso de agua fría desde las piscinas de enfriamiento, hacia el condensador barométrico. Para iniciar la bomba se hace clic sobre la bomba (Figura 9). La bomba en color rojo indica que se encuentra apagada, y en azul que está encendida.
• Verificar el flujo de agua hacia el condensador barométrico. Para ello se cuenta con un contador de agua en la tubería de entrada. Se debe medir el tiempo para que pasen 100 litros de agua, lo cual normalmente demora aproximadamente entre 40 y 50 segundos.
• Verificar el llenado de la piscina que inunda el pie barométrico del condensador. Esta piscina se encuentra en el primer piso de la planta de evaporación.
• Una vez la piscina del pie barométrico se encuentre llena se enciende la bomba P-104, la cual transporta el agua caliente hacia las piscinas de enfriamiento.
• Verificar la disminución de la presión en el último efecto. El condensador barométrico se muestra en dos colores dependiendo el vacío generado para la operación (Figura 9). Cuando el color del condensador barométrico es VERDE indica que el vacío generado es adecuado para la operación del evaporador. Cuando se muestra en color ROJO
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indica que no se ha logrado un vacío adecuado para la operación. Se debe revisar la succión de la bomba en las piscinas, purgar el aire en la tubería aflojando el tornillo de la bomba destinado para tal función, y verificar nuevamente el flujo de agua.
Figura 9. Bombas para el sistema de condensación y vacío. P-103: bomba agua fría, P-104: bomba agua caliente
2.2.6. RECIRCULACIÓN O ALMACENAMIENTO DE MIEL
Cuando la miel tiene una concentración < 60°Brix, no se debe enviar a los tanques de almacenamiento. Dicha miel diluida debe ser reprocesada dentro del equipo de evaporación, y para ello se cuenta con un botón de recirculación (Figura 10).
Figura 10. Recirculación o almacenamiento de miel
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Si el botón contiene el texto “RECIRCULACIÓN”, la miel será regresada al tanque pulmón. Si el botón muestra “DECANTADORES”, la miel será enviada a los tanques de almacenamiento.
2.2.7. PROCEDIMIENTO DE OPERACIÓN EN EL SISTEMA DE EVAPORACIÓN
La mayoría de válvulas y componentes en la planta de evaporación se manejan a través de la interfaz de usuario. Para el inicio de la operación se deben seguir los siguientes pasos:
• Antes de enviar jugo clarificado al tanque pulmón se debe verificar que las válvulas de salida del tanque (V-109 y V-198) se encuentren cerradas (Figura 2).
• Verificar que el tanque pulmón tenga jugo suficiente para iniciar la operación. • Iniciar la operación de los filtros de acuerdo al numeral 2.2.2. Controlar la presión de
los filtros en 20 psig. • Iniciar el paso de jugo hacia el primer efecto de acuerdo al numeral 2.2.3. Controlar
inicialmente el flujo de jugo en 850 litros/hora. • Esperar que el jugo inunde el primer cuerpo de los evaporadores, lo cual se puede
verificar observando por la ventanilla del efecto. • Abrir las válvulas de Bypass de trampas de vapor que se encuentran a la salida de
condensados del primer y segundo efecto. • Iniciar el flujo de vapor hacia el primer efecto, tal como se describe en el numeral
2.2.4. Verificar que la presión de vapor se regule en 20 psig aproximadamente. • Cerrar la válvula de Bypass de la trampa de vapor que se encuentra a la salida del
primer efecto. • Iniciar el sistema de condensación y vacío de acuerdo al numeral 2.2.5.
• Ir a la interfaz de usuario y mover las flechas que controlan la presión de vapor que entra al primer cuerpo. Mantener la presión del primer efecto en 6 psig aproximadamente.
• Verificar el calentamiento del segundo efecto, lo cual se puede hacer mirando a través de la ventanilla del efecto la ebullición del jugo, o por medio de la temperatura del efecto correspondiente en la interfaz de usuario.
• Cuando se observe la salida de vapor en el tanque de condensado del primer efecto, cerrar la válvula de Bypass de la trampa de vapor que se encuentra a la salida del segundo efecto.
• Esperar a que el tren de evaporadores alcance la estabilidad, la cual se encuentra con: P1=4 psig, P2=1 psig, P3=-7inHg, P4=-17inHg.
• Verificar que la temperatura en el cuarto efecto se encuentre entre 74°C y 78°C, lo cual garantiza una concentración de la miel a la salida cercana a 70°Brix.
• Medir y verificar la concentración de la miel en el tanque colector, lo cual se debe realizar cada vez que se inicia el llenado del tanque colector, con el fin de garantizar que la miel tenga la concentración adecuada para ser enviada a los tanques de
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almacenamiento. • Si la concentración de la miel se encuentra fuera del rango establecido, modificar las
variables de presión de vapor de entrada al primer efecto y/o flujo de jugo (numerales 2.2.3 y 2.2.4).
• Si la concentración de la miel en el tanque colector es satisfactoria, se puede enviar la miel a los tanques de almacenamiento. Verificar antes que las válvulas se encuentren dispuestas para enviar la miel a los tanques de almacenamiento o al tanque pulmón, según el numeral 2.2.6.
2.3. CONCENTRACIÓN
Para la fase de concentración de la miel hay 3 concentradores como se describe en la Figura 11.
Figura 11. Diagrama de un concentrador. HE-109: Concentrador de miel con chaqueta y serpentín. V-181: Válvula de mariposa para el ingreso de miel proveniente de los tanques de almacenamiento. V-183: Válvula de ingreso de vapor a la chaqueta del concentrador. V-182: Válvula de seguridad a 80 psig. V-189: Trampa de vapor. V-190: Válvula de Bypass de la trampa de vapor. V-184: Válvula de bola de descarga de miel concentrada.
Para la operación de concentración, inicialmente se programa en el tablero de control una temperatura a la cual se va obtener la miel para la producción de panela. Posteriormente, se realiza el siguiente procedimiento:
• Verificar que la válvula de salida del concentrador (V-184) se encuentre cerrada. • Verificar que la válvula de Bypass se encuentre abierta. V-190. • Abrir la válvula de ingreso de miel V-181 hasta llenar el concentrador hasta el
volumen deseado. • Iniciar el calentamiento del concentrador abriendo la válvula de vapor V-183. • Esperar 15 segundos mientras el vapor purga toda la chaqueta del concentrador. • Cerrar la válvula de Bypass V-190.
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• Agregar el aceite necesario para que la miel no rebose durante su concentración. • Mantener la presión del concentrador por debajo de 80 psig. Si la presión sobrepasa
dicho valor se abre la válvula de seguridad V-182. En dicho caso se debe cerrar un poco la válvula V-183 y abrir la válvula de Bypass V-190 por 5 segundos, hasta que la válvula de seguridad se cierre.
• Mantener el calentamiento hasta que la temperatura alcance el valor definido por el operario, lo cual se verifica con la señal sonora del tablero de control de temperaturas indicando que la operación de concentración ha finalizado.
• Una vez se alcanza la temperatura deseada, se suspende el calentamiento cerrando la válvula V- 183, y se abre la válvula de Bypass V-190.
• Ubicar una batea en la descarga de la válvula V-184. • Abrir la válvula V-184 para descargar toda la miel del concentrador.
3. MANTENIMIENTO DE LA PLANTA 3.1. CLARIFICACIÓN
Durante la clarificación, las impurezas presentes en el jugo crudo y el regulador de pH (bicarbonato de sodio) se van depositando sobre el serpentín de calentamiento del clarificador. Para continuar con una operación adecuada se debe limpiar dicho serpentín cada 48 horas. Hacer el siguiente procedimiento:
• Cerrar la válvula de entrada de vapor al clarificador. • Retirar los tornillos de las bridas que conectan la entrada de vapor y la salida de los
condensados, usando llaves de 3/4" (tener precaución con las superficies calientes). • No remueva el empaque de asbesto que se encuentra en las bridas, a no ser que se
encuentre en mal estado y en dado caso deberá ser reemplazado. • Una vez desatornillado el serpentín se retira del clarificador y se procede a su limpieza
usando una esponja metálica. • Utilizar ácido fosfórico al 10% cuando los depósitos se encuentren adheridos a los
serpentines y luego lavar con agua limpia. Utilizar guantes para la manipulación del ácido.
• Ubicar los serpentines de calentamiento dentro del clarificador, y colocar y apretar los tornillos.
• Abrir el Bypass (ubicada en la parte posterior de la paila). • Abrir la válvula de paso de vapor al serpentín y verificar fugas en la unión de los
empaques. Si existe fuga se deben apretar los tornillos. • Si no hay fuga visible, llenar el clarificador con jugo de caña para continuar la
operación.
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3.2. EVAPORACIÓN 3.2.1. LIMPIEZA DEL TANQUE PULMÓN
Durante la operación de la planta el tanque pulmón va quedando impregnado de suciedad que arrastra el jugo clarificado. Para garantizar la inocuidad del proceso se recomienda limpiar el tanque pulmón cada 24 horas de acuerdo al siguiente procedimiento:
• Colocar en modo “MANUAL” el sistema de control de nivel del tanque pulmón (ver numeral 2.2.1), con el fin de evitar el envío de jugo clarificado hacia el tanque pulmón durante la operación de limpieza. Con el mismo propósito, comunicarle al operario de clarificación sobre la limpieza del tanque.
• Esperar hasta que el nivel bajo del tanque pulmón marque en rojo.
• Continuar el bombeo de jugo hasta que físicamente la bomba no contenga líquido para seguir bombeando (el flujo se aproxime a 0 litros/hora).
• Cambiar a modo “MANUAL” el sistema de control de flujo de jugo (ver numeral 2.2.3), y cerrar la válvula (0%).
• Esperar 15 segundos para que la válvula cierre por completo. • Apagar la bomba de los filtros P-105 (Figura 2). • Drenar el jugo remanente del tanque pulmón. • Desmontar el filtro que recibe el jugo en el tanque pulmón, lavar con agua limpia y
vapor proveniente de la manguera de limpieza. • Iniciar la limpieza del tanque usando vapor proveniente de la manguera de limpieza y
agua. Emplear una escoba para la limpieza de las paredes del tanque. Lavar con agua limpia y vapor. Tener precaución con los sensores de nivel dispuestos en el tanque.
• Una vez los elementos se encuentran limpios, colocar el filtro y adecuar las válvulas nuevamente para iniciar la operación de envió de jugo al primer efecto. Para detalles de cómo iniciar la operación, consulte la sección de operación, el numeral 2.2.7.
3.2.2. LIMPIEZA DE LAS MANGAS DE LOS FILTROS Las mangas de los filtros deben ser cambiados cada 6 horas. La saturación de los filtros se puede ver reflejada en el aumento de la velocidad de la bomba que controla la presión de los filtros. A continuación, se describe el procedimiento para el cambio de las mangas:
• Hacer el cambio de operación con el otro filtro disponible (A o B, ver numeral 2.2.2).Una vez se ha iniciado la operación con el otro filtro limpio, se debe esperar un tiempo prudencial para que la temperatura del jugo contenido dentro del filtro descienda.
• Retirar la tapa del filtro quitando los 12 tornillos con una llave 3/4”. • Extraer el jugo dentro del filtro, por arriba y por la válvula inferior del filtro, y
enviarlo de nuevo al tanque pulmón.
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• Retirar la manga sucia del filtro y lavarla usando agua caliente (proveniente de los condensados), y vapor.
• Limpiar el recipiente del filtro usando agua caliente y vapor. • Instalar una manga limpia. • Ubicar la tapa del filtro y colocar los 12 tornillos usando una llave 3/4". • Verificar que la válvula inferior del filtro se encuentre cerrada.
3.2.3. LIMPIEZA DE LOS TUBOS DEL EVAPORADOR
Los tubos del evaporador se incrustan debido a 1) materiales en suspensión que trae consigo el jugo,2) una defectuosa clarificación y filtración, y 3) materiales en solución que se encuentran en el jugo y que se insolubilizan a medida que el jugo se concentra. Esta capa de incrustación genera una resistencia a la transferencia de calor la cual hace que disminuya el rendimiento de la evaporación.
Cuando la capacidad de transferencia de calor se reduce a tal punto que no se puede concentrar adecuadamente el jugo, es necesario detener el proceso para realizar la limpieza de los tubos de los evaporadores. Los tubos se limpian por medios químicos y mecánicos:
- La limpieza química consiste en circular sustancias como la soda caustica, ácido fosfórico o ácido sultánico, a una concentración del 5%, para disolver una parte de las incrustaciones.
- La limpieza mecánica consiste es raspar la superficie de los tubos por medio de un churrusco, el cual al entrar en rotación va retirando el material incrustado. El diámetro del churrusco es ligeramente menor al diámetro interno del tubo de intercambio de calor. El churrusco se coloca en una herramienta de limpieza para hacer que el cepillo toque toda la superficie del tubo. Se puede emplear una fotósfera para la transmisión de potencia a través de una guaya con el fin de hacer girar el cepillo, o se puede utilizar una varilla porta cepillo con la cual se obtienen también buenos resultados.
Después de la limpieza, los tubos deben quedar sin algún tipo de incrustación para volver a poner la planta en funcionamiento con su capacidad de transferencia de calor recuperada a la condición original.
PROTOCOLO DE DESINCRUSTACIÓN DEL EVAPORADOR
Los efectos se deben limpiar inmediatamente finaliza la operación de evaporación. Se recomienda mantener el tanque de agua condensada lleno al finalizar la operación, con el fin de agilizar la limpieza del equipo. El procedimiento se describe en seguida:
• Apagar las bombas P-101 o P-105 según sea el caso (Figura 2) • Drenar todo el jugo remanente dentro de los efectos, abriendo las válvulas de los
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sifones y filtros. Si es posible, recoger el jugo y la miel que quedan remanentes en el sistema de evaporación para concentrar o fermentar.
• Llenar el tanque pulmón (Tk-102) con 300 litros de agua; preferiblemente utilizar el agua de condensados de vapor vegetal que se encuentra caliente.
• Bombear agua a los evaporadores usando la bomba P-101 de acero inoxidable (Figura 2). Para ello se deben abrir las válvulas V-200. Y cerrar las válvulas V-198, V-199, V-109, V-195, V-191, V-193, V-192, V-194.
• Abrir el paso de vapor hacia el primer efecto, con el fin de calentar el agua que ingresa al equipo y hacer una mejor limpieza (ver numeral 2.2.4). El agua que sale del cuarto efecto (por donde normalmente salen mieles), se devuelve al tanque pulmón para recircular el agua caliente por todo el sistema.
• Después de 15 minutos, se detiene la recirculación del agua caliente (se apaga la bomba de limpieza) y se cierra la entrada de vapor al sistema.
• Una vez lavado el equipo, se procede a retirar toda el agua de los evaporadores; se abren las válvulas de los sifones, filtros y tanque pulmón.
• Llenar el tanque pulmón TK-102 (Figura 2) hasta un volumen de 250 litros. • Comenzar a recircular el agua dentro del tanque Tk-102. Para ello se debe abrir las
válvulas V- 109, V-199. Y cerrar las válvulas V-198, V-200 (Figura 2). • Agregar al tanque pulmón la sustancia desincrustante (A). Utilizar la siguiente
ecuación para calcular la cantidad de sustancia que se debe agregar en el tanque pulmón:
A = S ∗ [S]
[A]
Donde,
A: sustancia desincrustante a emplear (kg)
[A]: concentración del agente desincrustante (85% para el ácido fosfórico, 99.9% para la soda caustica, 99.5% para el ácido sulfámico).
S: solución desincrustante a preparar en kilogramos (≈ 250 kg)
[S]: concentración de la solución desincrustante a preparar (5%).
• Dejar recirculando la solución dentro del tanque Tk-102 por 5 minutos. • Comenzar a bombear el líquido hacia el primer efecto abriendo la válvula V-200 y
cerrando la válvula V-199 (Figura 2). • Colocar el control de flujo de jugo en “MANUAL” y abrir la válvula al 100%. • Abrir las válvulas que se encuentran en la parte posterior de los evaporadores (menos
la del primer efecto), y las válvulas que rompen el vacío del tercer efecto y del colector de miel.
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• Colocar en modo “RECIRCULACIÓN” para que el líquido de limpieza una vez llegue al último efecto, retorne al tanque Tk-102 y pueda ser bombeado nuevamente al primer efecto.
• Mantener la operación de recirculación del líquido de limpieza por 8 horas. • Si el tiempo para la limpieza no es limitante, se pueden dejar inundados los efectos
con el líquido de limpieza por 24 horas. Para ello se cierra la válvula que sale del último efecto (por donde salen las mieles concentradas)
• Una vez finalizado el tiempo de contacto con la solución desincrustante #1, se debe lavar con agua el evaporador para retirar los residuos de la sustancia química utilizada.
• Destapar las puertas de inspección de los evaporadores, y verificar si la incrustación ha sido removida, si se encuentra blanda, o si todavía se encuentra dura:
• Si la incrustación ha sido completamente removida, se debe verificar con ayuda del churrusco que los tubos se encuentran en dicha condición hasta la parte inferior.
• Si la incrustación se encuentra blanda, es necesario usar el churrusco para retirar la incrustación. Se debe pasar el cepillo por cada tubo sin excepción alguna.
• Si la incrustación aún se encuentra dura, significa que el producto químico no ataco completamente la incrustación, y es necesario utilizar una solución desincrustante #2. Si la solución desincrustante #1 fue de carácter básico (soda caustica), se debe elegir una solución desincrustante #2 de carácter ácido (ácido sulfámico o ácido fosfórico). Por el contrario, si la solución desincrustante #1 fue de carácter ácido, se requiere usar una de carácter básico. El procedimiento con la solución desincrustante #2 se inicia con la preparación de la solución.
• Es posible que el primer efecto, después de hacer pasar las sustancias anteriores, aún tenga incrustación dura después de todo el procedimiento de limpieza. En este caso se debe recircular una solución desincrustante preferiblemente de carácter ácido únicamente para el primer efecto. Para ello se debe modificar el estado de las válvulas que salen del primer efecto, para que el líquido se devuelva inmediatamente al tanque pulmón. La cantidad de solución a preparar en este caso es de 80 litros.
• Desmontar las tapas inferiores de cada uno de los efectos y retirar las impurezas del fondo lavando con agua.
• Cerrar todas las tapas. 3.2.4. SISTEMA DE CONDENSACIÓN Y VACÍO
El sistema de condensación y vacío cuenta con 2 piscinas de enfriamiento, 2 bombas y el condensador barométrico. Antes de la operación, se deben revisar los siguientes componentes del sistema de enfriamiento.
• Verificar el estado y nivel de las piscinas de enfriamiento (para iniciar operación la altura en las piscinas no debe ser menor a 3/4).
• Verificar que la manguera que toma el agua fría este bien conectada y cebada, y que la
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succión no se encuentre en el fondo de la piscina para evitar el arrastre de mugre.
• Verificar el filtro de la bomba de agua fría. Para ello se deben cerrar las dos válvulas que se encuentran a lado y lado del filtro. Usar una llave de tubos para retirar la tapa del filtro. Extraer la malla del filtro y limpiarla con agua. Instalar nuevamente la malla y el filtro en la tubería.
• Encender la bomba de agua fría y verificar el flujo de agua. • La línea de agua fría tiene un contador de agua con el cual se puede hacer el cálculo
del flujo de agua hacía el condensador barométrico, esto se describe en el numeral 2.2.5.
• En ciertas ocasiones la manguera de succión se llena de aire y el flujo de agua disminuye. En dado caso se debe purgar la línea de agua para retirar todo el aire presente. Esto se puede hacer abriendo el tornillo de purga presente en la bomba.
3.3. CONCENTRACIÓN
Las paredes y el serpentín de los equipos de concentración se cubren con una capa aislante debido al calentamiento de la miel. Para su limpieza debe llenarse el concentrador con agua limpia y caliente, restregar con una esponjilla la superficie del concentrador hasta retirar la incrustación, y enjuagar con agua limpia.
4. INSTALACIÓN DEL SOFTWARE DE LA PLANTA
Para la instalación del software, el computador debe tener los siguientes requerimientos:
• Sistema operativo: Windows XP, Vista, 7, 8. En 32-bit o 64-bit • Procesador: 1,2 MHz • Memoria Ram: 2 GB • Espacio en disco duro: 500 MB • Conexión con el router de la planta por red inalámbrica o a través de un cable de
Ethernet
Junto a este manual se entrega una copia en CD del software de la planta de evaporación. Seguir los siguientes pasos:
• Verificar que el computador cuente con los requerimientos indicados • Insertar el CD en el Computador destinado para el manejo de la planta • Abrir la carpeta “Software Planta evaporación Santa Barbara” • Dar doble Click en el archivo “PAC Project R9.3001 Setup”
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Se debe abrir una ventana titulada “Setup – PAC Project”. Se debe dar clic en el botón “Next”:
En la siguiente ventana se debe activar la opción “I accept the agreement” y después dar clic en “Next”:
En la siguiente ventana se debe activar la opción “PAC Project Basic – No pasword required” y después dar clic en “Next”:
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Dejar seleccionadas las opciones “PAC Project Basic”, “PAC Control Basic”, “PAC Display Basic” y “PAC Manager”. Dar clic en el botón “Next”:
Dar clic en el botón “Install”:
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Esperar a que la barra de instalación se complete.
Quitar la selección del ítem “View the Readme file” y “Register PAC Project Software” y dar clic en el botón “Finish”:
Copiar la carpeta “EVAPORACION” que se encuentra en el CD, en una ubicación conocida e inamovible. Por ejemplo, en “MIS DOCUMENTOS”:
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Ir a la aplicación: Inicio y buscar “PAC Display Runtime Basic”:
Nota: Este ejemplo fue realizado con Windows 8. En otras versiones de Windows puede cambiar la ubicación del programa.
Una vez abierto el programa “PAC Display Runtime Basic”, se debe desplegar el menú “File” y se debe dar clic en “Open Project”:
Abrir en la carpeta “EVAPORACION” en el lugar en donde fue copiada, y abrir el archivo “PLANTA EVAPORACION”:
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Conectar el computador a la red inalámbrica del Router de la planta, o por medio de un cable Ethernet. La red se llama “SANTA BARBARA”.
Después de este proceso, cuando se abra el programa “PAC Display Runtime Basic”, automáticamente se abrirá el software de la planta de evaporación.