UNIVERSIDAD CATOLICA SANTO TORIBIO DE MOGROVEJO

FACULTAD: INGENIERIAESCUELA: INGENIERÍA INDUSTRIAL

CURSO : FISICA II

TEMA DE INVESTIGACIÓN: MECANICA DE FLUIDOS: un enfoque en el procesamiento de la caña de azúcar

DOCENTE : SERAFIN GUTIERREZ ATOCHE

ALUMNO : Soplapuco Aguilar Dalliana Malú

Chiclayo octubre 2015

Justificación del temaEn primer lugar quiero decir que la mecánica de fluidos es una disciplina imprescindible en la formación del ingeniero mecánico. El estudio de las leyes del comportamiento de los fluidos en equilibrio y en movimiento, consolida las bases para el entendimiento de innumerables aplicaciones prácticas: máquinas hidráulicas, máquinas neumáticas, estaciones de bombeo, control y transmisión neumáticos e hidráulicos, entre otras.Este es importante en mi carrera ya que todo ingeniero debe tener dominio y conocimiento de manejo de fluidos para entender, optimizar, modificar, controlar y administrar los diferentes procesos relacionados con su área de trabajo. Para el ingeniero de alimentos es de vital importancia el manejo de los fluidos en procesos industriales tanto manejo de líquidos, como de sólidos, cada día se automatizan más los procesos, lo cual requiere el transporte de fluidos por redes de tubería adecuadamente diseñados con accesorios según el proceso.

INTRODUCIÓN Hasta principios del presente siglo el estudio de los fluidos fue desarrollado esencialmente por dos grupos: los ingenieros hidráulicos y los matemáticos. Los ingenieros hidráulicos trabajaron desde un punto de vista empírico, mientras que los matemáticos se centraron en enfoques analíticos. La gran cantidad y usualmente ingeniosa experimentación del primer grupo produjo mucha información con valor incalculable para los ingenieros practicantes de entonces; sin embargo, debido a la carencia de los beneficios de la generalización propios de una teoría practicable, estos resultados eran restringidos y de valor limitado en situaciones nuevas. Mientras tanto, los matemáticos, por el hecho de no aprovechar la información experimental, se vieron forzados a establecer hipótesis tan simplificadas que produjeron resultados a veces completamente opuestos a la realidad. Fue evidente para investigadores eminentes, como Reynolds, Froude, Prandtl y Von Kármán, que el estudio de los fluidos debe ser una mezcla de teoría y experimentación. Con ellos nace la ciencia de mecánica de fluidos, tal como se conoce actualmente. Los modernos centros de investigación y ensayos emplean matemáticos, físicos, ingenieros y técnicos calificados quienes, trabajando en equipo, mezclan estos dos puntos de vista con grados diferentes según su trabajo.

MECANICA DE FLUIDOS: UN ENFOQUE EN EL PROCESAMIENTO DE LA CAÑA DE AZUCAR

1. APLICACIONES Y RAMAS DE LA MECÁNICA DE FLUIDOSLa mecánica de fluidos se ha dividido en diferentes ramas que cubren diferentes aspectos de la ingeniería, la física, las matemáticas, etc. Están destinadas a solucionar problemas de la vida cotidiana así como para desarrollar nueva tecnología y descubrir nuevos campos de la ciencia es aquí donde nuestro grupo relaciona la física con la tecnología y la importancia de los artefactos que se han creado gracias a esta rama de la física.

AERODINÁMICA

Rama de la mecánica de fluidos que se ocupa del movimiento del aire y otros fluidos gaseosos, y de las fuerzas que actúan sobre los cuerpos que se mueven en dichos fluidos. Algunos ejemplos del ámbito de la aerodinámica son el movimiento de un avión a través del aire, las fuerzas que el viento ejerce sobre una estructura o el funcionamiento de un molino de viento.

SUPERSÓNICA

La supersónica, una rama importante de la aerodinámica, se ocupa de los fenómenos que tienen lugar cuando la velocidad de un sólido supera la velocidad del sonido generalmente en el aire que es el medio por el que se desplaza; muchas veces escuchamos de los aviones supersónicos que superan la velocidad del sonido, es decir mayor de 1.225 km/h

ONDAS DE CHOQUE

En la mecánica de fluidos, una onda de choque es una onda de presión abrupta producida por un objeto que viaja más rápido que la velocidad del sonido. Una de sus características es que el aumento de presión en el medio se percibe como explosiones. Entre los ejemplos relacionados con la tecnología están:

Las bombas atómicas y sus ondas explosivas. Los aviones supersónicos que superan la velocidad del sonido. En la medicina se usan para destrozar los cálculos renales, técnica

denominada litotricia.

TURBINAS

Las turbinas son unas máquinas por las cuales pasa un fluido de forma continua y dicho fluido le entrega su energía a través de un rodete con paletas.

Existen muchos tipos de turbinas pero entre las principales se encuentran: Las turbinas hidráulicas, turbinas térmicas, turbinas eólicas y turbinas submarinas.

COMPRESORES

Un compresor es una máquina de fluido que está construida para aumentar la presión y desplazar cierto tipo de fluidos llamados compresibles, tal como lo son los gases y los vapores.

2. NOCIONES DE LA MECÁNICA DE FLUIDOS

2.1. Estructura de la materia.

En griego, átomo significa indivisible, por eso esta palabra fue adoptada por los físicos para aplicarla a la partícula más pequeña y fundamental. Pero ahora se sabe que los elementos químicos están formados por partículas elementales más pequeñas que son los electrones, protones y neutrones, que en conjunto constituyen el átomo. Los átomos de la materia común, que tienen un diámetro del orden de 10−10m se componen de un núcleo pesado, de diámetro del orden

de 10−15m , que contiene protones cargados positivamente y neutrones sin carga, que esta normalmente rodeado por uno o varios electrones livianos cargados negativamente. La función de los neutrones es actuar como ‘pegamento’ para mantener unidos los protones en el núcleo, si los neutrones no estuvieran presentes, la fuerza repulsiva entre las partículas cargadas positivamente desintegraría al núcleo.

2.2. Estados de la materia.

La materia generalmente se clasifica de acuerdo con algunos de los cuatro estados en que se encuentra, sólido, líquido, gaseoso y plasma. Un sólido tiene forma y volumen definidos. Un líquido tiene un volumen definido pero no una forma definida. Un gas no tiene ni volumen ni forma definidos.Para cualquier sustancia, el estado líquido existe a una temperatura mayor que la del estado sólido, tiene mayor agitación térmica y las fuerzas moleculares no son suficientes para mantener a las moléculas en posiciones fijas y se pueden mover en el líquido. Lo común que tienen los líquidos con los sólidos es que si actúan fuerzas externas de compresión, surgen grandes fuerzas atómicas que se resisten a la compresión del líquido. En el estado gaseoso, las moléculas tienen un continuo movimiento al azar y ejercen fuerzas muy débiles unas con otras; las separaciones promedios entre las moléculas de un gas son mucho más grandes que las dimensiones de las mismas.Un sólido se comprime bajo la acción de fuerzas externas, pero si estas fuerzas dejan de actuar, tiende a retomar su forma y tamaño original, por esto se dice que tiene elasticidad. Según el tiempo de respuesta del cambio de la forma a una fuerza externa o presión, la materia puede comportarse como un sólido o como un fluido. En algunos casos, el material se comporta en un estado intermedio, como por ejemplo plástico, goma, asfalto, grasa, miel, masilla, etc.

3. DEFINICIÓN LA MECÁNICA DE FLUIDOSLa mecánica de fluidos es la rama de la mecánica de medios continuos que estudia el movimiento de los fluidos (gases y líquidos) así como las fuerzas que los provocan. La característica fundamental que define a los fluidos es su

incapacidad para resistir esfuerzos cortantes, lo que origina que carezcan de forma definida. También estudia las interacciones entre el fluido y el contorno que lo limita.La hipótesis fundamental en la que se basa toda la mecánica de fluidos es la hipótesis del medio continuo.

3.1. FLUIDO

Un fluido es un conjunto de moléculas distribuidas al azar que se mantienen unidas por fuerzas cohesivas débiles y por fuerzas ejercidas por las paredes de un envase. De otra forma, si definimos un fluido como aquellos materiales que no lo son, los fluidos son todos aquellos que no son sólidos. Por lo tanto, son fluidos los líquidos y los gases. Una diferencia esencial entre un fluido y un sólido es que un fluido no soporta esfuerzos tangenciales y los sólidos sí. De acuerdo con esto, los fluidos son sistemas que están en continuo movimiento. En este contexto, la mecánica clásica debe modificarse un poco, por la poca utilidad que tiene aquí el concepto de masa, por lo que esta se reemplaza por otro concepto, llamado densidad, que corresponde a la masa por unidad de volumen.

3.2. DENSIDAD.

Una propiedad de cualquier sustancia es su densidad. La densidad ρ de cualquier material se define como la cantidad de masa m contenida en cada unidad de volumen V. Como la distribución de masa puede variar si se considera el volumen completo de sustancia, se debe definir en forma microscópica la densidad en cada punto del cuerpo en forma diferencial, esto es:

ρ=mv

Dónde:ρ :densidad ,m :masa ;v :volumen

La densidad es una magnitud física escalar, su unidad de medida en el SI es kg/m3. La densidad cambia con la temperatura ya que el volumen depende de la temperatura, por lo que se dan valores bajo condiciones de presión y temperaturas dadas. Si un cuerpo tiene la misma densidad en todo el volumen, es decir es constante, se dice que es homogéneo, en caso contrario es

heterogéneo, en este caso el cuerpo tiene una distribución de masa variable dentro del volumen. La densidad de los líquidos (y sólidos) es del orden de 1000 veces la de los gases. En la tabla siguiente se dan los valores de la densidad de algunas sustancias comunes.

3.3. PRESIÓN

Las fuerzas que existen sobre un objeto sumergido en un fluido son sólo aquellas que tienden a comprimir al objeto. La fuerza ejercida por un fluido sobre el objeto inmerso en él, como se muestra en la figura 1, es siempre perpendicular a la superficie del objeto. La presión p del fluido en el nivel donde se encuentra sumergido el cuerpo se define como la razón de la magnitud de la fuerza F normal a la superficie y el área A. La presión dentro del fluido no es la misma en todos los puntos, por lo que se debe definir la presión en un punto determinado considerando una fuerza F normal a un elemento de superficie A, entonces la presión en el punto es:

Figura 1: presión

Fuente:

P=FA

Dónde: F: fuerza A: área La unidad de medida de la presión en el sistema SI es N/m2, que se llama Pascal, con símbolo Pa. Otras unidades de uso común para la presión son atmósfera (atm), centímetros de mercurio (cm de Hg) o bar. Algunos factores de conversión comunes entre diferentes unidades son:1 bar = 105 Pa y 1 milibar (mbar) = 10-3 bar = 100 Pa = 1 hPa1 atm = 1.013x105 Pa = 1.013 bar = 1013 mbar = 1013 hPa = 76 cm de Hg

LA CAÑA DE AZUCAR

Es una gramínea tropical perenne con tallos gruesos y fibrosos que pueden crecer entre 3 y 5 metros de altura. Éstos contienen una gran cantidad de sacarosa que se procesa para la obtención de azúcar. La caña de azúcar es uno de los cultivos agroindustriales más importantes en las regiones tropicales.

La caña de azúcar contiene entre 8 y 15% de sacarosa. El jugo obtenido de la molienda de la caña se concentra y cristaliza al evaporarse el agua por calentamiento. Los cristales formados son el azúcar crudo o, de ser lavados, el azúcar blanco. En las refinerías el azúcar crudo es disuelto y limpiado y cristalizado de nuevo producir el azúcar refinado. (Preafán, F. (14 de mayo 2009)).

Tipos de suelo: Se adapta a casi cualquier tipo de suelo, pero se desarrolla mejor en suelos francos, profundos y bien drenados. Se prefieren suelos con un pH de 74, pero se puede cultivar en un rango de 5.5 a 7.8. El cultivo demanda altos requerimientos nutricionales en consideración a la alta cantidad de materia verde y seca que produce, situación que agota los suelos y hace necesario un adecuado programa de fertilización. Sin embargo, es muy eficiente en el aprovechamiento de la luz solar.

Requerimientos de agua: La caña de azúcar requiere grandes cantidades de agua, aunque también es relativamente eficiente en su uso. La precipitación mínima es de 1500 mm por temporada. Si la precipitación no es suficiente para cubrir esa cantidad, se puede utilizar irrigación.

Clima: La caña de azúcar se cultiva en los climas tropicales y subtropicales, desarrollándose mejor en climas calientes y con mucha exposición solar. Generalmente se cultiva a una altura entre los 0 y 1000 msnm. Requiere de un clima húmedo caliente, alternando con períodos secos y temperaturas entre los 16 y 30 grados centígrados5.

Cosecha: La propagación de la caña de azúcar se realiza por estaca. La cosecha conocida también como zafra se puede hacer de forma mecanizada como manual. Por cada plantación generalmente se extraen 4 ó 5 cortes (cosechas) y luego se realiza la renovación del cultivo

El proceso de la fabricación de azúcar

El proceso industrial para la fabricación de azúcar implica la aplicación de varios procesos para convertir el jugo de caña en cristales y depurarlos de manera natural de impurezas que pudieran resultar dañinas para el organismo.

El proceso de fabricación consta de los siguientes subprocesos:

a. Entrada b. Molienda c. Clarificación d. Evaporación e. Cristalización f. Separación g. Refinado h. Secado i. Envasado

a. Entrada

Inicia con el peso en básculas de las unidades que transportan la caña de azúcar en el ingenio y que se encuentran al ingreso del área industrial. Además en esta parte se determina la calidad de la materia prima, tomando muestras que se analizan continuamente en el laboratorio de control de calidad. La caña que llega a la fábrica se descarga sobre las mesas de alimentación por medio de viradores de caña con capacidad de 50 TM. Para tener un proceso más limpio, en las mesas de caña se aplica agua entre 110 y 120 °F para lavado, eliminando así sólidos o materia extraña como la tierra, sales, minerales, piedras y otros que se adhieren a ella en el campo durante el alce a las jaulas que la transportan hacia la fábrica. Luego la caña se somete a un proceso de preparación que consiste en romper y desfibrar las celdas de los tallos por medio de troceadoras, picadoras oscilantes y desfibradoras, para poder pasar al proceso de extracción del jugo.

b. Molienda

Este es un proceso continuo que actualmente se realiza en tres tándemes de molinos con capacidad de molienda diaria total de 32.200 TM, distribuido en tándem “A” (9,000 TM); tándem “B” (11,040 TM) y tándem “C” (11,960 TM). Hacia estos tándems se alimenta con caña preparada, la cual es

sometida a una serie de extracciones utilizando molinos de rodillo o mazas y todos los molinos son de cuatro masas rayados en forma de “V”. Para hacer más eficiente el proceso de molienda, los jugos pobres de los molinos posteriores se aplican nuevamente en el proceso (proceso de maceración) y en el último molino se aplica agua caliente con temperatura entre 155-179 °F para aumentar la extracción. El bagazo es un subproducto industrial que se transporta hacia el sistema de calderas para usarlo en calidad de biomasas como combustible. El sobrante tiene como destino la hidrolización y reserva para cubrir paros de emergencia.

c. Clarificación

El jugo proveniente de los molinos pasa por calentadores, que llegan a temperaturas entre 140 y 155 °F. Luego pasa por la torre de sulfatación, bajando el PH para producir azúcar blanco únicamente. En esta etapa se utiliza azufre como agente decolorante; luego mediante la edición de la bachada de cal entre 6 y 10 baume se neutraliza el jugo. El calentamiento del jugo se realiza en tres etapas; la primera por vapor vegetal de 5.0 psi alcanzando temperaturas entre 175 y 185 °F; la segunda por vapor de 5.0 psi alcanzando temperaturas entre 205 y 215 °F y la última con vapor de 10 psi para rectificación del jugo en forma automática. Con el proceso anterior se logra que el jugo, al ser liberado a presión atmosférica, sufra una pequeña evaporación en el tanque flash evitando que los flóculos floten o decanten con lentitud por la presencia de burbujas atrapadas en el interior. El siguiente paso es alimentar el jugo a los clarificadores a baja velocidad para permitir la concentración de lodos y que pueden ser extraídos por gravedad en un clarificador SRI y con bombas en los Rapi Door 444. En la etapa final de este proceso se utilizan coladores vibratorios con malla 110 mesh para la eliminación de bagacillo y evitar que llegue al producto final. Los filtros de cabeza son parte indispensable del proceso, pues sin ellos, la pérdida de sacarosa en la cachaza seria significativa.

c. Evaporación

La operación del sistema de evaporación en la planta es de quíntuple efecto, tanto para la línea de blanco como para la línea de crudo. La operación es relativamente sencilla debido a que se fijan las condiciones de entrada, salida, nivel de cada evaporador y extracción de vapores vegetales hacia el exterior. La evaporación se realiza en evaporadores tipo Roberts en los cuales el vapor y el jugo se encuentran en cámaras separadas que fluyen en el mismo sentido. El jugo pasa de un evaporador a otro con

bombas denominadas “de transferencia”. El control global de un evaporador se ejecuta a través de la estabilización de cinco factores muy importantes: • La concentración del producto final • La presión absoluta en el último cuerpo • La alimentación de vapor y jugo al primer evaporador • Remoción de condensados y gases inconfensables • El control de incrustación en cada evaporador

d. Cristalización La cristalización o crecimiento de la sacarosa que contiene el jarabe se lleva a cabo en tachos al vacío. Estos cocimientos, según su pureza producirán azúcar crudo y azúcar blanco. Este es un proceso demorado que industrialmente se acelera introduciendo al tacho unos granos microscópicos de azúcar, denominados semillas. La experiencia del operativo debe juzgar el punto exacto del cocimiento, para la obtención de un buen producto

e. Separación

Los cristales del azúcar se separan de la miel restante en la centrifugas, equipos cilíndricos que giran a gran velocidad. La miel pasa a través de las telas, los cristales quedan atrapados dentro de las centrifugas y luego se lavan con agua. Las mieles vuelven a los tachos o bien se utilizan como materia prima para la producción de alcohol en las destilerías. El azúcar pasa al proceso de secado y enfriado. g. Refinación En el caso de la producción de azúcar blanca refinada, existe un proceso adicional, que utiliza como materia prima azúcar blanco estándar o azúcar crudo. En este proceso se disuelve el azúcar a 60 grados brix, luego se le adiciona carbón activado y tierra diatomácea. Esta solución se hace pasar por primera y segunda filtración en filtros verticales, hasta obtener un licor claro. El licor es evaporado y empieza la cristalización de los granos.

h. Secado

En el proceso de centrifugado se utiliza agua de condensado para lavar el azúcar, lo cual da como resultado humedades entre 0.3 % y 0.6%, por lo que es necesario pasarla por un proceso de secado para alcanzar niveles entre 0.2% para azúcar crudo y 0.03% para azúcares blancos.

i. Envasado

El azúcar crudo de exportación sale directamente de la secadora a las bodegas de almacenamiento. En las bodegas se carga a granel en camiones que la transportan al puerto de embarque. El azúcar blanco estándar y refinada se empaca en sacos de 50 y 46 kg y jumbos de 1400 kg. para ser comercializado local e internacionalmente.

Imágenes :Procesamiento de la caña de azúcar detallado.

Lincografía:

http://mecanicadefluidosicp.blogspot.pe/ http://www.cenicana.org/pop_up/fabrica/diagrama_obtencion.php http://www.snvworld.org/files/publications/modulo_v-

cana_de_azucar.pdf https://www.usaid.gov/sites/default/files/documents/1862/

cana_de_azucar.pdf http://imsa.com.gt/sitio/proceso_azucar.pdf http://www.cenicana.org/pop_up/fabrica/diagrama_obtencion.php

Preafán, F .El Azúcar de caña.

http://www.perafan.com/azucar/ea02azuc.html (10 de mayo 2009)

Anexo

PROCESOS DE ELABORACIÓN DEL AZÚCAR DE CAÑA

Pesa

Cortan los tallos

Bagazo

Extracción del jugo

Sacarosa

Cachaza

Jugo claro

Secado Empaque

Recepción de la caña

Picado de la caña

Molienda

Pesados de jugos

Clarificación

Evaporación

Cristalización

Centrifugación

Refinación