operaciÓn Óptima de un filtro rotativo de vacÍo
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Villa de Álvarez, Col., junio de 2013
OPERACIÓN ÓPTIMA DE UN FILTRO ROTATIVO DE VACÍO
Nombre del Residente
David Jiménez Cabrera
Nombre del Asesor
María Aurora Andrade Urzúa
Nombre de la Carrera
Ingeniería Bioquímica
Villa de Álvarez, Col., a 8 de Junio de 2016
INFORME TÉCNICO DE RESIDENCIA PROFESIONAL QUE PRESENTA:
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Contenido Introducción ........................................................................................................................................ 3
Justificación ......................................................................................................................................... 5
Objetivos ............................................................................................................................................. 7
Objetivo General ............................................................................................................................. 7
Objetivos específicos ....................................................................................................................... 7
Problemas a resolver ........................................................................................................................... 7
Procedimiento y descripción de actividades realizadas ...................................................................... 7
Fundamento teórico ........................................................................................................................ 7
Procedimiento metodológico ........................................................................................................ 12
Humedad de torta ..................................................................................................................... 12
Densidad de gluten pesado ....................................................................................................... 12
Presión de vacío ........................................................................................................................ 12
Masa descargada por hora ........................................................................................................ 12
Sólidos en filtrados .................................................................................................................... 12
Resultados ......................................................................................................................................... 13
Conclusiones y recomendaciones ..................................................................................................... 15
Competencias desarrolladas o aplicadas .......................................................................................... 16
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Introducción
Para explicar de manera sencilla y que se logre entender el proceso, la operación y el control
que se realiza en INGREDION planta San Juan, se elaboró un diagrama bastante breve (Fig. 2) con la
finalidad de explicar las etapas generales del proceso y como la operación óptima de un filtro
rotativo de vacío contribuye a la mejora del proceso.
La línea de producción del área de proceso húmedo del departamento de producción en
INGREDION comienza con la recepción de granos de maíz, cosechados principalmente en Estados
Unidos de América estos son transportados en un tren de tolvas las cuales cada una tienen una
capacidad de 100 Toneladas. En menor cantidad también es recibido maíz de producción nacional
en camiones. INGREDION planta San Juan del Río, tiene la capacidad de procesar hasta 3 300
toneladas de maíz por día.
El maíz antes de ser almacenado en silos con capacidad de 1 000 (2 silos metálicos en el
canal A) o 10 000 (2 silos de concreto en el canal B) toneladas es limpiado de impurezas (material
orgánico inherente al maíz y/o contaminación con residuos metálicos) con las que se le recibe.
Una vez almacenado, el maíz ahora puede ser enviado a tanques de maceración; proceso
mediante el cual es acondicionado para su posterior molienda. Tanques con capacidad para 65 o
270 toneladas de maíz (canal A y canal B respectivamente) son empleados para su maceración,
durante 36 horas a 58 °C.
Los tanques de maceración contienen al maíz durante toda esta etapa, mas, sin embargo, la
solución en la cual es suspendido es avanzada cada tres horas de tanque a tanque. En un proceso
semejante a una lixiviación a corriente cruzada, el maíz próximo a moler es macerado en agua
azufrada de primer uso mientras que el tanque segundo próximo a moler, es macerado en agua de
segundo uso. Así el tanque que justo acabe de ser cargado, será macerado en una solución que ha
sido utilizada ya varias veces y después de tres horas, esta solución denominada agua ligera (baja
concentración de sólidos hidrosolubles) es descargada hacia un evaporador y concentrada hasta
denominarse agua pesada. Observe que todo aquel componente hidrosoluble ha de ser arrastrado
en esta solución, incluyendo un gran contenido de carbohidratos y de proteínas hidrosolubles.
Después de su correcta estadía en tanques de maceración, el maíz ahora puede ser molido y
separado en sus componentes principales (Germen, Fibra, Gluten y Almidón).
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Todas las técnicas de separación de los componentes del maíz son procesos físicos directos
(sin la adición de ningún solvente) que se basan en la diferencia de la densidad de los componentes
del maíz, de tal suerte que la fracción más ligera (menos densa) es separada inmediatamente
mientras que la fracción más densa es el residuo final.
EL primer componente en abandonar la ruta del proceso es el germen. Pequeños
dispositivos mecánicos llamados ciclones son empleados para la separación del germen (por lo que
se le llama Germenclone). La alimentación entra al Germenclone (primer estado de separación) de
forma tangencial formando un vórtice en el que por diferencia de densidad es separado el germen
en una corriente superior (Overflow) y el resto en un corriente inferior (Underflow); el Underflow
es canalizado a otro juego de Germenclone (segundo estado de separación) donde realiza una
segunda separación.
Una vez removido el germen el siguiente componente a retirar es la fibra, el Underflow de
segundo estado de separación es filtrado en dispositivos llamados ScreenBend, ahí separa dos flujos
uno que arrastra la fibra y otro que lleva una mezcla de Almidón – Gluten.
La mezcla Almidón – Gluten, es separada en una centrifuga en la cual la diferencia de
gravedad especifica de sus componentes, permite la obtención de dos flujos, un flujo superior y
menos denso arrastra consigo al gluten, denominada gluten ligero; y un flujo inferior compuesto de
la fracción más densa del maíz es compuesto principalmente de almidón.
Con la intención de remover todo aquel componente contaminante en el flujo que contiene
el almidón, una serie de 13 equipos los cuales poseen arreglos similares a los Germenclone, llamados
Fluidclone (FC), se encargan de separar el almidón del gluten que lo contamina. Dispuestos en una
fila ordenados del 1 al 13, la solución a lavar ingresa por el Fluidclone 1 y por el 12 ingresa agua de
lavado. El Overflow del primer FC sale de la batería mientras que el Underflow avanza al segundo
FC. Así mismo el Overflow del 12 regresa al 11. Visto todo el sistema de manera global, posee dos
entradas, solución mezcla gluten-almidón y agua de lavado de almidón; además de dos salidas, por
el Overflow un flujo que contiene una reducida concentración proteica (esta es concentrada en una
centrifuga e incorporada al proceso como gluten ligero) y almidón lavado por el Underflow. El gluten
ligero, posteriormente es concentrado en una centrifuga la cual remueve carga hidráulica de la
solución otorgando gluten pesado.
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El proceso de producción de INGREDION, tiene como una operación fundamental el secado,
la cual permite la venta de diferentes subproductos (gluten, germen y fibra de maíz) generados de
la obtención de almidón de maíz; además de conceder un beneficio económico, permiten alcanzar
grandes porcentajes de eficiencia global en la planta.
Desde su separación como una solución con altos contenidos de sólidos (gluten pesado), el
gluten ha de ser secado y entregado en polvo con una humedad no mayor a 12.5% en un secador
flash. Debido al diseño del secador, de manera imperante la alimentación debe ser sólida con una
humedad menor a 35% en peso, lo que hace indispensable una etapa preliminar de predesaguado.
Los filtros rotativos de vacío (FRV) son equipos diseñados para remover determinada
cantidad de agua de soluciones conteniendo porcentajes de sólidos suspendidos. En INGREDION
son usados FRV que tienen como salida una torta compuesta mayormente de gluten de maíz, con
una humedad de 60%. Esta torta de acuerdo a la actual operación, es mezclada con gluten seco, con
el objetivo de reducir la humedad de entrada al secador hasta un valor operacional.
Es fundamental el control en la operación de estos FRV debido a que la fluctuación en el
valor de humedad afectará directamente la humedad de entrada y consecuentemente a la de salida
en los secadores, y esta misma (desde que una fracción de salida se retrocede a mezclar con la torta)
afecta además de manera indirecta la humedad de entrada.
Justificación
Uno de los objetivos primordiales en INGREDION, así como en todas las plantas de
producción, es alcanzar porcentajes de eficiencia muy altos, lo cual solo es posible logrando obtener
los más altos niveles de calidad operacional.
INGREDION planta San Juan del rio, cuenta con un tanque de gluten pesado para cada uno
de sus dos canales de producción, los cuales son alimentados por sus propias concentradoras de
gluten ligero y que posteriormente alimentan a los FRV. En todo momento se pretende establecer
un equilibrio entre la velocidad de alimentación y de consumo en el tanque, así el nivel no variará
con el tiempo; pero cuando el cumplimiento del programa diario de molienda excede la capacidad
de consumo de los FRV, el nivel en los tanques comienza a elevarse hasta llegar al punto que
derraman gluten pesado, esto implica la pérdida de este producto. Es necesario operar los FRV de
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tal manera que consuman la mayor cantidad de alimentación evitando derrames de producto que
disminuyen drásticamente los porcentajes de eficiencia.
Producto de la maceración, el agua pesada tiene una composición variable que depende de
la variedad de maíz procesado y de las condiciones específicas a las que fue macerado (tiempo y
temperatura en ejemplos), pero de manera general es una solución concentrada de sólidos solubles.
Esta solución con el objetivo de incrementar el rendimiento del proceso de gluten seco, es
adicionada a la torta que ingresa al secador. El gluten seco como producto final tiene
comercialmente un mínimo de 60% en peso de proteína, y cuando es mayor permite la adición de
agua pesada al secador. Operar los FRV logrando obtener mayor cantidad de sólido seco en la
descarga de torta, permite la adición de mayor cantidad de agua pesada incrementando los
rendimientos de gluten seco.
Resulta importante observar que los FRV tienen como única alimentación gluten pesado y
como salida tienen filtrados y torta. Se considera que la mayor cantidad de gluten es encauzada a
los secadores, mientras que una fracción mucho menor es depositada en un tanque de filtrados. La
operación del FRV que entregue una menor cantidad de sólidos en los filtrados, estará logrando
obtener también mayor eficiencia de separación.
Los filtrados depositados en un tanque son utilizados para el lavado continuo de las lonas
de los filtros, ocasionalmente fragmentos de torta no son desprendidos de la lona y al ser lavados
por los filtrados, incrementan drásticamente su concentración de sólidos. La velocidad de operación
del filtro, aumenta la frecuencia con la que estos fragmentos consiguen llegar hasta el tanque de
filtrados. Como un intento de recuperar este gluten, los filtrados son bombeados constantemente
hasta el tanque de gluten ligero. Desafortunadamente, este satura las concentradoras, la cantidad
de gluten regresado excede la capacidad de procesamiento y este no puede ser canalizado
adecuadamente perdiéndolo como agua de proceso; se vuelve necesario determinar a qué
velocidad el incremento en la velocidad se vuelve adverso en la eficiencia del proceso.
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Objetivos
Objetivo General
Determinar la velocidad de operación mejor conveniente en los filtros de vacío.
Objetivos específicos
� Determinar la relación RPM contra masa de torta descargada
� Determinar la relación RPM contra humedad de torta
� Determinar la relación RPM contra sólidos en filtrados
� Determinar la relación RPM contra sólidos en tanque de filtrados
Problemas a resolver
El maíz que es procesado en INGREDION planta Sn Juan contiene en promedio 8% de
proteína en base seca; actualmente la recuperación total de proteína se encuentra a tan solo 4.3%.
Se observa en el proceso un alto contenido de sólidos en soluciones que no es normal y se especula
que la saturación de concentradoras podría provocar esta situación. Los filtros de gluten pesado
podrían ayudar a reducir la carga de las concentradoras.
La señal de lectura de velocidad de filtros está en alguna unidad desconocida, se debe
realizar investigación para conocer la manera de controlar el filtro.
Procedimiento y descripción de actividades realizadas
Fundamento teórico Con el objetivo de determinar las RPM que permitan un mayor consumo de gluten pesado
y que consecuentemente otorguen mayor cantidad de sólido seco se elaborará un examen
experimental que permita observar la operación del FRV. A diferentes velocidades se realizarán
análisis de muestras de torta y filtrados. Una gráfica que relacione las RPM contra la humedad de
torta, sólido seco total y masa descargada por unidad de tiempo se analizará para determinar el
comportamiento del proceso, además se analizará una gráfica que relacione las RPM contra el
porcentaje de sólidos en filtrados y en el tanque de filtrados.
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Según las especificaciones de las dimensiones en el manual de operación, los FRV tienen 12
pies de diámetro, por 20 pies de longitud. Primero con el diámetro del tambor se calcula la
circunferencia de este de la siguiente forma:
��� = �� = ��12 ��
��� = 37.69911184 ��
Y ahora sabiendo la distancia que la lona del filtro circula con cada revolución del tambor,
se calcula la velocidad tangencial a la cual se mueve la lona como:
Ø = ��� ∗ ��� = ��� ∗ �
���
Ø =����
���
En la ecuación anterior, X representa las revoluciones por minuto de tambor. Ahora
multiplicando la velocidad tangencial por los 20 pies de longitud, se obtiene la velocidad de área de
descarga de la forma:
����� =
� !"
#!$∗ �20 ��
De esta manera se podrá conocer el área descargada por unidad de tiempo y con datos de
masa de 1 ��& de torta y de humedad de torta, se obtendrán datos como sólido seco descargado
por unidad de torta.
Estableciendo una función que relacione la velocidad del filtro contra la masa descargada �� =
����� , podrá obtenerse mediante cualquier método de optimización la velocidad en la que
encuentre una mayor descarga de gluten. Maximizando �� = ����� en el intervalo de velocidad
operacional se determinará la velocidad óptima de operación. Análogamente se establecerán las
funciones '( = )���� y '* = ℎ���� (sólidos en filtrados y tanque respectivamente) esto para
observar el impacto en la concentración de filtrados, y una , = �����
Debido a la naturaleza inestable del proceso las variables críticas que directamente lo
afectan deben ser controladas y reguladas estrictamente, estas variables son:
� Temperatura de gluten pesado
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� Densidad de gluten pesado
� Presión de vacío
Se ha de considerar que el proceso en todo momento manifiesta variación en su
comportamiento, por lo que antes de concluir que el experimento fue llevado a cabo bajo
operaciones inestables y no controladas debería ser comparado la fluctuación y la desviación
estándar de las mismas variables durante el tiempo que dure el experimento contra la que muestre
anteriormente.
Los coordinadores del proceso, tienen el control de motor que impulsa al filtro, con esto se
puede regular la velocidad de rotación en porcentajes de operación desde 0% (velocidad mínima de
operación, hasta 100% velocidad máxima de operación. Observe la tabla 1, en ella se muestra la
relación % de motor, contra RPM.
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RP
MLi
ne
al
00
.15
7
50
.17
8
10
0.1
99
15
0.2
20
20
0.2
41
25
0.2
62
30
0.2
83
35
0.3
04
40
0.3
25
45
0.3
46
50
0.3
67
55
0.3
88
60
0.4
09
65
0.4
30
70
0.4
51
75
0.4
72
80
0.4
93
85
0.5
14
90
0.5
35
95
0.5
56
10
00
.57
7
Ta
bla
1 r
ela
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filt
ros
en
po
rce
nta
je d
e
tra
ba
jo d
e m
oto
r.
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Figura 2 Diagrama general breve del proceso. Los recuadros en amarillo representan los
procesos que forman parte de agrosecados. Predesaguado es la sección de agrosecados
en donde se utilizan los FRV.
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Procedimiento metodológico
Humedad de torta
Se ha de tomar una muestra del rodillo de descarga en un frasco de plástico, esta se
transportará inmediatamente al laboratorio donde en una termobalanza se analizará y se registrará
el contenido de agua en porcentaje de humedad en peso.
Densidad de gluten pesado
Después de tomar una muestra del gluten pesado en el muestreador se llenará un tubo de
15 ml, el tubo será centrifugado 8 min a 4000 RPM. Se registrarán los resultados y se reportarán
como % de sólidos en volumen.
Temperatura de gluten pesado
En el intercambiador de calor el cual enfría gluten pesado hasta la temperatura de
operación, se comprobará y registrará la temperatura de la solución en °C.
Presión de vacío
En el sensor de presión que posee cada bomba de vacío, se comprobará y se registrará la
presión de vacío en mmHg
Masa descargada por hora
Se tomará una placa de área conocida de la torta de descarga y de acuerdo a las RPM, al
diámetro del tambor y a la longitud del tambor se determinará cada cuanto es descargada esta
cantidad de masa en -.
/".
Sólidos en filtrados
Del muestreador de filtrados se tomará un frasco de muestra con el que se llenará un tubo
de 15 ml, el tubo será centrifugado 8 min a 4000 RPM. Se registrarán los resultados y se
reportarán como % de sólidos en volumen. El dato obtenido directamente de la centrifuga será
usado como indicador; esto porque la operación es contralada con estos datos en estas unidades.
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Resultados
Después de analizar la serie de muestras obtenidas se han obtenido los datos mostrados en
la tabla 2. En ella se muestran los valores de humedad y de concentración de sólidos; así como de
masa descargada por unidad de tiempo. Se ha graficado en un diagrama, las diferentes velocidades
del filtro contra humedad, sólidos y masa descargada en las siguientes figuras.
Tabla 2 Resultados obtenidos del análisis de muestras. En la primera columna se observan el porcentaje de variador que
corresponde a las determinadas RPM ya observadas; la siguiente columna muestra los valores de humedad en la torta a
cada velocidad; Sólidos en filtrados expresados como ml sedimentados por cada 15 ml de solución; y, por último, la masa
en gramos descargada por el filtro en el área de un circulo con diámetro = 6.36 cm.
Variador Humedad Sólidos
Masa descargada Filtrados Tanque
0% 54.82% 0.2 1 4.53
10% 55.38% 0.2 1 4.59
20% 56.62% 0.25 1 5.29
30% 58.74% 0.3 1 5.47
40% 59.11% 0.3 0.8 5.97
50% 59.47% 0.35 0.7 7.02
54.00%
55.00%
56.00%
57.00%
58.00%
59.00%
60.00%
0% 10% 20% 30% 40% 50%
Humedad de Torta
Figura.3 La función , = ����� relaciona la humedad contra la velocidad del filtro.
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Figura.4 La función en rojo ST=h���� relaciona la concentración contra la velocidad del filtro. La función azul
SF=g���� relaciona concentración de sólidos en filtrados a la velocidad de operación.
Figura. 5 Relación existente MD=f���� entre la masa descargada contra la velocidad del filtro.
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
0% 10% 20% 30% 40% 50%
0
1
2
3
4
5
6
7
8
0% 10% 20% 30% 40% 50%
Masa descargada
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Conclusiones y recomendaciones
La humedad de torta se observa en aumento con el incremento de la velocidad de los filtros,
esto puede ser debido a su menor tiempo de filtrado, lo que provoca la poca ineficiencia del secado
en la torta. Si la torta permaneciera un periodo mayormente prolongado, probablemente la torta
obtendría valores menores de humedad. Con el fin de obtener una torta que contenga humedad
menor a 60% en peso, sería recomendable operar el FRV a velocidades menores de 50% en su
variador (0.368 RPM) y solo operar por encima de esta, cuando las circunstancias lo requieran.
En la gráfica de humedad al observar la relación , = ����� se identifica dos
comportamientos completamente diferentes; hasta antes de 30 % de velocidad, la humedad
asciende de forma exponencial, mientras que para los datos superiores a 30% de velocidad, el
incremento se estanca. Con fines prácticos, después de 30% de velocidad, el incremento en la
velocidad se vuelve cada vez menos ineficiente tratando de incrementar la humedad en torta. Por
lo que tampoco se recomienda intentar humedecer la torta subiendo la velocidad por encima de
30%.
La concentración en filtrados es el indicio que marca claramente como incrementar la
velocidad, afectará indiscutiblemente la eficiencia del proceso. Con el incremento de la velocidad,
la concentración en filtrados, ligeramente, también incrementa. Con lo que se esclarece la idea de
que la cantidad de gluten regresado a molienda es mayor con el incremento en velocidades de los
filtros. Desafortunadamente habrá ocasiones donde sea indispensable acelerar los filtros por altos
niveles en tanques de gluten pesado, pero de manera generalizada, en cualquier momento es
recomendable mantener la velocidad lo más baja que así se pueda.
La cantidad total de molienda de maíz diario, sobre la cantidad total de área de filtración, es
un indicio clave acerca del posible rendimiento que pueda llegar a ser obtenido. Un poco abstracta,
esta idea que a simple vista no manifiesta evidencia alguna de como al incrementar el área de
filtración se pretende lograr mejores rendimientos, nos permite establecer la siguiente conjetura,
al contar con una mayor área de filtración, el consumo de gluten pesado será consecuentemente
mayor, con lo que permite al operador trabajar a bajas velocidades pues no resulta necesario
acelerar los filtros más allá de lo que pueda ser recomendado.
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En cuanto a la masa descargada por hora se observa una tendencia clara en incrementar
con la velocidad, y dado que la masa descargada, es una variable que ha de ser controlada podría
regularse con relación mostrada en MD=f���� . Recordar que la siguiente etapa del proceso es el
secado se gluten, y de acuerdo a las especificaciones de diseño, o a las condiciones del proceso la
velocidad puede ser regulada para obtener la producción deseada.
Competencias desarrolladas o aplicadas
Durante mi estadía en esta experiencia laboral, no solo he observado la aplicación de mi
profesión como herramienta de desarrollo del potencial humano, sino que he sido partícipe de
actividades que desarrollan e impulsan mi visión.
Operaciones unitarias más allá de tomarlo como un curso se ha vuelto para mí una
necesidad. Habilidades un poco menos comunes como la programación de códigos en MATLAB, he
incluso, habilidades de uso de herramientas informáticas me han ayudado a solventar las
dificultades. Como profesionista encuentro un gusto amplio por la investigación, y de diferentes
formas el constante asedio por parte de nuestros profesores con documento de investigación
científica, forjan un hábito en nuestras actividades diarias.
Resulta increíble cómo es que, al inicio de mi educación académica, asignaturas como
comportamiento organizacional parecían ser completamente impertinentes y ahora les encuentro
ayuda casi a cada momento.
Una competencia o habilidad que fue desarrollada en mi educación profesional y que su
ejecución ha sido sin duda alguna esencial para el desarrollo de todo lo demás, es ejercer nuestra
capacidad de comunicación, oral y escrita; la habilidad, elocuencia y gracia con la que una persona
establece conversaciones con sus compañeros, determina en gran medida el alcance que podrá
desplegar en cualquier organización.