DISEÑO DE UNA PLANTA COMPACTA INDUSTRIAL PARA LA ELABORACIÓN DE REFRESCO Y/O JUGO A BASE DE AZÚCAR Y/O PULPA DE FRUTA CON CAPACIDAD PRODUCTIVA DE 500 A 1.000 LITROS/HORA MARCELA LAMUS PARRA LEONARDO AGUILAR OLIVARES UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD TECNOLÓGICA PROYECTO CURRICULAR DE INGENIERÍA MECÁNICA BOGOTÁ D.C. 2015
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DISEÑO DE UNA PLANTA COMPACTA INDUSTRIAL PARA LA ELABORACIÓN DE REFRESCO Y/O JUGO A BASE DE AZÚCAR Y/O PULPA DE FRUTA CON
CAPACIDAD PRODUCTIVA DE 500 A 1.000 LITROS/HORA
MARCELA LAMUS PARRA
LEONARDO AGUILAR OLIVARES
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS
FACULTAD TECNOLÓGICA
PROYECTO CURRICULAR DE INGENIERÍA MECÁNICA
BOGOTÁ D.C.
2015
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DISEÑO DE UNA PLANTA COMPACTA INDUSTRIAL PARA LA ELABORACIÓN DE REFRESCO Y/O JUGO A BASE DE AZÚCAR Y/O PULPA DE FRUTA CON
CAPACIDAD PRODUCTIVA DE 500 A 1.000 LITROS/HORA
PROPUESTO POR:
MARCELA LAMUS PARRA
LEONARDO AGUILAR OLIVARES
TESIS DE GRADO PARA OPTAR A TITULO DE INGENIERO MECÁNICO
Tabla 103. Presupuesto montaje de elementos. .................................................................. 202
Tabla 104. Tabla total de inversiones Nueva planta. .......................................................... 203
Tabla 105. Costo certificado de Invima.............................................................................. 203
Tabla 106. Mano de obra directa ........................................................................................ 204
Tabla 107. Mano de obra directa. ....................................................................................... 205
Tabla 108. Nomina Administrativa. ................................................................................... 205
Tabla 109. Depreciación de equipos................................................................................... 205
Tabla 110. Costos servicios públicos. ................................................................................ 206
Tabla 111. Costos Totales de producto. ............................................................................. 206
Tabla 112. Gastos administrativos y de ventas................................................................... 207
Tabla 113. Inversión total del proyecto. ............................................................................. 207
Tabla 114. Fuentes de financiación. ................................................................................... 207
Tabla 115. Simulador cuotas préstamo bancario. ............................................................... 208
Tabla 116. Balance inicial de inversión.............................................................................. 209
Tabla 117. Costos fijos. ...................................................................................................... 210
Tabla 118. Costos variables. ............................................................................................... 210
Tabla 119. Costos Totales .................................................................................................. 210
Tabla 120. Egresos del proyecto durante cinco años. ......................................................... 212
Tabla 121: Proyección de unidades estimadas. .................................................................. 212
Tabla 122. Ingresos proyectados. ....................................................................................... 212
Tabla 123. Flujo de caja a cinco años. ................................................................................ 214
Tabla 124. Estado de resultados. ........................................................................................ 215
Tabla 125. Ingresos - Egresos............................................................................................. 216
Tabla 126. Calculo TIR. ..................................................................................................... 216
Tabla 127. Recuperación de la inversión............................................................................ 217
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ÍNDICE DE FIGURAS
pág.
Figura 1. Esquema de los módulos de la planta de producción de jugos ............................. 36
Figura 2. Foto de equipo para producir agua suavizada ....................................................... 49
Figura 3. Foto de sistema Blender ........................................................................................ 49
Figura 4. Diagrama del proceso de la planta Nueva Deli ..................................................... 57
Figura 5. Diagrama de flujo de la planta actual .................................................................... 61
Figura 6. Diagrama de planta propuesta ............................................................................... 62
Figura 7. Diagrama del proceso actual de mezcla ................................................................ 63
Figura 8. Diagrama de la planta actual ................................................................................. 65
Figura 9. Diagrama de la planta propuesta ........................................................................... 65
Figura 10. Diagrama de pasteurización propuesto ............................................................... 67
Figura 11. Diagrama del módulo de pasteurización ............................................................. 68
Figura 12. Diagrama del módulo de llenado ........................................................................ 69
Figura 13. Diseño en 3D del módulo de mezcla................................................................... 73
Figura 14. Esquema del módulo de mezcla .......................................................................... 74
Figura 15. Diagrama de Moody ............................................................................................ 75
Figura 16. Coeficiente de pérdida de una válvula de mariposa ............................................ 79
Figura 17. Coeficiente de rozamiento para salida brusca de un depósito ............................. 80
Figura 18. Puntos de control en el sistema mezcla ............................................................... 82
Figura 19. NPSHdisp Vs NPSHreq ...................................................................................... 85
Figura 20. Datos para calcular el NPSHdisp ........................................................................ 85
Figura 21. Curvas de la bomba INOXPA SN-15 ................................................................. 87
Figura 22. Selección del Diámetro del Recipiente ............................................................... 95
Figura 23. Fondo Toriesférico tipo Klopper ......................................................................... 98
Figura 24. Diferentes tipos de agitadores ........................................................................... 100
Figura 25. Caracterización de rodete y placas deflectoras. ................................................ 102
Figura 26. Tanque con placas deflectoras .......................................................................... 103
Figura 27. Gráfica del número de potencia ........................................................................ 104
Figura 28. Motor-reductor SEW versión con brida y eje hueco con anillo de contracción 107
Figura 29. Esquema sobre las fuerzas en el impulsor......................................................... 112
Figura 30. Dimensiones del álabe....................................................................................... 113
Figura 31. Esquema de carga puntual ................................................................................. 113
Figura 32. Módulo de pasteurización ................................................................................. 126
Figura 33. Esquema del módulo de pasteurización ............................................................ 127
Figura 34. Curvas características de la bomba Inoxpa SN-28 y trazado de la curva del
sistema ................................................................................................................................ 136
Figura 35. Selección del Diámetro del Recipiente ............................................................. 139
Figura 36. Notación de temperatura ................................................................................... 154
Figura 37. Esquema de planta correspondiente al calentamiento del producto .................. 156
Figura 38. Dimensiones intercambiador de calor ............................................................... 158
Figura 39. Sección transversal entre placas del intercambiador ......................................... 160
Figura 40.Esquema de planta correspondiente al enfriamiento del producto ..................... 163
11
Figura 41. Soportes para tubería de retención, módulo de pasteurización ......................... 169
Figura 42. Diagrama de soportes con fuerzas actuantes ..................................................... 170
Figura 43. Diagrama de cuerpo libre (a) Apoyo 1, (b) Apoyo 2 ........................................ 170
Figura 44. Módulo de servicios industriales ....................................................................... 173
Figura 45. Diagrama de Moody .......................................................................................... 176
Figura 46. Foto caldera seleccionada ................................................................................. 184
Figura 47. Dibujo Torre de enfriamiento............................................................................ 185
Figura 48. Esquema de una torre de refrigeración.............................................................. 186
Figura 49. Esquema del sistema de bombeo de la torre de enfriamiento ........................... 192
Figura 50. Curvas de la bomba y curva del sistema ........................................................... 194
Figura 51. Compresor Kaeser ............................................................................................. 195
Figura 52. Punto de equilibrio de Nueva Deli en su primer año. ....................................... 213
12
ÍNDICE DE ANEXOS
ANEXO A. CATÁLOGO AGITADOR.......................................................................... 286
ANEXO B. CATÁLOGO MOTORREDUCTOR ......................................................... 287
ANEXO C. VALORES DEL FACTOR “M” ................................................................. 288
ANEXO D. CHAVETAS ESTÁNDAR ........................................................................... 289
ANEXO E. CATÁLOGO INTERCAMBIADOR DE CALOR.................................... 290
ANEXO F. CATÁLOGO CALDERA ............................................................................ 291
ANEXO G. PROPIEDADES DEL AGUA SATURADA .............................................. 292
ANEXO H. TABLA PSICROMETRICA ...................................................................... 294
ANEXO I. CATÁLOGO TORRE DE ENFRIAMIENTO ........................................... 295
ANEXO J. CATÁLOGO COMPRESOR ...................................................................... 296
ANEXO K. PLANOS ....................................................................................................... 297
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1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
Dentro de la industria de alimentos y bebidas, existe un sector de bebidas no alcohólicas
que conocemos más comúnmente como refrescos, jugos y gaseosas. Es un sector amplio
con crecimiento acelerado y que cubre todo rincón del planeta con sus subproductos y se
fabrica casi que en el 95% de los países del mundo,(Diario de la gastronomia, 2013). Es un
producto que no discrimina nivel socio-económico y que en cualquier rincón del planeta se
consigue y se consume ya sea producido de manera artesanal o en las megaindustrias
controladas por multinacionales.
A nivel mundial este sector se encuentra en más de un 60% industrializada, siendo los
países del primer mundo pioneros en el desarrollo de maquinaria y última tecnología de
producción, quienes pueden producir grandes volúmenes, tienen amplia variedad de
productos y son competitivos con precios asequibles para cualquier persona sin importar
estrato social.
Sin embargo en los países menos desarrollados y que no pertenecen a un primer mundo,
hay un mercado latente en constante crecimiento, asumido en varias formas por las
multinacionales llegando acaparar el mercado y planteando una dura competencia con el
local.
Básicamente el pequeño productor en países emergentes ve problemas en su producción
local al no tener un brazo financiero que lo apalanque, tienen que comprar muchas veces su
materia prima a costos más elevados por las cantidades reducidas de su producción y para
poder tener una buena rentabilidad debe tener un mercado amplio, pero este interfiere ya
que la sobreproducción en ciudades principales lo pone a competir con las grandes
multinacionales.
En Colombia la situación no es diferente, la producción de refresco es dominada
básicamente por grandes grupos industriales que tienen todo el poder para inundar el
mercado con productos a bajos precios hasta no obtener utilidad para introducir una nueva
marca con grandes campañas de publicidad. Aunque el sector de las bebidas mantiene
fabricantes de sector de industria PyMEs en su mayoría familiares, con gran vocación de
trabajo, experiencia, emprendimiento e inquietud, no se ha trabajado en sus necesidades
insatisfechas como la carencia de tecnología, falta de infraestructura al no contar con
espacios aptos para la producción de las bebidas, equipos adecuados, además que no
cuentan con recurso humano capacitado por los bajos salarios que pueden pagar, carecen de
programas de capacitación y entrenamiento que les permita crecer administrativa, técnica y
productivamente, no existe programas directos al sector que fomenten, promocionen, el
crecimiento de estas empresas en sus regiones.
Con base a la premisa que cada PyMEs del sector es diferente en aspectos de producción,
maquinaria, locación y que tal vez no tienen todas las mismas problemáticas mencionadas,
se ha decidido plantear soluciones de ingeniería con la experiencia que se tiene del sector.
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Un proyecto acorde y enfocado a la pequeña y mediana industria (con capacidad productiva
de 500 a 1.000 L/h) que fabrica refrescos a base de agua con materias primas básicas como
azúcar, Pulpa de fruta liquida, conservantes, colores y sabores artificiales.
Este trabajo surge de la necesidad actual de incorporar diseño y tecnología, reemplazar los
procesos de producción actual generando soluciones en la pequeña industria en aspectos
como:
- Reducción en los tiempos de fabricación de las bebidas disminuyendo con esto costos de operación y aumentando productividad.
- Disminución en el desperdicio de materias primas que se presentan actualmente por
manipulación manual en el proceso.
- Oportunidad de fabricar una variedad de productos con los mismos equipos, solo cambiando los aditivos en las recetas. De esta manera se crea la posibilidad de
ampliar su espectro comercial.
- Ahorro de espacio locativo con equipos compactos
- Obtención de un producto de gran calidad tanto físico-Química, como biológica que cumpla con las normativas actuales de la legislación Colombiana.
- Capacitación del personal, ya que al implementar la tecnología en el proceso es
necesario que se acople el trabajador con el nuevo desarrollo.
1.1 JUSTIFICACIÓN
¿Porque diseñar una planta compacta para la elaboración de refrescos y jugos?,
Pues bien, se apuesta al desarrollo de equipos automáticos enfocados al sector actual de las
PyMEs que producen actualmente refresco y jugo y que mantienen altas necesidades de
innovación en producción, ahorro y calidad, pero también se abordará a los nuevos
empresarios que vean atractivo la producción de refrescos y jugos en sitios apartados donde
sea difícil el transporte desde ciudades principales y que quieren cubrir un pequeño
mercado local municipal, apoyado en la dinámica de crecimiento económico actual del país
y el poder adquisitivo que tienen los ciudadanos y en la industria turística de algún sector.
Siempre se ha pensado en el desarrollo en ingeniería de la vanguardia tecnológica en la
industria alimenticia de gran volumen, pero nunca se ha tomado la industria pequeña para
realizar desarrollos que por lo mínimo puedan satisfacer algunas necesidades propias de
esta industria. La globalización en la mayoría de ocasiones favorece al grande productor
mientras al pequeño lo aísla del mercado central, y no le permite abarcar ningún segmento
de la sociedad.
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La ayuda como se mencionó es muy poca en este sector de Bebidas y la PyMEs, se sabe
que la industria de las bebidas en general lo abarcan unos pocos grupos industriales del
país y es un sector que mueve mucho dinero al año, muchas fábricas pequeñas han
quebrado y unas pocas subsisten con productos cada vez menos atractivos al cliente final.
El mercado y el cliente existen actualmente, se debe es recuperar, rentabilizar la producción
en un sector de esta industria y que tiende a estar condenado al fracaso por la presión de la
industria grande y por la exigencia del cliente, pero otro modelo de producción y mercado
debe ser creado para que pueda ayudar a muchos que viven de la fabricación y
comercialización de este producto, y a otros que les pueda ser interesante.
El campo que se quiere atacar con este proyecto es la rentabilidad de la producción en la
fabricación y el modelo actual de la maquinaria, ofreciendo equipos compactos modulares
capaces de fabricar refrescos de varios sabores a base de azúcar/agua de manera automática
que ahorre tiempos, materias primas y operarios y que ofrezca un producto de calidad y
variedad comparado con las mega industrias existentes, que pueda ofrecer al mercado
productos competitivos y reduciendo la capacidad logística de espacios y requerimientos de
servicios industriales que puedan llevar a intensificar la producción necesaria en todas las
ciudades y pueblos sin la limitación de transporte, y llevando al ciudadano a comprar
productos de la región dinamizando la economía de los mismos pueblos donde está la
fábrica en la que se implantó el diseño.
Este proyecto se enfocará en los módulos básicos de Fabricación de Jarabe simple y
compuesto, modo de pasteurización, módulo de llenado y módulo de servicios industriales,
no se pretende diseñar elementos y componentes que ya se consiguen en el como lo son
bombas, válvulas, intercambiadores , llenadoras etc. si no investigar el proceso de
fabricación, que componentes y maquinaria se necesita para su elaboración, buscar los
fabricantes actuales de estas maquinarias en la industria alimenticia, integrar los anteriores
y diseñar equipos básicos completos y necesarios para la fabricación de los refrescos con
las maquinarias de los fabricantes actuales.
Este proyecto trabajara en líneas de conducción, distribución de espacios, proceso de
diagrama de flujo, necesidad de servicios industriales, diseño de tanque y agitadores,
selección de maquinaria apta para el proceso, selección de materiales de bancada y modelo
en 3D de los equipos. Además terminar con una propuesta económica para la fabricación
del mismo y viabilidad de proyecto.
La necesidad es latente, diseñar con un solo volumen de producción en principio plantas de
fabricación de refrescos modulares, donde dependiendo del tamaño se selecciona la planta
y con tan solo tres módulos puede comenzar por ahorrar espacio, tiempo y mano de obra.
Se ganará en rentabilidad, en variedad de producto y en calidad del mismo. Ahora si el
fabricante tiene otro objetivo en investigación para su proyección de venta, solo adiciona
cualquiera de los dos módulos restantes y puede obtener o un producto de mayor plus
comercial, o un producto nuevo para su catálogo.
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Además con el diseño el objetivo es tener una planta industrial de fácil traslado a sitios
alejados, donde se tenga difícil acceso vehicular y donde la implementación pueda ser de
ayuda social para la implantación de fábricas regionales financiadas por el gobierno u otras
instituciones de impacto social que ayuden a los desempleados y creen una microeconomía
basada en la fabricación de bebidas refrescantes azucaradas.
1.2 OBJETIVOS
1.2.1 Objetivo general
Diseñar una planta compacta industrial para la elaboración de refresco y/o jugo a base de
azúcar y/o pulpa de fruta con capacidad productiva de 500 a 1.000 litros/hora.
1.2.2 Objetivos específicos
- Inspeccionar el proceso de fabricación de refrescos azucarados en las plantas actuales y definir los parámetros de producción para el proceso de la planta nueva.
- Desarrollar el diseño mecánico y eléctrico de la planta industrial dirigida a la
fabricación de refresco simple y compuesto, pasteurización de producto y servicios
industriales.
- Realizar la evaluación financiera para la construcción de una planta compacta para fabricación de bebidas refrescantes a base de azúcar.
- Elaborar el manual de operación, mantenimiento y servicio de los equipos que componen la planta.
- Elaborarla ficha técnica con las características generales de la planta para la distribución comercia la posibles clientes.
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2. ESTADO DEL ARTE
La producción en el sector de las bebidas refrescantes, gaseosas y jugos de fruta se ha
incrementado a nivel mundial durante los últimos años, América Latina con un crecimiento
del 60.1%,Norteamérica 14.3% durante el 2012,(Informe anual de bebidas, 2013),como
también la consolidación de grandes grupos industriales a través de la adquisición y fusión
de marcas y embotelladoras liderando principalmente en este proceso la compañía Coca-
Cola FEMSA, consiguiendo excelentes resultados no solo en términos económicos sino
siendo cada vez más prominente en el mercado latinoamericano y siendo líder a nivel
mundial; “La empresa cerró el año 2012 adquiriendo un 51% de la Coca-Cola Filipinas y
abrió el segundo semestre de 2013 con la fusión con el Grupo Yoli. Ambos movimientos
atienden a la idea del grupo de expansión por medio de adquisición y a tener cada vez más
un portafolio internacional. De igual manera, Arca Continental, segunda embotelladora de
América Latina, comenzó el año inaugurando una planta en Tucumán, Argentina, donde
prevé poder duplicar su capacidad de producción”(Informe anual de bebidas, 2013).Estos
movimientos globales hacen que casi el 80% del mercado sea dominado por conglomerados
multinacionales que ofrecen grandes portafolios de marcas, sabores, formatos y estilos.
En Colombia no es ajeno a esta corriente, la marca Andina Colombia Jugos del valle en el
2012 firmó un acuerdo de colaboración con el Grupo Livsmart en Centroamérica para
poder distribuir y vender sus jugos en Colombia, con el objetivo a futuro de construir una
planta de jugos en el país. Como lo hará la compañía mexicana Coca-Cola Femsa quien
invertirá 200 millones de dólares en la nueva planta en Tocancipá a partir del 2013.
De acuerdo con el análisis de Euromonitor Internacional, América Latina se encuentra en
tercer lugar en el consumo mundial de bebidas embotelladas por detrás de Estados Unidos y
China. Tanto Perú como Brasil tienen la fuerza de un mercado dominado por marcas
nacionales que solamente siguen a las grandes marcas de cola con un mercado aún sin
explorar con grandes oportunidades de crecimiento. En Colombia, el consumo per cápita
entre el 2011 y 2012 de bebidas embotelladas fue aproximadamente de 129 L/año, siendo
las gaseosas las que se llevan el mayor volumen de 55 L/año, seguidos por el consumo de
cerveza con 44 L/año y el agua de mesa, con 16L/año de acuerdo al estudio realizado por la
Corporación de Cervecerías Unidas (CCU), de Chile donde indica que Colombia está
ubicado en el lugar más bajo entre un grupo de ocho países latinoamericanos.(En
Portafolio, 2013), Esto representa una posibilidad de inversión a corto plazo con mayor
rentabilidad, buenos márgenes de crecimiento del consumo, fortaleza en el mercado siendo
este un nicho muy atractivo.
La innovación es una de las claves más importantes en el desarrollo del sector, que “parece
producir nuevos productos más rápido de lo que el consumidor es capaz de bebérselos”
(Informe anual de bebidas, 2013). Según las nuevas tendencias, los consumidores están
cada vez más abiertos a los nuevos sabores, combinaciones de frutas exóticas como por
ejemplo guaraná, açaí y bayas (frutas nativas de Brasil) y las nuevas cualidades
nutricionales. La novedad en los formatos y empaques son cada vez más importante a la
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hora de introducir nuevos productos o mantener actualizadas las marcas por ejemplo la
venta de bebidas en bolsas muestra un gran potencial por su costo y su facilidad de
transporte más allá de otros envases. Por otra parte, el endurecimiento del marco legal en
países como Bolivia, Costa Rica, Argentina, Chile, Colombia o Brasil con respecto a
conducir después de haber tomado alcohol influirá en el consumo de bebidas no
alcohólicas, también lo hará las exigencias y regulaciones en algunos casos
gubernamentales en procura del cuidado de la salud como es la reducción de calorías y el
contenido de azúcar en las bebidas dirigido a utilizar nuevos sustitutos endulzantes creando
así nuevos productos.(El Espectador, 2013)En términos regulatorios, los TLC, como por
ejemplo el firmado por nuestro país abre la posibilidad de consolidar productos en otros
mercados aunque el endurecimiento sobre algunas tarifas impuestas a las bebidas no
nacionales puede tener también influencia en el sector.
Por lo que respecta al desarrollo tecnológico a nivel mundial en la industria de las bebidas
el cual ha sido impulsado por los grupos de investigación de grandes compañías quienes
destinan recursos económicos significativos se centra principalmente en los procesos
productivos los cuales se pueden clasificar en tres grupos, el primer grupo el proceso
químico en el cual se han realizado avances en la creación de nuevos aditivos,
conservantes, ingredientes artificiales, desarrollo en la composición enzimática y
nutricional de las recetas, manejo microbial del producto y calidad bacteriológica en el
proceso, como también mejoras significativas en los métodos de manufactura reduciendo
los procesos y tiempos de producción. El segundo grupo es la producción donde la
maquinaria y equipos tienen gran impacto en la eficiencia y rentabilidad de una planta, se
han realizado avances significativos en el diseño y fabricación de equipos compactos de
procesamiento, con sistemas sencillos de funcionamiento y mantenimiento, los cuales
cumplen con altos estándares de calidad y asepsia, dirigidos a ser utilizados en diferentes
tareas al momento de ser integrados en líneas de procesos, donde la automatización está
generalizada en cada estado de la producción, quien programa, controla, reduce tiempos
muertos, registra, etc. facilitando y haciendo más ágil la fabricación de grandes lotes de
producto en menor tiempo incrementando la productividad al verse reducidos los costos de
producción y mano de obra.
Y el tercer grupo del proceso productivo es el empacado, almacenamiento y distribución
del producto, como ya se ha mencionado el empaque es de gran importancia para el
consumidor por la preferencia y gusto por las marcas como para la industria en materia de
publicidad, marketing y venta en el mercado de por si hoy día saturado y muy competitivo.
Pero más allá de esto se han realizado avances tecnológicos en los materiales de estos
empaques logrando así un mayor tiempo de conservación del producto, creación de barreras
en los envases para evitar la entrada y salida de gases (fundamentalmente oxigeno),
resistencia del envase a la rotura durante el almacenamiento, distribución y consumo,
reducción en la cantidad de materiales en la producción de los empaques siendo de fácil
recuperación y reutilización.
El almacenamiento y distribución del producto terminado en la industria está totalmente
automatizado, sobre todo el mecanismo de codificación e identificación de productos por
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lotes con códigos de barras en los cuales se registra toda la información llevando una
estricta trazabilidad y el transporte a través de cintas robotizadas en el área acopio.
El proceso productivo para la elaboración de refresco carbonatado, jugo a base de azúcar
y/o pulpa de fruta en la industria actual se inicia tratando el elemento más importante que es
el agua.
2.1 TRATAMIENTO DEL AGUA
El agua es la principal materia prima para la fabricación de bebidas no alcohólicas, además
de su uso como materia prima el agua es utilizada como agente de limpieza y de
enfriamiento, según el uso o calidad, el tratamiento varia, existen cuatro tipos de agua:
cruda, clorada, blanda y tratada. El agua utilizada en el proceso de producción de jarabe
simple o base para todas las bebidas no alcohólicas es el agua tratada la cual se obtiene
mediante el siguiente proceso: primero se procede con una floculación y precipitación de
compuestos orgánicos, para esto normalmente se utilizan sulfatos de aluminio o ferroso y
cal. El precipitado se elimina mediante purgas continuas. En algunos casos no es necesario
este paso por la buena calidad del agua con la que se cuenta en las plantas aunque existen
empresas en que se debe realizar por cuestiones de cumplimientos a normas de calidad
alimenticias.
Luego el agua pasa por un sistema de filtros. Normalmente se utilizan:
- Filtros de arena, que cumplen la función de retener todas las partículas que quedan en el agua.
- Filtros de carbón activado que retienen todas las sustancias de naturaleza gaseosa
como el cloro residual, la eliminación de mal olor y sabor
- Filtros pulidores que retienen partículas de tipo que no hayan sido eliminadas.
En algunos casos, luego del filtrado, algunas compañías aplican una desinfección final con
rayos UV inactivando microorganismos.
Esta desinfección se realiza en una unidad, la cual está constituida por una cámara en acero
inoxidable, una lámpara ultravioleta, limpiadores mecánicos, ultrasónicos, sensores
conectado al sistemas de alarma para el monitoreo de la intensidad de la luz ultravioleta,
dispositivos de control de velocidad de flujo y temperatura, balasto (ordena el flujo de
electrones). En los últimos diseños desarrollados garantizan que cada microorganismo
reciba la dosis de radiación necesaria para ser eliminado, se ha mejorado en el mecanismo
que realiza la agitación del agua para que sea expuesta homogéneamente y reciba la dosis
de radiación.(Dominguez)
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El agua es un componente esencial en la producción de jarabe y siempre existe el riesgo
que se trasmitan microorganismos perjudiciales para la salud de los consumidores, es por
esto que en cada etapa del proceso se analiza mediante tomas de muestras para análisis por
parte del área de calidad.
2.2 ELABORACIÓN DE JARABES SIMPLES Y TERMINADOS
Esta operación es la más importante y fundamental porque representa el principal insumo
para la preparación de las bebidas. Dado su uso el jarabe terminado representa el factor más
costoso del proceso productivo es por esto que su proceso es vigilado cuidadosamente ya
que incide directamente en los costos de fabricación del producto.
En la industria actual se aplican dos tipos de procesos para la disolución de azúcar procesos
continuos y discontinuos normalmente en soluciones de agua tratada para conseguir jarabe
simple, el cual esta estandarizado con una concentración típica entre los 60 y 67°Brix. (DI-
SUGAR)
Para el proceso discontinuo con sistema de tanque disolutor se utilizan tanques mezcladores
con capacidad acorde a la cantidad de azúcar a preparar. El agua tratada es calentada a la
temperatura adecuada en un intercambiador de calor y luego es bombeada hacia el tanque
disolutor de acero inoxidable dotado con agitadores impulsados desde la parte superior
mientras que un transporte neumático o mecánico alimenta el azúcar (ya sea concentrada,
en almíbar, azúcar cristalizada industrial) en cantidades determinadas para cada sabor y se
mezcla uniformemente por el tiempo necesario. Cuando se finaliza el proceso de
disolución, el jarabe de azúcar se filtra para retener las partículas extrañas, se envía a
pasteurizar y luego, pasa hacia un tanque pulmón.
En el procesos continuos con sistemas disolutores caliente/frío se puede realizar ya sea en
frio como en caliente en el mismo conjunto. Estos procedimientos requieren un silo con
azúcar (ya sea concentrada, en almíbar, azúcar cristalizada industrial) y un tanque de
capacidad adecuada para el jarabe de azúcar. El azúcar y el agua se alimentan al tanque de
disolución en las proporciones adecuadas. Una bomba circula y asegura una suspensión
homogénea. Un flujo parcial es suministrado por el tanque buffer, ambos flujos, a través de
un filtro (disolución fría) o pasteurizador (disolución caliente) se integran en la filtración y
desgasificación. La gran diferencia con el proceso anterior es que se obtiene una calidad
más alta en el proceso de disolución, poco desgaste en el conjunto por ende bajo
mantenimiento y el sistema puede ser limpiado por un CIP (Cleaning In-Place – limpieza in
situ).
Luego de tener el jarabe simple el producto se bombea a tanques que según el producto a
fabricar se le adicionaran los demás componentes como son aromatizantes, edulcorantes,
colorantes, acidulantes, conservantes, antioxidantes, emulsionantes, estabilizantes y agentes
de turbidez de acuerdo a los porcentajes en sus recetas, en el caso de los jugos con pulpa de
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fruta se adicionan en esta etapa y se obtiene el jarabe terminado. Para esto se realiza el
proceso de mezclado.
El siguiente paso es el mezclado de materias primas en sus proporciones correspondientes
para la preparación y así dar lugar al producto final, en las grandes empresas se realiza este
proceso por lotes, es decir que se produce una cantidad determinada de un producto de unas
características específicas. Para determinar el peso exacto de los componentes individuales
se utiliza balanzas o caudalimetros de masa los cuales son los más usados, el mezclado de
productos con balanzas se usa para mezclas en las que se tienen gran variedad de
componentes en pequeñas cantidades.
La tecnología en mezclado con caudalimetro de masa de gran exactitud (por ejemplo
caudalimetros másicos, caudalimetros electromagnéticos o ultrasónico) se complementa
con el sistema de batería de válvulas de doble asiento las cuales resisten a golpes de presión
ofreciendo una gran flexibilidad en el proceso, al permitir el paso de manera automática
(por medio de accionamiento de actuadores) de materias primas requeridas anteriormente
registrada por el caudalimetro de masa al tanque en el cual se requiere, estas baterías tienen
diferentes ramales para agilizar el paso de los diferentes componentes a varios tanques de
mezclado al mismo tiempo.
La integración de las baterías de válvulas permite limpiar las tuberías al mismo tiempo que
realiza la mezcla durante su accionamiento.
Otra variante del mezclado de jarabes es la tecnología de mezclado en línea continua, en
este tipo de proceso se mezclan los componentes líquidos directamente en la misma línea
en una proporción constante antes de la elaboración del producto final, el sistema cuenta
con controladores digitales los cuales mantienen la proporción de mezcla constante aun en
caso de cambio en la proporción por sobrepresiones.
La estructura del sistema de mezclado de línea continua consiste en una línea principal que
se alimenta de los componentes a ser dosificados por medio de bombas dosificadoras, estas
líneas cuentan con la tecnología de medición de caudalimetros de gran exactitud los cuales
influyen directamente en la precisión del sistema asegurando la mezcla exacta de todos los
componentes. En caso que se utilicen productos con una viscosidad alta se utilizan
mezcladores (estáticos o dinámicos) los cuales son incorporados en el sistema (tanques)
para lograr una mezcla homogénea de los productos. (GEA-TDS)
El diseño y construcción del sistema de mezclado continuo empleando líneas de corta
longitud garantiza la reducción al mínimo de las pérdidas de producto, baja retención de
productos en el sistema, disponibilidad para un amplio rango de capacidades de producción
y alta exactitud en la mezcla.
Al terminar la etapa de mezclado, el producto se transporta mediante tubería al
pasteurizador para tratarlo térmicamente.
22
2.2.1 Pasteurización del producto
El proceso de pasteurización es muy importante para la conservación durante periodos
largos de las materias primas y productos terminados, en la actualidad se cuentan con gran
variedad de equipos que permite que este proceso sea rentable y con la menor pérdida de
calidad posible en el producto.
Para alcanzar esta meta, el producto es tratado térmicamente, se calienta brevemente a la
temperatura requerida y se enfría rápidamente, para esto se utilizan intercambiadores de
calor tubular o de placas, de acuerdo al tipo de producto a tratar como son materias primas
zumos y bebidas refrescantes y de frutas con o sin pulpa.
En los intercambiadores de placas la tecnología y diseño es extremadamente compacta la
permite al intercambiador de calor cumplir con tareas térmicas extremas en un espacio
físico relativamente pequeño, fabricado en acero inoxidable AISI 316, se compone de
placas o módulos lo cual permite fácil incremento o reducción de su capacidad, también es
de fácil acceso para realizar inspección y mantenimiento, un desarrollo en sus juntas son las
de tipo LOC-IN “sin pegamento” lo cual permite un remplazo rápido reduciendo los
tiempos improductivos.
En el mercado se encuentran diferentes tipos de relieves de placas que provén una
combinación ideal para la transferencia eficiente de calor, capacidad de producción
tratamiento de diferentes productos, se puede seleccionar el diseño más adecuado entre
estos existe los tipos de placas como en forma de H con relieve en forma de raspa
horizontal, para alta eficiencia térmica, placa en forma de V con relieve en forma de raspa
vertical para una menor perdida de presión, placa M y P con relieve de raspa en V para una
mayor resistencia a la presión diferencial y el modelo de placa en N de caudal libre para
productos claros, turbios y fibrosos hasta de aproximadamente 5mm de longitud y 1mm de
diámetro.
Las principales ventajas de utilizar esta tecnología de intercambiadores es que pueden tratar
productos con contenido de pulpa, tienen un buen intercambio de calor, es decir que se
necesita poca superficie de intercambio y por lo tanto poca inversión económica, tiene una
elevada recuperación de calor (hasta un 96%) lo que significa menores costos de energía y
el espacio de montaje es pequeño gracias a la gran superficie de intercambio de calor en un
espacio reducido.
Los intercambiadores de calor tubulares también dependiendo de la capacidad de
producción requerida y las propiedades del producto se pueden seleccionar el diseño más
adecuado, en su parte técnica, los intercambiadores pueden tener uno más tubos ubicados
en la carcasa, pueden ser planos o corrugados; en la actualidad se encuentran en el mercado
los siguientes tipos: Monotubo (S), para el intercambio de calor directo durante el
tratamiento del producto con trozos grandes de pulpa, apto para la limpieza de tuberías por
raspado (pigging), el multitubo (M) con intercambiador de calor indirecto, el
intercambiador de calor directo producto-producto (P) el cual tiene una variación cuando el
23
producto tiene sustancias fibrosas ya que gracias a su diseño de doble paca tubular se
encarga de acelerar el flujo de manera trasversal evitando la sedimentación logrando
tiempos de producción más largos. (GEA-TDS).
Una tecnología aplicado en las grandes industrias en el proceso de pasteurización es la
desgasificación por vacío en el cual se lleva al producto a una temperatura entre 55 y 60 °C,
al depósito de desgasificación y a través de válvulas de choque desarrollada
específicamente para este proceso, allí se extrae del producto gran cantidad de gases,
recuperando los aromas propios del producto mediante enfriadores tubulares
reconduciéndolos nuevamente. Esto se realiza con el fin de disminuir la pérdida de la
calidad del producto por oxidación.
Para la producción de bebidas refrescantes como son las gaseosas se requiere del proceso
de Carbonatación
2.2.2 Carbonatación
En esta etapa se añade CO2 a las bebidas gaseosas, el cual consiste en que una vez el
producto es mezclado se envía al equipo carbonatador donde se genera la saturación del
jarabe terminado con dióxido de carbono gaseoso, donde se presenta la absorción. El jarabe
terminado debe ingresar a baja temperatura durante el proceso ya que esto es lo le da la
característica de efervescencia y textura a las gaseosas.
El proceso consiste en que el producto es enviado a través de una bomba booster a una
unidad de saturación en el cual trabaja bajo el principio Venturi, un control optimizado
mantiene la velocidad de flujo a través del saturador con un rango constante de trabajo. El
vacío parcial generado en el área de menor área de flujo del saturador causa una
disminución de la presión, de esta manera se produce la succión de CO2. A parte de esto, el
corto periodo de tiempo del proceso favorece a la distribución del gas CO2 haciendo una
mezcla homogénea en el producto. El CO2 es suministrado desde un tanque presurizado
hacia el saturador. La constante sobrepresión del tanque de CO2 permite una carbonatación
equilibrada de la bebida. Este procedimiento elimina al máximo la perdidadeCO2 en el
proceso.
El papel fundamental del equipo es conseguir un íntimo contacto entre el CO2 gaseoso y el
producto que tiene que ser carbonatado. Los factores que determinan el grado de
carbonatación principalmente son: la presión en el sistema, la temperatura del líquido, el
tiempo de contacto entre el líquido y el CO2, (la afinidad disminuye según aumenta el
contenido de azúcar) y a presencia de otros gases.
La mezcla del CO2 y el jarabe terminado se debe realizar en proporciones adecuadas antes
de ser transferidos como una bebida completa hacia la línea de llenado, es decir que la
bebida final se forma antes del envasado, es por esto que es crítico el porcentaje de cada
uno de estos componentes durante la saturación ya que esto define característica como
sabor y aroma distintivo de cada producto. En términos generales, las bebidas de frutas
24
(refrescos) se carbonatan a un nivel bajo y las bebidas refrescantes (gaseosas)un nivel
mucho mayor, pueden contener desde 15 a 75 PSI de CO2.
Por último en el proceso de elaboración de la bebida es el llenado del producto en su
envase.
2.2.3 Lavado y Llenado
En algunas compañías toman nuevamente los envases retornables realizando un proceso de
lavado y desinfección exhaustivo a fin de asegurar su óptima limpieza, normalmente se
realiza en máquinas lavadoras automáticas con dos o más fases de inmersión en solución de
soda caústica y dos o tres fases de enjuague. El proceso de lavado en las máquinas
mencionadas comienza con la inspección de las botellas para evitar la entrada de impurezas
que puedan dañar la lavadora. Posteriormente las botellas pasan por una etapa de pre
enjuague, luego las botellas son impregnadas de solución de soda caustica con
concentraciones variables de 1.5% a 4% y temperaturas de 40°C a 80°C, finalmente se
produce el enjuague efectuado en tres fases.
Luego de tener listas los envases son transportados a la llenadora en donde se realiza el
proceso de transferencia del producto final desde el tanque que lo contiene hacía en envase,
son tapadas o selladas y codificadas.
En la industria de las bebidas se manejan gran variedad de soluciones completas de líneas
de llenado ya estandarizadas. Lo que hace la diferencia entre una máquina a otra
principalmente es la tecnología de como determina el volumen exacto de producto a
transvasar, la utilización de alguna de estas depende también de su aplicación específica, de
las condiciones de fabricación del producto y cantidad de producción al igual que el costo.
Algunas de las posibilidades que se encuentran en el mercado son. (Bolzoni, 2012)
- Líneas de llenado de nivel la cual cuenta con dispositivos de tipo mecánico, son de uso tradicional, el nivel es determinado por la longitud de la cánula que se introduce
en la botella durante la fase de llenado.
- Líneas de llenado por gravedad especiales para llenado de productos lácteos, jugos,
agua sin gas, como su nombre lo indica el cabezal de llenado es por gravedad,
simple, solo una parte móvil con sello único de silicona, incluye mecanismo para el
nivel y retorno de aire, apto para manejo bases de botellas y cuellos, cuenta con un
panel de control para la visualización y control.
- Líneas de llenado Fillstar HF utilizadas para llenado de jugo de frutas y bebidas sin gas, la característica principal de este equipo es que permite el llenado en caliente
(hasta 95°C) y la recirculación de producto ya que cuenta con un tanque externo para este fin, maneja botellas de vidrio o plástico, cuenta con colectores de producto
en el carrusel de llenado.
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- Líneas de llenado neumático a contrapresión la cual se utiliza para llenado de
bebidas gaseosas carbonadas principalmente como de otras bebidas, cuenta con un
desarrollo importante en su válvula de llenado la cual tiene un dispositivo de apertura y cierre de válvula de tres pociones accionada por un actuador neumático
con un compensador de desgaste, además cuenta con una válvula de retención la
cual no permite el retorno de aire proveniente de las botellas, sin derramar liquido
extra después de que el nivel haya sido alcanzado, y ajuste automático de altura para
tubo de venteo.
- Líneas de llenado volumétrica electrónica a contrapresión y la llenadora ponderal
la cual se utiliza para el llenado de bebidas sin gas, bebidas gaseosas carbonatadas,
jugos de frutas, todo tipo de bebidas. Se caracteriza por contar con un cabezal de
llenado volumétrico electrónico a contrapresión con caudalimetro magnético o
másico y/o sensor como balanza con celda de carga, permitiendo el paso de fluido
hacia la botella el cual se interrumpe en función de los parámetros de producción
programados totalmente automatizado y controlado por PC, tienen válvulas de
membrana que son utilizadas para presurización, separación de aire de retorno y
soplado, la tobera de llenado no tiene contacto alguno con el cuello de la botella
garantizando un llenado aséptico. La diferencia entre una y otra es la ubicación del
medidor; llenadora la volumétrica tiene el caudalimetro instalado en la boca de
llenado y en la ponderal el sensor está en la celda de carga con la tara ya
programada que dispara la válvula de llenado. Las dos son llenadoras electrónicas
por excelencia de última tecnología.
2.2.4 Automatización e integración de procesos
El incremento de la productividad y el aseguramiento de la calidad en la etapa productiva
son las razones actuales para una creciente automatización de los procesos, de esta forma se
diseñan las instalaciones para que todos los parámetros relevantes de fabricación se puedan
controlar, supervisar, detectar fallas, programar paradas, documentar procesos de manera
automática.
Abarca desde controles independientes de equipos hasta la automatización de instalaciones
en red, con sus correspondientes sistemas de información y gestión. La estandarización de
la automatización en la industria alimenticia de producción por lotes se realiza acorde con
la norma ISA-S88.
En el manejo y visualización de los procesos se han diseñado interfaces amigables con el
usuario permitiendo una navegación intuitiva con una estructura lógica que permite un
acceso fácil, completo y rápido a los menús, procesos, información al tiempo que es seguro
el sistema. Los sistemas de control permiten el registro simultáneo de valores de medición
y de estados de conmutación consiguiendo la optimización de los procesos.
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La posibilidad de registrar los datos de las mediciones efectuadas y el registro de eventos
facilita la creación de una base de datos que permite el análisis práctico de las diferentes
variables que se manejan por medio de la generación de informes parametrizables, a su vez
se puede usar para clasificar e identificar lotes individuales o producciones completas y
realizar seguimiento de la vida del producto. Una gran ventaja para la industria es que estos
sistemas se pueden acoplar a plataformas o módulos como por ejemplo a SAP.
2.3 PRODUCCIÓN DE BEBIDAS NO ALCOHÓLICAS EN COLOMBIA
La actividad del procesamiento de bebidas hacen parte del sector de la agrícola y
manufactura del país y se caracteriza por tener una cadena productiva desde la siembra
como por ejemplo de la caña de azúcar y de la fruta, que son la materia prima para su
fabricación , luego ingresa al sector industrial donde se realiza su transformación que da
como resultado la elaboración bebidas refrescantes, jugos naturales, concentrados de pulpa
por último estos productos ya empacados ingresan al círculo del comercio, ya sea al
comercio minorista con la distribución tienda a tienda o al comercio mayorista de grandes
almacenes de cadena o comercializadores internacionales.
Este sector en Colombia se ha caracterizado por estar dominado por pocas empresas que
cuentan con gran trayectoria y tradición. Entre ellas está Coca-Cola Femsa, Postobón de la
organización Ardila Lule, PésiCo cuya franquicia la maneja Postobón, recientemente la
transnacional Aje Colombia cuya marca líder es BigCola y otras compañías como Nestlé,
Alpina, Meals y Quala que también hacen parte de este selecto grupo. Estas grandes
compañías cuenta con grandes fortalezas por la incorporación de tecnología de punta en
sus procesos, la generación de empleo principalmente en por el gran tamaño de las
embotelladoras y plantas de producción, la eficiencia en los procesos de distribución y
entrega y la innovación de productos.
En cuanto a las empresas medianas y pequeñas no se puede decir lo mismo su nivel
tecnológico e investigativo es bajo, no hay inversión y mejoramiento de sus instalaciones,
los procesos en estas empresas en algunos casos son semi-automatizados o manuales, por
segmentos causando pérdidas de tiempo en producción, algunos equipos son
remanufacturados o hechizos, causando pérdidas grandes de energía, producto y
sobrecostos en mantenimiento, por estas razones se presenta contaminación durante la
fabricación, diferencias en las características propias del producto entre diferentes lotes,
afectando así su calidad. Aunque el proceso para la fabricación de bebidas refrescantes y
jugos es en esencia es el mismo.
27
3. MARCO TEÓRICO
3.1 CLASIFICACIÓN DE BEBIDAS NO ALCOHÓLICAS A BASE DE FRUTAS
Las bebidas no alcohólicas a base de frutas pueden clasificarse como jugos, néctares y
refrescos, entre otros y se diferencian entre sí básicamente por el contenido de fruta en el
producto final; así, un jugo es más concentrado que un néctar y un néctar, a su vez, es más
concentrado que un refresco.
Los refrescos se clasifican de la siguiente manera según disposición de la FAO en el código
estándar internacional propuesto por el Códex Alimentarius(CODEX STAN 247, 2005)y
por la normatividad colombiana(Ministerios de salud, 1991); se establecen claras
diferencias entre jugos concentrados, néctares, pulpas, pulpas azucaradas y refrescos de
frutas:
- Jugo de fruta: Es el líquido obtenido al exprimir frutas frescas, maduras y limpias, sin diluir, concentrar o fermentar. Son productos 100% derivados de la pulpa de
fruta que se empaca bajo altos parámetros de higiene.
- Néctar de fruta: Se entiende el producto sin fermentar, pero fermentable, obtenido
mediante procedimientos idóneos, por ejemplo tamizando, triturando o
desmenuzando la parte comestible de la fruta entera o pelada sin eliminar el zumo
(jugo). La fruta deberá estar en buen estado, debidamente madura y fresca, o
conservada por procedimientos físicos o por tratamientos aplicados No contienen
colorantes ni endulzantes y su porcentaje de fruta está entre el 25-50% de contenido.
- Bebidas con sabor a fruta: Contienen solamente fruta en pulpa entre un 3% y 30%, son endulzados natural o artificialmente y contienen colorantes, estabilizantes
sabores y conservantes.
- Bebidas Refrescantes: pueden no contener ningún porcentaje de pulpa de fruta, son saborizados artificialmente y tienen contenido significativo de endulzante,
colorante, estabilizantes, espesantes y conservantes.
Las bebidas refrescantes son líquidos con base agua (solvente) básicamente con un
(soluto) que es azúcar (alrededor de diez gramos / cien mililitros), destinado a
calmar la sed y reponer enzimas que el cuerpo a perdido también diversos aditivos,
principalmente aromatizantes y colorantes, y una dependiendo del tipo de refresco
un porcentaje de pulpa de fruta.
- Jugos: Contienen pulpa de fruta no menos del 12%, Aportan vitaminas y minerales, pero no el ácido ascórbico o vitamina C utilizado como antioxidante. También entra
allí el tipo de bebidas Light - en las que se ha sustituido la sacarosa por aditivos
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edulcorantes Sólo proporcionan la energía contenida en el extracto vegetal o en el
porcentaje de zumo de frutas (muy bajo) que entra en su composición.
- Refrescos: Contienen un porcentaje nulo de pulpa de fruta líquida y es tan solo endulzado en su mayoría con azúcar, son saborizados por extractos de fruta en una
muy baja cantidad (3%) y su composición no es más que colorante, estabilizantes,
espesantes y conservantes.
Para la descripción del proceso de fabricación de bebidas refrescantes con un porcentaje de
adición de pulpa de fruta no mayor al 25% se obtiene la información del departamento de
producción de Gaseosas Postobón y su manual en el tema de jugos y bebidas refrescantes
carbonatadas (POSTOBON S.A, 2005).
3.2 DESCRIPCIÓN GENERAL DEL PROCESO DE PRODUCCIÓN DE
REFRESCOS BASADO EN LA PLANTA DE POSTOBÓN, 2005
Tratamiento de agua para la producción de jugo
El agua es el principal elemento de la fabricación de jugos y refrescos. Todo inicia
almacenando agua proveniente de los acueductos o pozos profundos donde se le adiciona
cloro para evitar el crecimiento microbiológico, luego es bombeada a los procesos de
floculación, filtración, purificación y pulimento. El agua después de filtrada, eliminarle
colores y sabores extraños. Luego se lleva a los filtros pulidores donde se retiran partículas
mucho más pequeñas y que no han sido hasta el momento retenidas.
Proceso de preparación
Para preparar un jugo o un refresco el método es similar omitiendo algunos pasos para la
fabricación de refresco.
- Sistema de recepción de pulpa de fruta: Dependiendo del tipo de fruta, puede venir
congelada o ya está líquida, una bomba succiona desde arriba y envía el producto a
un tanque de almacenamiento de pulpa o marmita donde se realiza una
homogenización del producto.
- Reconstitución de pulpa de fruta: Allí se mezcla con agua ya tratada donde un homogeneizador se encarga de emulsionar el producto sin que se separen las fases.
- Sistema de jarabe simple: Es un tanque donde se realiza la disolución del solido azúcar y se prepara un jarabe que puede estar entre los 50°brix hasta los 68°brix.
Allí el agua está caliente para que la disolución del azúcar sea más rápida.
- Sistema de mezcla: En este tanque se adiciona Jarabe de azúcar, Agua, Sabores como pulpa o artificiales, colorantes, estabilizantes, conservantes etc.
29
- Sistema de pasteurización: Antes de ser envasado, el refresco se somete a altas
temperaturas por un tiempo determinado en las aguas de pasteurización con el fin de
destruir los microorganismos sin afectarlo organolépticamente. El producto caliente o frio es enviado a la llenadora.
- Embotellado y lavado de envase: Dependiendo del tipo de envase a empacar puede
ser vidrio platico, caja o bolsa donde se somete a lavado y desinfección antes de
entrar en la cadena de llenado.
- Sistema de embotellado: Si es empaque plástico o vidrio se somete a diferentes ciclos de lavado con soda, ácido y agua donde se sanitiza para que luego sea
llenado. También hay una inspección visual de cada empaque por si quedan
residuos sólidos incrustados para que la botella sea retirada.
- Proceso de llenado: Es una máquina que embotella cada líquido en su respectiva botella con el volumen ideal y de manera automática.
- Refrigeración: Puede ser necesario o con su empaque en frio del producto se omite. La idea es conservar el líquido por debajo de los 8°C para que el proceso de
crecimiento bacteriano se detenga y de mayor durabilidad al producto. Este proceso
se realiza más que todos en Jugos.
El producto embotellado es empacado en sus respectivas cajas, El producto terminado es
enviado a cuarentena donde se inspecciona físico-químicamente antes de ser enviado a
distribución.
EQUIPOS Y DISPOSITIVOS A UTILIZAR EN EL PROCESO
3.3.1 Elementos de mezcla
Agitación:
La agitación se refiere a forzar un fluido por medios mecánicos para que adquiera un
movimiento circulatorio en el interior de un recipiente. Los objetivos de la agitación pueden
ser: Mezcla de dos líquidos miscibles (Ej.: alcohol y agua), Disolución de sólidos en
líquido (ej.: azúcar y agua), Mejorar la transferencia de calor (en calentamiento o
enfriamiento), Dispersión de un gas en un líquido (oxígeno en caldo de fermentación),
Dispersión de partículas finas en un líquido, Dispersión de dos fases no miscibles (grasa en
la leche)
El agitador crea un cierto tipo de flujo dentro del sistema, dando lugar a que el líquido
circule por todo el recipiente y vuelva de vez en cuando al agitador.
30
Tipos de agitadores:
Los agitadores se dividen en dos clases: los que generan corrientes paralelas al eje del
agitador y los que dan origen a corrientes en dirección tangencial o radial. Los primeros se
llaman agitadores de flujo axial y los segundos agitadores de flujo radial.
Los tres tipos principales de agitadores son, de hélice, de paletas, y de turbina. Cada uno de
estos tipos comprende muchas variaciones y subtipos que no consideraremos aquí. En
algunos casos también son útiles agitadores especiales, pero con los tres tipos antes citados
se resuelven, quizás, el 95% de los problemas de agitación de líquidos.
- Agitadores de hélices: Un agitador de hélice, es un agitador de flujo axial, que opera con velocidad elevada y se emplea para líquidos pocos viscosos. Los agitadores de
hélice más pequeños, giran a toda la velocidad del motor, unas 1.150 ó 1.750 rpm;
los mayores giran de 400 a 800 rpm. Las corrientes de flujo, que parten del agitador,
se mueven a través del líquido en una dirección determinada hasta que son
desviadas por el fondo o las paredes del tanque. La columna de remolinos de líquido
de elevada turbulencia, que parte del agitador, arrastra en su movimiento al líquido
estancado, generando un efecto considerablemente mayor que el que se obtendría
mediante una columna equivalente creada por una boquilla estacionaria.
- Agitadores de paletas: Para problemas sencillos, un agitador eficaz está formado
por una paleta plana, que gira sobre un eje vertical. Son corrientes los agitadores
formados por dos y 3 paletas. Las paletas giran a velocidades bajas o moderadas en
el centro del tanque, impulsando al líquido radial y tangencialmente, sin que exista
movimiento vertical respecto del agitador, a menos que las paletas estén inclinadas.
Las corrientes de líquido que se originan se dirigen hacia la pared del tanque y
después siguen hacia arriba o hacia abajo. Las paletas también pueden adaptarse a la
forma del fondo del tanque, de tal manera que en su movimiento rascan la superficie
o pasan sobre ella con una holgura muy pequeña. Un agitador de este tipo se conoce
como agitador de ancla.
- Agitadores de turbina: La mayor parte de ellos se asemejan a agitadores de múltiples y cortas paletas, que giran con velocidades elevadas sobre un eje que va
montado centralmente dentro del tanque. Las paletas pueden ser rectas o curvas,
inclinadas o verticales. El rodete puede ser abierto, semicerrado o cerrado. El
diámetro del rodete es menor que en el caso de agitadores de paletas, siendo del
orden del 30 al 50% del diámetro del tanque. Los agitadores de turbina son eficaces
para un amplio intervalo de viscosidades; en líquidos poco viscosos, producen
corrientes intensas, que se extienden por todo el tanque y destruyen las masas de
líquido estancado. En las proximidades del rodete existe una zona de corrientes
rápidas, de alta turbulencia e intensos esfuerzos cortantes. Las corrientes principales
son radiales y tangenciales. Las componentes tangenciales dan lugar a vórtices y
31
torbellinos, que se deben evitar por medio de placas deflectoras o un anillo difusor,
con el fin de que el rodete sea más eficaz.
3.3.2 Instrumentación y control del proceso
Caudalímetros:
Medición de caudal másico en líquidos y gases para regulación y control de la calidad del
producto. Medición de la densidad de la concentración y de la viscosidad. El caudalímetro
másico de coriolis funciona aplicando una fuerza de vibración a un tubo curvado a través
del que pasa el fluido. El efecto coriolis crea una fuerza en el tubo perpendicular a ambas
direcciones, la de vibración y la dirección de la corriente. Esta fuerza se mide para obtener
el caudal másico. Los caudalímetros de coriolis pueden usarse además con fluidos no
newtonianos donde los caudalímetros normales tienden a dar resultados erróneos.
Indicadores de presión:
Los instrumentos de presión son una combinación de indicador con interruptores ajustables
de alto y bajo límite. Estos interruptores pueden ser cableados directamente a circuitos
eléctricos para operar alarmas, paros o arranque/paro de motores de combustión interna y
motores eléctricos.
Para la mayoría de las versiones está disponible en cuerpo para montaje exterior o para
montaje en panel.
Variadores de frecuencia:
Llamado también variador de velocidad (VSD, por sus siglas en inglés Variable Speed
Drive) es en un sentido amplio un dispositivo o conjunto de dispositivos mecánicos,
hidráulicos, eléctricos o electrónicos empleados para controlar la velocidad giratoria de
maquinaria, especialmente de motores.
Sondas de temperatura:
Estos sensores termopar (PT100) son adecuadas para aplicaciones de propósito general
hasta una temperatura de 400 °C. La vaina de material sobre estos 316 sensores de
temperatura es de acero inoxidable y tienen una salida a tierra para una rápida respuesta a
los cambios de temperatura.
Sondas de nivel:
Existen diferentes tipos de sondas de nivel como lo son de horquillas vibrantes, por radar,
vía microondas, conductivos, hidrostáticos etc.
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Las sondas de nivel capacitivos son ideales para el control de nivel de sólidos, líquidos y
sustancias viscosas, detecta materiales conductores como no conductores, tanto para
montaje vertical como horizontal de fácil instalación.
PLC
Los procesos industriales requieren de coordinación, supervisión o control. Una
computadora fácilmente programable para tareas de control y concebida para ser utilizada
en un ambiente industrial, es lo que se conoce como PLC (Controlador Lógico
Programable).
Como toda computadora, el PLC posee una CPU, memoria, Rack principal, fuente de
alimentación, tarjetas de entradas/salidas digitales y analógicas, tarjetas especiales. La
CPU es la unidad central de proceso encargada de ejecutar el programa almacenado en la
memoria por el usuario.
Podemos considerar q la CPU toma una a una las instrucciones programadas por el usuario
y las va ejecutando. Cuando llega al final de la secuencia de instrucciones programadas, la
CPU vuelve al principio y sigue ejecutándolas de manera cíclica.
Sistema SCADA - MMI (PANEL TACTIL).
Un sistema MMI (del inglés Man Machine Interface) es el interfaz de unión entre el
operario y la máquina. Puede ser un panel de operador o una computadora (PC), pero en
ambos casos comunican y transmiten datos a y desde el PLC.
En el caso de un Panel de Operador, este se compone de una pantalla con más o menos
resolución de gráficos y teclas numéricas y de función o como en algunos casos pantalla
táctil. La pantalla puede ser en color o monocromo e indica el estado de los diferentes
valores del proceso, con gráficos complejos o figuras sencillas permitiendo a su vez
introducir valores para ajustar los parámetros de regulación del proceso o consignas del
mismo.
Se programan con un software propio, al igual que los PLCs, y diferente a estos aunque
sean del mismo fabricante.
3.3.3 Control de calidad del proceso
Durante todo el proceso de elaboración de las bebidas refrescantes y/o jugos, debe llevarse
diversos controles de calidad que permitan garantizar que el producto final cumpla con los
estándares exigidos por la normatividad de producción de bebidas.
33
Por esto el control de producción de manera específica y minuciosa se hace indispensable,
puesto que permite tomar acciones correctivas en el momento indicado se fuere necesario.
Pruebas de Producto:
- Concentración o densidad de producto (Brix): En esta prueba se mide la densidad del azúcar en el jarabe. Su determinación debe ser precisa, para cumplir con las
especificaciones. Para esto, las mediciones se realizan tomando al azar, botellas
envasadas cada cierto tiempo, se hace uso de un densímetro y un termómetro.
Primero se elimina el gas de la muestra, agitando constantemente, y luego; el
líquido es vertido a una probeta, en la que se introduce el densímetro y el
termómetro; con estas mediciones y haciendo uso de tablas preestablecidas se
determina la densidad o Brix.
- Carbonatación: Consiste en determinar el contenido y concentración de gas
carbónico en la bebida, que debe estar con la correcta altura de llenado.
Para esta prueba se utiliza un manómetro y un termómetro, la botella se debe agitar
por 25 segundos aproximadamente, se perfora la tapa con un equipo especial y se
mide hasta que la presión llegue a 0 PS, se vuelve agitar y se toma la medición.
Después se introduce el termómetro por el orificio en la tapa y se toma la
temperatura. Finalmente los valores de presión y temperatura se determinan el
volumen de carbonatación de las bebidas.
Los controles de Brix y carbonatación, son muy importantes, por esto se debe
calibrar y comprobar el buen funcionamiento de los equipos utilizados en su
medición. Otros controles realizados al producto son: coronado o encapsulado
hermético, apariencia, sabor y olor.
Pruebas del agua:
- Sabor y Olor: No se debe tener ningún olor ni sabor, porque, origina en la bebida un sabor indeseable afectando la calidad del producto.
- Turbidez: Debe tener como máximo 5.0 P.P.M.; ya que origina sabor indeseable y decoloración en la bebida.
- Algas y protozoo, levadura y mohos: No debe tener ninguno, ya que origina sedimentos y deterioro en el producto.
- Alcalinidad: Máximo 50 P.P.M; porque neutraliza el ácido de la bebida.
- Dureza Total: Verifica el control del buen trabajo de los ablandadores.
34
4. METODOLOGÍA
Para el desarrollo del proyecto propuesto se diseñara la planta por módulos de fabricación o
servicio separados y descritos así.
- Un módulo para la fabricación de jarabe de azúcar simple y compuesto, con este módulo el fabricante recibe sus materias primas y se disuelve, puede obtener su
producto ya mezclado con el azúcar llamado proceso de refresco Simple; además en
el mismo módulo la adición del sabor, la adición de conservantes y estabilizantes
etc. llamado proceso de refresco compuesto todo homogenizado y si es viable por el
producto listo para empaque.
- Un siguiente módulo de pasteurización de producto de refresco compuesto para
productos que lo requieren o para procesos de valor agregado y competitivo del
mercado. Donde se obtiene un producto pasteurizado de mayor vida en el mercado y
con menores riesgos microbiológicos.
- Un módulo necesario para el empaque de producto dependiendo de su tipología, donde su producto sin importar el módulo de los anteriores señalados que haya
terminado, pueda obtener un empaque con la garantía necesaria de inocuidad que el
mercado requiere.
- Un módulo de servicios industriales donde se incluirá todo el tema equipos necesarios secundarios para la producción y funcionamiento de cualquiera de los
cuatro módulos anteriores.
- Y Un módulo de purificación de agua que puede estar incluido en el anterior de servicios industriales donde el tipo de agua entregada satisfaga la calidad de
producto y mantenga altos estándares en el producto final.
Así de esta forma el módulo principal de investigación y de donde parte todo proceso de
fabricación en esta industria es el módulo de fabricación de Refresco simple y compuesto,
sin dejar a un lado la investigación que se tendrá que realizar a los módulos siguientes
como es purificación del agua, y pasteurización, módulos que son necesarios e inevitables
para tener una buena calidad de producto.
Se realizará una investigación inicialmente en la normatividad vigente con respecto a las
regulaciones existentes por el INVIMA e ICONTEC sobre la calidad del agua y la
producción de bebidas refrescantes y jugos. También en fábricas que actualmente realizan
procesos de varios productos entre esos Bebidas refrescantes azucaradas tanto carbonatado
como simple y de gran tamaño industrial como lo son QUALA S.A. Y POSTOBON S.A. lo
que servirá como base de aprendizaje para proyectar a un nivel de menor escala con
menores costos pero con igual calidad, el Objetivo Principal de este proyecto que es la
realización de equipos compactos.
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Las áreas de proceso con las que se trabajarán son producción, calidad, mantenimiento e
ingeniería donde las opiniones de cada persona que allí labora complementara para realizar
una adecuada organización de la información y así diseñar el módulo de manera objetiva
para que cumpla con requerimientos básicos exigidos en estas industrias, además de hacer
el proceso eficiente por basarnos en compañías donde la producción y eficiencia son su
objetivo.
No solo la labor de proceso de producción actual de estas plantas se estudiará para llevar al
diseño del módulo de un equipo, sino también la experiencia que tienen en marcas de
equipos, conocimiento de la tecnología e Ingeniería aplicada en el diseño por parte de los
departamentos de mantenimiento e ingeniería de las compañías como QUALA y
POSTOBON. Esto ayudara a la búsqueda y elección de un diseño, proveedores de equipos,
tecnología aplicada y componentes sueltos que se deben implementar en cada módulo o tal
vez concluya con la implementación de la necesidad de diseñarequipos y componentes que
no existen a escala menor. Esto en referencia, ya que varios elementos como lo son
r: Radio rebordeo interior h1: Pestaña (parte recta)
H: Altura total exterior
V: Volumen
Dd: Diámetro disco de partida
99
Di: Diámetro interior
h2: Flecha
Hc: Altura Central
Cálculo de altura total del tanque:
El cálculo de la altura total será:
( )
Conexiones
El tanque de proceso tendrá disponible cinco conexiones tipo clamp de 1 ½” en acero
inoxidable, cuatro distribuidas en la parte superior para la entrada de agua de proceso, para
el agua de lavado, para el producto recirculado y para la instalación del venteo. Y una en la
tapa inferior, para la salida de producto y vaciado del tanque.
Tabla 37.Conexión tipo clamp
Fuente: Fondeyur. Fondo KLOPPER (DIN-28011). [En línea]
http://www.fondeyur.com/fondos-klopper.aspx.
100
7.1.5 Diseño del sistema de agitación
Consideraciones de diseño:
Para el diseño del sistema de agitación se tendrán las siguientes consideraciones:
El tipo de flujo que se requiere en el interior del tanque es turbulento, esto para
garantizar que el jarabe sea totalmente homogéneo.
En el mercado existen gran variedad de agitadores, con distintas características y funciones. Los más habituales tienen sus dimensiones estandarizadas de acuerdo
con la norma DIN 28131.Como sigue:
Figura 24. Diferentes tipos de agitadores
101
Fuente: UNISAR. 2003-2004. Estudio téorico experimental de la agitación. [En línea]
En la zona de acoplamiento se usará una cuña plana de acero inoxidable SA240 -304
En el ANEXO D se muestran las chavetas estándar según la norma DIN 6885. La chaveta
plana recomendada para un diámetro de 20 mm es:
8mm x 5mm x Longitud ( )
Para determinar la longitud ( ) necesaria de la cuña, se utiliza la siguiente ecuación
( )
Dónde
: Momento torsor Nm
: Esfuerzo cortante máximo
: Ancho de la cuña
: Diámetro del eje
Para hallar el esfuerzo cortante máximo
( )
111
⁄
⁄
Entonces hallando ( )
( )⁄
Se tomará la recomendación de longitud de la cuña de la tabla del ANEXO E, donde ( )es igual 36 mm.
Entonces la cuña será:
8mm x 5mm x36mm
Cálculo Estructural de rodete
Se realizará los cálculos de las fuerzas sobre el impulsor, el espesor de las palas
Tabla 41. Dimensiones hélice impulsor
Fuente: Autor
La hélice del agitador está conformada por un eje central hueco, con una rosca interna, ya
que el eje del agitador en la parte inferior esta roscado.
Esta rosca está diseñada para que la hélice desenrosque de forma contraria al movimiento
de agitación, con eso se asegura que la hélice nunca se va a salir.
El diámetro interno de la rosca es del mismo diámetro del eje del agitador, el diámetro
exterior se toma como dos veces el diámetro interno para que no se debilite.
La rosca seleccionada tipo whitworth, normalizado en la DIN 11. Para este caso es una
rosca con designación BSP: W 3/4”-10UNF-3B-LH
112
Dónde:
W 13/16”: Significa el diámetro mayor nominal de la rosca en pulgadas.
10: Significa el número de hilos por pulgada.
UNF: Es la serie de la rosca, en este caso unificada fina.
3B: Ajuste.
LH: Rosca izquierda.
Determinación de las fuerzas sobre el impulsor
Como el impulsor consta de 4 paredes de álabes opuestos uno del otro entonces cada par de
álabes consumirá:
Potencia del álabe (Pa) = 1,48 HP / 4 = 0,37 HP
Entonces, el torque desarrollado por cada par de álabes será
( )
Dónde:
Potencia (HP)
: Momento torsor (Torque transmitido) (Kg-m)
: Revoluciones del motor (RPM)
Figura 29. Esquema sobre las fuerzas en el impulsor
Fuente: Autor
Dónde:
F
F
d
113
Luego la fuerza ejercida por el fluido al movimiento de cada paleta será:
⁄ ( )
( ) ⁄
Determinación del espesor de los álabes
Igual que el eje del agitador, los álabes serán de acero inoxidable SA-240TO304L, el ancho
del álabe será tomado según las medidas comerciales para este caso de 50,8 (2)” y el largo
es de 180 mm.
Figura 30. Dimensiones del álabe
Fuente: Autor
Asumiendo que se trata de un cantiléver simple con una carga puntual en el extremo
Figura 31. Esquema de carga puntual
Fuente: Autor
El esfuerzo máximo se da en el extremo
( )
Donde
: Fuerza
: Longitud del álabe
: Ancho del álabe
: Espesor
50,8 mm
180 mm
0
F
L
114
: Esfuerzo admisible (0,50 )
Por consiguiente
√
(38)
√
( )⁄
El espesor de los álabes será de 3/16” de espesor, ya que es la medida comercial del
material.
7.1.6 Diseño de columnas para tanque
Consideraciones de diseño
Se diseñará los soportes para el tanque de proceso el cual consistirá en calcular los pesos y
las cargas que se ejercen en el tanque.
Peso del cuerpo del tanque
Peso del eje
Peso del rodete
Peso del fluido
Peso del motorreductor
Cálculo de pesos
Cálculo del peso del tanque
De acuerdo al desarrollo del tanque de acero inoxidable se tiene
( )
Parte cilíndrica: El desarrollo del cuerpo del cilindro es de
⁄
115
Parte fondo toriesférico: se debe partir de un disco diámetro de 1,3m
( ( ) )
⁄
Parte tapa plana, diámetro 1,2m
( ( ) )
⁄
Cálculo del peso del eje
El eje de acero inoxidable de diámetro de 20mm y una longitud de 1,129m
( ( ) )
⁄
Cálculo del peso del rodete
El rodete está formado por un centro y cuatro álabes
Centro del rodete
( ( ) )
⁄
Paletas del rodete
⁄
( )
Cálculo del peso del fluido
El fluido a contener el tanque de proceso es jarabe de azúcar que tiene una densidad de
1.020 Kg/m3 y el volumen de diseño es de 1,6m
3
⁄
116
Cálculo del peso del motorreductor
De acuerdo al modelo seleccionado el peso del motorreductor es de 24Kg
Cálculo del peso de brida y conexiones
El peso de la brida para el motorreductor 1,8Kg
El peso de las cinco conexiones clamp de 1 ½” es de 1,5Kg
Cálculo del peso total del tanque de mezcla
Después de tener el peso total, un porcentaje adicional se agrega típicamente para permitir
otros componentes y soldadura. En este caso según el libro Pressure vessel desing manual,
para pesos menores a 50000 lb se adiciona un 10%, entonces,
( ) ⁄
( )
Diseño de apoyos tipo columna
El tanque de proceso tendrá cuatro columnas que soportarán el peso total, debidamente
distribuidos cada 90°, para distribuir las cargas en cuatro partes iguales. El material de las
columnas es de acero estructural redondo de 2” Schedule 10S (espesor de pared de
2,77mm) y tendrán una longitud de 0,60 m.
El cálculo de las columnas se hará con base en el método LFRD (Diseño por factores de carga y factores de resistencia para columnas), el cual se expone en el libro Diseño de
Estructuras de Acero, Método LFRD, Mc Cormac, 2da Edición, Ed. Alfaomega, en donde,
se compara las cargas ejercidas sobre la columna con respecto a la resistencia de diseño.
La primera verificación que se realizará a la columna es el chequeo por esbeltez a
comprensión, ya que si sobrepasa el límite de la restricción hay que utilizar otro perfil, para
que este soportado el peso al que estará sometida la columna. El chequeo por esbeltez tiene
por ecuación(McCormac)
Donde
117
: Factor de la longitud efectiva
: Longitud de la columna (mm)
: Radio mínimo de giro (mm)
El factor de longitud efectiva se obtiene de la siguiente tabla,
Tabla 42. Factor de longitud efectiva, K.(McCormac), pág. 141
Fuente: McCormac.Diseño de estructuras de acero Método LRFD. Segunda Edición.
México : Alfaomega. pág. 141
En este caso la rotación y la traslación en ambos extremos de la columna son impedidos y
las condiciones reales del diseño son parecidas a las ideales, por lo tanto de la tabla se
obtiene que K es igual a 0,65.
El radio de giro mínimo es
√ ( )
Donde
: Diámetro externo
: Diámetro interno
√( ) ( )
118
Reemplazando se obtiene
Ya que paso el chequeo de esbeltez, ahora se procede a calcular la carga de diseño,
teniendo en cuenta que solo tendrá como carga, la carga muerta de la masa igual a 4953,1 N
por cada columna.
( )
Donde
: Carga de diseño
: Carga muerta
Reemplazando se obtiene
Para determinar la resistencia de diseño, primero hay que calcular la relación de esbeltez de
transición para saber qué tipo de columna es, es decir si es una columna corta, intermedia o
larga.
√
(42)
Donde
: Constante de columna o relación de esbeltez
: Resistencia de fluencia
: Módulo de elasticidad
Reemplazando se tiene
√ ( ⁄ )
⁄
Se compara el resultado de con ⁄ , si ⁄ es mayor que la columna es larga se
debe utilizar la ecuación de Euler y si ⁄ es menor que la columna es corta se debe
119
utilizar la ecuación de J.B. Johnson, para calcular el valor de la carga crítica de pandeo. En
este caso se aplicará el segundo caso
[ ( ⁄ )
] ( )
Donde
: Carga critica de pandeo
: Área
( ) ( )
(( ) ( ) )
Reemplazando
( ) ( ⁄ ) [ ( ⁄ ) ( )
⁄]
Esta es la carga crítica de pandeo, una carga segura tendría un valor menor que se calcula al
aplicar un factor de diseño para determinar la carga admisible. Se especifica para este caso
que el número de patas es , entonces
( )
Donde,
: Carga admisible
: Número de patas
Esto quiere decir que el perfil tubular de sección transversal circular hueco seleccionado
cumplirá satisfactoriamente con las cargas a las que estará expuesto, debido a que la carga
de diseño (Pu) es menor que a la carga admisible (Pa).
7.2 MÓDULO DE PASTEURIZACIÓN
Elementos a reutilizar de la planta actual:
120
NINGUNO, es el módulo nuevo de la planta ya que la pasteurización será directa y en línea
o flash.
El módulo de pasteurización contará con los siguientes elementos que se deberán diseñar
acorde al caudal y temperaturas solicitados por producción.
TANQUE PULMÓN
Este tanque servirá como almacenamiento parcial de producto al inicio del proceso de
pasteurización, es un tanque de poco volumen que da cabeza positiva a la bomba centrífuga
y además sirve para almacenar producto que no se pasteuriza o que debe volver al inicio de
la pasteurización.
Tabla 43. Características del tanque pulmón
Función
Tanque de almacenamiento flash de producto sin pasteurizar.
Da una cabeza positiva a la bomba centrífuga de impulsión de
pasteurizador.
Recibe producto que es rechazado de la pasteurización por no alcanzar
la temperatura.
Recibe producto que aun ya pasteurizado debe volver al inicio dado
que la llenadora que es el proceso que sigue está bloqueada.
Volumen 150 litros nominales
Diseño Cilíndrico vertical montado en patas, sin tapa ya que permite ver el
producto y el nivel, fondo cónico.
Material Acero inoxidable 304
Acabados Sanitarios apropiados para industria alimenticia
Conexiones
Descarga de producto Inferior central conexión norma clamp
Cargue de producto
Lateral entrada de producto
Lateral recirculación de producto
Lateral devolución de producto no pasteurizado
Agitación No necesita
Fuente: Autor
BOMBA ENVÍO DE PRODUCTO
La bomba envía con un caudal constante el producto a través de los diferentes pasos del
intercambiador para pasteurizar el producto y luego envía a la llenadora. El caudal
seleccionado es acorde al máximo caudal de la llenadora actual, sin embrago el caudal
podría ser mayor pero se debe almacenar producto y por ahora no es conveniente por tema
de presupuesto.
121
Tabla 44. Características bomba de envío
Función
Envió de producto desde tanque pulmón hasta la llenadora pasando
por las etapas del intercambiador de calor.
Recirculación de producto pasteurizado al tanque pulmón
Devolución de producto no pasteurizado en el intercambiador al
tanque pulmón.
Recirculación de productos para lavado de tanques y tuberías
Tipo Centrífuga sanitaria
Material Acero inoxidable 304
Caudal de envío a
pasteurizador 720 litros/hora
Presión Acorde a las pérdidas por paso a través de intercambiadores, tuberías y
accesorios hasta la llenadora.
Características Conexiones trifásicas 220v
Conexiones de succión y descarga sanitarias clamp
Fuente: Autor
INTERCAMBIADOR DE CALOR
Es encargado de realizar el intercambio de calor indirecto de superficie ya sea calentando o
enfriando, en este caso se utilizarán dos etapas, una de calentamiento donde ingresará el
producto a temperatura ambiente (aproximados 20°C) y se debe calentar hasta los 92°C,
luego del tiempo de retención se debe enfriar hasta los 20°C nuevamente haciendo un
choque térmico alto y de esta forma eliminando los agentes patógenos.
Tabla 45. Características de los intercambiadores
Función Calentamiento y enfriamiento del producto
Eliminación de agentes patógenos
Tipo Indirecto de superficie plana o placas
Material Acero inoxidable 304
Ciclo térmico 20°c – 92°c (primer intercambiador)
92°c – 30°c (segundo intercambiador)
Fluido de intercambio Para calentamiento vapor según necesidad
Para enfriamiento agua de torre según necesidad
Caudal de trabajo 720 litros/hora
Presión Acorde a las pérdidas por paso a través de intercambiadores,
tuberías y accesorios hasta la llenadora.
Características Sanitario para trabajo en industria alimenticia
Placas y frame inoxidable
122
Fuente: Autor
TIEMPO DE RETENCIÓN
A través de tubería redonda de producto y aislada térmicamente se mantiene el producto
por un tiempo de 30 segundos a la temperatura de 92°C, con este tiempo se termina de
eliminar los agentes patógenos.
Tabla 46. Tiempo de retención
Función Mantener durante un tiempo y una temperatura especifica el
producto para eliminar agentes patógenos
Tipo Tubería redonda aislada térmicamente
Material Acero inoxidable 304
Caudal de trabajo 720 litros/hora
Características Tubería sanitaria sin puntos muertos y aislamiento eficiente para
pérdidas de calor muy bajas.
Fuente: Autor
VÁLVULA DESVÍO
El producto no pasteurizado o no conforme a la temperatura de pasteurización se debe
retornar al inicio de la operación o al tanque pulmón. Esta labor se realiza a través de una
válvula automática que se encarga de desviar el producto dependiendo la temperatura que
se alcance.
Este control se debe hacer a través de un sensor de temperatura que envíe la señal de
cambio de sentido de la válvula, es muy importante el funcionamiento de este elemento
dado que el paso de producto no pasteurizado es muy peligroso en la producción y calidad
del producto.
Tabla 47. Características de válvula de desvío
Función Desvío de producto pasteurizado o no pasteurizado
Tipo Neumática de tres vías, un ingreso dos posibles salidas
Material Acero inoxidable 304
Diámetro de trabajo Acorde a las pérdidas de presión por paso de fluido en la tubería.
Características Sanitaria, accionada por aire o por motor eléctrico.
Fuente: Autor
VÁLVULA DE CONTROL DE NIVEL DE TANQUE
Esta válvula permite que el nivel de tanque pulmón no se exceda y cuando baje el nivel
abre de manera automática controlada por un flotador para que se llene de nuevo el tanque.
123
Tabla 48. Características válvula de control de nivel de tanque
Función Mantener el nivel de tanque pulmón en su máxima capacidad
Tipo Válvula tipo flotador
Material Acero inoxidable 304
Diámetro de trabajo Acorde a las pérdidas de presión por paso de fluido en la tubería.
Características Sanitaria inoxidable 304.
Fuente: Autor
SISTEMA DE CONTROL DE VAPOR
Este sistema permite el control de vapor que llega de la caldera al intercambiador y que
permite llevar la temperatura de producto a través de las placas de intercambio hasta los
92°C, el sistema de calentamiento debe tener válvula reductora de presión de vapor, válvula
reguladora de presión de vapor, sistema de seguridad para sobre presiones, sistema de
manejo de condensado y válvulas de corte.
Tabla 49. Características sistema de control de vapor
Función Mantener la temperatura del producto pasteurizado en los 92°c
regulando la entrada de presión de vapor al intercambiador
Tipo
Control de temperatura en el producto a través de la sonda de
temperatura y envío de señal de 4-20 ma para control de la válvula
proporcional.
Material Hierro fundición
Diámetro de trabajo Acorde a las pérdidas de presión por paso de fluido en la tubería.
Características Respuesta rápida de la válvula modulante
Fuente: Autor
INSTRUMENTACIÓN
En el control de la pasteurizador de producto se debe garantizar ciertos parámetros para la
obtención de producto pasteurizado, siempre manteniendo las temperaturas de
pasteurización y de salida de producto, las siguientes variables se requiere controlar en el
equipo.
- TEMPERATURA: es la variable de medición y control de mayor importancia en el
equipo, dado que la temperatura de pasteurización es única y no puede varia +/-
124
2°C, esto se realizará con la instalación de una termocupla tipo K en la salida del
calentamiento o primer intercambiador.
Tabla 50. Características de instrumentos de temperatura
Función
Medición de temperatura en la salida del intercambiador de
calentamiento
Envío de señal a un visualizador para ver la temperatura de salida
del intercambiador de calentamiento
Tipo Termocupla tipo k
Material Acero inoxidable 304
Diámetro de trabajo 1” diámetro de conexión x 3 cm de longitud de bulbo
Características Sanitaria inoxidable 304, cabezal de termocupla en acero inoxidable.
Señal de salida de 4-20 ma.
Fuente: Autor
- CAUDAL: Se debe controlar dado que el caudal de producto en el intercambiador
debe ser lo más estable posible para que las variaciones de temperatura en la salida
del intercambiador de calentamiento sean pequeñas y se mantengan dentro del
rango +/- 2°C, el control será manual regulando una válvula en la descarga de la
bomba centrífuga.
Tabla 51. Características de los instrumentos de medición de caudal
Función Medición de caudal de producto en línea
Visualización de caudal
Tipo El más adecuado
Material Acero inoxidable 304
Diámetro de trabajo Depende del diámetro de tuberías en la instalación
Características Sanitario inoxidable. Trabajo normal de 720 l/h.
Fuente: Autor
- PRESIÓN: Un manómetro de presión tipo bourdon instalado a la descarga de la
bomba centrífuga permite visualizar la presión de la línea y controlar de forma
manual si existe sobrepresión, es necesario debido a que esto puede afectar el caudal
de la bomba, y además se puede saber si las placas de los intercambiadores están
saturadas por impurezas o producto quemado e informa que se debe lavar el
intercambiador.
Tabla 52. Características de los instrumentos de medición de de presión
Función Medición de presión de la bomba centrífuga en línea
125
Tipo Bourdon
Material Acero inoxidable 304
Diámetro de trabajo Depende del diámetro de tuberías en la instalación
Características Sanitario inoxidable. Trabajo normal de 0-10 bar, conexión sanitaria.
Fuente: Autor
SISTEMA ELÉCTRICO
Se debe adicionar un cuadro de maniobra para el control de la bomba centrífuga, control de
temperatura para el calentamiento, control de temperatura para el enfriamiento, control de
la válvula neumática de producto pasteurizado.
Tabla 53. Características de sistema eléctrico
Funciones
Accionar o desconectar la bomba centrífuga
Controlar el ingreso de vapor para la temperatura de producto
pasteurizado
Controlar la entrada de agua de torre para la temperatura de producto
enfriado
Protecciones eléctricas contra picos o sobre corrientes de los elementos
eléctricos
Tipo Cuadro eléctrico trifásico con conexiones a tierra y normativa ANSI
Material Plástico, cableado eléctrico a los puntos en canaleta cubierta inoxidable
Capacidad Según potencia de diseño de bomba y agitador
Características
Debe estar instalado muy cerca del tanque y de la bomba de recirculación
para accionar por un solo operario. Debe ser a prueba de agua ya que el
área será de total lavado por el operario.
Fuente: Autor
SERVICIOS INDUSTRIALES MÓDULO DE PASTEURIZACIÓN
Se debe disponer de una alimentación al módulo de pasteurización de los siguientes
servicios industriales.
Tabla 54. Servicios industriales módulo de pasteurización
Electricidad Según el consumo de potencia de la bomba, control de temperatura.
Agua tratada No se requiere
Aire Para la alimentación de la válvula de desvío de producto pasteurizado y
para válvula reguladora de vapor
Vapor Para calentamiento de producto a pasteurizar
Agua de red Se requiere un punto de ingreso al tanque de balance.
126
Agua de torre Se requiere para el enfriamiento de producto hasta 30°c
Fuente: Autor
7.2.1 Selección bomba pasteurización
Selección de diámetros de tuberías y bombas
El caudal que maneja este módulo es el requerido por la máquina de envasado, igual a 720
l/h, para poder cumplir con la meta diaria de producción igual a 1400 litros/día.
El lavado de tanques y tuberías se realizará con el mismo caudal utilizado en el módulo de
mezcla, 7000l/h, y el diámetro de la tubería será de 1 1/2”.
Figura 32. Módulo de pasteurización
Fuente: Autor
Pérdidas de carga en el módulo de pasteurización
Las pérdidas de carga en este módulo son: las pérdidas debidas a la fricción en la tubería y
las pérdidas menores generadas por los accesorios, como, válvulas, tees, codos, etc.
127
Figura 33. Esquema del módulo de pasteurización
TIEMPO DERETENCION
15 SEGUNDOS
SISTEMAAGUA CALIENTE
SISTEMAAGUA FRIA
TT
TI
FI
PI
FI
INTERCAMBIADORENFRIAMIENTO
INTERCAMBIADORCALENTAMIENTO
TANQUE PULMON
TEMPERATURA DE 95 GRADOS
PRODUCTO NOPASTEURIZADO
ENVIO PRODUCTO A LLENADO
RETORNO PRODUCTO
Fuente: Autor
Pérdidas debidas a la fricción
El procedimiento para calcular las pérdidas por fricción es el mismo que se utiliza para el
módulo de mezcla.
En el módulo de pasteurización se tiene el envío de producto a un caudal de 720 l/h y el
lavado de tanques y tuberías a un caudal de 7000 l/h.
El producto que no cumpla con las especificaciones de pasteurización o que no se pueda
envasar en el momento, será devuelto al tanque pulmón, por lo tanto existirá una
recirculación en el proceso, el caudal manejado por esta será igual al del envío de producto
al módulo de envasado, 720 l/h.
Según lo anterior se calculan las pérdidas por fricción para los casos de envío de producto
al módulo de envasado, de recirculación después del calentamiento, de recirculación por no
envasado y para el lavado de tanques y tuberías.
Tabla 55. Datos del producto
DATOS DEL PRODUCTO
Densidad del Agua, 1000 Kg/m3
Densidad del producto, 1020 Kg/m3
Viscosidad dinámica del producto, < 0,07 (N.s/m2)
Diámetro nominal de la tubería 1,5 in (38,1 mm)
Diámetro interno de la tubería, D 35,1 mm
Rugosidad de la tubería inoxidable, K 0,8 micras
Fuente: Autor
128
Sabiendo que, Caudal = Área x Velocidad, se determina la velocidad para cada uno de los
casos para poder hallar el número de Reynolds
Tabla 56. Velocidad del fluido
VELOCIDAD DEL FLUIDO m/s
Recirculación del producto 0,207
Envío al módulo de envasado 0,207
Lavado de tanques y tubería 2,00
Fuente: Autor
Tabla 57. Número de Reynolds
NÚMERO DE REYNOLDS
Recirculación del producto 106 Laminar
Envío al módulo de envasado 106 Laminar
Lavado de tanques y tubería 7053,4 Turbulento
Fuente: Autor
Para obtener el coeficiente de fricción es necesario el número de Reynolds y la rugosidad
relativa, para este caso, K/D= 8X10-4
mm/35,1mm = 2,27x10-5
, en el diagrama de Moody
este valor esta por fuera de los valores graficados ya que la superficie tiene una rugosidad
que lo hace considerar liso, entonces, para fines prácticos se toma la curva con el valor más
cercano igual a 0,0001.
Tabla 58. Coeficiente de fricción
COEFICIENTE DE FRICCIÓN
Recirculación del producto 0,60
Envío al módulo de envasado 0,60
Lavado de tanques y tubería 0,037
Fuente: Autor
Longitud de tubería para cada uno de los casos
Tabla 59. Longitud de tubería
LONGITUD DE TUBERÍA EN LA DESCARGA (m)
Recirculación por calentamiento 3,7
Recirculación por no envasado 13,5
Envío al módulo de envasado 13
Lavado de tanques y tubería 13,5
129
LONGITUD DE TUBERÍA EN LA SUCCIÓN (m)
Longitud en la succión 0,5
Fuente: Autor
Finalmente se tienen todos los datos para calcular las pérdidas de carga por fricción en el
módulo de pasteurización, entonces,
Tabla 60. Pérdidas de carga por fricción en la succión y la descarga
PÉRDIDAS DE CARGA POR
FRICCIÓN EN LA DESCARGA (m)
Recirculación por calentamiento 0,14
Recirculación por no envasado 0,50
Envío al módulo de envasado 0,48
Lavado de tanques y tubería 2,93
Fuente: Autor
PÉRDIDAS DE CARGA POR
FRICCIÓN EN LA SUCCIÓN (m)
Recirculación por calentamiento 0,019
Recirculación por no envasado 0,019
Envío al módulo de envasado 0,019
Lavado de tanques y tubería 0,108
Fuente: Autor
Las pérdidas por fricción para la descarga y la succión son mayores en el lavado de tanques
y tuberías, se establece la ecuación de las pérdidas por fricción en función del caudal, para
después determinar la ecuación del sistema.
Pérdidas menores
Las pérdidas menores se calculan de igual forma que en el módulo de mezcla.
A continuación se presentan los valores del coeficiente de pérdida, K, para cada uno de los
elementos instalados en el módulo de pasteurización.
130
Tabla 61. Coeficientes de pérdidas menores
ELEMENTO COEFICIENTE DE
PÉRDIDAS, K
Codo 90º 0,25
Salida para instrumento de medición 0,15
Válvula de mariposa completamente abierta 0,4
Salida al deposito 0,54
Válvula de 3 vías 2
Fuente: Mataix, Claudio. 1986.Mecanica de fluidos y máquinas hidraulicas. Segunda.
Madrid : Ediciones de castillo S.A., 1986.
Con la Figura 33 se puede definir el número de válvulas, elementos de medición y
accesorios que tiene el módulo de pasteurización, los cuales están listados a continuación,
para cada uno de los casos, Succión de la bomba, envío al módulo de envasado,
recirculación por calentamiento, recirculación por no envasado y lavado de tanques y
tuberías.
Es importante tener en cuenta que los intercambiadores de calor generan una pérdida de
presión de 1 bar cada uno esto corresponde a 10,2m*2= 20,4m.
Tabla 62. Elementos de medición y accesorios del módulo de pasteurización
RECIRCULACIÓN POR CALENTAMIENTO
Elemento Cantidad
Válvulas de mariposa o cortina 1
Válvula de 3 vías 1
Codos a 90º 8
Instrumentos de medición 3
Salida 1
ENVÍO AL MÓDULO DE ENVASADO
Elemento Cantidad
Válvulas de mariposa o cortina 1
Válvula de 3 vías 2
Codos a 90º 21
Instrumento de medición 4
Salida 1
131
RECIRCULACIÓN POR NO ENVASADO
Elemento Cantidad
Válvulas de mariposa o cortina 1
Válvula de 3 vías 2
Codos a 90º 25
Instrumentos de medición 3
Salida 1
Fuente: Autor
Teniendo la cantidad de elementos, el coeficiente de pérdidas y la velocidad del fluido para
cada uno de los casos podemos encontrar las pérdidas menores.
Tabla 63. Pérdidas menores de la descarga y la succión
PÉRDIDAS MENORES EN LA DESCARGA (m)
Recirculación por calentamiento 0,012
Recirculación por no envasado 0,025
Envío módulo de envasado 0,023
Lavado de tanques y tuberías 2,400
LAVADO DE TANQUES Y TUBERÍAS
Elemento Cantidad
Válvulas de mariposa o cortina 1
Válvula de 3 vías 2
Codos a 90º 25
Instrumentos de medición 3
Salida 1
SUCCIÓN DE LA BOMBA
Elemento Cantidad
Válvulas de mariposa o cortina 1
Tee en derivación 1
132
PÉRDIDAS MENORES EN LA SUCCIÓN (m)
Recirculación por calentamiento 0,003
Recirculación por no envasado 0,003
Envío módulo de envasado 0,003
Lavado de tanques y tuberías 0,288
Fuente: Autor
Tabla 64. Pérdidas menores por equipos
PÉRDIDAS MENORES POR INTERCAMBIADORES (m)
Intercambiador para calentamiento 10,2 m
Intercambiador para enfriamiento 10,2m
Fuente: Autor
De los cálculos anteriores se concluye que se generan más pérdidas de carga en el ciclo de
lavado de tuberías, con un valor igual a 5,73 m, y que por los intercambiadores se genera
una pérdida de 20,4m.
A continuación se encuentra la expresión de las pérdidas menores en función del caudal.
Altura útil o cabeza de la bomba, h
Utilizando la ecuación de la energía o también llamada ecuación de Bernoulli, es posible
deducir la altura útil o cabeza de la bomba. Para este caso se tomarán los puntos de control
como se muestra en la siguiente figura.
Tabla 65. Puntos de control en el sistema de pasteurización
133
TIEMPO DERETENCION
15 SEGUNDOS
SISTEMAAGUA CALIENTE
SISTEMAAGUA FRIA
TT
TI
FI
PI
FI
INTERCAMBIADORENFRIAMIENTO
INTERCAMBIADORCALENTAMIENTO
TANQUE PULMON
TEMPERATURA DE 95 GRADOS
PRODUCTO NOPASTEURIZADO
ENVIO PRODUCTO A LLENADO
RETORNO PRODUCTO
Fuente: Autor
Se realiza el volumen de control entre los puntos 1 y 4, obteniendo la siguiente expresión,
( )
Donde:
H: Altura útil
Hr: Pérdidas totales en el exterior de la bomba
P: Presión a la que está sometida el fluido
v: Velocidad del fluido
z: Altura de un punto con respecto a un nivel de referencia
: Densidad del fluido
g: Gravedad
Sabiendo que el tanque pulmón trabaja a presión atmosférica, se cancelan la presión en el
punto 1 con la presión del punto 4. La velocidad en 4, será la que lleve el fluido en la
tubería y la velocidad en 1 se considera cero, quedando:
( ) ( )
Para el cálculo de la bomba el caudal seleccionado es el de 7000 l/h, la tubería tiene un
diámetro de 1,5 in, y la velocidad correspondiente es de 2,00 m/s, esta sería la velocidad en
el punto 4. La diferencia de altura (z4 - z1), corresponde a la diferencia geométrica entre los
dos puntos, se tomará una diferencia de alturas de 0,6m que corresponde a 20 litros de
producto en el tanque pulmón.
Hr corresponde a las pérdidas de carga entre los puntos 1 y 2 y los puntos 3y 4, este valor
ya fue calculado para un caudal de 7000l/h y es igual a 26,13m, Hr también se deja
expresado en función del caudal.
Por lo tanto para Hr = 26,13 m
1 4
2 3
134
Esta altura corresponde a una presión de 269,47 Kpa.
Y para Hr(Q) tenemos,
Por tanto
La expresión anterior es la ecuación del sistema, con ésta se determinará el punto de
funcionamiento de la bomba.
Cabeza de succión neta positiva (Net Positive Suction Head - NPSH)
Se calcula el NPSHdisponible del sistema de pasteurización de la misma forma que se hizo
para el módulo de mezcla. Recordando que, NPSHrequerido<NPSHdisponible.
Para este caso tenemos los siguientes datos:
Tabla 66. Datos para NPSH
DATOS PARA CALCULAR NPSHrequerido
Presión atmosférica 721 mmHg -96125,16 pa
Presión de vapor a 20ºC 17,546 mmHg - 2339,27 pa
Densidad 1020 kg/m3
Gravedad 9,81 m/s2
Altura de succión, hs 0,6 m
Velocidad del fluido 2 m/s
Pérdidas de carga, Hr 1-2 0,396 m
Fuente: Autor
135
Potencia de la bomba, p
Teniendo definido el caudal y la altura con los que va a trabajar la bomba, se encuentra la
potencia, como sigue:
(
) (
) (
) ( )
Selección de la bomba
Graficando la curva del sistema sobre la curva de la bomba se encuentra el punto de
funcionamiento y se define la potencia con la que va a trabajar la bomba y el NPSHrequerido
que debe ser menor al NPSHdisponible.
La bomba seleccionada es de marca INOXPA, maneja potencias entre 2 Kw y 12,5 Kw,
caudales entre 0 y 60 m3/h, y alturas entre 0 y 80 m, las tuberías de succión y de descarga
son de 1,5 in, sus curvas características son las presentadas en la Figura 49.
Se realiza el trazado de la curva del sistema,
Obteniendo el punto de funcionamiento de la bomba, el diámetro del rodete es de 140 mm,
los datos de altura útil, H, potencia, P y NPSH requerido son los siguientes:
Tabla 67. Punto de funcionamiento de la bomba
H (m) 31 m
P (Kw) 2,2 Kw
NPSH requerido (m) 2,1 m
Q (m3/h) 10 m
3/h
Fuente: Autor
Según los datos anteriores la bomba cumple con los requerimientos del sistema.
136
Figura 34. Curvas características de la bomba Inoxpa SN-28 y trazado de la curva del
sistema
Fuente: INOXPA S.A (2015). Curva de bomba SN15. <http:
//www.inoxpa.com/pump/centrifugal>
137
7.2.2 Selección de válvulas
Las válvulas que se requieren para el módulo de pasteurización son:
• Válvula de tres vías:
Es una válvula con una entrada y dos salidas, se escoge una válvula de asiento con
activación neumática para la salida de producto pasteurizado y una válvula de tres vías con
activación manual por medio de volante, en acero inoxidable sanitario con baja pérdida de
carga, conexiones de 1 ½”.
• Válvula de corte:
Se escoge la válvula mariposa sanitaria inoxidable con activación manual por medio de
maneta, debido a que es totalmente sanitaria y en acero inoxidable, conexiones de 1 ½”.
7.2.3 Diseño de tanque pulmón
Consideraciones de diseño
Para el tanque pulmón se elige un tanque cilíndrico vertical de pared sencilla en acero
inoxidable AISI 304L, sin techo y fondo toriesférico, este trabaja a presión atmosférica. La
margen de corrosión y eficiencia de la soldadura son las mismas que para el tanque del
módulo de mezcla, C=1,95, E para el fondo toriesférico igual a 1,00 y para el cuerpo
cilíndrico E=0,85.
Condiciones de operación del tanque:
Se diseña el tanque pulmón para albergar un volumen de hasta 150 Litros con un
sobredimensionamiento de 10 litros por rebose o agitación del producto
El valor del volumen de diseño es:
El volumen de operación será:
El valor de la presión de operación es:
⁄
A la presión de operación se le suma la presión debida a la columna del producto a
almacenar para calcular la presión de diseño.
138
La presión de producto (interna) variará de acuerdo con la altura de la columna del
producto, debemos considerar que la presión será diferente a diferentes alturas.
Tabla 68. Variación de presión con altura
ALTURA
(m)
PRESIÓN
OPERACIÓN
(Kg/cm2)
PRESIÓN
PRODUCTO
(Kg/cm2)
PRESIÓN
DISEÑO
(Kg/cm2)
0 1,03 0 1,03
0,5 1,03 0,051 1,081
0,6 1,03 0,0612 1,091
0,7 1,03 0,0714 1,101
1 1,03 0,102 1,132
Fuente: Autor
Se tomará el valor de presión de diseño calculado con la densidad del jarabe de azúcar con
una altura de 0,6 m que es igual a:
⁄
Para calcular las dimensiones del tanque se requiere tener los valores obtenidos
equivalentes en el sistema ingles de unidades para obtener información de la Figura 35.
Selección del Diámetro del Recipiente establecida en la norma ASME SECCION VIII.
Para el valor del volumen equivale a 5,65 ft3 y para la presión equivale a 15,52 lb/in
2.
Cálculo del tamaño óptimo del tanque
De igual forma que en el tanque de mezcla la relación óptima de la longitud del diámetro
puede hallarse mediante el siguiente procedimiento:
( )
139
Dónde:
P: Presión de diseño (Lb/pulg2)
C: Margen de corrosión (pulg)
S: Valor de esfuerzo del material (Lb/pulg2)
E: Eficiencia de la junta
Di:Diámetro interior (pies)
Lc: Altura del cuerpo cilíndrico (pies)
De acuerdo a la información de diseño se tiene:
Tabla 69. Parámetros de diseño
DESCRIPCIÓN PARÁMETROS DE DISEÑO
P 15,52lb/pulg2
C 0,077 pulg
S 35000 Lb/pulg2
E 0,85
V 5,65 pies3
Fuente: Autor
Resolviendo la ecuación:
⁄
⁄
Ahora con el factor “F” hallado y el Volumen del recipiente “V” se utiliza la Figura 35y se
Con el diámetro interior calculado, el volumen del fondo se obtiene con la siguiente
ecuación:
Dónde:
Como son un fondo y un cabezal toriesféricos entonces:
( )
Cálculo de la altura interior total del tanque:
Una vez hallado el volumen del fondo se procede hallar el volumen del cuerpo cilíndrico:
Volumen de fondo toriesférico
Se calcula por separado la longitud del cuerpo cilíndrico con la siguiente fórmula.
Altura del cuerpo:
( )
141
Cálculo del espesor del cuerpo cilíndrico
Para efectos del cálculo del espesor en el cuerpo cilíndrico del tanque se tendrá en cuenta lo
especificado en la norma ASME VIII División 1 en la parte UG-27 para presión interna y
UG – 28 para la presión externa.
Dónde:
tc: espesor (pulg)
P: Presión de diseño (PSI)
R: Radio del tanque (pulg)
S: Esfuerzo admisible (PSI)
E: Eficiencia de la junta
C: Margen de corrosión (pulg)
⁄
( ) ( ⁄ ) ⁄
Por lo tanto, de acuerdo a las dimensiones comerciales de lámina en acero inoxidable SA
240 -304 se tomará el espesor de 3mm.
Cálculo del espesor del fondo toriesféricos del tanque
Para el cálculo del espesor por presión interna del cabezal y el fondo toriesférico se
utilizará la siguiente fórmula
Dónde:
P: Presión de diseño (PSI)
L: Diámetro interior (pulg)
M: Factor adimensional que depende de la relación L/r
r: Radio de esquina L/10 (pulg)
S: Esfuerzo admisible (PSI)
t: Espesor mínimo requerido
E: eficiencia de la soldadura
C: Margen de corrosión (pulg)
142
Para hallar M:
Con la relación L/r se obtiene el Factor “M” en el ANEXO C, el valor M = 1,54.Entonces,
⁄
( ) ( ⁄ ) ⁄
Según los espesores comerciales del acero inoxidable SA 240 -304 se tomará el espesor de
3mm.
Cálculo de la altura del fondo toriesférico del tanque:
Dimensiones de fondo toriesférico
Para obtener las dimensiones tendremos en cuenta la norma DIN 28011Torispherical head
DIN 28011la cual se basa en el código de diseño de ASME VIII, Div. 1 undDiv. 2
Tabla 70. Fondo Toriesférico tipo Klopper
Fuente: Fondeyur. Fondo KLOPPER (DIN-28011). [En línea]
http://www.fondeyur.com/fondos-klopper.aspx.
Tabla 71. Dimensiones fondo toriesférico
ECUACIONES CÁLCULO DIMENSIONES
(pulg)
DIMENSIONES
(mm)
R = De R = 615,6mm
r = R/10 r = ⁄ 61,56mm
h1≥ 3.5e h1 ≥ 3,5 x (0.121 pulg) 10,35mm
h2 = 0.1935De-
0.455e h2=0,1935( ) -0,455(0.121 pulg)
117,72mm
H = h2 + h1 + e H= + +(0, 131,55mm
143
121pulg)
Dd= 1.11De+1.85h1 Dd=1.11x +1.85
x 703,22,86mm
V(h2) = 0.1(Di)3 V(h2) = 0.1(24)3 1382,4pulg
3 22,65 L
*Se tomará e= pulg
Fuente: Autor
Donde:
De: Diámetro exterior
e: Espesor inicial
R: Radio ésferico interior
r: Radio rebordeo interior
h1: Pestaña (parte recta)
H: Altura total exterior
V: Volumen
Dd: Diámetro disco de partida
Di: Diámetro interior
h2: Flecha
Hc: Altura Central
CÁLCULO DE ALTURA TOTAL DEL TANQUE:
El cálculo de la altura total sera:
CONEXIONES
El tanque de pulmón tiene una conexión tipo clamp de 1 ½” en acero inoxidable en la parte
inferior para la distribución del producto y vaciado del tanque.
Tabla 72. Conexión tipo clamp
144
Fondeyur. Fondo KLOPPER (DIN-28011). [En línea] http://www.fondeyur.com/fondos-
klopper.aspx.
7.2.4 Diseño de columnas para tanque
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
Se diseñará los soportes para el tanque de pulmón el cual consistirá en calcular los pesos y
las cargas que se ejercen en el tanque.
Peso del cuerpo del tanque
Peso del fluido
CÁLCULO DE PESOS
Cálculo del peso del tanque
De acuerdo al desarrollo del tanque de acero inoxidable se tiene
Parte cilíndrica: El desarrollo del cuerpo del cilindro es de
⁄
Fondo toriesférico, se debe partir de un disco diámetro de 0,9m
( ( ) )
⁄
Cálculo del peso del fluido
El fluido a contener el tanque de proceso es jarabe de azúcar que tiene una densidad de
1020 Kg/m3 y el volumen de diseño es de 0,16m
3
⁄
Cálculo del peso conexiones
El peso de la conexión clamp de 1 ½” es de 0,3 Kg
145
Cálculo del peso total del tanque de proceso
Después de tener el peso total, un porcentaje adicional se agrega típicamente para permitir
otros componentes y soldadura. En este caso según el libro Pressure vessel desing manual,
(Moss, 2004), para pesos menores a 50000 lb se adiciona un 10%, entonces,
( ) ⁄
( )
DISEÑO DE APOYOS TIPO COLUMNA
El tanque pulmón tendrá cuatro columnas que soportaran el peso total, debidamente
distribuidos cada 90°, para distribuir las cargas en cuatro partes iguales. El material de las
columnas es de acero estructural redondo de 2” Schedule 10S (espesor de pared de
2,77mm) y tendrán una longitud de 260mm.
El cálculo de las columnas se hará con base en el método LFRD (Diseño por factores de
carga y factores de resistencia para columnas), el cual se expone en el libro Diseño de
Estructuras de Acero, Método LFRD, Mc Cormac, 2da Edición, Ed. Alfaomega, en donde,
se compara las cargas ejercidas sobre la columna con respecto a la resistencia de diseño.
La primera verificación que se realizará a la columna es el chequeo por esbeltez a
comprensión, ya que si sobrepasa el límite de la restricción hay que utilizar otro perfil, para que este soportado el peso al que estará sometida la columna. El chequeo por esbeltez tiene
por ecuación(McCormac).
Donde
: Factor de la longitud efectiva
: Longitud de la columna (mm)
: Radio mínimo de giro (mm)
El factor de longitud efectiva es igual a 0,65 porque la columna tubular de sección
transversal circular hueca esta empotrada en los dos extremos.
El radio de giro mínimo es
146
√
Donde
: Diámetro exterior
: Diámetro interior
√( ) ( )
Reemplazando
Ya que paso el chequeo de esbeltez, ahora se procede a calcular la carga de diseño,
teniendo en cuenta que solo tendrá como carga, la carga muerta de la masa igual a 539,44N
por cada columna.
Donde
: Carga de diseño
: Carga muerta
Reemplazando se obtiene
Para determinar la resistencia de diseño, primero hay que calcular la relación de esbeltez de
transición para saber qué tipo de columna es, es decir si es una columna corta, intermedia o
larga.
√
Donde
: Constante de columna o relación de esbeltez
: Resistencia de fluencia
: Módulo de elasticidad
147
Reemplazando se tiene
√ ( ⁄ )
⁄
Se compara el resultado de con ⁄ , si ⁄ es mayor que la columna es larga se
debe utilizar la ecuación de Euler y si ⁄ es menor que la columna es corta se debe utilizar la ecuación de J.B. Johnson, para calcular el valor de la carga critica de pandeo. En
este caso se aplicara el segundo caso
[ ( ⁄ )
]
Donde
: Carga critica de pandeo
: Área
( )
(( ) ( ) )
Reemplazando
( ) ( ⁄ ) [ ( ⁄ ) ( )
⁄]
Esta es la carga crítica de pandeo. Ahora se prosigue a calcular la carga admisible para cada
una de las patas, se especifica para este caso que , entonces
: Carga admisible
: Número de patas
148
Esto quiere decir que el perfil tubular de sección transversal circular hueco seleccionado
cumplirá satisfactoriamente con las cargas a las que estará expuesto, debido a que Pu< Pa.
7.2.5 Intercambiadores de calor
Los requerimientos del proceso de pasteurización son los siguientes:
1. Elevar el producto a una temperatura de 92 ºC
2. Mantener la temperatura de 92 ºC por 30 segundos
3. Bajar la temperatura a 30 ºC
Para cumplir con estos requerimientos se hace necesario el uso de dos intercambiadores de
calor uno para elevar la temperatura del fluido y el otro para disminuirla.
Existen diferentes tipos de intercambiadores de calor, entre ellos están los de tubos
concéntricos, de flujo cruzado, tubos y corazas, y de placas.
Para este proyecto se selecciona el intercambiador de placas principalmente por su tamaño
compacto (Figura 1). A continuación veremos las principales ventajas de estos
intercambiadores, frente a intercambiadores convencionales como multitubulares:
Elevado valor del coeficiente de transmisión superficial, lo que conlleva valores
elevados del coeficiente global de transmisión del calor.
Menores pérdidas caloríficas, ya que sólo los bordes de las placas están expuestas al
ambiente exterior y además de tener pequeños espesores pueden aislarse fácilmente.
Menor espacio necesario que otros tipos de intercambiadores dada su elevada
relación superficie de intercambio/Volumen total, lo que supone que la cantidad de
líquido contenido por unidad de superficie de intercambio es baja, lo que da lugar a
menores pérdidas de fluido al abrir el intercambiador para mantenimiento, así como
a menores problemas de depósito de residuos, fermentaciones, etc., en los períodos
de funcionamiento, presentando menores inercias térmicas en la puesta en marcha o
en los cambios de régimen por la misma razón.
Fácil accesibilidad a ambas caras de cada placa, lo que permite una mejor
inspección y limpieza.
Facilidad de sustituir elementos con la consiguiente ventaja de facilitar las
reparaciones y realizar ampliaciones con máxima economía.
En el caso de deterioro de las juntas, se produce escape de fluido hacia el exterior,
siendo posible repararlas inmediatamente, evitándose mezclas o contaminaciones de
fluidos.
Como inconvenientes principales de este tipo de intercambiadores, pueden citarse los
siguientes:
149
El mayor inconveniente de estos intercambiadores, es la limitación que imponen las
juntas de unión entre placas, ya que no permite trabajar con temperaturas superiores
a 250ªC o presiones superiores a 20 atm.
Presentan mayor pérdida de presión en la circulación de los fluidos.
Generalmente el intercambiador de placas es más caro que los multitubulares.
Tabla 73. Gráfico ilustrativo del funcionamiento de un intercambiador de placas
Fuente: Alfa Laval. Intercambiadores de calor de placas. [En línea]
Existen diferentes métodos para el dimensionamiento de intercambiadores de calor como lo
son el método de la diferencia de temperatura logarítmica – DTML, y el método de
efectividad – NUT. La aproximación de la DTML para el análisis de cambiadores de calor,
es útil cuando las temperaturas de entrada y salida son conocidas o se pueden determinar
fácilmente. En estos casos, la LMTD se calcula fácilmente, y el flujo de calor, el área de la
superficie, o el coeficiente global de transferencia de calor pueden determinarse. Cuando
hay que evaluar las temperaturas de entrada o salida de un intercambiador determinado, el
análisis supone con frecuencia un procedimiento iterativo, debido a la función logarítmica
que aparece en la DTML.
En este caso, el análisis se efectúa con mayor facilidad utilizando el método basado en la
efectividad del intercambiador, efectividad – NTU, (Incropera, y otros, 2011) Sección 11.4,
durante la transferencia de una cantidad de calor determinada.
El número de unidades de transferencia NTU es un parámetro adimensional que se usa
ampliamente para el análisis de intercambiadores de calor y se define como:
( )
150
Donde,
U: Coeficiente global de transferencia de calor, Kw/m2 ºk
A: Área de transferencia de calor, m2
Cmin: Capacidad calorífica mínima, Kw/ºk
En este caso interesa conocer el área de transferencia de calor, para así dimensionar el
intercambiador, despejando de la ecuación anterior, se obtiene:
( )
Coeficiente global de transferencia de calor, U.
Para determinar el Coeficiente global de transferencia de calor se asume que las resistencias
térmicas de las láminas son despreciables, debido a que el espesor es muy delgado. La
expresión para calcular U es la siguiente:
( )
Donde y son los coeficientes de convección del fluido frio y caliente respectivamente,
Coeficiente de convección del fluido frio, hC
Para el cálculo del coeficiente de convección del fluido frio, donde este es considerado en
estado líquido, se utiliza la siguiente relación del número de Nusselt:
( )
Donde,
hC: Coeficiente de convección, Kw/mºk
Dh: Diámetro hidráulico, m
K: Coeficiente de conducción, Kw/mºk
Para encontrar el valor de Nusselt se debe verificar primero si el flujo es laminar o
turbulento con el Número de Reynolds ( ),
( )
Donde
: Velocidad crítica del fluido calculado a partir de la ecuación: , donde A es el
área transversal entre las placas del intercambiador y es caudal.
: Diámetro hidráulico,
. (Correlación de tubo circular). Donde A es el área
transversal entre las placas del intercambiador y P es el perímetro húmedo.
: Viscosidad cinemática a la presión y temperatura promedio del fluido.
151
Si el flujo es turbulento el número de Nusselt, (Incropera, y otros, 2011) Sección 8,5, se
calcula en función del número de Reynolds y del número de Prandtl, (Incropera, y otros,
2011) Tabla A.6, con la siguiente expresión,
( )
Si el flujo es laminar se determina el número de Nusselt (Nu) con la siguiente tabla,
inicialmente se selecciona un intercambiador de calor para definir la sección transversal, en
este caso se utilizan intercambiadores de calor de placas para los cuales el ancho del área de
flujo es mucho mayor que su espesor, por lo tanto b/a=∞, también se asume que la lámina
permanece a temperatura constante, entonces el número de Nusselt equivalente a 7,54, ver
Tabla74.
Tabla74. Números de Nusselt y factores de fricción para flujo laminar en tubos de diferente
sección
Fuente: Incropera, Frank P., y otros. 2011.Fundamentals of Head Mass Transfer.
Seventh Edition. s.l. : John Wiley & Sons, 2011.
Finalmente, teniendo definido el número de Nusselt (Nu), el coeficiente de convección (K)
y el diámetro hidráulico, se calcula el coeficiente de convección del fluido frio.
( )
152
Coeficiente de convección del fluido caliente, hH
Si el fluido caliente está en estado líquido el cálculo del coeficiente de convección se
realiza de la misma forma que para el fluido frio, pero si el fluido caliente tiene cambio de
fase se tienen las siguientes consideraciones
El fluido caliente en estudio es vapor proveniente de una caldera, al ingresar al
intercambiador de calor de placas e iniciar la transferencia de calor se genera una película
de condensado sobre la superficie de las placas del intercambiador, la condensación ocurre
cuando la temperatura de un vapor se reduce por debajo de la temperatura de saturación, el
proceso normalmente resulta del contacto entre el vapor y la superficie fría. La
condensación superficial proporciona una resistencia a la transferencia de calor entre el
vapor y la superficie.
Para el cálculo se deben tener en cuenta las siguientes suposiciones que se originan del
análisis de Nusselt (Incropera, y otros, 2011) Sección 10.7:
1. Se supone flujo laminar y propiedades constantes para la película liquida.
2. Se supone que el gas es un vapor puro y a temperatura uniforme igual a la
temperatura de saturación. Sin un gradiente de temperatura en el vapor, la
transferencia de calor a la interfaz liquido-vapor puede ocurrir solo por
condensación en la interfaz y no por conducción del vapor.
3. No se consideran las capas límite de velocidad o térmicas.
4. La transferencia de calor a través de la película ocurre solo por conducción, en cuyo
caso la distribución de temperaturas del líquido es lineal.
A continuación se presenta la ecuación para el número de Nusselt promedio asociado con la
condensación en el régimen laminar.
Al utilizar esta ecuación todas las propiedades del fluido se deben evaluar a la temperatura
de película Tf = (Tsat+Ts)/2,
( ⁄ )
(56)
( ⁄ )
( ) (57)
( ⁄ )
[( )
]
(58)
Donde
: Número de Nusselt promedio,(Incropera, y otros, 2011) Sección 10.8.
hH: Coeficiente de convección del fluido caliente, KW/m*K
K: Coeficiente de conducción del fluido caliente, KW/m*K
ν: Viscosidad cinemática, m2/s
g: Gravedad
153
Pr: Número de Prandtl
La constante adimensional P está definida por la siguiente ecuación,
( )
( ⁄ )
( )
Donde
L:Distancia entre los centros de las tuberías de entrada y salida de cada placa del
intercambiador, m
Tsat: Temperatura de saturación del fluido caliente, ºC
Ts: Temperatura de superficie, ºC
µ: Viscosidad dinámica, Kg/m*s
h’fs: Calor latente modificado, KJ/Kg
El calor latente modificado esta dado por la siguiente ecuación,
( ) ( )
Donde,
hfs: Calor latente para la temperatura de saturación, KJ/Kg
Cp: Calor especifico, KJ/Kg*K
Finalmente para el cálculo del coeficiente de convección del fluido caliente se despeja de la
ecuación del número de Nusselt promedio:
(
)
⁄ ( )
Capacidad calorífica.
(Incropera, y otros, 2011) Sección 11.4.2. Considerando las características de los fluidos
frio y caliente, se calcula la capacidad calorífica de ambos CC y CH, y así se determinar cuál
es la capacidad calorífica máxima y mínima. También se calcula la relación entre ambos
términos, Cr
( )
( )
( ) Donde,
Cp: Calor especifico KJ/(Kg*K)
: Flujo masico Kg/s
Efectividad – NTU
154
Para Calcular NTU es necesario conocer la efectividad y la relación Cr = Cmin/ Cmax, para
este caso se hace referencia al libro Fundamentos de transferencia de calor y masa en la
sección 11.4.2.(Incropera, y otros, 2011)Donde especifican que para calderas,
condensadores e intercambiadores de calor Cr es igual a cero, (Cr=0), por lo tanto Cmax
tiende a infinito.
Para el cálculo de la efectividad () se utiliza la siguiente ecuación,
( )
( )
( )
( ) ( )
Donde
q: es el calor sensible adicionado al fluido frio o retirado del fluido caliente.
qmax: es la transferencia de calor máxima posible que puede ocurrir durante el proceso.
C: Subíndice que hace referencia al fluido frio
H: Subíndice que hace referencia al fluido caliente
En el siguiente esquema se representa la notación de las temperaturas
Figura 36. Notación de temperatura
Fuente: Incropera, Frank P., y otros. 2011.Fundamentals of Head Mass Transfer.
Seventh Edition. s.l. : John Wiley & Sons, 2011.
Una vez definidos y se procede a calcular el NTU a través de la ecuación consignada en laTabla 75, seleccionando la ecuación para todos los intercambiadores debido a que
Cr=0.
( ) (66)
Una vez conocidos el , NTU y el se calcula el área total de transferencia de calor
total ( ), para finalmente definir el número de placas que debe tener el intercambiador de
calor. La relación generalmente se encuentra en la ficha técnica de estos equipos.
( )
155
( )
Tabla 75. Relaciones NTU para Intercambiadores de Calor
Fuente: Incropera, Frank P., y otros. 2011.Fundamentals of Head Mass Transfer.
Seventh Edition. s.l. : John Wiley & Sons, 2011.
156
Intercambiador
SELECCIÓN DE EQUIPOS
CALENTAMIENTO DE PRODUCTO
Se seleccionan los equipos para el calentamiento del producto de 20ºC a 92ºC, estos son
una caldera que cumpla con la carga térmica requerida y un intercambiador de calor. A
continuación se representa un esquema del proceso del calentamiento del producto.
Figura 37. Esquema de planta correspondiente al calentamiento del producto
Caldera
TC_2TC_1
TH_1
TH_2
Figura: Autor
Debido a que las propiedades del fluido varían dependiendo de la posición en el
intercambiador se define una temperatura promedio para realizar los cálculos,
( )
Las características del producto a una temperatura de 56ºC, se listan a continuación,
Tabla 76. Condiciones y propiedades del fluido frio
CONDICIONES Y PROPIEDADES DEL FLUIDO FRIO
PRESIÓN 300 KPA Y TEMPERATURA PROMEDIO 56 ºC
Temperatura del Fluido Frio a la entrada, TC_1 (ºC) 20
Temperatura del Fluido Frio a la salida, TC_2 (ºC) 92
Flujo másico, (Kg/s) 0,204
Densidad , (Kg/m3) 1020
Calor especifico a presión constante, (KJ/Kg*K) 4,183
Viscosidad cinemática (m2/s) 6,86E-05
Coeficiente de conducción, (KW/m*K) 6,37E-04
Fuente: Autor
157
Conociendo los requerimientos del proceso se determina la carga térmica requerida (Q),
utilizando la siguiente ecuación, (Incropera, y otros, 2011).
( )
Donde
: Flujo másico de producto, Caudal/densidad.
: Calor especifico del producto asumiendo que se comporta como el agua a temperatura
promedio
( ) : Incremento de temperatura desde el fluido frio ( ) hasta la temperatura más
elevada posible sin que se presente cambio de fase( ). Subíndice c: representa el fluido frio
Se selecciona una caldera que cumpla con los requerimientos termodinámicos del proceso,
dando como resultado la elección de una caldera de marca Continental de 10 BHP (98 Kw)
con un flujo másico de 345 Lb/hora (0,0479 Kg/s) con una presión de trabajo de 300 Kpa
correspondiente a una temperatura de saturación de 133,5ºC.
Para la selección del intercambiador se sigue el procedimiento mencionado anteriormente.
Coeficiente de convección hH
Las propiedades del fluido caliente se deben evaluar a la temperatura de película, entonces,
( )
( )
( )
( )
Las condiciones y propiedades del fluido caliente a 94,75ºC, son:
Tabla 77. Propiedades del fluido caliente
PROPIEDADES DEL FLUIDO CALIENTE A 94,75ºC
Densidad en fase líquida, (Kg/m3) 962,2
Densidad en fase vapor, (Kg/m3) 1,646
Calor especifico a presión constante en fase líquida, (KJ/Kg*K) 4,21
Viscosidad dinámica, (Kg/m*s) 2,98E-04
158
Viscosidad cinemática, (m2/s) 3,10E-07
Coeficiente de conducción, (KW/m*K) 0,6634
Número de Prandtl, Pr 1,846
Calor latente a temperatura de saturación, (KJ/Kg) 2267,7
Fuente: Autor
Se realiza la selección inicial de un intercambiador de calor de placas, su ficha técnica se
presenta a continuación,
Figura 38. Dimensiones intercambiador de calor
Fuente:ANEXO E
159
Inicialmente se realiza la selección del intercambiador con referencia SB2
Para determinar el coeficiente de convección hH se realizan los siguientes cálculos,
Calor latente modificado,
( )
( )
Constante adimensional P,
( )
( ⁄ )
( )
( ⁄ )
y
De lo anterior se deduce que se utiliza la siguiente expresión para encontrar el número de
Nusselt promedio
( ⁄ )
[( )
]
Entonces
[( )
]
[( ) ]
Conociendo el número de Nusselt promedio se despeja ahora el coeficiente de convección
del fluido caliente,
(
)
⁄
160
b
a
(
)
⁄
Coeficiente de convección hC
Como ya se seleccionó un intercambiador de calor y se tienen las propiedades y
características del fluido frío, es posible calcular el número de Reynolds para verificar el
patrón del flujo.
Velocidad del fluido frío
,
( )
El diámetro hidráulico se halla con el área y el perímetro de la sección transversal del canal,
entre las placas del intercambiador
Figura 39. Sección transversal entre placas del intercambiador
Fuente: Autor
( ) ( )
( ) ( )
Reynolds para el fluido frio
Flujo laminar
161
Como el número de Reynolds indica flujo laminar, el número de Nusselt es igual a 7,54,
este valor ya fue determinado anteriormente con ayuda de la tabla 1.
Se utiliza la siguiente ecuación para calcular el coeficiente de convección del fluido frio
Finalmente se calcula el coeficiente global del transferencia de calor U,
Capacidad calorífica mínima, Cmin.
Sabiendo que Cr=0 y que por lo tanto Cmax tiende a infinito, se considera que el Cmax
corresponde al fluido caliente (vapor) y que el Cmin al fluido frio (Jarabe), entonces,
Efectividad – NTU
Se calcula la efectividad como es mencionado anteriormente,
( )
( )
( )
( )
162
y sabiendo que Cr = 0, se calcula el NTU,
( )
( )
Área total de transferencia de calor
Se calcula el área total de transferencia de calor con la siguiente expresión,
De la ficha técnica del intercambiador SB2 se obtiene que el área de la superficie de una
placa es 0,014 m2, por lo tanto
El intercambiador seleccionado debe tener 29 placas.
163
Intercambiador
ENFRIAMIENTO DE PRODUCTO
Se seleccionan los equipos para el enfriamiento del producto de 92ºC a 30ºC, estos son un
intercambiador de calor y una torre de enfriamiento. A continuación se representa un
esquema del proceso del enfriamiento del producto.
Figura 40.Esquema de planta correspondiente al enfriamiento del producto
Fuente: Autor
Debido a que las propiedades del fluido varían dependiendo de la posición en el
intercambiador se define una temperatura promedio para realizar los cálculos,
Las características del producto a una temperatura de 61ºC, se listan a continuación,
Tabla 78. Condiciones y propiedades del producto
CONDICIONES Y PROPIEDADES DEL FLUIDO CALIENTE,
PRODUCTO. TEMPERATURA PROMEDIO 61 ºC
Temperatura del Fluido Caliente a la entrada, TH1, ºC 92
Temperatura del Fluido Caliente a la salida, TH2, ºC 30
Flujo másico,(Kg/s) 0,204
Densidad , (Kg/m3) 982,63
Calor especifico a presión constante, Cp (KJ/Kg*K) 4,182
164
Viscosidad cinemática ,(m2/s) 2,54E-05
Coeficiente de conducción,(KW/m*K) 6,59E-04
Número de Prandlt, Pr 2,9259
Fuente: Autor
Conociendo los requerimientos del proceso se determina la carga térmica requerida (Q)
para el enfriamiento del producto, utilizando la siguiente ecuación, (Moran, y otros, 2010).
( )
Donde
: Flujo másico de producto, Caudal/densidad.
: Calor especifico del producto asumiendo que se comporta como el agua a temperatura
promedio
: Temperatura del fluido a la entrada del intercambiador
: Temperatura del fluido a la salida del intercambiador Subíndice H: representa el fluido caliente
Después de calcular la carga térmica necesaria, se determina que el agua de enfriamiento
entra al intercambiador a 27ºC, con una presión de 300Kpa y que el ΔT es de 5ºC, este
último valor es sugerido por la Guía Técnica: Torres de refrigeración(IDAE, 2007), por lo
tanto, la temperatura a la salida del intercambiador es de 32ºC, y la temperatura promedio
es de 29,5ºC.
Las características del agua de enfriamiento son las siguientes.
Tabla 79. Propiedades del agua de enfriamiento
PROPIEDADES DEL AGUA DE ENFRIAMIENTO
Presión 300 KPa y Temperatura promedio 29,5 ºC
Densidad , ro (Kg/m3) 995,4
Calor especifico a presión constante, Cp_H
(KJ/Kg*K) 4,18
Viscosidad cinemática (m2/s) 8,40E-07
Coeficiente de conducción, K (KW/m*K) 6,14E-04
Número de Prandlt, Pr 5,4961
Fuente: Autor
Con los datos anteriores es posible determinar el flujo másico del agua de enfriamiento, de
la siguiente forma,
165
b
a
( )
(Δ )
A continuación se realiza la selección del intercambiador
Según el cátalogo de intercambiadores presentado en la sección anterior se selecciona el
intercambiador SB4. A continuación se hace el cálculo del área de transferencia de calor.
Coeficiente de convección, hC
A seguir se calcula el número de Reynolds para verificar el patrón del flujo.
Velocidad del fluido frio
,
( )
El diámetro hidráulico se halla con el área y el perímetro de la sección transversal del canal,
entre las placas del intercambiador
( ) ( )
( ) ( )
Reynolds para el fluido frio
Flujo turbulento
166
b
a
Como el número de Reynolds indica flujo turbulento, el número de Nusselt se calcula con
la siguiente expresión,
Se utiliza la siguiente ecuación para calcular el coeficiente de convección del fluido frio
Coeficiente de convección hH
Inicialmente se calcula el número de Reynolds para verificar el patrón del flujo.
Velocidad del producto, fluido caliente
,
( )
El diámetro hidráulico se halla con el área y el perímetro de la sección transversal del canal,
entre las placas del intercambiador
( ) ( )
( ) ( )
Reynolds para el fluido frio
167
Flujo laminar
Como el número de Reynolds indica flujo laminar, el número de Nusselt corresponde al
encontrado en la tabla 1. de 7,54. Con la siguiente ecuación se calcula el coeficiente de
convección del fluido frio
Finalmente se calcula el coeficiente global del transferencia de calor U,
Capacidad calorífica mínima, Cmin.
Se calcula CC y CH para conocer el Cmin, como sigue.
168
Efectividad – NTU
Se calcula la efectividad,
( )
( )
( )
( )
y como Cr = 0, se calcula el NTU,
( )
( )
Área total de transferencia de calor
Se calcula el área total de transferencia de calor con la siguiente expresión,
De la ficha técnica del intercambiador SB4 se obtiene que el área de la superficie de una
placa es 0,03 m2, por lo tanto
El intercambiador seleccionado debe tener 42 placas.
169
7.2.6 Tiempo de retención
El tiempo de retención en el proceso de pasteurización se ha definido de 30 segundos,
sabiendo que el caudal de trabajo es 720 L/hora (2x10-4
m3/s) y que el diámetro de la
tubería es de 1,5 in, se calcula la longitud de la tubería (L), entonces,
( )
( )
( )
7.2.7 Diseño soportes tiempo de retención
En el módulo de pasteurización se hace necesario el uso de dos soportes para sostener la
tubería de retención. Para estos soportes se calcula el esfuerzo máximo al que son
sometidos.
Se propone que los soportes sean en tubo cuadrado de 11/2” con 3mm de espesor, en acero
inoxidable 304. El cual es un tubo comercial
Figura 41. Soportes para tubería de retención, módulo de pasteurización
Fuente: Autor
170
74mm 74mm
Figura 42. Diagrama de soportes con fuerzas actuantes
Fuentes: Autor
Para definir las fuerzas se calcula inicialmente la longitud de tubería que se va a soportar en
cada punto, luego se encuentra el volumen sabiendo que el diámetro nominal del la tubería
es de 1 ½” se multiplica por la densidad 7900 Kg/m3hallando la masa y finalmente se
multiplica por la gravedad para hallar la fuerza.
Figura 43. Diagrama de cuerpo libre (a) Apoyo 1, (b) Apoyo 2
Fuente: Autor
F1
F2
F3
F4
F5
F6
F7
F8
445 mm
175mm 54mm
54mm
70mm 70mm
445 mm
Apoyo 1 Apoyo 2
F1
F2
F3
F4
F5
F6
F7
F8 114mm
114mm
114mm
114mm
RA RB
171
Tabla 80. Cálculo de fuerzas
LONGITUD (m) VOLUMEN (m3) MASA (Kg) FUERZA(N)
L1=1,1 0,00019 1,5 F1=14,7
L2=0,830 0,000143 1,13 F2=11,1
L3=0,830 0,000143 1,13 F3=11,1
L4=1,6 0,000276 2,18 F4=21,4
L5=1,3 0,000224 1,77 F5=17,4
L6=0,830 0,000143 1,13 F6=11,1
L7=0,830 0,000143 1,13 F7=11,1
L8=0,830 0,000143 1,13 F8=11,1
Fuente: Autor
Teniendo las fuerzas aplicadas y las distancias se realizan la sumatoria de fuerzas y la
sumatoria de momentos para cada uno de los apoyos,
Apoyo 1,
( )
( ) ( ) ( ) ( ) (75)
Apoyo 2,
(76)
( ) ( ) ( ) ( ) (77)
172
Para encontrar el esfuerzo máximo se utiliza la siguiente ecuación
(78)
Donde,
M: Momento máximo
C: Distancia hasta el centroide
I: Momento de inercia
(79)
Sabiendo que los dos soportes son de tubo cuadrado de 1,5” con espesor de 3mm y altura
de 0,45m, se calcula el momento de inercia el cual es igual para los dos soportes
Para el Apoyo 1,
M = MA=4,93 Nm
C = 0,2225m
I = 2,2x10-5
m4
Reemplazando en la ecuación del esfuerzo máximo, se obtiene,
El esfuerzo máximo al que será sometido el Apoyo 1 es muy inferior al esfuerzo máximo a
la fluencia del material, 49,86 Kpa < 241,32 Mpa.
Para el Apoyo 2,
M = MB=2,74 Nm
C = 0,2225m
I = 2,2x10-5
m4
Reemplazando en la ecuación del esfuerzo máximo, se obtiene,
173
El esfuerzo máximo al que será sometido el Apoyo 2 es muy inferior al esfuerzo máximo a
la fluencia del material, 27,40 Kpa < 241,32 Mpa.
7.3 MÓDULO DE SERVICIOS INDUSTRIALES
Figura 44. Módulo de servicios industriales
Fuente: Autor
Este módulo presta los servicios de agua purificada, agua de enfriamiento, vapor y aire. Los
elementos a reutilizar de la planta actual son:
TANQUE DE ALMACENAMIENTO AGUA DE RED
Se reubicará el tanque actual pasándolo a la entrada del sistema para almacenamiento de
agua de red.
174
FILTRO DE CARBÓN ACTIVADO Y DE ARENA
Se reutilizarán los filtros ubicándolos después del tanque de almacenamiento de agua de
red, sin embargo en la propuesta queda establecido el cambio de los elementos filtrantes
para mantenimiento de lo actual.
FILTRO DE 20 MICRAS
Después de los filtros de carbón activado y arenas y antes de la lámpara UV nueva se
instalara el filtro de 20 micras como objetivo de retener impurezas.
FILTRO DE 5 MICRAS
Este filtro se implementará después de la lámpara con el objetivo de retener los
microorganismos que se eliminaron con la lámpara UV.
Tabla 81. Características de filtro de 5 micras
Tipo Micro filtro de 5 micras
Conexión Sanitaria a tubo
Caudal 2000 – 3000 l-h
Material Carcazas en acero inoxidable y tamiz de membranas de tela
Fuente: Autor
BOMBA CENTRÍFUGA
La bomba se ubicará tomando el agua de red sin tratar del tanque de almacenamiento de
agua de red, el caudal de 2500 l-h que entrega por ficha es apropiado para el diseño de la
planta nueva.
VÁLVULAS Y ACCESORIOS
Los accesorios actuales como válvulas y conexiones se pueden reutilizar sin problema
alguno, sin embargo se debe verificar su estado y de ser necesario se realizará el cambio
correspondiente, además se debe tener en cuenta que en la nueva instalación se necesitaran
más válvulas y accesorios del mismo tipo de los que ya están instalados.
A continuación se presentan la descripción de los nuevos elementos que se instalaran en el
módulo de servicios industriales.
LÁMPARA UV
La implementación de la lámpara UV es eliminar microorganismos que puedan pasar los
filtros de sólidos que se tienen, ya que los filtros anteriores solo pueden retener sólidos mas
no bacterias vivas uno por que son menores de 20 micras y segundo porque se encuentran
vivas y pueden pasar sin problema por un tamiz o filtro.
175
Tabla 82. Características de la lámpara UV
Tipo Lámpara UV tipo cuarzo
Conexión Sanitaria a tubo
Caudal 2000 – 3000 l-h
Conexión Trifásica 220v
Fuente: Autor
INSTRUMENTACIÓN
Se requiere medición de presión en la entrada y salida de cada filtro para comprobar las
caídas de presión y de esta forma controlar el nivel de saturación de tamiz para así hacer
lavados.
Tabla 83. Características de los instrumentos para la medición de presión
Tipo Medición de presión
Conexión Sanitaria a tubo
Rango Entre 0 – 10 bar
Material Acero inoxidable
Fuente: Autor
SISTEMA ELÉCTRICO MÓDULO DE AGUA
Se debe adicionar un cuadro eléctrico en el módulo de servicios industriales para el control
y protección de los equipos eléctricos.
Tabla 84. Características del sistema eléctrico del módulo de servicios industriales
Funciones
Accionar o desconectar las bombas centrífuga
Accionar o desconectar el compresor
Accionar o desconectar la caldera
Accionar o desconectar el ventilador de la torre de enfriamiento
Accionar o desconectar la lámpara UV
Protecciones eléctricas contra picos o sobre corrientes de los elementos
eléctricos
Tipo Cuadro eléctrico trifásico con conexiones a tierra y normativa ANSI
Material Plástico, cableado eléctrico a los puntos en canaleta cubierta inoxidable
Capacidad Según potencia de diseño de equipos
Características
Debe estar instalado muy cerca del tanque y de la bomba de envío para
accionar por un solo operario. Debe ser a prueba de agua ya que el área será
de total lavado por el operario.
Fuente: Autor
176
7.3.1 Bomba de envío de agua
Actualmente la planta de producción Nueva Deli en el módulo de agua tratada tiene una
bomba para el envío de agua al módulo de mezcla, esta se va a utilizar nuevamente para el
mismo fin. En este caso se hacen los cálculos necesarios para verificar que la bomba supla
las necesidades del nuevo montaje.
Se deben calcular las pérdidas de carga, la cabeza de la bomba, la potencia, y el NPSH
disponible, para luego graficar la curva del sistema sobre las curvas de la bomba y verificar
el punto de funcionamiento.
Los cálculos se realizan con el mismo procedimiento utilizado anteriormente para los
módulos de mezcla y pasteurización.
Pérdidas de carga
Inicialmente se calculan las pérdidas de carga debidas a la fricción; en la siguiente tabla se
encuentran los datos del proceso,
Tabla 85. Datos iníciales
DATOS DEL PROCESO
Densidad del Agua, 1000 Kg/m3
Viscosidad dinámica, 0,0009 (N.s/m2)
Diámetro nominal de la tubería 1,5 in (38,1 mm)
Diámetro interno de la tubería, D 35,1 mm
Rugosidad de la tubería inoxidable, K 0,8 micras
Caudal 2000 l/h (2 m3/h)
Fuente: Autor
Conociendo el caudal y el diámetro de la tubería se calcula la velocidad del fluido, 0,574
m/s, y con esta el número de Reynolds igual a 22391,7. Ingresando al diagrama de Moody
se encuentra que el coeficiente de fricción es de λ = 0,025.
Figura 45. Diagrama de Moody
177
Fuente: Libro Hidraulica de los canales abiertos. VEN TE CHOW 1982.
Se tienen dos casos el envío de agua al módulo de mezcla, para el lavado del tanque y para
la fabricación del producto. En la succión se tiene 0,4 m de tubería, para el lavado del
tanque la longitud de la tubería es de 10,2m generando una pérdida de 0,125m y para la
fabricación de producto es de 8,2m con una pérdida de carga de 0,105m.
A continuación se calculan las pérdidas menores producidas por las válvulas, elementos de
medición y accesorios instalados a lo largo de la tubería. La cantidad de elementos para el
envío de agua al módulo de mezcla están listados en la siguiente tabla.
Tabla 86. Elementos de medición y accesorios
ENVÍO DE AGUA
Elemento Lavado de tubería Agua para producto
Válvula de mariposa 6 8
Codos a 90º 21 18
Semicodo 4 4
Tee en derivación 5 1
Tee en línea 2 6
Manómetros 2 2
Salida 1 1
Fuente: Autor
Las pérdidas de carga debidas a los elementos mencionados anteriormente son, para el
lavado del tanque de 0,25m y para el envío de agua para producto de 0,19m. En la succión
se tienen una válvula mariposa y un codo las pérdidas correspondientes son de 0,011m.
178
Adicionalmente se deben tener en cuenta las pérdidas generadas por el filtro de carbón
activado, el filtro de arena, el filtro de 20 micras y el filtro de 5 micras, en el envío de agua
para producto, y el Spray ball para el lavado del tanque. Las pérdidas generadas por cada
uno de estos equipos son,
Tabla 87. Perdida de carga de equipos
PÉRDIDAS DE CARGA
Filtro de carbón activado 1 bar 10,2 m
Filtro de arena 1 bar 10,2 m
Filtro de 20 micras 1 bar 10,2 m
Filtro de 5 micras 1 bar 10,2 m
Spray ball 2 bar 20,4 m
Fuente: Autor
Las pérdidas totales en el caso del envío de agua para producto son de 41,1 m y en el caso
de lavado del tanque son de 20,8 m, esta última se debe principalmente al Spray ball,
elemento que sirve para realizar el lavado completo del tanque, se presenta un esquema a
continuación.
Tabla 88. Esquema de lavado de tanque con Spray ball
Periodo de recuperación: Analizando la utilidad de los resultados del flujo de caja y
considerando que se tomara el 60% de las utilidades de cada año para recuperar la
inversión, la recuperación de la inversión se logra en dos años y cinco meses
Tabla 127. Recuperación de la inversión.
Fuente: Autor.
AÑO UTILIDAD RECUPERACION INVERSION % UTILIDAD
1 208.260.925$ 124.956.555$ 60,00%
2 220.756.179$ 132.453.707$ 60,00%
3 235.692.721$ 96.386.125$ 353.796.388$ 40,89%
4 248.379.632$
5 262.958.680$
218
9. MANUALES
9.1 MANUAL DE INSTALACIÓN SERVICIO Y MANTENIMIENTO
MANUAL DE INSTALACIÓN,
SERVICIO Y MANTENIMIENTO
219
SEGURIDAD
MANUAL DE INSTRUCCIONES
Este manual contiene información sobre la recepción, instalación, operación, montaje,
desmontaje y mantenimiento para la planta de producción de jugos.
INSTRUCCIONES PARA LA PUESTA EN MARCHA
Este manual de instrucciones contiene información vital y útil para que su equipo pueda ser
manejado y mantenido adecuadamente.
Lea las instrucciones atentamente antes de poner en marcha el equipo, familiarícese con el
funcionamiento y operación de su equipo y atiéndase estrictamente a las instrucciones
dadas. Es muy importante guardar estas instrucciones en un lugar fijo y cercano a su
instalación.
SEGURIDAD
Símbolos de advertencia
Peligro para las personas en
general
Peligro de lesiones causadas por
piezas rotativas del equipo.
Peligro eléctrico
Peligro. Agentes cáusticos o corrosivos.
Peligro. Cargas en suspensión
Peligro para el buen funcionamiento del equipo.
Peligro de quemaduras. Alta
temperatura
Obligación de utilizar gafas de
protección.
Obligación para garantizar la
seguridad en el trabajo.
220
INSTRUCCIONES GENERALES DE SEGURIDAD
Lea atentamente el manual de instrucciones antes de instalar el equipo y ponerlo en marcha.
Durante la instalación
Tenga siempre en cuenta las Especificaciones Técnicas del capítulo 8.
No ponga nunca en marcha el equipo antes de conectar las tuberías.
Compruebe que las especificaciones de tensión son las correctas, en especial si por las condiciones de trabajo existe riesgo de explosión.
Durante la instalación todos los trabajos eléctricos deben ser llevados a cabo por personal autorizado.
Durante el funcionamiento
Tenga siempre en cuenta las Especificaciones Técnicas del capítulo 8. No podrán sobrepasarse NUNCA los valores límite especificados.
No toque NUNCA los distintos dispositivos del equipo o las tuberías durante su funcionamiento si está siendo utilizado para trasegar líquidos calientes o durante la limpieza.
El equipo contiene piezas en movimiento. No introducir nunca los dedos en el mismo durante su
funcionamiento.
No trabajar NUNCA con las válvulas de aspiración e impulsión cerradas.
No rociar NUNCA los motores eléctricos directamente con agua.
Durante el mantenimiento
Tener siempre en cuenta las Especificaciones Técnicas del capítulo 8.
No desmontar NUNCA el equipo hasta que las tuberías hayan sido vaciadas. Recuerde que siempre puede quedar líquido en algunos puntos del equipo si no lleva purgas. Tener en cuenta que el líquido bombeado puede ser peligroso o estar a altas temperaturas
No dejar las piezas sueltas por el suelo.
221
Desconectar SIEMPRE el suministro eléctrico del equipo antes de empezar el mantenimiento. Quitar la
tensión general de alimentación del equipo. Todos los trabajos eléctricos deben ser llevados a cabo por personal autorizado.
De conformidad con las instrucciones
Cualquier incumplimiento de las instrucciones podría derivar en un riesgo para los
operarios, el ambiente y la máquina.
Este incumplimiento podría comportar los siguientes riesgos:
Avería de funciones importantes de las máquinas / planta.
Fallos de procedimientos específicos de mantenimiento y reparación. Amenaza de riesgos eléctricos, mecánicos y químicos.
Pondría en peligro el ambiente debido a las sustancias liberadas.
INFORMACIÓN GENERAL
DESCRIPCIÓN
Este manual de instalación, servicio y mantenimiento se refiere a la planta de producción de
jugos. Aquí se tratará sobre el módulo de servicios industriales, el módulo de mezcla y el
módulo de pasteurización.
PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO
Para la producción de jugos se almacena agua del acueducto en un tanque con capacidad de
1500 L, esta servirá para el lavado de los equipos y para la fabricación de producto, para
este último propósito el agua es tratada con filtros de carbono activado y arena, una lámpara
de luz UV, y filtros de 20 y 5 micras, luego es enviada al módulo de mezcla donde se
adicionan los componentes para la fabricación del jugo, como la pulpa de fruta, el azúcar y
los preservantes, entre otros. Luego de recircular el jarabe y conseguir una mezcla
homogénea esta se envía al módulo de pasteurización siendo expuesta a un choque térmico,
y seguidamente se realiza el envasado del producto final.
222
APLICACIÓN
Este equipo se ha diseñado para la producción de jugos a base de pulpa natural y/o sabores
artificiales
DESCRIPCIÓN PLANTA
Módulo de servicios industriales:
Agua
Tanque de agua de 1500L
Bomba de envío de agua
Filtro de carbón activado
Filtro de arena
Lámpara de luz UV
Filtro de 20 micras
Filtro de 5 micras
Agua de enfriamiento
Torre de enfriamiento
Bomba
Vapor
Caldera
Aire
Compresor
Tablero de control eléctrico
Módulo de mezcla:
Tanque de mezclade 1600L
Bomba de envío y recirculación
Tablero de control eléctrico
Módulo de pasteurización:
Tanque de pulmón de 150 L
Bomba de envío
Intercambiador de calor de placas para calentamiento
Intercambiador de calor de placas para enfriamiento
Tablero de control eléctrico
223
P&ID
Norma ISA S5.1 – S5.3
P&ID – Modulo de mezcla
224
P&ID – Modulo de pasteurización.
P&ID – Agua tratada.
225
P&ID – Agua de torre.
226
INSTALACIÓN
RECEPCIÓN DE EQUIPOS
Se debe comprobar visualmente que el embalaje de los equipos no ha sufrido daños durante el transporte.
Identificación del equipo
Los equipos deben estar identificados con una placa, como la que sigue:
PLACA EQUIPO
Número de serie
Identificación del equipo
227
TRANSPORTE Y ALMACENAMIENTO
Los equipos son demasiado pesados para poder ser almacenados manualmente, estos deben ser manejados con maquinaria adecuada y personal calificado.
UBICACIÓN
Situar los equipos lo más cerca posible de las necesidades de entradas y salidas a fin de minimizar
longitudes de transporte y trabajar de la forma más óptima posible. Colocar los equipo de manera que haya suficiente espacio a su alrededor para poder tener acceso al
mismo. (Ver capítulo 8.Especificaciones Técnicas para consultar dimensiones y pesos).
Montar el equipo sobre una superficie plana y nivelada.
La cimentación debe ser rígida, horizontal, plana y a prueba de vibraciones.
Instalar el equipo de manera que pueda ventilarse adecuadamente. Si el equipo se instala en el exterior, debe estar bajo tejado. Su emplazamiento debe permitir un fácil acceso para cualquier operación de inspección o mantenimiento.
TUBERÍAS
Como norma general montar las tuberías de aspiración e impulsión en tramos rectos, con el mínimo número posible de codos y accesorios, para reducir en lo posible cualquier pérdida de carga provocada
por fricción. Asegurarse que las bocas de conexión de los equipos con el resto de la instalación están bien alienadas
con las tuberías, y que tienen un diámetro similar al diámetro de las conexiones de los equipo.
Situar los equipos lo más cerca posible de la zona de aspiración. Colocar soportes para las tuberías lo más cerca posible de las entradas y salidas del material de los
equipo.
Válvulas de cierre
Los equipos pueden ser aislados para su mantenimiento. Para eso, deben instalarse válvulas de cierre en las conexiones de entrada y salida.
Estas válvulas deben estar SIEMPRE abiertas durante el funcionamiento del equipo.
INSTALACIÓN ELÉCTRICA
228
Dejar las conexiones eléctricas al personal calificado. Tomar las medidas necesarias para prevenir averías en las conexiones y cables.
El equipo eléctrico, los bornes y los componentes de los sistemas de control todavía pueden
transportar corriente cuando están desconectados. El contacto con ellos puede poner en peligro la seguridad de los operarios o causar desperfectos irreparables al material.
Antes de manipular los equipos, asegurarse que no llega corriente al tablero eléctrico.
Conectar el equipo según las instrucciones suministradas por el fabricante.
Comprobar el sentido de giro de los elementos giratorios.
Comprobar SIEMPRE el sentido de giro de los motores con líquido en el interior de la bomba.
OTROS COMPONENTES.
Por estar la planta compuesta por diferentes elementos independientes, referirse al los manuales de
instrucciones particulares a fin de seguir las instrucciones de instalación de cada uno de ellos para supervisar su correcta instalación.
Puesta en marcha
Antes de poner en marcha los módulos, lea con atención las instrucciones del capítulo 4. Instalación.
Leer con atención el capítulo 8. Especificaciones Técnicas.
No tocar NUNCA el equipo o las tuberías si se están bombeando líquidos a alta temperatura.
Comprobaciones antes de poner en marcha el equipo
Abrir completamente las válvulas de cierre de las tuberías de entrada y salida. Verificar el nivel de aceite de los elementos móviles que lo necesiten. Añada el aceite necesario para mantener el nivel.
229
Los equipos no deben funcionar NUNCA en seco.
Las bombas no deben girar NUNCA en seco.
Los engranajes no deben funcionar NUNCA en sin aceite.
Comprobar que las direcciones de rotación delos motores es correcta.
Comprobaciones al poner en marcha las bombas.
Comprobar que no hace ruidos extraños.
Comprobar si la presión de entrada absoluta es suficiente, para evitar cavitaciones u otras anomalíasen el equipo. Controlar laspresiones y caudales de entrada.
Comprobar que no existan fugas por las zonas de obturación.
Las válvulas en las tuberías de entrada deben estar completamente abiertas durante el servicio.
Controlar el consumo del equipo para evitar una sobrecarga eléctrica.
Incidentes de funcionamiento
Referirse a los manuales de instrucciones de los diferentes elementos delaplanta para encontrar soluciones
a problemas que puedan surgir durante el funcionamiento.
No olvide que el sistema mantiene relaciones entre sus elementos.
Si los problemas persisten deberá prescindir del equipo de inmediato. Contactar con el fabricante del equipo, del elemento problemático o su representante.
Mantenimiento
GENERALIDADES
230
Las instrucciones contenidas en este manual tratan sobre la identificación y reemplazo de las piezas de
recambio de cada elemento según indicado por sus fabricantes. Las instrucciones han sido preparadas para el personal de mantenimiento y para aquellas personas responsables del suministro de las piezas de recambio.
Leer atentamente el capítulo 8. Especificaciones técnicas. Todo el material cambiado debe ser debidamente eliminado / reciclado según las directivas vigentes en cada zona.
Desconectar SIEMPRE la bomba antes de empezar los trabajos de mantenimiento.
LIMPIEZA
El uso de productos de limpieza agresivos pueden producir quemaduras en la piel.
Utilizar guantes de goma durante los procesos de limpieza.
Utilizar siempre gafas protectoras.
Limpieza
Para la limpieza rutinaria de la planta, el desmontaje no es necesario.
Soluciones de limpieza.
Utilizar únicamente agua clara (sin cloruros) para mezclar con los agentes de limpieza:
a) Solución alcalina: 1 – 2 % en peso de sosa cáustica (NaOH) a 70ºC (150ºF)
1 Kg NaOH + 100 l. de agua = solución de limpieza
231
o
2,2 l. NaOH al 33% + 100 l. de agua = solución de limpieza
b) Solución ácida: 0,5% en peso de ácido nítrico (HNO3) a 70ºC (150ºF)
0,7 litros HNO3 al 53% + 100 l. de agua = solución de limpieza
Controlar la concentración de las soluciones de limpieza, podría provocar el deterioramiento de las juntas de estanquidad de los elementos del equipo.
Consulte con su proveedor habitual posibles variaciones de estas recomendaciones en función del producto comercial que se vaya a utilizar.
Para eliminar restos de productos de limpieza realizar SIEMPRE un enjuague final con agua limpia al finalizar el proceso de limpieza.
Esterilización
El proceso de esterilización con vapor se puede aplicar a algunos componentes del equipo (consultar fichas
técnicas).
NO actuar el equipo durante el proceso de esterilización con vapor. Los elementos/materiales no sufrirán daños si se siguen las especificaciones de este manual.
No puede entrar líquido frío hasta que la temperatura del equipo es inferior a 60°C (140°F).
Condiciones máximas durante el proceso SIP con vapor o agua sobrecalentada
a) Max. Temperatura: 140°C / 284°F
232
b) Max. Tiempo: 30 min.
c) Enfriamiento: Aire esterilizado o gas inerte
INSPECCIONES GENERALES MIENTRAS QUE TRABAJA
Durante su operación normal se recomienda examinar y verificar el equipo para identificar
posibles fugas o ruidos anormales.
Refiérase a las indicaciones específicas del mantenimiento de cada elemento durante las
definiciones de los protocolos generales del mantenimiento.
Durante la operación normal anote los valores y los parámetros del control para cualquier
modo de trabajo. Estos valores se convertirán en una referencia durante la vida útil del
equipo y serán utilizados como referencia de su funcionamiento para esas condiciones de
trabajo.
Especificaciones Técnicas
Referirse a los manuales de instrucciones de los diferentes elementos de la planta para encontrar
sus especificaciones técnicas.
Cuando el nivel de ruido en el área de operación exceda de 85 dB(A) utilice una protección especial.
DESCRIPCIÓN MATERIAL DE LA INSTALACIÓN
Módulo de servicios industriales:
Tanque de Agua de 1500L
Bomba de envío
233
Filtro de carbón activado
Filtro de arena
Lámpara de luz UV
Filtro de 20 micras
Filtro de 5 micras
Torre de enfriamiento
Bomba torre
Caldera
Compresor
Instrumentos de medición
Tablero de control eléctrico
Módulo de mezcla:
Tanque de mezcla de 1600L
Bomba de envío y recirculación
Instrumentos de medición
Tablero de control eléctrico
Módulo de pasteurización:
Tanque de pulmón de 150 L
Bomba de envío
Intercambiador de calor de placas para calentamiento
Intercambiador de calor de placas para enfriamiento
Instrumentos de medición
Tablero de control eléctrico
A continuación se da una descripción de cada uno de los elementos de los tres módulos
Módulo de servicios industriales:
Tanque de agua
Tipo: Cilíndrico Vertical
234
Unidades: 1
Material de construcción: Fibra de vidrio
Volumen: 1500 L
Diámetro interior: 1,1m
Altura cilíndrica: 1,6
Aislamiento: NO
Cámara enfriamiento/calentamiento: NO
Accesorios: Control de nivel de agua
Bomba de envío
Tipo: Centrífuga
Modelo: INOXPA SN-28
Unidades: 1
Motor: 3500 RPM 60HZ
Conexión aspiración: 1 1/2 “ - 2”
Conexión impulsión: 1 1/2”
Material cuerpo: AISI 316
Material rodete: AISI 316
Caudal: 0-60 m3/h
Altura diferencial: Hasta 78mca
Filtro de carbón activado
Tipo: Filtro Americano Marca Structural
Diámetro: 13”
Altura: 1,54 m
Material: Polyglass
235
Unidades: 1
Lecho filtrante: Carbón activado alemán marca hydrafin
Válvula de control: Tipo cabezal de 3 vías con entrada y salida de 1”
Filtro de arena
Tipo: Filtro Americano Marca Structural
Diámetro: 13”
Altura: 1,54 m
Material: Polyglass
Unidades: 1
Lecho filtrante: Arena sílice al 100% y grava
Válvula de control: Tipo cabezal de 3 vías con entrada y salida de 1”
Lámpara de luz UV
Tipo: Equipo de rayos ultravioleta
Marca: Sterilinght
Potencia germicida: 40.000 microwattios seg/cm2
Capacidad: 12 - 15 GPM, equipo de un solo cuerpo
Diámetro entrada: 1”
Diámetro salida: 1”
Material carcasa: Inoxidable
Accesorios: Módulo de indicador de vida útil de lámpara
Filtro de 20 micras
236
Tipo: Filtro americano de ¾” x 20”
Marca: Ametek
Material: Polipropileno
Cartucho: 25 micras x 20” en material Polideth
Diámetro entrada: 3/4 NPT
Diámetro salida: 3/4 NPT
Accesorios: Llave para mantenimientos
Filtro de 5micras
Tipo: Filtro americano de ¾” x 20”
Marca: Ametek
Material: Polipropileno
Cartucho: 5 micras x 20” en material Polideth
Diámetro entrada: 3/4 NPT
Diámetro salida: 3/4 NPT
Accesorios: Llave para mantenimientos
Torre de enfriamiento
Fabricante: Torraval
Modelo: PMS 6-130
Unidades: 1
Dimensiones de la base 1,4m x 1,4m
Altura 2,86m
Conexiones hidráulicas 4”
Bomba torre
Tipo: Centrífuga
237
Modelo: INOXPA SN-20
Unidades: 1
Motor: 3500 RPM 60HZ
Conexión aspiración: 2”
Conexión impulsión: 1 1/2”
Material cuerpo: AISI 316
Material rodete: AISI 316
Caudal: 0-50 m3/h
Altura diferencial: Hasta 45mca
Caldera
Fabricante Gas y Gas
Potencia máxima 10 BHP
Tipo de combustible NAT/GLP
Presión máxima de trabajo 120PSI
Conexión gas 3/4” NPT
Conexión vapor 1/2 ” NPT – 80 PSI
Control de agua Visual
Compresor
Fabricante Kaeser
Referencia SX3
Presión máxima de trabajo 125 PSI
Caudal 12 cfm
Potencia nominal 3 hp
Nivel de presión sonora 61 dB
238
Instrumentos de medición
Instrumento: Manómetro de 2”
Conexión: Vertical de 1/4”
Tableros eléctricos
El equipo incluye armario de control en Acero Inoxidable en el que irán incluidos
todos los elementos de mando.
MÓDULO DE MEZCLA:
Tanque de agua
Tipo: Cilíndrico Vertical
Unidades: 1
Material de construcción: AISI 316
Volumen: 1600 L
Diámetro interior: 1,2m
Altura cilíndrica: 1,3m
Aislamiento: NO
Cámara enfriamiento/calentamiento: NO
Bomba de envío y recirculación
Tipo: Centrífuga
Modelo: INOXPA SN-15
Unidades: 1
Motor: 3500 RPM 60HZ
Conexión aspiración: 1 1/2 “
Conexión impulsión: 1 1/2”
239
Material cuerpo: AISI 316
Material rodete: AISI 316
Caudal: 0-25 m3/h
Altura diferencial: Hasta 22mca
Instrumentos de medición
Instrumento: Manómetro de 2”
Conexión: Vertical de 1/4”
Tableros eléctricos
El equipo incluye armario de control en Acero Inoxidable en el que irán incluidos
todos los elementos de protección y mando.
MÓDULO DE PASTEURIZACIÓN:
Tanque pulmón
Tipo: Cilíndrico Vertical
Unidades: 1
Material de construcción: AISI 316
Volumen: 150 L
Diámetro interior: 0,6 m
Altura cilíndrica: 0,5
Aislamiento: NO
Cámara enfriamiento/calentamiento: NO
Accesorios: Control de nivel de agua
Bomba de envío
Tipo: Centrífuga
240
Modelo: INOXPA SN-28
Unidades: 1
Motor: 3500 RPM 60HZ
Conexión aspiración: 1/2 “ - 2”
Conexión impulsión: 1/2”
Material cuerpo: AISI 316
Material rodete: AISI 316
Caudal: 0-60 m3/h
Altura diferencial: Hasta 78mca
Intercambiador para calentamiento
Tipo: Schmidt-Bretten de placas
Modelo: SB2
Unidades: 1
Material cuerpo: AISI 316
Número de placas: 29
Alto: 230 mm
Ancho: 89 mm
Intercambiador para enfriamiento
Tipo: Schmidt-Bretten de placas
Modelo: SB4
Unidades: 1
Material cuerpo: AISI 316
Número de placas: 42
Alto: 332 mm
241
Ancho: 124 mm
Instrumentos de medición
Instrumento: Manómetro de 2”
Conexión: Vertical de 1/4”
Instrumento: Sensor de temperatura
Referencia: PT de 1/2”
Instrumento: Caudalimetro
Referencia: MAGELO MAG 1100 de 1 1/2”
Tableros eléctricos
El equipo incluye armario de control en Acero Inoxidable en el que irán incluidos
todos los elementos de protección y mando.
242
DIMENSIONES GENERALES
Módulo de pasteurización.
243
244
Módulo de mezcla.
245
246
Módulo de servicios industriales.
247
248
CONEXIÓN AL EQUIPO
Para el correcto funcionamiento del equipo se deben realizar las siguientes
conexiones de servicio:
1. Conexión Eléctrica 220V
2. Conexiones hidráulicas:
a. Entrada Agua Red
b. Drenaje
LISTADO DE ELEMENTOS
Esta lista corresponde a los elementos contenidos en este equipo.
Refiérase a su manual de instrucciones y servicio específico para obtener la
información necesaria sobre cada uno de ellos.
MÓDULO DE SERVICIOS INDUSTRIALES
Equipo o Accesorio Descripción Cantidad
Bomba de envío INOXPA SN-28, Centrífuga, 3500 RPM 1
Filtro de carbón activado Filtro Americano Marca Structural 1
Filtro de arena Filtro Americano Marca Structural 1
Lámpara de luz UV Equipo de rayos ultravioleta 1
Filtro de 20 micras Filtro americano de ¾” x 20” 1
A continuación se describen los paneles de control.
Panel de control del módulo de servicios industriales
251
En el panel de control se encuentran los siguientes elementos:
* Interruptor general (Rojo)
* Compresor (Azul)
* Caldera (Roja)
* Lámpara (verde)
* Bomba de agua purificada (Amarillo)
* Bomba de agua de enfriamiento (Naranja)
* Ventilador (Azul agua marina)
Panel de control del módulo de mezcla
252
En el panel de control se encuentran los siguientes elementos:
* Interruptor general (Rojo)
* Bomba (Amarillo)
* Motor eléctrico (Verde)
Panel de control del módulo de pasteurización
En la parte exterior del cuadro se encuentran los siguientes elementos:
253
* Interruptor general (Rojo)
* Bomba (Amarillo)
* Indicador de temperatura de producto pasteurizado
* Indicador de temperatura para producto enfriado
DESCRIPCIÓN DEL FUNCIONAMIENTO
MÓDULO DE SERVICIOS INDUSTRIALES
Como su nombre lo indica este módulo presta varios servicios, los cuales están listados a
continuación,
Agua purificada para fabricación de producto
Agua para lavado de equipos
Agua para enfriamiento
Aire
Vapor
Se describe el procedimiento a seguir para prestar cada uno de los servicios
Agua purificada para fabricación de producto 1. Verificar el nivel del tanque de agua
2. abrir válvula (14)
3. Abrir válvulas de aspiración (1) e impulsión (2) de la bomba de envío
4. Abrir válvulas del filtro de carbono, (3) y (4)
5. Abrir válvula (5)
6. Abrir válvulas del filtro de arena, (6) y (7)
7. Abrir válvulas de la lámpara UV, (8) y (9)
8. Abrir válvula (10) de envío de agua para producto en el tablero de válvulas
9. Abrir las válvulas correspondientes en el módulo de mezcla
10. Las válvulas (11), (12) y (13) deben permanecer cerradas
11. Accionar la bomba de envío
12. Cuando el nivel de agua en el tanque de mezcla sea el requerido se apaga la
bomba de envío de agua
Agua para lavado de equipos 1. Verificar el nivel del tanque de agua
2. abrir válvula (14)
3. Abrir válvulas de aspiración (1) e impulsión (2) de la bomba de envío
254
4. Abrir las válvulas (11) , (5) y (12)
5. Abrir válvulas de la lámpara UV, (8) y (9)
6. Abrir válvula (13) de envío de agua para lavado en el tablero de válvulas
7. Verificar que las válvulas (3), (4), (6) y (7) estén cerradas
8. Abrir las válvulas correspondientes en el módulo de mezcla
9. Accionar la bomba de envío
10. Cuando se termine el lavado de los equipos se apaga la bomba de envío de agua
Agua para enfriamiento
1. Verificar el nivel del agua en la torre de enfriamiento 2. Abrir válvula (6), verificar el correcto funcionamiento del sistema de
alimentación de agua a la torre de enfriamiento,
3. Abrir válvulas de aspiración (1) e impulsión (2) de la bomba de torre
4. Abrir válvula (3) de envío de agua de enfriamiento en el tablero de válvulas
5. Abrir las válvulas (4) y (5) de retorno de agua
6. Abrir las válvulas correspondientes en el módulo de pasteurización
7. Accionar la bomba de torre
8. Cuando se termine el proceso de enfriamiento de producto en el módulo de
pasteurización Apagar la bomba de torre
Aire
1. Abrir las válvulas (1) y (2)
2. Abrir las válvulas correspondientes en el módulo de pasteurización
3. Accionar el compresor
Vapor 1. Abrir las válvulas (1), (2), (3) y (4)
2. Abrir las válvulas correspondientes en el módulo de pasteurización
3. Accionar la caldera
MÓDULO DE MEZCLA
Fabricación de producto
1. Abrir la válvula (1)
2. Accionar el envío de agua purificada desde el módulo de servicios industriales
3. Cuando se llegue al nivel deseado de agua apagar la bomba de envío de agua
ubicada en el módulo deservicios industriales
4. Cerrar la válvula (1) y todas correspondientes en el módulo de servicios
industriales
5. Accionar el agitador
255
6. Abrir las válvulas (4), (5) y la válvula de 3 vías para recirculación.
7. Accionar la bomba del módulo de mezcla, en este caso para recircular
8. Adicionar pulpas e ingredientes líquidos
9. Adicionar ingredientes en forma de polvo
10. Mantener la recirculación del producto y agitador encendido durante el tiempo
recomendado por producción
11. Apagar la bomba
12. Cerrar las válvula (4)
13. Apagar el agitador
14. Para el envío de producto al módulo de pasteurización abrir la válvula de 3 vías
para envío de producto
15. Verificar que la válvula (5) este abierta
16. Accionar la bomba, en este caso para envío de producto al módulo de
pasteurización
Lavado de módulo de mezcla 1. Abrir la válvula (2)
2. Accionar el envío de agua para lavado desde el módulo de servicios industriales
durante el tiempo que sea necesario, luego apagar la bomba de envío de agua
ubicada en el módulo deservicios industriales
3. Cerrar la válvula (2) y todas correspondientes en el módulo de servicios
industriales
4. Accionar el agitador
5. Abrir las válvulas (4), (5) y la válvula de 3 vías para recirculación.
6. Accionar la bomba del módulo de mezcla
7. Mantener la recirculación de agua y el agitador encendido durante el tiempo
recomendado por producción para el lavado
8. Apagar la bomba
9. Cerrar las válvula (4)
10. Apagar el agitador
11. Abrir la válvula de 3 vías para el lavado de la tubería de envío
12. Verificar que la válvula (5) este abierta
13. Accionar la bomba, en este caso para el lavado de la tubería de envío de
producto al módulo de pasteurización
14. Cuando el nivel del tanque del módulo de mezcla baje apagar la bomba
15. Abrir la válvula (3) para el retirar el agua de lavado que permanezca en el
tanque del módulo de mezcla
MÓDULO DE PASTEURIZACIÓN
Pasteurización de producto
256
1. En el tablero de control del módulo de pasteurización indicar la temperatura del
producto pasteurizado y la temperatura del producto enfriado
2. Abrir la válvula (1)
3. Accionar el envío de producto desde el módulo de mezcla
4. Abrir las válvulas (3), (4), (5), (6), (7) y (8) del módulo de pasteurización
5. Accionar el envío de vapor, desde el módulo de servicios industriales
6. Accionar el envío de agua de enfriamiento (torre de enfriamiento), desde el
módulo de servicios industriales
7. Accionar la bomba de envío del módulo de pasteurización al módulo de
envasado
8. Cuando haya sido enviado todo el producto desde el módulo de mezcla, cerrar la
válvula (1)
9. Cuando se haya sido pasteurizado todo el producto y haya sido enviado al
módulo de envasado apagar la bomba de envío del módulo de pasteurización
10. Apagar el envío de vapor y esperar a que la temperatura disminuya para cerrar
las válvulas (5) y (6)
11. Apagar el envío de agua de enfriamiento (torre de enfriamiento)
12. Cerrar las válvulas (7) y (8)
13. Cerrar las válvulas (3) y (4)
Lavado de módulo de pasteurización 1. Abrir la válvula (1)
2. Accionar el envío de agua para lavado desde el módulo de mezcla
3. Abrir las válvulas (3) y (4)
4. Accionar la bomba del módulo de pasteurización
5. La bomba debe ser apagada cuando el nivel de agua en el tanque baje, esto para
evitar la cavitación
6. Abrir la válvula (2) para retirar el agua que este dentro del tanque pulmón.
7. Cerrar las válvulas (1), (2), (3),y (4)
9.2 MANUAL DE OPERACIÓN
DESCRIPCIÓN DE LA PLANTA
INSTALACIÓN
SERVICIOS Y CONEXIONES
DIMENSIONES
MODO DE OPERACIÓN
DESCRIPCIÓN PANELES DE CONTROL
257
DESCRIPCIÓN LA PLANTA
A continuación se describe la planta compacta industrial para la elaboración de refresco y/o
jugo a base de azúcar y/o pulpa de fruta con capacidad productiva de 500 a 1.000
litros/hora
Esta planta está compuesta por tres módulos, El módulo de servicios industriales, El
módulo de mezcla y El módulo de pasteurización
1. El módulo de servicios industriales cuenta con los servicios de:
Agua purificada para fabricación de producto
Agua para lavado de equipos
Agua para enfriamiento (Torre de enfriamiento)
Aire (Compresor)
Vapor (Caldera)
2. El módulo de mezcla sirve para homogenizar el producto, sus componentes
principales son el tanque de mezcla y la bomba.
3. El módulo de pasteurización realiza el calentamiento y enfriamiento del producto y
luego lo envía al módulo de envasado, sus componentes principales son el tanque
pulmón, una bomba, intercambiador de calor para calentamiento, intercambiador de
calor para enfriamiento y tubería para el tiempo de retención.
Los tres módulos cuentan con tableros de control o paneles de control.
Planta de producción
258
P&ID
Norma ISA S5.1 – S5.3
P&ID – Modulo de mezcla
259
P&ID – Modulo de pasteurización.
P&ID – Agua tratada.
260
P&ID – Agua de torre.
261
INSTALACIÓN EMPLAZAMIENTO
Los equipos se deben situar en una superficie plana y lisa.
Para el transporte se debe usar un vehículo elevador y/o un puente grúa
SERVICIOS Y CONEXIONES
Electricidad:
Tensión:220V
CabledeAlimentación: 4x6mm2
Agua de red
EntradaAgua de 2”
Drenaje de 3”
262
DIMENSIONES
MÓDULO DE PASTEURIZACIÓN.
263
264
265
MÓDULO DE MEZCLA.
266
267
268
MÓDULO DE SERVICIOS INDUSTRIALES.
269
270
271
MODO DE OPERACIÓN
Antes de poner en marcha la planta se deben tener en cuenta los siguientes aspectos:
• Comprobar Tensión de 220V
• Comprobar Entrada Agua de Red
• Comprobar sentido de giro de las bombas
• Comprobar sentido de giro del motor del agitador
• Comprobar presión de aire en el compresor
• Comprobar entrada de agua a la caldera
Una vez el operario se ha cerciorado de los puntos anteriores puede proceder a utilizar la
planta para la producción atendiendo los siguientes pasos1:
1. Accionar el interruptor general del panel de control del módulo de
servicios industriales
2. Accionar el interruptor general del panel de control del módulo de
mezcla
3. Abrir las válvulas correspondientes para el envío de agua purificada en
el módulo de servicios industriales y en el módulo de mezcla
4. Accionar la bomba de envío de agua en el panel de control del módulo
de servicios industriales
5. Después de realizar el envío de agua al tanque de mezcla apagar la
bomba de envío de agua del módulo de servicios industriales y cerrar
las válvulas correspondientes
6. Accionar el agitador en el panel de control del módulo de mezcla
7. Abrir las válvulas correspondientes para la recirculación
8. Accionar la bomba de envío en el panel de control del módulo de
mezcla
9. Adicionar los ingredientes al tanque de mezcla
10. Después de realizar la homogenización del producto apagar la bomba
del módulo de mezcla y apagar el agitador
11. Cerrar las válvulas que correspondan
12. Se dispone a enviar el producto homogenizado al módulo de
pasteurización
13. Accionar el interruptor general del panel de control del módulo de
pasteurización
14. Determinar la temperatura de pasteurización y de enfriamiento en el
panel de control del módulo de pasteurización
15. Abrir las válvulas correspondientes en el módulo de servicios
industriales y en el módulo de pasteurización, para el envío de aire
comprimido, vapor y agua de enfriamiento
1Para identificar las válvulas ver el manual de instalación servicio y mantenimiento
272
16. Accionar el compresor en el panel de control del módulo de servicios
industriales
17. Accionar la caldera en el panel de control del módulo de servicios
industriales
18. Accionar la bomba de la torre de enfriamiento en el panel de control
del módulo de servicios industriales
19. Abrir las válvulas correspondientes en el módulo de mezcla y en el
módulo de pasteurización para el envío de producto homogenizado
20. Accionar la bomba de envío en el panel de control del módulo de
mezcla
21. Abrir las válvulas correspondientes en el módulo de pasteurización
para dar inicio a la pasteurización
22. Accionar la bomba del módulo de pasteurización en el panel de control
23. Cuando se termine de enviar el producto homogenizado del tanque de
mezcla al tanque pulmón, apagar la bomba de envío en el panel de
control del módulo de mezcla.
24. Abrir el interruptor general del módulo de mezcla en el panel de
control, para evitar el paso de energía
25. Cuando se termine de pasteurizar el producto y se haya enviado en su
totalidad al módulo de envasado, apagar la bomba del módulo de
pasteurización en el panel de control
26. Apagar la caldera en el panel de control de servicios industriales
27. Apagar la bomba de la torre de enfriamiento en el panel de control de
servicios industriales
28. Apagar el compresor en el panel de control de servicios industriales
29. Cerrar las válvulas de los tres módulos
30. Abrir los interruptores generales de los módulos de pasteurización y
servicios industriales, para evitar el paso de energía.
31. El lavado de la planta sigue un procedimiento análogo al de la
elaboración de productos pero sin accionar el compresor, la caldera y
la torre de enfriamiento.
273
DESCRIPCIÓN PANELES DE CONTROL
A continuación se describen los paneles de control.
Panel de control del módulo de servicios industriales
En el panel de control se encuentran los siguientes elementos:
* Interruptor general (Rojo)
* Compresor (Azul)
* Caldera (Roja)
* Lámpara (verde)
* Bomba de agua purificada (Amarillo)
* Bomba de agua de enfriamiento (Naranja)
* Ventilador (Azul agua marina)
Panel de control del módulo de mezcla
En el panel de control se encuentran los siguientes elementos:
274
* Interruptor general (Rojo)
* Bomba (Amarillo)
* Motor eléctrico (Verde)
Panel de control del módulo de pasteurización
En la parte exterior del cuadro se encuentran los siguientes elementos:
* Interruptor general (Rojo)
* Bomba (Amarillo)
* Indicador de temperatura de producto pasteurizado
* Indicador de temperatura para producto enfriado
275
10. FICHA TÉCNICA
276
PLANTA COMPACTA PARA LA ELABORACIÓN DE
REFRESCOS
1. Aplicación:
El sistema de preparación de refrescos en línea son equipos diseñados para la
industria alimenticia, en especial la industria de bebidas y gaseosas,
Consiste en un módulo mezcla para disolución y preparación de sólidos y
líquidos como los son azúcar, pulpas, conservantes sabores etc. mezclados con
agua de una forma rápida y confiable, un módulo de pasteurización que permite
eliminar microorganismos patógenos para su posterior comercialización y un
módulo de servicios industriales que se encarga de suministrar agua tratada para
la producción del refresco, agua de torre para el enfriamiento de producto, aire
comprimido para la automatización de válvulas y vapor para la pasteurización.
Todo calculado eficientemente para la operación de los dos anteriores módulos y
de los complementarios.
2. Principio de funcionamiento:
El primer módulo de mezcla se trata de un sistema de disolución de sólidos en recirculación. El producto se recircula a través de un depósito mientras se aportan los sólidos de forma manual al tanque de preparación, un agitador
suficientemente potente se encarga de disolver los polvos, líquidos (viscosos
como pulpas y/o agua) y diferentes materias primas necesarias para la fabricación
de refrescos en general. Toda la mezcla se realiza en temperatura ambiente
garantizando una correcta homogenización y ahorro de energía al no tener que
calentar. Luego el mismo módulo a través de la bomba de recirculación, se
encarga de enviar el producto al módulo de pasteurización que llega a un tanque
pulmón y a través de otra bomba se envía al pasteurizador de placas donde se
calienta el producto hasta la temperatura de pasteurización por medio de vapor y
luego pasa al tiempo de retención donde aseguramos una correcta pasteurización.
Finalmente se pasa el producto por una etapa de enfriamiento donde se cede calor
y se llega a bajar el producto hasta temperatura ambiente y permitir su envase. Si debido algún problema la temperatura de pasteurización no es la correcta, una
válvula automática se encarga de recircular el producto para pasteurizarlo de
nuevo al tanque pulmón.
Un módulo de servicios industriales se encarga de suministrar adecuadamente
agua tratada para la fabricación del producto, esta agua es suavizada por medio de
Filtración, agua de torre a la temperatura necesaria para enfriar el producto a
temperatura ambiente, una caldera para suministrar vapor y aire comprimido para
la modulación de válvulas.
277
3. Diseño y características.
Son tres módulos compactos, el módulo de mezcla compuesto por un tanque de
fabricación en acero inoxidable, agitador de 4 palas inclinadas, bomba centrífuga de
recirculación y válvulas para el cambio y cierre de producto. El módulo de
pasteurización compuesto por tanque de balance en acero inoxidable, bomba centrífuga
de impulsión, caudalimetro mecánico de visualización de caudal, intercambiador de
calor a placas para calentamiento y enfriamiento, sistema de control de vapor
automático (regulación de presión), sistema de control para agua de torre y válvulas de
cierre y cambio de producto, y un módulo de servicios industriales que se compone de
Torre de enfriamiento, bomba de impulsión de agua de torre, tanque de agua potable
en fibra de vidrio, filtros de arena y carbón, filtros de 0.22 y 0.1 micra, bomba de
impulsión de agua tratada, compresor industrial y caldera de vapor a gas.
Funciones que permite el equipo:
- Envió de caudal controlado al pasteurizador por medio de válvula
- Control de temperatura constante en enfriamiento y calentamiento
- Agitación intensa en tanque de mezcla garantizando una correcta
homogenización
- Bombeo de producto a través de bombas sanitarias, no hay contacto humano
con la operación de traslado de producto de un sitio a otro
Todo con base a un funcionamiento energéticamente eficiente, con menores costos de
operación, retorno rápido de la inversión, tecnología de vanguardia y costo accequible.
PLANTA COMPACTA PARA LA ELABORACIÓN DE REFRESCOS
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Placas de intercambiadores y Bombas AIS316L
Cuadros eléctricos en Plástico IP66
Tanques de proceso AISI 304L
Materiales de estructura, válvulas, tuberías y
accesoriosAISI 304L
Juntas en contacto con el producto NBR
Acabado superficial de soldaduras Pulido
brillante 0.8Ra menor
MATERIALES
Caudal de proceso: 720 l/h
Temperatura de entrada y salida de producto: 25°c
Temperatura de pasteurización 90°c
Capacidad de tanque de mezcla de solidos 1500 l
Caudal de bomba de recirculación de mezcla: 9000 l/h
Capacidad de caldera: 10bhp, 98 kw
Torre de enfriamiento: PMS 6/130 de 0.57m3.
Compresor: Kaesser 125psi y 12cfm
ESPECIFICACIONES TÉCNICAS
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MÓDULO DE PASTEURIZACIÓN.
VENTAJAS
- Inocuidad en todo el proceso producción y pasteurización del producto, alargando la
vida útil del producto en la comercialización.
- Materiales y diseño de los módulos acorde a la normativa sanitaria de producción de
alimentos. equipos en acero inoxidable y diseños mecánicos sin puntos muertos, fácil
lavado y desarme.
- Aumento considerable de la producción, disminuyendo tiempos de proceso y
aumentando la calidad del producto.
- Posibilidad de fabricación de varios tipos de refrescos con la ampliación de módulos
como tratamiento de la pulpa de fruta, adición de gas carbónico etc.
280
MÓDULO DE MEZCLA.
MÓDULO DE SERVICIOS INDUSTRIALES.
281
SERVICIOS ADICIONALES
- ADICIÓN DE MÓDULO DE CARBONATACIÓN - ADICIÓN DE MÓDULO DE ENVASADO - ADICIÓN DE MÓDULO DE DESPULPE DE FRUTA - INGENIERÍA COMPLETA DE CONCEPTO Y DETALLE. - MONTAJE DE ELEMENTOS EN SUS INSTALACIONES LLAVE EN
MANO
INFORMACIÓN Y CONTACTO
MARCELA LAMUS PARRA Móvil - 3202827498
LEONARDO AGUILAR OLIVARES
Móvil - 3102065793
BOGOTÁ – COLOMBIA
PLANTA COMPACTA PARA LA ELABORACIÓN DE
REFRESCOS
282
11. CONCLUSIONES
- Se diseñan tres módulos acordes al objetivo principal del proyecto en fabricación de refrescos y caudal de producción
- Se suple la necesidad de un cliente potencial en el diseño y posible interés de fabricar los módulos propuestos para su planta de producción.
- Se aplican varios conceptos de calidad, producción y mantenimiento vistos en las
plantas de Quala y Postobon y que se escalan al diseño de los módulos de este
proyecto dando como resultado módulos de fabricación a la vanguardia de la
industria colombiana.
- El diseño mecánico de cada módulo cumple las normativas de construcción y acabados para la industria alimenticia, garantizando que el producto que se fabrica
es inocuo y no tiene riesgo de contaminación por las partes mecánicas en contacto.
- A pesar de la alta inversión inicial que tendrá que hacer el cliente, con el aumento de producción y el garantizado del estudio que realizo de mercado para su producto,
la inversión de la planta se recuperara en 29 meses después de comenzar a producir,
esto tomando en cuenta la mínima producción de 5600 l/semana.
- Se diseñan los módulos de fabricación suministrando equipos de fabricantes reconocidos en el medio de la industria y proveedores actuales de Quala y Postobon.
- La ficha técnica realizada se crea de manera comercial y general brindando las cualidades y datos técnicos del equipo para poder mostrar a cualquier cliente
potencial.
- Los módulos diseñados son generales para la industria de refrescos, con esta base de diseño tan solo se deben adicionar módulos complementarios para nuevos productos
como lo son refrescos gasificados.
- El cliente potencial Nueva Deli, destinará el 40% de anticipo para la realización del proyecto y la construcción de los equipos. El Dinero restante se solicitará como
ayuda de emprendimiento a la organización Zasca de la cual la Universidad Distrital
es colaborador.
283
12. BIBLIOGRAFÍA
Alfa Laval. Intercambiadores de calor de placas. [En línea]