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Modelado y Simulación de Proceso Batch Tacho

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Andres Camilo Vargas Román

on 29 April 2015

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Transcript of Modelado y Simulación de Proceso Batch Tacho

2.1.2
ETAPAS DEL PROCESO

Tacha Preparada. (0,20 - 0,25 bares)
Carga. (50% del nivel y 35% del volumen)
Concentración I. (0,6 - 0,7 hasta 1,2 - 1,3)
Concentración II. (sobresaturación de siembra)
Siembra. (10 gr, 5 um)
Estabilización. (200 um)
Cocción. (0,5 mm)

CONSERVACIÓN DEL CALOR
Variable temperatura es constante en cualquier intervalo de variación apreciable del flujo de evaporación.

Transferencia de calor en la tacha
MODELADO Y SIMULACIÓN DE PROCESOS BATCH: SECCIÓN DE CRISTALIZACIÓN DE UNA AZUCARERA
Presentado por:
Fredy Yamid Álvarez Palechor
Andres Camilo Vargas Román

2.1.3
MODELO MATEMÁTICO DE LA TACHA

Primera Reunión de Usuarios EcoSimPro, UNED, Madrid, 3-4 Mayo 2001
1. OBJETIVOS
Los procesos batch o semibatch, según la definición del estandar ISA-S88 (1995), son aquellos procesos que conducen a la producción de cantidades finitas de producto a partir de una cantidad de materiales de entrada.

Este proyecto tiene como objetivo el disponer de la simulación de un modelo dinámico del cuarto de azúcar de una factoría azucarera para estudios de funcionamiento y test de sistemas de control.

Para alcanzar dicho objetivo se establecen una serie de etapas:
Estudiar la unidad de proceso.
Escribir el modelo dinámico de la unidad. El primer paso en este estudio es la obtención de las ecuaciones que gobiernan el comportamiento de la unidad.
Simularla en lenguaje de simulación orientado a objetos EcosimPro. Mediante el ordenador, pueden simularse distintas situaciones en la planta real, y observar el comportamiento de los instrumentos reales de proceso. Esto nos permite anticiparnos a distintas situaciones y conocer a priori cómo va a responder el proceso ante determinadas situaciones.
Estimar parámetros racionales.
Comprobar su adecuado funcionamiento.
2.
MODELO MATEMÁTICO-FÍSICO DEL CUARTO DE AZÚCAR
La cristalización se lleva a cabo en el cuarto de azúcar, que se compone de las tachas de 1ª, 2ª y 3ª (denominadas tachas A, B y C), los malaxadores, las centrifugas, los cristalizadores, las refundidoras, las afinadoras y los depósitos y conducciones necesarias.

El cuarto de azúcar tiene una estructura como la que se muestra en la figura (1):
2.1
MODELADO DE TACHAS
2.1.1
Entorno de una Tacha
JARABE ESTÁNDAR
CARAMELIZACIÓN
SOBRESATURACIÓN
Cristales de azúcar.
CALANDRIA
En este elemento calefactor discurre vapor a una presión superior a la atmosférica y al condensarse cede calor a la masa cocida en la tacha. Este vapor se suministra a las tachas a través de las tuberías de suministro de vapor, que forman un circuito cerrado que recorre toda la planta industrial.
Para conservar el vacío parcial (0,2 - 0,3 bares), en la tacha, necesario para la evaporación de agua a baja temperatura (65 - 75 °C) se conecta la tacha a un condensador barométrico.
Allí se deposita la masa cocida, donde se le mantiene en movimiento y a una temperatura determinada, para que mantenga su consistencia, hasta que pueda pasar a alguna de las centrifugas.
Malaxadores horizontales
Apretado. (90,4)
Espera.
Ruptura de vacío. (0,9 bares)
Descarga. (6% volumen)
Limpieza/Lavado.
Tacha Preparada.

Brix
, porcentaje en masa del soluto disuelto en la disolución.
Pureza de la disolución
, porcentaje en masa de la sacarosa disuelta con respecto a la masa total de soluto disuelto.
El contenido de azúcar de la masa cocida (Wc)
, tanto por ciento en masa de los cristales de sacarosa respecto del total.
Brix total de la masa cocida
, residuo seco obtenido de 100g de masa cocida.
Concentración de la disolución
, gramos de sacarosa disueltos por cada 100g de agua.
Relación de Impurezas-Agua
, corrección de la concentración de saturación debida a las impurezas.
CORRIENTES DE FLUIDO
Flujo de caudal de entrada (qe)
Jarabe estándar.
Miel rica.
Agua.
Flujo de sacarosa:
Flujo de impurezas:
Flujo de agua:
Flujo de cristales en la etapa de siembra (qsiem):
Flujo de descarga (qd):
Flujo de cristales:
Flujo de jarabe (sacarosa, impurezas y agua):
ECUACIONES DE BALANCE
MEDIDA DEL NIVEL EN LA TACHA
Como el flujos de vapor en la cámara tienen una dinámica mucho más rápida que la variación de temperatura se asume.
Flujo de vapor esta determinado por las ecuaciones dinámicas de la cámara.
Evaporación de agua para, alcanzar y mantener condiciones de sobre saturación.
Es necesario evaporar la cantidad correspondiente de agua para mantener la concentración de jarabe.

Flujo de vapor

Flujo de calor hacia la tacha

𝑄_𝑐𝑎𝑙 𝐶𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑒𝑔𝑎𝑑𝑜 𝑝𝑜𝑟 𝑙𝑎 𝑐𝑎𝑙𝑎𝑛𝑑𝑟𝑖𝑎
𝑞_𝑒 ℎ_𝐽 𝐶𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑝𝑟𝑜𝑣𝑒𝑛𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒𝑙 𝑓𝑙𝑢𝑗𝑜 𝑑𝑒 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎
𝑄_𝐶𝑟𝑖𝑠𝑡𝑎𝑙 𝐶𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑝𝑟𝑜𝑣𝑒𝑛𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒𝑙 𝑠𝑒𝑚𝑖𝑙𝑙𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜
𝐹_𝑒𝑣 𝐻_𝑒𝑣 𝐶𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑝𝑒𝑟𝑑𝑖𝑑𝑜 𝑒𝑛 𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎 𝑑𝑒 𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑎𝑔𝑢𝑎

Dinámica de la calandria
Zona superior de la tacha limitada por el nivel del jarabe, llena de vapor de agua.

Características:

El volumen de la cámara Vcam, no es constante pero presenta variaciones muy lentas, por lo que se puede despreciar
Equilibro térmico entre masa cocida y temperatura de la cámara (Tcam=T)
El flujo de salida del vapor hacia el condensador, Fvc, será igual al flujo de vapor evaporado, Fev, exceptuando períodos transitorios de restablecimiento de presiones que tendrán una duración de segundos.

Dinámica de la cámara
saturación (ebullición)

Flujos de evaporación = flujo de vapor hacia los condenadores
La presión en la cámara = presión de equilibrio

Condiciones de no saturación.
Flujo de evaporación es despreciable
presión de la cámara alcanza rápidamente el equilibrio con la presión de los condensadores barométricos
Variación de masa de vapor

presión en la cámara en el proceso global
MODELADO DE UNA CENTRÍFUGA
MODELADO DE UNA CRISTALIZADOR
1) Llenado de la cesta de la centrífuga con masa, a 150 r.p.m. La masa es presionada contra la pared por medio de la fuerza centrífuga.
2) Aceleración hasta la velocidad máxima (1100r.p.m.). La mayoría de la capa de jugo alrededor de los cristales se separa por la fuerza centrífuga y pasa a través de las telas.
3) Lavado del azúcar con agua. Se inyecta agua caliente contra la pared de azúcar en la cesta para eliminar la última capa de jugo alrededor de los cristales.
4) Disminución de la velocidad de rotación hasta 100r.p.m., se descarga el azúcar y se seca.


Etapas de una turbina discontinua
BALANCE DE SACAROSA EN EL JUGO
BALANCE DE IMPUREZAS
BALANCE DE AGUA
BALANCE DE JARABE
BALANCE DE MASA TOTAL
MEDIDA DE LA SOBRESATURACIÓN
Balance global de materia
Concentración de Saturación para disoluciones puras(34):
Concentración de saturación que tiene en cuenta el efecto de las impurezas (35):
Balance en las
mieles de salida
Balance al azúcar
de salida
El volumen de la masa cocida existente en un momento dado en la tacha, que viene dado por la suma de los volúmenes de jarabe y cristales:
1) servir de depósito a la masa cocida cuyo destino son las turbinas
2) permitir un aumento del porcentaje de cristales

Otro parámetro importante es el volumen de la cámara, Vcam, que representa la zona libre de masa cocida donde tiene lugar la dinámica del vapor:
Balance de masas
considera que tanto la masa de
entrada como la de salida tienen su parte de miel madre(mm) y de cristales(ac):

El proceso ocurrido en la cristalización se puede
reflejar de la siguiente forma:
Se ha realizado la implementación en EcosimPro del modelo matemático de cada uno de los equipos que intervienen en la unidad de proceso (Tachas, Malaxadores, Centrífugas Continuas y Discontinuas, Cristalizadores y Depósitos), se ha construido una librería de propiedades físicas de los compuestos químicos implicados(PROPIEDADES FISICAS) y se ha elaborado unos elementos de conexión
IMPLEMENTACIÓN
DEL MODELO EN ECOSIMPRO
Ejemplo de código
Resultados
Aparece un número elevado de variables(6.426 variables reales, 28 variables booleanas, 312 variables de estado y 13 variables de contorno) y ecuaciones(5.122) que definen el sistema y de relaciones entre ellas.
DIFICULTADES
Balance de energía
Refundición.
Primera cristalización.
Centrifugado del primer producto.
Secado y acondicionado del azúcar.
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