UNIVERSIDAD CENTRAL “MARTA ABREU” DE LAS VILLAS FACULTAD DE QUÍMICA-FARMACIA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA Propuesta para el ahorro de energía en tándem de molinos cañeros sin afectar el proceso de extracción de la sacarosa de la caña de azúcar Tesis presentada en opción al Grado Científico de Doctor en Ciencias Técnicas Jorge Michel Corrales Suárez Santa Clara 2017 UNIVERSIDAD CENTRAL “MARTA ABREU” DE LAS VILLAS FACULTAD DE QUÍMICA-FARMACIA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA Propuesta para el ahorro de energía en tándem de molinos cañeros sin afectar la eficiencia del proceso de extracción de la sacarosa de la caña de azúcar Tesis presentada para optar por el grado científico de Doctor en Ciencias Técnicas Autor: Prof. Auxiliar, Ing. Jorge Michel Corrales Suárez, MSc. Tutores: Prof. Titular, Ing. José Marcos Gil Ortiz, Dr. C. Prof. Titular, Ing. Gretel Villanueva Ramos, Dr. C. Santa Clara 2017 PENSAMIENTO El desarrollo del espíritu científico técnico en el seno de nuestro pueblo tiene que ver con nuestro más importante recurso natural que es el hombre y el ahorro de la economía. Fidel Castro Ruz. AGRADECIMIENTOS Agradecimientos A mis tutores, y amigos Dr.C José Marcos Gil Ortíz y Dr.C Pedro Dionisio Remédios Castañeiras, que nunca me dieron un “no” como respuesta ante cualquier aspecto, haya sido relacionado o no con la investigación. A mi tutora Dr.C Gretel Villanueva Ramos, por su atención, sugerencias y consejos certeros. A la jefa de turno del laboratorio azucarero de la UEB Fábrica de Azúcar “Antonio Guiteras Holmes”, Alina Peña Álvarez, por hacerme saber que podía contar con ella a cualquier hora para realizar los ensayos que necesitara. A mi amigo Leonardo López Peña quien, a pesar de estar tan ocupado, viajó tantas veces al tándem para ayudarme a tomar las muestras de bagazo. A mis amigos Jorge Luis Pérez Serrano y Julio Manuel Gómez Mombiela, por ayudarme incondicionalmente en tantas noches de trabajo. A mis compañeros de trabajo y amigos, Alejandro Velázquez González, Daniel Rodríguez Peña, Julio Nápoles González, por hacer del Centro de Estudio donde trabajo un ambiente laboral donde se respira ciencia. Al Dr.C José Antonio Gonzáles Marrero, quién no dudó nunca del resultado de esta investigación. A todas las personas que de uno u otro modo han tenido alguna influencia positiva en el desarrollo de esta investigación. A la revolución por darme la posibilidad de superarme. DEDICATORIA Dedicatoria A mi esposa (Yilian Santa González Figueredo) por toda su paciencia, dedicación y comprensión en los momentos más estresantes de este proceso. por su apoyo incondicional, por su interés y confianza en mí, por tantas razones hoy puedo decir que ella es mi amuleto de la buena suerte. A mis padres (Andrés Iraclides Corrales Góngora y Soraida Suárez Díaz) por su amor incondicional y sacrificio constante para que me pudiera superar profesionalmente. A mis hermanas (Yunisleydis Corrales Suárez y Tanllisleydis Silva Suárez), quienes dentro de sus posibilidades han cooperado para que pueda seguir adelante. A todos los miembros de mi familia que han estado al tanto e interesados en que me haga Doctor en Ciencias Técnicas. A mis hijos (Jorge Andrés Corrales Rivero y Michel Alejandro Corrales Rivero) ellos son mi motor impulsor y el fruto más valioso de mi vida. A Fragmacio Martínez Pérez, quien considero como un padre, siempre me ha hecho saber que me debo superar en la vida. SÍNTESIS SÍNTESIS La tesis recoge los resultados de una investigación, a escala de laboratorio e industrial, sobre el proceso de extracción de la sacarosa de la caña de azúcar en tándem de molinos. Se estudió el efecto de la preparación de la caña y el proceso de imbibición sobre el trabajo de los molinos. Fueron objeto de investigación, la reabsorción por el bagazo del jugo extraído y el efecto de las presiones hidráulicas aplicadas en los molinos intermedios del tándem cañero sobre los por ciento de pol y por ciento de humedad en el bagazo residual y el consumo energético del tándem. Se emplearon los diseños estadísticos de experimentos en bloques al azar y factorial 2k. Se concluye que la disminución de las presiones hidráulicas en los molinos intermedios, dentro del rango investigado, no tiene influencia significativa sobre los por ciento de pol y humedad en el bagazo residual, pero disminuye la demanda de potencia del tándem. Se proponen dos procedimientos experimentales: 1) La determinación de la abertura de las mazas en el plano neutral, para reajustar las aberturas de trabajo del molino. 2) Cálculo del coeficiente de reabsorción por molino. ÍNDICE ÍNDICE INTRODUCCIÓN ............................................................................................................. 1 1. MARCO TEÓRICO REFERENCIAL ............................................................................ 7 1.1 Influencia de la preparación de la caña sobre el proceso de extracción en tándem de molinos .................................................................................................................... 7 1.2 El Proceso de extracción de la sacarosa de la caña de azúcar en tándem de molinos ......................................................................................................................... 9 1.2.1 El proceso de extracción en el molino ............................................................ 15 1.2.2 El proceso de extrusión en el molino ............................................................. 22 1.3 La imbibición en el proceso de extracción de la sacarosa en tándem de molinos 23 1.4 Reabsorción del jugo en los molinos .................................................................... 27 1.5 Ahorro de energía en centrales azucareros .......................................................... 31 1.6 Demanda de potencia del tándem de molinos ...................................................... 36 1.7 Conclusiones parciales ......................................................................................... 37 2. MATERIALES Y MÉTODOS ...................................................................................... 39 2.1 Técnicas de laboratorio ........................................................................................ 39 2.2 Determinación del tiempo de retención del bagazo en el tándem ........................ 39 2.3 Estudio del efecto de la preparación de la caña sobre el % pol y % humedad del bagazo residual y demanda de potencia del tándem ................................................. 39 2.4 Diseño factorial para el estudio del efecto de la imbibición sobre el % pol y % humedad del bagazo final a escala industrial ............................................................. 41 2.4.1 Procedimiento para el desarrollo de los experimentos................................... 42 2.5 Estudio del proceso de lixiviación en tándem de molinos ..................................... 43 2.5.1 Procedimiento para el desarrollo de los experimentos................................... 43 2.6 Determinación experimental de la abertura del plano neutral entra la maza superior y la bagacera ................................................................................................ 44 2.6.1 Procedimiento experimental para determinar la abertura del plano neutral del molino .................................................................................................................... 45 2.7 Determinación experimental del coeficiente de reabsorción................................. 47 2.7.1 Procedimiento para la determinación del coeficiente de reabsorción ................ 47 2.8 Procedimiento para la aplicación de la investigación en tándem de molinos cañeros ....................................................................................................................... 48 2.9 Diseño factorial 2k para el estudio del efecto de las presiones hidráulicas en los molinos intermedios sobre el % pol, % humedad del bagazo residual y demanda de potencia del tándem ................................................................................................... 48 2.9.1 Procedimiento para el desarrollo de los experimentos................................... 51 2.10 Diseño en bloque al azar para la evaluación industrial del efecto de la disminución de presión en los molinos intermedios del tándem ................................. 52 2.10.1 Procedimiento para el desarrollo de los experimentos ................................. 53 2.11 Indicadores de ahorro como resultado de la investigación ................................. 54 2.11.1 Procedimiento para el cálculo del ahorro de energía en el tándem ............. 54 2.11.2 Procedimiento para el cálculo del incremento monetario ............................. 55 2.12 Conclusiones parciales ....................................................................................... 55 3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN ................................................................................... 56 3.1 Pruebas de hipótesis para el estudio del efecto de la preparación de la caña sobre el % pol, % humedad del bagazo residual y demanda de potencia del tándem ......... 56 3.1.1 Efecto de la variación del índice de preparación de la caña sobre el % pol en bagazo final ............................................................................................................ 57 3.1.2 Efecto de la variación del índice de preparación de la caña sobre el % humedad en bagazo final ....................................................................................... 58 3.1.3 Efecto de la variación del índice de preparación de la caña sobre la potencia demanda del tándem de molinos ........................................................................... 59 3.2 Diseño factorial para el estudio de la imbibición sobre el % pol y % humedad del bagazo final a escala industrial ................................................................................... 60 3.2.1 Efecto de los parámetros de imbibición en el proceso de extracción para el % pol del bagazo final ................................................................................................ 60 3.2.2 Efecto de los parámetros de imbibición en el proceso de extracción para el % humedad del bagazo final ...................................................................................... 62 3.3 Evaluación del proceso de lixiviación del tándem de molinos. ............................. 63 3.4 Determinación de la abertura del plano neutral experimental............................... 66 3.5 Coeficiente de reabsorción ................................................................................... 68 3.6 Diseño factorial para el estudio del efecto de las presiones hidráulicas en los molinos intermedios sobre el % pol y % humedad del bagazo final y demanda de potencia de tándem .................................................................................................... 70 3.6.1 Efecto de la disminución de presión sobre el % pol en el bagazo final .......... 71 3.6.2 Efecto de la disminución de presión sobre el % humedad en el bagazo final 71 3.6.3 Efecto de la disminución de presión sobre la demanda de potencia ............. 72 3.6.3.1 Modelos matemáticos para la demanda de potencia del tándem ............ 74 3.7 Diseño en bloque al azar para la evaluación industrial del efecto de la disminución de presión en los molinos intermedios del tándem ..................................................... 75 3.8 Ahorro de energía debido a la disminución de las presiones hidráulicas ............. 78 3.9 Conclusiones parciales ......................................................................................... 79 CONCLUSIONES .......................................................................................................... 81 RECOMENDACIONES .................................................................................................. 83 REFERENCIAS BILIOGRÁFICAS ................................................................................. 86 ANEXOS ........................................................................................................................ 95 INTRODUCCIÓN 1 INTRODUCCIÓN El uso racional de la energía constituye una de las vías principales para la disminución del consumo energético. El ahorro de energía es imprescindible para la economía y el medioambiente. Debido a las consecuencias del cambio climático y a la exigencia de ahorro de energía como vía hacia el desarrollo sustentable, la eficiencia energética juega un papel fundamental. En Cuba cobra mayor significado por lo limitado de sus recursos energéticos y la transformación que se lleva a cabo con la revolución energética (PCC, 2006) en el sector azucarero. Con el objetivo de disminuir los niveles de consumo de energía se realizan diversos estudios encaminados a soportar, desde bases científicas, las decisiones que tributen a un incremento de la eficiencia energética en la industria y los servicios. Desde finales de la década de los 80 la economía cubana, en particular la industria azucarera, enfrenta serias dificultades. Debido a la desaparición del CAME, desapareció el principal mercado para nuestro azúcar y proveedor de insumos. En esas condiciones las exportaciones de azúcar tienen que enfrentar los bajos costos del producto en el mercado mundial, unido al recrudecimiento del bloqueo comercial que imponen los Estados Unidos de Norteamérica. 2 Para superar esta crisis y lograr que la Agroindustria Azucarera ocupe su lugar estratégico en la economía cubana, es imprescindible optimizar la explotación de los recursos disponibles. Este proceso cobra en la actualidad mayor vigencia por encontrarse dentro de los lineamientos de la política económica y social del partido y la revolución aprobados en el VI Congreso del PCC (PCC, 2011). Como se describe en el capítulo VIII “Política Industrial y Energética”, específicamente en el lineamiento número 246 cuando se hace referencia a elevar la generación de electricidad por la agroindustria azucarera a partir del aprovechamiento del bagazo y residuos agrícolas cañeros y forestales, así como el lineamiento 248 cuando se hace referencia a priorizar y alcanzar el potencial de ahorro identificado en el sector estatal (PCC, 2011). El proceso industrial de producción de azúcar crudo de caña, implica una primera etapa tecnológica que consiste en la preparación de la caña y posterior extracción de la sacarosa que esta contiene (Jenkins, 1971). Este proceso puede realizarse mediante difusores con o sin molinos de pre - extracción o por el proceso combinado de lixiviación y compresión, en prensas o en tándem de molinos (Kent, 2011; Thaval y cols, 2012b). En el caso específico de Cuba, el proceso de extracción de la sacarosa de la caña de azúcar se realiza en tándem de molinos. El tándem consume alrededor del 30 % de la energía del central (Barreiro, 2011; Domínguez y cols, 2003; Gómez y cols, 2006; Jáuregui y cols, 2004; Vélez y cols, 2006; Vélez y cols, 2005), en lo que influye, entre otros factores, el empleo de altas presiones hidráulicas. En él existen dos etapas: una de extracción en seco que es la responsable de entregar el alimento (fibra+jugo) a la próxima etapa con el menor por ciento de jugo y una de lixiviación, que es la responsable de reducir económicamente el contenido de sacarosa mezclando lo más uniformemente 3 posible el jugo sin diluir del interior del bagazo con el agua de imbibición, o con los jugos que se recirculan de molino en molino. Unas de las prácticas más comunes para incrementar la extracción en el tándem de molinos, consisten en aumentar el flujo del agua de imbibición lo que incrementa el consumo de energía en los evaporadores, la otra variante es aumentar las presiones hidráulicas (Barreiro, 2011) la que incrementa, la extracción de no azúcares, el consumo de energía y el índice de roturas (Hamill, 1972; Hugot y cols, 1986; Jenkins, 1971). Una de las vías para disminuir los costos del proceso de producción de azúcar crudo de caña, consiste en disminuir el consumo de energía. Para ello es de vital importancia que se apliquen las presiones hidráulicas en los molinos del tándem, a partir de criterios científicamente fundamentados. La tendencia general en las publicaciones científicas acerca del ahorro de energía en el proceso de extracción de la sacarosa de la caña de azúcar, son varias (Díaz y cols, 2012b; Espinosa, A M y cols, 2011; Gil, J M y cols, 2011; Goytisolo y cols, 2012; Lewinski y cols, 2013; Nápoles y cols, 2006), pero ninguna dirigida al ahorro de energía por disminución de la aplicación de presiones hidráulicas, sin embargo, influyen notablemente en este consumo. La existencia de un plano neutral en el molino indica que debe existir un límite práctico para las presiones a aplicar, a partir del cual no aumenta la extracción con el incremento de la presión. Esta situación sugiere que es posible racionalizar las presiones hidráulicas en los molinos, pues las elevadas presiones que se aplican en los molinos del tándem aumentan el consumo de energía, mientras que la temperatura y el flujo del agua de imbibición generalmente no se encuentran dentro de los rangos establecidos. 4 Teniendo en cuenta lo anteriormente expuesto en este trabajo se pretende resolver el siguiente problema científico: Problema científico ¿Cómo disminuir el consumo de energía del tándem sin afectar el proceso de extracción de la sacarosa de la caña de azúcar y el por ciento de humedad en el bagazo final? Para ello se parte de la siguiente hipótesis: Hipótesis: Si se racionalizan los valores de las presiones hidráulicas a aplicar en los molinos intermedios, es posible disminuir el consumo de energía del tándem sin afectar el proceso de extracción de la sacarosa de la caña de azúcar y el por ciento de humedad en el bagazo final. El objetivo general de esta investigación se plantea como: Objetivo general: Disminuir el consumo de energía del tándem mediante la racionalización de las presiones hidráulicas, sin afectar el proceso de extracción de la sacarosa de la caña de azúcar y el por ciento de humedad en el bagazo final. Para ello se proponen los siguientes objetivos específicos: Objetivos específicos: 1. Determinar la influencia de la preparación de la caña sobre la extracción, por ciento de humedad del bagazo final y la demanda de potencia del tándem. 2. Verificar la influencia de los parámetros de la imbibición sobre el proceso de extracción de la sacarosa de la caña de azúcar y el por ciento de humedad en el bagazo final. 3. Elaborar un procedimiento para determinar experimentalmente la abertura del plano neutral y el coeficiente de reabsorción, que tenga en cuenta implícitamente las 5 propiedades físicas de la caña, la eficiencia del proceso de lixiviación y las condiciones mecánicas y de operación del tándem. 4. Realizar la determinación y evaluación de la disminución de las presiones hidráulicas de los molinos intermedios sobre el proceso de extracción de la sacarosa de la caña de azúcar, el por ciento de humedad en el bagazo final y la demanda de potencia del tándem a escala industrial. La novedad de esta investigación radica en proponer un procedimiento que permita disminuir el consumo de energía en tándem de molinos cañeros sin afectar el proceso de extracción de la sacarosa de la caña de azúcar. Como aportes se pueden señalar los siguientes: 1. Un procedimiento experimental para determinar la abertura del molino en el plano neutral. 2. Un procedimiento experimental para determinar el coeficiente de reabsorción. 3. La aplicación práctica de este trabajo se puede generalizar a cualquier central del país. Estructura de la tesis es la siguiente: Se encuentran dividido en: introducción, tres capítulos, conclusiones, recomendaciones, bibliografía y anexos. En el capítulo 1, Marco teórico referencial, se recogen los aspectos más importantes que han sido estudiados sobre el proceso de extracción de la sacarosa de la caña de azúcar, teniendo en cuenta la preparación de la caña, la lixiviación, el coeficiente de reabsorción y el ahorro de energía. En el Capítulo 2, Materiales y métodos, se describen todos los procedimientos empleados para el desarrollo de la investigación. En el Capítulo 3, 6 Resultados y discusión, se divulgan y discuten los resultados obtenidos y se proponen soluciones para la obtención de un ahorro de energía en el tándem de molinos sin afectar el proceso de extracción de la sacarosa de la caña de azúcar. Finalmente se arriba a seis conclusiones y se proponen dos recomendaciones. CAPÍTULO 1 MARCO TEÓRICO REFERENCIAL 7 1. MARCO TEÓRICO REFERENCIAL 1.1 Influencia de la preparación de la caña sobre el proceso de extracción en tándem de molinos Los tallos de la caña de azúcar (Saccharum Officinarum Linn) están constituidos, principalmente, por haces fibrovasculares que forman la parte fibrosa de la planta y por células parenquimatosas o paredes de las celdas de jugo, que tienen una constitución esponjosa y se distinguen fácilmente de forma ampliada, mediante la observación al microscopio de un corte transversal del tallo. A su vez es posible distinguir dos tipos de fibras que pudieran denominarse centrales y corticales. Los haces centrales forman la masa interna del tallo y las segundas la corteza (Suárez, R R y cols, 1982). El concepto moderno de preparación de la caña consiste en lograr romper en la caña la mayor cantidad posible de las celdas de jugo para facilitar la extracción posterior por compresión y lavado (Barreiro, 2011). Esto persigue varios objetivos esenciales entre los que se destacan el aumento de la capacidad de los equipos de extracción del jugo, aumentar la facilidad de la extracción de la sacarosa de la caña de azúcar por compresión de la caña por los molinos y lograr un mayor agotamiento del bagazo al hacer más eficiente el contacto del agua de imbibición o de lavado con el jugo interior de las células 8 abiertas o rotas de la caña (Sanfiel y cols, 2004). La preparación de la caña se realiza mediante equipos especialmente diseñados para este fin, como lo son: la desmenuzadora, la desfibradora y las cuchillas giratorias (Hugot y cols, 1986; Jenkins, 1971; Spencer y cols, 1974). En Cuba la caña se prepara con juegos de cuchillas, no siendo suficiente su preparación y como consecuencia el tándem asume parte de esta tarea en lugar de dedicarse solamente a la extracción de la sacarosa de la caña de azúcar. El costo de la energía de un central azucarero es tan bajo, que aunque la preparación de la caña requiera considerable energía adicional, el costo de tal energía se resarce sobradamente con cualquier ganancia en la extracción o la capacidad (Jenkins, 1971). Una buena preparación de caña favorece el trabajo de la planta moledora, trayendo cuantiosos beneficios económicos, pues se obtiene: mayor capacidad de molida, mayor extracción en el tándem y menor demanda de potencia en los molinos (Corrales y cols, 2015a). En la actualidad se investiga el proceso tecnológico de la preparación de la caña de azúcar a moler con el objetivo de evaluar su eficiencia y detectar los principales problemas en dicho proceso (Morejón y cols, 2013). Otros autores han estudiado cómo influye la preparación de la caña sobre la compresibilidad del bagazo en condiciones estáticas (Gil, J M y cols, 1998). Dovale (Dovale, 2013) realizó un estudio de una zafra completa teniendo en cuenta los valores reales de la preparación de la caña obtenidos de las mediciones realizadas por el laboratorio del central, sobre la influencia en las variables por ciento de pol, por ciento de humedad y demanda de potencia del tándem. Demostró que la preparación de la caña incide de manera significativa en el proceso de 9 extracción y la humedad del bagazo final y que estos mejoran con su aumento. Del mismo modo demostró que mientras mejor preparación tiene la caña, menor será el consumo de energía en el tándem de molinos y más eficiente será este. Inskip (Inskip, 2010) demostró que al mejorar la preparación de caña, no importa el modo en que se haga, los beneficios son alentadores porque se propicia una disminución de la demanda de potencia de la planta moledora. Loughran (Loughran y cols, 2002) desarrolló un modelo computacional para estudiar la influencia de la preparación de la caña en el proceso de molienda, sobre la base de mejorar la recuperación de sacarosa y minimizar las humedades finales, teniendo en cuenta la velocidad de drenaje del jugo en los molinos a través de los poros del bagazo. Este modelo se basa en la gran deformación mecánica de los medios porosos y utiliza técnicas de elementos finitos para resolver las ecuaciones. 1.2 El Proceso de extracción de la sacarosa de la caña de azúcar en tándem de molinos Un molino consiste esencialmente de tres cilindros horizontales llamados mazas, que exprimen la caña que pasa entre ellos para extraerles el jugo. Las mazas se colocan formando un triángulo isósceles dentro de una estructura de acero llamada virgen. La maza colocada en la parte superior del triángulo se denomina “superior” y las otras dos, que están situadas en un plano inferior, “cañera” y “bagacera”. Las mazas constan de un eje central de acero, el guijo, sobre el que se prensa un tambor de hierro fundido (Barreiro, 2011). La cuarta maza es para ayudar a la alimentación del molino (Hugot y cols, 1986). El ajuste de los molinos depende de la razón de molida diaria y de la magnitud de la preparación previa que tenga la caña (Jenkins, 1971). 10 El proceso de extracción de la sacarosa de la caña de azúcar en el tándem de molinos se puede considerar dividida en dos etapas: una de extracción en seco y otra en húmedo (Hamill, 1972). La de extracción en seco, propiamente dicha, puede estar constituida por una desmenuzadora y un primer molino, o sólo por un primer molino o uno desmenuzador. Esta etapa es la que entrega el alimento (fibra + jugo) a la etapa de extracción en húmedo. En este bagazo la relación (masa de jugo/masa de fibra de caña) dependerá de la preparación de la caña y de la efectividad de la etapa de extracción en seco, es una primera etapa para extraer por compresión la mayor cantidad posible del jugo de las células abiertas retenido por el bagazo. En la segunda, el objetivo es lixiviar mediante el proceso de imbibición la sacarosa del jugo retenido por el bagazo y llevar a este último, en el último molino, a un porcentaje de humedad que permita utilizarlo económicamente como combustible (Kent y cols, 2012; Mann, 2010). Una reducción en la humedad del bagazo produce un aumento en la eficiencia en las calderas, y por consiguiente una reducción en el consumo del bagazo para una producción de vapor (Mann, 2010). Con la imbibición compuesta, el proceso de extracción en húmedo se acerca a uno de lixiviación a contracorriente, donde cada etapa está constituida por el molino y el tramo de transportador que lo alimenta (Gil, J M, 2011). Los cálculos implicados en el diseño de procesos de lixiviación son ampliamente conocidos (Treybal, 1977). Sin embargo, la lixiviación de la sacarosa en la etapa de extracción en húmedo en los molinos del tándem cañero, es un proceso poco estudiado y muy complejo e ineficiente debido al gran poder de absorción del jugo por el bagazo, a la complejidad de la matriz porosa y al diseño del sistema existente en el tándem de molinos cañeros (Gil, J A y cols, 1999). En la operación 11 del tándem prevalece el criterio mecánico en los técnicos y operarios para todos los molinos, aunque los procesos internos que ocurren en las etapas de extracción en seco y en húmedo son sustancialmente diferentes (Gil, J M, 2011) . Se ha caracterizado experimentalmente el proceso de compresión para diferentes superficies, demostrándose que la energía consumida en el proceso se ve afectada por el tipo de superficie de compresión (Díaz y cols, 2012b; Oliver y cols, 2007), pero no se refieren a valores de presiones hidráulicas. Existen modelos para estudiar el flujo de jugo a través de los molinos (Adam y cols, 2005; 2007; Thaval, 2012; Thaval y cols, 2012a; Thaval y cols, 2012b; 2012c), pero en su mayoría tienen como limitante que se han aplicado al primer y al último molino, aún así, en estos molinos los resultados muestran que una porción significativa del jugo se extrae en el primer molino, tal y como lo describe Hugot (Hugot y cols, 1986). Algunos autores han estudiado el fenómeno de la extracción de la sacarosa de la caña de azúcar muy puntualmente en un molino (Azaret, A y cols, 2005), otros mediante la adición de un surfactante en el agua de imbibición para intensificar el proceso de extracción en los molinos del central azucarero y han obtenido resultados muy alentadores (Gil, J M, 2011; Gil, J M y cols, 2000a; Gil, J M y cols, 2000b). Díaz (Díaz y cols, 2012a) propuso un modelo matemático para la determinación de los principales parámetros requeridos en el proceso de extracción de la sacarosa de la caña de azúcar, por medio de rodillos cilíndricos, considerando la especificidad de comprimir tallos de caña, lo que lo diferencia de los otros modelos que consideran la extracción del jugo. 12 En las fábricas de azúcar se ha tratado de maximizar el rendimiento en la extracción. La cantidad de agua de imbibición aplicada a los molinos tiene un gran efecto en la reducción del por ciento de pol en el bagazo final (Lloyd y cols, 2010). En general se reconoce que la imbibición mejora el proceso de extracción (Hugot y cols, 1986; Jenkins, 1971); sin embargo, el lado negativo es que los evaporadores tienen que ser capaces de evaporar el agua extra. Se estudia la posibilidad de insertar un dispositivo que sea capaz de dar una medición en tiempo real del por ciento de fibra de la caña para proporcionar un valor de control para la adición del agua de imbibición. Esto da la ventaja de añadir la cantidad de agua necesaria en el proceso de extracción (Lloyd y cols, 2010). Nawi (Nawi y cols, 2013; Nawi y cols, 2012) diseñó un dispositivo sobre la base de técnicas espectroscópicas acopladas con redes neuronales artificiales que tienen el potencial a ser usado para determinar in situ el Brix de la caña de azúcar con más precisión en las mediciones, por tanto más confiable. Esto da la posibilidad de conocer el Brix de la caña antes de tomar la decisión de realizar el corte. Espinosa y Goytisolo (Espinosa, A y cols, 2005; Goytisolo y cols, 2012) han estudiado las posibilidades de mejorar la eficiencia del proceso de extracción de la sacarosa de la caña de azúcar mediante la aplicación de las presiones hidráulicas óptimas en cada pistón de la maza superior. Con esto se pretende lograr que garanticen que la maza superior se mantenga en posición horizontal (Arzola y cols, 2007; Espinosa, A y cols, 2005; Goytisolo y cols, 2012). Quintero (Quintero y cols, 2005) expone un modelo matemático estacionario de la etapa de extracción de jugos con la finalidad de poder realizar un análisis operacional de ella. Demostró que con la disminución del flujo de imbibición las extracciones de Brix y de jugo 13 disminuyen y las pérdidas de pol en el tándem se elevan, y que con el aumento del flujo de imbibición se incrementa la humedad del bagazo a la salida del último molino. Estos resultados concuerdan con la práctica industrial (Hugot y cols, 1986; Jenkins, 1971). Él concluye, al igual que otros autores (Corrales y cols, 2015b; Gil, J M, 2011) que el proceso de extracción de la sacarosa de la caña de azúcar es un proceso combinado de lixiviación y compresión. Hugot y Jenkins (Hugot y cols, 1986; Jenkins, 1971) reseñan estudios de compresibilidad en condiciones estáticas, realizados por Deerr (Deerr, 1912), donde se muestra cómo inicialmente la compresión del bagazo disminuyó rápidamente con el incremento de la presión y luego, a partir de una determinada compresión, esta disminución fue cada vez más lenta hasta que prácticamente se hizo constante (Hugot y cols, 1986; Jenkins, 1971). Estos estudios fueron repetidos por Gil y otros (Gil, J M, 2011; Gil, J M y cols, 1998) con un mayor rango de presiones. La curva obtenida se superpone a la de Deerr (Deerr, 1912) (Fig. 1.1). Fig. 1.1. Comparación entre los resultados de Deer y Gil. Shannon (citado por (Jenkins, 1971)) realizó estudios de compresión rápida en una 14 prensa de laboratorio. Las presiones obtenidas, para una misma compresión, son considerablemente más altas que las obtenidas por Deerr (citado por (Hugot y cols, 1986; Jenkins, 1971). Atherton y Shannon (citados por (Jenkins, 1971) estudiaron la influencia del tamaño de las partículas de la caña preparada sobre la compresión (Jenkins, 1971). Estos autores determinaron que la presión de equilibrio aumenta al disminuir el tamaño de partícula. Un resultado similar obtuvieron Gil y otros (Gil, J A y cols, 1999; Gil, J M y cols, 1998). En todos los casos, tanto para compresión lenta como rápida, la forma de las curvas de compresión obtenidas como función de la presión son similares a las de Deerr (citado por (Jenkins, 1971)). Hugot (Hugot y cols, 1986) varió simultáneamente las presiones en todos los molinos y verificó la hipótesis de que las altas presiones favorecen el proceso de extracción. No obstante, en experimentos realizados (Gil, J M, 1998; Gil, J M y cols, 1998), tanto a escala de laboratorio como industrial, se obtuvo que existe una presión hidráulica, la que depende de las características técnicas y condiciones de molida en el molino, a partir de la cual la extracción de jugo se incrementa muy poco. Al incrementar la presión hidráulica en el molino, aumenta la demanda de potencia así como el desgaste en chumaceras y engranajes (Hugot y cols, 1986; Jenkins, 1971; Spencer y cols, 1974). Además, se descubrió que la capacidad de drenaje del bagazo es una función inversa de la presión de las mazas, pero no inversamente proporcional (Hamill, 1972). Estos resultados han pasado inadvertidos para los técnicos y operadores del tándem en los centrales azucareros, que siguen indiscriminadamente el criterio de Hugot (Hugot y cols, 1986), de aplicar las mayores presiones hidráulicas en los molinos sin tener en cuenta el consumo de energía y el posible aumento del índice de roturas. Además, en la literatura se 15 recomiendan rangos de presiones para la operación de los molinos, pero no se reporta un procedimiento para elegirlas que permita una adecuada extracción con el menor consumo de energía. La composición del jugo que se extrae de la caña está influenciada por la magnitud de la presión con que este es extraído (Pedrosa, 1975). Quincoses (Quincoses, 1989) señala que el mayor por ciento de extracción de proteínas y péptidos ocurre en la desmenuzadora y el primer molino, mientras que la extracción de aminoácidos aumenta hacia el sexto molino. A presiones moderadas las paredes celulares se rompen, dejando escapar el jugo puro de las celdas, pero a presiones mayores comienzan a ser extraídos jugos impuros del protoplasma y de la corteza (Jenkins, 1971; Pedrosa, 1975; Spencer y cols, 1974). En todo caso, la presión hidráulica aplicada a cada molino debe ser suficiente para lograr el nivel de extracción requerido a un costo conveniente (Hamill, 1972). Sin embargo, estos autores solo tienen en cuenta los aspectos mecánicos del molino, sin tener en cuenta el comportamiento del colchón de bagazo y no indican cómo determinar las presiones hidráulicas que se deben aplicar. A pesar de todos los inconvenientes señalados anteriormente, la tendencia general es el empleo de las altas presiones hidráulicas en los molinos, sin que aparezca un procedimiento científicamente fundamentado para su selección. 1.2.1 El proceso de extracción en el molino La descripción del proceso de extracción en el molino y los mecanismos del proceso de flujo y transferencia de masa se realiza partiendo del modelo de Murry y Loughran (Loughran, 1990; Murry, 1996) (Fig. 1.2). Según este modelo el bagazo que llega a la región comprendida entre los planos AE y BF está parcialmente saturado. 16 Fig. 1.2. Modelo del proceso de extracción en el molino. A partir de BF inicia el proceso de compresión del bagazo; este comienza a ser comprimido expulsando el aire ocluido a medida que disminuye la porosidad. Bajo estas condiciones las capas superiores del colchón se saturan primero que las capas inferiores y el exceso de jugo drena hacia el interior del colchón de bagazo, mezclándose con el jugo libre en el espacio entre las partículas y penetrando por capilaridad en los poros de las partículas de meollo, a medida que el bagazo avanza hacia el GH. El bagazo que alcanza el plano GH, desde el punto de vista macroscópico, se puede considerar que está saturado. No obstante, aún queda aire ocluido entre las partículas y principalmente en los capilares del meollo. Ya en estas condiciones el proceso de dilución del jugo del interior de las partículas sólo es posible mediante el movimiento del líquido por capilaridad hacia el interior de los poros, donde se establece el equilibrio de concentraciones de los sólidos solubles por difusión y posteriormente, por este mismo mecanismo, desde el interior hacia la película inmóvil de jugo que rodea la partícula (Gil, 17 J M, 2011). El grueso de la capa límite que rodea a las partículas y, por lo tanto, su resistencia a la transferencia de masa, depende en proporción directa de la viscosidad y de la tensión superficial del jugo que la forma (Treybal, 1977). A partir del plano GH comienza el proceso visible de extracción del jugo por el molino. Entre los planos GH y JK (plano axial) el bagazo está saturado (todo el volumen de huecos entre las partículas está lleno de jugo, aunque no así en el interior de todas las partículas). A medida que disminuye la porosidad del bagazo bajo la acción de la presión que ejercen las mazas, el exceso de jugo es forzado a fluir, en sentido contrario al movimiento del bagazo, por los espacios entre las partículas deformadas hacia las zonas de baja presión (superficie de las mazas y hacia el exterior por el plano central). El movimiento del jugo en el bagazo cumple las leyes que gobiernan del flujo de fluidos a través de medios porosos (Murry, 1996). Durante este proceso de flujo continúa la transferencia de masa entre el jugo en movimiento de menor concentración y la película de la retención estática de mayor concentración. Las sustancias con actividad superficial, al disminuir la tensión superficial y la viscosidad del jugo, provocan la disminución del espesor de la película de la retención estática, lo que intensifica el proceso de transferencia de masa (Gil, J M, 2011). La resistencia al drenaje del jugo depende además, en proporción directa, de la preparación de la caña (Hamill, 1972; Loughran, 1990; Murry, 1996) y de la velocidad de compresión (Jenkins, 1971). A partir del plano GH el jugo que ocupa los espacios entre las partículas comienza a ser desplazado por el de su interior, de mayor concentración. En condiciones ideales, si todo este jugo fuera desplazado, el jugo de la retención estática tendría la misma concentración que la del que fluye y cesaría por lo tanto el proceso de transferencia de masa (Gil, J M, 2011). 18 A medida que disminuye la porosidad, las fuerzas capilares que retienen el jugo en los poros de las partículas aumentan rápidamente en razón inversa al radio de los capilares y son directamente proporcionales a la tensión superficial del jugo retenido (Gil, J M, 1998). El análisis del proceso de distribución del líquido de imbibición en el colchón de bagazo y su incidencia en el proceso de transferencia de masa hay que dividirlo en dos partes: el proceso en el conductor de bagazo y el proceso en el molino, ya que ambos son diferentes (Treybal, 1977). La profundidad a la que penetra el agua de imbibición que rocía una caja de derrame, en el colchón de bagazo parcialmente saturado, depende de la tensión superficial del líquido de imbibición y de las características del bagazo como medio poroso. La masa de agua aplicada sólo es capaz de saturar una capa superficial del colchón de bagazo suelto (Gil, J A y cols, 1999); sin embargo, en el molino la masa total de bagazo se satura cuando el volumen de éste es reducido por compresión hasta un valor definido a la entrada del molino (Gil, J M, 1998). Al continuar la compresión, el líquido es forzado a fluir a través del medio poroso, lo que provoca su mezcla forzada con el jugo retenido por la fibra del bagazo. Luego que la capa superior del colchón de bagazo ha absorbido la masa de líquido que es capaz de retener de acuerdo con su saturación inicial, las propiedades del líquido y las características geométricas de las partículas, el exceso de líquido drena hacia el interior del colchón bajo la acción de la gravedad. El líquido se mueve en régimen laminar sobre la película de jugo que recubre al sólido, quedando retenido en parte en las cavidades de las partículas y sus uniones, al tiempo que penetra por capilaridad en el interior de los poros de las partículas de meollo parcialmente saturadas por el jugo 19 residual. La tensión superficial contribuye a la penetración del agua en los poros del meollo como una fuerza impulsora. Sin embargo, se oponen las fuerzas de fricción debido a la viscosidad y la resistencia que ofrece el aire al salir del capilar en sentido contrario. Simultáneamente, con el movimiento del líquido se produce el proceso de transferencia de masa por difusión de los sólidos solubles del jugo libre hacia el agua, por lo que se alcanza el equilibrio de concentraciones rápidamente (Pérez, S R, 1992) entre la película de jugo y el seno del líquido, lo que dependerá del Brix del líquido de imbibición y del Brix del jugo retenido. La viscosidad del líquido de imbibición siempre será menor que la del jugo retenido (Honig, 1979; Pávlov y cols, 1981). El resultado global de este proceso es un incremento en la saturación parcial de una capa de la superficie del colchón de bagazo. El tiempo que demora el proceso de penetración es pequeño, en comparación con el que demora el bagazo imbibido en el conductor antes de entrar al próximo molino. En el caso de las células que no fueron rotas durante el proceso de preparación de la caña, o bajo la acción de las fuerzas de cizallamiento entre las mazas de los molinos de extracción en seco, el agua penetra a través de las paredes celulares por ósmosis, lo que aumenta su turgencia y facilita que sean desintegradas entre las mazas de los molinos de extracción en húmedo. La temperatura del agua de imbibición influye en el proceso descrito, ya que al aumentar ésta disminuyen su viscosidad y la tensión superficial, lo que provoca una menor capacidad de retención del medio y, como consecuencia, una mayor penetración de ésta en el colchón de bagazo, al tiempo que aumenta el coeficiente de difusión de los sólidos solubles. El resultado es un mejor mezclado. La lixiviación consiste en la disolución selectiva de un soluto retenido u ocluido por una matriz sólida. La lixiviación del soluto retenido en el interior del sólido implica la 20 penetración del líquido en los poros del sólido, disolviendo los componentes a extraer (Treybal, 1977). Para que ocurra un proceso de lixiviación debe existir un primer momento donde ocurra un mezclado entre el solvente y el sólido que contiene el soluto, lo cual se ve muy afectado en el proceso de imbibición del bagazo (Riera, 1996; Sevilla y cols, 1977) debido al gran poder absorbente del bagazo (Gil, J A y cols, 1999; Gil, J M, 2011). En el tándem de molinos este proceso tiene lugar en los conductores intermedios de los molinos de extracción en húmedo donde se le añade al bagazo en el caso del último molino el agua de imbibición o los jugos que se recirculan de molino en molino en el resto. En segundo lugar, debe haber un proceso de separación del sólido del solvente+soluto (jugo). Esto ocurre en los molinos mediante el proceso de compresión del bagazo imbibido. La velocidad de transferencia de masa en el mezclado depende de la forma, dimensión y por ciento de fibra de las partículas sólidas y las características del líquido de lixiviación. La forma, dimensión de las partículas sólidas depende del proceso de preparación de la caña. Las características principales del líquido de lixiviación dependen en gran medida de la temperatura, pues con el incremento de ella disminuyen su viscosidad y la tensión superficial. Con la disminución de la viscosidad se incrementa el coeficiente de difusión de los sólidos solubles (Treybal, 1977), con la disminución de la tensión superficial disminuye la capacidad de retención del medio poroso y se incrementa la penetración del líquido lixiviante en el colchón de bagazo, por tanto, un mejor mezclado e incremento de la extracción del soluto. En el proceso combinado de lixiviación - compresión existen resistencias a la transferencia de masa. El soluto extraído debe vencer primero la resistencia a la difusión que le ofrece la estructura interna del cuerpo sólido. Luego la resistencia de la película 21 líquida adherida a la superficie del sólido, para llegar a la masa principal del solvente. Por tanto, la transferencia de masa de la sacarosa al líquido de imbibición dependerá de dos mecanismos fundamentales diferentes: el primero consiste en la difusión molecular del soluto a través de la capa límite y el segundo está dado por el transporte convectivo porque el soluto transferido por difusión una vez que sale de la capa límite, llega al fluido y es arrastrado junto con él de un punto a otro. Existen factores que influyen en la aparición de las resistencias a la transferencia de masa. Uno de ellos es la preparación de la caña, la que influye directamente en el tamaño de la partícula sólida (bagazo). Con el incremento de la preparación de la caña disminuye el tamaño de las partículas facilitando el proceso de difusión entre el solvente (agua o jugo) y el soluto (sólidos solubles) contenido en el sólido e incrementa la superficie de contacto entre el solvente y el sólido. Otro factor es la temperatura, el efecto de la imbibición depende entre otros factores de la calidad del sistema de distribución del agua en el caso del sexto molino, o de los jugos que recirculan de molino en molino en el caso de los molinos intermedios. Se conoce que el bagazo es capaz de absorber aproximadamente de ocho a diez veces su peso en jugo (Gil, J A y cols, 1999; Gil, J M, 2011), al aplicar el sistema de imbibición solo se satura la capa superficial del bagazo en los conductores intermedios por lo que el resto de la sección transversal del colchón de bagazo no recibe líquido de lixiviación (agua o jugo), esto dificulta el fenómeno de transferencia de masa. Otro factor es el tiempo de contacto entre el solvente y el soluto contenido en el sólido. Sin embargo, en el caso del bagazo con el incremento de este tiempo no favorece notablemente el proceso global de transferencia de masa en el colchón de bagazo, por ser un proceso que solo ocurre en la capa superficial. Este 22 razonamiento coincide con lo planteado por Hugot (Hugot y cols, 1986) de que el aumento de la longitud del conductor entre molinos no incrementa la extracción. Por tanto, es favorable añadir el líquido de imbibición (jugo o agua) a la salida del molino anterior, donde el bagazo comprimido comienza a expandirse y absorbe de forma más uniforme el solvente (agua o jugo intermedio) y no a la entrada del molino. 1.2.2 El proceso de extrusión en el molino Según Jenkins (Jenkins, 1971), desde la entrada al molino y en determinada región, la velocidad promedio Ss del material sólido (bagazo) es diferente de la componente horizontal de la velocidad superficial de la maza Sh, hasta el plano ML (Fig. 1.2); este plano recibe el nombre de plano neutral. Jenkins y Murry (Jenkins, 1971; Murry, 1996) señalan que, a partir de ese plano, Ss>Sh, el incremento de velocidad desde el plano ML (Fig. 1.2) hacia el plano axial tiene que ser causado por un “gradiente de presión” de alguna especie. Gil (Gil, J M, 2011) propone una explicación para este fenómeno. La posición del plano ML (Fig. 1.2) según Jenkins y Murry (Jenkins, 1971; Murry, 1996) se determina a partir de la ecuación (1.1):                                          2 411 cos 2 1 D ADS k D ADS D ADS  donde: (1.1) k : Coeficiente de reabsorción. ADS : Abertura dinámica de salida (m). D : Diámetro promedio de los diámetros medios de las mazas (m). La longitud de este plano se determinar a partir de la ecuación (1.2). 23   ADSDApn  cos1 (1.2) A medida que aumenta el diámetro de las mazas del molino, si se mantiene la misma velocidad angular, la posición del plano neutral se aleja del plano axial. La velocidad de compresión y su variación de un plano vertical a otro serán mayores, por lo que el coeficiente de reabsorción debe aumentar. Este razonamiento coincide con lo planteado por Spencer (Spencer y cols, 1974) acerca de una mayor eficiencia de los molinos cuando es menor la velocidad de las mazas. 1.3 La imbibición en el proceso de extracción de la sacarosa en tándem de molinos El proceso de adición de agua en tándem de molinos se conoce como imbibición (Hamill, 1972; Hugot y cols, 1986; Jenkins, 1971; Riera, 1996; Spencer y cols, 1974). El agua de imbibición se añade al bagazo, el cual es un medio poroso. La capacidad de un medio poroso para retener un líquido depende de la afinidad de este con el sólido, de sus propiedades y de la estructura del sólido (Treybal, 1977). Las fuerzas que retienen a los líquidos que mojan a un sólido poroso son de origen capilar y dependen de la tensión superficial y las dimensiones de los capilares (Treybal, 1977). No obstante, la tensión superficial y la viscosidad están muy influenciadas por la temperatura (Honig, 1979). Estos fenómenos están presentes en el proceso de extracción de la sacarosa en el tándem de molinos (Gil, J A y cols, 1999). Para extraer la sacarosa contenida en el jugo retenido por el bagazo, este debe ser reemplazado por agua, lo que sólo se logra parcialmente en la práctica. De la efectividad y magnitud de este reemplazo dependerá el por ciento de recuperación que se logre, así como su influencia sobre el costo del proceso de producción de azúcar. En el caso del proceso de extracción por imbibición y compresión, la eficiencia total del sistema 24 depende del rendimiento de cada una de las etapas de adición de agua o del jugo lixiviante y la posterior separación del jugo diluido del bagazo (Gil, J M, 1998). Dado que el número de molinos en un tándem es fijo, para que la imbibición sea eficiente, cualquiera que sea el esquema utilizado, se requiere que en las primeras unidades de extracción en seco se obtengan altas extracciones. De esta manera, la cantidad de jugo a diluir será menor y en cada unidad subsiguiente se logrará un nivel de extracción adecuado. Una alta compresión en el último molino reducirá la humedad del bagazo (Hamill, 1972; Jenkins, 1971), pero al utilizar las elevadas presiones hidráulicas para lograr la alta compresión aumentará el consumo de energía del tándem y se favorecerá la extracción de no azúcares (Hugot y cols, 1986), perjudicial para el proceso de obtención del azúcar. Cuando se imbibe puede apreciarse que solamente la capa superficial del colchón de bagazo es mojada por el jugo o agua añadida, mientras la parte restante no sufre ningún cambio apreciable (Gil, J M, 1998; Hugot y cols, 1986; Jenkins, 1971). A partir de los conocimientos recogidos en la literatura sobre medios porosos (Treybal, 1977) se puede decir que cuanto menor sea la tensión superficial del líquido de imbibición, mayor será la profundidad a que este penetre en el colchón de bagazo y si además tiene baja viscosidad, lo hará en menor tiempo (Gil, J M, 1998). En esta etapa el mayor interés recae sobre la retención estática, ya que el movimiento del fluido de imbibición cesa rápidamente. El colchón de bagazo es un medio poroso formado por un elevado número de capilares que aportan una gran superficie específica, lo que explica su gran poder de retención estática de líquido (Gil, J M, 1998; Hamill, 1972; Hugot y cols, 1986; Jenkins, 1971), que puede llegar a diez veces su peso en fibra, en dependencia del por ciento de 25 saturación inicial (Gil, J A y cols, 1999; Gil, J M, 1998; Hugot y cols, 1986; Jenkins, 1971; Spencer y cols, 1974). Es necesario señalar que la cantidad de agua que es capaz de absorber el bagazo para un mismo contenido de fibra depende además, del grado de compresión (Gil, J A y cols, 1999; Gil, J M, 1998). Actualmente las fábricas de azúcar se centran en el logro de un equilibrio entre la demanda de energía de la fábrica y la energía aportada por el suministro del combustible disponible (generalmente bagazo). Además, pretenden maximizar la recuperación de sacarosa de la caña de azúcar mediante el aumento de la cantidad de agua de imbibición que se aplica siempre que permanezca dentro de un rango permisible. Sin embargo (Peacock y cols, 2009) demuestra que existe un valor óptimo de imbibición con el que se maximizan los ingresos. Si este valor es muy grande se reduce el potencial para la exportación de energía eléctrica del central. Presenta técnicas que se pueden utilizar para determinar el óptimo económico para un típico molino de azúcar basado en el modelado detallado de la planta de extracción (por ejemplo, un difusor) y el balance de energía de la fábrica. En el análisis del efecto de la imbibición en la recuperación de azúcar y exportación de energía encontró un valor óptimo de imbibición con el que se maximizan los ingresos. La cantidad de agua de imbibición a utilizar para un sistema de extracción por compresión dado depende fundamentalmente de la composición de la caña (Hugot y cols, 1986; Jenkins, 1971; Wienese, 1995). Su uso ha sido estudiado con profundidad por Hugot y Jenkins (Hugot y cols, 1986; Jenkins, 1971). Todos concuerdan en utilizar una cantidad de agua de imbibición igual a dos veces la fibra en caña. González (González y cols, 2010) propone que la cantidad de agua de imbibición a utilizar depende de la relación del 26 precio del azúcar, el precio del combustible y de la composición de la caña, fundamentalmente la fibra. Se ha verificado experimentalmente y analizado estadísticamente, mediante diseños factoriales, que tanto la temperatura del agua de imbibición y el flujo del agua de imbibición son significativas en el proceso de extracción de la sacarosa de la caña de azúcar, pero que en mayor medida lo es el flujo de agua de imbibición y que la temperatura solo es efectiva para temperaturas superiores a 70 ºC (Castro, O E, 2012) tal y como lo expresa Hugot (Hugot y cols, 1986). Gil (Gil, J M y cols, 2011) realizó un estudio sobre el efecto de algunas variables en la demanda de potencia de un tándem cañero. Entre esas variables se encuentra el flujo del agua de imbibición. Los autores demuestran que el consumo de energía del molino estuvo fuertemente afectado por la presión hidráulica aplicada en el molino y no por la imbibición. El flujo del agua de imbibición es una variable de mucha importancia en el proceso de extracción, pero no influye significativamente en la demanda de potencia del tándem. También se ha estudiado la posibilidad del calentamiento del jugo mezclado mediante el enfriamiento de los condensados que se destinan a emplearse como agua de imbibición. Esta es una operación que, según Valdés (Valdés y cols, 2008), permite resultados satisfactorios a la tecnología azucarera, así como poder usar diferentes corrientes de condensados del equipo de evaporación para obtener una temperatura determinada en el agua de imbibición y realizar a la vez el incremento correspondiente de la temperatura del jugo mezclado. 27 1.4 Reabsorción del jugo en los molinos Una parte del jugo se extrae a partir de determinadas zonas de compresión cercanas a la abertura entre las mazas y fluye por el fondo de las ranuras de las mazas en el mismo sentido que el bagazo comprimido. Después del plano axial, el bagazo es capaz de reabsorber parte del jugo (Jenkins, 1971). Los responsables del fenómeno son las fuerzas capilares. En este caso la viscosidad juega un papel muy importante, porque de ella depende la velocidad de flujo del jugo extraído. Mientras mayor sea esta velocidad, menor será la cantidad de fluido reabsorbido por disminuir la cantidad de jugo que fluye en el mismo sentido del bagazo comprimido. Es importante que a este efecto existan estrías limpias en la superficie de las mazas que permitan una rápida evacuación del jugo. Según Hugot (Hugot y cols, 1986) el factor de reabsorción se define como la relación entre el volumen de bagazo por unidad de tiempo que pasa por la abertura de salida del molino mientras este se encuentra operando, y el volumen descrito por la generatriz de las mazas de salida en esas mismas condiciones, cuando dicha generatriz se multiplica por la velocidad tangencial de las mazas y por la abertura de salida. Jenkins (Jenkins, 1971) señaló que el volumen de bagazo que sale del molino es mayor que el volumen descrito. Postuló que el jugo se mueve hacia delante a través de la abertura mínima entre las dos mazas a una velocidad mayor que la de la fibra sobre la superficie de las mazas. Bullock (Bullock, 1957) encontró que el coeficiente de fricción del bagazo sobre la superficie de hierro colado de las ranuras disminuye a medida que aumenta la presión y sugiere que el bagazo se deslice hacia delante a través de la abertura mínima entre las mazas. Cullen (Cullen, 1965) demostró que en la región del plano axial, el coeficiente de cizallamiento interno del bagazo es del mismo orden que el 28 coeficiente de fricción, por lo que este podría extruir a través de la abertura mínima. Solomón (Solomon, 1967) determinó las componentes radiales y tangenciales de las fuerzas sobre un segmento de cilindro. Concluyó que parece imposible que el material se deslice sobre la superficie del cilindro y es más probable que la causa de la reabsorción sea la extrusión del material a través del espacio entre las puntas de las ranuras. Cuando las mazas están demasiado pulidas el factor de reabsorción es alto. Una medida de la reabsorción en el molino la da el coeficiente de reabsorción. En ninguno de los modelos para el coeficiente de reabsorción, que recoge la literatura consultada (Hugot y cols, 1986; Jenkins, 1971; Loughran, 1990; Murry, 1996; Riera, 1996; Sevilla y cols, 1977), aparecen como variables la tensión superficial del jugo y la viscosidad (Gil, J A y cols, 1999). Sevilla (Sevilla y cols, 1977) propone calcular el coeficiente de reabsorción según la ecuación (1.3): Ve Vb k  :(Sevilla y cols, 1977) donde: (1.3) k : Coeficiente de reabsorción. Vb : Volumen del bagazo (pie3/min). Ve : Volumen descrito por el molino (pie3/min). ADSSLVe  donde: (1.4) ADS : Abertura dinámica de salida (pie). S : Velocidad lineal periférica de la masa superior (pie/min). L : Longitud de los cilindros (pie). 29   Djb Fbmb Df mbFb Vb     1 donde: (1.5) Fb : Fracción de fibra en peso del bagazo a la salida del molino. mb : Flujo del bagazo a la salida del molino (lb/min). Df : Densidad de la fibra seca a la salida del molino (lb/pie3). Djb: Densidad del jugo en el bagazo a la salida del molino (lb/pie3). Este método depende fundamentalmente de las propiedades físicas del bagazo (fracción de fibra en peso del bagazo, densidad de la fibra, densidad del jugo en el bagazo). La densidad de la fibra la asume constante cuando esta variable debe variar con el estado técnico del molino, la preparación de la caña y las propiedades del jugo. La densidad del jugo en el bagazo a la salida del molino debe variar con la imbibición (flujo y temperatura del agua), la preparación de la caña y las propiedades del jugo. Este es un método que tiene como inconveniente la gran cantidad de ensayos que hay que realizar en el laboratorio. Hugot (Hugot y cols, 1986) propone un método donde el coeficiente de reabsorción puede ser calculado según la ecuación (1.6): 65,0017,0  vCk donde: (1.6) k : Coeficiente de reabsorción. C : Constante que depende del molino y que asume los siguientes valores. C =0,75 para un primer molino. C =0,65 para un segundo molino. C =0,60 para los siguientes molinos.  : Velocidad periférica de las mazas en (m/min). 30  : Densidad de la fibra a la salida del molino (kg/dm3).  = (0,38 a 0,55) para el primer molino.  = (0,8 a 1,0) para el último molino. Este es un método que depende solamente de tres variables, de ellas dos son constantes en cada molino: la constante que depende del molino y la velocidad periférica de las mazas. La otra variable es la densidad de la fibra a la salida del molino. Hugot (Hugot y cols, 1986) propone asumir un valor de esta variable para el primer y el último molino del tándem dentro de un rango recomendado, los valores de los molinos intermedios se calculan mediante una interpolación logarítmica. Al asumir un valor fijo de la densidad a la salida de cada molino se está asumiendo por consiguiente que las tres variables son constantes, por lo que prácticamente Hugot (Hugot y cols, 1986) asume que el coeficiente de reabsorción es constante para cada molino. Sin embargo, se conoce que el coeficiente de reabsorción varía con las propiedades químicas de la caña (Sevilla y cols, 1977), y que durante la zafra se muelen diferentes tipos de cañas, por estas razones este método no es recomendado por este autor para el cálculo del coeficiente de reabsorción. Según Riera (Riera, 1996), para la simulación de la operación de extracción de un tándem es preciso conocer los coeficientes reabsorción e imbibición de cada molino, ya sea a través de los reportados en la literatura o los obtenidos experimentalmente. En su investigación desarrolló un procedimiento para calcular dichos coeficientes a partir de mediciones experimentales y de datos de operación de los molinos. Comparó los valores de los coeficientes de reabsorción que obtuvo con los reportados por Russell (Russel, 1968) y Murry (Murry, 1965; 1971) obtenidos experimentalmente donde se aprecia coincidencia entre ellos (tabla 1.1). Sin embargo, al comparar sus resultados (Riera, 31 1996) con los obtenidos por Sevilla (Sevilla, 1982) hubo diferencia, los valores de sus coeficientes no son superiores a dos mientras que los obtenidos por Sevilla (Sevilla, 1982) en la mayoría de los casos sobrepasan este valor (tabla 1.1). Según Riera (Riera, 1996) estos valores deben ser siempre menores a dos, ya que el coeficiente de reabsorción representa la relación entre el volumen de bagazo que pasa en la unidad de tiempo y el volumen que genera la maza en su movimiento, por lo que un valor de coeficiente de reabsorción igual a dos significa que está pasando dos veces el volumen de bagazo, lo que refleja una baja extracción debido a la alta extrusión; a su criterio esta diferencia puede deberse a las aberturas empleadas en los cálculos, sin embargo, el coeficiente de reabsorción también depende del estado técnico de los molinos, estado que se declina a medida que avanza la zafra. Tabla 1.1. Valores de los coeficientes de reabsorción reportados por diferentes autores. Molinos Rusell (1968) Murry (1965) Murry (1971) Sevilla (1982) 1 1,30 1,30 1,35 1,935 2 1,31 1,35 1,69 2,275 3 1,38 1,40 1,51 2,580 4 1,43 1,50 1,41 2,949 5 5,616 6 6,165 Fuente: (Riera, 1996) 1.5 Ahorro de energía en centrales azucareros Una de las vías para disminuir los costos del proceso de producción de azúcar crudo de caña es disminuir las pérdidas de sacarosa en bagazo y el consumo de energía en el tándem. En cualquier área de un central azucarero se pueden tomar medidas e investigar con el objetivo de lograr disminuir el consumo de energía siempre y cuando no se afecte la producción. Por ejemplo, Lavarack (Lavarack y cols, 2004) ha investigado sobre la 32 eficiencia energética en los centrales azucareros en el área de generación de vapor y considera que el área más consumidora de energía de un central es el tándem de molinos. Este consume alrededor del 30 % de la energía utilizada por el central azucarero (Barreiro, 2011; Domínguez y cols, 2003; Gómez y cols, 2006; Jáuregui y cols, 2004; Vélez y cols, 2006; Vélez y cols, 2005). El empleo de altas presiones hidráulicas en los molinos aumenta el consumo de energía, influye negativamente en la capacidad del molino, aumenta el costo operacional y de mantenimiento, así como la extracción de no azúcares (Barreiro, 2011; Hugot y cols, 1986). El consumo de energía en un tándem de molinos cañeros depende de muchos factores: eléctricos (Rosero, E y cols, 2009; Vélez y cols, 2006; Vélez y cols, 2005), mecánicos (diseño del molino y estado técnico); operacionales (presiones hidráulicas, ajustes de los molinos, nivel de imbibición y temperatura del agua de imbibición, grueso del colchón de bagazo, etc.) (Azaret, A J y cols, 2004; Castro, Y R y cols, 2004; Hugot y cols, 1986; Pérez, E y cols, 2004); de las características de la caña que entra al molino (masa, fibra en caña, variedad y preparación), etc. (Hugot y cols, 1986). Se estudió la potencia demandada por el motor que acciona un molino del tándem cuando varían la presión hidráulica, la molida y el nivel de imbibición y se demostró que el consumo de energía estuvo fuertemente afectado por la presión hidráulica (Gil, J M y cols, 2011; Nápoles y cols, 2006). Existen informes acerca de cómo homogenizar la presión aplicada sobre el colchón de bagazo (Arzola y cols, 2007; Espinosa, A M y cols, 2011; Goytisolo y cols, 2012; Suárez, L D y cols, 2005), pero no refieren cómo disminuir la presión hidráulica de trabajo en los molinos para disminuir el consumo de energía sin afectar los por ciento de pol y humedad en el bagazo final. 33 Se han realizado estudios sobre el tipo de accionamiento que mueve la masa superior y se han obtenido ecuaciones con las que se pueden determinar las cargas dinámicas del molino considerando la flotación de la masa superior y sobre la base de las leyes de movimientos para determinar toda la cinemática del molino que depende de la cinemática del funcionamiento de las coronas (Cabello y cols, 2009; 2011; Mendoza y cols, 2013; Moya y cols, 2011; Rodríguez y cols, 1998). En otras investigaciones se proponen planes de acciones para controlar las pérdidas de sacarosa en el proceso de extracción (Ortíz y cols, 2008). Otros muestran oportunidades de ahorro de energía en los tándems de molinos de caña de azúcar, pero no tienen en cuenta el efecto de la presión hidráulica (Dunn y cols, 2009). Existen investigaciones donde se presentan expresiones teóricas para el cálculo de la potencia demandada por un molino de caña con accionamiento mecánico y con diferentes alternativas de accionamiento hidráulico, obtenidas sobre la base de un tratamiento más riguroso de las pérdidas en los elementos de la transmisión del molino (Noa y cols, 2007). Se hizo un análisis más riguroso que el presentado por Hugot (Hugot y cols, 1986) de las pérdidas y la potencia total demandada por el molino. Esta fue determinada sumándole a la potencia calculada por Hugot (Hugot y cols, 1986) las pérdidas de potencia en la transmisión (Noa y cols, 2007). Silva (Silva y cols, 2010) determinó los niveles de consumo de portadores energéticos y su incidencia en el proceso productivo del azúcar crudo de caña mediante la aplicación de las herramientas de la tecnología de gestión total de eficiencia de la energía a partir de datos experimentales. Propone acciones para el incremento de la eficiencia energética en la empresa. Estas acciones se basan fundamentalmente en mejoras en la 34 instrumentación, el control de la operación, uso de dispositivos de ahorro y mantenimiento. Lafargue (Lafargue y cols, 2001) estableció experimentalmente, mediante un modelo matemático, la relación entre la velocidad de deslizamiento y la presión específica sobre el coeficiente de fricción en las chumaceras de los molinos de caña de azúcar. La disminución de la velocidad de deslizamiento conduce a un incremento del coeficiente de fricción, disminuye la presión específica y la demanda de potencia friccional en las chumaceras. De acuerdo con lo anterior, entonces es conveniente disminuir la presión hidráulica a aplicar en los molinos del tándem siempre que no se afecte el proceso de extracción de la sacarosa de la caña de azúcar (Corrales y cols, 2013). Los trabajos realizados en modelado de molinos de caña de azúcar apuntan principalmente a tener un mejor entendimiento del proceso físico para ayudar a la preparación de la caña a ser molida y determinar la configuración óptima del molino para maximizar el proceso de extracción de la sacarosa de la caña de azúcar (Loughran, 1990; Murry y cols, 1967). Estos modelos son complejos, usualmente estáticos, no lineales y contienen muchos parámetros que no se pueden determinar fácilmente en forma directa. Rosero y Gonzalo (Gonzalo y cols, 2008; Rosero, E y cols, 2009; Rosero, E E, 2006) presentan un modelado dinámico no lineal a partir de principios físicos de molinos de caña de azúcar de cuatro mazas accionados con motores eléctricos, con el objetivo de maximizar la extracción. Jáuregui y Vélez (Jáuregui y cols, 2004; Vélez y cols, 2006; Vélez y cols, 2005) presentan modelos matemáticos que permiten determinar las demandas de la potencia mecánica y consumo de energía eléctrica en tándems de molinos para el proceso de extracción de 35 la sacarosa de la caña de azúcar. Ellos analizan dos variantes de accionamiento en el tándem: la primera con transmisión mecánica y un motor eléctrico como accionamiento y la segunda una transmisión hidráulica con igual tipo de accionamiento. Su propuesta es monitorear la operación de la transmisión para ser eficiente energéticamente desde ese punto de vista, pero no consideran la posibilidad de reducir la presión hidráulica a aplicar en los molinos del tándem (Jáuregui y cols, 2004; Vélez y cols, 2005). En Colombia el diseño de los molinos ha permanecido relativamente estable por casi dos siglos, manteniendo el principio de aplicar grandes presiones a bajas velocidades de rotación en las mazas superiores de los molinos del tándem para mejorar el proceso de extracción (Jairo y cols, 2004). Estas presiones son aplicadas a través de actuadores óleo-neumáticos en las chumaceras de los ejes de maza superior creando efectos mecánicos (esfuerzos y desgaste) sobre todos los componentes. Aun así, protegen la idea de mantener aplicadas altas presiones a costa de todos los problemas que presentan las chumaceras (Jairo y cols, 2004), ignorando que a partir de ciertos valores no aumenta la extracción y si el consumo de energía del tándem (Hugot y cols, 1986). Más bien basan sus investigaciones en cómo reparar y evitar el desgaste de las mazas de los molinos por el par tribológico acero-bagazo (David y cols, 2013; Oliver y cols, 2007). Casanova (Casanova y cols, 2008) realizó estudios acerca de la incidencia de la aplicación de las presiones sobre el desgaste de las mazas de los molinos. En general, los resultados mostraron que, independientemente de la composición del material de la maza, cuando mayor es la presión hidráulica que se aplica en la maza superior es mayor la presión entre la superficie de contacto de las mazas y el bagazo, lo que propicia la rotura del rayado de las mazas. 36 1.6 Demanda de potencia del tándem de molinos Pérez (Pérez, E, 2003) señala que el aspecto más importante en los cálculos de la demanda de potencia de un molino no es la precisión de una u otra expresión de cálculo en comparación con los valores determinados por instrumentos en el transcurso de la operación del equipo. Aunque este aspecto no deja de ser importante, lo más importante es la relación entre el comportamiento de la demanda de potencia y el de factores operativos importantes como la velocidad, el ajuste (setting), las presiones hidráulicas y la correlación entre estos elementos y la demanda específica de potencia en relación con la caña molida y la fibra procesada por el molino, así como la eficiencia del equipo. Pérez (Pérez, E, 2003) desarrolló un método partiendo de la ecuación planteada por Hugot (Hugot y cols, 1986) que tiene en cuenta la situación más generalizada actualmente en el funcionamiento de un molino para el caso específico de Cuba que es la utilización de motores independientes para el movimiento de los conductores intermedios, esta decisión se ha tomado con vistas a hacer más flexible la operación de este conductor (Pérez, E, 2003). Con esto se hace necesario restar el valor de la potencia demandada por el movimiento de los conductores intermedios de la total que demanda el equipo motriz que mueve el molino, pues aunque esta potencia se sigue demandando, ya no se puede tener en cuenta como carga del motor principal (Pérez, E, 2003). También se ha generalizado el empleo de la cuarta maza o alimentador forzado en el molino, la cual recibe el movimiento desde la maza superior a través de una corona habilitada al efecto. Pérez (Pérez, E, 2003) agregó a la ecuación propuesta por Hugot (Hugot y cols, 1986) la demanda de potencia que requiere la cuarta maza y eliminó la demanda de potencia 37 requerida por el movimiento de los conductores intermedios y obtuvo una ecuación adaptada específicamente a las condiciones de los centrales de Cuba (1.7).                     L kk k F Dn N A .5,1063,0. 11 56 4,0 .34,1   donde: (1.7) F : Fuerza hidráulica total aplicada (tcortas). n : Velocidad de rotación de la masa superior (rpm). D : Diámetro promedio de los diámetros medios de las mazas (m).  : Eficiencia de la transmisión. A : Abertura específica de salida. k : Coeficiente de reabsorción. L : Longitud de las mazas (m). Esta ecuación es la más completa ya que tiene en cuenta elementos que influyen a la vez sobre la extracción y la demanda de potencia como son los ajustes del molino y el coeficiente de reabsorción. 1.7 Conclusiones parciales 1. Hay que considerar el proceso de extracción de la sacarosa de la caña de azúcar como un proceso combinado de lixiviación-compresión, y no solo de extracción del jugo por compresión. 2. Aunque en la literatura se reportan diversos modelos con distintos grados de complejidad que describen el proceso de extracción de la sacarosa de la caña de azúcar, en ninguno se puede derivar cómo racionalizar los valores de la presión 38 hidráulica a aplicar en los molinos del tándem sin afectar los por ciento de pol y humedad en el bagazo final. 3. Existe el criterio generalizado de que la aplicación de altas presiones hidráulicas en los molinos, favorece el proceso de extracción de la sacarosa de la caña de azúcar. 4. No existe un procedimiento para determinar las presiones hidráulicas a aplicar en el tándem, que tenga en cuenta el estado técnico de los molinos y las condiciones reales de operación del mismo. CAPÍTULO 2 MATERIALES Y MÉTODOS 39 2. MATERIALES Y MÉTODOS 2.1 Técnicas de laboratorio Las técnicas de laboratorio utilizadas para la determinación de los por cientos de fibra, por ciento de pol y por ciento de humedad fueron las establecidas como directivas por la dirección de calidad del grupo AZCUBA y recogidas en el documento oficial conocido como Manual de Análisis y Control Unificado (Sanfiel y cols, 2004). 2.2 Determinación del tiempo de retención del bagazo en el tándem Se marcó la caña preparada añadiendo cal sobre el colchón de bagazo en la entrada del primer molino del tándem, el bagazo adquiere un color amarillo verdoso. Se midió el tiempo que permaneció desde que entró al primer molino hasta que salió por el sexto. 2.3 Estudio del efecto de la preparación de la caña sobre el % pol y % humedad del bagazo residual y demanda de potencia del tándem El tándem de molinos tiene una capacidad de molida de 9 200 t/día (800 000 @/día), está compuesto por seis molinos de tres mazas con cuarta maza o maza alimentadora y tiene tolva alimentadora Donnelly en todos los molinos. Se analizan como variables dependientes: por ciento de pol, por ciento de humedad del bagazo residual y demanda de potencia del tándem, como variable independiente el índice de preparación de la caña. 40 Los valores de todas las variables se tomaron de los reportes diarios del laboratorio azucarero y la demanda de potencia del tándem por medio de un analizador de redes instalado en la planta eléctrica. Los análisis se realizaron en dos etapas, una primera etapa donde se operó el tándem con dos juegos de cuchillas y una segunda etapa donde se operó con tres juegos de cuchillas. El método estadístico utilizado en esta investigación fue una comparación de dos muestras independientes mediante prueba de hipótesis, con el objetivo de identificar si existe diferencia significativa entre las variables dependientes al trabajar con diferentes índices de preparación de la caña, el estadístico utilizado es la t de Student. Los primeros 32 días de la zafra se preparó la caña con dos juegos de cuchillas hasta que se logró poner en marcha el tercer juego de cuchilla. Después de la instalación de este se operó durante 58 días. Los últimos 24 días de la zafra se trabajó nuevamente con dos juegos de cuchillas, ya que por problemas mecánicos quedó fuera de servicio el que se había instalado. En la investigación, la hipótesis nula se plantea como la igualdad entre las medias (media2 (con dos juegos de cuchillas)=media3 (con tres juegos de cuchillas)) contra una hipótesis alterna que refiere la desigualdad entre las medias (media2≠media3).El índice de preparación de la caña promedio con dos juegos de cuchillas fue de 60,11 % y con tres juegos de cuchillas 74,03 %. Para analizar si existe diferencia significativa entre las variables dependientes (por ciento de pol, por ciento de humedad del bagazo residual y demanda de potencia del tándem) al trabajar con diferentes índices de preparación de la caña se tomó el nivel de confianza del 95 %. 41 2.4 Diseño factorial para el estudio del efecto de la imbibición sobre el % pol y % humedad del bagazo final a escala industrial El método estadístico utilizado en esta investigación fue un diseño factorial completo 22, diseñado y analizado con el software STATGRAPHICS Plus 5.1. Este diseño tuvo en cuenta dos variables independientes: temperatura del agua de imbibición y flujo del agua de imbibición, con dos variables dependientes: por ciento de pol y por ciento de humedad del bagazo residual, a dos niveles de presencia y dos experimentos en el nivel central para el estimado de la varianza (tabla 2.1). En el modelo se tomó el nivel de significación α=0,05. Variables controladas: Molida promedio 384 t/h. Materias extrañas promedio 10 %. Fibra en caña promedio 16 %. Presiones hidráulicas en los molinos uno y seis 19,3 MPa. Presiones hidráulicas en los molinos dos y cinco 17,9 MPa. Presiones hidráulicas en los molinos tres y cuatro 16,5 MPa. El nivel alto de temperatura se estableció en 75 ºC porque a valores superiores comienza la extracción de los no azúcares y el deslizamiento del bagazo sobre la superficie de los molinos. El nivel bajo en 37 ºC porque fue la temperatura mínima que se logró en el agua de imbibición. Los niveles del flujo se establecieron de acuerdo a las condiciones reales de operación del sistema de imbibición (tabla 2.1). 42 Tabla 2.1. Variables independientes y sus niveles de presencia Variables Nivel bajo (-1) Nivel central (0) Nivel alto (+1) Temperatura de imbibición (ºC) 37 56 75 Flujo de imbibición (t/h) 50 63 76 Los experimentos fueron realizados al azar según la matriz generada por el software y para disminuir el error se realizaron en dos bloques (tabla 2.2). Tabla 2.2. Matriz de los experimentos No Bloque Temperatura de imbibición Flujo de imbibición 1 1 1 -1 2 1 -1 -1 3 1 -1 1 4 1 0 0 5 1 1 1 6 1 0 0 7 2 1 -1 8 2 -1 -1 9 2 -1 1 10 2 0 0 11 2 1 1 12 2 0 0 2.4.1 Procedimiento para el desarrollo de los experimentos Se varió la temperatura y el flujo del agua de imbibición según el diseño factorial, esperando como mínimo tres minutos para que el tándem se ajustara a las nuevas condiciones de trabajo (dos minutos es el tiempo de retención del bagazo en el tándem). Luego se tomó una muestra del bagazo final a la salida del tándem. El bagazo fue muestreado a todo lo ancho del colchón, formando una muestra acumulativa de cinco kilogramos durante un tiempo de cinco minutos. Cada muestra fue guardada en una bolsa plástica y herméticamente cerrada. Finalmente, se le realizó a la muestra de bagazo los ensayos de por ciento de pol y por ciento de humedad. La muestra fue homogenizada y reducida por el método de paladas alternas (Burmístrova, 1977). 43 2.5 Estudio del proceso de lixiviación en tándem de molinos Este proceso ha sido insuficientemente estudiado como tal, ya que no se han encontrado publicaciones acerca de cómo se manifiesta el proceso de transferencia de masa de la sacarosa de la caña de azúcar desde el bagazo hasta el jugo mezclado, a pesar de que existen publicaciones sobre el proceso de imbibición (González y cols, 2010; Hugot y cols, 1986; Peacock y cols, 2009; Riera, 1996; Sevilla y cols, 1977) constituye una novedad el procedimiento para evaluar el proceso de lixiviación en la extracción de azúcar en tándem de molinos en la industria azucarera. La investigación se realizó en el tándem de molinos cañeros del central Majibacoa. Este tiene una capacidad de molida de 6 900 t/día (600 000 @/día). Está compuesto por seis molinos de tres mazas con cuarta maza o maza alimentadora y tiene tolva alimentadora Donnelly en todos los molinos. La caña muestreada en la investigación llegó por ferrocarril procedente de los centros de acopio y en carros por tiro directo. El primer molino del tándem (extrae aproximadamente el 70 % de la extracción del tándem (Barreiro, 2011; Jenkins, 1971)) es el encargado de suministrar el alimento (bagazo) a la etapa de extracción en húmedo. 2.5.1 Procedimiento para el desarrollo de los experimentos. Se marcó la caña con cal a la entrada del primer molino. Luego se tomó una muestra de bagazo a la salida de cada molino que interviene en el proceso de extracción en húmedo (exactamente en el momento en que se encuentra pasando por él la caña marcada con cal). El bagazo fue muestreado a todo lo ancho del colchón. Cada muestra se guardó en una bolsa plástica herméticamente cerrada, se homogenizó y fue reducida por el método de paladas alternas (Burmístrova, 1977). El tamaño de la muestra a experimentar fue de 44 200 g. La muestra de bagazo se comprimió en la prensa del laboratorio para extraerle el jugo que fue posible, se determinó la masa del jugo y la masa de la torta de bagazo prensada (la suma de ellos dos son los 200 g de la muestra). Al jugo se le determinó el Brix en el laboratorio. La torta de bagazo prensada se secó hasta llevar a peso constante y se le determinó la masa a la torta seca de bagazo obtenida y se calculó la masa de líquido retenido en la torta de bagazo prensada (masa de torta de bagazo prensado menos la masa de la torta seca). Variables controladas: Molida promedio 287,5 t/h. Fibra en caña promedio 15,4 %. Presiones hidráulicas en los molinos uno y seis 17,9 MPa. Presiones hidráulicas en los molinos dos y tres 16,5 MPa. Presión hidráulica en el molino cuatro 15,9 MPa. Presión hidráulica en el molino cinco 15,2 MPa. 2.6 Determinación experimental de la abertura del plano neutral entra la maza superior y la bagacera Como se planteó en el capítulo anterior la abertura del plano neutral es un factor muy importante a tener en cuenta en el cálculo del ajuste de los molinos, pues a partir de ese plano comienza el proceso de extrusión (Jenkins, 1971; Loughran, 1990). Después de ser sometido el bagazo al proceso de compresión en el molino, se toma una muestra y se lleva a la prensa del laboratorio. Se comprime lentamente hasta que aparezca la primera gota de jugo, y se determina el espesor de ese colchón de bagazo, ese espesor es el equivalente a la abertura hasta la cual se produce una compresión útil, 45 ya que a partir de ella no hay extracción en el molino. Por tanto, conceptualmente ese espesor determinado de manera experimental es el equivalente a la abertura del plano neutral, a partir del cual comienza el proceso de extrusión (Jenkins, 1971; Murry, 1996). En el molino existen dos aberturas de plano neutral, una entre la maza superior y la maza cañera y otra entre la maza superior y la maza bagacera. Para determinar la abertura del plano neutral entre la maza superior y la maza cañera es muy complejo tomar la muestra de bagazo debido a la presencia de la cuchilla y las altas presiones que en esa región existen. A continuación, se propone un procedimiento experimental para determinar la abertura del plano neutral entre la maza superior y la maza bagacera. 2.6.1 Procedimiento experimental para determinar la abertura del plano neutral del molino 1. Medir la altura del colchón de bagazo con una vara graduada de tope movible. Dicho tope se desliza hacia arriba (al introducirla verticalmente en el colchón de bagazo hasta topar la estera) en la misma magnitud que tiene la altura del colchón de bagazo. Esta operación se realiza varias veces en los extremos y centro del conductor de bagazo para obtener un valor promedio de la altura del colchón de bagazo. 2. Tomar muestra de bagazo en cada molino. El bagazo fue muestreado a todo lo ancho del colchón en cada molino, formando una muestra acumulativa de cinco kilogramos de bagazo durante un tiempo de cinco minutos. Cada muestra de bagazo fue guardada en una bolsa plástica y cerrada herméticamente. 3. Masa de bagazo a utilizar. La masa de bagazo a emplear en los experimentos, deberá ser similar a la de bagazo suelto contenida en un cilindro imaginario de altura igual a 46 la del colchón de bagazo sobre el conductor y diámetro igual al del cilindro empleado para prensar el bagazo en la prensa del laboratorio azucarero. Para aproximarse a ese modelo, se construyó un cilindro rígido (A) de altura igual al promedio de las descritas en el paso uno y diámetro igual al del cilindro que se utiliza para comprimir las muestras de bagazo en la prensa del laboratorio. La masa de bagazo suelto que puede contener este cilindro será introducida de una vez en el cilindro con que se realizan los prensados en la prensa del laboratorio (Gil, J M, 2011). 4. Reducir el tamaño de la muestra de bagazo por el método de paladas alternas (Burmístrova, 1977). 5. Llenar con bagazo el cilindro (A). 6. Pesar la masa contenida en el cilindro. 7. Depositar la masa de bagazo obtenida en el paso seis, en el cilindro de la prensa del laboratorio para compresión. 8. Colocar una escala milimetrada sobre el vástago del pistón que ejerce presión sobre el bagazo contenido en el cilindro que contiene el bagazo. El valor cero de la escala debe situarse en la base del cabo del pistón (Fig. 2.1). 9. Aplicar presión para comprimir lentamente al bagazo hasta que comience a salir la primera gota de jugo por los orificios del cilindro (Gil, J M, 2011; Sanfiel y cols, 2004). 10. En ese instante tomar la lectura del desplazamiento del pistón. 11. Calcular la abertura del plano neutral a partir de los datos experimentales según la ecuación (2.1).  lsHApn  (2.1) donde (Fig. 2.1): 47 Apn : Abertura del plano neutral experimental (m). H : Altura del cilindro (1,59 x 10-1 m). l : Lectura del desplazamiento del pistón a la aparición de la primera gota de jugo (m). s : Espesor de la base del pistón (3,6 x 10-2 m). Fig. 2.1. Esquema del cilindro-pistón donde se comprime el bagazo. 12. Repetir este procedimiento para cada molino. 2.7 Determinación experimental del coeficiente de reabsorción Se conoce que el coeficiente de reabsorción es la relación entre el volumen de bagazo que sale del molino y el volumen descrito por el molino (Hugot y cols, 1986; Jenkins, 1971; Murry, 1996), por tal motivo siempre será mayor que la unidad. En el proceso de compresión del bagazo en el molino existe un plano (plano neutral) donde cesa la extracción de jugo y a partir del cual comienza el proceso de extrusión hasta el plano axial (abertura dinámica de salida) (Jenkins, 1971; Murry, 1996). 2.7.1 Procedimiento para la determinación del coeficiente de reabsorción 1. Obtener de la dirección del área de molienda los valores de las aberturas dinámicas de salida de los molinos. 2. Determinar la abertura del plano neutral según el procedimiento expuesto en el 48 epígrafe 2.6.1. 3. Determinar el coeficiente de reabsorción según la ecuación (2.2): ADS Apn k  donde: (2.2) Apn : Abertura del plano neutral (espesor de saturación) (m). ADS : Abertura dinámica de salida (m). 2.8 Procedimiento para la aplicación de la investigación en tándem de molinos cañeros 1. Disminuir las presiones hidráulicas en los molinos intermedios del tándem. 2. Determinar la abertura del plano neutral experimental por el procedimiento propuesto en el epígrafe 2.6.1 para cada molino intermedio. 3. Determinar el coeficiente de reabsorción por el procedimiento propuesto en el epígrafe 2.7.1 para cada molino intermedio. El coeficiente de reabsorción debe ser como mínimo igual a la unidad, por tanto, al obtener el resultado si es mayor que uno volvemos a aplicar este procedimiento, o sea, de manera iterativa hasta lograr que se aproxime a la unidad. 2.9 Diseño factorial 2k para el estudio del efecto de las presiones hidráulicas en los molinos intermedios sobre el % pol, % humedad del bagazo residual y demanda de potencia del tándem El método de muestreo utilizado en esta investigación para determinar las magnitudes de las variables dependientes (por ciento de pol y por ciento de humedad en el bagazo final) fue, según un diseño factorial completo 24. Se utilizan sistemas mecánicos que garantizan la representatividad de las muestras y estas fueron recolectadas en el proceso mediante 49 el muestreo aleatorio de bagazo. Los datos experimentales fueron procesados con el software STATGRAPHICS Plus 5.1. En el modelo se tomó un nivel de significación α=0,05. La caña empleada en la investigación llegó por ferrocarril procedente de los centros de acopio y en carros por tiro directo. Para los experimentos, los carros con la caña fueron seleccionados al azar en el basculador. Los experimentos se realizaron en dos etapas: una preparando la caña con dos juegos de cuchillas y otra con tres juegos de cuchillas. En ambos casos fue disminuida la presión hidráulica en los molinos intermedios en 3,45 MPa (500 PSI) respecto la presión hidráulica de trabajo establecida en el tándem. En el diseño se consideraron tres variables dependientes: por ciento de pol, por ciento de humedad del bagazo final y la demanda de potencia del tándem, con cuatro variables independientes, presión hidráulica de los molinos intermedios: dos, tres, cuatro y cinco a dos niveles de presencia y cinco experimentos en el nivel central para el estimado de la varianza (tabla 2.3). Variables controladas Molida promedio 384 t/h. Materias extrañas promedio 10 %. Fibra en caña promedio 16 %. Temperatura del agua de imbibición 70 ºC. Preparación de la caña con dos juegos de cuchilla 60 %. Preparación de la caña con tres juegos de cuchillas 74 %. Nivel de imbibición Magua/Mfibra en caña=2. 50 Presiones hidráulicas en los molinos uno y seis 19,3 MPa. Los niveles altos de las variables independientes coinciden con los valores reales de operación establecidos por el central azucarero. Los niveles bajo son los valores a los que se pudo llegar debido a que existe el criterio de que el empleo de las altas presiones favorece el proceso de extracción de la sacarosa de la caña de azúcar (tabla 2.3). Tabla 2.3. Variables independientes y sus niveles de presencia Molino Presión hidráulica, MPa Nivel bajo (-1) Nivel central (0) Nivel alto (+1). Presión de trabajo establecida en el tándem por molino Molino 2 14,5 16,2 17,9 Molino 3 13,1 14,8 16,5 Molino 4 13,1 14,8 16,5 Molino 5 14,5 16,2 17,9 Los experimentos fueron realizados al azar según la matriz generada por el STATGRAPHICS Plus 5.1 y en dos bloques para disminuir el error, solo se representa un bloque, (tabla 2.4). Tabla 2.4. Matriz de los experimentos No Bloque Molino 2 Molino 3 Molino 4 Molino 5 1 1 1 1 1 -1 2 1 1 1 -1 -1 3 1 -1 1 -1 1 4 1 1 -1 -1 -1 5 1 -1 1 1 1 6 1 1 -1 1 -1 7 1 1 -1 1 1 8 1 -1 -1 1 1 9 1 -1 1 1 -1 10 1 0 0 0 0 11 1 1 1 1 1 12 1 -1 -1 1 -1 13 1 0 0 0 0 14 1 -1 -1 -1 -1 15 1 -1 -1 -1 1 16 1 1 -1 -1 1 51 17 1 0 0 0 0 18 1 -1 1 -1 -1 19 1 0 0 0 0 20 1 1 1 -1 1 21 1 0 0 0 0 2.9.1 Procedimiento para el desarrollo de los experimentos Se marcó la caña con cal a la entrada del primer molino y se midió el tiempo que permanece en el tándem. Esto tuvo como objetivo conocer el tiempo de retención de la caña en el tándem para luego de los cambios experimentales, dejar transcurrir un tiempo mayor que ese para que se ajustara a las nuevas condiciones de trabajo antes de tomar las muestras. Luego se fijó el flujo del agua de imbibición teniendo en cuenta la relación Magua/Mfibra en caña=2 y la temperatura en 70 ºC. Posterior a esto se variaron las presiones hidráulicas en los molinos intermedios (dos, tres, cuatro y cinco) según el diseño factorial. Para tomar la muestra de bagazo a la salida del tándem se esperó cinco minutos como mínimo para que el tándem se ajustara a las nuevas condiciones de trabajo. El bagazo fue muestreado a todo lo ancho del colchón, formando una muestra acumulativa de cinco kilogramos de bagazo durante un tiempo de cinco minutos. Cada muestra se guardó en una bolsa plástica herméticamente cerrada, se homogenizó y fue reducida por el método de paladas alternas (Burmístrova, 1977). Seguido de esto se tomó la lectura de la potencia demandada por el motor de cada molino en el analizador de redes y se realizó los ensayos de por ciento pol y por ciento de humedad a la muestra de bagazo en el laboratorio. 52 2.10 Diseño en bloque al azar para la evaluación industrial del efecto de la disminución de presión en los molinos intermedios del tándem La investigación se realizó en dos tándems de molinos cañeros de centrales diferentes con una capacidad de molida: el central “Antonio Guiteras Holmes” de 9 200 t/día (800 000 @/día) y el central “Majibacoa” de 6 900 t/día (600 000 @/día). Ambos tándems están compuestos por seis molinos de tres mazas, con cuarta maza o maza alimentadora y tolva alimentadora Donnelly en todos los molinos. El trabajo experimental se desarrolló sobre la base de un diseño estadístico de experimentos en bloques aleatorizados (Box y cols, 1978). Se emplearon dos tratamientos: Pi y Pi-∆P. Donde Pi fue la presión hidráulica de trabajo (PT) establecida en cada central azucarero para ser aplicada en cada uno de los i molinos de extracción en húmedo (i=2 a i=5) del tándem cañero. Pi-∆P fue la presión hidráulica experimental (PE). Donde la caída de presión ∆P fue de 3,45 MPa (500 PSI) para el tándem 1 (tabla 2.5) y de 2,07 MPa (300 PSI) para el tándem 2 (tabla 2.5). Tabla 2.5. Presiones a los que se desarrolló el experimento Molinos Presión hidráulica, MPa Antonio Guiteras Majibacoa PT PE PT PE Molino 1 19,30 19,30 13,80 13,80 Molino 2 17,90 14,45 16,50 14,43 Molino 3 16,50 13,05 16,50 14,43 Molino 4 16,50 13,05 16,90 14,83 Molino 5 17,90 14,45 17,20 15,13 Molino 6 19,30 19,30 17,20 17,20 PT: presión hidráulica de trabajo. PE: presión hidráulica experimental. Se tomaron como bloques intervalos de dos horas de trabajo del tándem y de ellos, uno para cada tratamiento. En cada central azucarero se realizaron los experimentos a la 53 misma hora, pero en distintos días, considerando que otras variables no controladas y la hora en que se realizaron los experimentos pudieran influir en los resultados. La aplicación de las presiones PT y PE se distribuyeron de forma aleatoria en los bloques. El diseño experimental quedó compuesto por nueve bloques, con dos tratamientos por bloque (tabla 2.6). Se consideraron como variables dependientes los por ciento de pol y por ciento de humedad en el bagazo final. Variables controladas Nivel de imbibición (masa de agua/masa de fibra en caña=2). Temperatura del agua de imbibición 70 ºC. Presiones en el primer y último molino de cada tándem (tabla 2.6). Tabla 2.6. Diseño estadístico de experimentos en bloques aleatorizados. No. Bloques Tratamie