DISEÑO DE LA PLANTA AUTOMATIZADA PARA FABRICACIÓN DE

DISEÑO DE LA PLANTA AUTOMATIZADA PARA FABRICACIÓN DE ALCOHOLES
CARBURANTES A PARTIR DE LA CAÑA DE AZÚCAR
Diana Consuelo Gómez
Alan Hurtado
Olga Liliana Sanchez
Jose Diaz
Álvaro René Restrepo
e-mail: [email protected]
e-mail: [email protected]
e-mail: [email protected]
e-mail: [email protected]
e-mail : [email protected]
Departamento de Electrónica, Instrumentación y Control.
Universidad del Cauca
Resumen:
Este artículo presenta el diseño de una
planta
automatizada
de
alcohol
carburante a partir de la caña de
azúcar, con el fin de brindar una
alternativa a los pequeños empresarios
de trapiches paneleros que deseen
hacer del alcohol carburante un
producto paralelo a su proceso
productivo.
Abstract:
This article presents the design of an
automated plant of alcohol fuel starting
from the cane of sugar, with the
purpose of offering an alternative to the
small panela managers that want to
make of the alcohol fuel a parallel
product to its productive process.
Palabras clave: alcohol carburante,
automatización, diseño, control.
1. INTRODUCCIÓN
Es necesario destacar que en el mundo
entero, el alto nivel de contaminación
del aire en los principales centros
urbanos, llevó a las autoridades a
extremar las medidas de control y
previsión, tanto en los requisitos
exigidos para las condiciones de
operación
de
los
motores
de
combustión interna, como en las
exigencias en la formulación de los
combustibles.
Este fue uno de los motivos que tuvo
en cuenta el Congreso de la República
para expedir la Ley 693 de septiembre
19 de 2001, cuyo objeto es controlar la
contaminación del aire mediante el uso
de oxigenantes en las gasolinas, y así
reducir la contaminación producida por
los motores de combustión interna.
Igualmente,
establece
que,
las
gasolinas que se utilicen deberán
contener un 10% de alcohol carburante
[1].
El objetivo es reducir la emisión de
gases tóxicos al medio ambiente y
mejorar la calidad de vida de los
colombianos. Además esta estrategia
permitirá fomentar la producción
agrícola, ya que en Colombia está
prevista la obtención de etanol con
base en la destilación de la caña de
azúcar, papa, remolacha y maíz.
Es así, como en el Valle del Cauca,
Cauca y Risaralda, se desarrollaron
proyectos para la producción de alcohol
carburante, gracias al dinamismo e
interés de los principales ingenios
azucareros, que decidieron hacer una
gran inversión en un proyecto con
futuro [2]. Pero, que tan costoso y
rentable es para pequeños productores
de papa, remolacha, maíz o panela la
producción de alcohol de buena
calidad?
El Proyecto de Ingeniería que
se
plantea busca
responder a esta
pregunta, aplicando la automatización
de procesos, en el diseño de una
planta de destilación de alcohol
carburante a partir de la caña de
azúcar, que produzca alcohol de
calidad, pero que al mismo tiempo se
ajuste a la capacidad de producción de
los trapiches paneleros asociados en
COPROINCAUCA y que se acople al
proceso productivo ya existente.
2. FUNDAMENTACIÓN TEÓRICA

Sistemas de Control
Conjunto racional y sistemático de
equipos
(sensores,
actuadores,
amplificadores,
computadoras,
algoritmos, etc.) e intervención humana
que permite operar el sistema
controlado con asistencia del sistema
de control mismo.
Se distinguen 3 CLASES generales de
requerimientos que se satisfacen con
sistemas de control:
a. Eliminar
la
influencia
de
perturbaciones externas
b. Asegurar la estabilidad del proceso.
c. Optimizar el proceso.
Todas
las
clases
pueden
ser
satisfechas (en principio) por cualquiera
de los algoritmos (y configuraciones) de
control típico.

¿Por qué debemos controlar las
unidades de proceso?
- Manutención del punto de operación
Si un proceso (una Planta) es visto
como un conjunto de operaciones
(equipos) inteligentemente conectadas,
entonces la manutención del punto de
operación del proceso global (la Planta)
se podría satisfacer manteniendo una
consigna
determinada
en
cada
operación. El punto de operación
requerido puede ser simple (un cierto
pH o una cierta temperatura) o
complejo (una cierta rentabilidad).
- Satisfacer restricciones de:





Seguridad (Presión, Temperatura,
Composición, etc entre un máximo
y un mínimo de seguridad)
Especificaciones (es decir, control
de la calidad de una variable ; no
sólo cantidad)
Regulación Ambiental (efluentes,
emisiones, residuos sólidos)
Restricciones operacionales para
cada equipo u operación (alturas de
tanques, potencias a las bombas)
Economía
óptima
(frente
a
materiales cambiantes, energías a
tarifa cambiante, etc.)
La manutención de nivel y temperatura
de un simple tanque está sujeta a
perturbaciones en la temperatura de
entrada del vapor y el caudal de carga
al tanque.
- Aspectos de Diseño
Entre las múltiples decisiones que se
deben adoptar al diseñar un sistema de
control de la dinámica de un sistema,
figura en un lugar preponderante la
elección de los sensores y actuadores
a utilizar. En un nivel de análisis
superficial, considere una columna de
destilación de una simple mezcla
binaria de pentano (destilado) y hexano
(fondo). El objetivo de control podría
ser la manutención del destilado, en
una concentración del 95 (± 2)% molar.
La primera posibilidad será la
utilización de un sensor de composición
para medir la concentración de pentano
en el destilado y utilizar control
feedback
(retroalimentado)
para
manipular la tasa de reflujo como lo
indica la figura 1.
3.1 Instrumentación de cada etapa:
A continuación se presenta la
Instrumentación seleccionada para
cada etapa:
3.1.1 Recepción de materias primas
Para la recepción de materias primas,
el control implementado consiste en la
preparación de la melaza:
Figura 1: control de una columna de
destilación.
Tal decisión presupone que el
diseñador debe conocer la dinámica de
la operación (en este caso, una
columna de destilación)[3].
3. DISEÑO
En la figura 2, se presenta las
diferentes fases del proceso en una
planta de alcohol incluido el tratamiento
de la vinaza:
Figura 3: Instrumentación
preparación de las melazas
Figura 2. Diagrama de Flujo
Producción de Alcohol Carburante
de
En esta figura se observa que el
proceso se divide en seis etapas, el
despacho de alcohol y el tratamiento de
la vinaza no hacen parte de este
proyecto, las etapas restantes serán
instrumentadas a continuación…
para
la
[4].La preparación de la Melaza se
realiza debido a que todo proceso de
fermentación requiere previamente una
preparación del sustrato a fermentar y
una adecuación de la materia prima a
las necesidades del metabolismo
celular de la levadura. El proceso de
Preparación de la Melaza comienza por
el control preciso de la alimentación de
melaza y su pre-dilución con agua
(corrientes 1 y 10) en el mezclador
continuo "Mx- 313 ". Se precalienta en
contra corriente con el mosto
pasterizado en el cambiador "E- 350"
para posteriormente pasteurizar a 95ºC
con inyección de vapor directo en "E310". Después de una filtración y de la
adicción de nutrientes y corrección de
pH, se enfría y diluye a las
concentraciones previstas para la
fermentación aeróbica, 9 y anaeróbica,
7.
3.1.2 Fermentación
3.1.3 Destilación
Para la Fermentación la propuesta que
hacemos para su instrumentación es la
siguiente:
La figura 5 presenta el diagrama en
bloques del proceso de destilación:
Figura 5: Diagrama de Flujo Destilación
En este diagrama se observa que se
necesitan tres columnas de destilación
con su respectiva instrumentación.
La
figura
6,
presenta
la
instrumentación de cada columna de
destilación:
Figura 4: Instrumentación Propuesta
para la Fermentación.
El proceso de fermentación mostrado
en la figura 4, consiste en desarrollar
permanentemente a partir de un mosto
de baja concentración la levadura que
se utilizará para la fermentación
alcohólica no recuperándose después
la levadura sobrante.
Las cubas madres siempre se airean
(fermentación aeróbica) El medio
fermentado que producen constituirá la
biomasa de levadura que será enviada
a la cuba de fermentación bajo el
nombre de "pie de levadura". Las
cubas de fermentación de volumen
mayor que las cubas madre nunca se
airean (fermentación anaeróbica), se
alimentan
con
un
mosto
de
concentración alta una vez trasvasado
el pie de levadura.
Las fermentaciones producen un
desprendimiento de calor (reacciones
exotérmicas) por lo que siempre hay
que
disponer
un
sistema
de
enfriamiento de las cubas.
Figura 6: Instrumentación Propuesta
para la columna de destilación.
Una columna de destilación típica debe
estar dotada de los equipos auxiliares e
instrumentación necesarios para su
correcto funcionamiento y control.
3.1.3 Destilación
Para la deshidratación la propuesta
que se hace para su instrumentación
es la presentada en la figura 7.
Figura 7: Instrumentación Propuesta
para el proceso de deshidratación.
La técnica más atractiva y menos
costosa para deshidratar una mezcla
de alcohol-agua para concentraciones
en el entorno 93 a 96% vol, en la
adsorción en fase vapor mediante
tamices moleculares utilizando el
procedimiento PSA (pressure-swingadsorption)
alcanzándose
concentraciones alcohólicas de hasta
99,9 % en volumen.
3.2 Instrumentación
Para el diseño, se propusieron tres
alternativas o cotizaciones de la
instrumentación planteada, de la cual
después del estudio técnico económico
se eligió la alternativa que se presenta
en la tabla 1:
EQUIPO
Tanque Industrial
Subterráneo
Basculas
con
celdas de carga
Cantida
d
1
2
FABRICANT
E
Straras
3000lts. Peso
279 kg
Sensortronix.
2204 Digital
Load
Cell
Module
Tanque Industrial
de disolución
1
Mezclador
continuo
Intercambiador
de Calor
Controlador de
Flujo
SensorTransmisor
de
Flujo
Cuba Madre
3
Cuba
de
fermentación 1
Cuba
de
Fermentacion2
Controlador de
PH
1
Columnas
de
destilación
Controlador de
nivel
Control de flujo
3
Tamiz Molecular
2
Tanque Industrial
1
Válvulas
5
Leeners 500
lts
Leeners 1000
lts
Leeners 300
lts
Controlador
de pH de dos
salidas
y
Montaje
en
Panel
ARMFIELD
UOP3
Sarandi
Tecnical S.A
OptaFlow®
Serie 8500
Changxing
Molecular
sieves group
Staras
5000lts, peso
341
Leads
bombas
8
NEUMANN
2
1
1
1
1
1
1
1
Straras
2000lts. Peso
279 kg
PHLAUER
BOWMAN
LTD.
OptaFlow®
Serie 8500
Signet 8550-2
Tabla 1. Alternativa de Instrumentación
elegida
3.3 Integración del Proyecto
En los puntos anteriores se describe el
proceso de producción de alcohol
carburante
y
la
instrumentación
necesaria para su realización. En la
figura 2, se observa que el proceso se
divide
generalmente seis etapas
principales, de las cuales el despacho
de alcohol y el tratamiento de la vinaza
no hacen parte del diseño, Cada una
de las etapas restantes cuenta con un
número de equipos determinados y su
respectiva instrumentación de control:
- Descarga y almacenamiento de ---------materia prima.
- Fermentación
- Destilación
- Deshidratación
Para integrar el proceso de producción
y tener control total sobre las variables
de este, se planteó la instalación una
red industrial profibus, que interconecte
cada de los equipos primarios de
control
a esta, permitiendo que
mediante un programa supervisorio se
tenga conocimiento del estado de cada
una de las variables del proceso y así
mismo se pueda integrar la planta a
los departamentos gerenciales y de
esta
manera
se puede
hacer
seguimiento al cumplimiento de las
metas de producción.
4. RESULTADOS OBTENIDOS
A través del desarrollo de este proyecto
obtuvimos el diseño de la planta
Automatizada del alcohol carburante
para COPROINCAUCA, que consta de:
-
El diseño de Instrumentación y
control e toda la planta de
producción.
-
La
instrumentación
y
maquinaria
debidamente
seleccionada
por
sus
características
técnicas
y
beneficios económicos.
-
EL modelo de distribución de la
Planta de alcohol.
-
El diseño de Acometidas, de
energía eléctrica, agua, y vapor.
-
El diseño de Luminarias.
3.4 Plano de la planta
Después de desarrollar el diseño de
acometidas, distribución de planta y
demás, se presenta el plano, vista
superior, de la planta diseñada; ver
figura 8.
Figura 8: Plano general de la planta
diseñada.
5. CONCLUCIONES
-
El
proyecto
es
viable
económicamente
para
sus
destinatarios
directos:
empresarios
paneleros
asociados a COOPROINCAUCA.
-
El modelo de la distribución de
La planta de producción es la
base de un buen diseño de la
planta de producción.
-
A través del control de las
variables de este proceso
productivo se puede lograr
alcohol carburante de muy
buena calidad.
-
La
división
del
proceso
productivo en bloque facilita el
diseño del control y la
instrumentación necesaria para
el proceso.
-
La Integración tanto horizontal
como piso techo en la planta es
de vital importancia para lograr
la
automatización
de
la
empresa.
VI. REFERENCIAS
[1] www.centrodenoticias.gov.co
[2]www.minminas.gov.co/minminas/abc
[3] MUTHER, Richard. Dinámica y
control de sistemas. Editorial Hispano
Europea. Barcelona (España).
[4] www.tomsa.es /catalogo
[5] (Art.1), derogando, de paso, el
artículo 11 de la ley 83 de 1.925.
[6]www.corpodib.com/noticias_espanol.
htm