Utilización de la vinaza de destilería como fluidizante para pastas crudas de cemento

1. Resumen
3. Descripción del
   proceso
4. Análisis de los
   resultados
5. Conclusiones
6. Bibliografía

Resumen

En el presente trabajo se hace un estudio técnico
económico sobre el uso de la vinaza procedente de la
destilería Paraíso, como fluidizante para pastas
crudas de cemento, dada
la proximidad geográfica de la fábrica de cemento
húmedo "Siguaney" situada a 12 Km de distancia. De esta
forma se obtiene un ahorro de 185
kcal/kg clínker al obtenerse una pasta con 34 % de
humedad, medida en la escala de feel
Smith.

Para su análisis se consideran dos alternativas:
transporte por
carretera y la construcción de un mostoducto,
formándose 12 combinaciones posibles en cuanto a material
a utilizar, tipo de transporte y
capacidad de producción.

La alternativa más factible fue el transporte por
tuberías de asbesto cemento, con un diámetro de 8
pulgadas. Es el más factible económicamente(VAN
positivo y período de retorno menor de dos años),
aunque habría que hacer un análisis más exhaustivo en cuanto a
la agresividad del medio y a las propiedades del cemento
necesarias para lograr mayor resistencia en el
clínker ; también es necesario tener en cuenta
el costo ambiental
causado al medio y el impacto positivo por este concepto.

Introducción

Las vinazas de destilería son los residuales de
mayor agresividad y carga orgánica que genera la industria
azucarera en su conjunto (MINAZ. 1995), los que se producen en
una proporción de 12 a 15 l por cada litro de alcohol
producido y una agresividad de 60 000 a 150 000 mg DQO/l, casi
mil veces mayor que la permitida por la normatividad.
  La solución de esta problemática debe
apoyarse fundamentalmente en medidas para la reducción del
volumen y
agresividad de los mostos y alternativas de aprovechamiento como:
utilización en el biogas, recirculación de un % de
vinaza a la fermentación, fertilizante orgánico,
en la obtención de proteína celular,
concentrándolo para alimento animal. Se ha determinado,
sin embargo, que no hay respuestas sencillas para una
solución técnica y económicamente adecuada
en el problema de la vinaza. Investigadores americanos de
la empresa
Bacardí de Puerto Rico,
brasileños, venezolanos, mexicanos, cubanos, se han dado a
la tarea, desde hace más de 20 años de estudiar las
soluciones
más viables, técnica y económicamente, y es
posible afirmar que una solución global se torna muy
difícil. En caso de que no se considere el procesamiento
de la vinaza para su recuperación y venta de productos
derivados, el tratamiento para el control de
la
contaminación de la vinaza repercutirá en el
precio del
alcohol
anhidro o del 96 % por su elevado costo. (Campos
1995)

 En la fábrica de cemento Siguaney se han
realizado estudios por varios años en la
utilización de la vinaza como fluidizante de pastas crudas
de cemento en sustitución del agua, estudios
más recientes hechos sobre esta alternativa se
abordarán en el presente trabajo.

Desarrollo 

Descripción
del proceso:

La industria de
cemento se encuentra considerada, dentro de las ramas productivas
de nuestro país, como una de las más grandes
consumidoras de energía en todas sus formas, incidiendo
estos altos consumos como uno de los componentes fundamentales en
el costo de fabricación del producto.

 En la fábrica de cemento Siguaney se
utiliza el proceso
húmedo para la fabricación de cemento Portland, con
un consumo de
energía de 1250-1400 Kcal/Kg clínker. En este tipo
de proceso la materia prima
después de triturada se prepara fundamentalmente a base de
agua, con el
objetivo de
lograr una buena homogenización y fácil
transportación. Luego pasa al molino de bolas , donde se
adiciona el mineral de Fe, obteniéndose una pasta cruda o
fango, constituida por un conjunto de granos sólidos
arcillos-calcáreos en suspensión con el agua. Por
esto presenta propiedades reológicas que la diferencian de
los fluidos corrientes : agua, aire, que son
newtonianos, ella pertenece al grupo de los
fluidos plásticos
y posee una resistencia
física de
plasticidad. Esto significa que hay que aplicar un esfuerzo de
cizallamiento superior a un valor
límite para que la pasta pueda fluir. Es por todo lo
planteado que se diluye la arcilla con una cantidad de agua
mínima que permita una fluidez de 3,5 cm- 3,7 cm en la
escala de Feel
Smith.

 Luego esta pasta es bombeada hacia los silos ,
donde se analiza y se dosifica (76 %de CaCO3),
vertiéndola en unos homogenizadores. Posteriormente, es
alimentada a los hornos, en los cuales sufre una serie de
transformaciones y reacciones mediante el uso de temperaturas
elevadas (140-1500oC) . Por último, sale el
clínker , enfriándose en enfriadores de parrillas,
se almacena varios días y seguidamente es molido con un 5
% de yeso para obtener el cemento.

 Las reacciones que ocurren en el horno son muy
diversas y están determinadas por la humedad de la pasta a
la entrada. Los calores que por tanto intervendrán ,
serán los siguientes :

 Q1 : calor de formación del
clínker.

Q2 : calor que se
pierde con el CO2.

Q3 : calor que se
pierde con el clínker.

Q4 : calor necesario para evaporar
el
agua.

Q5 : calor para
sobrecalentar.

Q6 : calor perdido con los gases de
combustión.

Q7 : calor que se pierde por radiación.

 De todos estos calores, variarán con el %
de humedad en la pasta Q4 y Q5.,
obteniéndose nomograma () que es mostrado en el
anexo 1. El % de
humedad en la pasta cruda de cemento debe estar alrededor del
34-36 % , valores por
encima llevarían a un aumento del consumo de
combustible.

 Una alternativa para disminuir el % de humedad en
la pasta consiste en la utilización de aditivos
denominados fluidizantes , los cuales permitirían
alcanzar el % de fluidez necesario con un menor contenido de agua
en la pasta. El empleo de
estos aditivos es rentable solamente si la economía realizada en
el combustible ( menos agua para evaporar), es superior al gasto
de compra del fluidizante y de transportación.
()

 Pruebas
industriales realizadas en la fábrica de cemento Siguaney
de Sancti Spíritus, utilizando vinaza de la
destilería El Paraíso como fluidizante permitieron
obtener la fluidez necesaria con 34 % de humedad en pasta ( 6 %
menos que la normal), además de incorporar sólidos
en el horno, permitiendo, por estas dos razones una
disminución en el consumo de combustible.

 El mosto, como también se le conoce, es un
desecho viscoso, de color carmelita
oscuro. Muy corrosivo a temperatura y
concentraciones altas, por lo que se dificulta su
transportación y almacenamiento.
Sus características varían de acuerdo a
la materia prima
utilizada y a la eficiencia del
proceso.

 A continuación presentamos una
caracterización recogida en la literatura (MINAZ.
1995) :

 Tabla 1: Características de la vinaza de una
destilería cubana.

  En la destilería los mostos son
vertidos a un sistema de
lagunas que, producto de la
alta carga orgánica y el mal funcionamiento, producen
malos olores, fundamentalmente durante la noche. Unido a esta
problemática la escasez de áreas de riego que le
permitan el uso del suelo para su
disposición final ha ocasionado contaminaciones al
río y al suelo.

Alternativas para la transportación de la
vinaza:  

La destilería "El Paraíso" se encuentra a
12 Km. de la fábrica de cemento Siguaney, las vías
para el traslado de mosto son:

• Ferrocarril.
• Automotor. (Transporte por carretera)
• Mostoducto.(Transporte por
  tubería)

Ferrocarril: La línea que une estas
fábricas sigue un recorrido de 16 Km. Se plantea por
directiva dirigida al Taller del MINAZ Provincial de que
sólo para distancias grandes, a partir de 60 Km es
factible el ferrocarril. Esta alternativa tiene además el
inconveniente de que se necesitarían 50 vagones de 60 000
l de capacidad, valorando tiempo de carga,
descarga, movimiento y
roturas, a un precio
estimado en $ 30 000 (MN) cada uno, sería necesario un
capital
inicial de $1 500 000.

Además presenta el inconveniente de la
descomposición en los vagones del mosto, provocando
molestias y cambios en su composición.

Carretera: Es necesario utilizar pipas
recubiertas en su interior con acero engomado
debido a las características del mosto. Se necesitan 5
pipas de 20 m3 de capacidad, a un precio de $ 48 000
USD cada una, según información brindada por DIVEP. Para los
cálculos se tomó un índice de consumo de
combustible de 0,51 l/Km., a un precio de $0,2405 USD/l,
(Transporte MINAZ).

Mostoducto: Para su análisis, se
realizaron los siguientes estudios técnicos:

1. Estimado del perfil de bombeo, teniendo en
   cuenta las curvas de nivel, con el fin de llegar a un
   compromiso entre el camino que ocasionará el menor
   impacto
   ambiental, ya que debe atravesar campos de caña,
   lomas, poblados, río, etc y el mínimo costo de
   bombeo. Se revisaron mapas
   topográficos a diferentes escalas: 1: 10 000, 1: 20 000,
   1:5000 y fotos del
   área, con la colaboración de GEOCUBA.
2. Selección del material, la información recogida en la
   bibliografía (Gil, 1989 y Vilurbina, 1990)
   propone la utilización de materiales
   no conductores de la electricidad:
   plásticos, cerámicos, amianto,
   cementos con características especiales y otras
   sustancias inertes. Para el trabajo
   se escogieron, por su disponibilidad, costo y durabilidad:
   asbesto cemento, PVC (policloruro de vinilo) y fibra de
   vidrio.
3. Selección del diámetro
   óptimo, la utilización del diámetro
   óptimo de conducción permite reducir el consumo
   energético, puesto que una tubería
   infradimesionada provoca, entre otros efectos, un exceso de
   consumo energético en el bombeo. Son varios los
   criterios reportados por la literatura
   (Pérez, 1966; IDAE, 1989) para su
   determinación, dentro de ellos IDAE,
   1989 y González, 1987 se refieren a la
   obtención de fórmulas que relacionen el costo
   total con un rango de diámetros seleccionados, de
   acuerdo al Límite práctico de velocidad de
   agua en tubería que no es prudente sobrepasar
   (Pavlov, 1981. El óptimo obtenido vendrá
   dado por:

Para ver el gráfico seleccione la
opción "Descargar" del menú superior

, el cual puede ser determinado gráficamente o
analíticamente.

De esta forma, con el objetivo de
encontrar la variante más atractiva económicamente
y ambientalmente, se forman todas las combinaciones posibles en
cuanto a materiales,
modo de transportación y capacidad de producción:

• Proyecto # 1. Asbesto cemento, 500 t clínker
  diario.
• Proyecto # 2. Asbesto cemento, 1000 t clínker
  diario.
• Proyecto # 3. Asbesto cemento, 1500 t clínker
  diario.
• Proyecto # 4. PVC, 500 t clínker
  diario.
• Proyecto # 5. PVC, 1000 t clínker
  diario.
• Proyecto # 6. PVC, 1500 t clínker
  diario.
• Proyecto # 7. FV, 500 t clínker
  diario.
• Proyecto # 8. FV, 1000 t clínker
  diario.
• Proyecto # 9. FV, 1500 t clínker
  diario.
• Proyecto # 10. Carretera, 500 t clínker
  diario.
• Proyecto # 11. Carretera, 1000 t clínker
  diario.
• Proyecto # 12. Carretera, 1500 t clínker
  diario

 El análisis de la Alternativa más
factible se realizó con la ayuda del STORM a partir de los
siguientes criterios :

• Tasa de Eficiencia
  (TE)
• Período de recuperación.
• Valor Actual neto. 

Análisis
de los resultados : 

Siguiendo la metodología explicada anteriormente se
obtuvo gráficamente el diámetro óptimo para
cada material : 

 Los resultados, tabulados a
continuación (anexo 1) ,
muestran que de los tres materiales analizados, la fibra de
vidrio presenta
el mayor capital fijo
invertido seguida por PVC y el asbesto cemento,
correspondiéndose con el precio de los materiales :
74, 39 y 1.5 $/m de tubería, respectivamente.

 En la comparación entre los tres
materiales (anexo 2) se obtienen mejor resultados para el
asbesto cemento(AC) en las tres variantes analizadas (1horno, 2
hornos y tres hornos), con el inconveniente de ser el material de
menor resistencia a la corrosión del medio. El PVC y la fibra de
vidrio son más resistentes pero la inversión se recupera en 10 años o
más, trabajando la fábrica a plena capacidad , lo
cual no ha ocurrido nunca en los últimos 4
años. 

El Van siempre fue positivo para AC y el período
de recuperación es menor a dos años. El transporte
por carretera fue factible para las 3 variantes , el Van se
mantuvo positivo y el período de recuperación
oscila entre 1 y 5 años. Los resultados del
análisis económico y de factibilidad se
muestran los anexos 3 y 4, respectivamente.

 Concluyendo, el transporte por tubería es
el más factible económicamente, aunque
habría que hacer un análisis más exhaustivo
en cuanto a la agresividad del medio y a las propiedades del
cemento necesarias para lograr mayor resistencia en el
clínker . También es necesario tener en cuenta
el costo ambiental causada al medio y el impacto positivo por
este concepto. Este
estudio en caso de no ser beneficioso ambientalmente para el
mostoducto, nos llevaría a utilizar la vía
automotriz, comprándose 4 pipas de acero engomado.
 

Sin embargo, es muy difícil hacer un
análisis económico, donde se tengan en cuenta todos
los factores ambientales afectados, no solo los del tipo
físico químicos, ecológicos y
socioeconómicos, sino también el impacto causado
sobre la salud
pública: la calidad sanitaria
del ambiente,
servicios de
salud, población. La realización de las
relaciones causa-efecto de tipo estrictamente cuantitativo son
imposibles , "en esto coinciden todos los técnicos, pero
los administradores quieren una mayor concreción de los
datos, la
frialdad de un número". El francés Danzanvilliers
(1990) puso el dedo en la llaga, cuando al analizar el impacto
medioambiental de las autopistas, abogó decididamente por
las evaluaciones cualitativas diciendo: "no es
científicamente demostrable que un impacto en un elemento
sea, por ejemplo, 3 veces mayor que el otro…".

 Conclusiones

1. La alternativa de Transporte por tuberías del
   mosto de la destilería Paraíso para utilizarlo
   como fluidizante en la Fábrica de cemento Siguaney, con
   12 Km de recorrido, alcanzó el costo mínimo para
   tubos con un diámetro de 0,201; 0,129 y 0,129 m con
   materiales de: Asbesto Cemento, Fibra de Vidrio, y PVC,
   respectivamente.
2. La utilización del mosto como fluidizante en
   la fábrica de cemento Siguaney permite ahorrar
   anualmente $219 348.7159, $438 697.4318 y 658 046.1477, para
   una producción de uno, dos y tres hornos,
   respectivamente, sobre la base de una disminución de la
   humedad de la pasta con igual nivel de fluidez.
3. La utilización de un mostoducto de asbesto
   cemento fue la alternativas más atractiva
   económicamente de acuerdo a los criterios
   dinámicos estudiados.

 Bibliografía : 

2. Torres Triana, A."Nomogramas que facilitan el balance
   térmico de los hornos de cemento".Rev.
   Energía.1987.
3. Cost Engineering in the process industries edited by
   Cecil H. Chilton and the Staff of Mc Graw Hill Book
   Company.
4. Warring, R. H. ."Selección de bombas,
   sistemas y
   aplicaciones". Edit. Babor. SA.
5. Corripio A.. "Estimate cost of centrifugal pumps and
   electric motors ". Originally published fbruary,
   1982.
6. Brasil acucareiro. "Ensayo de
   perdida de carga para vinaza de destilería".
   1981

1.  MINAZ. 1995. "Tratamiento de los desechos de
   las fábricas de producción de alcohol a partir de
   mieles de caña de azúcar mediante la recuperación de
   levadura Saccharomyces y la producción de
   biogás". Ciudad de la Habana.

 Autor:

Mr Sc Lisbet Mailin López
González

Dra María Teresa Hernández
Nodarse

Mr Sc Zenaida Herrera Rodríguez