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La problemática del consumo de agua en la industria azucarera




Enviado por jfpuerta



    1. Resumen
    2. Desarrollo
    3. Conclusiones
    4. Bibliografía

    RESUMEN

    Según el criterio de algunos investigadores
    actualmente se consume mucha agua en la industria azucarera, lo
    que constituye un serio problema para algunos países
    debido a lo limitado de su recurso agua. La disponibilidad de
    agua potable
    para consumo doméstico se va tornando en un problema muy
    serio para las generaciones actuales y futuras, y en esta
    competencia
    entra a formar parte, también, el agua que
    se consume en los procesos
    industriales. La industria azucarera puede alcanzar altos
    volúmenes de consumo de agua que incluyen hasta casi 141
    kg/TC molidas como máximo. En el trabajo
    los autores analizan las causas fundamentales que inciden en
    estos niveles de consumos, al igual que se ofrecen algunas
    sugerencias para el análisis científico de los mismos.
    La combinación de dichas sugerencias con la atención a las causas que se detallan
    puede contribuir decisivamente a mejorar el balance de aguas de
    esa industria.

    INTRODUCCION

    La industria depende en alto grado de un
    abastecimiento adecuado de agua que se utiliza como componente
    de productos,
    ó de manera indirecta en el control del
    proceso de
    producción, como en el enfriamiento de
    máquinas que generan calor
    ó en la higienización de determinadas operaciones y
    partes del proceso productivo.

    Sin embargo, el agua es un recurso medio ambiental de
    importancia capital para
    el hombre en
    sus diferentes actividades tanto domésticas, como
    comercial, industrial y otras. Según Steel y McGhee (1)
    los niveles de uso del agua en los países desarrollados
    pueden caracterizarse por la tabla siguiente:

    Concepto de uso

    Consumo medio diario por persona en litros/dia

    Doméstico

    300

    Comercial

    100

    Industrial

    160

    Otros

    100

    Total

    660

    En los últimos años el consumo de agua
    ha aumentado a razón de 1 a 1,5% por año,
    fundamentalmente, en los países desarrollados. A pesar
    de que el 71 por ciento de la superficie del planeta
    está cubierto por mares y océanos, la cantidad de
    agua dulce disponible para usos industriales, agrícolas,
    domésticos y de algún otro tipo es limitada, ya
    que tan sólo alcanza al 0,003 por ciento..

    En los países subdesarrollados el consumo de
    agua puede alcanzar cifras muy inferiores, un estudio realizado
    por el Banco
    Mundial (1) para las áreas rurales de los
    países en vías de desarrollo y
    distribuidos por zonas geográficas muestra las
    siguientes cifras:

    REGION

    Consumo mínimo por
    persona l/d

    Consumo máximo por
    persona l/d

    Africa

    15

    35

    Sudeste asiático

    30

    70

    Pacífico Occident.

    30

    95

    Mediterráneo

    40

    85

    Latinoamérica

    70

    190

    Intervalo normal

    35

    90

    La Comisión Nacional de Ecología de
    México publicó el Informe de
    la situación general en Materia de
    Equilibrio
    ecológico y protección al ambiente
    donde ofrece los porcentajes en materia de extracción y
    consumos de agua potable así como de descargas de aguas
    residuales de los nueve principales giros industriales de
    México (2). Por la importancia que tienen estos datos para las
    consideraciones de este trabajo se
    muestran a continuación:

    Industria

    Extracción (%)

    Consumo (%)

    Descarga (%)

    Azucarera

    35,20

    22,3

    38,8

    Química

    21,70

    24,4

    21,0

    Papelera

    8,20

    16,1

    6,0

    Petróleo

    7,20

    3,7

    8,2

    Bebidas

    3,30

    6,4

    2,4

    Textil

    2,60

    2,4

    2,7

    Siderurgia

    2,50

    5,5

    1,7

    Eléctrica

    1,50

    4,7

    0,7

    Alimentos

    0,20

    0,3

    0,2

    Como puede verse en la tabla anterior es precisamente
    la industria azucarera la que tiene un mayor consumo de agua
    vinculada al proceso productivo en general, al mismo tiempo que
    elevadas pérdidas al medio
    ambiente. Si se toma en cuenta que con la masa de
    caña que llega al ingenio el 70 por ciento de la misma
    es agua, es completamente irracional que dicha industria
    obtenga esas cifras, siendo explicable solamente por una falta
    de control total sobre este recurso energético y medio
    ambiental en este tipo de industria. Esta es la razón
    por la cual el objetivo de
    este trabajo es un acercamiento más a este problema,
    donde los autores recogen algunas de sus experiencias sobre
    mediciones y estudios realizados en relación con
    él.

    DESARROLLO

    Los estudios relacionados con el consumo de agua en
    las fábricas de azúcar comenzaron a desarrollarse hace
    muchos años, así se encuentran algunos reportes
    en el libro de
    Noel Deer del siglo XIX, y con posterioridad en otras
    publicaciones tanto de los siglos XX como en los años
    transcurridos del siglo XXI. La característica
    más común en todos estos estudios es el enfoque
    parcial hacia alguno de los aspectos del proceso, por ejemplo
    el porcentaje de uso de agua de imbibición, ó la
    visión de alguno de los aspectos del subsistema, tal es
    el caso del sistema de
    condensado. (3,4).

    Caracterización del problema.

    En mucho de esos reportes, aunque no en todos, resulta
    completamente imposible contraponer unos resultados contra
    otros, ya que faltan algunas informaciones de interés.
    Mucho más recientemente los investigadores Prof.
    Rubén Espinosa (5) y el Dr. Héctor Pérez
    de Alejo (6) han logrado acercarse al tema ofreciendo datos,
    cifras y balances de agua, que constituyen sin lugar a dudas
    valiosos referentes para estudios posteriores de mayor
    envergadura.

    El uso del agua en los ingenios azucareros depende de
    varios factores, siendo los más importantes los
    vinculados con la disponibilidad, calidad y
    temperatura
    de la misma. De esta forma es posible establecer las diferentes
    categorías siguientes:

    • Uso del agua vinculada directamente con el proceso
      productivo
    1. Agua de alimentación a
      calderas
    2. Vapor consumido en los motores
      primarios
    3. Vapor consumido en el proceso
      tecnológico
    4. Escapes a la atmósfera por válvulas, tuberías y equipos de
      proceso
    5. Limpieza y desinfección de
      sistemas
      mediante equipos auxiliares: sopladores de hollín,
      escobas de tachos, etc.
    6. Limpieza y desinfección de
      sistemas mediante mangueras: desinfección de
      tándems.
    7. Calentamiento de jugos en calentadores
      líquido-líquido.
    8. Extracción del calor de rechazo en
      enfriaderos y torres de enfriamiento
    9. Enfriamiento de chumaceras
    10. Preparación de productos
      químicos
    11. Dilución de mieles
    12. Imbibición
    13. Lavado de centrífugas
    14. Lavado de la torta de los
      filtros
    • Uso de agua vinculada indirectamente al proceso
      productivo
    1. Como medio de enfriamiento en los enfriadores
      ínter y post etápicos de los compresores
      de aire para el
      sistema neumático de control.
    2. Sistema contra incendios
    3. Enfriamiento de tomamuestras y sistemas
      afines.
    4. Sistemas de protección e higiene
      vinculados al proceso.
    5. Sistemas de regeneración de la planta de
      tratamiento de aguas
    6. Planta eléctrica
    7. Talleres mecánicos destinados a las
      reparaciones y fabricación de piezas.
    • Uso de agua no vinculada al proceso
      productivo

    1.Sistemas sanitarios y de higiene de recursos
    humanos auxiliar al proceso

    1. 2. Facilidades temporales al proceso

    3. Otros consumos asociados por estrategias de
    microlocalización.

    Los autores de este trabajo han encontrado mediante la
    aplicación de la Estadística a variados reportes de
    aplicación formados por diferentes investigadores en
    cuanto a las cantidades de agua de reposición tratada
    y/o los porcentajes de agua de reposición los valores
    siguientes:

    Agua de reposición tratada: Valor medio:
    68,45 kg/TC. Desviación S: 39,22

    Valor máximo: 140,7 kg/TC. Valor mínimo:
    18,5 kg/TC.

    Porcentaje de agua de reposición: Valor
    medio: 11,71 Desviación S: 5,79

    Valor máximo: 21,25 Valor mínimo:
    3,0

    La creciente diferencia entre las cifras indica que
    existe una gran variedad de factores que incide sobre los
    mismos, y aún más, el alza de las desviaciones
    típicas demuestra una elevada dispersión entre
    los datos que ha conformado los estudios antes
    mencionados.

    En fecha reciente apareció publicado el
    artículo de Castro y Oropesa y R. Espinosa sobre
    Gestión Energética en un central
    azucarero no electrificado (7) donde detallan los guarismos
    encontrados por ellos para algunos consumos de agua que
    presenta este ingenio:

    • Producción de condensados puros: 55,8
      T/h
    • Déficit de condensados puros: 5,4
      t/h
    • Porcentaje de agua de reposición:
      8,8%
    • Producción de condensados contaminados: 66,7
      T/h
    • Agua de imbibición: 28,2 T/h
    • Agua para limpieza de tortas de filtros: 3,0
      T/h
    • Agua para centrifugación: 1,1
      T/h
    • Agua de dilución de mieles: 3,5
      T/h
    • Agua lechada de cal: 3,5 T/h

    En estudios muchos más recientes (8) los
    investigadores que escriben este artículo encontraron la
    influencia de los niveles de molida sobre la cantidad de agua a
    reponer y que se resumen en la siguiente tabla:

    Molida (T/día)

    2472,5

    2645,5

    2760,5

    3220

    Agua a reponer (T/h)

    5,06

    3,95

    2,07

    0,34

    De igual forma también se ha estudiado durante
    los procesos de remodelación de ingenios azucareros para
    alcanzar mayores cantidades de entrega de energía
    eléctrica marginal la influencia que tiene sobre el
    balance de agua el paso a través de etapas que se
    corresponden con el paso hacia esquemas termoenergéticos
    más eficientes:

    ETAPA

    AGUA A REPONER
    (T/H)

    I

    5,06

    II

    4,99

    III

    4,75

    IV

    1,70

    V

    1,30

    Esto sugiere la idea que durante el proceso de
    remodelación de esquemas termoenergéticos para
    conseguir mayores eficiencias térmicas y/ó
    mejores cantidades de entrega energía eléctrica
    marginal hay que tomar en cuenta durante las diferentes
    etapas-esquemas transitorios por los que se pasa disponer de
    mejores disponibilidades en lo que al balance
    general de agua se refiere.

    Según todas estas consideraciones los autores
    proponen un modelo
    matemático que toma en cuenta la influencia de los
    niveles de molida – [X expresado en T/día] – sobre la
    cantidad de agua a reponer – [Y expresado en T/h] – y que se
    resume en la siguiente ecuación:

    Y = 20,2 – 0,006253 X

    Factores fundamentales que influyen en el consumo
    de agua de un ingenio

    Las causas que influyen ó determinan el consumo
    de agua en un ingenio azucarero son de diferente naturaleza,
    y algunas de ellas están muy estrechamente relacionadas.
    A continuación señalamos aquellas que han sido
    completamente caracterizadas durante los diferentes estudios
    ó diagnósticos realizados en diferentes
    fábricas de azúcar.

    • Estabilidad y régimen de molida
      horaria.
    • Calidad de la materia
      prima.
    • Esquema térmico y su integración entre motores primarios y
      equipos tecnológicos.
    • Estado del aislamiento térmico.
    • Estado del sistema de recuperación,
      conducción y almacenamiento del condensado.
    • Control de los salideros.
    • Coordinaciones operacionales.
    • Cantidad y temperatura del agua de
      imbibición.
    • Control del agua para limpieza y
      enfriamiento.
    • Limpieza de los molinos y de las diferentes
      áreas de la fábrica.
    • pH del jugo clarificado.
    • Control de la cantidad de agua para la
      preparación de productos químicos.
    • Temperatura del jugo a la salida de los
      calentadores.
    • Brix de la meladura y de las masas
      cocidas
    • Caída de pureza entre las MC y sus
      mieles.
    • Pureza de la semilla.
    • Presión del vapor de escape.
    • Limpieza de los equipos.
    • Control del agua para filtros y
      centrífugas.
    • Estrategia de operación de los
      tachos.
    • Vacío en evaporadores y tachos.
    • Control del agua de inyección a los condensadores barométricos.
    • Temperatura del agua de alimentación a
      calderas y
      calidad de la misma.
    • Aprovechamiento del fenómeno de la
      autoevaporación en los sistemas de
      evaporación.
    • Buena selección y mantenimiento del sistema de trampas de
      vapor.
    • Sistema de control para un mayor aprovechamiento de
      los condensados de evaporadores y calentadores.
    • Control de las pérdidas de vapor a la
      atmósfera.
    • Buen punto de ajuste de las válvulas de
      seguridad.
    • Control del agua de dilución de
      mieles.
    • Separación de los tanques de almacenamiento
      de condensado según la calidad de los
      mismos.
    • Contaminación de los condensados por
      factores de diseño u operacionales.
    • Empleo de condensados ajenos a la finalidad
      prevista.
    • Falta de control en los sistemas de toma de
      muestras.
    • Salideros en los sistemas de protección e
      higiene del trabajo.

    El desarrollo de una agroindustria azucarera
    diversificada y con esquemas flexibles de producción, al
    igual que el desarrollo de las producciones de derivados,
    induce a un incremento en el nivel de contaminación, que puede ser eliminado
    ó atenuado con un adecuado uso y rehuso del agua de
    proceso y la aplicación de los diferentes tratamientos
    que protejan el medio ambiente (9).

    No obstante las causas ya señaladas, una
    acción administrativa inmediata tiene que
    estar dirigida a la eliminación de las dificultades
    operacionales en la industria que con más frecuencia se
    presentan en todos los diagnósticos de consumos
    energéticos y de agua que se realizan en los ingenios
    azucareros. Los problemas
    operacionales más frecuentes son los que se especifican
    a continuación:

    • No lograr uniformizar el régimen horario de
      molienda.
    • Utilizar una cantidad mayor de equipos de los
      necesarios para la norma de molida horaria que se ha
      establecido.
    • El desaprovechamiento de las aguas
      condensadas.
    • La subutilización de las capacidades propias
      para la generación de energía eléctrica
      ó mecánica.
    • La instalación de motores
      eléctricos de una capacidad excesiva, lo que puede
      ocasionar una mayor demanda de
      vapor.
    • No aprovechamiento de las máximas
      capacidades operativas potenciales de los evaporadores de
      múltiple efecto.
    • La molida de caña de azúcar de baja
      calidad y con un alto índice de materias
      extrañas.
    • Indisciplina tecnológica, descuido y falta
      de control en la operación de hornos y
      calderas.
    • Uso inadecuado y descuidado del vapor en los
      equipos de procesos.

    Estos problemas operativos pueden influir con muy
    diferente grado sobre los niveles de consumo de agua en la
    industria productora del azúcar de
    caña.

    El consumo de agua y la integración
    energética.

    Las estrategias de desarrollo
    sustentable requieren soluciones
    para suplir los servicios
    energéticos básicos de la generación
    presente, preservando el medio ambiente y las posibilidades
    para las generaciones futuras de satisfacer sus propias
    necesidades, por lo que la propuesta de alternativas de
    integración del ingenio con otras producciones puede ser
    una vía eficaz de solución de esas
    estrategias.

    Durante los análisis relativos al estudio del
    proceso de integración energética de un ingenio
    azucarero con una fábrica de papel (10) se
    caracterizaron las siguientes premisas:

    • Satisfacer las necesidades energéticas
      (calor y potencia)
      de ambas fábricas durante todo el
      año.
    • Asegurar el consumo de bagazo como materia prima
      para la papelera.
    • Aprovechar las instalaciones de desmedulado del
      bagazo de que dispone el central para reducir en un 30% el
      contenido de médula que este posee.
    • Utilización de la paja de caña con
      fines combustibles.
    • Secado del bagazo.
    • Extracción del jugo de los filtros del
      proceso azucarero para producir el alcohol
      que la papelera pudiera emplear para el pulpeo del
      bagazo.
    • Esquema único integrado de demanda y uso del
      agua.
    • Considerar la integración como un
      área energética única para ambos
      procesos en territorio del ingenio.
    • Contribuye al mejoramiento del entorno de esa
      comunidad
      mediante la reducción de contaminantes y
      residuales.

    En otros estudios donde precisamente se desarrolla el
    proceso de integración energética entre un
    central azucarero y una destilería se ha encontrado
    déficit en el balance de agua de hasta aproximadamente
    28 T/h a pesar de lo factible de dicho proceso en el orden
    energético, con lo que se vuelve a confirmar la tesis de la
    influencia del proceso y del esquema térmico en cuanto
    al consumo de agua, por lo tanto de ahí la necesidad de
    asumir como premisa la integración del esquema demanda –
    consumo en la que el "water – pinch" ó la
    aplicación del "método
    heurístico de análisis" pueden ser herramientas
    útiles para tal fin (11).

    Sugerencias para el mejoramiento del balance de
    agua en un ingenio.

    Dado lo complejo que resulta el problema del consumo
    de agua en la industria azucarera es posible establecer un
    conjunto de sugerencias para mejorar substancialmente las
    condiciones del balance de agua en un ingenio azucarero. El
    basamento fundamental de esas sugerencias está orientado
    según tres direcciones fundamentales: el uso
    según las categorías descritas en este mismo
    trabajo, las causas fundamentales que influyen en el consumo de
    agua en el ingenio y la filosofía operacional de operar
    bien, con profesionalidad y sin pérdidas e impactos
    ambientales manteniendo en el nivel más alto la eficiencia
    termoenergética de la fábrica.

    • Aplique el sistema de Gestión Total
      Eficiente de la Energía para el recurso
      agua.
    • Desarrolle un esquema de diagnóstico del recurso agua para la
      fábrica.
    • Formule las condiciones para la aplicación
      de la herramienta "water pinch" a la industria.
    • Desarrolle dicha herramienta para concebir mejoras
      en los esquemas de uso y rehuso del agua.
    • Establezca regímenes de molida altos y
      estables.
    • Perfeccione la operación energética y
      del uso del vapor mediante manuales
      normativos.
    • Adopte en la medida de las posibilidades y de forma
      gradual esquemas de evaporación-cocción y
      calentamiento más eficientes.
    • Mejore operativamente la eficiencia en las plantas
      generadoras de vapor incluyendo también modificaciones
      en los hornos y la introducción de nuevos elementos en
      calderas.
    • Desarrolle métodos de control
      rigurosos.

    CONCLUSIONES

    El agua es uno de los elementos más importantes
    de la naturaleza y que no siempre se usa de la forma más
    racional posible. Debido a la creciente demanda de agua por
    parte de la población, es necesario tomar medidas de
    inmediato para el problema del abastecimiento de agua. La
    mayoría de las opciones resultan muy costosas, por lo
    que más bien es necesario, reducir el desperdicio
    mediante la implementación de medidas legales y hacer
    más eficiente, en general, todos los procesos donde se
    requiere agua (uso industrial, doméstico,
    agrícola, etc.)

    Actualmente, el costo real
    del agua es mayor de lo que cuesta el servicio, ya
    que implica un conjunto de factores que normalmente no se
    consideran. El desarrollo
    sostenible, según se ha definido, implica pagar los
    costos reales
    de los servicios y del recurso.

    BIBLIOGRAFIA

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      algunos factores agroindustriales que afectan la
      cogeneración en ingenios azucareros. Tesis de
      Doctorado. Universidad de Cienfuegos.

     

     

     

    Autor:

    Dr. C. Juan A. Castellanos Alvarez

    Doctor en Ciencias
    Técnicas, Ingeniero Químico.
    Profesor
    Titular Facultad de Ingeniería Mecánica, Universidad de
    Cienfuegos, CUBA.

    Dr. C. Félix González
    Pérez

    Doctor en Ciencias Técnicas. Ingeniero
    Termoenergético, Profesor Asistente, Facultad de
    Ingeniería Mecánica, Universidad de Cienfuegos.
    CUBA.

    Dr. C. Juan F. Puerta Fernández

    Doctor en ciencias Técnicas, Ingeniero
    Termoenergético. Profesor Auxiliar, Facultad de
    Ingeniería Mecánica. Universidad de Cienfuegos..
    CUBA.

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