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.
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 | Consumo máximo por |
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.
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
- Agua de alimentación a
calderas - Vapor consumido en los motores
primarios - Vapor consumido en el proceso
tecnológico - Escapes a la atmósfera por válvulas, tuberías y equipos de
proceso - Limpieza y desinfección de
sistemas
mediante equipos auxiliares: sopladores de hollín,
escobas de tachos, etc. - Limpieza y desinfección de
sistemas mediante mangueras: desinfección de
tándems. - Calentamiento de jugos en calentadores
líquido-líquido. - Extracción del calor de rechazo en
enfriaderos y torres de enfriamiento - Enfriamiento de chumaceras
- Preparación de productos
químicos - Dilución de mieles
- Imbibición
- Lavado de centrífugas
- Lavado de la torta de los
filtros
- Uso de agua vinculada indirectamente al proceso
productivo
- Como medio de enfriamiento en los enfriadores
ínter y post etápicos de los compresores
de aire para el
sistema neumático de control. - Sistema contra incendios
- Enfriamiento de tomamuestras y sistemas
afines. - Sistemas de protección e higiene
vinculados al proceso. - Sistemas de regeneración de la planta de
tratamiento de aguas - Planta eléctrica
- 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
- 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 |
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.
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.
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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.