diseÑo del servicio para el sistema de vapor de la …
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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
CIUDAD DE MÉXICO, DICIEMBRE 2017
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA QUÍMICA E INDUSTRIAS
EXTRACTIVAS
DISEÑO DEL SERVICIO PARA EL SISTEMA DE VAPOR
DE LA MÁQUINA EXTRUFOOD.
PRÁCTICA PROFESIONAL
PARA OBTENER EL TÍTULO DE
INGENIERO QUÍMICO INDUSTRIAL
PRESENTA:
KAREN AIDEE RODRIGUEZ GARNICA
ASESOR INTERNO:
M. en E. ANA MARÍA ATENCIO DE LA ROSA
2
Reconocimientos
Al Instituto Politécnico Nacional
Gracias por haberme formado como profesionista, así como mujer de bien, para ser útil a
una sociedad que exige personas preparadas que ayuden a salir adelante al país.
A la escuela Superior de Ingeniería Química e industrias extractivas
Gracias por haberme permitido desarrollar mi carrera profesional y por haberme preparado
para enfrentar los retos que día a día demanda mi profesión, con altas y bajas, sin duda
alguna una de mis mejores vivencias.
3
Agradecimientos
Una de las mejores virtudes de la vida es que la podemos compartir y disfrutar con quienes
amamos, podemos ayudar y guiar a muchas personas si ellos lo permiten, pero también
podemos ser ayudados y guiados durante nuestra vida, por eso mismo, mediante estos
agradecimientos, quiero exaltar la labor de mi familia, maestros sinodales, de mi novio
Manuel Arreola y mi amigo Eduardo Franco, quienes con respeto y dedicación realizaron
aportes a este proyecto.
También agradezco al Ing. Daniel Ramírez, quien fue el responsable de mi preparación
profesional dentro de la industria y quien me apoyo en el desarrollo de este proyecto, no
solo como ingeniero sino también como un gran amigo.
4
Autorización del tema
5
6
CONTEIDO
Índice de figuras ...................................................................................................... 9
Índice de tablas ...................................................................................................... 11
Índice de ecuaciones ............................................................................................. 12
Objetivo ................................................................................................................... 15
Resumen ................................................................................................................. 16
Introducción ........................................................................................................... 17
Capítulo I. Antecedentes en la elaboración de confitería ................................... 19
1.1 Clasificación de confitería ............................................................. 19
1.1.1 Caramelo duro ................................................................. 20
1.1.2 Caramelo suave o masticable ......................................... 20
1.1.3 Caramelos o pastillas de goma ....................................... 21
1.2 Materias primas tradicionales ........................................................ 22
1.2.1 Edulcorantes ................................................................... 22
1.2.2 Emulgentes ..................................................................... 22
1.2.3 Ácidos .............................................................................. 22
1.2.4 Colorantes ....................................................................... 23
1.3 Proceso de elaboración tradicional del regaliz .............................. 24
Capítulo 2 Descripción del proceso de dulce de regaliz a partir de la máquina
Extrufood. ............................................................................................................... 27
2.1 Proceso de la máquina Extrufood ................................................. 27
2.1.1 Extrusión ......................................................................... 30
2.1.2 Cambiador de pantalla .................................................... 31
2.1.3. Diemix ............................................................................ 32
7
2.1.4 Matrices ........................................................................... 33
2.1.5 Estaciones de cera .......................................................... 34
2.1.6 Túnel de enfriamiento ...................................................... 35
2.1.7 Impregnación de azúcar .................................................. 35
2.1.8 Cortadoras de guillotina ................................................... 36
Capítulo 3 Diseño del sistema de vapor .............................................................. 37
3.1 Alimentación de vapor general a la máquina Extrufood ................ 38
3.1.1 Cabezal de vapor ............................................................ 39
3.1.2 Dimensión de línea principal de distribución de vapor a
proceso ..................................................................................... 43
3.1.3 Diseño de flexibilidad y dilatación .................................... 47
3.1.4 Análisis de soportería ...................................................... 51
3.1.5 Pierna colectora y final de línea ...................................... 54
3.1.6 Dimensionamiento de derivaciones de vapor hacia cada
máquina Extrufood ................................................................... 59
3.1.7 Reducción de presión ...................................................... 60
3.1.8 Dimensionamiento de línea secundaria después de
reguladora ................................................................................ 70
3.2 Consumo de vapor, etapa de enfriamiento ................................... 72
3.3 Consumo de vapor, etapa de impregnación de azúcar ................. 78
3.3.1 Filtro culinario, grado alimenticio ..................................... 81
Conclusiones y trabajos futuros ............................................................................... 85
Anexos ..................................................................................................................... 86
Anexo 1. Reporte fotográfico de la ejecución en campo ..................... 86
8
Anexo 2. Planos .................................................................................. 90
Anexo 3. Resumen financiero ............................................................. 94
Anexo 4. Norma FDA .......................................................................... 95
Referencias ............................................................................................................. 96
9
Índice de figuras
Figura 1. 1 Producción de confitería, (legiscomex, 2009). .................................................. 19
Figura 1. 2 Diagrama con la clasificación de dulces de azúcar, elaborado por Karen
Rodríguez, 2017 ................................................................................................................. 20
Figura 1. 3 Dulce típico de regaliz. ..................................................................................... 21
Figura 1. 4 Diagrama general de proceso de elaboración tradicional de regaliz, elaborado
por Karen Rodríguez, 2017. ............................................................................................... 26
Figura 2. 1 Confitería manufacturada por Extrufood. (Extrugroup, 2017) ........................... 28
Figura 2. 2 Etapas de la máquina Extrufood , (Extrugroup, 2017) ...................................... 29
Figura 2. 3 Etapa de extrusión, (Extrugroup, 2017) ............................................................ 30
Figura 2. 4 Sistema de detección de partículas sólidas, (Extrugroup, 2017) ...................... 31
Figura 2. 5 Etapa de mezclado de sabores, texturas y colores, (Extrugroup, 2017) .......... 32
Figura 2. 6 Matrices Fijas y rotativas para variar las formas del dulce de regaliz, (Extrugroup,
2017) .................................................................................................................................. 33
Figura 2. 7 Estación de cera, (Extrugroup, 2017) ............................................................... 34
Figura 2. 8 Túnel de enfriamiento y cámara de impregnación de azúcar, (Extrugroup, 2017)
........................................................................................................................................... 36
Figura 3. 1 Típico de cabezal de distribución, elaborado por Karen Rodríguez 2016 ........ 39
Figura 3. 2 Criterios de dimensionamiento de pierna colectora de cabezal, (Spirax Sarco
2007) .................................................................................................................................. 40
Figura 3. 3 Determinación de dimensiones de omegas, (Spirax Sarco 2007) ................... 49
Figura 3. 4 Largo de omega, (Spirax Sarco 2007) ............................................................. 50
Figura 3. 5 Diagrama de tubería con punto fijo, punto de anclaje y dispositivo de expansión,
(Spirax Sarco 2007) ........................................................................................................... 51
Figura 3. 6 Instalación incorrecta de pierna colectora (Spirax Sarco 2007) ...................... 55
10
Figura 3. 7 Instalación correcta de pierna colectora, (Spirax Sarco 2007) ........................ 55
Figura 3. 8 Típico de instalación de final de línea, (Spirax Sarco 2007) ............................ 57
Figura 3. 9 Típico de cuadro de regulación, (Spirax Sarco 2007) ...................................... 61
Figura 3. 10 Instrumentación de cuadro de regulación general, elaborado por Karen
Rodríguez ........................................................................................................................... 71
Figura 3. 11 Funcionamiento de UMA, obteida de Munters ............................................... 72
Figura 3. 12 Funcionamiento de un deshumidificador de vapor, obtenida de (Master climate
solutions, 2017) .................................................................................................................. 74
Figura 3. 13 Válvula de control modulante, modelo VUG015F324, marca SAUTER, obtenida
de (SAUTER , 2010) ........................................................................................................... 75
Figura 3. 14 Instrumentación para la etapa de enfriamiento, elaborado por Karen Rodríguez
........................................................................................................................................... 77
Figura 3. 15 Equipo de inyección de vapor de la máquina Extrufood, obtenida de
(Extrugroup, 2017) .............................................................................................................. 78
Figura 3. 16 Filtro culinario, grado alimenticio, (Spirax Sarco 2007) ................................. 81
Figura 3. 17 Dimensionamiento de filtro culinario, (Spirax Sarco 2007) ............................ 82
Figura 3. 18 Típico de instalación de filtro culinario, (Spirax Sarco 2007) ......................... 83
Figura 3. 19 Instrumentación, para impregnación de azúcar, elaborado por Karen Rodríguez
........................................................................................................................................... 84
11
Índice de tablas
Tabla 3. 1 Datos de operación de la máquina Extrufood .................................................... 37
Tabla 3. 2 Diámetros de accesorios instalados en cabezal de vapor ................................. 42
Tabla 3. 3 Dimensión de tuberías por caída de presión-Línea general de distribución ...... 46
Tabla 3. 4 Coeficiente de expansión térmica (mm/m°C*10-3), (Spirax Sarco 2007) ......... 47
Tabla 3. 5 Dilatación térmica en tramos rectos de líneas principales de distribución. ........ 48
Tabla 3. 6 Datos de dimensionamiento de omega ............................................................. 50
Tabla 3. 7 Distancias para la instalación de soportaría recomendadas de acuerdo con el
diámetro y posición de la tubería. (Spirax Sarco 2007) ..................................................... 53
Tabla 3. 8 Dimensionamiento de pierna colectora de condensados, (Spirax Sarco 2007) 58
Tabla 3. 9 Determinación flujo crítico, subcritico, proceso .................................................. 63
Tabla 3. 10 Cv, de válvula reductora de presión ................................................................ 64
Tabla 3. 11 Válvula 211 Capacidades de descarga de vapor saturado en kilos por hora (kg/h)
........................................................................................................................................... 68
Tabla 3. 12 Tabla de dimensiones para válvula de seguridad 211 ..................................... 69
Tabla 3. 13 Factores de corrección de capacidad por elemento filtrante ........................... 83
Tabla A-1. 1 Reporte fotográfico de ejecución en campo ................................................... 86
12
Índice de ecuaciones
Número
de
ecuación
Ecuación
1
Donde:
D = Diámetro cm
Q = Flujo de vapor kg/h
V = Velocidad del vapor m/s
= Volumen especifico a la P (7 kgf/cm2) de operación m3/kg
2
𝐽 = 0.029𝑄1.95 ∗
0.95
𝐷5.1
Donde:
J= Pérdida de presión Kgf/cm2
Q= flujo de vapor Kg/h
= Volumen especifico a la P de operación m3/kg
D= Diámetro de la tubería cm
V
QD
*283.0
*
13
3
Expansión (mm)= L *T *
Donde:
L = Longitud de la tubería (m)
T= Diferencia de temperaturas entre temperatura ambiente y de
operación (°C)
= Coeficiente de expansión (mm/m °C x 10-3)
4
Donde:
Q= Consumo de vapor kg/h
CV= Capacidad de caudal de válvula
p1= Aguas arriba kgf a/cm2
p2= Aguas abajo kgf a/cm2
p= Caída de presión kgf a/cm2
5
Donde:
= Capacidad de descarga Kg/h
Kv= Capacidad de apertura de la válvula reductora de presión
)21(*92.11 ppp
QCV
2
1
.
)42.0(*67.51(***12 xpkvm
.
m
14
X=Caída de presión 𝑝1−𝑝2
𝑝
p1= Presión tomada aguas abajo Kgf a/cm2
p2=Presión de alivio Kgf a/cm2
6
Factor de conversión=𝐹𝑙𝑢𝑗𝑜 𝑑𝑒 𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 𝑎 𝑒𝑞𝑢𝑖𝑝𝑜𝑠 /2
𝑡𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑢𝑑𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝑔𝑟á𝑓𝑖𝑐𝑎
15
Objetivo
Proponer, diseñar e instrumentar el servicio del sistema de
vapor para la máquina Extrufood, que permita obtener y
mantener la efectividad operativa de la máquina,
aprovechando de la mejor manera las propiedades del
vapor.
16
Resumen
Dentro de la clasificación de los dulces de goma o blandos, se encuentran los dulces de
regaliz, los cuales son elaborados a base de glucosa y sacarosa, además de aditivos como
lo son: emulgentes, colorantes y ácidos. Dentro del proceso de elaboración tradicional se
encuentran cinco etapas, que consisten en la extrusión, la cocción, el enfriamiento, la
adición de azúcar, picante y aceites y finalmente el empaquetado.
Actualmente su elaboración industrial está innovando con la implementación de nueva
maquinaria que facilita el proceso. Esta maquinaria, llamada Extrufood realiza las mismas
etapas que el proceso tradicional, pero de forma continua en un solo equipo, adicionando
tres etapas más que permiten la mezcla de colores y la creación de distintas formas en la
extrusión, obteniendo 32 m de dulce por minuto.
Dentro de las etapas de la máquina Extrufood, dos de ellas requieren vapor para cumplir
con sus funciones. La primera es la etapa de enfriamiento, en la que el vapor se utiliza para
calentar aire que pasa dentro de un túnel en el que está en contacto con las tiras de regaliz
para bajar la temperatura después de la cocción. La segunda etapa es la impregnación de
azúcar, para lo cual el vapor se utiliza para humedecer las tiras y que sea más fácil lograr
su impregnación.
Para alimentar vapor a las líneas de proceso es necesario diseñar la instrumentación del
sistema, desde el cabezal de vapor para su posterior distribución y uso final. Este diseño
debe cumplir con las condiciones de proceso, la seguridad operacional y las normas de
inocuidad, que permitan obtener ahorros de instalación y un producto de calidad, a buen
costo.
17
Introducción
Dentro de los productos de confitería en México se encuentran los chocolates, chicles y los
dulces (dulces de caramelo suave, duro y de goma), siendo estos últimos los de mayor
producción en nuestro país, ocupando un 67.3%. Dentro de los dulces de goma se
encuentran las tiras de regaliz, de los cuales solo existe un solo productor en México. Para
su elaboración, es necesario que reciba cinco tratamientos, que consisten en la extrusión,
cocción, enfriamiento, impregnación de azúcar y empaquetado.
La cocción del caramelo de goma se puede realizar a fuego directo, con carbón, gas oil, gas
butano, resistencias eléctricas o bien a través del vapor. En cuanto al enfriamiento este se
puede llevar a cabo utilizando aire, a través de un ventilador y calentándolo usando
nuevamente vapor.
Para el proceso antes descrito, años atrás se requería de diversos equipos por los cuales
se hacía pasar el producto, esto involucraba tener líneas individuales de suministro de
combustible. Sin embargo, actualmente se ha logrado cumplir con todo el proceso utilizando
un solo equipo llamado, máquina Extrufood. Esta máquina utiliza vapor en dos de sus
etapas; impregnación de azúcar y enfriamiento.
El objetivo es proponer, diseñar e instrumentar el servicio del sistema de vapor para la
máquina Extrufood, que permita obtener y mantener la efectividad operativa de la máquina,
aprovechando de la mejor manera las propiedades del vapor.
18
El hecho de poder procesar la materia prima, en un solo equipo, involucra diversos
beneficios, entre los que destacan el ahorro económico, ya que no es necesario usar tubería
e instrumentación para cada equipo, además de la reducción de espacio.
El diseño del sistema de vapor de la máquina Extrufood se limita a una línea de producción
de dulces de goma de una compañía confitera, dicho diseño incluye los siguientes alcances:
Cálculo de demanda de vapor necesaria para las condiciones de operación
del proceso y dimensionamiento de tuberías con base en la caída de presión
y velocidad.
Diseño de flexibilidad y dilatación térmica en tuberías.
Selección, especificación y dimensionamiento de instrumentación de vapor
para las etapas de enfriamiento e impregnación de azúcar.
Presentación de planos.
Reporte fotográfico del proyecto final.
Finalmente, conforme a los lineamientos de práctica profesional de la carrera de Ingeniería
Química Industrial, se presenta este trabajo como resultado de la experiencia adquirida en
el departamento de servicios de la empresa Spirax Sarco.
22
1.2 Materias primas tradicionales
La elaboración tradicional de dulces de goma incluye altas cantidades de sacarosa y jarabe
de glucosa combinado con un agente gelificante, comúnmente conocido como gelatina,
junto con ácidos, aromas y colorantes (Jiménez 2007).
1.2.1 Edulcorantes
Entre los ingredientes empleados para hacer los dulces de goma, los edulcorantes son un
factor importante para lograr la aceptación de consumidor, tanto por su capacidad
endulzante como su efecto sobre la viscosidad, textura y humectación del producto entre
otros.
1.2.2 Emulgentes
Los emulgentes son muy utilizados en la industria confitera, pero sólo en los dulces que
contienen grasa, que son los caramelos duros y las gomas. Estos aditivos permiten
mantener dispersas las grasas y los aceites para lograr que el dulce fluya de forma
adecuada a lo largo del proceso y así sea maleable.
1.2.3 Ácidos
Los ácidos son importantes substancias cuyo comportamiento químico modifica las
propiedades funcionales de los azúcares utilizados en procesos de confitería. Los ácidos
son excelentes conservadores, disminuyen el pH y actúan como bactericidas.
23
Los principales ácidos utilizados, son:
Ácido Cítrico
Este ácido se encuentra abundantemente en la naturaleza, especialmente en cítricos. Se
utiliza para proporcionar sabor ácido como complemento de los sabores cítricos. Es muy
soluble, de aplicación universal, relativamente económico y se emplea en casi todos
los productos. A temperaturas superiores a 120 ºC produce sabores quemados indeseables
por lo que no se aconseja utilizarlo en caramelos que requieren aplicar el ácido a altas
temperaturas.
Ácido málico
Es un ácido muy versátil. Realza los sabores en forma delicada. Actúa mejor que el ácido
cítrico cuando se adiciona a jarabes muy calientes porque tiene la capacidad de no producir
sabores quemados en dulces. Se usa mezclándolo con ácido láctico.
1.2.4 Colorantes
Los colorantes son sustancias que proporcionan, refuerzan o varían el color, los colorantes
son usados como aditivos en los alimentos. En un principio se usaron colorantes extraídos
de plantas, e incluso minerales, pero hoy en día se utilizan mucho los colorantes artificiales
o sintéticos, debido a su disponibilidad y economía.
24
1.3 Proceso de elaboración tradicional del regaliz
Los dulces de goma, incluyendo el regaliz son un producto obtenido como resultado de la
transformación sufrida por el azúcar y otras materias primas, que son mezcladas y
calentadas a altas temperaturas, que oscilan entre los 100 a 160 °C.
La textura deseada de un caramelo de tipo regaliz se obtiene incluyendo en la mezcla
utilizada para preparar el caramelo, cantidades importantes de harina, azúcar de caña y
jarabe de maíz. Tales mezclas también pueden contener melazas en cantidades mayores;
Además, una parte o la totalidad de la harina puede ser sustituida por almidón.
Todos los ingredientes en regaliz deben unirse para mantener un producto cohesivo. Para
lograr esto, los tecnólogos de caramelos utilizan harina de trigo. Se compone principalmente
de almidón y proteínas que cuando se combina con el agua crea una pasta, llamada gluten,
que se puede estirar y rodar sin romperse. Estas propiedades permiten que la pasta
terminada del regaliz sea extruida en varios tamaños y formas. La harina es también
responsable del aspecto brillante del regaliz porque durante la fabricación del regaliz, el
almidón en la harina se gelatiniza, se incorpora típicamente en la pasta de regaliz entre el
25 y 40%.
Después de la mezcla de los ingredientes, el siguiente paso del proceso tradicional es la
cocción, la cual puede ser a fuego directo, utilizando algún combustible o con vapor, siendo
esta la más óptima por su economía y calidad obtenida en el producto terminado. La cocción
tiene lugar en una paila de cobre, en donde se mezclan el azúcar y el agua, hasta lograr la
total disolución del azúcar. Una vez que la mezcla hierve se agregan los demás ingredientes
(Hernández 1963).
25
Posteriormente el producto se deja enfriar, para poder enviarlo a la extrusora que dará la
forma de tira a la goma y el producto es transportado a unas cuchillas lubricadas con agua,
cuyo objetivo es cortar tiras de entre 18 a 21 cm de largo. El agua usada como lubricante
también ayuda a retirar los residuos de dulce de las cuchillas.
En un reportaje realizado por Discovery en el 2008 en una confitera norteamericana, se
describe el proceso final de enfriamiento, en el que una vez que se cuenta con las tiras de
dulce, estas se colocan en charolas para transportarlas a hornos, en donde estarán por 8
horas. Dentro del horno se debe tener una temperatura de 60°C, para lograr retirar el exceso
de humedad.
La temperatura dentro del horno se alcanza haciendo pasar una corriente de aire caliente,
este aire es calentado con vapor a través de radiadores o humidificadores, o usando
resistencias eléctricas.
Una vez eliminada la humedad en exceso se procede a la impregnación de azúcar, picante
y aceites minerales que darán brillo al producto final, esto se logra con la introducción de
las tiras en recipientes que se encuentran en rotación, al cual se le agrega de forma manual
el azúcar, picante y aceites.
El paso final de la elaboración de dulces de goma es el empaquetado, para lo cual el
producto es pesado con la cantidad deseada para agregar al empaque. En la imagen 1.4,
se puede apreciar un resumen del proceso antes descrito.
26
Figura 1. 4 Diagrama general de proceso de elaboración tradicional de regaliz, elaborado por Karen
Rodríguez, 2017.
Cocción y mezclado
Enfriamirnto Extrusión
CorteEliminación de
humedad Impregnación
de azúcar
Empaquetado
27
Capítulo 2 Descripción del proceso de dulce de regaliz a partir
de la máquina Extrufood.
En este capítulo se abordará el funcionamiento de la máquina Extrufood, la cual cuenta con
ocho etapas, mismas que van desde la extrusión hasta el empaquetado del producto final.
La información y las imagines presentadas en este capítulo fueron tomadas de Extragroup
que es la compañía líder en la fabricación de este tipo de equipos.
2.1 Proceso de la máquina Extrufood
Extrufood, es uno de los líderes a nivel mundial en ingeniería y fabricación de maquinaria
utilizada para aplicaciones de extrusión para la industria confitera. Se caracteriza por
proporcionar líneas de producción continuas, que permiten cocinar, mezclar, extruir,
contiene matrices multicolores y rotativas que permiten elaborar una gran variedad de
dulces de goma.
En la figura 2.1 se pueden apreciar diferentes tipos de dulces de goma, los cuales menciona
grupo Extrufood (2007) en su ficha técnica, entre los que se encuentra el regaliz.
29
Todas las etapas requeridas para obtener el producto final se encuentran en línea, es decir es un proceso continuo
tal y como se muestra en la figura 2.2. El equipo está integrado por un tanque de mezcla y almacenamiento, un
extrusor, matrices que permiten la mezcla de colores, texturas y sabores, túneles de enfriamiento, cámara de
impregnación de azúcar y cuchillas de corte para el empaquetado final.
Figura 2. 2 Etapas de la máquina Extrufood , (Extrugroup, 2017)
35
2.1.6 Túnel de enfriamiento
Extrufood fabrica diferentes túneles de enfriamiento (primario y secundario) que enfrían el
producto desde aproximadamente 90°C hasta temperatura ambiente. Para la elaboración
de regaliz se utilizan ambos túneles, el primario para enfriar al dulce después de ser extruido
y el secundario para retirar el exceso de humedad después de que es humedecido por vapor
para la impregnación de azúcar.
2.1.7 Impregnación de azúcar
El producto extruido es guiado hacia una sección de inyección de vapor, donde las tiras de
regaliz son humedecidas para después dirigirlas sobre un lecho vibrante de azúcar, mientras
que simultáneamente es regado desde arriba por una cortina de azúcar fresca. El exceso
se recoge entonces y se recicla después de que el producto lijado es golpeado suavemente
por una barra excéntrica. Una vez impregnados de azúcar son dirigidos a un túnel más de
enfriamiento, para evitar el sellado de las tiras en los cortes.
El sistema de vapor es implementado para el túnel primario y para humedecer el producto
final y facilitar la impregnación de azúcar y ambas etapas se muestran en la figura 2.8.
37
Capítulo 3 Diseño del sistema de vapor
En este capítulo se desglosará el funcionamiento de toda la instrumentación del sistema de
vapor, el cual incluye la memoria de cálculo para el dimensionamiento de cabezal, tubería,
válvulas, filtros, trampas de vapor, juntas de expansión y dilatación térmica. Todas las
condiciones y datos de operación del proceso utilizados para la memoria de cálculo fueron
proporcionados por la empresa confitera, y las ecuaciones para la memoria de cálculo e
imágenes del libro Steam Book propiedad de Spirax Sarco , empresa líder en el manejo y
solución de empleo de vapor.En la tabla 3.1 se muestran las condiciones a las que deberá
operar el proceso, las cuales fueron proporcionadas por la compañía confitera:
Tabla 3. 1 Datos de operación de la máquina Extrufood
Presión de generación de vapor en la caldera 7 kgf/cm2
Producción de vapor por la caldera 938.4 kg/h
Vapor requerido para proceso de regaliz, considerando
maquinas a instalar a futuro
584.22 kg/h
Vapor requerido por cada máquina instalada 97.37 kg/h
Presión requerida por el munter 2.5 kgf/cm2
Diámetro de válvula de control de temperatura a la
entrada de munter
½”
Presión requerida para humedecer el dulce de goma 1.5 kgf/cm2
Diámetro de válvula BRV, instalada para la etapa de
impregnación de azúcar
½”
Numero de máquinas a instalar a futuro 6
Velocidad del producto 32 m de producto
terminado por
minuto.
38
3.1 Alimentación de vapor general a la máquina Extrufood
El vapor producido en la caldera es distribuido a un cabezal de vapor, del cual un disparo
será para el proceso de elaboración de regaliz.
Como ya se mencionó en el capítulo dos, el vapor será empleado en el túnel principal y en
la etapa de impregnación de azúcar, las cuales requieren condiciones distintas de presión y
temperatura. Para evitar tener dos trayectorias distintas e independientes de casa calderas
a proceso, se propone colocar un disparo de vapor principal o general, conformado por una
estación reductora de presión de 7 a 2.5 kgf/cm2, de la que posteriormente se derivan las
dos ramificaciones correspondientes.
Por lo que, en este subcapítulo, se dimensionará el cabezal de vapor, la línea de distribución
principal, se realizará el análisis de dilatación térmica, soporteria, piernas colectoras de
condensado y finalmente el seleccionamiento y dimensionamiento de la instrumentación
para el cuadro de regulación principal que será colocado para cada una de las maquinas a
instalar. Dicho arreglo puede visualizarse en el plano ISO-GRAL-001, en anexos.
40
La instalación adecuada de cabezal de distribución de vapor involucra lo siguiente:
Inclinación de 1% de la longitud del cabezal para desalojar condensados
Eliminador de aire para la eliminación del mismo dentro de la tubería
Manómetro para visualizar presión de vapor que deberá ser suministrada a
las líneas de proceso.
Válvula de seguridad para evitar posibles presiones superiores a las
requeridas
Sistema de trampeo en ½”
Válvula de purga para la eliminación de lodos arrastrados por el vapor.
Para el dimensionamiento de las piernas colectoras se usan los criterios mostrados en la
figura 3.2.
Figura 3. 2 Criterios de dimensionamiento de pierna colectora de cabezal, (Spirax Sarco 2007)
41
Dimensionamiento de Cabezal
Este cálculo está considerado para condiciones ideales sin contemplar factores tales como
incrustación en la línea o arrastres de caldera:
Donde:
D= Diámetro
Q= Flujo de vapor (Proporcionado por la empresa confitera) 938.4 kg/h
V = Velocidad del vapor 8m/s
= Volumen especifico a la P (7 kgf/cm2) de operación 0.240m3/kg
Sustituyendo:
D=9.973 cm ≈ 3.92≈4”
Con base en el resultado anterior, el diámetro adecuado para el cabezal de vapor es
de 4”.
s
m
kg
m
h
kg
D
8*283.0
240.0*4.9383
V
QD
*283.0
*
Ecuación 1
43
3.1.2 Dimensión de línea principal de distribución de vapor a proceso
El sistema de vapor para la máquina Extrufood, tiene considerado crecer con 6 máquinas a
largo plazo, por lo tanto, para la línea de distribución principal de vapor se considerará el
consumo de vapor total.
Para obtener los consumos máximos de vapor requeridos por el proceso, se parte del cv
(capacidad de caudal de válvula) de cada válvula con la que cuenta el equipo,
proporcionadas por los proveedores de la empresa confitera al adquirir su maquinaria, los
cuales son calculados en el capítulo 3.2 y 3.3.
Por lo tanto, para el dimensionamiento de la línea principal de vapor se considera un
consumo total de 584.22 kg/h y de 97.37 kg/h para cada derivación.
44
Dimensionamiento por velocidad de línea principal de distribución de vapor
Con base en la carga de vapor requerida para los equipos actuales y a futuro, la presión
que tendrá el sistema y considerando una velocidad de 25 m/s, se determina el diámetro
para la tubería principal que trasladara el vapor hasta los equipos de proceso.
Para este cálculo usaremos la ecuación 1
Donde:
D= Diámetro
Q= Flujo de vapor 584.22 kg/h
V = Velocidad del vapor 25m/s
= Volumen especifico a la P (7 kgf/cm2) de operación 0.240 m3/kg
Sustituyendo:
D=4.43 cm ≈ 1.74” ≈ 2”
Con base en el resultado anterior, el diámetro adecuado para la línea principal de
distribución de vapor es de 2”, por lo tanto, se requiere tubería de acero al carbón A-
106 (ASME B 31.3), sin costura, Ced 40 de 2” de diámetro.
s
m
kg
m
h
kg
D
25*283.0
240.0*22.5843
45
𝐽 = 0.029𝑄1.95 ∗
0.95
𝐷5.1
Dimensionamiento por caída de presión de línea principal de distribución de vapor
Para este cálculo se necesita conocer la pérdida de presión que existe al interior de la
tubería, provocada por la fricción entre las paredes de la tubería y el fluido que transporta
por cada 100m. Este cálculo se estima con dos diámetros propuestos aproximados al
calculado por velocidad, que son 2” y 1-1/2”, usando la siguiente ecuación:
Donde:
J= Pérdida de presión Kgf/cm2
Q=flujo de vapor 584.22 Kg/h
= Volumen especifico a la P (7 kgf/cm2) de operación 0.240 m3/kg
D= Diámetro de la tubería 5.08 cm
Sustituyendo
𝐽 = 0.029584.221.95 ∗ 0.240.95
5.085.1
J=0.47 Kgf/cm2
La siguiente tabla, muestra un comparativo de la caída de presión existente en los dos
distintos diámetros.
Ecuación 2
46
Tabla 3. 3 Dimensión de tuberías por caída de presión-Línea general de distribución
Diámetro de tubería Presión de operación
Kgf/cm2
Caída de presión
calculada Kgf/cm2
1-1/2”(DN40) 7 2.011
2” (DN50) 7 0.47
El diámetro adecuado es DN 50, ya que el diámetro menor (DN 40), provoca una mayor
caída de presión en la línea, impidiendo que el vapor de calentamiento llegue a la
presión adecuada en los equipos de proceso.
47
3.1.3 Diseño de flexibilidad y dilatación
Cálculo de dilatación térmica
Las tuberías que transportan fluidos calientes operan a altas temperaturas originando una
expansión dilatación. Esto crea estrés en la tubería, así como en las bridas unión, codos,
etc., llegando a ocasionar fisuras y/o fracturas
La expansión de la tubería se puede determinar de acuerdo con la siguiente ecuación:
Expansión (mm)= L *T *
De donde:
L = Longitud de la tubería (m)
T= Diferencia de temperaturas entre temperatura ambiente y de operación (°C)
= Coeficiente de expansión térmica (mm/m °C x 10-3), sus valores pueden obtenerse de
la tabla 3.4.
Tabla 3. 4 Coeficiente de expansión térmica (mm/m°C*10-3), (Spirax Sarco 2007)
Material Temperatura (°C)
<0 0-100 0-200 0-300 0-400 0-500 0-600 0-700
Acero al carbon 12.8 13.9 14.9 15.8 16.6 17.3 17.9 -
Aleación de acero 13.7 14.5 15.2 15.8 16.4 17 17.6 -
Acero inoxidable 9.4 20.0 20.9 21.2 21.8 22.3 22.7 23.0
Ecuación 3
48
Haciendo el cálculo para determinar la dilatación en un tramo recto de 100m lineales y
considerando los datos de proceso obtenemos:
Donde:
L = 100 m
T = 155.5°C (170.5°C – 15°C)
=14.9mm/m °C x 10-3
Expansión (mm)= (100m) (155.5°C) (14.9mm/m °C x 10-3)
Expansión= 231.695 mm
Dilataciones menores a 50 mm no ameritan la colocación de omegas, por tanto, solo se
considera la instalación de las mismas para las trayectorias, mostradas en la tabla 3.5.
Tabla 3. 5 Dilatación térmica en tramos rectos de líneas principales de distribución.
Trayectoria Distancia (m) Dilatación (mm)
A-B 28.9 66.95
B-C 31.16 5 72.20
**Nota: Para consultar trayectorias, ver plano isométrico ISO-GRAL-001, en anexos.
Para que la tubería soporte las expansiones o contracciones, se recomienda la instalación
adecuada de juntas de expansión tipo omegas.
En la figura 3.3 se muestra cómo se determina el ancho (W) que debe medir la omega con
base en el DN (Diámetro nominal) de la tubería y la expansión calculada.
50
En la figura 3.4 se puede apreciar cómo se determina el largo de la omega.
Figura 3. 4 Largo de omega, (Spirax Sarco 2007)
En la tabla 3.6 se muestran las dimensiones de las omegas para cada una de las
trayectorias.
Tabla 3. 6 Datos de dimensionamiento de omega
Trayectoria Diámetro de
tubería
principal
Distancia (m) Dilatación
(mm)
Ancho
de (W)
Largo de
(2W)
A-B DN 50 28.9 66.95 1 2
B-C DN 50 31.165 72.20 1 2
51
3.1.4 Análisis de soportería
La cantidad de movimiento que debe soportar la tubería y algunos dispositivos incorporados
en esta, pueden ser reducidos colocando puntos de anclaje en los extremos. La cantidad
total de expansiones es primero calculada por cada sección entre puntos fijos de anclaje.
Esta fijación permite que la tensión provocada por la expansión se dirija hacia el centro y de
esta manera sea absorbida por el dispositivo de expansión. Cuando no se colocan estos
puntos de anclaje, el dispositivo de expansión no cumplirá con su función.
En la práctica la expansión de la tubería y el soporte de la tubería podrían ser clasificados
dentro de tres áreas, como las mostradas en la figura 3.5.
Figura 3. 5 Diagrama de tubería con punto fijo, punto de anclaje y dispositivo de expansión, (Spirax Sarco
2007)
La fijación o anclaje en los puntos A proporciona un dato de la posición en la cual la
expansión se lleva a cabo.
Los soportes deslizantes en los puntos B permiten el movimiento libre por expansión de la
tubería, mientras se mantiene la tubería en alienación.
El dispositivo de expansión colocado en el punto C es acomodado para absorber la
expansión y contracción de la tubería.
52
Flexibilidad y peso de la tubería.
Los soportes de la tubería frecuentemente pueden variar de acuerdo al calibre de la tubería,
el material y si la posición de la tubería es horizontal o vertical.
Algunos puntos importantes que seguir son:
Los soportes de las tuberías deben ser colocados en intervalos no mayores a 2.4 m,
(Ver tabla 3.7).
Es por flexibilidad la distancia entre soportes y no por peso y el espesor del soporte
será función del peso.
Cuando dos o más tuberías están soportadas por un soporte en común, el espacio
entre los soportes debe ser el de la tubería más pequeña.
Las tuberías verticales deben soportarse adecuadamente a la base, para soportar el
peso total de la tubería vertical y el fluido contenido en su interior. Los ramales de las
tuberías verticales no deben ser usados como soportes de estas, ya que estos
ejercen una tensión indebida sobre la te conjunta.
54
3.1.5 Pierna colectora y final de línea
Piernas colectoras
La formación de condensado en las líneas de vapor ocurre en función del intercambio
térmico entre la línea aislada y el medio ambiente, si este condensado no es eliminado,
pueden ocasionarse golpes de ariete destructivos y erosión en líneas y equipos debido a la
alta velocidad a la que viajan.
Así mismo, la presencia de condensado reduce la eficiencia térmica y consecuentemente la
eficiencia de los procesos. Por este motivo, se recomienda la instalación de puntos de
drenaje en la línea cada 30 m de tubería y en puntos bajos de la instalación. Sin embargo,
tales tasas de condensado no son altas, no justificando por consiguiente, el uso de trampas
con diámetros superiores de ½”, ya que sus capacidades de desalojo son muy superiores a
las necesarias. Y de no tomarse en cuenta esta capacidad, se correrá el riesgo de
sobredimensionar las trampas de vapor.
El sobredimensionamiento acarrea pérdidas de vapor vivo, ya que sus orificios de descarga
son demasiado grandes para tan poco flujo de condensado. Por este motivo, en lugar de
efectuarse el cierre debido a la acumulación de vapor flash por debajo del disco, se
efectuará por la presencia de vapor vivo volviéndose muy rápido su funcionamiento
desgastando el disco y disminuyendo su vida.
Las imágenes 3.6 y 3.7 son un comparativo de cómo un inapropiado dimensionamiento de
piernas colectoras no solo no elimina el condensado presente en las líneas de distribución,
sino que incrementa de manera considerable las consecuencias por la presencia del mismo
(condensado) en el sistema, tales como:
56
Final de línea
Cuando el vapor es suministrado a una línea por primera vez, después de un periodo de
inactividad, la tubería se llena de aire. Otras cantidades de aire pueden entrar con el vapor,
aunque las proporciones de gas son normalmente más pequeñas comparados con el vapor.
Cuando el vapor condensa, estos gases pueden acumularse en la tubería e
intercambiadores de calor, por lo que se deben tomar algunas precauciones para su
descarga. Las consecuencias por no remover el aire son un periodo prolongado de
calentamiento y la reducción de la eficiencia y rendimiento de la planta.
El aire en un sistema de vapor podría afectar también a la temperatura. El aire podría ejercer
su propia presión dentro del sistema y podría agregar presión al vapor, por lo tanto, la
presión actual de la mezcla vapor/aire será menor que la sugerida por el manómetro.
El efecto más importante se tiene sobre la transferencia de calor. Una capa de aire de 1 mm
de espesor puede ofrecer la misma resistencia a la transferencia de calor que una capa de
agua de 25 mm de espesor, 1700 mm de una de hierro o una capa de cobre de 13 m de
espesor. Por ello es muy importante remover el aire de un sistema de vapor.
Los venteos de aire automáticos para sistemas de vapor podrían estar arriba del nivel de
condensado para que solo el aire o la mezcla de vapor aire puedan ser desalojados. La
mejor localización de estos venteos es al final de las líneas principales de distribución.
57
Figura 3. 8 Típico de instalación de final de línea, (Spirax Sarco 2007)
Para dimensionar las piernas colectoras de condensado se deberá conocer el diámetro de
la línea principal de distribución, y posteriormente utilizando la tabla 3.8 se obtienen las
medidas.
58
Diámetro de línea principal: 2”
Tabla 3. 8 Dimensionamiento de pierna colectora de condensados, (Spirax Sarco 2007)
Las medidas de la pierna colectora de condensados deberán ser las siguientes:
d1= 2”
d2= 300 mm
Sistema de trampeo= ½”
Válvula de purga= 3/4”
Con base en el resultado anterior se recomienda la instalación de dos piernas
colectoras de 2” con sistema de trampeo termodinámico en ½” y válvula de purga de
lodos en ¾”, al igual que un final de línea, el cual consta de los mismos elementos,
más un eliminador de gases incondensables en ½”.
Nota: Para consultar la ubicación de dichas piernas colectoras y final de línea, consultar el plano
adjunto ISO-GRAL-001.
59
3.1.6 Dimensionamiento de derivaciones de vapor hacia cada máquina Extrufood
Debido a que las líneas de derivación o tomas de vapor son cortas, no será necesario
calcular el diámetro por caída de presión, solo por velocidad. Cada equipo de proceso
requiere de un flujo de vapor de 97.37 kg/h, considerando este dato, una velocidad de 20
m/s y una presión de 7 kgf/cm2, y usando la ecuación 1:
Donde:
D= Diámetro
Q= Flujo de vapor 97.37 kg/h
V = Velocidad del vapor 20m/s
= Volumen especifico a la P (7 kgf/cm2) de operación 0.240 m3/kg
Sustituyendo:
D=2.02 cm ≈ 0.79” ≈1”
Con base en el resultado anterior, el diámetro adecuado para cada una de las
derivaciones de vapor es de 1”, por lo tanto, se requiere tubería de acero al carbón A-
106 (ASME B 31.3), sin costura, Ced 40 de 1” de diámetro.
s
m
kg
m
h
kg
D
20*283.0
461.0*37.973
60
3.1.7 Reducción de presión
La distribución de presión de vapor es influenciada por un número de factores, pero es
limitada por:
La máxima presión de operación de la caldera
La presión mínima requerida en la planta
Cuando el vapor pasa a través de la tubería de distribución, este inevitablemente perderá
presión, debido a:
Resistencia de fricción con la tubería
Condensación dentro de la tubería conforme el calor es transferido al ambiente
Un kilogramo de vapor a alta presión ocupa menos volumen que a baja presión, por lo que
el tamaño de la tubería principal de distribución es más pequeño cuando el vapor es
generado y distribuido alta presión.
Ventajas de distribución del vapor a bajas presiones:
La capacidad de almacenamiento térmico aumenta, haciendo frente de manera más
eficiente a las cargas fluctuantes, minimizando el riesgo de producir vapor húmedo y
sucio.
Diámetros pequeños de las tuberías de distribución, requieren de menores costos de
capital, para materiales como tubería, instalación, bridas, soportes.
Diámetros más pequeños, el costo de aislamiento es menor.
Teniendo una distribución a alta presión, es necesario reducirla para cada punto de uso en
orden que corresponde a la máxima presión requerida por la aplicación.
62
personales. Con una válvula de seguridad instalada, cualquier exceso de presión será
descargado a través de la válvula, evitando que se produzcan desperfectos.
Otros elementos que constituyen una estación reductora de presión son:
Primera y segunda válvula de corte: Para cerrar el sistema y poder realizar tareas de
mantenimiento.
Primer manómetro: Para visualizar presión de alimentación.
Filtro: Para mantener limpio el sistema
Segundo manómetro: Para ajustar y ver la presión aguas abajo
Dimensionamiento de válvula reductora de presión
Se propone una válvula reductora de presión, que bajará la presión de 7 a 2.5 kgf/cm2, para
alimentar vapor de baja presión a los equipos de proceso, considerando para dicho calculo
el flujo de vapor requerido para los equipos de impregnación de azúcar y unidad manejadora
de aire.
El primer paso es determinar si el flujo que transporta la tubería es crítico o subcritico, en la
tabla 3.9, se definen los parámetros que definirán lo anterior.
63
Tabla 3. 9 Determinación flujo crítico, subcritico, proceso
Por tanto, ΔP (4.5) es igual a (4.5), por lo que el flujo está en el límite de ambas
condiciones, para este caso se tomara la ecuación de flujo subcrítico.
Donde:
Q= Consumo de vapor 97.37 kg/h
CV= Capacidad de caudal de válvula
p1= Aguas arriba (antes de válvula reguladora) 8 kgf a/cm2
p2= Aguas abajo (después de válvula reguladora) 3.5 kgf a/cm2
p= Caída de presión 4.5 kgf a/cm2
Nota: La presión utilizada para este cálculo, es la presión absoluta.
Flujo subcrítico Flujo crítico
∆p≤ ±0.5 ∆p≥ ±0.5
CV=
CV=
)21(*92.11 ppp
QCV
Ecuación 4
64
Substituyendo:
Con el Cv calculado se procede a encontrar el diámetro correspondiente en la tabla 3.10
Tabla 3. 10 Cv, de válvula reductora de presión
Para tener una mejor rangueabilidad de la válvula, se recomienda que el caudal se situé
entre el 20% y 80% de la capacidad de la válvula, de lo contrario el desgaste en el asiento
de la válvula será mayor.
De acuerdo con características de las válvulas, dividiendo el CV anteriormente
calculado entre el CV de la válvula, el diámetro recomendado es la que tiene un CV=4.7
con una apertura de 24% para permitir un paso total del caudal requerido, por lo tanto,
el diámetro de la válvula reductora de presión será de 1/2”.
Diam ½” ¾” 1” 1 ¼” 1 ½” 2” 2 ½” 3” 4” 6” 8”
CV 4.7 7.4 12.0 19 29 42 74 117 187 280 492
)5.38(5.4*92.11
37.97
CV
13.1CV
65
Dimensionamiento de válvula de seguridad
El principal dispositivo usado para prevenir la sobre presión en una planta es la válvula de
seguridad o válvula de alivio. Estas válvulas operan liberando un determinado volumen de
un fluido proveniente de la planta cuando la máxima presión predeterminada es alcanzada,
de este modo el exceso de presión es reducido de una forma segura. En sistemas de vapor
las válvulas de seguridad son comúnmente empleadas para proteger a las calderas por
sobre presión y para proteger a los equipos que requieren una reducción de presión.
Una válvula de seguridad siempre debe ser dimensionada de tal forma que permita el
desfogue de vapor necesario para que la presión dentro del equipo a proteger no exceda la
máxima presión que puede acumular. Una vez seleccionado el tipo de válvula, el punto de
ajuste y la presión en el sistema, es necesario calcular la capacidad de descarga necesaria
y una vez que se conoce este valor se procede a calcular el área de orificio requerido y
finalmente el diámetro nominal.
Para calcular la capacidad de descarga necesaria para las condiciones de proceso, es
necesario aplicar la ecuación 5:
67
Sustituyendo para el cálculo de la caída de presión:
8 − 4
8= 0.5
Sustituyendo para capacidad de descarga a condiciones de proceso
Cuando la válvula reductora de presión falle y no pueda cumplir con su función, llegará una
sobre presión aguas debajo de la reguladora que de inmediato detectará la válvula de
seguridad, la cual deberá descargar 109 kg/h de vapor para estabilizar el sistema y evitar
daños al equipo final de proceso.
Para conocer el diámetro necesario de la válvula de seguridad que permita descargar
109kg/h, se usa la tabla 3.11, en donde se selecciona la presión de alivio y la capacidad de
descarga para encontrar el área del orificio de descarga.
2.
)5.042.0(*67.51(*8*16.1*12 m
h
kgm 109.
68
Tabla 3. 11 Válvula 211 Capacidades de descarga de vapor saturado en kilos por hora (kg/h)
(calculado de acuerdo con EN ISO 4126:2004 en una acumulación del 10%)
El área de orificio requerida para el desfogue es de 0.78 cm2, una vez conocido este dato
se localiza dicho valor en la tabla 3.12, para posteriormente tomar el valor de los diámetros
de entrada y salida de la válvula de seguridad.
69
Tabla 3. 12 Tabla de dimensiones para válvula de seguridad 211
El diámetro recomendado para la válvula de seguridad es de 3/4” x 3/4”.
70
3.1.8 Dimensionamiento de línea secundaria después de reguladora
Cada equipo de proceso requiere de un flujo de vapor de 97.37 kg/h, considerando este
dato, una velocidad de 20 m/s y una presión de 2.5 kgf/cm2 usando la ecuación 1 se tiene:
Donde:
D= Diámetro
Q= Flujo de vapor 97.37 kg/h
V = Velocidad del vapor 25m/s
= Volumen especifico a la P (2.5 kgf/cm2) de operación 0.522 m3/kg
Sustituyendo:
D=3 cm ≈ 1.18” ≈1-1/2”
Con base en el resultado anterior, el diámetro adecuado para cada una de las
derivaciones de vapor aguas debajo de la reguladora es de 1-1/2”, por lo tanto, se
requiere tubería de acero al carbón A-106 (ASME B 31.3), sin costura, Ced 40 de 1-1/2”
de diámetro.
s
m
kg
m
h
kg
D
20*283.0
522.0*37.973
73
El aire extraído del ambiente se dirige por medio de ductos hacia un ventilador responsable
de controlar el flujo y presión del mismo. El segundo tratamiento consiste en la eliminación
de polvo o partículas que pudiesen contaminar el producto, esto se logra con la integración
de filtros tipo bolsa y panel.
Las propiedades del aire ambiente suministrado dependerán de las condiciones climáticas
de la temporada del año, por lo que las etapas de enfriamiento y calefacción permiten ajustar
temperatura y humedad requeridas por el proceso. Después del filtrado el aire entra en
contacto con un enfriador al que se le suministra agua helada, con el objetivo de disminuir
su temperatura y punto de roció, aumentando el porcentaje humedad relativa. Estas
condiciones van a propiciar una condensación de la humedad contenida en el aire, esta
condensación se lleva a cabo en el deshumidificador y a la salida de este se tiene la etapa
de calefacción indirecta, con la que se logra subir la temperatura sin modificar el porcentaje
de humedad relativa, a través de un serpentín que es alimentado con vapor saturado a 2.5
kgf/cm2.
Cuando se alcanza la temperatura de ajuste, la válvula que alimenta vapor cierra y el aire
se introduce en contraflujo al túnel de enfriamiento. El aire que sale tendrá una mayor
temperatura y humedad por el intercambio térmico con el producto, el cual será aprovechado
como aire de reactivación dentro del deshumidificador.
El aire de reactivación es calentado a través de radiadores eléctricos para disminuir su
porcentaje de humedad relativa y así obtener la capacidad de absorber la humedad del aire
ambiente que entra a proceso. Esta etapa se lleva a cabo en el deshumidificador, el cual
utiliza una rueda desecante, con un material higroscópico capaz de retener agua.
76
Como se puede apreciar en la figura 3.13, el Kv de la válvula es 1.6, para convertir a CV
(caudal de la válvula), se emplea el siguiente factor:
Cv=Kv*0.97
Cv=1.6*0.97= 1.552
Despejando de la ecuación (4) el caudal de vapor y considerando una caída de presión por
apertura de la válvula de 1 kgf/cm2 tenemos que:
Donde:
Q=Consumo de vapor kg/h
CV=Capacidad de caudal de válvula 1.552
P1= Aguas arriba (antes de válvula) 3.5 kgf a/cm2
P2= Aguas abajo (después de válvula) 2.5 kgf a/cm2
P= Caída de presión 1 kgf a/cm2
Nota: La presión utilizada para este cálculo, es la presión absoluta.
= 3.5/2= 1.75
Por tanto, ΔP (1) es menor a (2), por lo que de acuerdo con la tabla 3.4, se determina
que es flujo subcrítico.
)21(*92.11* pppCvQ
79
La línea de vapor que alimenta a esta parte del proceso se deriva de la línea de alimentación
general, pero a diferencia del disparo de la etapa 6, el material de la tubería es en acero
inoxidable austenítico 304, ya que este vapor estará en contacto directo con el producto
final.
Para el caudal de vapor se utiliza el cv de la válvula reductora de presión modelo BRV,
marca Spirax Sarco , de acuerdo con la ficha técnica para una válvula de ½”, el cv es de
1.455, para este caso se considera una regulación de presión de 2.5 a 1.5 kgf/cm2.
Donde:
Q=Consumo de vapor kg/h
CV=Capacidad de caudal de válvula 1.455
P1= Aguas arriba 3.5 kgf a/cm2
P2= Aguas abajo 2.5 kgf a/cm2
P= Caída de presión 1 kgf a/cm2
Nota: La presión utilizada para este cálculo, es la presión absoluta.
= 3.5/2= 1.75
Por tanto, ΔP (1) es menor a (1.75), por lo que de acuerdo con la tabla 3.4, se determina
que es flujo subcrítico.
)21(*92.11* pppCvQ
80
Substituyendo:
El consumo total de vapor para las líneas que alimentaran vapor a la etapa 7 de la máquina
Extrufood es de 52.03 kg/h.
Nota: El consumo es considerando una apertura de 100% de la válvula.
Por lo tanto, el flujo total de vapor es de 97.37 Kg/h, con este valor se estima el diámetro
del cuadro de regulación general de vapor para cada máquina Extrufood desarrollado en el
capítulo 1.
Considerando el flujo para los equipos a futuro, se tiene un consumo total de 584.22 kg/h,
de vapor, con este valor se dimensiona el disparo de la línea general, el cual se obtiene
desde el cabezal y distribuye a cada una de las maquinas a instalar.
)5.25.3(*5.1*92.11*455.1 Q
h
KgQ 03.52
85
Conclusiones y trabajos futuros
El diseño para el sistema de vapor de la máquina Extrufood cumple con los criterios de
presión, temperatura y caudal especificados por el fabricante y con la instrumentación
propuesta es posible obtener un vapor con una baja fracción húmeda y limpio, además de
la seguridad de operación, con lo cual se consiguen ahorros energéticos y en instalación,
además de una buena calidad y competitividad del producto final.
Sin embargo, para mantener estas ventajas y una larga vida a los instrumentos se
recomienda el aislamiento de las tuberías con fibra de vidrio recubierto de cartón asfaltado
y protección de lámina de aluminio.
Para evitar daños a los equipos y con ello deficiencias en el proceso, se recomienda
implementar una póliza de mantenimiento mensual, que revisara el estado de todo el
sistema de vapor, que está conformado por válvulas, filtros, trampas de vapor, eliminadores
de aire, entre otros.
El realizar la práctica profesional, me permitió ver la importancia que tienen los
conocimientos y habilidades que adquirí en la escuela y la aplicación de estos de forma
directa en un proceso industrial. A su vez, incrementé mi experiencia profesional pudiendo
dar un paso más hacia el complemento de mi desarrollo personal en el ejercicio de mi
profesión.
89
después de este filtro con
el objetivo de verificar el
estado del elemento
filtrante, y finalmente los
equipos con los que está
integrada la máquina
Extrufood, que permiten
alimentar vapor a 1.5
kgf/cm2.
95
Anexo 4. Norma FDA
96
Referencias
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