CONTROL SYSTEM IN SUGAR REFINING PROCESS

SISTEMA DE CONTROL EN EL PROCESO DE REFINACIÓN DEL AZÚCAR

Rubén Darío Urbina Sanabria Cod. 1090069rdus89@gmail.com

Jonnathan Yamid Figueroa Niño Cod. 1090197Jonnathan_figue@hotmail.com

Universidad Francisco de Paula Santander Ciudadela Universitaria. Cúcuta, Norte de Santander, Colombia.

Av. Gran Colombia No. 12E-96 Colsag.Teléfono: 5 77 66 55

Abstract: This article shows the method of calculation and selection devices and monitoring and control instruments for temperature control and tank level dissolution, preparation and mixing in the sugar refining process. Additionally, the modeling of the plane developed P&ID with their respective industrial safety.

Resumen: En este artículo se muestra el procedimiento de cálculo y selección de los dispo-sitivos e instrumentos de control y supervisión para el control de temperatura y nivel de los tanques de disolución, preparación y mezclado en el proceso de refinación del azúcar. Adi-cionalmente, se desarrolla el modelamiento del plano P&ID con su respectiva seguridad in-dustrial.¹

Palabras clave: Refinación del azúcar, tanque de disolución, tanque de preparación, tanque de mezclado, motorreductor, motobomba, control de válvulas y control hibrido.

Keywords: Refining sugar, dissolving tank, preparation tank, mixing tank, gear motor, pump, control valve and control hybrid.

1

1. INTRODUCCIÓN

El azúcar es un endulzante de origen natural, sólido, cristalizado, constituido esencialmente por cristales sueltos de sacarosa, obtenidos a partir de la caña de azúcar (Saccharum officinarum) o de la remolacha azucarera (Beta vulgaris) mediante procedimientos industriales determinados. La caña de azúcar contiene entre 8 y 15% de sacarosa. El jugo obtenido de la molienda de la caña se concentra y cristaliza al evaporarse el agua por calentamiento. Los cristales formados son el azúcar crudo, o de ser refinados, el azúcar blanco. En las refinerías el azúcar crudo es disuelto, limpiado y cristalizado para producir el azúcar refinado.²

2. NARRATIVA DE PROCESO

2.1 Definición del proceso

Procedimiento mediante el cual entra el azúcar sin refinar, éste pasa por una serie de elementos en los que se rocía agua, se eleva la temperatura, se agrega un compuesto químico y por último se mezcla. Después del mezclado sigue el paso de cristalización.

2.2Explicación del proceso

El azúcar crudo se alimenta al proceso a través de un transportador de tornillo y se rocía agua sobre éste para formar un jara-be, el cual se calienta en el tanque de diso-lución, de donde fluye al tanque de prepara-ción, en el cual se realiza un mayor calenta-miento a la mezcla. Del tanque de prepara-ción el jarabe se envía al tanque de mezcla-do; conforme el jarabe fluye hacia el tanque de mezclado, se le añade ácido fosfórico y, ya en el tanque, cal. Este tratamiento con ácido, cal y calor tiene dos objetivos: el pri-mero es la clarificación, es decir, con el tra-

tamiento se coagulan y precipitan el calor de azúcar crudo. Después del tanque de mezclado se continúa el proceso del jara-be.³

Fig. 1: Diagrama del sistema.³

3. NARRATIVA DE CONTROL

3.1 Objeto

Describir la funcionalidad del sistema de control en el proceso de refinación del azúcar.¹

3.2 Filosofía de control

Controlador tipo Hibrido para el debido control de las variables temperatura y nivel; señal analógica y señal digital respectivamente, para mantener a las varia-bles controladas en un punto de control constante, en presencia de las entradas deperturbaciones, con el fin de conseguir pa-rámetros de ajuste óptimos para cada caso.¹

3.3 Esquemas de control

El diagrama P&ID con seguridad del sistema y el plano P&ID con seguridad de

2

cada tanque se muestran a continuación.

Fig. 2: Diagrama P&ID del sistema con seguridad.

Fig. 3: Control de nivel y temperatura del tanque de disolución con seguridad.

Fig. 4: Control de nivel y temperatura del tanque de preparación con seguridad.

Fig. 5: Control de nivel y temperatura del tanque de mezclado con seguridad.

3.4 Lista de instrumentos y equipos

El listado de los instrumentos y equipos del sistema de control, según la figura 2, son:

TT-102 (Transmisor de temperatura) TC-102 (Controlador de temperatura) V1 (Válvula de control) V1S (Válvula de seguridad) LC-101 (Controlador de nivel) LT-101 (Transmisor de nivel) LC-103 (Controlador de nivel) LT-103 (Transmisor de nivel) V2 (Válvula de control) TT-104 (Transmisor de temperatura) TC-104 (Controlador de temperatura) V3 (Válvula de control) V3S (Válvula de seguridad) LC-105 (Controlador de nivel) LT-105 (Transmisor de nivel) TT-106 (Transmisor de temperatura) TC-106 (Controlador de temperatura) V4 (Válvula de control) V4S (Válvula de seguridad)

3

3.5 Descripción funcional

La descripción funcional de cada instrumen-to y equipo se reseña a continuación:

TT-102P&ID: Esquema de control de temperatura.Propósito: Detectar la temperatura del jarabe.

TC-102P&ID: Esquema de control de temperatura.Propósito: Control de temperatura.

V1P&ID: Esquema de control de temperatura.Propósito: Control de flujo de vapor saturado.

V1SP&ID: Esquema de control de temperatura.Propósito: No permitir el paso de vapor saturado por anomalías en el sistema.

LC-101P&ID: Esquema de control de nivel.Propósito: Control de nivel.

LT-101P&ID: Esquema de control de nivel.Propósito: Detectar el nivel de jarabe en el tanque.

LC-103P&ID: Esquema de control de nivel.Propósito: Control de nivel.

LT-103P&ID: Esquema de control de nivel.Propósito: Detectar el nivel de jarabe en el tanque.

V2 P&ID: Esquema de control de temperatura.Propósito: Control de flujo de vapor saturado.

TT-104 P&ID: Esquema de control de temperatura.Propósito: Detectar la temperatura del jarabe.

TC-104 P&ID: Esquema de control de temperatura.Propósito: Control de temperatura.

V3 P&ID: Esquema de control de temperatura.Propósito: Control de flujo de vapor saturado.

V3SP&ID: Esquema de control de temperatura.Propósito: No permitir el paso de vapor saturado por anomalías en el sistema.

LC-105 P&ID: Esquema de control de nivel.Propósito: Control de nivel.

LT-105 P&ID: Esquema de control de nivel.

4

Propósito: Detectar el nivel de jarabe en el tanque.

TT-106 P&ID: Esquema de control de temperatura.Propósito: Detectar la temperatura del jarabe.

TC-106P&ID: Esquema de control de temperatura.Propósito: Control de temperatura.

V4 P&ID: Esquema de control de temperatura.Propósito: Control de flujo de vapor saturado.

V4S P&ID: Esquema de control de temperatura.Propósito: No permitir el paso de vapor saturado por anomalías en el sistema.

MODELOS MATEMÁTICOS DEL SISTEMA

NIVEL DE LÍQUIDO

Fig. 6: Sistema del nivel de líquido.

Fig. 7: Curva de la altura en contra del flujo.

Con el análisis de la figura 6 se deduce lo siguiente:

Aplicando Transformada de Laplace

FUNCIÓN DE TRANSFERENCIA

5

INTERCAMBIADOR DE CALOR 4

Fig. 8: Sistema térmico.

Fig. 9: Diagrama de bloques del sistema tér-mico.

= Temperatura en estado estable del

líquido que entra,

= Temperatura en estado estable del

líquido que sale,

G= Velocidad de flujo del líquido en estado estable, Kg/seg

M= Masa del líquido en el tanque, Kg

C= Calor especifico del líquido, Kcal/Kg

R= Resistencia térmica seg/Kcal

C= Capacitancia térmica, Kcal/

= Entrada del flujo de calor en estado estable, Kcal/seg

Suponga que la temperatura del líquido que entra se mantiene constante y que el flujo de calor de entrada al sistema (el calor que proporciona el calefactor), cambia

repentinamente de en donde representa un cambio pequeño en el flujo de calor de entrada. El flujo de calor de salida cambiara, entonces, en forma

gradual, de a La temperatura del

líquido que sale también cambiara de a

Para este caso, C y R se obtienen, respectivamente, como:

La ecuación diferencial para este sistema es:

Que puede reescribirse como:

Observe que la constante de tiempo del sistema es igual a RC o MIG en segundos.

La función de transferencia que relaciona

con se obtiene mediante:

6

En la práctica, la temperatura del líquido que entra puede fluctuar y actuar como una perturbación de carga. (Si se pretende mantener una temperatura de salida constante, puede instalarse un controlador automático que ajuste el flujo de calor de entrada, con el propósito de compensar las fluctuaciones en la temperatura del líquido que entra.) Si le temperatura del líquido que

entra cambia repentinamente de a

en tanto que el flujo de calor de entrada H y el flujo de líquido G se conservan constantes, el flujo de calor de

salida cambiara de y la temperatura del líquido que sale cambiara

de a La ecuación diferencial para este caso es:

Que puede reescribirse como:

La función de transferencia que relaciona

y se obtiene mediante:

Si este sistema térmico está sujeto a cambios en la temperatura del liquidó que entra y en flujo de calor de entrada, en tanto que el flujo del líquido se conserva

constante, el cambio en la temperatura del líquido que sale se obtiene mediante la ecuación siguiente.

REFERENCIAS

1. MSc. Jorge Luis Díaz Rodríguez, Ing. Du-rwin Alexis Rozo Ibáñez, PhD. Aldo Pardo García. ‘Ingeniería de instrumentación del compresor centrifugo’. Revista Colombiana de Tecnologías de Avanzada, ISSN: 1692-7257 - Volumen 2 - Número 14 - Año 2009. Universidad de Pamplona. Co-lombia.

2. Ing. Carlos Antonio Li Loo Kung. ‘La inge-niería de los alimentos y el proceso de refi-nación de azúcar’. 16 de Agosto del 2002. Universidad Nacional de la Amazonia Pe-ruana.

3. Carlos A. Smith y Armando B. Corripio ‘Control automático de procesos, teoría y práctica’. Primera edición.

4. Katsuhico Ogata. ‘Ingeniería de control moderna’. Tercera edición.

7