OPTIMIZACIN DEL PROCESO DE AGOTAMIENTO EN LOS CRISTALIZADORES DE ENFRIAMIENTO APLICANDO TECNOLOGAS Y

1
OPTIMIZACIÓN DEL PROCESO DE AGOTAMIENTO EN LOS
CRISTALIZADORES DE ENFRIAMIENTO APLICANDO
TECNOLOGÍAS Y MÉTODOS AVANZADOS DE CONTROL

• Lázaro de J. Gorostiaga Cánepa
• José Luis Alfaro Donis
• CENTRO DE AUTOMATIZACIÓN, ROBÓTICA Y TECNOLOGÍAS
  DE LA INFORMACIÓN Y LA FABRICACIÓN. ESPAÑA
• INGENIO LA UNIÓN S.A. GUATEMALA

2
CONTENIDOS DE LA CONFERENCIA

• INTRODUCCIÓN.
• ACCIÓN CYTED OPTIMAZUCAR.
• OPTIMIZACIÓN DEL PROCESO DE AGOTAMIENTO DE LAS
  MIELES FINALES EN LOS CRISTALIZADORES CON
  ENFRIAMIENTO Y MOVIMIENTO.
• MODELADO Y CONTROL DEL NIVEL EN LOS
  CRISTALIZADORES VERTICALES DEL INGENIO LA UNIÓN,
  S.A.
• CONTINUACION DEL PROYECTO.
• CONCLUSIONES.

3
INTRODUCCIÓN

• Este es un proyecto de investigación aplicada,
  que se está ejecutando actualmente, es decir no
  está concluido.
• El mismo está siendo financiado parcialmente por
  el Programa Iberoamericano de Ciencia y
  Tecnología para el Desarrollo (CYTED) a través de
  la acción OPTIMAZUCAR.

4
LA IMPORTANCIA DE LA CAÑA DE AZÚCAR EN MÉXICO

• Según el Dr. Raúl Cortés García (Universidad
  Veracruzana), la importancia de la caña de azúcar
  en México se manifiesta en que
• Más de 3 millones de personas dependen directa e
  indirectamente de su cultivo y transformación (1
  de cada 7 veracruzanos)
• Genera el 0.5 del Producto Interno Bruto
  Nacional (8.9 del PIB del Sector Agropecuario y
  el 2.4 de la Industria Manufacturera).
• Es el séptimo productor mundial de azúcar.
• Es productor de oxígeno y fijador de carbono
  atmosférico (una tonelada de CO2 equivale a un
  bono de Carbono Protocolo de Kyoto).
• Para este sector industrial, en términos
  generales puede afirmarse que el grado de control
  automático del proceso es insuficiente, que
  numerosos lazos tienen un pobre desempeño por
  estar mal sintonizados o mal diseñados y que esto
  influye negativamente en la calidad de los
  productos, así como en la eficiencia y en la
  rentabilidad del sector
• PRIMER FORO NACIONAL DE ETANOL 2006

5
ACCIÓN CYTED OPTIMAZUCAR

• El programa CYTED financia la acción de
  coordinación de proyecto de investigación
  titulada OPTIMIZACIÓN DE PROCESOS DE LA
  INDUSTRIA DEL AZÚCAR DE CAÑA APLICANDO CONTROL
  AUTOMATICO AVANZADO.

6
OBJETIVO GENERAL DE OPTIMAZUCAR

• Esta acción pertenece a la línea mejora y
  control automático de procesos del área
  Promoción del Desarrollo Industrial, es una
  propuesta surgida de la Red de automatización y
  control de la industria de transformación de la
  caña de azúcar, apoya el trabajo de 11 grupos de
  9 países iberoamericanos y su objetivo general es
  mejorar la calidad y rentabilidad del proceso
  industrial de azúcar de caña optimizando su
  sistema de control, en base a la modelización del
  proceso y a la utilización de métodos y
  tecnologías avanzadas de control.

7
ENTIDADES PARTICIPANTES

• Fundación CARTIF, España. (CARTIF)
• Universidad Politécnica de Valencia, España (UPV)
• Universidad Federal de Santa Catarina, Brasil.
  (USC)
• Universidad Autónoma de Occidente, Cali, Colombia
  (UAO)
• Universidad Nacional de Medellín, Colombia
  (UNALMED)
• Universidad de Piura, Perú (UP)
• Universidad Autónoma del Estado de México.
• Instituto Superior Politécnico José Antonio
  Echeverría, Cuba (CUJAE)
• Universidad Simón Bolívar, Venezuela (USB)
• CENGICAÑA - Ingenio La Unión S.A., Guatemala
• Compañía Azucarera Salvadoreña, El Salvador
• Fideicomiso Ingenio El Potrero, México

8
FORMAS DE REALIZAR LA OPTIMIZACIÓNLas formas o
acciones de optimización dependerán de la
situación particular de cada fábrica

• Re-diseñando lazos de regulación que tengan una
  estructura inadecuada
• Re-sintonizando lazos  con desempeño deficiente
• Implantando nuevos lazos de control en
  subprocesos actualmente operados en régimen
  manual
• Utilizando tecnologías avanzadas de control por
  buses de campo para el intercambio de
  información, implantando sistemas de control
  tolerante a fallos, etc.
• Utilizando métodos avanzados de control

9
OBJETIVOS ESPECÍFICOS DE OPTIMAZUCAR

• Recopilar, adecuar, validar y usar adecuadamente
  modelos matemáticos de diferentes subprocesos que
  forman parte del proceso industrial azucarero.
• Optimizar lazos típicos de control del proceso
  industrial, en base a su modelización dinámica y 
  aplicando tecnologías y métodos avanzados.
• Desarrollar lazos de control locales para áreas o
  subprocesos que aún no están automatizadas y
  lazos de control multivariable a un segundo nivel
  en procesos que así lo requieran. Para la
  creación de sistemas de control que en el futuro
  puedan integrarse a un sistema de supervisión
  general para el proceso, los estudios de nuevas
  tecnologías deben orientarse a las arquitecturas
  de buses de campo, pues sobre esta base se
  realizan hoy en día la mayoría de los proyectos
  de Instrumentación y control modernos.
• Crear un marco colaborativo de trabajo para
  fortalecer la interacción, el intercambio de
  conocimientos entre los grupos de investigación y
  la cooperación como método de trabajo.
• Elaborar propuestas de proyectos de investigación
  consorciados y proyectos de innovación Iberoeka,
  para  explotar comercialmente los frutos de esta
  acción de coordinación de proyecto de
  investigación.
• Propiciar la difusión y transferencia tecnológica
  de resultados que sean viables técnica y
  económicamente

10
OPTIMIZACIÓN DEL PROCESO DE AGOTAMIENTO EN LOS
CRISTALIZADORES CON ENFRIAMIENTO Y MOVIMIENTO,
APLICANDO TECNOLOGÍAS Y MÉTODOS AVANZADOS DE
CONTROL

• Este es uno de los proyectos coordinados apoyados
  por la acción OPTIMAZUCAR.
• Se expondrá lo ejecutado hasta el momento.
• Se muestra un cristalizador vertical del Ingenio
  Tres Valles de México

11
FASES O ETAPAS DEL PROYECTO 1. DESCRIPCIÓN Y
CARACTERIZACIÓN DEL PROCESO Y SUS LAZOS DE
CONTROL

• En esta fase se prepara un informe técnico
  detallado del proceso de estudio y sus lazos de
  regulación.
• Esos informes técnicos se envían al grupo CARTIF,
  que los integra en un documento único. Al final
  de esta etapa se tendrá un documento que describe
  y caracteriza los principales lazos de control en
  ingenios en varios países de la región
  Latinoamericana.
• El formato aproximado del informe es el
  siguiente
• 1. Descripción detallada de lazos de regulación.
• 1.1 Descripción del sistema de medición marca y
  modelo, montaje e instalación, gama de medición,
• 1.2 Descripción de los elementos de acción final.
• 1.3 Descripción del controlador.
• 1.4 Descripción del proceso controlado.
• 2. Evaluación de las prestaciones y
  comportamiento actual del lazo.

12
2. IDENTIFICACIÓN Y MODELIZACIÓN DE LAZOS DE
CONTROL

• Se recopilarán los modelos existentes en la
  bibliografía abierta especializada y se ajustan
  si es necesario a las condiciones especificas de
  los casos de estudio mediante técnicas de
  identificación experimental
• El objetivo de esta etapa es disponer de modelos
  matemáticos validados para cada uno de los
  procesos y lazos a optimizar.
• Se diseñarán los correspondientes experimentos de
  identificación dinámica, aplicándose en la
  primera zafra o campaña que sea posible.

13
3. DISEÑO Y SIMULACIÓN DE VARIANTES DE
OPTIMIZACIÓN DE LOS LAZOS

• A partir del conocimiento exacto de las
  deficiencias y problemas que presenta el lazo,
  de las características dinámicas del proceso
  descritas por el modelo correspondiente y de las
  posibilidades de los nuevos métodos y tecnologías
  de control deben generarse y evaluarse diferentes
  soluciones de optimización. Por supuesto debe
  comenzarse por las soluciones de optimización más
  simples.
• Cada grupo elabora el proyecto del sistema de
  automatización y control en estrecha coordinación
  con su ingenio de estudio, para garantizar los
  insumos y facilidades necesarias para su
  implantación y hasta donde los recursos y
  características tecnológicas de las fábricas lo
  permitan.
• Es conveniente estudiar inicialmente cada
  variante por técnicas de modelado y simulación,
  antes de hacer pruebas reales.

14
4. PRUEBAS EXPERIMENTALES DE LAS SOLUCIONES DE
OPTIMIZACIÓN.

• La solución definitiva al problema presentado por
  el lazo se evaluará rigurosamente mediante
  ensayos experimentales en los ingenios
  seleccionados como casos de estudio de cada grupo
  del consorcio.
• La solución de optimización se realiza en
  estrecha coordinación con los ingenios
  seleccionados como casos de estudio, para
  garantizar los insumos y facilidades necesarias
  para su implantación y hasta donde los recursos y
  características tecnológicas de las fábricas lo
  permitan.

15
5. EVALUACIÓN TÉCNICO-ECONÓMICA 6. DIFUSIÓN DE
LOS RESULTADOS

• Se realiza la evaluación técnico-económica de
  cada una de las soluciones de optimización
  diseñadas.
• Se realizarán publicaciones de artículos y
  presentaciones en congresos y eventos.

16
1. DESCRIPCIÓN Y CARACTERIZACIÓN DEL PROCESO Y SU
CONTROL LA CRISTALIZACIÓN CON ENFRIAMIENTO Y
MOVIMIENTO

• La cristalización por enfriamiento constituye un
  importante proceso en la producción de azúcar
  crudo de caña. Aquí se produce la última
  extracción de sacarosa del licor madre y debe
  lograrse el máximo agotamiento del mismo.
• Como es conocido, en las fábricas de azúcar, la
  cristalización de la sacarosa ocurre
  fundamentalmente en los tachos de vacío. Sin
  embargo, en estos equipos, cuando se trata de
  cocimientos de masas cocidas de bajas purezas, el
  agotamiento del licor madre no puede ser llevado
  hasta el punto deseado. Esto es debido a que, en
  los cocimientos de bajas purezas, la velocidad de
  cristalización experimenta una brusca
  disminución, como consecuencia de las altas
  viscosidades que se producen cuando el licor
  madre se aproxima al agotamiento. Por esta razón,
  resulta necesario continuar el proceso de
  cristalización por otro método y otros equipos,
  con el objetivo de reducir al mínimo la cantidad
  de sacarosa disuelta en el licor madre.
• Los términos cristalización por enfriamiento, de
  agotamiento o en movimiento, se aplican
  indistintamente para designar esta fase
  complementaria de cristalización. Igualmente los
  términos cristalizadores con enfriamiento, de
  agotamiento o con movimiento se usan para
  denominar los equipos donde se realiza este
  proceso.
• En los cristalizadores de agotamiento, prosigue
  desarrollándose la cristalización comenzada en el
  tacho, con la diferencia de que en ellos, la
  cristalización se realiza por la disminución de
  la solubilidad de la sacarosa, a consecuencia del
  enfriamiento gradual a que es sometida la masa
  cocida.
• La solubilidad de la sacarosa en el licor madre,
  se reducirá a medida que la temperatura
  disminuye. Una parte de la sacarosa disuelta
  estará en solución sobresaturada y bajo
  condiciones apropiadas de mezclado se depositará
  sobre los cristales ya existentes. Este
  tratamiento asegura un mayor agotamiento del
  licor madre y en consecuencia incrementa el
  índice de recobrado de azúcar de la fábrica.

17
CONTROL ACTUAL DEL PROCESO DE AGOTAMIENTO

• El control actual del proceso de agotamiento en
  los cristalizadores de tercera de numerosos
  ingenios aún se realiza manualmente, es decir no
  está automatizado. Este control manual es
  sumamente deficiente, y por esta razón, entre
  otras, las mieles finales presentan altas purezas
  en muchos ingenios. Las causas de las
  deficiencias del control manual son las
  siguientes
• No se logra un flujo constante y ni siquiera
  continuo de la masa cocida en el proceso de
  tratamiento térmico en los cristalizadores y de
  separación en las centrifugas. Esto es debido a
  que el operador no garantiza, ni siquiera un
  flujo continuo de la masa cocida entrando al
  proceso desde el portatemplas.
• Las bruscas fluctuaciones del flujo de masa
  cocida entrando al proceso de la cristalización
  por enfriamiento constituye la peor perturbación
  para el control del tratamiento térmico de la
  misma y por esa razón no se logra un agotamiento
  aceptable de la miel final.
• En la década de los 70 se automatizó el control
  de este proceso en algunos ingenios.  En todos
  los casos en que se aplicó control automático al
  proceso de agotamiento en un cristalizador
  continuo, la estrategia empleada fue controlar
  las temperaturas de enfriamiento y
  recalentamiento con reguladores PID
  convencionales manipulando el flujo de agua fría
  y el de agua caliente respectivamente.   Esta
  estrategia de control no tuvo éxito. Las causas
  del fracaso de esta estrategia de regulación es
  pretender controlar las temperaturas con lazos
  PID simples o convencionales, teniendo en cuenta
  las extraordinariamente lentas dinámicas que
  caracterizan este proceso.

18
TIPOS DE CRISTALIZADORES CON ENFRIAMIENTO Y
MOVIMIENTOHan sido desarrollados y coexisten
diferentes tipos de cristalizadores con
enfriamiento forzado y mecanismo mezclador. La
mayor parte utilizan el agua como agente de
intercambio calórico

• Cristalizador con circulación de agua por la
  superficie exterior del casco.
• Cristalizador de discos estacionarios.
• Cristalizador de discos rotatorios.
• Cristalizador rotatorio.
• Cristalizador Blanchard.
• Cristalizador Werkspoor.
• Cristalizador Reto-Werkspoor.
• Cristalizador vertical.