DISEÑO DE UNA PLANTA PARA PRODUCCIÓN DE MERMELADA: Generación de la configuración preliminar

Objeto de este artículo

El objeto de este artículo es ilustrar algunos conceptos de diseño de plantas que se formularon en un artículo anterior (Diseño de plantas: algunas reflexiones acerca de las destrezas indispensables y las herramientas fundamentales), utilizando como ejemplo el diseño de una planta muy sencilla para producir mermelada de mora.

Especificaciones básicas de diseño

Se desea diseñar una planta que pueda producir entre 1000 y 1500 kg/día de mermelada de mora, de 65% de sólidos, como mínimo, partiendo de la pulpa homogeneizada de la fruta.

La proporción entre la pulpa y el azúcar debe ser de  1 a 0.4, en masa.

Para fines de la evaluación económico financiera se considerará que la mora y el azúcar pueden adquirirse a $ 2.75/kg, y $0.71/kg, respectivamente,  vigentes al 7/5/13.

Para fines de evaluación se considerará que el producto puede venderse al por mayor a razón de $25.95 por caja de 12 frascos de contenido neto de 250 g de mermelada; que el costo de los frascos para el proyecto es de $ 115.2 por cada 144 frascos de vidrio; y que el proyecto recupera el 15% de los frascos que salen de la instalación.

Configuración preliminar del proceso

Para comenzar el diseño se debe formular una configuración preliminar de la planta de producción. Esta configuración se debe expresar mediante un diagrama P&ID (Piping and Instrumentation Diagram), donde el diseñador debe estipular la instrumentación propone usar, dando razón acerca de como ha de funcionar.

La configuración preliminar se presenta en la figura siguiente.

Figura 1. P&ID de la planta de producción de mermelada

Figura 1. P&ID de la planta de producción de mermelada

La lista de las líneas de conducción de la configuración se muestra a continuación.

Figura 2. Lista de líneas de conducción de la planta

Figura 2. Lista de líneas de conducción de la planta

La lista de los componentes de la instrumentación de la planta de producción de mermeladas se puede apreciar en la siguiente figura.

Figura 3. LIsta de componentes de la instrumentación

Figura 3. Lista de componentes de la instrumentación

Descripción del proceso de la Figura 1

El proceso de la Figura 1 es batch. Se compone de los siguientes sub-procesos: (1) Alimentación de materias primas a la marmita; (2) Producción de mermelada en la marmita, y captación y condensación del vapor que se produce en ella.

Como se trata de generar una configuración preliminar, para facilitar la formulación del ejemplo sólo se configurará la planta de producción, obviándose los detalles de las instalaciones de apoyo, y las de las otras plantas como la de selección y lavado, preparación de la pulpa de la fruta, bodegas de almacenamiento, planta de envasado del producto, y otras instalaciones conexas que generalmente no se consideran durante la etapa de diseño preliminar, hasta no determinar la viabilidad básica del proyecto.

Sub-proceso de alimentación de materias primas a la marmita

Descripción de los equipos y de la instrumentación

Este subproceso está constituido por los tanques TK-101 y TK-102, que -respectivamente- sirven para cargar pulpa de fruta y el azúcar a la marmita MA-100 de producción de mermelada.

La instrumentación de este sub-proceso consta de los controladores de presión PIC-155, PIC-160, cuyo propósito es mantener una presión positiva de descarga en los tanques que alimentan la marmita. La instrumentación consta, así mismo, de las válvulas neumáticas de control FCV-110, FCV-115; de las válvulas solenoide SV-120, SV-130, que sirven para la descarga de las materias primas a la marmita; de las alarmas LAH-190 y LAL-192, LAH-194 y LAL-196, ubicadas en los tanques de carga. También forman parte de la instrumentación los strain gages  SG1 y SG2; las válvulas solenoide SV-122, y SV-124, que manejan el suministro de aire a los controladores de presión de acción directa, y sirven para activar o desactivar su funcionamiento.

Los demás componentes de la instrumentación, y el detalle de su función y estado normal se indican en la lista de la Figura 3.

Funcionamiento del sub-proceso de alimentación de materias primas

La secuencia propuesta de las operaciones del proceso de carga y descarga del tanque TK-101 se resume en la Figura 4. La secuencia de la operación del tanque TK-102 no se detalla por ser idéntica a la del TK-101, con la única diferencia de que el TK-101 está dotado de la válvula SV-129, para trasegar la pequeña cantidad de pulpa residual que queda en su parte cónica, operación que se requiere en el caso del tanque TK-102, porque la estadía del azúcar en él no crea problemas de inocuidad durante el intervalo que transcurre entre batch y batch.

El funcionamiento del TK-101 se muestra por medio de tres gráficos sincronizados, en la Figura 4.

En el primero de estos gráficos describe la variación en el nivel de la pulpa en el tanque TK-101, desde que empieza a llenarse hasta que se vacía. En el segundo gráfico se puede apreciar la variación de la presión en el tanque. En el tercer gráfico puede apreciarse una representación de lo que podrían ser los flujos de descarga hacia la marmita MA-100; y del flujo de trasiego, que pasa por la válvula SV-129, constituyendo la corriente 13, como se puede apreciar en el P&ID.

El conjunto de estos gráficos permite que se aprecie la relación entre el nivel, la presión, y los flujos de descarga, y de trasiego, del tanque TK-101. Las anotaciones permiten apreciar la secuencia de cierre y apertura de las válvulas, y los tiempos relativos en que los  los eventos allí referidos ocurren.

La presurización es necesaria para garantizar flujos razonables de descarga, y de trasiego en el caso de TK-101; y en el caso del tanque TK-102, porque -hasta probar lo contrario- se presume que una descarga por gravedad no es viable. Esto debe comprobarse por simulación, así como el valor de la presión que  deba usarse.

Al respecto de los flujos, y presiones, se debe indicar que mientras mayor sea el Kv de la válvula SV-120, menor será la presión que se  requiera para descargar el tanque, más cara será la válvula; y que mientras mayor sea la presión y menor el tamaño de la válvula menor será la controlabilidad del proceso, entendiéndose “controlabilidad” en el sentido del artículo de Wikipedia (http://en.wikipedia.org/wiki/Controllability).

Se debe remarcar que la propuesta debe validarse por simulación, y que ella está referida al P&ID del proceso, y a los estados normales de las válvulas, y a las acciones de los controladores que se indican en la Figura 3.

Es pertinente, así mismo, enfatizar la importancia de la relación entre el funcionamiento del proceso, su configuración, y la configuración del sistema de control; y en que se debe tener presente que el funcionamiento de la instalación que el diseñador haya concebido determina la configuración de la planta, y que la configuración determina el sistema de control.

También se debe tener presente el corolario de lo anteriormente indicado: Esto es: que es muy importante que  la configuración de control ha de ser consecuente con la configuración de la planta, y que ésta última depende de la modalidad de operación de las válvulas (ATO, ATC, NO, NC, etc.), y de la de los controladores.

La lógica de la secuencia de operación

La lógica de la operación de carga-descarga de los tanques TK-101, y TK-102 se basa en el cumplimiento  de los niveles bajos y altos en los tanques TK-101, y TK-102, y en el disparo de las respectivas alarmas LAL y  LAH (véase el P&ID de la Figura 1, y los gráficos de la Figura 4).

En la Figura 4 se puede apreciar que, al comenzar el ciclo, la válvula SV-122 que maneja el aire de suministro del controlador de presión está cerrada, implicando con ello que el controlador, que es de acción directa, no envía señal alguna a la válvula FCV-110, que siendo aire para abrir (ATO), se mantiene cerrada, causando que la línea respectiva no transporte aire de presurización hacia el TK-101, lo que implicará que la presión en ese tanque tenga el valor de la presión atmosférica.

En la Figura 4 Se puede observar también que la válvula SV-120, que permite la descarga de TK-101, se mantiene cerrada; que la válvula SV-198 de venteo del tanque TK-101 se mantiene abierta; que la válvula SV-123, de carga de TK-101, está abierta. También se puede notar en la Figura 4, que las condiciones descritas se mantienen hasta que el nivel de pulpa iguala el valor de disparo de LAH, debido a que el tanque TK-101 se está llenando.

Cuando el nivel de la pulpa ha llegado a su valor alto (LAH),  la válvula SV-122 debe abrirse, para activar  el  controlador PIC-155. Al mismo tiempo, la válvula SV-198 se cierra, permitiendo que el TK-101 empiece a presurizarse, la válvula FCV-110 empieza a modular, y la válvula SV-123 se cierra, porque el tanque TK-101 ya se ha llenado.

Cuando estos eventos han ocurrido, la presión dentro del tanque TK-101 comienza a elevarse (véase el gráfico de P vs. tiempo en la Figura 4). Esto sucede hasta que el valor de la presión alcanza el valor de Pset.

Cuando el tanque está presurizado a Pset, la válvula SV-120 debe abrirse para que comience la descarga de la pulpa contenida en TK-101 hacia la marmita MA-100. La descarga del tanque TK-101 debe continuar hasta que el nivel de pulpa alcance el valor de disparo de LAL-192. Cuando esto ocurra SV-120 debe cerrarse, y SV-129 debe abrirse para comenzar el trasiego de la pulpa residual hacia el tanque respectivo, que no se muestra en el P&ID.

A partir de este momento, y hasta que el tanque TTK-101 se vacíe, lo que se comprueba mediante la respectiva señal de SG1, la pulpa se trasiega hasta que su nivel (señal de peso) sea cero. Cuando esto ocurra la válvula SV-198 debe abrirse para liberar la presión; al mismo tiempo SV-122 debe cerrarse, cerrando FCV-110; y SV-129 debe cerrarse, por haberse terminado el trasiego.

A partir de este momento (tanque vacío) lo único que se requiere para que el ciclo de carga-descarga termine es que la presión manométrica en el tanque TK-101 llegue a cero.

Debe indicarse aquí que la trazabilidad logística del proceso se establece mediante el peso que se mide mediante los strain gages SG1, y SG2, instalados en la parte inferior de los tanques. Esto permite registrar los pesos iniciales de la pulpa de frutas, y del azúcar, los pesos finales; totalizar los pesos de los batchs producidos, y relacionar lo producido con el identificador del batch.

Estos datos se registran en una base de datos, para fines de seguimiento, control de calidad, y descarga de inventarios, mediante data logging, cumpliendo así con lo que establece la Norma ISO 9000.

Figura 2. Sincronización de la operación de descarga de TK-101

Figura 4. Sincronización de la operación de descarga de TK-101

Sub-proceso de producción de mermelada

El objeto de este sub-proceso consiste en el aumento del porcentaje de sólidos en base a la evaporación del agua de la mezcla formada por la pulpa y el azúcar, y en la respectiva cocción de la misma. El contenido de sólidos varía desde el contenido inicial señalado en la tabla de la Figura 5, hasta un contenido final que en las especificaciones de diseño se ha fijado, de manera referencial, en 65%.

Descripción de los componentes e instrumentación del sub-prcoseso

Este sub-proceso se realiza en la marmita MA-100, que es el corazón de la planta.

La estructura de control está constituida por un control de retroalimentación simple que modula el flujo de vapor a la chaqueta, como se puede apreciar en la Figura 1, y por una estructura de control en cascada que controla el vacío en la marmita, que termodinámicamente está ligado a la temperatura a la que se desea evaporar el agua, para lograr llegar a la concentración de sólidos desada.

El valor del vacío se fija por medio de un set point remoto (RSP) generado  por el controlador maestro del lazo cascada, TIC-161. El algoritmo para la generación de este set point remoto se basa en la respectiva curva de presión de vapor de equilibrio entre el agua líquida y su vapor, a la presión de interés.

El control maestro del lazo cascada y el control de retroalimentación simple de temperatura de la chaqueta comparten el mismo set point.

Operación y lógica del sub-proceso

La operación de este sub-proceso es esencialmente muy simple. Consiste en que la temperatura de la marmita se regula mediante el controlador TIC-165, que comparte el set point de temperatura con el TIC-161, máster del controlador PIC-163, que ajusta el valor de a presión en la marmita Ma-100 de manera que corresponda a la presión y temperatura de evaporación del agua de la mezcla.

Como la condición termodinámica manejada por los controladores TIC-165, TIC-161, y PIC-163 permite la evaporación del agua de la mezcla, esta continúa evaporándose hasta que el nivel de la mezcla en la marmita llega dispara la alarma LAL-175.

Cuando esta alarma se dispara, la válvula SV-135 se cierra bloqueando el flujo de vapor a la chaqueta; la válvula SV-174 se abre restituyendo la presión atmosférica a la marmita MA-100, la válvula SV-150 se abre descargándose el producto, y la válvula SV-172 se abre, descargando el condensado del tanque TK-103, terminándose así la ejecución del batch.

Cálculos preliminares a estado estacionario

Para fines de establecer el valor de nivel bajo de LAL-175, así como las masas de agua evaporada, y otros valores importantes del proceso, es conveniente montar el esquema de cálculo en una hoja MS Excel™, que que es muy útil para realizar cálculos rápidos, y tener una idea aproximada de masas, volúmenes, tamaños, etc.

La hoja se muestra a continuación, para referencia

Figura 4. Cálculo preliminar de magnitudes operacionales del batch

Figura 5. Cálculo preliminar de magnitudes operacionales del batch

Comentario final

Lo que antecede pretende resumir el proceso de generación de una configuración preliminar, que es indispensable para llevar a cabo una simulación que la valide, o que sugiera modificaciones (presumiblemente menores) a ella.

Una vez validada la configuración se debe realizar la distribución de la planta, en planimetría y altimetría y/o en AutoCad 3D, y -tal vez- la maqueta respectiva, y hacer realizar los cálculos de detalle de la planta, y de las demás plantas.

Algo de lo dicho haremos en futuros artículos

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