La problemática del consumo de agua en la industria azucarera

1. Resumen
3. Desarrollo
4. Conclusiones
5. Bibliografía

RESUMEN

Según el criterio de algunos investigadores actualmente se consume mucha agua en la industria azucarera, lo que constituye un serio problema para algunos países debido a lo limitado de su recurso agua. La disponibilidad de agua potable para consumo doméstico se va tornando en un problema muy serio para las generaciones actuales y futuras, y en esta competencia entra a formar parte, también, el agua que se consume en los procesos industriales. La industria azucarera puede alcanzar altos volúmenes de consumo de agua que incluyen hasta casi 141 kg/TC molidas como máximo. En el trabajo los autores analizan las causas fundamentales que inciden en estos niveles de consumos, al igual que se ofrecen algunas sugerencias para el análisis científico de los mismos. La combinación de dichas sugerencias con la atención a las causas que se detallan puede contribuir decisivamente a mejorar el balance de aguas de esa industria.

INTRODUCCION

La industria depende en alto grado de un abastecimiento adecuado de agua que se utiliza como componente de productos, ó de manera indirecta en el control del proceso de producción, como en el enfriamiento de máquinas que generan calor ó en la higienización de determinadas operaciones y partes del proceso productivo.

Sin embargo, el agua es un recurso medio ambiental de importancia capital para el hombre en sus diferentes actividades tanto domésticas, como comercial, industrial y otras. Según Steel y McGhee (1) los niveles de uso del agua en los países desarrollados pueden caracterizarse por la tabla siguiente:

En los últimos años el consumo de agua ha aumentado a razón de 1 a 1,5% por año, fundamentalmente, en los países desarrollados. A pesar de que el 71 por ciento de la superficie del planeta está cubierto por mares y océanos, la cantidad de agua dulce disponible para usos industriales, agrícolas, domésticos y de algún otro tipo es limitada, ya que tan sólo alcanza al 0,003 por ciento..

En los países subdesarrollados el consumo de agua puede alcanzar cifras muy inferiores, un estudio realizado por el Banco Mundial (1) para las áreas rurales de los países en vías de desarrollo y distribuidos por zonas geográficas muestra las siguientes cifras:

La Comisión Nacional de Ecología de México publicó el Informe de la situación general en Materia de Equilibrio ecológico y protección al ambiente donde ofrece los porcentajes en materia de extracción y consumos de agua potable así como de descargas de aguas residuales de los nueve principales giros industriales de México (2). Por la importancia que tienen estos datos para las consideraciones de este trabajo se muestran a continuación:

Como puede verse en la tabla anterior es precisamente la industria azucarera la que tiene un mayor consumo de agua vinculada al proceso productivo en general, al mismo tiempo que elevadas pérdidas al medio ambiente. Si se toma en cuenta que con la masa de caña que llega al ingenio el 70 por ciento de la misma es agua, es completamente irracional que dicha industria obtenga esas cifras, siendo explicable solamente por una falta de control total sobre este recurso energético y medio ambiental en este tipo de industria. Esta es la razón por la cual el objetivo de este trabajo es un acercamiento más a este problema, donde los autores recogen algunas de sus experiencias sobre mediciones y estudios realizados en relación con él.

DESARROLLO

Los estudios relacionados con el consumo de agua en las fábricas de azúcar comenzaron a desarrollarse hace muchos años, así se encuentran algunos reportes en el libro de Noel Deer del siglo XIX, y con posterioridad en otras publicaciones tanto de los siglos XX como en los años transcurridos del siglo XXI. La característica más común en todos estos estudios es el enfoque parcial hacia alguno de los aspectos del proceso, por ejemplo el porcentaje de uso de agua de imbibición, ó la visión de alguno de los aspectos del subsistema, tal es el caso del sistema de condensado. (3,4).

Caracterización del problema.

En mucho de esos reportes, aunque no en todos, resulta completamente imposible contraponer unos resultados contra otros, ya que faltan algunas informaciones de interés. Mucho más recientemente los investigadores Prof. Rubén Espinosa (5) y el Dr. Héctor Pérez de Alejo (6) han logrado acercarse al tema ofreciendo datos, cifras y balances de agua, que constituyen sin lugar a dudas valiosos referentes para estudios posteriores de mayor envergadura.

El uso del agua en los ingenios azucareros depende de varios factores, siendo los más importantes los vinculados con la disponibilidad, calidad y temperatura de la misma. De esta forma es posible establecer las diferentes categorías siguientes:

• Uso del agua vinculada directamente con el proceso productivo

1. Agua de alimentación a calderas
1. Vapor consumido en los motores primarios
1. Vapor consumido en el proceso tecnológico
1. Escapes a la atmósfera por válvulas, tuberías y equipos de proceso
1. Limpieza y desinfección de sistemas mediante equipos auxiliares: sopladores de hollín, escobas de tachos, etc.
1. Limpieza y desinfección de sistemas mediante mangueras: desinfección de tándems.
1. Calentamiento de jugos en calentadores líquido-líquido.
1. Extracción del calor de rechazo en enfriaderos y torres de enfriamiento
1. Enfriamiento de chumaceras
1. Preparación de productos químicos
1. Dilución de mieles
1. Imbibición
1. Lavado de centrífugas
1. Lavado de la torta de los filtros

• Uso de agua vinculada indirectamente al proceso productivo

1. Como medio de enfriamiento en los enfriadores ínter y post etápicos de los compresores de aire para el sistema neumático de control.
2. Sistema contra incendios
3. Enfriamiento de tomamuestras y sistemas afines.
4. Sistemas de protección e higiene vinculados al proceso.
5. Sistemas de regeneración de la planta de tratamiento de aguas
6. Planta eléctrica
7. Talleres mecánicos destinados a las reparaciones y fabricación de piezas.

• Uso de agua no vinculada al proceso productivo

1.Sistemas sanitarios y de higiene de recursos humanos auxiliar al proceso

2. 2. Facilidades temporales al proceso

3. Otros consumos asociados por estrategias de microlocalización.

Los autores de este trabajo han encontrado mediante la aplicación de la Estadística a variados reportes de aplicación formados por diferentes investigadores en cuanto a las cantidades de agua de reposición tratada y/o los porcentajes de agua de reposición los valores siguientes:

Agua de reposición tratada: Valor medio: 68,45 kg/TC. Desviación S: 39,22

Valor máximo: 140,7 kg/TC. Valor mínimo: 18,5 kg/TC.

Porcentaje de agua de reposición: Valor medio: 11,71 Desviación S: 5,79

Valor máximo: 21,25 Valor mínimo: 3,0

La creciente diferencia entre las cifras indica que existe una gran variedad de factores que incide sobre los mismos, y aún más, el alza de las desviaciones típicas demuestra una elevada dispersión entre los datos que ha conformado los estudios antes mencionados.

En fecha reciente apareció publicado el artículo de Castro y Oropesa y R. Espinosa sobre Gestión Energética en un central azucarero no electrificado (7) donde detallan los guarismos encontrados por ellos para algunos consumos de agua que presenta este ingenio:

• Producción de condensados puros: 55,8 T/h
• Déficit de condensados puros: 5,4 t/h
• Porcentaje de agua de reposición: 8,8%
• Producción de condensados contaminados: 66,7 T/h
• Agua de imbibición: 28,2 T/h
• Agua para limpieza de tortas de filtros: 3,0 T/h
• Agua para centrifugación: 1,1 T/h
• Agua de dilución de mieles: 3,5 T/h
• Agua lechada de cal: 3,5 T/h

En estudios muchos más recientes (8) los investigadores que escriben este artículo encontraron la influencia de los niveles de molida sobre la cantidad de agua a reponer y que se resumen en la siguiente tabla:

De igual forma también se ha estudiado durante los procesos de remodelación de ingenios azucareros para alcanzar mayores cantidades de entrega de energía eléctrica marginal la influencia que tiene sobre el balance de agua el paso a través de etapas que se corresponden con el paso hacia esquemas termoenergéticos más eficientes:

Esto sugiere la idea que durante el proceso de remodelación de esquemas termoenergéticos para conseguir mayores eficiencias térmicas y/ó mejores cantidades de entrega energía eléctrica marginal hay que tomar en cuenta durante las diferentes etapas-esquemas transitorios por los que se pasa disponer de mejores disponibilidades en lo que al balance general de agua se refiere.

Según todas estas consideraciones los autores proponen un modelo matemático que toma en cuenta la influencia de los niveles de molida – [X expresado en T/día] – sobre la cantidad de agua a reponer – [Y expresado en T/h] – y que se resume en la siguiente ecuación:

Y = 20,2 – 0,006253 X

Factores fundamentales que influyen en el consumo de agua de un ingenio

Las causas que influyen ó determinan el consumo de agua en un ingenio azucarero son de diferente naturaleza, y algunas de ellas están muy estrechamente relacionadas. A continuación señalamos aquellas que han sido completamente caracterizadas durante los diferentes estudios ó diagnósticos realizados en diferentes fábricas de azúcar.

• Estabilidad y régimen de molida horaria.
• Calidad de la materia prima.
• Esquema térmico y su integración entre motores primarios y equipos tecnológicos.
• Estado del aislamiento térmico.
• Estado del sistema de recuperación, conducción y almacenamiento del condensado.
• Control de los salideros.
• Coordinaciones operacionales.
• Cantidad y temperatura del agua de imbibición.
• Control del agua para limpieza y enfriamiento.
• Limpieza de los molinos y de las diferentes áreas de la fábrica.
• pH del jugo clarificado.
• Control de la cantidad de agua para la preparación de productos químicos.
• Temperatura del jugo a la salida de los calentadores.
• Brix de la meladura y de las masas cocidas
• Caída de pureza entre las MC y sus mieles.
• Pureza de la semilla.
• Presión del vapor de escape.
• Limpieza de los equipos.
• Control del agua para filtros y centrífugas.
• Estrategia de operación de los tachos.
• Vacío en evaporadores y tachos.
• Control del agua de inyección a los condensadores barométricos.
• Temperatura del agua de alimentación a calderas y calidad de la misma.
• Aprovechamiento del fenómeno de la autoevaporación en los sistemas de evaporación.
• Buena selección y mantenimiento del sistema de trampas de vapor.
• Sistema de control para un mayor aprovechamiento de los condensados de evaporadores y calentadores.
• Control de las pérdidas de vapor a la atmósfera.
• Buen punto de ajuste de las válvulas de seguridad.
• Control del agua de dilución de mieles.
• Separación de los tanques de almacenamiento de condensado según la calidad de los mismos.
• Contaminación de los condensados por factores de diseño u operacionales.
• Empleo de condensados ajenos a la finalidad prevista.
• Falta de control en los sistemas de toma de muestras.
• Salideros en los sistemas de protección e higiene del trabajo.

El desarrollo de una agroindustria azucarera diversificada y con esquemas flexibles de producción, al igual que el desarrollo de las producciones de derivados, induce a un incremento en el nivel de contaminación, que puede ser eliminado ó atenuado con un adecuado uso y rehuso del agua de proceso y la aplicación de los diferentes tratamientos que protejan el medio ambiente (9).

No obstante las causas ya señaladas, una acción administrativa inmediata tiene que estar dirigida a la eliminación de las dificultades operacionales en la industria que con más frecuencia se presentan en todos los diagnósticos de consumos energéticos y de agua que se realizan en los ingenios azucareros. Los problemas operacionales más frecuentes son los que se especifican a continuación:

• No lograr uniformizar el régimen horario de molienda.
• Utilizar una cantidad mayor de equipos de los necesarios para la norma de molida horaria que se ha establecido.
• El desaprovechamiento de las aguas condensadas.
• La subutilización de las capacidades propias para la generación de energía eléctrica ó mecánica.
• La instalación de motores eléctricos de una capacidad excesiva, lo que puede ocasionar una mayor demanda de vapor.
• No aprovechamiento de las máximas capacidades operativas potenciales de los evaporadores de múltiple efecto.
• La molida de caña de azúcar de baja calidad y con un alto índice de materias extrañas.
• Indisciplina tecnológica, descuido y falta de control en la operación de hornos y calderas.
• Uso inadecuado y descuidado del vapor en los equipos de procesos.

Estos problemas operativos pueden influir con muy diferente grado sobre los niveles de consumo de agua en la industria productora del azúcar de caña.

El consumo de agua y la integración energética.

Las estrategias de desarrollo sustentable requieren soluciones para suplir los servicios energéticos básicos de la generación presente, preservando el medio ambiente y las posibilidades para las generaciones futuras de satisfacer sus propias necesidades, por lo que la propuesta de alternativas de integración del ingenio con otras producciones puede ser una vía eficaz de solución de esas estrategias.

Durante los análisis relativos al estudio del proceso de integración energética de un ingenio azucarero con una fábrica de papel (10) se caracterizaron las siguientes premisas:

• Satisfacer las necesidades energéticas (calor y potencia) de ambas fábricas durante todo el año.
• Asegurar el consumo de bagazo como materia prima para la papelera.
• Aprovechar las instalaciones de desmedulado del bagazo de que dispone el central para reducir en un 30% el contenido de médula que este posee.
• Utilización de la paja de caña con fines combustibles.
• Secado del bagazo.
• Extracción del jugo de los filtros del proceso azucarero para producir el alcohol que la papelera pudiera emplear para el pulpeo del bagazo.
• Esquema único integrado de demanda y uso del agua.
• Considerar la integración como un área energética única para ambos procesos en territorio del ingenio.
• Contribuye al mejoramiento del entorno de esa comunidad mediante la reducción de contaminantes y residuales.

En otros estudios donde precisamente se desarrolla el proceso de integración energética entre un central azucarero y una destilería se ha encontrado déficit en el balance de agua de hasta aproximadamente 28 T/h a pesar de lo factible de dicho proceso en el orden energético, con lo que se vuelve a confirmar la tesis de la influencia del proceso y del esquema térmico en cuanto al consumo de agua, por lo tanto de ahí la necesidad de asumir como premisa la integración del esquema demanda – consumo en la que el "water – pinch" ó la aplicación del "método heurístico de análisis" pueden ser herramientas útiles para tal fin (11).

Sugerencias para el mejoramiento del balance de agua en un ingenio.

Dado lo complejo que resulta el problema del consumo de agua en la industria azucarera es posible establecer un conjunto de sugerencias para mejorar substancialmente las condiciones del balance de agua en un ingenio azucarero. El basamento fundamental de esas sugerencias está orientado según tres direcciones fundamentales: el uso según las categorías descritas en este mismo trabajo, las causas fundamentales que influyen en el consumo de agua en el ingenio y la filosofía operacional de operar bien, con profesionalidad y sin pérdidas e impactos ambientales manteniendo en el nivel más alto la eficiencia termoenergética de la fábrica.

• Aplique el sistema de Gestión Total Eficiente de la Energía para el recurso agua.
• Desarrolle un esquema de diagnóstico del recurso agua para la fábrica.
• Formule las condiciones para la aplicación de la herramienta "water pinch" a la industria.
• Desarrolle dicha herramienta para concebir mejoras en los esquemas de uso y rehuso del agua.
• Establezca regímenes de molida altos y estables.
• Perfeccione la operación energética y del uso del vapor mediante manuales normativos.
• Adopte en la medida de las posibilidades y de forma gradual esquemas de evaporación-cocción y calentamiento más eficientes.
• Mejore operativamente la eficiencia en las plantas generadoras de vapor incluyendo también modificaciones en los hornos y la introducción de nuevos elementos en calderas.
• Desarrolle métodos de control rigurosos.

CONCLUSIONES

El agua es uno de los elementos más importantes de la naturaleza y que no siempre se usa de la forma más racional posible. Debido a la creciente demanda de agua por parte de la población, es necesario tomar medidas de inmediato para el problema del abastecimiento de agua. La mayoría de las opciones resultan muy costosas, por lo que más bien es necesario, reducir el desperdicio mediante la implementación de medidas legales y hacer más eficiente, en general, todos los procesos donde se requiere agua (uso industrial, doméstico, agrícola, etc.)

Actualmente, el costo real del agua es mayor de lo que cuesta el servicio, ya que implica un conjunto de factores que normalmente no se consideran. El desarrollo sostenible, según se ha definido, implica pagar los costos reales de los servicios y del recurso.

BIBLIOGRAFIA

1. Glynn, H. y G. W. Heinke. (2003). Ingeniería Ambiental. (2da Edición) Prentice Hall. México.
2. Ciencia Ambiental y Desarrollo Sostenible. (2003) E. Enkerlin [et. al.]. International Thomson Editores. México.
3. González Pérez, F. (1997). Remodelación del esquema térmico del CAI "Pepito Tey". Tesis en opción al grado de Master en Ciencias. Universidad de Cienfuegos.
4. Castellanos Alvarez, J. (1990) Análisis de alternativas del esquema de evaporación, calentamiento y cocción de un central azucarero que entrega energía eléctrica y bagazo a una fábrica de papel. Tesis de Doctorado. UCLV.
5. Espinosa, R. (1990) Sistemas de Utilización del Calor en la Industria Azucarera. Editorial ENPES. La Habana.
6. Pérez de Alejo, H. (1995). Como hacer un uso eficiente de la energía en un central azucarero. Conferencia Mundial sobre la Biomasa para la Energía, el Desarrollo y el Medio Ambiente. La Habana.
7. Castro Oropesa, M. & Espinosa, R. (2002). Gestión energética en un central azucarero no electrificado. Centro Azúcar. (4), P. 20 – 28.
8. González Pérez, F. & Castellanos, J & Puerta, J. F. (2000). Remodelación para la cogeneración de un ingenio azucarero de la provincia de Cienfuegos. Centro Azúcar. (2). P. 9 – 14.
9. Gálvez Taupier, L. (1999). Hacia una agroindustria diversificada y con esquemas de producción flexibles. CubaAzúcar. XXVIII ( 4). P. 5 – 11.
10. Puerta Fernández, J. F. (2002). Integración energética entre los procesos de producción de azúcar crudo, pulpa y papel de bagazo. Tesis de Doctorado. Universidad de Cienfuegos.
11. Castellanos Alvarez, J. (2002). Informe de Investigación. Universidad de Cienfuegos. Facultad de Mecánica.
12. González Pérez, F. (2002). Control de algunos factores agroindustriales que afectan la cogeneración en ingenios azucareros. Tesis de Doctorado. Universidad de Cienfuegos.

Autor:

Dr. C. Juan A. Castellanos Alvarez

Doctor en Ciencias Técnicas, Ingeniero Químico. Profesor Titular Facultad de Ingeniería Mecánica, Universidad de Cienfuegos, CUBA.

Dr. C. Félix González Pérez

Doctor en Ciencias Técnicas. Ingeniero Termoenergético, Profesor Asistente, Facultad de Ingeniería Mecánica, Universidad de Cienfuegos. CUBA.

Dr. C. Juan F. Puerta Fernández

Doctor en ciencias Técnicas, Ingeniero Termoenergético. Profesor Auxiliar, Facultad de Ingeniería Mecánica. Universidad de Cienfuegos.. CUBA.