Measurements and computations of the flow in full-scale sugar evaporative-crystallizers and in lab-scale models

Mediciones y cálculos del flujo de evapo-cristalizadores de azúcar a plenitud y en modelos de escala laboratorio

La circulación de massecuite (mezcla de cristales y jarabe) es un factor clave en el logro de una transferencia de calor y cristalización eficientes en evapo-cristalizadores de azúcar, debiendo ser tan alta como sea posible, por razones de recuperación, calidad y capacidad. Esta investigación presenta resultados sobre la circulación obtenida aplicando técnicas experimentales y numéricas modernas. Los objetivos principales fueron contribuir a ampliar el entendimiento del proceso en los cristalizadores de azúcar, desarrollar modelos realísticos para la simulación de la circulación, y estudiar el efecto de distintos parámetros de diseño.

La circulación de massecuite es impulsada por la fuerza de flotabilidad (buoyancy force), producto de la diferencia de densidades del vapor generado y del líquido circundante en los tubos de calandria, donde los modelos de intercambio de momento normalmente usados para simulación de flujo no pueden predecir correctamente las interacciones interfaciales complejas. Para tratar el problema, se investigó experimentalmente desde una perspectiva fundamental el intercambio de momento en los flujos de canal vertical gas-líquido impulsados por la fuerza de flotabilidad, enfocándose particularmente en los regímenes complejos asociados con altas fracciones vacías y con medios altamente viscosos. Se desarrolló un drag model para los resultados experimentales, el cual representa la transferencia de momento en flujos multifase gas-líquido bajo condiciones adiabáticas.

Se identificó una inestabilidad de ebullición de flujo en los tubos de calandria, causando vaporización intermitente y circulación pulsante. Esto conlleva a una resistencia de fricción que afecta la transferencia de momento a la fase líquida. Se obtuvieron los resultados experimentales del flujo en los evapo-cristalizadores de azúcar, usando un modelo a escala laboratorio, donde se replicaron las principales características de flujo de fluido y se estudió aplicando velocimetría de imagen de partícula. También se llevaron a cabo las mediciones de campo del flujo en le cristalizador continuo funcionando a plenitud, donde se usaron anemómetros en caliente para determinar la velocidad y la circulación del massecuite.

Se presentaron y se compararon los resultados numéricos obtenidos por la aplicación de dinámica de flujo computarizada (computational fluid dynamics, CFD) con las mediciones llevadas a cabo en escala laboratorio y en los cristalizadores funcionando a plenitud, confirmando que las soluciones CFD desarrolladas representan razonablemente los flujos estudiados. Se aplicó el modelo CFD desarrollado para investigar numéricamente el efecto de los distintos parámetros de diseño en circulación, identificando alternativas potenciales para mejorar el diseño y el desempeño hidráulicos de los cristalizadores de azúcar a través de una circulación mejorada.

Metodología para obtener y certificar modelos estadísticos del proceso de cristalización del azúcar

Methodology to obtain and certify statistical models for sugar crystallization process

Los procesos industriales de baja complejidad utilizan para su estimación y control automático modelos determinísticos, los cuales valoran en forma continua el comportamiento del proceso por medio de una variable calculada (o estimada) por el comportamiento de otras, que son medidas automáticamente durante su ejecución. Como ejemplo, se encuentran el tratamiento térmico y el proceso de cristalización de azúcar; el primero se logra con un modelo formado por la suma de tres rectas, una con pendiente positiva determinada por la rapidez del calentamiento, otra por una recta de pendiente cero, correspondiente al tiempo de retención y otra con pendiente negativa, correspondiente al enfriamiento.

El proceso de cristalización de azúcar puede ser conducido manual o automáticamente, controlando diversas variables que son medidas directamente o calculadas en tiempo real, tales como los grados Brix, la densidad, la conductividad y la sobresaturación de la meladura.

Este trabajo expone una metodología que permite obtener modelos nuevos utilizados en los sistemas de control de procesos complejos, determinados por un conjunto de variables con amplio rango de variación. Se certifica la calidad de dos modelos de la literatura azucarera india y se estiman dos modelos nuevos, basados en la sobresaturación y la conductividad, los cuales han sido aplicados en varias zafras azucareras con excelentes resultados: aumento de producción, ahorro de energía y menor costo. Es conveniente tener modelos alternativos y saber cómo estimarlos, en función de variables menos dificiles de medir, mantener y evaluar.