REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA UNIVERSIDAD RAFAEL URDANETA FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA DE INGENIERÍA QUÍMICA DERECHOS RESERVADOS

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1 REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA UNIVERSIDAD RAFAEL URDANETA FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA DE INGENIERÍA QUÍMICA DISEÑO DE UN SISTEMA DE CONDENSACIÓN DE VAHOS PARA EL DEPARTAMENTO DE ELABORACIÓN/COCIMIENTOS DE LA CERVECERÍA REGIONAL C.A. EN LA PLANTA MARACAIBO Trabajo Especial de Grado para optar al título de Ingeniera Química Br. LISSA C. GALICIA A. C.I Br. VANESSA M. URDANETA B. C.I Maracaibo, Mayo del 2005

2 REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA UNIVERSIDAD RAFAEL URDANETA FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA DE INGENIERÍA QUÍMICA DISEÑO DE UN SISTEMA DE CONDENSACIÓN DE VAHOS PARA EL DEPARTAMENTO DE ELABORACIÓN/COCIMIENTOS DE LA CERVECERÍA REGIONAL C.A. EN LA PLANTA MARACAIBO Trabajo Especial de Grado para optar al título de Ingeniera Química Br. LISSA C. GALICIA A. C.I Br. VANESSA M. URDANETA B. C.I Maracaibo, Mayo del iii

3 Este jurado aprueba el Trabajo Especial de Grado titulado DISEÑO DE UN SISTEMA DE CONDENSACION DE VAHOS PARA EL DEPARTAMENTO DE ELABORACION Y COCIMIENTOS DE LA CERVECERIA REGIONAL C.A. EN LA PLANTA MARACAIBO que las bachilleres Galicia Avila, Lissa Carolina C.I y Urdaneta Ballesteros, Vanessa M. C.I presentan para optar al titulo de Ingenieras Químicas. Ing. Martínez, Humberto C.I.: Tutor Académico Maracaibo, Mayo de Ing. Urdaneta, Oscar Ing. Luzardo, Herinarco C.I.: C.I.: Jurado Jurado Ing. Urdaneta, Oscar Ing. Bohórquez, José C.I.: C.I.: Director de la Escuela Decano de la Facultad de Ingeniería Química de Ingeniería

4 DEDICATORIA A Dios y a San Ignacio por ser la fuerza que me inspira cada día a seguir adelante no importa lo que pase. A mis Padres, por complacerme y apoyarme en todo lo que hago. Son mi modelo a seguir y siempre seré su Pequeña. A mis hermanos Juan y Marcy, porque los quiero mucho. A Kike, porque lo AMO. Eres mi sobrino, mi hijo y mi todo. Espero que en el futuro todos tus sueños se hagan realidad. A toda mi familia, mis abuelos, tíos y primos. En especial a mi abuelo Eduardo, mi tío Ike, y mis primos Tito, Melina, Alexandra y Alexander. A Vanessa porque es la mejor compañera de tesis que pude haber conseguido y por ser, junto con su novio Giovanni, grandes amigos. A mis profesores, compañeros de estudio y amigos. Formar parte de la URU ha sido una gran experiencia. Lissa Galicia Ávila. 3

5 DEDICATORIA A mis padres, sin ustedes nunca hubiese podido llegar hasta aquí, ustedes son mi modelo a seguir. Mamá, a ti por haber sido el remedio a todos mis problemas, tú me enseñaste la anatomía más importante, la de la vida, y caminaste siempre a mi lado todo este recorrido. Papá, a ti por haber sembrado en mí la semilla del estudio y el amor a la ciencia. Espero que compartas conmigo al momento que esas semillas, den fruto. A mi hermano José Daniel, porque tu has despertado en mi la creatividad que nunca sospeche tener. Has sido un modelo de iniciativa para mí y espero algún día acompañarte cuanto tu llegues hasta aquí. A Lissa, yo busque en ti una compañera de tesis y encontré una amiga. Gracias por haberme ayudado a realizar esta meta. A Giovanni, todo lo que hago, lo hago pensando en ti, gracias por apoyarme siempre y espero que logremos juntos todas nuestras metas. A mis amigos, ustedes saben quienes son, lo logré!!!!!!!. Vanessa Urdaneta B. 4

6 AGRADECIMIENTOS A Dios. A nuestros padres por haber sido los pilares fundamentales de nuestra educación. A nuestro tutor académico, Ing. Humberto Martínez, por haber sido una fuente constante de conocimientos y habernos brindado mas que su ayuda, su amistad y confianza. Lo queremos. Al Ing. Carlos Machuca y al Lic. Gelacio Leal, por habernos dado todas las herramientas necesarias para cumplir con esta meta y por habernos brindado su apoyo incondicional. A todo el personal de la Cervecería Regional C.A., especialmente al Ing. Nervis Morillo, T.S.U. Daniel Martínez y a todo el personal del departamento de Elaboración/Cocimientos que han puesto su granito de arena en la realización de este trabajo de grado. A la URU y a todos nuestros profesores por habernos guiado hacia la búsqueda de la excelencia. En especial a los profesores Oscar Urdaneta, José F. Bohórquez, Ignacio Rodón, Milagros Quijada y Herinarco Luzardo. Lissa y Vanessa. 5

7 GALICIA AVILA, Lissa Carolina, C.I , URDANETA BALLESTEROS, Vanessa M, C.I Diseño de un Sistema de Condensación de Vahos para el Departamento de Elaboración y Cocimientos de la Cervecería Regional C.A. en la Planta Maracaibo. Trabajo Especial de Grado. Maracaibo. Universidad Rafael Urdaneta. Facultad de Ingeniería. Escuela de Ingeniería Química. Mayo del RESUMEN La presente investigación tuvo como objetivo diseñar un Sistema de Condensación de Vahos para el Departamento de Elaboración/Cocimientos de la Cervecería Regional C.A. en la Planta Maracaibo. Las pailas de cocción ubicadas en el área de Elaboración/Cocimientos de la cervecería, calientan el mosto cervecero hasta su punto de ebullición durante 80 minutos, una parte del mismo se evapora y sale a través de chimeneas. Al dejar escapar este vapor, conocido como Vahos, se desperdicia energía térmica, además de producir olores que contaminan el ambiente. Por esto se necesita diseñar un Sistema de Condensación de Vahos que permita aprovechar esta energía para calentar el agua de procesos de la planta, reduciendo así los costos por concepto de la compra del combustible fósil empleado en las calderas para el calentamiento de agua. Este sistema consiste en calentar una corriente de agua de procesos que proviene de la planta de tratamiento de agua de la cervecería, con las corrientes de vapor de Vahos. Para la realización del proyecto se consideraron bases y criterios de diseño de acuerdo a las necesidades y requerimientos de la planta y del área donde se instalará el sistema. Se elaboró la Ingeniería Conceptual, descripción del proceso, planos de simbología, diagramas de flujo de procesos, balances de masa y energía, dimensionamiento y especificaciones de los equipos diseñados como el intercambiador de calor y la bomba centrifuga, y el plano de ubicación de los equipos (Layout). Finalmente, se realizó un análisis económico del cual se obtuvo un VPN de 528,8 MMBs para una inversión inicial estimada en 66,3 MMBS y se calculó una TIR del 202,52%. Posteriormente se realizó un 6

8 análisis de sensibilidad en el que se concluyó que la TIR es sensible a la menor variación en el flujo másico de agua caliente producida por el sistema diseñado y en el costo de la inversión, mientras que no se obtuvo una respuesta significativa respecto a la variación del precio del agua potable. 7

9 INDICE GENERAL DEDICATORIAS...iv AGRADECIMIENTOS..vi RESUMEN...vii INDICE DE FIGURAS...xii INDICE DE TABLAS.xiii INDICE DE ANEXOS xiv INTRODUCCION..1 CAPITULO I EL PROBLEMA Planteamiento del problema: Formulación del Problema: Objetivos: OBJETIVO GENERAL: OBJETIVOS ESPECÍFICOS: Justificación de la Investigación: Delimitación de la Investigación: CAPITULO II MARCO TEORICO Antecedentes: Descripción General del Proceso: LA CERVEZA: MATERIA PRIMA: El Agua: La Cebada: El Lúpulo: La Levadura:

10 LA MOLIENDA: MACERACIÓN: FILTRACIÓN DEL MOSTO: COCCIÓN DEL MOSTO: Estabilización: Desarrollo del Sabor: Concentración Eliminación del Bagazo o del Lúpulo Transformaciones que Ocurren durante la Cocción Transformaciones Físicas Transformaciones Químicas SEDIMENTACIÓN DE SÓLIDOS DEL MOSTO ENFRIAMIENTO DEL MOSTO FERMENTACIÓN Y REPOSO MADURACIÓN FILTRADO ENVASADO Sistema de Condensación de Vahos Introducción a los Intercambiadores de Calor RECUPERADORES (INTERCAMBIADORES A TRAVÉS DE UNA PARED SIN ALMACENAMIENTO DE CALOR) INTERCAMBIADORES DE CONTACTO DIRECTO SIN ALMACENAMIENTO DE CALOR REGENERADORES (INTERCAMBIADORES A TRAVÉS DE UNA PARED CON ALMACENAMIENTO DE CALOR) INTERCAMBIADORES DE CALOR QUE UTILIZAN UNA CORRIENTE DE IDA Y VUELTA Tipos de Intercambiadores de Calor INTERCAMBIADORES DE CALOR DE CARCAZA Y TUBOS Intercambiadores de Calor de Cabezal Fijo Intercambiadores de Calor de Tubo en U... U Anillo de Cierre Hidráulico Cabezal Flotante con empaque exterior Cabezal Flotante Interno Cabezal Flotante Removible INTERCAMBIADORES DE CALOR DE DOBLE TUBO INTERCAMBIADORES DE CALOR ENFRIADOS POR AIRE Ingeniería Conceptual DESCRIPCIÓN DEL PROCESO PLANO DE SIMBOLOGÍA DIAGRAMAS DE FLUJO DE LOS PROCESOS BALANCE DE MATERIALES Y ENERGÍA DIMENSIONAMIENTO Y ESPECIFICACIONES DE LOS EQUIPOS PLANO DE UBICACIÓN DE LOS EQUIPOS. (LAYOUT) Análisis Económico VALOR PRESENTE NETO. (VPN) TASA INTERNA DE RETORNO DEL PROYECTO. (TIR)

11 ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD Mapa de Variables Definición de Términos Básicos CAPITULO III MARCO METODOLOGICO Tipo de Investigación Diseño de la Investigación Técnicas e Instrumentos de Recolección de Datos Fases Metodológicas FASE 1. ESTABLECIMIENTO DE LAS BASES Y CRITERIOS DE DISEÑO FASE 2. ELABORACIÓN DE LA INGENIERÍA CONCEPTUAL Descripción del Proceso Plano de Simbología Diagramas de Flujo de Procesos Balances de Masa y Energía Dimensionamiento y Especificaciones de los Equipos Plano de Ubicación de los Equipos. (Layout) FASE 3. ANÁLISIS ECONÓMICO Evaluación del Valor Presente Neto. (VPN) Cálculo de la tasa de retorno (TIR) Análisis de Sensibilidad CAPITULO IV ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS DEL DISEÑO DEL SISTEMA DE CONDENSACIÓN DE VAHOS Bases y Criterios de Diseño Ingeniería Conceptual DESCRIPCIÓN DEL PROCESO PLANO DE SIMBOLOGÍA DIAGRAMA DE FLUJO DE PROCESOS BALANCES DE MASA Y ENERGÍA DIMENSIONAMIENTO Y ESPECIFICACIONES DE LOS EQUIPOS INTERCAMBIADOR DE CALOR BOMBA TANQUE DE RECOLECCIÓN PLANO DE UBICACIÓN DE LOS EQUIPOS. (LAYOUT) Análisis Económico del Proyecto de Diseño del Sistema de Condensación de Vahos

12 PREMISAS AL ANÁLISIS ECONÓMICO VALOR PRESENTE NETO (VPN) TASA INTERNA DE RETORNO DEL PROYECTO (TIR) ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD CONCLUSIONES RECOMENDACIONES BIBLIOGRAFIA ANEXOS.110 APENDICE

13 INDICE DE FIGURAS Figura 2.1. Proceso de Molienda de la Cebada y Maceración...19 Figura 2.2. Proceso de Filtración del mosto...20 Figura 2.3. Proceso de Filtración y de Cocción del mosto...21 Figura 2.4.Proceso de Sedimentación del mosto...28 Figura 2.5. Proceso de cocción del mosto...33 Figura 2.6. Tipos diversos de recuperadores o intercambiadores a través de una pared Figura 2.7. Intercambiares de contacto directo gas-liquido sin almacenamiento de calor Figura 2.8. Intercambiadores de contacto directo fluido-fluido sin almacenamiento de calor

14 Figura 2.9. Intercambiadores de calor de contacto directo fluido-fluido en los que una fase puede disolverse en la otra...38 Figura Regeneradores de calor con almacenamiento de calor...39 Figura El tubo de calor para intercambio de calor a distancia...40 Figura Proceso SPHER para la recuperación de calor de pizarras agotadas y su transferencia a las pizarras nuevas frías...42 Figura Intercambiador de calor sólido-sólido en contracorriente, que utiliza un líquido de ida y vuelta...43 Figura Intercambio de calor sólido-sólido en contracorriente...43 Figura 4.1. Análisis de Sensibilidad del Proyecto

15 INDICE DE TABLAS Tabla 4.1. Balances de Masa y Energía por corriente...90 Tabla 4.2. Posibles Arreglos para el Intercambiador de Calor del Sistema de Condensación de Vahos...91 Tabla 4.3. Comparación de los resultados de la simulación con los cálculos teóricos Tabla 4.4. Resultados obtenidos por el lado de la carcaza para el intercambiador de calor...94 Tabla 4.5. Resultados obtenidos por el lado de los tubos para el intercambiador de calor...95 Tabla 4.6. Cálculo de las inversiones del proyecto

16 INDICE DE ANEXOS ANEXO 1. Velocidades típicas de líquidos en tuberías de Acero.110 ANEXO 2. Tabla de Coeficientes Globales Típicos de Transferencia de Calor en Aplicaciones Petroquímicas..111 ANEXO 3. Variación del vapor perdido por tipo de cocimiento y por mes..112 ANEXO 4. Hoja de Especificaciones del Intercambiador de Calor..118 ANEXO 5. Plano de Simbología ANEXO 6. Diagrama de Flujo de Procesos..121 ANEXO 7. Plano de Identificación de Líneas Tuberías 122 ANEXO 8. Fotos del área de la planta donde se ubicará el sistema..123 ANEXO 9. Factor de corrección para un intercambiador de 2 pasos por tubo y 1 paso por carcaza..124 ANEXO 10. Tabla de identificación del diámetro de la carcaza y número de 15

17 tubos ANEXO 11. Tabla de identificación del diámetro de la carcaza y número de tubos ANEXO 12. Distribución de los tubos de ¾ para un arreglo triangular con un pitch de 1. (Tube Sheet Layout) ANEXO 13. Definiciones y tipos de intercambiadores más comunes según la TEMA ANEXO 14. Reporte generado por la simulación..129 ANEXO 15. Estimación de costos de los equipos, tuberías y accesorios..132 ANEXO 16. Flujo de caja neto anual del proyecto 133 ANEXO 17. Análisis de sensibilidad.134 ANEXO 18. Cálculos para la selección de bombas centrifugas

18 ANEXO 19. Layout ANEXO 20. Anexo 20. Capacidad de la Bomba vs. TDH

19 INTRODUCCION La cerveza es una bebida que resulta de la fermentación del mosto procedente de la malta de cebada, mediante la utilización de levadura cervecera. La elaboración de la cerveza consiste en la obtención del mosto cervecero a través de la maceración de la malta, éste luego es filtrado y cocido junto con el lúpulo, y posteriormente es enfriado, fermentado y madurado. Los Sistemas de Condensación de Vahos son sistemas que se utilizan ampliamente en la industria cervecera para reducir los consumos de energía térmica de la planta. El funcionamiento del sistema consiste en utilizar la corriente de vapor que sale de las pailas de cocción del mosto, haciéndola pasar a través de un intercambiador de calor con el fin de calentar agua. De esta manera, una parte del agua caliente requerida en los procesos de la planta, podrá ser calentada sin necesidad de emplear combustible fósil para cumplir con este fin, ayudando así, a disminuir los costos de producción. Los Intercambiadores de calor son equipos bastante utilizados en la industria, que permiten que ocurra un intercambio de calor entre dos fluidos que se encuentran a diferentes temperaturas mediante el contacto directo con una pared metálica en común. 18

20 En la Cervecería regional C.A. Planta Maracaibo, se ha implementado una política de reducción de los costos de operación, de la cual surge la necesidad de aprovechar las fuentes de energía ya existentes dentro de los procesos de elaboración de la cerveza, como lo es el vapor que sale de las pailas de cocción. Debido a esto, el objetivo del presente trabajo especial de grado, es diseñar un Sistema de Condensación de Vahos en el área de Elaboración/Cocimientos de la planta, que permita solucionar los problemas producidos por las emisiones atmosféricas de este vapor y al mismo tiempo disminuir el consumo de combustible en los procesos de la planta, con el fin de reducir los costos de producción. Este trabajo está estructurado de la siguiente manera: en el Capítulo I, se plantea el problema y se explica la problemática de los procesos actuales y la justificación de la investigación, en el Capítulo II, trata del marco teórico, en él se explica el proceso de elaboración de la cerveza y todas las bases teóricas que fundamentan esta tesis; en el Capítulo III, marco metodológico, se refleja el tipo de metodología utilizada durante la investigación para lograr cumplir con los objetivos planteados; en el Capítulo IV, se muestran y analizan los resultados de la investigación; y por ultimo, se hallan las conclusiones, recomendaciones, bibliografía, anexos y apéndice. 19

21 CAPITULO I EL PROBLEMA 1.1. Planteamiento del problema: En la actualidad los Sistemas de Condensación de Vahos, son ampliamente utilizados en la mayoría de las fábricas de cerveza alrededor del mundo, debido a los muchos beneficios que se pueden obtener mediante la implementación de éstos. En todo proceso de elaboración de cerveza son varios los pasos que se deben seguir. El primero de ellos es la trituración de los granos de cebada malteada en unos molinos especiales, en la etapa de la molienda. Los granos molidos pasan a la paila de maceración en donde se mezclan con hojuelas de cereales y agua con la finalidad de obtener una suspensión espesa o extracto conocido como mosto. En la paila de filtración se separa el mosto de la fracción insoluble conocida como afrecho o nepe. En la paila de cocción el mosto es llevado a su punto de ebullición, para así lograr su estabilidad, evaporar el exceso de agua y desarrollar el sabor mediante la adición del extracto de lúpulo y otros aditivos como azucares, jarabes y colorantes. 20

22 El mosto que sale de la paila de cocción es enviado a unos tanques Whirlpool en donde se lleva a cabo la sedimentación de los sólidos remanentes del mosto, el mosto resultante de esta etapa es enviado luego al enfriador, donde se enfría a una temperatura adecuada con el fin de obtener las condiciones ideales para que la levadura sembrada junto con aire estéril a la salida del enfriador, efectúe la fermentación. La Fermentación se realiza en gigantescos tanques cilindrocónicos de acero inoxidable o tanques de asentamiento durante un periodo de una semana. Concluida la Fermentación se extrae la levadura y se inicia el proceso de Maduración. En esta etapa, ya no se habla de mosto sino de cerveza joven o verde. El proceso de Maduración dura aproximadamente dos semanas, etapa durante la cual la cerveza todavía no está lo suficientemente brillante y por eso necesita ser filtrada. En los filtros se clarifica la cerveza, la cual al final de este proceso, es enviada a los Tanques de Gobierno. La cerveza una vez colocada en los Tanques de Gobierno, está lista para ser envasada, concluyendo así el proceso de elaboración de la cerveza. Durante todas estas etapas de elaboración de la cerveza se consumen elevadas cantidades de energía térmica, ya sea para mantener las temperaturas adecuadas en las diferentes etapas, especialmente en la de cocción del mosto donde se presentan los más altos consumos 21

23 energéticos de una cervecería, o para calentar el agua de procesos. El agua de procesos puede tener diversos usos, entre los cuales destaca su utilización como ingrediente principal en la elaboración de la cerveza. Ésta también puede ser empleada en la pasteurización de las botellas o como agua de riego en la etapa de filtración. De esta manera, los Sistemas de Condensación de Vahos se emplean para reducir los consumos energéticos de las plantas cerveceras mediante la recuperación del calor contenido en el vapor que sale de las pailas de cocción, producto de la evaporación del exceso de agua. De acuerdo con este tipo de sistemas, dicho vapor también llamado Vahos, se hace pasar a través de un intercambiador de calor en donde su energía térmica pueda ser aprovechada para calentar una corriente de agua, la cual una vez elevada su temperatura pueda ser utilizada en las diversas áreas de la planta anteriormente mencionadas. La situación actual de las Pailas de Cocción en el área de Elaboración/ Cocimientos de la Cervecería Regional C.A., en la Planta Maracaibo, requiere la implementación de un Sistema de Condensación de Vahos, debido a que el agua evaporada durante la etapa de cocción del mosto, se disipa a la atmósfera ocasionando problemas de contaminación ambiental en el área donde esta situada la planta. Además, es importante destacar que al dejar escapar este vapor se desperdicia una importante fuente de energía térmica que podría ser aprovechada para reducir los 22

24 altos consumos energéticos en otras etapas de los procesos de fabricación, como es el caso del calentamiento de agua. Actualmente, para calentar el agua de procesos de la Cervecería Regional C.A., en la Planta Maracaibo, se emplean grandes calderas que trabajan con gasoil, combustible fósil de alto costo que juega un papel importante en la generación de la energía térmica requerida por la planta. Los crecientes costos de la energía, y específicamente del gasoil, tienen importantes efectos sobre los costos de manufactura. Por lo tanto una forma lógica de reducir los costos de energía, es la reutilización de la misma siempre que sea posible. En este sentido, la presente investigación propone el diseño un Sistema de Condensación de Vahos que permita calentar agua aprovechando la energía térmica del vapor que sale de las pailas, y de esta manera reducir los gastos por concepto de compra de combustible fósil, contribuyendo así con la reducción de los costos de producción de la empresa. 23

25 1.2. Formulación del Problema: Con la finalidad de reducir los costos de la empresa en cuanto a la compra de combustible fósil utilizado para el calentamiento de agua, se propone la posibilidad de aprovechar la energía del vapor producida en la etapa de cocción del mosto, para calentar agua de procesos a través de un sistema de condensación diseñado tomando en cuenta las variables involucradas en el proceso y su impacto económico. Se plantea entonces diseñar un Sistema de Condensación Vahos para el Departamento de Elaboración/Cocimientos de la Cervecería Regional C.A. en la Planta Maracaibo, mediante el cumplimiento de los objetivos que se describen a continuación Objetivos: Objetivo General: Diseñar un Sistema de Condensación de Vahos para el Departamento de Elaboración/Cocimientos de la Cervecería Regional C.A. en la Planta Maracaibo. 24

26 Objetivos Específicos: 1. Establecer las bases y criterios de diseño del Sistema de Condensación de Vahos. 2. Elaborar la ingeniería conceptual del Sistema de Condensación de Vahos. 3. Determinar la factibilidad económica del diseño del Sistema de Condensación de Vahos Justificación de la Investigación: Las razones para el desarrollo de esta investigación vienen dadas por la existencia de un alto consumo de combustible fósil (gasoil) como fuente de energía calórica para el calentamiento de agua de procesos en la Cervecería Regional C.A. en la Planta Maracaibo, lo cual incide sobre los costos de producción. Considerando que el vapor disipado a la atmósfera en la salida de las pailas de cocción, producto de la evaporación de agua ocurrida durante el periodo de calentamiento del mosto cervecero, podría ser utilizado para calentar algún otro fluido como por ejemplo el agua, la instalación de un Sistema de Condensación de Vahos en el área de Elaboración/Cocimientos de la Cervecería, proporcionaría una solución 25

27 idónea a los problemas del alto consumo de combustible en el área de las calderas donde se calienta actualmente el agua de procesos de la planta. Al mismo tiempo, la implementación de este tipo de sistemas reduce la contaminación ambiental resultante de las emisiones de vapor a la atmósfera y de los malos olores asociados. Por esta razón la Empresa ha considerado la posibilidad de diseñar un Sistema de Condensación de Vahos que le permita aprovechar la fuente de energía calórica existente en la corriente de vapor que sale de las pailas de cocción y así poder calentar al menos una parte del agua de procesos necesaria en la planta, sin necesidad de utilizar gasoil para cumplir con éste fin. De esta manera al disminuir el consumo de combustible para el calentamiento del agua de procesos de la Cervecería Regional C.A., en la Planta Maracaibo, se logra una importante reducción en los costos de operación de la planta. 26

28 1.5. Delimitación de la Investigación: La investigación se llevo a cabo en el Departamento de Elaboración/Cocimientos de la Cervecería Regional en la Planta Maracaibo, ubicada en el Municipio Maracaibo del Estado Zulia. El periodo de duración de este trabajo especial de grado es de ocho (8) meses, desde el mes de Septiembre del 2004 hasta el mes de Abril del

29 CAPITULO II 2.1. Antecedentes: MARCO TEORICO En junio de 2003, Marney Vargas presentó un Trabajo Especial de Grado para optar al titulo de Ingeniero Químico en la Universidad Rafael Urdaneta, titulado Paquete de Diseño para el reemplazo de los Enfriadores del Bloque A-1 del Sistema de Vapor de Baja Presión del CRP-Cardón por un Intercambiador de Calor de Carcaza y Tubo. El objetivo de esta investigación fue desarrollar el paquete de descripción del proceso, con la intención de mejorar y optimizar el desempeño del sistema. La simulación se hizo con SIMULINK, que es un paquete de Software que se utiliza para modelar, simular y analizar sistemas dinámicos. Una vez realizada la simulación se demostró que la propuesta de sustituir los enfriadores de aire (fin-fan coolers) por un intercambiador de calor de carcaza y tubo, en efecto proporcionaría mejoras al sistema de operación debido a que se lograría un mejor control de la presión del sistema al reducirse la frecuencia y variación de los caudales de vapor venteados. 28

30 En octubre de 2003, el Ing. Rodolfo Pierini Peralta presentó ente la Facultad de Ingeniería de la Universidad Rafael Urdaneta un Trabajo Especial de Grado para optar al titulo de Ingeniero Químico, titulado Diseño y Simulación de un Intercambiador de calor para la corriente de fondo de la Columna de Etileno en Modo Octeno de la Planta de Polietileno Lineal de Polinter C.A.. Esta investigación tuvo como objetivo diseñar y simular el intercambiador de calor que se necesitaba en la Planta de Polietileno Lineal de Polinter C.A. ubicada en el Complejo Petroquímico El Tablazo, en el Estado Zulia. La simulación se realizó en la empresa Simulation Sciences Inc. empleando el paquete de simulación PRO-II versión 5.61 y utilizando el modelo termodinámico de Chao-Seader. Se concluyó que la columna de Etileno, al emplear el intercambiador de calor que usa en la corriente de alimentación como fluido de refrigeración, presentó una disminución de 43,5% en el calor suministrado por el rehervidor de la columna, generando mayores beneficios económicos a la planta. En Noviembre del 2004, Karin Vílchez Pulgar y Nataly Rincón Bracho, presentaron ante La Universidad del Zulia un Trabajo Especial de Grado, para optar al Titulo de Ingenieros Químicos, titulado Determinación de los Parámetros de Transferencia de Masa de un Proceso de Filtración de Mosto de Cerveza, realizado en la Cervecería Regional, Planta Maracaibo. En éste, se evaluó y simuló el proceso de filtrado de mosto en la elaboración de cerveza, para 29

31 determinar los parámetros de transferencia de masa involucrados en el proceso: viscosidad, permeabilidad, porosidad del lecho y diámetro promedio de la partícula. Se recolectaron doce muestras de mosto de ocho cocimientos, cuatro para cada uno de los filtros que se encuentran en la C.A. Cervecería Regional. A partir de los datos muestreados y realizando los cálculos necesarios, se determinó el Coeficiente de Difusión para cada cocimiento. La simulación del proceso de filtración, buscando la minimización de la función objetivo de la concentración de sólidos disueltos en el líquido filtrado, se implementó con el uso de los paquetes matemáticos MATLAB y MATHCAD. De los resultados obtenidos se observa que la viscosidad del mosto aumenta en la primera etapa de filtración y disminuye en la segunda etapa del proceso. La permeabilidad y por tanto la porosidad del lecho disminuyen a medida que transcurre la filtración. Los resultados del coeficiente de difusión se encuentran en el orden esperado para la geometría de partícula planar. Por otra parte, se encontró que el modelo de simulación, a pesar que satisface las tendencias de los datos experimentales y los errores están en el orden de 10-3, los parámetros de transferencia de masa son diferentes a los reportados en la literatura. 30

32 2.2. Descripción General del Proceso: La Cerveza: La cerveza es una bebida resultante de fermentar, mediante levadura seleccionada, el mosto procedente de la malta de cebada, sola o mezclada con otros productos amiláceos transformables en azúcares por digestión enzimática, sometida previamente a un proceso de cocción y aromatización con flores de lúpulo, bien utilizando sus extractos y/o sus concentrados. Su graduación alcohólica no será inferior al 3% en masa y el extracto seco primitivo no será inferior al 11% en masa. En La Cervecería Regional la fabricación de la cerveza consiste en producir mediante una infusión de harina de cebada malteada, un mosto azucarado que posteriormente es fermentado y lupulado hasta obtener un producto de óptima calidad Materia Prima: Para la obtención de la cerveza se necesitan 4 ingredientes importantes: a) Agua b) La Cebada Malteada c) El Lúpulo d) La Levadura 31

33 El Agua: Las características del agua de fabricación influyen determinantemente en la calidad de la cerveza, hasta el punto de que la mayoría de los tipos mas conocidos de estas, la Pilsen, la Munich, la Pale Ale de Burton-on-Trent, etc., han estado desde siempre muy ligados a la naturaleza especial del agua de las localidades en las cuales tuvieron su origen. En la actualidad las cosas han cambiado, gracias a los conocimientos adquiridos sobre la influencia de las sales en la fabricación y a los métodos de corrección de aguas, se puede adaptar cualquier agua a cualquier tipo de cerveza que se desee realizar La Cebada: La cebada de la especie Hordeum vulgare L. sensu lato que es un miembro de la tribu Triticeae de la familia Gramineae, cuyo cultivo se da en las zonas templadas, es uno de los ingredientes claves en la producción de la cerveza. La cebada, como tal, no produce un extracto fermentable por la levadura. El grano debe sufrir un comienzo de germinación para que se produzcan las enzimas que toman un papel principal en la elaboración de la cerveza. Este proceso se conoce con el nombre de malteado. La cebada malteada pasa a través de un proceso de maceración en el cual libera enzimas que atacan el contenido del grano 32

34 que es rico en almidón, llamado endospermo, y lo disuelven en el agua a la vez que lo convierten en moléculas más pequeñas como glucosa, maltosa entre otras El Lúpulo: El lúpulo, cuyo nombre botánico es Humulus lupulus, es una planta trepadora, dioica, perteneciente a la familia Urticaceae. En cervecería se usan las flores femeninas, agrupadas en inflorescencias llamadas conos; cada cono esta formado por una serie de flores protegidas cada una por una bráctea y dispuestas en zigzag a lo largo de un eje. En la base de cada bráctea se encuentra un polvo amarillo, la lupulina, que contiene las resinas amargas y aceites esenciales que sirven para aromatizar la cerveza y comunicarle su amargor característico. Estas resinas pueden ser solubles o insolubles, estas últimas se pueden hacer pasar por un proceso de isomerización para transformarlas en productos solubles. El lúpulo puede venir en diversas presentaciones; en extracto (que puede ser isomerizado y/o reducido, o natural), y en polvo (Pellets). 33

35 La Levadura: Las levaduras son hongos unicelulares. El término levadura se aplica a un concepto que se ha desarrollado a través de la historia y que cubre un grupo heterogéneo y poco definido de organismos. Estas levaduras, llamadas levaduras cerveceras, pertenecen al género Saccharomyces, especies; cerevisiae y uvarum. Desde finales del pasado siglo, salvo contadas excepciones, en cervecería se utiliza la técnica de cultivo puro, mediante la cual la levadura se desarrolla en el laboratorio a partir de un pequeño número de células para así obtener una variedad o cepa perfectamente definida. La levadura cervecera es un ingrediente sumamente importante en el proceso de fabricación de la cerveza, ya que es la encargada de transformar los azúcares liberados durante el proceso de maceración en alcohol y dióxido de carbono, propiedades que caracterizan a esta bebida tan particular La Molienda: La cebada malteada, así como los adjuntos, requieren ser molidos, para así liberar las sustancias contenidas en el cuerpo harinoso 34

36 del grano y hacerlas accesibles al ataque de las enzimas. Aunque una molienda lo más fina posible seria lo más favorable desde el punto de vista de la transformación bio-química y rendimiento del grano, deberá por supuesto adecuarse cada molienda a cada proceso de filtración Maceración: La maceración es un proceso de extracción sólido/líquido en el que se disuelven la mayor cantidad de substancias solubles en agua de la cebada malteada y de los adjuntos con la finalidad de obtener un extracto. Este extracto es la cantidad de material disuelto medido en equivalentes de sacarosa: 1g sacarosa/100 g de líquido = 1% Plato. Existen tantos métodos de maceración como cervecerías en el mundo, ciertas reglas básicas deben ser observadas. De la maceración depende en gran parte la composición del mosto, así como el tipo de cerveza que se va a elaborar. Los factores que afectan la calidad de la maceración son: el ph de la mezcla, la composición del agua, los iones minerales y el programa de tiempo y temperatura del proceso. 35

37 Fuente: Fig Proceso de Molienda de la Cebada y Maceración Filtración del Mosto: La filtración comienza al bombear la malta remojada proveniente del macerador con una temperatura de 75ºC a 78ºC, a la cuba filtrante, donde se separan las partículas sólidas que contiene la malta remojada (las cascarillas y restos del grano), de las líquidas. Al lograrse esta separación física, el resultado es una especie de agua azucarada llamada mosto. Este líquido fluye de la cuba filtrante con sus valiosos componentes para luego acceder seguidamente a la caldera de mosto. 36

38 En la siguiente figura se muestra una cuba filtrante o paila de filtración, el mosto es el líquido más claro y pasa a través del lecho del filtro, que se representa en el dibujo con un color más oscuro y esta compuesto por los restos del grano y las cascarillas. Fuente: Fig Proceso de Filtración del mosto. 37

39 Cocción del Mosto: La cocción del mosto es una operación relativamente sencilla de por sí, pero presenta una cantidad de interacciones complejas de los componentes del mosto que influyen en la calidad de la cerveza. Fuente: Fig.2.3. Proceso de Filtración y de Cocción del mosto. Los objetivos que se persiguen mediante la ebullición del mosto son los siguientes: a) Estabilización b) Desarrollo del sabor c) Concentración d) Eliminación del bagazo del lúpulo 38

40 Estabilización: La ebullición del mosto representa mucho más que una simple elevación de la temperatura del mosto. El proceso de cocción proporciona estabilidad al mosto en el ámbito biológico, bioquímico, coloidal y en cuanto a sabor. El mosto que ingresa a la olla podría contener bacterias resistentes al calor. Una ebullición que dure quince minutos a un ph de 5.2 es suficiente para esterilizar al mosto. Las cualidades antisépticas del lúpulo contribuyen también a la esterilización. Aunque la practica habitual de elevar la temperatura al final de la maceración basta normalmente para desactivar las enzimas restantes, la ebullición destruirá eficazmente la alfa-amilasa, que es la única enzima que puede haber sobrevivido. Esto evitará cualquier descomposición continua e imprevista de dextrinas en etapas posteriores. Con el objeto de mejorar la estabilidad, deben eliminarse también las proteínas coloidales inestables mediante coagulación térmica, con la precipitación y eliminación subsiguientes. Esto se logra con una ebullición vigorosa del mosto, cuya duración debe oscilar entre 75 y 120 minutos, dependiendo del tipo de paila. 39

41 Desarrollo del Sabor: El principal aporte de sabor del lúpulo a la cerveza es un amargor seco, limpio, no duradero, que se debe principalmente a los ácidos isoalfa. Los ácidos isoalfa son fuertemente tenso activos y contribuyen a la estabilidad de la espuma, poseen ligeros efectos bacteriostáticos. El lúpulo debe añadirse a la paila después de un breve periodo de ebullición, es decir luego que se haya formado el coagulo caliente inicial. Los cambios de sabor diferentes a los producidos por el lúpulo, se deben a la formación de melanoidinas y a la eliminación de los compuestos volátiles del sabor derivados de la cebada y el proceso de malteo. Durante la ebullición, algunos aminoácidos quedan destruidos, especialmente la cistina y la cisteína. Estos compuestos, si no se destruyen, representan una fuente de azufre para la producción de ácido sulfhídrico por la levadura. Aunque el ingrediente vital y más influyente para el desarrollo del sabor es el lúpulo, existen otros aditivos que pueden clasificarse tanto como agentes clarificantes, como desarrolladores de sabor. 40

42 Si se añade cloruro de sodio (sal común) o cloruro de calcio a la paila de cocción, se produce una cerveza de sabor más rico y completo. Si se agrega yeso, este reducirá el ph, produciéndose un amargor del lúpulo más agradable y podrá ser necesario para asegurar un exceso de calcio que impida el desarrollo posterior de velo de oxalato. Los azúcares, jarabes y colorantes de caramelo, aunque no son específicamente materiales estabilizantes, reducen la concentración de compuestos nitrogenados y de acuerdo a su naturaleza pueden desarrollar sabores Concentración Ya que la cantidad de agua que debe usarse para hacer la masa y filtrar el extracto normalmente produce mosto de una densidad menor a la deseada, debe concentrarse mediante la evaporación. Para lograr la densidad requerida dentro de un plazo razonable, la ebullición debe ser vigorosa. Una evaporación que evapore entre un 5 y 10 % del volumen del mosto en 1 hora, se considera satisfactoria. Algunos cerveceros encuentran conveniente llenar la paila hasta obtener un volumen fijo y concentrar el mosto hasta lograr un segundo volumen. Este método requiere que el rendimiento de materiales, 41

43 porcentajes y plazos de evaporación sean razonablemente constantes, de manera que la mezcla subsiguiente de cocimientos iguale las ligeras variaciones de densidad Eliminación del Bagazo o del Lúpulo La utilización del lúpulo entero no procesado se redujo rápidamente en las últimas décadas, siendo reemplazado por el extracto líquido de lúpulo y el lúpulo peletizado, de manera que esta desapareciendo rápidamente el uso de coladores o separadores de lúpulo. No obstante, la utilización de pellets plantea el problema de la eliminación del residuo extremadamente fino. Afortunadamente el tanque de remolino Whirlpool ofrece un método adecuado para la separación del bagazo del lúpulo Transformaciones que Ocurren durante la Cocción Existen transformaciones tanto físicas como químicas que tienen lugar durante la cocción del mosto, algunas son deseables, mientras que otras deben evitarse por su efecto negativo en la calidad de la cerveza. 42

44 Transformaciones Físicas Durante la ebullición se debe establecer un plazo de tiempo que dé como resultado una mejor coagulación, ya que una ebullición prolongada puede precipitar una mayor cantidad de materiales finos, pero también podría disolver parte del coagulo que ya se ha formado. También es necesario mezclar de forma completa el mosto para mantener una temperatura uniforme en toda la olla de cocción, ya que de otra manera se desarrollaran sitios con mayor temperatura cerca de la superficie de calentamiento, produciendo la caramelización del mosto Transformaciones Químicas Entre las transformaciones químicas más importante que se dan durante la cocción se encuentra la precipitación de las proteínas. Se cree que la presencia de oxigeno en el mosto inhibe la coagulación y precipitación de la proteína, no obstante, los taninos se oxidan y precipitan en presencia del aire. La adición de agentes reductores tales como el sulfito, favorecen la coagulación de proteínas. El ph tiene influencia en el estado físico de la coagulación. A menor ph, los grumos forman grupos mucho mayores, que se 43

45 sedimentaran mejor y dejarán un mosto más claro. La reacción que se produce entre el calcio del agua y los fosfatos reduce el ph, lo cual ayuda a precipitar las proteínas. A veces, si el ph no se reduce suficientemente, puede añadirse ácidos directamente a la paila al comenzar la ebullición. Pueden usarse los siguientes ácidos: sulfúrico, que da una cerveza de un sabor mas seco; clorhídrico o láctico, para producir un sabor mas lleno. Hay que tener en cuenta que la reducción del ph del mosto reducirá la cantidad de amargor que produce el lúpulo, por lo que puede resultar necesario un ligero aumento en el porcentaje de lúpulo. Por el contrario, un ph más elevado del mosto aumentará la utilización del lúpulo, pero el amargor resultante será áspero, si todos los demás elementos permanecen iguales Sedimentación de Sólidos del Mosto La separación de los sólidos del mosto o trub, es un paso sumamente importante, ya que las partículas de trub de 0, μm ensucian la levadura, dificultan la fermentación y pueden obstaculizar la decoloración y la desresinificación del producto de fermentación. Las consecuencias son: cervezas duras y desequilibradas. Además, los ácidos grasos contenidos en las partículas de trub pueden perjudicar la estabilidad organoléptica de la cerveza. 44

46 Fuente: Fig.2.4. Proceso de Sedimentación del mosto Enfriamiento del Mosto En esta etapa el mosto estabilizado y esterilizado se enfría a una temperatura apropiada para luego realizar la siembra de levadura, y así iniciar el proceso de fermentación. Este enfriamiento esta acompañado de fenómenos que influyen sobre la fermentación, clarificación, sobre el sabor y la estabilidad de la cerveza. Durante esta etapa se airea el mosto ya que la levadura necesita oxígeno para realizar sus procesos metabólicos y actuar correctamente en la etapa aeróbica del proceso. 45

47 Fermentación y Reposo El mosto enfriado es depositado durante aproximadamente siete (7) días en tanques de forma cilindro-cónica o tanque de asentamiento, donde tiene lugar la fermentación para lo cual se inyecta la levadura, que convierte los azúcares fermentables del mosto en alcohol y dióxido de carbono. La levadura asentada en los tanques (fermentación de fondo) se recoge para utilizarla en fermentaciones futuras. El producto que aquí se obtiene se conoce como cerveza joven, no ha desarrollado su sabor característico y es turbia por la presencia de resinas del lúpulo, proteínas sólidas y células de la levadura principalmente. En estos mismos tanques después de la fermentación se pasa a la etapa de reposo donde se produce una clarificación de la cerveza, una sedimentación de la levadura, así como la obtención de gran parte de las características organolépticas que se desean y el mosto transita hacia otros tanques para que se inicie la fase de maduración Maduración El proceso de maduración dura aproximadamente dos semanas. La cerveza que se filtra se lleva a tanques de maduración donde la misma 46

48 refinará su sabor por la eliminación de ciertos compuestos volátiles de azufre, así como la obtención de su cuerpo y espíritu; la temperatura durante esta etapa es de alrededor de 0 ºC Filtrado Luego del periodo de maduración, la cerveza se filtra para eliminar los sólidos y células restantes de levadura, y proporcionarle el brillo y color característicos. El proceso de filtración se realiza mediante un equipo que utiliza tierras diatomeas como lecho filtrante. En esta etapa del proceso, se ajusta el contenido de gas carbónico para obtener los niveles óptimos y lograr una sensación refrescante, apetecible y una buena formación de espuma. Al final de este proceso la cerveza se envía a los tanques de gobierno Envasado a) Llenado: De los tanques de gobierno, a través de múltiples conexiones, la cerveza recorre la distancia que separa los tanques hasta las máquinas llenadoras de las diferentes líneas de envasado. 47

49 Las botellas se centran en las válvulas de llenado. Un control electrónico vigila que los envases cumplan el nivel de llenado preestablecido. Para eliminar el aire del cuello de la botella se obliga a un espumado de la cerveza justo antes de llegar a la tapadora, donde es sellada herméticamente. b) Pasteurización: La cerveza envasada entra al pasteurizador donde ratifica su condición de cerveza biológicamente estable y prosigue a su empaque. c) Distribución: el producto se distribuye al mercado local, nacional y/o internacional, según sea el caso Sistema de Condensación de Vahos. El Sistema de Condensación de Vahos en la etapa de cocción del mosto se encuentra entre los tipos de Tecnologías de Procesos Energéticamente Eficientes mas utilizados en las cervecerías hoy en día, la implementación de estas tecnologías puede realizarse en las diversas etapas de elaboración de la cerveza logrando reducir significativamente los consumos energéticos requeridos por el proceso. El Sistema de Condensación de Vahos tiene gran aceptación a nivel mundial y permite recuperar la energía térmica perdida en el vapor que sale de las pailas de cocción (Vahos) y aprovecharlo para calentar agua de procesos y así 48

50 conseguir un ahorro significativo en el proceso de elaboración de la cerveza. (Según Gutiérrez, 1999). Esta tecnología de proceso requiere del almacenamiento del calor debido a la discontinuidad del proceso. El ahorro de energía medio se estima en unos 19MJ/Hl de mosto producido. Entre sus aplicaciones más comunes se encuentra el precalentamiento indirecto del mosto durante su transferencia desde la paila de filtración hasta paila de cocción utilizando el calor recuperado en forma de agua caliente a 80 C, como agua de riego en la etapa de filtración del mosto, también se puede utilizar como agua caliente de procesos a 80 C para servicios de fábrica. Su implantación requiere necesariamente un condensador o intercambiador de calor que condense el vapor que sale de las pailas, un tanque de acumulación de agua caliente y un tanque de almacenamiento de condensado como equipos principales. Al mismo tiempo permite reducir las emisiones a la atmósfera así como los malos olores asociados, generando un condensado con contaminación orgánica que se puede enviar a la planta de tratamientos de aguas residuales y ser utilizada como agua de servicios, entre otros usos. 49

51 En la Fig. 2.5 que se muestra a continuación, se representa a través de un diagrama de flujo sencillo el proceso de cocción del mosto y el Sistema de Condensación de Vahos. Fuente: Fig Proceso de cocción del mosto 50

52 2.4. Introducción a los Intercambiadores de Calor O. Levenspiel en 1996, define a los intercambiadores de calor mediante la siguiente expresión: Los intercambiadores son aparatos para transferir calor desde una corriente fluida caliente a una corriente fluida fría. Igualmente el autor clasifica a los intercambiadores en tres grandes grupos: a) el recuperador o intercambiador a través de una pared sin almacenar calor; b) el intercambiador de contacto directo sin almacenar calor; c) el regenerador, acumulador o intercambiador con almacenamiento de calor. El tipo a escoger en cada situación depende en gran parte de la naturaleza de las fases presentes, gas-gas, gas-líquido, gas-sólido, líquido-líquido, líquido-sólido, sólido-sólido, y de la solubilidad mutua de dichas fases Recuperadores (Intercambiadores a través de una Pared sin Almacenamiento de Calor) En los recuperadores las dos corrientes circulantes están separadas por una pared y el calor tiene que pasar a través de esta pared. 51

53 Se han utilizado muchos modelos diferentes y una serie de ellos se estudiará en los capítulos posteriores. En la Fig.2.6 se indican los esquemas de algunos de estos numerosos modelos diferentes. Los recuperadores son ciertamente menos eficaces que los intercambiadores de contacto directo, ya que la presencia de la pared estorba el flujo de calor. Pero este tipo de intercambiador se utiliza cuando los fluidos no pueden ponerse en contacto directo, como sistemas gas-gas, líquidos miscibles, sólidos solubles o productos reactivos. Fuente: O. Levenspiel, Fig.2.6. Tipos diversos de recuperadores o intercambiadores a través de una pared 52

54 Intercambiadores de Contacto Directo sin Almacenamiento de Calor En los intercambiadores de contacto directo sin almacenamiento de calor las corrientes contactan una con otra íntimamente, cediendo la corriente más caliente directamente su calor a la corriente más fría. Este tipo de intercambiador se utiliza naturalmente cuando las dos fases en contacto son mutuamente insolubles y no reaccionan una con otra. Por consiguiente, no puede utilizarse con sistemas gas-gas. Fuente: O. Levenspiel, Fig.2.7. Intercambiares de contacto directo gas-liquido sin almacenamiento de calor Los intercambiadores de calor de contacto directo son de tres amplios tipos. En primer lugar, se tienen los intercambiadores gas-sólido. En la Fig.2.7 se muestran diversas formas de los mismos. 53