Raúl Sabadí Díaz 1 INTRODUCCIÓN. Instituto Cubano de Investigaciones de los Derivados de la Caña de Azúcar (ICIDCA).

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1 Representación del proceso en la casa de calderas de un ingenio que produce azúcar de caña Raúl Sabadí Díaz 1 RESUMEN En la casa de calderas del ingenio productor de azúcar de caña, se debe definir, claramente, en qué forma y en qué momento se realizarán las operaciones, para que cada una de ellas pueda contar con los recursos necesarios en materiales, equipos y servicios. Además, para lograr la mayor producción posible, se establecerá una estrategia de operación que considere el uso más efectivo de la capacidad de procesamiento instalada. Para la síntesis de esquemas de fabricación de azúcar, se deben tener en cuenta dos aspectos principales: los balances, de materiales y energía, y la programación de las operaciones. En ambos casos hay una etapa inicial que es de suma importancia y que no siempre es considerada: la representación del proceso. La representación del proceso se debe hacer de manera apropiada, teniendo en cuenta su propósito. Una representación orientada a la realización de los balances de materiales no tiene por qué ser, necesariamente, adecuada para representar las operaciones que se realizan. Sobre todo cuando se trata de procesos discontinuos, como ocurre en la casa de calderas de la mayoría de los ingenios. En este trabajo se describen varias representaciones de este proceso, cada una con un propósito particular. INTRODUCCIÓN En la fábrica de azúcar el jefe de producción dedica especial atención al área de cocción, donde puede establecer diferentes esquemas de procesamiento debido al modo de operación, predominantemente discontinuo de los tachos, a la necesidad de realizar transferencias de materiales entre ellos para alcanzar los tamaños requeridos en los cristales de azúcar y a los diferentes tipos de materiales que se manejan, muchos de los cuales se reciclan en el propio proceso. También debe mantener la acumulación de los materiales intermedios en cantidades adecuadas para mantener una operación estable, así como controlar la demanda de vapor. En esta área de trabajo se debe definir en qué forma y momento se realizará cada una de las operaciones, para que estas tengan garantizados los recursos necesarios en materiales, equipos y servicios. Además, para lograr la mayor producción posible, se debe establecer una estrategia de operación que considere el uso más efectivo de la capacidad de procesamiento instalada. Introducir modificaciones en el esquema de cocción o cambiar de uno a otro diferente, implica ganar o perder en la capacidad efectiva de la estación y en la calidad del azúcar comercial (García, 1969). Conocer qué va a significar un cambio en el proceso es definitivamente importante y, no siempre, evidente. Para la síntesis de esquemas de fabricación de azúcar, se deben tener en cuenta dos Palabras clave: casa de calderas, azúcar de caña, tachos, representación de procesos, balance de materiales, diagrama de flujo, diagrama Gantt, programación de operaciones. 1 Instituto Cubano de Investigaciones de los Derivados de la Caña de Azúcar (ICIDCA) ATAC No. 3/2009

2 aspectos principales: los balances, de materiales y energía, y la programación de las operaciones. En ambos casos, hay una etapa inicial que es de suma importancia y que no siempre es considerada: la representación del proceso, la cual se debe hacer de manera apropiada, teniendo en cuenta su propósito. Una representación orientada a la realización de los balances de materiales no tiene por qué ser, necesariamente, adecuada para representar las operaciones que se realizan, sobre todo, cuando se trata de procesos discontinuos, como ocurre en la casa de calderas de la mayoría de los ingenios. En este trabajo se describen varias representaciones de este proceso, cada una con un propósito particular. RESULTADOS Y DISCUSIÓN Balances de materiales En la figura 1 se representa el esquema de producción de azúcar crudo utilizando un sistema de 3 masas cocidas. Las figuras geométricas definen cada nodo de proceso y las flechas señalan los flujos de entrada y salida de cada nodo. Por ejemplo, el nodo llamado Tachos Crist. A representa la cocción y cristalización de masas comerciales de primera. En esta etapa del proceso, se utilizan, como material que entra al proceso, la meladura compuesta y, como salida, la masa cocida A. Fíjese que, además, se ha representado el agua que se evapora en esta operación como una corriente que sale del proceso y que permite completar el balance total de materiales alrededor de ese nodo. Tanto los nodos como las corrientes se deben identificar como variables, de forma tal que al construir las ecuaciones de los balances de materiales, sea sencilla su revisión. Por ejemplo, pueden ser numeradas consecutivamente. Esta representación, usualmente conocida como diagrama de flujo, es adecuada para realizar los balances de materiales globales para un tiempo dado del proceso. Ese balance de materiales está asociado a etapas del proceso y su resultado es una fotografía del movimiento total de materiales en el tiempo estudiado. Sin embargo, esta representación no es adecuada para realizar los balances de materiales a nivel de operaciones y equipos. Es decir, no es posible estimar los flujos de alimentación y salida de los tachos, así como sus características físicas. Para ello se requiere una representación más detallada, que tenga en cuenta las operaciones que se realizan para una tarea dada. Por ejemplo, la cocción de una masa cocida implica la realización de una secuencia de operaciones que puede involucrar a más de un tacho y puede, o no, involucrar equipos de almacenamiento intermedio de materiales. En la figura 2 se representa un caso real de una estrategia de cocción y cristalización de masas cocidas de primera, sin almacenamiento intermedio. Figura 1 Esquema de tres masas cocidas para la fabricación de azúcar crudo. ATAC No. 3/

3 Figura 2 Estrategia de elaboración de masas cocidas de primera. Esta representación ha sido propuesta y llamada árbol (De Armas, 1980) y ha sido poco utilizada en la práctica. Realmente, es una forma derivada del diagrama de flujo tradicional, en la que se indican los equipos en que se realizan las tareas. El árbol de la figura 2 representa el proceso seguido para lograr el crecimiento del cristal desde la semilla hasta el tamaño deseado en la masa cocida de primera. Es decir, esta figura describe, con un mayor nivel de detalle, lo que ocurre en el nodo Tachos Crist. A. Los círculos representan operaciones discontinuas en los tachos y las flechas representan movimientos de materiales (transferencias o cortes, descargas). Dentro de los círculos se han identificado las operaciones con un acrónimo y la identificación del tacho en que se realizan. Por ejemplo, MCA T3 identifica a una operación de cocción de masa cocida A que se ejecuta en el tacho 3 (T3). Este esquema de cocción se describiría como sigue: primero se hace un desarrollo de la semilla, con alimentación de meladura compuesta (MC) en el tacho 4 (nodo denominado Semilla T4). Una vez concluida la operación, se realiza una descarga hacia el tacho 1 en el que se prepara un pie para 3 templas (Pie 3 T1). Concluido el desarrollo de este pie, se descarga la mitad del material hacia el tacho 3, en el que se realiza una operación de masa cocida A (MCA T3). En el tacho 1 se continúa desarrollando la templa de 2 pies de masa cocida A (Pie 2 T1), las cuales se realizan en el propio tacho 1 (MCA T1) y en el tacho 2 (MCA T2), después de descargar hacia este tacho la mitad del material del tacho 1. De manera semejante, se representan las estrategias de procesamiento para la obtención de masas cocidas B y C. Estos esquemas de cocción, o árboles, son las células básicas que permiten organizar el trabajo en la fábrica y cada uno de ellos se realizará tantas veces como sea necesario. Este tipo de secuencia de operaciones se repite durante el proceso de fabricación de azúcar y a una determinada cantidad de árboles de masas comerciales, corresponde una determinada cantidad de árboles de agotamiento. Por lo tanto, si se desea realizar el balance de materiales a nivel de operaciones y equipos, se debe construir un gran bosque en el que estén incluidos todos los árboles correspondientes a un determinado período de tiempo. Estos árboles estarían vinculados entre sí a través de las corrientes de materiales que intercambian entre ellos. En la figura 3 se ha representado una estructura hipotética de producción, que se corresponde con el esquema de trabajo de la figura 1, en la que hay uno de cada uno de los esquemas de cocción. En ellos, se han incluido las corrientes de agua evaporada en los tachos y, para reducir su tamaño, no se han representado las operaciones de dilución de las mieles. Por supuesto, para un caso real se deben colocar todos los árboles que correspondan y todas las operaciones (nodos) relevantes para el análisis. Hay que señalar, adicionalmente, que ninguna de las representaciones anteriores permite ver el desarrollo en el tiempo de las operaciones representadas. 16 ATAC No. 3/2009

4 Figura 3 Estrategia de producción a nivel de operaciones y equipos. ATAC No. 3/

5 Programación de operaciones Ya se mencionó que el diagrama de flujo es una representación que no permite ver cómo trascurren las operaciones en un proceso discontinuo en el tiempo. Es por ello que no es útil cuando se trata de programar las operaciones en la casa de calderas, es decir, cuando deseamos establecer en qué momento y en qué equipo se va a realizar cada operación. Una forma de representar en el tiempo las estrategias de trabajo descritas es a través del llamado diagrama Gantt. Este diagrama fue creado en 1917 por Henry Lawrence Gantt, ingeniero industrial norteamericano, con el objetivo de programar proyectos. Es un tipo de diagrama de barras horizontales que posee 2 ejes, uno horizontal en el que se representa el tiempo (horas, días, meses, etc.) y otro vertical en el que se representan las tareas. Es decir, permite ver, claramente, la realización de las tareas a lo largo del tiempo. En la figura 4 se representa el diagrama Gantt correspondiente a los árboles de procesamiento de masas cocidas A, B y C de la figura 3. Este diagrama ha sido construido con el software Microsoft Project También la hoja de cálculo Excel se puede utilizar como herramienta para la construcción del diagrama Gantt y, además, para ello, existen otras aplicaciones de descarga gratuita en Internet. Para una descripción detallada de las facilidades que brinda Project, como apoyo a la síntesis de esquemas de cocción, puede ser consultado otro trabajo del autor (Sabadí, 2009). Sin embargo, aún más útil puede resultar una variante de este diagrama Gantt, que consiste en colocar en el eje vertical los equipos existentes y representar, a lo largo del tiempo, las operaciones que se realizan en cada uno de ellos. Este tipo de diagrama, que no está incorporado en Project, quedaría tal y como se muestra en la figura 5. Dicho diagrama ha sido construido con el software PLANAZUCAR 2.0 (Hurtado, 2005) y se han simulado 24 horas de trabajo en la fábrica. Cada línea horizontal se corresponde con un equipo, incluyéndose los 12 tachos y los cristalizadores de masas A, B y C. Se han representado las operaciones que se realizan, incluyendo las descargas y transferencias de materiales, con diferentes colores para facilitar su identificación. Con esta representación del proceso es fácil evitar que se programen tareas diferentes para un mismo equipo en un mismo tiempo. Obsérvese, además, que es fácil evaluar la utilización del fondo de tiempo de los equipos, y es posible identificar cuáles tienen holguras y cuáles no. Otras representaciones más complejas, que se usan como base de software para programación de operaciones discontinuas, se han abordado en trabajos anteriores del autor (Sabadí, 2005, 2006). Figura 4 Diagrama Gantt de estrategias de elaboración de masas cocidas. 18 ATAC No. 3/2009

6 Figura 5 Diagrama Gantt a nivel de equipos. CONCLUSIONES En este trabajo se han descrito formas adecuadas para representar el proceso de fabricación en la casa de calderas de manera sencilla. Estas representaciones son adecuadas como soporte para la realización de balances de materiales y la programación de las operaciones, elementos que han sido analizados en otros trabajos. También se puede abordar la posible utilización de la norma ISA S88 (ISA, 2006), que está orientada a sistemas discontinuos, en la definición de los modelos de proceso que definen lo que se tiene que hacer para llegar a un producto determinado. Ello será objeto de trabajos posteriores. Se considera importante que estas formas de representación se vayan introduciendo en la industria, como paso inicial para el establecimiento de procedimientos de cálculo que apoyen la síntesis y la dirección de procesos en esta área de la fábrica de azúcar de caña. BIBLIOGRAFÍA De Armas, C.: Design and Management of Production Systems in Boiling House of Sugar Mills. Tesis de Doctorado, Universidad Técnica de Brno, Checoslovaquia, García López, F. y J. A. Clark: El proceso de fabricación de azúcar crudo en los tachos, 544 pp., Ed. Ciencia y Técnica, Instituto del Libro, La Habana, Hurtado, R. y R. Sabadí: Sistema para la planificación de operaciones en el área de tachos de un ingenio azucarero, Centro Azúcar, 32(2): 21-25, ISA: Standard ISA (R2006). Batch control Part 1: Models and Terminology. ISBN , Sabadí, R., J. Cantón, L. Rostgaard y C. de Armas: Síntesis de esquemas de cocción en fabricación de azúcar: el enfoque de red orientada a eventos, Centro Azúcar, 32(1): 9-14, Sabadi, R., L. Rostgaard y B. Das: Síntesis de esquemas de cocción en fabricación de azúcar: el enfoque de red de estados y tareas. Modelo matemático, Centro Azúcar, 33(1): 16-20, Sabadí, R.: Síntesis de esquemas de cocción en fábricas de azúcar usando Microsoft Project. Parte I: Programación de operaciones, ICIDCA. Sobre los derivados de la caña de azúcar, 43(2): 51-59, ATAC No. 3/

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