DISEÑO DE UNA PLANTA COMPACTA INDUSTRIAL...

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DISEÑO DE UNA PLANTA COMPACTA INDUSTRIAL PARA LA ELABORACIÓN DE REFRESCO Y/O JUGO A BASE DE AZÚCAR Y/O PULPA DE FRUTA CON CAPACIDAD PRODUCTIVA DE 500 A 1.000 LITROS/HORA MARCELA LAMUS PARRA LEONARDO AGUILAR OLIVARES UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD TECNOLÓGICA PROYECTO CURRICULAR DE INGENIERÍA MECÁNICA BOGOTÁ D.C. 2015

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DISEÑO DE UNA PLANTA COMPACTA INDUSTRIAL PARA LA ELABORACIÓN DE REFRESCO Y/O JUGO A BASE DE AZÚCAR Y/O PULPA DE FRUTA CON

CAPACIDAD PRODUCTIVA DE 500 A 1.000 LITROS/HORA

MARCELA LAMUS PARRA

LEONARDO AGUILAR OLIVARES

UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS

FACULTAD TECNOLÓGICA

PROYECTO CURRICULAR DE INGENIERÍA MECÁNICA

BOGOTÁ D.C.

2015

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DISEÑO DE UNA PLANTA COMPACTA INDUSTRIAL PARA LA ELABORACIÓN DE REFRESCO Y/O JUGO A BASE DE AZÚCAR Y/O PULPA DE FRUTA CON

CAPACIDAD PRODUCTIVA DE 500 A 1.000 LITROS/HORA

PROPUESTO POR:

MARCELA LAMUS PARRA

LEONARDO AGUILAR OLIVARES

TESIS DE GRADO PARA OPTAR A TITULO DE INGENIERO MECÁNICO

DIRECTOR DE PROYECTO

RICARDO PORRAS

UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS

FACULTAD TECNOLÓGICA

PROYECTO CURRICULAR DE INGENIERÍA MECÁNICA

BOGOTÁ D.C.

2015

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Nota de aceptación:

_____________________________________________________________________________________________________________________________

_________________________ Firma de presidente de jurado

_________________________

Firma del Jurado _________________________

Firma del Jurado

Ciudad y fecha: ____________________________

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CONTENIDO

pág.

1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA...................................................................... 13

1.1 JUSTIFICACIÓN ....................................................................................................... 14

1.2 OBJETIVOS ............................................................................................................... 16

1.2.1 Objetivo general ............................................................................................. 16

1.2.2 Objetivos específicos ...................................................................................... 16

2. ESTADO DEL ARTE ................................................................................................... 17

2.1 TRATAMIENTO DEL AGUA .................................................................................. 19

2.2 ELABORACIÓN DE JARABES SIMPLES Y TERMINADOS ............................... 20

2.2.1 Pasteurización del producto ............................................................................ 22

2.2.2 Carbonatación ................................................................................................. 23

2.2.3 Lavado y Llenado ........................................................................................... 24

2.2.4 Automatización e integración de procesos ..................................................... 25

2.3 PRODUCCIÓN DE BEBIDAS NO ALCOHÓLICAS EN COLOMBIA ................. 26

3. MARCO TEÓRICO ...................................................................................................... 27

3.1 CLASIFICACIÓN DE BEBIDAS NO ALCOHÓLICAS A BASE DE FRUTAS .... 27

3.2 DESCRIPCIÓN GENERAL DEL PROCESO DE PRODUCCIÓN DE REFRESCOS

BASADO EN LA PLANTA DE POSTOBÓN, 2005 ...................................................... 28

EQUIPOS Y DISPOSITIVOS A UTILIZAR EN EL PROCESO ................................... 29

3.3.1 Elementos de mezcla ...................................................................................... 29

3.3.2 Instrumentación y control del proceso............................................................ 31

3.3.3 Control de calidad del proceso ....................................................................... 32

4. METODOLOGÍA ......................................................................................................... 34

5. ANÁLISIS DEL PROCESO DE PRODUCCIÓN EN LOS REFRESCOS Y JUGOS 37

5.1 PROCESO DE PRODUCCIÓN ACTUAL QUALA ................................................. 39

5.1.1 Proceso de estandarización y suavización del agua de red ............................. 39

5.1.2 Parámetros controlados en el proceso de producción ..................................... 48

5.2 PROCESO DE PRODUCCIÓN DE JUGOS POSTOBON SA. ................................ 49

6. PARÁMETROS DE PRODUCCIÓN PARA EL PROCESO DE LA PLANTA A

PROPONER ......................................................................................................................... 53

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6.1 HISTÓRICO DE PRODUCCIÓN Y PROYECCIÓN DE NUEVA DELI ................ 53

6.2 PARÁMETROS DE USUARIO................................................................................. 54

6.3 PROCESO DE PRODUCCIÓN ACTUAL ................................................................ 55

6.4 PARÁMETROS DE PRODUCCIÓN DE LA PLANTA ........................................... 58

6.5 PROCESO ACTUAL Y PROCESO PROPUESTO................................................... 59

6.5.1 Módulo servicios industriales agua purificada ............................................... 60

6.5.2 Módulo mezcla ............................................................................................... 62

6.5.3 Módulo pasteurización ................................................................................... 66

6.5.4 Módulo de llenado .......................................................................................... 68

7. DIMENSIONAMIENTO DE EQUIPOS ...................................................................... 70

7.1 MÓDULO DE MEZCLA. .......................................................................................... 70

7.1.1 Selección bomba mezcla ................................................................................ 73

7.1.2 Selección de válvulas...................................................................................... 88

7.1.3 Diseño de recipientes ...................................................................................... 88

7.1.4 Diseño de tanque para disolución de azúcar ................................................... 89

7.1.5 Diseño del sistema de agitación.................................................................... 100

7.1.6 Diseño de columnas para tanque .................................................................. 114

7.2 MÓDULO DE PASTEURIZACIÓN ....................................................................... 119

7.2.1 Selección bomba pasteurización ................................................................... 126

7.2.2 Selección de válvulas.................................................................................... 137

7.2.3 Diseño de tanque pulmón ............................................................................. 137

7.2.4 Diseño de columnas para tanque .................................................................. 144

7.2.5 Intercambiadores de calor ............................................................................. 148

7.2.6 Tiempo de retención ..................................................................................... 169

7.2.7 Diseño soportes tiempo de retención ............................................................ 169

7.3 MÓDULO DE SERVICIOS INDUSTRIALES ....................................................... 173

7.3.1 Bomba de envío de agua ............................................................................... 176

3.3.4 Selección de caldera ..................................................................................... 182

3.3.5 Dilatación de la tubería de la caldera............................................................ 184

3.3.6 Torre de enfriamiento ................................................................................... 185

3.3.7 Selección compresor ..................................................................................... 194

8. PRESUPUESTO ......................................................................................................... 196

8.1 COSTO DE EQUIPOS Y MONTAJE ...................................................................... 197

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8.2 INVERSIONES ........................................................................................................ 203

8.3 COSTOS ................................................................................................................... 210

8.4 PRESUPUESTO DE INGRESO Y EGRESO .......................................................... 211

8.5 PUNTO DE EQUILIBRIO ....................................................................................... 213

8.6 FLUJO DE CAJA PROYECTADA ......................................................................... 214

8.7 ESTADO DE RESULTADOS PROYECTADO...................................................... 214

8.8 EVALUACION FINANCIERA ............................................................................... 215

9. MANUALES ............................................................................................................... 218

9.1 MANUAL DE INSTALACIÓN SERVICIO Y MANTENIMIENTO .................... 218

9.2 MANUAL DE OPERACIÓN ................................................................................... 256

10. FICHA TÉCNICA ................................................................................................... 275

11. CONCLUSIONES ................................................................................................... 282

12. BIBLIOGRAFÍA ..................................................................................................... 283

13. ANEXOS ................................................................................................................. 286

ÍNDICE DE TABLAS

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pág.

Tabla 1. Definición y clasificación técnica de jugos, refrescos y aguas saborizadas. .......... 37

Tabla 2. Características de la bomba de la planta PTAI ....................................................... 40

Tabla 3. Características tanque de almacenamiento de agua Rinse ..................................... 41

Tabla 4. Estándares de calidad del agua ............................................................................... 42

Tabla 5. Características bomba tanque de agua rinse ........................................................... 43

Tabla 6. Características tanque jarabe simple ...................................................................... 43

Tabla 7. Características agitador tanque jarabe simple ........................................................ 44

Tabla 8. Características sistema mezclador solido liquido ................................................... 44

Tabla 9. Características del tanque de jarabe compuesto ..................................................... 45

Tabla 10. Características agitador tanque jarabe compuesto ................................................ 46

Tabla 11. Características de la marmita de compuesto ........................................................ 46

Tabla 12. Tiempos actuales de producción planta Nueva Deli ............................................ 58

Tabla 13. Comparación de tiempos actuales Vs planta nueva ............................................. 59

Tabla 14. Proporción de materia prima ................................................................................ 62

Tabla 15. Características tanque de mezcla .......................................................................... 70

Tabla 16. Características de la bomba de recirculación ....................................................... 71

Tabla 17. Características agitador tanque de mezcla ............................................................ 71

Tabla 18. Característica de válvulas y conexiones ............................................................... 72

Tabla 19. Características del sistema eléctrico del módulo de mezcla ................................. 72

Tabla 20. Servicios industriales módulo de mezcla ............................................................. 72

Tabla 21. Datos iníciales para el cálculo de las pérdidas por fricción .................................. 76

Tabla 22. Velocidad del fluido ............................................................................................. 76

Tabla 23. Número de Reynolds ............................................................................................ 77

Tabla 24. Coeficiente de fricción ......................................................................................... 77

Tabla 25. Longitud de tubería en la descarga y en la succión .............................................. 77

Tabla 26. Pérdidas de carga en la succión y en la descarga ................................................. 78

Tabla 27. Coeficiente de pérdidas. K ................................................................................... 79

Tabla 28. Elementos de medición y accesorios del módulo de mezcla ................................ 80

Tabla 29. Pérdidas menores del módulo de mezcla .............................................................. 81

Tabla 30. Punto de funcionamiento de la bomba ................................................................. 86

Tabla 31. Características del acero inoxidable ..................................................................... 91

Tabla 32. Categoría de Juntas Soldadas ............................................................................... 91

Tabla 33. Eficiencia de soldadura......................................................................................... 92

Tabla 34. Variación de presión con altura ............................................................................ 93

Tabla 35. Parámetros de diseño para el tanque .................................................................... 94

Tabla 36. Dimensiones fondo toriesférico ............................................................................ 98

Tabla 37.Conexión tipo clamp.............................................................................................. 99

Tabla 38. Dimensionamiento del rodete ............................................................................. 103

Tabla 39. Dimensionamiento de placas deflectoras ........................................................... 104

Tabla 40. Selección del motor-reductor del catalogo del fabricante SEW-EURODRIVE 108

Tabla 41. Dimensiones hélice impulsor ............................................................................. 111

Tabla 42. Factor de longitud efectiva, K.(McCormac), pág. 141 ....................................... 117

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Tabla 43. Características del tanque pulmón ...................................................................... 120

Tabla 44. Características bomba de envío .......................................................................... 121

Tabla 45. Características de los intercambiadores.............................................................. 121

Tabla 46. Tiempo de retención ........................................................................................... 122

Tabla 47. Características de válvula de desvío ................................................................... 122

Tabla 48. Características válvula de control de nivel de tanque ........................................ 123

Tabla 49. Características sistema de control de vapor........................................................ 123

Tabla 50. Características de instrumentos de temperatura ................................................. 124

Tabla 51. Características de los instrumentos de medición de caudal ................................ 124

Tabla 52. Características de los instrumentos de medición de de presión ......................... 124

Tabla 53. Características de sistema eléctrico .................................................................... 125

Tabla 54. Servicios industriales módulo de pasteurización ................................................ 125

Tabla 55. Datos del producto .............................................................................................. 127

Tabla 56. Velocidad del fluido ........................................................................................... 128

Tabla 57. Número de Reynolds .......................................................................................... 128

Tabla 58. Coeficiente de fricción ....................................................................................... 128

Tabla 59. Longitud de tubería............................................................................................. 128

Tabla 60. Pérdidas de carga por fricción en la succión y la descarga ................................ 129

Tabla 61. Coeficientes de pérdidas menores ...................................................................... 130

Tabla 62. Elementos de medición y accesorios del módulo de pasteurización .................. 130

Tabla 63. Pérdidas menores de la descarga y la succión .................................................... 131

Tabla 64. Pérdidas menores por equipos ............................................................................ 132

Tabla 65. Puntos de control en el sistema de pasteurización .............................................. 132

Tabla 66. Datos para NPSH ................................................................................................ 134

Tabla 67. Punto de funcionamiento de la bomba ............................................................... 135

Tabla 68. Variación de presión con altura .......................................................................... 138

Tabla 69. Parámetros de diseño .......................................................................................... 139

Tabla 70. Fondo Toriesférico tipo Klopper ........................................................................ 142

Tabla 71. Dimensiones fondo toriesférico .......................................................................... 142

Tabla 72. Conexión tipo clamp........................................................................................... 143

Tabla 73. Gráfico ilustrativo del funcionamiento de un intercambiador de placas ............ 149

Tabla74. Números de Nusselt y factores de fricción para flujo laminar en tubos de diferente

sección ................................................................................................................................ 151

Tabla 75. Relaciones NTU para Intercambiadores de Calor .............................................. 155

Tabla 76. Condiciones y propiedades del fluido frio.......................................................... 156

Tabla 77. Propiedades del fluido caliente ........................................................................... 157

Tabla 78. Condiciones y propiedades del producto ............................................................ 163

Tabla 79. Propiedades del agua de enfriamiento ................................................................ 164

Tabla 80. Cálculo de fuerzas .............................................................................................. 171

Tabla 81. Características de filtro de 5 micras ................................................................... 174

Tabla 82. Características de la lámpara UV ....................................................................... 175

Tabla 83. Características de los instrumentos para la medición de presión ....................... 175

Tabla 84. Características del sistema eléctrico del módulo de servicios industriales ........ 175

Tabla 85. Datos iníciales .................................................................................................... 176

Tabla 86. Elementos de medición y accesorios .................................................................. 177

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Tabla 87. Perdida de carga de equipos ............................................................................... 178

Tabla 88. Esquema de lavado de tanque con Spray ball .................................................... 178

Tabla 89. Puntos de control ................................................................................................ 178

Tabla 90. Datos para NPSH ................................................................................................ 180

Tabla 91. Curvas de la bomba INOXPA SN-28 y curva del sistema ................................. 181

Tabla 92. Condiciones y propiedades del fluido frio.......................................................... 182

Tabla 93. Especificaciones técnicas de la caldera .............................................................. 183

Tabla 94. Datos para cálculo de torre de enfriamiento ....................................................... 188

Tabla 95. Especificaciones torre de enfriamiento .............................................................. 190

Tabla 96. Propiedades del agua y generalidades de la tubería ........................................... 191

Tabla 97. Características del flujo ...................................................................................... 191

Tabla 98. Datos para calcular el NPSH .............................................................................. 193

Tabla 99. Presupuesto módulo servicios industriales. ........................................................ 197

Tabla 100. Presupuesto módulo mezcla. ............................................................................ 198

Tabla 101. Presupuesto módulo de pasteurización. ............................................................ 199

Tabla 102. Presupuesto total de los módulos de mezcla, pasteurización y servicios

industriales. ......................................................................................................................... 201

Tabla 103. Presupuesto montaje de elementos. .................................................................. 202

Tabla 104. Tabla total de inversiones Nueva planta. .......................................................... 203

Tabla 105. Costo certificado de Invima.............................................................................. 203

Tabla 106. Mano de obra directa ........................................................................................ 204

Tabla 107. Mano de obra directa. ....................................................................................... 205

Tabla 108. Nomina Administrativa. ................................................................................... 205

Tabla 109. Depreciación de equipos................................................................................... 205

Tabla 110. Costos servicios públicos. ................................................................................ 206

Tabla 111. Costos Totales de producto. ............................................................................. 206

Tabla 112. Gastos administrativos y de ventas................................................................... 207

Tabla 113. Inversión total del proyecto. ............................................................................. 207

Tabla 114. Fuentes de financiación. ................................................................................... 207

Tabla 115. Simulador cuotas préstamo bancario. ............................................................... 208

Tabla 116. Balance inicial de inversión.............................................................................. 209

Tabla 117. Costos fijos. ...................................................................................................... 210

Tabla 118. Costos variables. ............................................................................................... 210

Tabla 119. Costos Totales .................................................................................................. 210

Tabla 120. Egresos del proyecto durante cinco años. ......................................................... 212

Tabla 121: Proyección de unidades estimadas. .................................................................. 212

Tabla 122. Ingresos proyectados. ....................................................................................... 212

Tabla 123. Flujo de caja a cinco años. ................................................................................ 214

Tabla 124. Estado de resultados. ........................................................................................ 215

Tabla 125. Ingresos - Egresos............................................................................................. 216

Tabla 126. Calculo TIR. ..................................................................................................... 216

Tabla 127. Recuperación de la inversión............................................................................ 217

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ÍNDICE DE FIGURAS

pág.

Figura 1. Esquema de los módulos de la planta de producción de jugos ............................. 36

Figura 2. Foto de equipo para producir agua suavizada ....................................................... 49

Figura 3. Foto de sistema Blender ........................................................................................ 49

Figura 4. Diagrama del proceso de la planta Nueva Deli ..................................................... 57

Figura 5. Diagrama de flujo de la planta actual .................................................................... 61

Figura 6. Diagrama de planta propuesta ............................................................................... 62

Figura 7. Diagrama del proceso actual de mezcla ................................................................ 63

Figura 8. Diagrama de la planta actual ................................................................................. 65

Figura 9. Diagrama de la planta propuesta ........................................................................... 65

Figura 10. Diagrama de pasteurización propuesto ............................................................... 67

Figura 11. Diagrama del módulo de pasteurización ............................................................. 68

Figura 12. Diagrama del módulo de llenado ........................................................................ 69

Figura 13. Diseño en 3D del módulo de mezcla................................................................... 73

Figura 14. Esquema del módulo de mezcla .......................................................................... 74

Figura 15. Diagrama de Moody ............................................................................................ 75

Figura 16. Coeficiente de pérdida de una válvula de mariposa ............................................ 79

Figura 17. Coeficiente de rozamiento para salida brusca de un depósito ............................. 80

Figura 18. Puntos de control en el sistema mezcla ............................................................... 82

Figura 19. NPSHdisp Vs NPSHreq ...................................................................................... 85

Figura 20. Datos para calcular el NPSHdisp ........................................................................ 85

Figura 21. Curvas de la bomba INOXPA SN-15 ................................................................. 87

Figura 22. Selección del Diámetro del Recipiente ............................................................... 95

Figura 23. Fondo Toriesférico tipo Klopper ......................................................................... 98

Figura 24. Diferentes tipos de agitadores ........................................................................... 100

Figura 25. Caracterización de rodete y placas deflectoras. ................................................ 102

Figura 26. Tanque con placas deflectoras .......................................................................... 103

Figura 27. Gráfica del número de potencia ........................................................................ 104

Figura 28. Motor-reductor SEW versión con brida y eje hueco con anillo de contracción 107

Figura 29. Esquema sobre las fuerzas en el impulsor......................................................... 112

Figura 30. Dimensiones del álabe....................................................................................... 113

Figura 31. Esquema de carga puntual ................................................................................. 113

Figura 32. Módulo de pasteurización ................................................................................. 126

Figura 33. Esquema del módulo de pasteurización ............................................................ 127

Figura 34. Curvas características de la bomba Inoxpa SN-28 y trazado de la curva del

sistema ................................................................................................................................ 136

Figura 35. Selección del Diámetro del Recipiente ............................................................. 139

Figura 36. Notación de temperatura ................................................................................... 154

Figura 37. Esquema de planta correspondiente al calentamiento del producto .................. 156

Figura 38. Dimensiones intercambiador de calor ............................................................... 158

Figura 39. Sección transversal entre placas del intercambiador ......................................... 160

Figura 40.Esquema de planta correspondiente al enfriamiento del producto ..................... 163

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Figura 41. Soportes para tubería de retención, módulo de pasteurización ......................... 169

Figura 42. Diagrama de soportes con fuerzas actuantes ..................................................... 170

Figura 43. Diagrama de cuerpo libre (a) Apoyo 1, (b) Apoyo 2 ........................................ 170

Figura 44. Módulo de servicios industriales ....................................................................... 173

Figura 45. Diagrama de Moody .......................................................................................... 176

Figura 46. Foto caldera seleccionada ................................................................................. 184

Figura 47. Dibujo Torre de enfriamiento............................................................................ 185

Figura 48. Esquema de una torre de refrigeración.............................................................. 186

Figura 49. Esquema del sistema de bombeo de la torre de enfriamiento ........................... 192

Figura 50. Curvas de la bomba y curva del sistema ........................................................... 194

Figura 51. Compresor Kaeser ............................................................................................. 195

Figura 52. Punto de equilibrio de Nueva Deli en su primer año. ....................................... 213

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ÍNDICE DE ANEXOS

ANEXO A. CATÁLOGO AGITADOR.......................................................................... 286

ANEXO B. CATÁLOGO MOTORREDUCTOR ......................................................... 287

ANEXO C. VALORES DEL FACTOR “M” ................................................................. 288

ANEXO D. CHAVETAS ESTÁNDAR ........................................................................... 289

ANEXO E. CATÁLOGO INTERCAMBIADOR DE CALOR.................................... 290

ANEXO F. CATÁLOGO CALDERA ............................................................................ 291

ANEXO G. PROPIEDADES DEL AGUA SATURADA .............................................. 292

ANEXO H. TABLA PSICROMETRICA ...................................................................... 294

ANEXO I. CATÁLOGO TORRE DE ENFRIAMIENTO ........................................... 295

ANEXO J. CATÁLOGO COMPRESOR ...................................................................... 296

ANEXO K. PLANOS ....................................................................................................... 297

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1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

Dentro de la industria de alimentos y bebidas, existe un sector de bebidas no alcohólicas

que conocemos más comúnmente como refrescos, jugos y gaseosas. Es un sector amplio

con crecimiento acelerado y que cubre todo rincón del planeta con sus subproductos y se

fabrica casi que en el 95% de los países del mundo,(Diario de la gastronomia, 2013). Es un

producto que no discrimina nivel socio-económico y que en cualquier rincón del planeta se

consigue y se consume ya sea producido de manera artesanal o en las megaindustrias

controladas por multinacionales.

A nivel mundial este sector se encuentra en más de un 60% industrializada, siendo los

países del primer mundo pioneros en el desarrollo de maquinaria y última tecnología de

producción, quienes pueden producir grandes volúmenes, tienen amplia variedad de

productos y son competitivos con precios asequibles para cualquier persona sin importar

estrato social.

Sin embargo en los países menos desarrollados y que no pertenecen a un primer mundo,

hay un mercado latente en constante crecimiento, asumido en varias formas por las

multinacionales llegando acaparar el mercado y planteando una dura competencia con el

local.

Básicamente el pequeño productor en países emergentes ve problemas en su producción

local al no tener un brazo financiero que lo apalanque, tienen que comprar muchas veces su

materia prima a costos más elevados por las cantidades reducidas de su producción y para

poder tener una buena rentabilidad debe tener un mercado amplio, pero este interfiere ya

que la sobreproducción en ciudades principales lo pone a competir con las grandes

multinacionales.

En Colombia la situación no es diferente, la producción de refresco es dominada

básicamente por grandes grupos industriales que tienen todo el poder para inundar el

mercado con productos a bajos precios hasta no obtener utilidad para introducir una nueva

marca con grandes campañas de publicidad. Aunque el sector de las bebidas mantiene

fabricantes de sector de industria PyMEs en su mayoría familiares, con gran vocación de

trabajo, experiencia, emprendimiento e inquietud, no se ha trabajado en sus necesidades

insatisfechas como la carencia de tecnología, falta de infraestructura al no contar con

espacios aptos para la producción de las bebidas, equipos adecuados, además que no

cuentan con recurso humano capacitado por los bajos salarios que pueden pagar, carecen de

programas de capacitación y entrenamiento que les permita crecer administrativa, técnica y

productivamente, no existe programas directos al sector que fomenten, promocionen, el

crecimiento de estas empresas en sus regiones.

Con base a la premisa que cada PyMEs del sector es diferente en aspectos de producción,

maquinaria, locación y que tal vez no tienen todas las mismas problemáticas mencionadas,

se ha decidido plantear soluciones de ingeniería con la experiencia que se tiene del sector.

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Un proyecto acorde y enfocado a la pequeña y mediana industria (con capacidad productiva

de 500 a 1.000 L/h) que fabrica refrescos a base de agua con materias primas básicas como

azúcar, Pulpa de fruta liquida, conservantes, colores y sabores artificiales.

Este trabajo surge de la necesidad actual de incorporar diseño y tecnología, reemplazar los

procesos de producción actual generando soluciones en la pequeña industria en aspectos

como:

- Reducción en los tiempos de fabricación de las bebidas disminuyendo con esto costos de operación y aumentando productividad.

- Disminución en el desperdicio de materias primas que se presentan actualmente por

manipulación manual en el proceso.

- Oportunidad de fabricar una variedad de productos con los mismos equipos, solo cambiando los aditivos en las recetas. De esta manera se crea la posibilidad de

ampliar su espectro comercial.

- Ahorro de espacio locativo con equipos compactos

- Obtención de un producto de gran calidad tanto físico-Química, como biológica que cumpla con las normativas actuales de la legislación Colombiana.

- Capacitación del personal, ya que al implementar la tecnología en el proceso es

necesario que se acople el trabajador con el nuevo desarrollo.

1.1 JUSTIFICACIÓN

¿Porque diseñar una planta compacta para la elaboración de refrescos y jugos?,

Pues bien, se apuesta al desarrollo de equipos automáticos enfocados al sector actual de las

PyMEs que producen actualmente refresco y jugo y que mantienen altas necesidades de

innovación en producción, ahorro y calidad, pero también se abordará a los nuevos

empresarios que vean atractivo la producción de refrescos y jugos en sitios apartados donde

sea difícil el transporte desde ciudades principales y que quieren cubrir un pequeño

mercado local municipal, apoyado en la dinámica de crecimiento económico actual del país

y el poder adquisitivo que tienen los ciudadanos y en la industria turística de algún sector.

Siempre se ha pensado en el desarrollo en ingeniería de la vanguardia tecnológica en la

industria alimenticia de gran volumen, pero nunca se ha tomado la industria pequeña para

realizar desarrollos que por lo mínimo puedan satisfacer algunas necesidades propias de

esta industria. La globalización en la mayoría de ocasiones favorece al grande productor

mientras al pequeño lo aísla del mercado central, y no le permite abarcar ningún segmento

de la sociedad.

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La ayuda como se mencionó es muy poca en este sector de Bebidas y la PyMEs, se sabe

que la industria de las bebidas en general lo abarcan unos pocos grupos industriales del

país y es un sector que mueve mucho dinero al año, muchas fábricas pequeñas han

quebrado y unas pocas subsisten con productos cada vez menos atractivos al cliente final.

El mercado y el cliente existen actualmente, se debe es recuperar, rentabilizar la producción

en un sector de esta industria y que tiende a estar condenado al fracaso por la presión de la

industria grande y por la exigencia del cliente, pero otro modelo de producción y mercado

debe ser creado para que pueda ayudar a muchos que viven de la fabricación y

comercialización de este producto, y a otros que les pueda ser interesante.

El campo que se quiere atacar con este proyecto es la rentabilidad de la producción en la

fabricación y el modelo actual de la maquinaria, ofreciendo equipos compactos modulares

capaces de fabricar refrescos de varios sabores a base de azúcar/agua de manera automática

que ahorre tiempos, materias primas y operarios y que ofrezca un producto de calidad y

variedad comparado con las mega industrias existentes, que pueda ofrecer al mercado

productos competitivos y reduciendo la capacidad logística de espacios y requerimientos de

servicios industriales que puedan llevar a intensificar la producción necesaria en todas las

ciudades y pueblos sin la limitación de transporte, y llevando al ciudadano a comprar

productos de la región dinamizando la economía de los mismos pueblos donde está la

fábrica en la que se implantó el diseño.

Este proyecto se enfocará en los módulos básicos de Fabricación de Jarabe simple y

compuesto, modo de pasteurización, módulo de llenado y módulo de servicios industriales,

no se pretende diseñar elementos y componentes que ya se consiguen en el como lo son

bombas, válvulas, intercambiadores , llenadoras etc. si no investigar el proceso de

fabricación, que componentes y maquinaria se necesita para su elaboración, buscar los

fabricantes actuales de estas maquinarias en la industria alimenticia, integrar los anteriores

y diseñar equipos básicos completos y necesarios para la fabricación de los refrescos con

las maquinarias de los fabricantes actuales.

Este proyecto trabajara en líneas de conducción, distribución de espacios, proceso de

diagrama de flujo, necesidad de servicios industriales, diseño de tanque y agitadores,

selección de maquinaria apta para el proceso, selección de materiales de bancada y modelo

en 3D de los equipos. Además terminar con una propuesta económica para la fabricación

del mismo y viabilidad de proyecto.

La necesidad es latente, diseñar con un solo volumen de producción en principio plantas de

fabricación de refrescos modulares, donde dependiendo del tamaño se selecciona la planta

y con tan solo tres módulos puede comenzar por ahorrar espacio, tiempo y mano de obra.

Se ganará en rentabilidad, en variedad de producto y en calidad del mismo. Ahora si el

fabricante tiene otro objetivo en investigación para su proyección de venta, solo adiciona

cualquiera de los dos módulos restantes y puede obtener o un producto de mayor plus

comercial, o un producto nuevo para su catálogo.

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Además con el diseño el objetivo es tener una planta industrial de fácil traslado a sitios

alejados, donde se tenga difícil acceso vehicular y donde la implementación pueda ser de

ayuda social para la implantación de fábricas regionales financiadas por el gobierno u otras

instituciones de impacto social que ayuden a los desempleados y creen una microeconomía

basada en la fabricación de bebidas refrescantes azucaradas.

1.2 OBJETIVOS

1.2.1 Objetivo general

Diseñar una planta compacta industrial para la elaboración de refresco y/o jugo a base de

azúcar y/o pulpa de fruta con capacidad productiva de 500 a 1.000 litros/hora.

1.2.2 Objetivos específicos

- Inspeccionar el proceso de fabricación de refrescos azucarados en las plantas actuales y definir los parámetros de producción para el proceso de la planta nueva.

- Desarrollar el diseño mecánico y eléctrico de la planta industrial dirigida a la

fabricación de refresco simple y compuesto, pasteurización de producto y servicios

industriales.

- Realizar la evaluación financiera para la construcción de una planta compacta para fabricación de bebidas refrescantes a base de azúcar.

- Elaborar el manual de operación, mantenimiento y servicio de los equipos que componen la planta.

- Elaborarla ficha técnica con las características generales de la planta para la distribución comercia la posibles clientes.

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2. ESTADO DEL ARTE

La producción en el sector de las bebidas refrescantes, gaseosas y jugos de fruta se ha

incrementado a nivel mundial durante los últimos años, América Latina con un crecimiento

del 60.1%,Norteamérica 14.3% durante el 2012,(Informe anual de bebidas, 2013),como

también la consolidación de grandes grupos industriales a través de la adquisición y fusión

de marcas y embotelladoras liderando principalmente en este proceso la compañía Coca-

Cola FEMSA, consiguiendo excelentes resultados no solo en términos económicos sino

siendo cada vez más prominente en el mercado latinoamericano y siendo líder a nivel

mundial; “La empresa cerró el año 2012 adquiriendo un 51% de la Coca-Cola Filipinas y

abrió el segundo semestre de 2013 con la fusión con el Grupo Yoli. Ambos movimientos

atienden a la idea del grupo de expansión por medio de adquisición y a tener cada vez más

un portafolio internacional. De igual manera, Arca Continental, segunda embotelladora de

América Latina, comenzó el año inaugurando una planta en Tucumán, Argentina, donde

prevé poder duplicar su capacidad de producción”(Informe anual de bebidas, 2013).Estos

movimientos globales hacen que casi el 80% del mercado sea dominado por conglomerados

multinacionales que ofrecen grandes portafolios de marcas, sabores, formatos y estilos.

En Colombia no es ajeno a esta corriente, la marca Andina Colombia Jugos del valle en el

2012 firmó un acuerdo de colaboración con el Grupo Livsmart en Centroamérica para

poder distribuir y vender sus jugos en Colombia, con el objetivo a futuro de construir una

planta de jugos en el país. Como lo hará la compañía mexicana Coca-Cola Femsa quien

invertirá 200 millones de dólares en la nueva planta en Tocancipá a partir del 2013.

De acuerdo con el análisis de Euromonitor Internacional, América Latina se encuentra en

tercer lugar en el consumo mundial de bebidas embotelladas por detrás de Estados Unidos y

China. Tanto Perú como Brasil tienen la fuerza de un mercado dominado por marcas

nacionales que solamente siguen a las grandes marcas de cola con un mercado aún sin

explorar con grandes oportunidades de crecimiento. En Colombia, el consumo per cápita

entre el 2011 y 2012 de bebidas embotelladas fue aproximadamente de 129 L/año, siendo

las gaseosas las que se llevan el mayor volumen de 55 L/año, seguidos por el consumo de

cerveza con 44 L/año y el agua de mesa, con 16L/año de acuerdo al estudio realizado por la

Corporación de Cervecerías Unidas (CCU), de Chile donde indica que Colombia está

ubicado en el lugar más bajo entre un grupo de ocho países latinoamericanos.(En

Portafolio, 2013), Esto representa una posibilidad de inversión a corto plazo con mayor

rentabilidad, buenos márgenes de crecimiento del consumo, fortaleza en el mercado siendo

este un nicho muy atractivo.

La innovación es una de las claves más importantes en el desarrollo del sector, que “parece

producir nuevos productos más rápido de lo que el consumidor es capaz de bebérselos”

(Informe anual de bebidas, 2013). Según las nuevas tendencias, los consumidores están

cada vez más abiertos a los nuevos sabores, combinaciones de frutas exóticas como por

ejemplo guaraná, açaí y bayas (frutas nativas de Brasil) y las nuevas cualidades

nutricionales. La novedad en los formatos y empaques son cada vez más importante a la

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hora de introducir nuevos productos o mantener actualizadas las marcas por ejemplo la

venta de bebidas en bolsas muestra un gran potencial por su costo y su facilidad de

transporte más allá de otros envases. Por otra parte, el endurecimiento del marco legal en

países como Bolivia, Costa Rica, Argentina, Chile, Colombia o Brasil con respecto a

conducir después de haber tomado alcohol influirá en el consumo de bebidas no

alcohólicas, también lo hará las exigencias y regulaciones en algunos casos

gubernamentales en procura del cuidado de la salud como es la reducción de calorías y el

contenido de azúcar en las bebidas dirigido a utilizar nuevos sustitutos endulzantes creando

así nuevos productos.(El Espectador, 2013)En términos regulatorios, los TLC, como por

ejemplo el firmado por nuestro país abre la posibilidad de consolidar productos en otros

mercados aunque el endurecimiento sobre algunas tarifas impuestas a las bebidas no

nacionales puede tener también influencia en el sector.

Por lo que respecta al desarrollo tecnológico a nivel mundial en la industria de las bebidas

el cual ha sido impulsado por los grupos de investigación de grandes compañías quienes

destinan recursos económicos significativos se centra principalmente en los procesos

productivos los cuales se pueden clasificar en tres grupos, el primer grupo el proceso

químico en el cual se han realizado avances en la creación de nuevos aditivos,

conservantes, ingredientes artificiales, desarrollo en la composición enzimática y

nutricional de las recetas, manejo microbial del producto y calidad bacteriológica en el

proceso, como también mejoras significativas en los métodos de manufactura reduciendo

los procesos y tiempos de producción. El segundo grupo es la producción donde la

maquinaria y equipos tienen gran impacto en la eficiencia y rentabilidad de una planta, se

han realizado avances significativos en el diseño y fabricación de equipos compactos de

procesamiento, con sistemas sencillos de funcionamiento y mantenimiento, los cuales

cumplen con altos estándares de calidad y asepsia, dirigidos a ser utilizados en diferentes

tareas al momento de ser integrados en líneas de procesos, donde la automatización está

generalizada en cada estado de la producción, quien programa, controla, reduce tiempos

muertos, registra, etc. facilitando y haciendo más ágil la fabricación de grandes lotes de

producto en menor tiempo incrementando la productividad al verse reducidos los costos de

producción y mano de obra.

Y el tercer grupo del proceso productivo es el empacado, almacenamiento y distribución

del producto, como ya se ha mencionado el empaque es de gran importancia para el

consumidor por la preferencia y gusto por las marcas como para la industria en materia de

publicidad, marketing y venta en el mercado de por si hoy día saturado y muy competitivo.

Pero más allá de esto se han realizado avances tecnológicos en los materiales de estos

empaques logrando así un mayor tiempo de conservación del producto, creación de barreras

en los envases para evitar la entrada y salida de gases (fundamentalmente oxigeno),

resistencia del envase a la rotura durante el almacenamiento, distribución y consumo,

reducción en la cantidad de materiales en la producción de los empaques siendo de fácil

recuperación y reutilización.

El almacenamiento y distribución del producto terminado en la industria está totalmente

automatizado, sobre todo el mecanismo de codificación e identificación de productos por

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lotes con códigos de barras en los cuales se registra toda la información llevando una

estricta trazabilidad y el transporte a través de cintas robotizadas en el área acopio.

El proceso productivo para la elaboración de refresco carbonatado, jugo a base de azúcar

y/o pulpa de fruta en la industria actual se inicia tratando el elemento más importante que es

el agua.

2.1 TRATAMIENTO DEL AGUA

El agua es la principal materia prima para la fabricación de bebidas no alcohólicas, además

de su uso como materia prima el agua es utilizada como agente de limpieza y de

enfriamiento, según el uso o calidad, el tratamiento varia, existen cuatro tipos de agua:

cruda, clorada, blanda y tratada. El agua utilizada en el proceso de producción de jarabe

simple o base para todas las bebidas no alcohólicas es el agua tratada la cual se obtiene

mediante el siguiente proceso: primero se procede con una floculación y precipitación de

compuestos orgánicos, para esto normalmente se utilizan sulfatos de aluminio o ferroso y

cal. El precipitado se elimina mediante purgas continuas. En algunos casos no es necesario

este paso por la buena calidad del agua con la que se cuenta en las plantas aunque existen

empresas en que se debe realizar por cuestiones de cumplimientos a normas de calidad

alimenticias.

Luego el agua pasa por un sistema de filtros. Normalmente se utilizan:

- Filtros de arena, que cumplen la función de retener todas las partículas que quedan en el agua.

- Filtros de carbón activado que retienen todas las sustancias de naturaleza gaseosa

como el cloro residual, la eliminación de mal olor y sabor

- Filtros pulidores que retienen partículas de tipo que no hayan sido eliminadas.

En algunos casos, luego del filtrado, algunas compañías aplican una desinfección final con

rayos UV inactivando microorganismos.

Esta desinfección se realiza en una unidad, la cual está constituida por una cámara en acero

inoxidable, una lámpara ultravioleta, limpiadores mecánicos, ultrasónicos, sensores

conectado al sistemas de alarma para el monitoreo de la intensidad de la luz ultravioleta,

dispositivos de control de velocidad de flujo y temperatura, balasto (ordena el flujo de

electrones). En los últimos diseños desarrollados garantizan que cada microorganismo

reciba la dosis de radiación necesaria para ser eliminado, se ha mejorado en el mecanismo

que realiza la agitación del agua para que sea expuesta homogéneamente y reciba la dosis

de radiación.(Dominguez)

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El agua es un componente esencial en la producción de jarabe y siempre existe el riesgo

que se trasmitan microorganismos perjudiciales para la salud de los consumidores, es por

esto que en cada etapa del proceso se analiza mediante tomas de muestras para análisis por

parte del área de calidad.

2.2 ELABORACIÓN DE JARABES SIMPLES Y TERMINADOS

Esta operación es la más importante y fundamental porque representa el principal insumo

para la preparación de las bebidas. Dado su uso el jarabe terminado representa el factor más

costoso del proceso productivo es por esto que su proceso es vigilado cuidadosamente ya

que incide directamente en los costos de fabricación del producto.

En la industria actual se aplican dos tipos de procesos para la disolución de azúcar procesos

continuos y discontinuos normalmente en soluciones de agua tratada para conseguir jarabe

simple, el cual esta estandarizado con una concentración típica entre los 60 y 67°Brix. (DI-

SUGAR)

Para el proceso discontinuo con sistema de tanque disolutor se utilizan tanques mezcladores

con capacidad acorde a la cantidad de azúcar a preparar. El agua tratada es calentada a la

temperatura adecuada en un intercambiador de calor y luego es bombeada hacia el tanque

disolutor de acero inoxidable dotado con agitadores impulsados desde la parte superior

mientras que un transporte neumático o mecánico alimenta el azúcar (ya sea concentrada,

en almíbar, azúcar cristalizada industrial) en cantidades determinadas para cada sabor y se

mezcla uniformemente por el tiempo necesario. Cuando se finaliza el proceso de

disolución, el jarabe de azúcar se filtra para retener las partículas extrañas, se envía a

pasteurizar y luego, pasa hacia un tanque pulmón.

En el procesos continuos con sistemas disolutores caliente/frío se puede realizar ya sea en

frio como en caliente en el mismo conjunto. Estos procedimientos requieren un silo con

azúcar (ya sea concentrada, en almíbar, azúcar cristalizada industrial) y un tanque de

capacidad adecuada para el jarabe de azúcar. El azúcar y el agua se alimentan al tanque de

disolución en las proporciones adecuadas. Una bomba circula y asegura una suspensión

homogénea. Un flujo parcial es suministrado por el tanque buffer, ambos flujos, a través de

un filtro (disolución fría) o pasteurizador (disolución caliente) se integran en la filtración y

desgasificación. La gran diferencia con el proceso anterior es que se obtiene una calidad

más alta en el proceso de disolución, poco desgaste en el conjunto por ende bajo

mantenimiento y el sistema puede ser limpiado por un CIP (Cleaning In-Place – limpieza in

situ).

Luego de tener el jarabe simple el producto se bombea a tanques que según el producto a

fabricar se le adicionaran los demás componentes como son aromatizantes, edulcorantes,

colorantes, acidulantes, conservantes, antioxidantes, emulsionantes, estabilizantes y agentes

de turbidez de acuerdo a los porcentajes en sus recetas, en el caso de los jugos con pulpa de

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fruta se adicionan en esta etapa y se obtiene el jarabe terminado. Para esto se realiza el

proceso de mezclado.

El siguiente paso es el mezclado de materias primas en sus proporciones correspondientes

para la preparación y así dar lugar al producto final, en las grandes empresas se realiza este

proceso por lotes, es decir que se produce una cantidad determinada de un producto de unas

características específicas. Para determinar el peso exacto de los componentes individuales

se utiliza balanzas o caudalimetros de masa los cuales son los más usados, el mezclado de

productos con balanzas se usa para mezclas en las que se tienen gran variedad de

componentes en pequeñas cantidades.

La tecnología en mezclado con caudalimetro de masa de gran exactitud (por ejemplo

caudalimetros másicos, caudalimetros electromagnéticos o ultrasónico) se complementa

con el sistema de batería de válvulas de doble asiento las cuales resisten a golpes de presión

ofreciendo una gran flexibilidad en el proceso, al permitir el paso de manera automática

(por medio de accionamiento de actuadores) de materias primas requeridas anteriormente

registrada por el caudalimetro de masa al tanque en el cual se requiere, estas baterías tienen

diferentes ramales para agilizar el paso de los diferentes componentes a varios tanques de

mezclado al mismo tiempo.

La integración de las baterías de válvulas permite limpiar las tuberías al mismo tiempo que

realiza la mezcla durante su accionamiento.

Otra variante del mezclado de jarabes es la tecnología de mezclado en línea continua, en

este tipo de proceso se mezclan los componentes líquidos directamente en la misma línea

en una proporción constante antes de la elaboración del producto final, el sistema cuenta

con controladores digitales los cuales mantienen la proporción de mezcla constante aun en

caso de cambio en la proporción por sobrepresiones.

La estructura del sistema de mezclado de línea continua consiste en una línea principal que

se alimenta de los componentes a ser dosificados por medio de bombas dosificadoras, estas

líneas cuentan con la tecnología de medición de caudalimetros de gran exactitud los cuales

influyen directamente en la precisión del sistema asegurando la mezcla exacta de todos los

componentes. En caso que se utilicen productos con una viscosidad alta se utilizan

mezcladores (estáticos o dinámicos) los cuales son incorporados en el sistema (tanques)

para lograr una mezcla homogénea de los productos. (GEA-TDS)

El diseño y construcción del sistema de mezclado continuo empleando líneas de corta

longitud garantiza la reducción al mínimo de las pérdidas de producto, baja retención de

productos en el sistema, disponibilidad para un amplio rango de capacidades de producción

y alta exactitud en la mezcla.

Al terminar la etapa de mezclado, el producto se transporta mediante tubería al

pasteurizador para tratarlo térmicamente.

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2.2.1 Pasteurización del producto

El proceso de pasteurización es muy importante para la conservación durante periodos

largos de las materias primas y productos terminados, en la actualidad se cuentan con gran

variedad de equipos que permite que este proceso sea rentable y con la menor pérdida de

calidad posible en el producto.

Para alcanzar esta meta, el producto es tratado térmicamente, se calienta brevemente a la

temperatura requerida y se enfría rápidamente, para esto se utilizan intercambiadores de

calor tubular o de placas, de acuerdo al tipo de producto a tratar como son materias primas

zumos y bebidas refrescantes y de frutas con o sin pulpa.

En los intercambiadores de placas la tecnología y diseño es extremadamente compacta la

permite al intercambiador de calor cumplir con tareas térmicas extremas en un espacio

físico relativamente pequeño, fabricado en acero inoxidable AISI 316, se compone de

placas o módulos lo cual permite fácil incremento o reducción de su capacidad, también es

de fácil acceso para realizar inspección y mantenimiento, un desarrollo en sus juntas son las

de tipo LOC-IN “sin pegamento” lo cual permite un remplazo rápido reduciendo los

tiempos improductivos.

En el mercado se encuentran diferentes tipos de relieves de placas que provén una

combinación ideal para la transferencia eficiente de calor, capacidad de producción

tratamiento de diferentes productos, se puede seleccionar el diseño más adecuado entre

estos existe los tipos de placas como en forma de H con relieve en forma de raspa

horizontal, para alta eficiencia térmica, placa en forma de V con relieve en forma de raspa

vertical para una menor perdida de presión, placa M y P con relieve de raspa en V para una

mayor resistencia a la presión diferencial y el modelo de placa en N de caudal libre para

productos claros, turbios y fibrosos hasta de aproximadamente 5mm de longitud y 1mm de

diámetro.

Las principales ventajas de utilizar esta tecnología de intercambiadores es que pueden tratar

productos con contenido de pulpa, tienen un buen intercambio de calor, es decir que se

necesita poca superficie de intercambio y por lo tanto poca inversión económica, tiene una

elevada recuperación de calor (hasta un 96%) lo que significa menores costos de energía y

el espacio de montaje es pequeño gracias a la gran superficie de intercambio de calor en un

espacio reducido.

Los intercambiadores de calor tubulares también dependiendo de la capacidad de

producción requerida y las propiedades del producto se pueden seleccionar el diseño más

adecuado, en su parte técnica, los intercambiadores pueden tener uno más tubos ubicados

en la carcasa, pueden ser planos o corrugados; en la actualidad se encuentran en el mercado

los siguientes tipos: Monotubo (S), para el intercambio de calor directo durante el

tratamiento del producto con trozos grandes de pulpa, apto para la limpieza de tuberías por

raspado (pigging), el multitubo (M) con intercambiador de calor indirecto, el

intercambiador de calor directo producto-producto (P) el cual tiene una variación cuando el

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producto tiene sustancias fibrosas ya que gracias a su diseño de doble paca tubular se

encarga de acelerar el flujo de manera trasversal evitando la sedimentación logrando

tiempos de producción más largos. (GEA-TDS).

Una tecnología aplicado en las grandes industrias en el proceso de pasteurización es la

desgasificación por vacío en el cual se lleva al producto a una temperatura entre 55 y 60 °C,

al depósito de desgasificación y a través de válvulas de choque desarrollada

específicamente para este proceso, allí se extrae del producto gran cantidad de gases,

recuperando los aromas propios del producto mediante enfriadores tubulares

reconduciéndolos nuevamente. Esto se realiza con el fin de disminuir la pérdida de la

calidad del producto por oxidación.

Para la producción de bebidas refrescantes como son las gaseosas se requiere del proceso

de Carbonatación

2.2.2 Carbonatación

En esta etapa se añade CO2 a las bebidas gaseosas, el cual consiste en que una vez el

producto es mezclado se envía al equipo carbonatador donde se genera la saturación del

jarabe terminado con dióxido de carbono gaseoso, donde se presenta la absorción. El jarabe

terminado debe ingresar a baja temperatura durante el proceso ya que esto es lo le da la

característica de efervescencia y textura a las gaseosas.

El proceso consiste en que el producto es enviado a través de una bomba booster a una

unidad de saturación en el cual trabaja bajo el principio Venturi, un control optimizado

mantiene la velocidad de flujo a través del saturador con un rango constante de trabajo. El

vacío parcial generado en el área de menor área de flujo del saturador causa una

disminución de la presión, de esta manera se produce la succión de CO2. A parte de esto, el

corto periodo de tiempo del proceso favorece a la distribución del gas CO2 haciendo una

mezcla homogénea en el producto. El CO2 es suministrado desde un tanque presurizado

hacia el saturador. La constante sobrepresión del tanque de CO2 permite una carbonatación

equilibrada de la bebida. Este procedimiento elimina al máximo la perdidadeCO2 en el

proceso.

El papel fundamental del equipo es conseguir un íntimo contacto entre el CO2 gaseoso y el

producto que tiene que ser carbonatado. Los factores que determinan el grado de

carbonatación principalmente son: la presión en el sistema, la temperatura del líquido, el

tiempo de contacto entre el líquido y el CO2, (la afinidad disminuye según aumenta el

contenido de azúcar) y a presencia de otros gases.

La mezcla del CO2 y el jarabe terminado se debe realizar en proporciones adecuadas antes

de ser transferidos como una bebida completa hacia la línea de llenado, es decir que la

bebida final se forma antes del envasado, es por esto que es crítico el porcentaje de cada

uno de estos componentes durante la saturación ya que esto define característica como

sabor y aroma distintivo de cada producto. En términos generales, las bebidas de frutas

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(refrescos) se carbonatan a un nivel bajo y las bebidas refrescantes (gaseosas)un nivel

mucho mayor, pueden contener desde 15 a 75 PSI de CO2.

Por último en el proceso de elaboración de la bebida es el llenado del producto en su

envase.

2.2.3 Lavado y Llenado

En algunas compañías toman nuevamente los envases retornables realizando un proceso de

lavado y desinfección exhaustivo a fin de asegurar su óptima limpieza, normalmente se

realiza en máquinas lavadoras automáticas con dos o más fases de inmersión en solución de

soda caústica y dos o tres fases de enjuague. El proceso de lavado en las máquinas

mencionadas comienza con la inspección de las botellas para evitar la entrada de impurezas

que puedan dañar la lavadora. Posteriormente las botellas pasan por una etapa de pre

enjuague, luego las botellas son impregnadas de solución de soda caustica con

concentraciones variables de 1.5% a 4% y temperaturas de 40°C a 80°C, finalmente se

produce el enjuague efectuado en tres fases.

Luego de tener listas los envases son transportados a la llenadora en donde se realiza el

proceso de transferencia del producto final desde el tanque que lo contiene hacía en envase,

son tapadas o selladas y codificadas.

En la industria de las bebidas se manejan gran variedad de soluciones completas de líneas

de llenado ya estandarizadas. Lo que hace la diferencia entre una máquina a otra

principalmente es la tecnología de como determina el volumen exacto de producto a

transvasar, la utilización de alguna de estas depende también de su aplicación específica, de

las condiciones de fabricación del producto y cantidad de producción al igual que el costo.

Algunas de las posibilidades que se encuentran en el mercado son. (Bolzoni, 2012)

- Líneas de llenado de nivel la cual cuenta con dispositivos de tipo mecánico, son de uso tradicional, el nivel es determinado por la longitud de la cánula que se introduce

en la botella durante la fase de llenado.

- Líneas de llenado por gravedad especiales para llenado de productos lácteos, jugos,

agua sin gas, como su nombre lo indica el cabezal de llenado es por gravedad,

simple, solo una parte móvil con sello único de silicona, incluye mecanismo para el

nivel y retorno de aire, apto para manejo bases de botellas y cuellos, cuenta con un

panel de control para la visualización y control.

- Líneas de llenado Fillstar HF utilizadas para llenado de jugo de frutas y bebidas sin gas, la característica principal de este equipo es que permite el llenado en caliente

(hasta 95°C) y la recirculación de producto ya que cuenta con un tanque externo para este fin, maneja botellas de vidrio o plástico, cuenta con colectores de producto

en el carrusel de llenado.

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- Líneas de llenado neumático a contrapresión la cual se utiliza para llenado de

bebidas gaseosas carbonadas principalmente como de otras bebidas, cuenta con un

desarrollo importante en su válvula de llenado la cual tiene un dispositivo de apertura y cierre de válvula de tres pociones accionada por un actuador neumático

con un compensador de desgaste, además cuenta con una válvula de retención la

cual no permite el retorno de aire proveniente de las botellas, sin derramar liquido

extra después de que el nivel haya sido alcanzado, y ajuste automático de altura para

tubo de venteo.

- Líneas de llenado volumétrica electrónica a contrapresión y la llenadora ponderal

la cual se utiliza para el llenado de bebidas sin gas, bebidas gaseosas carbonatadas,

jugos de frutas, todo tipo de bebidas. Se caracteriza por contar con un cabezal de

llenado volumétrico electrónico a contrapresión con caudalimetro magnético o

másico y/o sensor como balanza con celda de carga, permitiendo el paso de fluido

hacia la botella el cual se interrumpe en función de los parámetros de producción

programados totalmente automatizado y controlado por PC, tienen válvulas de

membrana que son utilizadas para presurización, separación de aire de retorno y

soplado, la tobera de llenado no tiene contacto alguno con el cuello de la botella

garantizando un llenado aséptico. La diferencia entre una y otra es la ubicación del

medidor; llenadora la volumétrica tiene el caudalimetro instalado en la boca de

llenado y en la ponderal el sensor está en la celda de carga con la tara ya

programada que dispara la válvula de llenado. Las dos son llenadoras electrónicas

por excelencia de última tecnología.

2.2.4 Automatización e integración de procesos

El incremento de la productividad y el aseguramiento de la calidad en la etapa productiva

son las razones actuales para una creciente automatización de los procesos, de esta forma se

diseñan las instalaciones para que todos los parámetros relevantes de fabricación se puedan

controlar, supervisar, detectar fallas, programar paradas, documentar procesos de manera

automática.

Abarca desde controles independientes de equipos hasta la automatización de instalaciones

en red, con sus correspondientes sistemas de información y gestión. La estandarización de

la automatización en la industria alimenticia de producción por lotes se realiza acorde con

la norma ISA-S88.

En el manejo y visualización de los procesos se han diseñado interfaces amigables con el

usuario permitiendo una navegación intuitiva con una estructura lógica que permite un

acceso fácil, completo y rápido a los menús, procesos, información al tiempo que es seguro

el sistema. Los sistemas de control permiten el registro simultáneo de valores de medición

y de estados de conmutación consiguiendo la optimización de los procesos.

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La posibilidad de registrar los datos de las mediciones efectuadas y el registro de eventos

facilita la creación de una base de datos que permite el análisis práctico de las diferentes

variables que se manejan por medio de la generación de informes parametrizables, a su vez

se puede usar para clasificar e identificar lotes individuales o producciones completas y

realizar seguimiento de la vida del producto. Una gran ventaja para la industria es que estos

sistemas se pueden acoplar a plataformas o módulos como por ejemplo a SAP.

2.3 PRODUCCIÓN DE BEBIDAS NO ALCOHÓLICAS EN COLOMBIA

La actividad del procesamiento de bebidas hacen parte del sector de la agrícola y

manufactura del país y se caracteriza por tener una cadena productiva desde la siembra

como por ejemplo de la caña de azúcar y de la fruta, que son la materia prima para su

fabricación , luego ingresa al sector industrial donde se realiza su transformación que da

como resultado la elaboración bebidas refrescantes, jugos naturales, concentrados de pulpa

por último estos productos ya empacados ingresan al círculo del comercio, ya sea al

comercio minorista con la distribución tienda a tienda o al comercio mayorista de grandes

almacenes de cadena o comercializadores internacionales.

Este sector en Colombia se ha caracterizado por estar dominado por pocas empresas que

cuentan con gran trayectoria y tradición. Entre ellas está Coca-Cola Femsa, Postobón de la

organización Ardila Lule, PésiCo cuya franquicia la maneja Postobón, recientemente la

transnacional Aje Colombia cuya marca líder es BigCola y otras compañías como Nestlé,

Alpina, Meals y Quala que también hacen parte de este selecto grupo. Estas grandes

compañías cuenta con grandes fortalezas por la incorporación de tecnología de punta en

sus procesos, la generación de empleo principalmente en por el gran tamaño de las

embotelladoras y plantas de producción, la eficiencia en los procesos de distribución y

entrega y la innovación de productos.

En cuanto a las empresas medianas y pequeñas no se puede decir lo mismo su nivel

tecnológico e investigativo es bajo, no hay inversión y mejoramiento de sus instalaciones,

los procesos en estas empresas en algunos casos son semi-automatizados o manuales, por

segmentos causando pérdidas de tiempo en producción, algunos equipos son

remanufacturados o hechizos, causando pérdidas grandes de energía, producto y

sobrecostos en mantenimiento, por estas razones se presenta contaminación durante la

fabricación, diferencias en las características propias del producto entre diferentes lotes,

afectando así su calidad. Aunque el proceso para la fabricación de bebidas refrescantes y

jugos es en esencia es el mismo.

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3. MARCO TEÓRICO

3.1 CLASIFICACIÓN DE BEBIDAS NO ALCOHÓLICAS A BASE DE FRUTAS

Las bebidas no alcohólicas a base de frutas pueden clasificarse como jugos, néctares y

refrescos, entre otros y se diferencian entre sí básicamente por el contenido de fruta en el

producto final; así, un jugo es más concentrado que un néctar y un néctar, a su vez, es más

concentrado que un refresco.

Los refrescos se clasifican de la siguiente manera según disposición de la FAO en el código

estándar internacional propuesto por el Códex Alimentarius(CODEX STAN 247, 2005)y

por la normatividad colombiana(Ministerios de salud, 1991); se establecen claras

diferencias entre jugos concentrados, néctares, pulpas, pulpas azucaradas y refrescos de

frutas:

- Jugo de fruta: Es el líquido obtenido al exprimir frutas frescas, maduras y limpias, sin diluir, concentrar o fermentar. Son productos 100% derivados de la pulpa de

fruta que se empaca bajo altos parámetros de higiene.

- Néctar de fruta: Se entiende el producto sin fermentar, pero fermentable, obtenido

mediante procedimientos idóneos, por ejemplo tamizando, triturando o

desmenuzando la parte comestible de la fruta entera o pelada sin eliminar el zumo

(jugo). La fruta deberá estar en buen estado, debidamente madura y fresca, o

conservada por procedimientos físicos o por tratamientos aplicados No contienen

colorantes ni endulzantes y su porcentaje de fruta está entre el 25-50% de contenido.

- Bebidas con sabor a fruta: Contienen solamente fruta en pulpa entre un 3% y 30%, son endulzados natural o artificialmente y contienen colorantes, estabilizantes

sabores y conservantes.

- Bebidas Refrescantes: pueden no contener ningún porcentaje de pulpa de fruta, son saborizados artificialmente y tienen contenido significativo de endulzante,

colorante, estabilizantes, espesantes y conservantes.

Las bebidas refrescantes son líquidos con base agua (solvente) básicamente con un

(soluto) que es azúcar (alrededor de diez gramos / cien mililitros), destinado a

calmar la sed y reponer enzimas que el cuerpo a perdido también diversos aditivos,

principalmente aromatizantes y colorantes, y una dependiendo del tipo de refresco

un porcentaje de pulpa de fruta.

- Jugos: Contienen pulpa de fruta no menos del 12%, Aportan vitaminas y minerales, pero no el ácido ascórbico o vitamina C utilizado como antioxidante. También entra

allí el tipo de bebidas Light - en las que se ha sustituido la sacarosa por aditivos

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edulcorantes Sólo proporcionan la energía contenida en el extracto vegetal o en el

porcentaje de zumo de frutas (muy bajo) que entra en su composición.

- Refrescos: Contienen un porcentaje nulo de pulpa de fruta líquida y es tan solo endulzado en su mayoría con azúcar, son saborizados por extractos de fruta en una

muy baja cantidad (3%) y su composición no es más que colorante, estabilizantes,

espesantes y conservantes.

Para la descripción del proceso de fabricación de bebidas refrescantes con un porcentaje de

adición de pulpa de fruta no mayor al 25% se obtiene la información del departamento de

producción de Gaseosas Postobón y su manual en el tema de jugos y bebidas refrescantes

carbonatadas (POSTOBON S.A, 2005).

3.2 DESCRIPCIÓN GENERAL DEL PROCESO DE PRODUCCIÓN DE

REFRESCOS BASADO EN LA PLANTA DE POSTOBÓN, 2005

Tratamiento de agua para la producción de jugo

El agua es el principal elemento de la fabricación de jugos y refrescos. Todo inicia

almacenando agua proveniente de los acueductos o pozos profundos donde se le adiciona

cloro para evitar el crecimiento microbiológico, luego es bombeada a los procesos de

floculación, filtración, purificación y pulimento. El agua después de filtrada, eliminarle

colores y sabores extraños. Luego se lleva a los filtros pulidores donde se retiran partículas

mucho más pequeñas y que no han sido hasta el momento retenidas.

Proceso de preparación

Para preparar un jugo o un refresco el método es similar omitiendo algunos pasos para la

fabricación de refresco.

- Sistema de recepción de pulpa de fruta: Dependiendo del tipo de fruta, puede venir

congelada o ya está líquida, una bomba succiona desde arriba y envía el producto a

un tanque de almacenamiento de pulpa o marmita donde se realiza una

homogenización del producto.

- Reconstitución de pulpa de fruta: Allí se mezcla con agua ya tratada donde un homogeneizador se encarga de emulsionar el producto sin que se separen las fases.

- Sistema de jarabe simple: Es un tanque donde se realiza la disolución del solido azúcar y se prepara un jarabe que puede estar entre los 50°brix hasta los 68°brix.

Allí el agua está caliente para que la disolución del azúcar sea más rápida.

- Sistema de mezcla: En este tanque se adiciona Jarabe de azúcar, Agua, Sabores como pulpa o artificiales, colorantes, estabilizantes, conservantes etc.

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- Sistema de pasteurización: Antes de ser envasado, el refresco se somete a altas

temperaturas por un tiempo determinado en las aguas de pasteurización con el fin de

destruir los microorganismos sin afectarlo organolépticamente. El producto caliente o frio es enviado a la llenadora.

- Embotellado y lavado de envase: Dependiendo del tipo de envase a empacar puede

ser vidrio platico, caja o bolsa donde se somete a lavado y desinfección antes de

entrar en la cadena de llenado.

- Sistema de embotellado: Si es empaque plástico o vidrio se somete a diferentes ciclos de lavado con soda, ácido y agua donde se sanitiza para que luego sea

llenado. También hay una inspección visual de cada empaque por si quedan

residuos sólidos incrustados para que la botella sea retirada.

- Proceso de llenado: Es una máquina que embotella cada líquido en su respectiva botella con el volumen ideal y de manera automática.

- Refrigeración: Puede ser necesario o con su empaque en frio del producto se omite. La idea es conservar el líquido por debajo de los 8°C para que el proceso de

crecimiento bacteriano se detenga y de mayor durabilidad al producto. Este proceso

se realiza más que todos en Jugos.

El producto embotellado es empacado en sus respectivas cajas, El producto terminado es

enviado a cuarentena donde se inspecciona físico-químicamente antes de ser enviado a

distribución.

EQUIPOS Y DISPOSITIVOS A UTILIZAR EN EL PROCESO

3.3.1 Elementos de mezcla

Agitación:

La agitación se refiere a forzar un fluido por medios mecánicos para que adquiera un

movimiento circulatorio en el interior de un recipiente. Los objetivos de la agitación pueden

ser: Mezcla de dos líquidos miscibles (Ej.: alcohol y agua), Disolución de sólidos en

líquido (ej.: azúcar y agua), Mejorar la transferencia de calor (en calentamiento o

enfriamiento), Dispersión de un gas en un líquido (oxígeno en caldo de fermentación),

Dispersión de partículas finas en un líquido, Dispersión de dos fases no miscibles (grasa en

la leche)

El agitador crea un cierto tipo de flujo dentro del sistema, dando lugar a que el líquido

circule por todo el recipiente y vuelva de vez en cuando al agitador.

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Tipos de agitadores:

Los agitadores se dividen en dos clases: los que generan corrientes paralelas al eje del

agitador y los que dan origen a corrientes en dirección tangencial o radial. Los primeros se

llaman agitadores de flujo axial y los segundos agitadores de flujo radial.

Los tres tipos principales de agitadores son, de hélice, de paletas, y de turbina. Cada uno de

estos tipos comprende muchas variaciones y subtipos que no consideraremos aquí. En

algunos casos también son útiles agitadores especiales, pero con los tres tipos antes citados

se resuelven, quizás, el 95% de los problemas de agitación de líquidos.

- Agitadores de hélices: Un agitador de hélice, es un agitador de flujo axial, que opera con velocidad elevada y se emplea para líquidos pocos viscosos. Los agitadores de

hélice más pequeños, giran a toda la velocidad del motor, unas 1.150 ó 1.750 rpm;

los mayores giran de 400 a 800 rpm. Las corrientes de flujo, que parten del agitador,

se mueven a través del líquido en una dirección determinada hasta que son

desviadas por el fondo o las paredes del tanque. La columna de remolinos de líquido

de elevada turbulencia, que parte del agitador, arrastra en su movimiento al líquido

estancado, generando un efecto considerablemente mayor que el que se obtendría

mediante una columna equivalente creada por una boquilla estacionaria.

- Agitadores de paletas: Para problemas sencillos, un agitador eficaz está formado

por una paleta plana, que gira sobre un eje vertical. Son corrientes los agitadores

formados por dos y 3 paletas. Las paletas giran a velocidades bajas o moderadas en

el centro del tanque, impulsando al líquido radial y tangencialmente, sin que exista

movimiento vertical respecto del agitador, a menos que las paletas estén inclinadas.

Las corrientes de líquido que se originan se dirigen hacia la pared del tanque y

después siguen hacia arriba o hacia abajo. Las paletas también pueden adaptarse a la

forma del fondo del tanque, de tal manera que en su movimiento rascan la superficie

o pasan sobre ella con una holgura muy pequeña. Un agitador de este tipo se conoce

como agitador de ancla.

- Agitadores de turbina: La mayor parte de ellos se asemejan a agitadores de múltiples y cortas paletas, que giran con velocidades elevadas sobre un eje que va

montado centralmente dentro del tanque. Las paletas pueden ser rectas o curvas,

inclinadas o verticales. El rodete puede ser abierto, semicerrado o cerrado. El

diámetro del rodete es menor que en el caso de agitadores de paletas, siendo del

orden del 30 al 50% del diámetro del tanque. Los agitadores de turbina son eficaces

para un amplio intervalo de viscosidades; en líquidos poco viscosos, producen

corrientes intensas, que se extienden por todo el tanque y destruyen las masas de

líquido estancado. En las proximidades del rodete existe una zona de corrientes

rápidas, de alta turbulencia e intensos esfuerzos cortantes. Las corrientes principales

son radiales y tangenciales. Las componentes tangenciales dan lugar a vórtices y

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torbellinos, que se deben evitar por medio de placas deflectoras o un anillo difusor,

con el fin de que el rodete sea más eficaz.

3.3.2 Instrumentación y control del proceso

Caudalímetros:

Medición de caudal másico en líquidos y gases para regulación y control de la calidad del

producto. Medición de la densidad de la concentración y de la viscosidad. El caudalímetro

másico de coriolis funciona aplicando una fuerza de vibración a un tubo curvado a través

del que pasa el fluido. El efecto coriolis crea una fuerza en el tubo perpendicular a ambas

direcciones, la de vibración y la dirección de la corriente. Esta fuerza se mide para obtener

el caudal másico. Los caudalímetros de coriolis pueden usarse además con fluidos no

newtonianos donde los caudalímetros normales tienden a dar resultados erróneos.

Indicadores de presión:

Los instrumentos de presión son una combinación de indicador con interruptores ajustables

de alto y bajo límite. Estos interruptores pueden ser cableados directamente a circuitos

eléctricos para operar alarmas, paros o arranque/paro de motores de combustión interna y

motores eléctricos.

Para la mayoría de las versiones está disponible en cuerpo para montaje exterior o para

montaje en panel.

Variadores de frecuencia:

Llamado también variador de velocidad (VSD, por sus siglas en inglés Variable Speed

Drive) es en un sentido amplio un dispositivo o conjunto de dispositivos mecánicos,

hidráulicos, eléctricos o electrónicos empleados para controlar la velocidad giratoria de

maquinaria, especialmente de motores.

Sondas de temperatura:

Estos sensores termopar (PT100) son adecuadas para aplicaciones de propósito general

hasta una temperatura de 400 °C. La vaina de material sobre estos 316 sensores de

temperatura es de acero inoxidable y tienen una salida a tierra para una rápida respuesta a

los cambios de temperatura.

Sondas de nivel:

Existen diferentes tipos de sondas de nivel como lo son de horquillas vibrantes, por radar,

vía microondas, conductivos, hidrostáticos etc.

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Las sondas de nivel capacitivos son ideales para el control de nivel de sólidos, líquidos y

sustancias viscosas, detecta materiales conductores como no conductores, tanto para

montaje vertical como horizontal de fácil instalación.

PLC

Los procesos industriales requieren de coordinación, supervisión o control. Una

computadora fácilmente programable para tareas de control y concebida para ser utilizada

en un ambiente industrial, es lo que se conoce como PLC (Controlador Lógico

Programable).

Como toda computadora, el PLC posee una CPU, memoria, Rack principal, fuente de

alimentación, tarjetas de entradas/salidas digitales y analógicas, tarjetas especiales. La

CPU es la unidad central de proceso encargada de ejecutar el programa almacenado en la

memoria por el usuario.

Podemos considerar q la CPU toma una a una las instrucciones programadas por el usuario

y las va ejecutando. Cuando llega al final de la secuencia de instrucciones programadas, la

CPU vuelve al principio y sigue ejecutándolas de manera cíclica.

Sistema SCADA - MMI (PANEL TACTIL).

Un sistema MMI (del inglés Man Machine Interface) es el interfaz de unión entre el

operario y la máquina. Puede ser un panel de operador o una computadora (PC), pero en

ambos casos comunican y transmiten datos a y desde el PLC.

En el caso de un Panel de Operador, este se compone de una pantalla con más o menos

resolución de gráficos y teclas numéricas y de función o como en algunos casos pantalla

táctil. La pantalla puede ser en color o monocromo e indica el estado de los diferentes

valores del proceso, con gráficos complejos o figuras sencillas permitiendo a su vez

introducir valores para ajustar los parámetros de regulación del proceso o consignas del

mismo.

Se programan con un software propio, al igual que los PLCs, y diferente a estos aunque

sean del mismo fabricante.

3.3.3 Control de calidad del proceso

Durante todo el proceso de elaboración de las bebidas refrescantes y/o jugos, debe llevarse

diversos controles de calidad que permitan garantizar que el producto final cumpla con los

estándares exigidos por la normatividad de producción de bebidas.

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Por esto el control de producción de manera específica y minuciosa se hace indispensable,

puesto que permite tomar acciones correctivas en el momento indicado se fuere necesario.

Pruebas de Producto:

- Concentración o densidad de producto (Brix): En esta prueba se mide la densidad del azúcar en el jarabe. Su determinación debe ser precisa, para cumplir con las

especificaciones. Para esto, las mediciones se realizan tomando al azar, botellas

envasadas cada cierto tiempo, se hace uso de un densímetro y un termómetro.

Primero se elimina el gas de la muestra, agitando constantemente, y luego; el

líquido es vertido a una probeta, en la que se introduce el densímetro y el

termómetro; con estas mediciones y haciendo uso de tablas preestablecidas se

determina la densidad o Brix.

- Carbonatación: Consiste en determinar el contenido y concentración de gas

carbónico en la bebida, que debe estar con la correcta altura de llenado.

Para esta prueba se utiliza un manómetro y un termómetro, la botella se debe agitar

por 25 segundos aproximadamente, se perfora la tapa con un equipo especial y se

mide hasta que la presión llegue a 0 PS, se vuelve agitar y se toma la medición.

Después se introduce el termómetro por el orificio en la tapa y se toma la

temperatura. Finalmente los valores de presión y temperatura se determinan el

volumen de carbonatación de las bebidas.

Los controles de Brix y carbonatación, son muy importantes, por esto se debe

calibrar y comprobar el buen funcionamiento de los equipos utilizados en su

medición. Otros controles realizados al producto son: coronado o encapsulado

hermético, apariencia, sabor y olor.

Pruebas del agua:

- Sabor y Olor: No se debe tener ningún olor ni sabor, porque, origina en la bebida un sabor indeseable afectando la calidad del producto.

- Turbidez: Debe tener como máximo 5.0 P.P.M.; ya que origina sabor indeseable y decoloración en la bebida.

- Algas y protozoo, levadura y mohos: No debe tener ninguno, ya que origina sedimentos y deterioro en el producto.

- Alcalinidad: Máximo 50 P.P.M; porque neutraliza el ácido de la bebida.

- Dureza Total: Verifica el control del buen trabajo de los ablandadores.

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4. METODOLOGÍA

Para el desarrollo del proyecto propuesto se diseñara la planta por módulos de fabricación o

servicio separados y descritos así.

- Un módulo para la fabricación de jarabe de azúcar simple y compuesto, con este módulo el fabricante recibe sus materias primas y se disuelve, puede obtener su

producto ya mezclado con el azúcar llamado proceso de refresco Simple; además en

el mismo módulo la adición del sabor, la adición de conservantes y estabilizantes

etc. llamado proceso de refresco compuesto todo homogenizado y si es viable por el

producto listo para empaque.

- Un siguiente módulo de pasteurización de producto de refresco compuesto para

productos que lo requieren o para procesos de valor agregado y competitivo del

mercado. Donde se obtiene un producto pasteurizado de mayor vida en el mercado y

con menores riesgos microbiológicos.

- Un módulo necesario para el empaque de producto dependiendo de su tipología, donde su producto sin importar el módulo de los anteriores señalados que haya

terminado, pueda obtener un empaque con la garantía necesaria de inocuidad que el

mercado requiere.

- Un módulo de servicios industriales donde se incluirá todo el tema equipos necesarios secundarios para la producción y funcionamiento de cualquiera de los

cuatro módulos anteriores.

- Y Un módulo de purificación de agua que puede estar incluido en el anterior de servicios industriales donde el tipo de agua entregada satisfaga la calidad de

producto y mantenga altos estándares en el producto final.

Así de esta forma el módulo principal de investigación y de donde parte todo proceso de

fabricación en esta industria es el módulo de fabricación de Refresco simple y compuesto,

sin dejar a un lado la investigación que se tendrá que realizar a los módulos siguientes

como es purificación del agua, y pasteurización, módulos que son necesarios e inevitables

para tener una buena calidad de producto.

Se realizará una investigación inicialmente en la normatividad vigente con respecto a las

regulaciones existentes por el INVIMA e ICONTEC sobre la calidad del agua y la

producción de bebidas refrescantes y jugos. También en fábricas que actualmente realizan

procesos de varios productos entre esos Bebidas refrescantes azucaradas tanto carbonatado

como simple y de gran tamaño industrial como lo son QUALA S.A. Y POSTOBON S.A. lo

que servirá como base de aprendizaje para proyectar a un nivel de menor escala con

menores costos pero con igual calidad, el Objetivo Principal de este proyecto que es la

realización de equipos compactos.

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Las áreas de proceso con las que se trabajarán son producción, calidad, mantenimiento e

ingeniería donde las opiniones de cada persona que allí labora complementara para realizar

una adecuada organización de la información y así diseñar el módulo de manera objetiva

para que cumpla con requerimientos básicos exigidos en estas industrias, además de hacer

el proceso eficiente por basarnos en compañías donde la producción y eficiencia son su

objetivo.

No solo la labor de proceso de producción actual de estas plantas se estudiará para llevar al

diseño del módulo de un equipo, sino también la experiencia que tienen en marcas de

equipos, conocimiento de la tecnología e Ingeniería aplicada en el diseño por parte de los

departamentos de mantenimiento e ingeniería de las compañías como QUALA y

POSTOBON. Esto ayudara a la búsqueda y elección de un diseño, proveedores de equipos,

tecnología aplicada y componentes sueltos que se deben implementar en cada módulo o tal

vez concluya con la implementación de la necesidad de diseñarequipos y componentes que

no existen a escala menor. Esto en referencia, ya que varios elementos como lo son

Bombas, Intercambiadores, Tanques, válvulas, tuberías, bancadas, agitadores, llenadoras,

calderas, equipos de frio etc. Que van a ser necesarios por previo conocimiento en el

proceso de fabricación de Refrescos.

Como se mencionó anteriormente, el objetivo es implementar módulos sencillos pero

automáticos para la fabricación de refrescos, el módulo puede constar de equipos y

componentes ya fabricados por algunas compañías, si es así se tendrá que buscar los datos

necesarios para una propuesta del proveedor, si no se encuentran en el mercado se realizará

el diseño.

Cuando se hayan seleccionado los componentes y equipos necesarios para armar un

módulo, se realizará un Layout e isométrico de cada módulo con la premisa de hacerlo lo

más compacto y móvil posible, trabajando de mano con programas de dibujo.

Además de la adecuación mecánica y distribución de espacio de cada módulo, se debe tener

en cuenta el proceso de automatización individual y grupal en la planta diseñada, con

facilidad de integración a módulos que pueden llegar a necesitar más adelante. El grado de

automatización se deberá exponer en conjunto pero siempre teniendo en cuenta que es un

proyecto enfocado a pequeñas y algo de medianas industrias donde los costos del mismo es

importante para tomar una decisión, pero buscando equilibrar con la eficiencia del proceso

y resaltando las ventajas que tiene un proceso automatizado. Se buscara el grado de

automatización más acorde para un módulo estándar buscando proveedores que colaboren

en el proceso del diseño autómata pero desarrollando la lógica de programación por cuenta

del proyecto planteado.

Por último cuando se tengan los puntos diseño producción, diseño mecánico, diseño de

automatización, se evaluara el costo total de fabricación de cada módulo desarrollado sin

contar la puesta en marcha en la industria ya que varía por muchos factores, pero que sirve

para ofrecer los módulos en dos fabricantes clientes puntuales actuales de Refresco y

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también en una compañía interesada en la comercialización de los módulos con la

infraestructura económica para fabricar uno y poderlo mostrar.

Como adicional por interés en mostrar a los posibles desarrolladores y fabricante del

proyecto se desarrollará una ficha técnica completa comercial, un manual de usuariodonde

contiene el proceso de funcionamiento, los componentes de fabricación, los materiales,

medidas estándar y un dibujo en 3D donde se muestra las ventajas de módulos de

fabricación, además de un manual de mantenimiento.

El proyecto actual se limitará al diseño de los módulos de fabricación de refresco simple y

compuesto, al módulo de pasteurización y al módulo de servicios industriales.

Figura 1. Esquema de los módulos de la planta de producción de jugos

Fuente: Autor

INGRESO DE MATERIAS

PRIMA

(LIQUIDAS Y SOLIDAS)

MÓDULO No 4.

SERVICOS INDUSTRIALES

AIRE, VAPOR, ELECTRICIDAD, AGUA,

Y AGUA TRATADA SUAVIZADA

MÓDULO No 3

LLENADO DE

PRODUCTO

MÓDULO No 2

PASTEURIZACION DE

PRODUCTO

MÓDULO No 1

FABRICACION DE

REFRESCO

SIMPLE Y COMPUESTO

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5. ANÁLISIS DEL PROCESO DE PRODUCCIÓN EN LOS REFRESCOS Y

JUGOS

La industria del sector de bebidas no alcohólicas y más específicamente en el sector de los

jugos y refrescos es de un tamaño considerable en nuestro país, sin embargo la Normativa

colombiana ICONTEC define y clasifica el sector de bebidas no alcohólicas en diferentes

Normas como lo son la NTC5514, NTC5468 y NTC 3549 y que se resume en la Tabla 1.

Tabla 1. Definición y clasificación técnica de jugos, refrescos y aguas saborizadas.

Fuente: ICONTEC NTC 947-1

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El diseño propuesto en este proyecto puede llegar a Mezclar, pasteurizar y envasar los

siguientes productos:

- Aguas saborizadas

- Refrescos saborizados

- Néctarrefresco

- Refrescos de fruta

- Refrescos de concentrado de fruta

Con esto se busca una planta versátil y con varias opciones de producto en la fabricación,

realizando un solo diseño mecánico. Además se cubre la necesidad actual del cliente

potencial llamado Nueva Deli, el cual actualmente fabrica néctar refresco y para el 2015

adicionará a su portafolio de productos refrescos saborizados.

Teniendo en cuenta lo anterior, se ha propuesto como objetivo el análisis del proceso en dos

compañías pioneras del sector, Quala y Postobón, que a pesar de las capacidades en

litros/hora que las dos producen al día superan en gran proporción el enfoque de este

proyecto, es una base de referencia, excelente para aplicar en los equipos a diseñar, ya que

el proceso de producción se puede llevar a un escalado que trae beneficios para nuestro

cliente potencial, además que podemos mezclar información y obtener un solo diseño que

procese diferentes productos.

Un primer beneficio es que estas compañías tienen como prioridad hacer lo necesario en

sus procesos de maquinaria y producción para tener un producto de calidad con una planta

eficiente y ser competitivos con un producto acorde a la necesidad del mercado.

Segundo, tienen proveedores en todos los segmentos con vanguardia de tecnología que

ayudan a incorporar tecnología y rendimiento en el objetivo de conseguir eficiencia y

rentabilidad en el producto.

Tercero estas compañías ya tienen la suficiente experiencia en la producción de sus

productos que evitan cometer errores ya que tienen el dinero suficiente para invertir en

departamentos de investigación y desarrollo de producto.

Y como último no solo fabrican un producto, ellos tienen un portafolio de hasta seis

productos catalogados en la Tabla 1. Lo que nos lleva a ver a nivel macro la fabricación a

gran escala.

Así que el análisis y comprensión del proceso de fabricación de los refrescos azucarados se

toma de estas compañías.

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5.1 PROCESO DE PRODUCCIÓN ACTUAL QUALA

La información que se toma es de opinión personal en base a las visitas y reuniones no

oficiales que los autores de este proyecto sostuvieron y no expresa comunicación oficial de

la compañía visitada.

Básicamente el proceso de producción de Quala S.A. se basa en dos productos insignia, el

primer producto es la línea de BON ICE, un producto de reconocido nombre comercial que

se puede ubicar como refresco saborizado no gasificado y en segundo lugar la línea de Vive

100, un producto nuevo en el mercado con una excelente acogida y que se denomina como

refresco saborizado gasificado.

Son dos plantas, una para cada producto y se ubican en la ciudad de Bogotá en el barrio

Venecia. Cada planta es totalmente independiente y aunque el proceso de producción en la

mezcla y fabricación es muy similar ya que solo al final de la producción se llegan a

diferenciar en el proceso con los tiempos de producción y manejo de empaque.

La planta de Bon Ice y Vive 100 tienen una capacidad de 20.000 y 18.000 litros/día de

producción respectivamente, esto es 72.000 botellas de 250cm3 que es la presentación

estándar de Vive 100, en las dos plantas todo empieza con un área donde se recibe agua de

acueducto de Bogotá con las mismas descripciones físico-químicas que las reciben el resto

de habitantes de la ciudad.

Esta área tiene el nombre de PTAI (planta de tratamiento de agua inicial), donde a través de

los siguientes elementos se busca la estandarización de la calidad del agua.

5.1.1 Proceso de estandarización y suavización del agua de red

El agua Llega a un tanque de almacenamiento en fibra donde se almacena una capacidad de

500.000 litros de agua (agua para toda la compañía y otros productos), en este tanque se

adiciona CAL y Alumbre con el objetivo de realizar sedimentación y floculación de sólidos

suspendidos. El tanque tiene un diseño especial que permite tomar el agua y dejar los

residuos dentro del para cuando se realice extracción de sólidos no se mezclen con el agua

limpia.

A través de varias bombas en acero inoxidable centrífugas, entre estas la bomba encargada

de enviar a la planta de Bon Ice y Vive 100 y características técnicas señaladas en la Tabla

2. Se envía el agua a la planta de tratamiento donde antes de llegar se realiza medición de

cloro con un instrumento electrónico que envía automáticamente la señal si se debe

adicionar o no más cloro, de igual forma en línea se mide el PH y se baja la alcalinidad para

la neutralización de los componentes que más adelante se van aplicar a la bebida. Este

proceso de adición de cloro se realiza con bombas peristálticas que bombean un caudal muy

bajo dependiendo de la proporción a aplicar, pero por vuelta adiciona un valor de 0.15

litros, esto equivale a unos 30 ml/min (1 Vuelta).

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Tabla 2. Características de la bomba de la planta PTAI

BOMBA DE PLANTA PTAI

Caudal 5000 l/h

Presión en descarga 7 bar

Potencia instalada 4 Kw

Fuente: Autor

Llega el agua al primer filtro que es el de arena, donde se retienen sólidos que han logrado

pasar a esta etapa se retienen contaminantes orgánicos; luego pasa por el filtro de

purificación que contiene carbón activado donde se elimina colores y sabores

desagradables, cloro en exceso y otras materias residuales por absorción.

A partir de este momento la tubería, conexiones y elementos involucrados en el transporte

de agua son inoxidables y normativa sanitaria ya que el agua es muy delicada y puede

comenzar a generar impurezas si no se hace una instalación adecuada.

El agua pasa a los microfiltros instalados en un tren y con capacidad de 5 micras, 3 micras

y 1 micra fabricadas en fibra de polipropileno instalados de mayor a menor capacidad

donde se rectifican las anteriores filtraciones y ayuda a retirar partículas microscópicas y

microorganismos como amebas. Luego existe un proceso de aireación donde se rectifica el

aire ocluido en el agua y ya en este punto el agua está lista para ser utilidad en el proceso.

Antes de que el agua sea almacenada en la tubería se encuentra instalado un equipo

medidor de conductividad y PH que se encarga de verificar que el proceso de suavizar el

agua fue completado, si el agua está dentro de norma pasa al tanque de almacenamiento, de

no estar en parámetros el agua es recirculada a un tanque pulmón que se encuentra al inicio

del proceso.

Se almacena el agua que en este punto se llama agua suavizada en un tanque vertical de

proceso llamado Agua Rinse con las características técnicas señaladas en laTabla

3.Totalmente en acero inoxidable sanitario y con acabados especiales que no permite que el

agua almacenada se contamine por puntos muertos. En este momento el agua está lista para

que sea utilizada en producción.

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Tabla 3. Características tanque de almacenamiento de agua Rinse

CARACTERÍSTICAS TANQUE DE ALMACENAMIENTO

DE AGUA RINSE

Capacidad 5000 litros útiles

Material AISI 304L

Espesor de pared 3MM.

Diseño

Cilindro Vertical

Fondo y techo abombado

Montado sobre 4 patas con celdas de carga

Ingreso del agua por la parte superior

Salida de agua parte inferior

Fuente: Autor

Todas las anteriores líneas están en un proceso riguroso de control ya que la vulnerabilidad

del agua suavizada es muy alta y su riesgo de contaminación es latente, así que el

departamento de control de calidad toma muestras del agua en cinco puntos diferentes cada

hora e ingresa a un estudio que determina si el producto fabricado con el agua donde se

tomó la muestra está dentro de los estándares de calidad de la compañía, estos estándares se

pueden visualizar en laTabla 4.

El proceso es en línea y nunca se detiene, si el agua muestreada no se encuentra dentro de

los parámetros descritos, el producto es retenido hasta una nueva inspección pero más

minuciosa. Esto describe el seguimiento punto a punto que tienen el proceso y sus materias

primas.

Luego que el agua se encuentra almacenada esta debe ser utilizada lo más pronto posible, y

según la normativa de la compañía en no más de 12 horas debe convertirse en producto o se

rechaza a la planta de tratamientos de agua residual ya que es factible que al estar sin

movimiento pueda comenzar a florecer la población de bacterias.

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Tabla 4. Estándares de calidad del agua

Fuente: Quala S.A. (copia de documento interno) – Gestión de calidad.

Empieza el proceso como tal de producción, como se mencionó antes el proceso de Bon Ice

(jugo) y proceso de Vive 100 (refresco) es similar con otras materias primas pero en

maquinaria, instrumentación y diagrama de proceso muy similar.

1 El agua suavizada es enviada a un tanque de almacenamiento llamado Jarabe

Simple, se conoce como Jarabe al producto donde se mezcla agua y azúcar, este

último en proporciones altas o más de 50° Brix, el nombre que lo acompaña de

simple es porque tan solo estos dos se mezclan allí. Se envía el agua a través de una

bomba centrífuga sanitaria con características técnicas señaladas en la siguiente

tabla.

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Tabla 5. Características bomba tanque de agua rinse

BOMBA DE TANQUE AGUA RINSE

Caudal: 15.000 l/h

Presión en descarga: 4.5 Bar

Potencia instalada: 4 Kw a 3600rpm

Fuente: Autor

Tabla 6. Características tanque jarabe simple

CARACTERISTICAS TANQUE JARABE SIMPLE

Capacidad 6000 litros útiles

Material AISI 304L

Espesor de pared 3mm, Capacidad de Vacío hasta 25 in de

Hg

Diseño

Cilindro Vertical

Fondo y techo abombado

Montado sobre 4 patas con celdas de carga

Ingreso del agua por la parte superior

Salida de agua parte inferior

Recirculación parte superior entrada tipo

buzo

Fuente: Autor

Antes de llegar al tanque de jarabe simple sobre la tubería y en línea se encuentra en

primer lugar una lámpara de rayos UV que a través de cuarzos se encarga de matar

por radiación de luz electromagnética bacterias que aun puedan haber resistido el

anterior proceso de pureza, o que se hayan podido procrear en el tanque de

almacenamiento de agua Rinse.

2 Luego de pasar por la lámpara UV existe un par de filtros de 0.5 micras que se

encargan de recoger las bacterias o impurezas, estos filtros están montados en

paralelo para que el proceso nunca se detenga en el caso que se tenga que limpiar

una membrana. A la descarga de la bomba se encuentra un medidor de presión

sanitario que mantienen la bomba en la presión adecuada, ya que cuando los filtros

se comienzan a tapar el caudal de la bomba se puede reducir pero con un variador de

frecuencia y de manera automática se mantiene el caudal sin alterar los tiempos de

producción.

3 El agua ingresa al tanque de Jarabe Simple con las características técnicas señaladas

en la Tabla 6, donde se adicionan controladamente 2700 litros de agua de manera

directa, luego de que este volumen se encuentra allí se acciona el agitador.

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4 A través de un equipo mezclador de solido liquido (Blender) que no es más que una

bomba centrífuga, un sistema de venturi en la succión de la bomba y una tolva en la

succión arriba del venturi con el sólido, en un tiempo de 45 minutos se añade el

azúcar al agua. Se adicionan en total 3200 kg de azúcar, lo que significa una

concentración de 62°brix. El sistema de agitación con las características técnicas

señaladas en la Tabla 7, siempre permanece prendido durante los 45 minutos de

adición del azúcar y adicional se mantiene por 15 minutos más el agitador

encendido.

Este proceso es el de recirculación en el tanque de jarabe simple, y la succión la

realiza la bomba del Blender por la parte inferior del tanque y la descarga

nuevamente al tanque de jarabe simple la realiza por la parte superior pero no

directamente al producto si no golpeando a la pared con un accesorio de montaje

que se conoce como “boca de buzo”.

5 Las características técnicas del Mezclador de solido liquido (Blender) son:

Tabla 7. Características agitador tanque jarabe simple

AGITADOR TANQUE JARABE SIMPLE

Tipo Agitador mecánico vertical

Características

técnicas 3 kw a 100 rpm 220v

Tipo de pala Hélice marina 400mm diámetro

Medidas Diámetro de eje 2” – longitud 2000

mm

Fuente: Autor

Tabla 8. Características sistema mezclador solido liquido

CARACTERÍSTICAS SISTEMA MEZCLADOR SOLIDO LIQUIDO

Caudal: 56.000 l/h

Presión en la descarga: 2.5 Bar

Potencia instalada: 18.5 Kw

Diseño

Tolva de solido de 120kg

Sistema de vibración en la tolva para

que el sólido resbale por la tolva

sistema Venturi de 4” en Yee

Fuente: Autor

Como datos interesantes hasta este punto en el proceso de adición de azúcar al agua, se

puede tomar nota que nunca se puede recircular por más de 60 minutos el agua/azúcar o

jarabe como se conoce, ya que el azúcar al existir mayor concentración de esta en el agua

comienza a tornarse de un color amarillo por el recalentamiento que surge al tener que

pasar varias veces por la bomba. Este color no sirve en el proceso de producción y siempre

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se evita. Por tal razón la adición de azúcar al agua se debe realizar siempre por debajo de

este tiempo.

Otro punto a tener en cuenta es la espuma que se puede generar en el tanque esto significa

turbulencia por el alto caudal, la espuma se trata de evitar al máximo, por tal razón el

agitador va a bajas revoluciones y la descarga del sistema Blender se hace de la manera más

suave posible evitando que choque el producto bombeado contra el producto en el tanque.

El sistema de agitación realiza como tal un mantenimiento del producto evitando que el

sólido adicionado al agua se decante al fondo del tanque, este permanece encendido

siempre que exista producto ya sea agua o jarabe. Aproximadamente con el caudal del

Blender la capacidad del tanque es recirculada 9 veces, lo que hace que la bomba en

recirculación funcione como un mezclador potente tipo licuadora o Mixer.

En esta línea de Quala el proceso se realiza a temperatura ambiente, aunque por lo que

indica el departamento de producción se podría hacer en caliente teniendo mejores

resultados y menor tiempo, por ahora esta fórmula no requiere calentando el proceso.

Continuando con el proceso, el Tanque de Jarabe simple está cargado de mezcla

azúcar/agua a 62° Brix, este tanque funciona como un tanque pulmón de la materia prima

principal para realizar el producto final, y se distribuye desde este tanque hacia tres tanques

idénticos llamados Tanques de Jarabe Compuesto con las características técnicas señaladas

en la siguiente tabla.

Tabla 9. Características del tanque de jarabe compuesto

CARACTERÍSTICAS TANQUE JARABE COMPUESTO

Capacidad 2000 litros útiles

Material AISI 304L

Espesor de pared 3mm, presión atmosférica

Diseño

Cilindro Vertical

Fondo y techo abombado

Montado sobre 4 patas con celdas de carga

Ingreso del agua o producto por la parte superior

Salida de agua o productopor la parte inferior

Recirculación parte superior entrada tipo buzo

Fuente: Autor

6 A través de una bomba centrífuga sanitaria con las características técnicas señaladas

en laTabla 5, y por tubería, se envía el producto a un llamado “tablero de teléfonos”

que no es más si no una matriz de tuberías donde llega una y salen tres (hacia los

tres tanques de jarabe compuesto) uno por uno.

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7 Al tanque de jarabe compuesto llegan 1000 litros de jarabe simple a 62° Brix, en

este momento se enciende un agitador con las características técnicas señaladas en

laTabla 8, y se adicionan 800 litros de agua que vienen desde el tanque de Agua

Rinse, esto se mantiene agitando por 20 minutos y se le adicionan 200 litros de

compuesto que vienen desde una marmita contigua al tanque de jarabe compuesto.

Tabla 10. Características agitador tanque jarabe compuesto

AGITADOR TANQUE JARABE COMPUESTO

Tipo Agitador mecánico vertical

Características técnicas 1.1 kw a 120 rpm 220v

Tipo de pala Hélice marina

Medidas Diámetro de eje 1.5” – longitud

1500 mm

Fuente: Autor

8 La marmita de Compuesto con las características técnicas señaladas en la Tabla 11.

es un tanque homogenizador de materias primas en menores cantidades pero que

son el centro de la receta de los componentes. Aquí en esta marmita se diferencian

los dos procesos de Bon Ice y Vive 100 ya que las materias primas son diferentes.

Para el proceso de Vive 100, se adicionan 185 litros de agua, que se mantienen

agitando fuertemente con un equipo de agitación más rápido con las características

técnicas señaladas en la Tabla 10y por consiguiente turbulento que el de los tanques

de jarabe simple y compuesto, se adicionan gomas (espesantes), sabores artificiales

naturales y/o artificiales, colorantes, estabilizantes y en si todas las materias primas

que son de difícil mezclado con el agua porque se hidratan demasiado rápido y

pueden formar grumos.

Tabla 11. Características de la marmita de compuesto

CARACTERÍSTICAS MARMITA COMPUESTO

Capacidad 300 litros útiles

Material AISI 304L

Espesor de pared 3mm, con doble pared para

calentamiento

Diseño

Media esfera

Fondo abombado

Montado sobre 3 patas sin

celdas de carga

Ingreso del agua por la parte

superior

Salida de agua parte inferior

Chaqueta para calentamiento

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hasta 80°C

Fuente: Autor

9 Este producto se mantiene agitando por 25 minutos de manera constante y muy

turbulenta con un agitador de las características técnicas señaladas en la Tabla 10.

Luego todo el volumen es enviado por una bomba centrífuga de las características

técnicas señaladas en la Tabla 5. directo al tanque de jarabe compuesto donde ya

terminaría el proceso de fabricación.

10 En el tanque de jarabe compuesto se agita el jarabe simple (1200 litros) más el

compuesto (200 litros) más el agua (800 litros). En total son 2000 litros de producto

que se tienen y que por 25 minutos adicionales se mezcla.

Como notas importantes aunque la capacidad de la planta en tanques de jarabe

compuesto es de 6000 litros, se divide la producción en tres tanques cada uno de

2000 litros, esto se debe por tres razones primordiales:

La primera es para evitar errores en la producción manejando volúmenes más bajos,

con esto se consigue un producto estándar.

La segunda razón se debe a que se puede alimentar una llenadora de producto en un

tiempo prudencial y se puede evitar contaminación por mantener bastante tiempo

almacenado el producto final, así se lava con más frecuencia las líneas o tanques

involucrados.

Y la tercera razón si el proceso se llegase a detener por error humano o falla

mecánica/eléctrica y se debe rechazar el producto, el desperdicio y pérdidas de

producción son menores.

Sin embargo la planta de Bon Ice tiene ocho tanques de jarabe compuesto con ocho

unidades de marmitas de compuesto ya que se tienen 6 referencias de producto

diferentes donde la materia prima que cambia es el sabor y colorante, dependiendo

la referencia que se vaya a producir. Aquí la prioridad es mantener variedad de

productos para llenado y cada tanque de jarabe compuesto tiene una llenadora de

sachet o bolsa.

11 Cuando el Jarabe compuesto está listo en cada tanque, en el proceso de Vive 100 se

bombea de manera directa a un equipo mezclador de gas/jarabe que toma una cuarta

parte de jarabe compuesto, por dos cuartas partes de agua rinse y una cuarta parte de

gas carbónico que por medio de tanques pulmón se hace la mezcla sin ningún medio

mecánico si no solo por la turbulencia del caudal de las bombas de cada producto,

esta mezcla hace que la concentración de azúcar baje hasta los 16°brix.

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12 El producto ya terminado alcanza los 4°C por la adición del gas carbónico y se

envía a la máquina llenadora siendo el producto inyectado por boquillas a las

botellas a razón de 12.000 Botellas horas de 250 ml cada una. Las botellas antes de

llegar al llenado son esterilizadas con agua caliente boca abajo para que una posible

contaminación en el transporte pueda ser abolida.

13 El proceso de Bon Ice es diferente, el producto no tiene gas carbónico y su empaque

es una bolsa plástica grado alimenticio que desde que salió de la fabricación de

plásticos no se ha podido lavar o esterilizar, así que se corre el riesgo que pueda

existir una contaminación. Por esta razón el producto se calienta hasta 75°C en línea

por medio de un intercambiador a placas y se llenan las bolsas a esta temperatura,

permitiendo que el empaque en su interior quede esterilizado y cualquier riesgo de

contaminación que pueda atacar el producto por su alta temperatura queda

neutralizado.

Aquí básicamente termina el proceso de producción de los dos productos.

5.1.2 Parámetros controlados en el proceso de producción

Son varias variables con las que se debe tener precaución para el proceso de fabricación en

la línea de vive 100, en primer lugar el control en la calidad del producto depende en un

porcentaje alto de la calidad del agua de rinse que prácticamente es el alma del producto

final, una contaminación es perjudicial y es determinante para el producto conforme. Para

verificar la calidad del producto se realiza la toma de muestras de agua que ya se describió

anteriormente, se toma una muestra en cada tanque del producto o del proceso, estas

muestras se llevan al laboratorio para confirmar si el proceso hasta el momento en

proporciones y calidad cumplen con los requerimientos, de igual forma se toman las

muestras después del mezclador agua/gas carbónico para confirmar que las proporciones de

agua, jarabe compuesto y gas carbónico están dentro del estándar.

Por otro lado se toman muestras a la materia prima seca antes de ser utilizada en el proceso,

como azúcar, gomas, conservantes, colores y sabores además de acidulantes son

controlados por calidad verificando que se encuentren dentro de parámetros.

En el control de fluido se mantienen en cada tanque celdas de carga instaladas que permiten

visualizar y controlar la adición de producto.

El control de temperatura solo se mantiene en la salida del mezclador agua/gas carbónico

verificando los 4°C ya que el resto del proceso se realiza a temperatura ambiente.

A la salida del mezclador existe un equipo medidor de caudal que es el encargado de

dosificar a la llenadora el caudal requerido, aunque este equipo pertenece a la llenadora,

controla el caudal enviado también de las bombas que se encuentran en el tanque de jarabe

compuesto.

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El área total de solo fabricación sin contar bodegas de materias primas, producto terminado,

laboratorios y oficinas es de 2500 m2 ocupando en más del 60% por la llenadora de

botellas, debido a que esta es demasiado larga y extensa por el tema de acomodación de

botellas, llenado, sellado y marcado.

El costo de la planta de Vive 100 de Quala está alrededor de los 8.500 millones de pesos

incluyendo la infraestructura civil, los equipos y montaje; los servicios industriales (aire,

vapor, aguas de servicios, electricidad) están alrededor de los 4.900 millones de pesos.

Figura 2. Foto de equipo para producir agua suavizada

Fuente: Quala S.A. – línea de purificación de agua

Figura 3. Foto de sistema Blender

Fuente: Quala S.A. – Linea de mezcla de solidos.

5.2 PROCESO DE PRODUCCIÓN DE JUGOS POSTOBON SA.

En esta compañía la información es mucho más reservada y encriptada, no se proporcionó

datos de proceso de producción pero con las tres visitas realizadas, sin oportunidad de

tomar fotos y con solo lo visto se pudo determinar lo siguiente.

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La planta fabrica Jugos HIT, aunque el nombre de jugo no se debería usar en el producto ya

que no concuerda con la descripción según la norma mencionada en laTabla 1 de lo que

corresponde un Jugo. Este producto es un refresco de fruta y se diferencia de los productos

de Quala porque tiene en su materia prima pulpa de fruta, debido a esto existe un área para

la manipulación de la materia prima, que llega en bidones o canecas de 250 litros lo que la

caracteriza por ser demasiado espesa y viscosa.

Esta pulpa se descarga en un tanque de acero inoxidable con capacidad de 6000 litros, por

medio de bombas de desplazamiento positivo, aquí ya hay un agua purificada con todo el

proceso que se realizó en Quala pero esta tiene más pasos y hace el proceso aún más rígido.

El proceso consiste en tomar el agua ya tratada como lo tiene Quala y esta la pasan con

bombas centrífugas de alta presión por membranas que realizan la filtración de osmosis

inversa, que consiste a una solución concentrada en sales y otros contaminantes se hace

pasar una porción de agua suavizada a través de una membrana semipermeable

produciendo por un lado agua pura y por otro agua concentrada en sales y otros

contaminantes los cuales son arrastrados por la porción de flujo que no es filtrado. Por lo

tanto una porción del agua entrante se convierte en agua pura y otra se convierte en

desperdicio. Esto se conoce como porcentaje de recuperación. Este proceso es muy costoso

pero la calidad del agua es muy alta ya que el proceso de filtración mejora mucho

reteniendo hasta 0.0001 micra y sin tener que adicionar químicos.

El volumen de agua que se encuentra en el tanque es aproximadamente 4500 litros, a este

se le adiciona el azúcar por medio de un equipo de vacío llamado Vactor que toma de un

área de almacenamiento a granel el azúcar y la lleva por tuberías hasta el tanque. Se

adicionan unos 1200 kg de azúcar, luego se adiciona 500 kg de pulpa de fruta es decir dos

bidones.

En un tanque contiguo similar al llamado en Quala marmita compuesto se adicionan unas

gomas que funcionan como espesantes, se adicionan colorantes, sabores artificiales,

estabilizantes y un polvo en baja proporción que no se determinó que era pero seguro hace

la función de conservante. Esta mezcla que su solvente es agua purificada se adiciona luego

al tanque por bombas centrífugas, Los espesantes sirven para darle forma a la bebida sin

necesidad de adicionar más pulpa que es lo más costoso.

Luego de que la mezcla esta lista en el tanque de producción se realiza un proceso

totalmente diferente que en Quala, este producto es enviado por bomba hasta un sistema de

pasteurización estándar que eleva la temperatura del producto hasta 92°C instantáneamente

a través de intercambiadores de placas y luego en esa temperatura realiza una retención del

producto de treinta segundos antes de bajarlo por choque térmico hasta 4°C, con este

choque térmico se garantiza un pasteurizado del producto, esto se realiza para bebidas en

botella.

Sin embargo el mismo producto se puede enviar por medio de otra bomba hasta un

pasteurizador o esterilizador UHT que también eleva la temperatura pero hasta 123°C bajo

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presión y hace una retención de tres segundos, luego por medio de choque térmico baja la

temperatura hasta los 50°C. Este producto es el de cajas.

Las diferencias de los dos sistemas de pasteurización además de la robustez, control,

automatización y diseño del equipo UHT contra la de pasteurización estándar es que la vida

útil del producto en el mercado se alarga de manera considerable obteniendo con el equipo

de pasteurización estándar solo 30 días de producto apto para consumo, mientras que el

otro llega a ser hasta de ocho meses sin importar la temperatura a la que se mantenga el

producto, un proceso similar al que pasa con la leche.

Esta pasteurización es necesaria cuando se manejan pulpas de fruta natural, aunque en este

caso la pulpa no supera el 10% del volumen se convierte en una materia prima delicada.

Algo a tener en cuenta aquí y aunque esto pasa ya a un área de investigación de ingeniería

de alimentos, es que el polvo que no se proporcionó información de su nombre, se adiciona

en mayor cantidad cuando la pulpa de fruta es cítrica debido a la acidez alta que tiene la

fruta.

El proceso de envasado se realiza en línea sin detener el proceso de pasteurización sea cual

sea el proceso, es decir a medida que se va pasteurizando se va empacando el producto sea

en botella o en cartón, esto lo realizan ya que según explica la persona del departamento de

calidad, el detener el proceso de envase, o que el caudal de producto en empaque sea más

bajo que en pasteurización, obliga a tener que almacenar producto pasteurizado, y si este no

se mantiene bajo unos controles de aislamiento total de la atmosfera y que solo lo puede

garantizar un 100% la inocuidad del empaque, puede llegar a tener el riesgo que el producto

ya pasteurizado se pueda volver a contaminar teniendo un riesgo microbiológico grande.

Donde se tenga un problema con el área de llenado y si este inconveniente no supera los

360 segundos, una válvula a la salida del pasteurizador se encarga que el producto se

devuelva al tanque de balance pequeño que tiene el pasteurizador en la entrada y recircule

por los intercambiadores de calor a placas, es decir que el producto se retiene

pasteurizándolo varias veces. Pero si el tiempo aumenta de los 360 segundos ya no se

recircula al tanque de balance si no se envía directo al tanque de 6000 litros para

almacenarlo y mantenerlo allí hasta que la falla del equipo de empaque o del pasteurizador

sea reparada.

Luego del envasado y empaque el producto es etiquetado y enviado para almacenamiento y

distribución.

Para tener en cuenta en la visita a esta planta y en desarrollo para este proyecto, el proceso

de pasteurización visto en Postobón es el alma en la vida útil del producto, de aquí depende

un producto de mejor calidad bacteriológica, sin embargo la calidad del agua con la que

trabajan estos producto es superior garantizando desde el momento de empezar a fabricar

que la seguridad bacteriana está controlada, cosa que en Quala se ve pero no es tan alto el

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riesgo primero por no utilizar materias primas naturales como la pulpa, y además por

utilizar altas cantidades de azúcar lo que reduce el riesgo de crecimiento bacteriológico.

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6. PARÁMETROS DE PRODUCCIÓN PARA EL PROCESO DE LA PLANTA

A PROPONER

Establecer los parámetros de producción nos lleva a dar límite a la planta de propuesta ya

que el tipo de producto, tiempo y proceso a tratar, van a generar las necesidades de diseño

mecánico y eléctrico. Para esto el diseñar una planta y su maquinaria de fabricación sin

tener las necesidades del cliente y sus objetivos claros llevaría a la especulación y no sería

un diseño acorde a la industria.

Por tal razón se ha buscado en primer lugar la necesidad de algún cliente que se interese en

implantar o adecuar una planta de producción de refrescos y aunque sabemos que es

latente, se necesitaba proveer la información necesaria de un departamento de producción,

de una gerencia y de un usuario lo que llevaba a buscar a un cliente potencial dispuestos a

proveer la información necesaria para el desarrollo del diseño de la maquinaria.

El cliente potencial y bastante interesado en la adquisición del diseño y los equipos es

Nueva Deli Ltda. Es una empresa ubicada en la ciudad de Acacias-Meta y en

funcionamiento desde el año 2010. Actualmente fabrican Nectar refresco de sabor a piña ya

que la zona es productora de la piña tipo Golden ideal por sus características físico-

químicas para la extracción de la pulpa. Sin embargo el cliente deja claro que también

desea procesar Néctar de mango y néctar de durazno, este último no es producido en la

zona debe ser importando el concentrado de fruta.

Esta empresa plantea el diseño una nueva infraestructura de maquinaria para su planta de

producción, ya que la actual es demasiado pequeña y artesanal para su demanda y visión de

crecimiento.

Se establece con el cliente el diseño de mecánico y eléctrico de las siguientes áreas.

- Sistema para Mezcla y Homogenización de componentes

- Pasteurizador en línea o flash para su producto

- Bombeo de producto entre líneas

- Cálculo de servicios industriales como vapor, agua, aire y electricidad.

6.1 HISTÓRICO DE PRODUCCIÓN Y PROYECCIÓN DE NUEVA DELI

Nueva Deli Ltda tiene la proyección de crecimiento en ventas a partir del 2015 y para los

próximos 5 años en la implementación de mejoras en su planta consistentes en

infraestructura locativa, de equipos de producción y comercialización del mismo producto

que se fabrica actualmente, Néctar de Piña, sin embargo se deja previsto en este proyecto la

adecuación de la maquinaria para el manejo de la producción de otros producto con

similares características que podrán llegar a ser un crecimiento exponencial de la empresa

en su participación de mercado.

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Basados en el histórico y la proyección de ventas del néctar de piña y que se presenta a

continuación, se propone al cliente los parámetros de proceso de la nueva planta.

Los cuadros históricos entregados por el departamento de producción de Nueva Deli

reflejan que la empresa incremento su producción en los últimos 4 años un 62.7%, pasando

de 123.000 litros en el 2011 a 200.000 litros en el 2014 con la premisa que el mercado solo

ha aumentado su demanda un 13.1%, lo que nos demuestra que la empresa con un solo

producto el néctar de piña tiene una demanda importante que la hace proyectarse muy bien

con la nueva apertura de más productos.

6.2 PARÁMETROS DE USUARIO

Sin embargo Nueva Deli informa que los parámetros de producción que se deben tener en

cuenta para la nueva planta se basen en:

- Equipos de producción para néctar de piña con opción de trabajo con néctar de

mango y durazno.

- Néctar de piña que es el producto actual se debe trabajar un máximo de cuatro (4)

días a la semana.

- Solo se trabajara un turno de trabajo de ocho (8) horas pero la producción es de 5

horas, el tiempo restante será de preparación de sitios, lavado de áreas, reparto de

producto, labores de mantenimiento recepción de materias primas.

- Los días restantes se pretende por parte de Nueva Deli luego del estudio de mercado

pertinente, la producción de néctares de mango y durazno en el mismo turno de

trabajo de cinco (5) horas de producción y ocho (8) horas de trabajo total.

- La inversión del dinero prevista por la compañía puede variar dependiendo de la

junta de inversionistas, los imprevistos que se generen, las reformas locativas a que

haya lugar y la logística de distribución del producto que se deba adecuar, sin

embargo dan el valor de los $ 200.000.000 COP como inversión del área de

máquinas de producción y servicios.

- Las dimensiones de los equipos y elementos pertinentes a este proyecto como

volúmenes, potencias, caudales, se deben calcular dependiendo de los tiempos,

dimensionamientos y costos que cumplan con el requerimiento del usuario.

- Los equipos propuestos deben cumplir con las normativas sanitarias para

producción de alimentos.

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6.3 PROCESO DE PRODUCCIÓN ACTUAL

Actualmente la planta está fabricando 500 litros día con una producción de siete días a la

semana en turnos de ocho horas, logrando un promedio de tan solo 182.000 litros al año, y

en épocas de alta demanda teniendo que trabajar doble turno como lo es Diciembre.

En total hoy en día se están gastando las 8 horas de producción distribuidas de la siguiente

forma.

Recepción de Materia Prima: Pesar la cantidad de piña requerida para la producción

diaria, verificando el grado de maduración y estado de la fruta, debe encontrarse sana y sin

ningún tipo de contaminación.

Esto se realiza recibiendo el camión con la fruta dos veces por semana en total 2 toneladas

en canastas plásticas poniéndolas encima de una báscula digital. La fruta se recibe entera

con cascara.

Para el cumplimiento de la producción al 2019 se pretenden recibir 3 Toneladas de

producto por dos días

Selección: Las frutas deben ser maduras, de buen color, aroma y textura. Éstas

características permiten la obtención de un buen producto.

Se realiza de manera manual un operario luego del lavado revisa cada canasta permitiendo

ver cuales están aptas o no para continuar.

Lavado y desinfección: Se realiza con agua limpia potable, adicionando a un litro de agua

1 ml de hipoclorito de sodio al 5%, con el fin de eliminar la mayor cantidad de impurezas y

microorganismos, que acompañan a la materia prima.

Se sumergen en una tina de 500 litros por un tiempo de 10 minutos.

Adecuación: se pela la piña, separando pulpa de aquellos residuos sólidos como cáscaras y

penachos, luego se trocea.

Despulpado: la piña troceada, se lleva a la despulpadora para transformarla en jugo.

Esta máquina es una despulpadora que actualmente tiene capacidad de 200 kg/h de

despulpado, al día de hoy en tres horas diarias por siete días despulpan toda la carga.

Este equipo no se contempla dentro de los cambios a realizar dado que está

sobredimensionado y además trabaja los siete días de la semana ya que el producto

despulpado se refrigera.

Estandarización y Homogenización: Se aplica la fórmulación del néctar estandarizada

determinando la cantidad de agua, azúcar, ácido cítrico, y otros insumos. Para la

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homogenización se incorpora la materia prima con los demás insumos y se uniforma la

mezcla removiéndola hasta lograr la completa disolución.

Esto se realiza en un tanque de proceso de 500 litros, es el equipo más crítico sabiendo que

se utiliza tanto para estandarización, homogenizado y pasteurizado. Es el cuello de botella

actual y se debe diseñar un sistema óptimo de estandarización y homogenización.

Actualmente en la estandarización y homogenización de un batch de 500 litros de producto

se están demorando dos horas repartidos en cuarenta y cinco minutos de adición de pulpa

de fruta y estandarización con agua a través de un agitador y una hora y quince minutos en

adición de sólidos y agitación hasta el momento que empiezan a calentar para pasar a

pasteurización.

Pasteurización: Se aplica el proceso térmico a la mezcla, calentándola a una temperatura

de 60ºC durante 10 minutos, con el fin de reducir carga microbiana y asegurar inocuidad

del producto.

En este proceso de llevar la mezcla hasta 60°C se están demorando 45 minutos más 10

minutos de tiempo de retención, aquí se debe mejorar ya que la pasteurización se pretende

hacer en línea.

Envasado: Se debe realizar inmediatamente se termina el pasteurizado, manteniendo la

temperatura del néctar a 60°C en frasco plástico de polietileno de baja densidad de 200 ml.

Actualmente lo hacen con una máquina de llenado semiautomática, esta máquina lava el

envase con un agua limpia llamada rinse, el operario pone ordenadamente el envase en una

cinta que lleva al envase a rotar y bajan cinco boquillas de llenado, logrando

aproximadamente hasta 60 vasos por minuto, lo que da un caudal 720 litros/hora. Esta se

revisaría si afecta el tiempo de producción de cinco horas que propone el cliente para la

producción total o si se debe cambiar por una más veloz.

Exhausting: Se aplica el proceso térmico al producto ya envasado, 80°C durante 3 min,

para crear el vacio dentro del frasco, lo que permite conservar la calidad del producto y

alargar la vida útil.

Enfriado: Se baja la temperatura del néctar hasta 18°C con chorros de agua fría, el cual se

debe realizar lo más pronto posible.

Estos dos últimos procesos se realizan con el producto ya empacado y se hacen de manera

manual, después de tener el producto envasado se lleva por operarios a unas tinas una

caliente y otra fría por donde se pasa en el tiempo de 8 minutos (3 min calentando + 5 min

enfriando) los tarros, sin embargo con el proceso de pasteurización flash que producción

pide que se implemente estos procesos se eliminan ya que el calentamiento y enfriamiento

rápido se realizaría directamente en el producto.

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Limpieza y etiquetado: Se colocará las etiquetas en forma manual sobre los envases

llenos, cuidando que estén limpias y queden adheridas firmemente al envase, ésta llevará

impresa algunas especificaciones como contenido, la fecha de vencimiento, valor

nutricional, código de barras entre otros.

Este proceso se sugerirá como cambiar, ya que el etiquetado puede venir desde el

proveedor del envase, sin embargo no se realiza actualmente por el tema del exhausting y

enfriado mencionados anteriormente que sufre el envase, como ahora con la nueva

propuesta no se sugieren estos pasos, el envase podrá venir marcado y la limpieza y

etiquetado vendrán desde el proveedor.

Almacenado: Los néctares se almacenarán en un ambiente limpio, seco, y con suficiente

ventilación a temperatura ambiente.

El cliente pretende ampliar el cuarto de almacenamiento del producto pero no interfiere en

los cálculos de la producción.

Según lo anterior el siguiente es el sentido de diagrama de proceso de la planta, esta

información se proporciona por parte de producción de Nueva Deli.

Figura 4. Diagrama del proceso de la planta Nueva Deli

Fuente: Nueva Deli LTDA copia manual tiempos de producción.

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En total los tiempos actuales de producción donde este proyecto tiene interés en disminuir

adicionando nueva maquinaria son.

Tabla 12. Tiempos actuales de producción planta Nueva Deli

PASO PROCESO DETALLE MINUTOS

Estandarización Tiempo de adición de néctar 10

Agitación intensa 35

Homogenización Tiempo de adición de sólidos 15

Agitación extra intensa 60

Pasteurización Elevando la temperatura 30

Manteniendo producto retenido 10

Envase - Exhausting Envasado y calentamiento de envases a la

vez 42

Exhausting-

enfriamiento Calentando y enfriando el envase a la vez 58

Enfriamiento Solo enfriando 8

Total 268

Fuente: Nueva Deli LTDA copia manual tiempos de producción.

El tiempo actual de producción es de 4 Horas y 28 Minutos para 500 litros de producto

trabajando los 7 días de la semana.

Actual la producción de 3500 litros toma el tiempo de 31 horas y 16 minutos.

Los tiempos de recepción de materia prima, adecuación, lavado de fruta, despulpado y

almacenamiento siguen siendo los mismos para el planteamiento de la nueva planta.

6.4 PARÁMETROS DE PRODUCCIÓN DE LA PLANTA

Con base en los datos anteriores se comienza el dimensionamiento en Volumen/tiempo que

se pretende tener en la nueva planta de producción.

Nueva Deli actualmente produce 200.000 litros de néctar de piña al año.

Si esta misma producción se trabajará acorde a los tiempos de producción diario que Nueva

Deli pretende tendríamos.

( ) ( ) ( )

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59

(

)

( )

Caudal de producción año 2015

En el año 2015 Nueva Deli necesita una planta cercana a 1000 litros en cinco horas por

cuatro días a la semana.

Sin embargo se requiere la proyección de la planta para 5 años futuros según requerimiento

de cliente, de la Tabla 13 se toma la siguiente información

(

)

( )

Caudal de producción año 2019

Se redondea esta cifra para cálculos futuros más acordes a temas industriales a 1400 Litros

diarios de producción que equivale a un volumen de 5600 litros de producto y 20 horas de

producción a la semana.

Tabla 13. Comparación de tiempos actuales Vs planta nueva

Producción

planta actual

Producción

planta nueva

Porcentaje de

aumento

Capacidad de

producción

semanal

3500 Litros 5600 Litros + 55%

Días de trabajo

semanal 7 4 -57%

Tiempo de

producción

semanal

1876 Minutos 1200 Minutos -63%

Fuente: Autor

6.5 PROCESO ACTUAL Y PROCESO PROPUESTO

Junto con la persona encargada de producción de Nueva Deli y con base a los

requerimientos de la nueva planta, se deciden los tamaños y distribución de los equipos, sin

embargo, se mantiene la base de este proyecto en instalar módulos de producción, esto se

explica al cliente quien lo ve atractivo, ya que en un futuro cuando desee ampliar su

producción ahorrará costos ya que básicamente no tendrá que desarrollar su planta

nuevamente, con tan solo adicionar algunos módulos ya sea para nuevos productos o para

aumentar la capacidad de producción.

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Entendiendo el proceso de producción de Nueva Deli, asesorados por su departamento de

producción y apoyados por la experiencia de las plantas visitadas, se proponen los

siguientes cambios en la planta.

6.5.1 Módulo servicios industriales agua purificada

Actualmente se tiene un sistema de purificación de agua sencillo, que no es más que

tomando directamente de la red agua del acueducto local se pasa por un filtro de carbón

activado, un filtro de arena y se envía a un tanque de almacenamiento de agua en fibra de

1500 litros, donde se revisa la cantidad de cloro que trae y se adiciona o se neutraliza

dependiendo de cómo llegue del acueducto.

Luego de esto hay una bomba pequeña que se encarga de pasar el agua por unos filtros de

membrana de tela de 20 micras para eliminar impurezas y se envía el agua directo al tanque

de producción llamado tanque de mezcla.

Cambios

En esta línea se utilizarían los filtros de carbón activado y de arena, la bomba centrífuga de

agua inoxidable y el tanque de almacenamiento en fibra, sin embargo serian reubicados de

la siguiente forma.

Primero, se unificará en un módulo de servicios industriales todo lo propuesto en la

generación de agua purificada.

Segundo, cambiando el tanque de almacenamiento en fibra, ahora se ubicara al principio de

la operación para almacenar agua directa del acueducto con un volumen de 1500 litros, ya

no se tomará agua directo del tubo del acueducto, ahora se almacenará agua en este tanque

el día anterior a la producción para controlar la cantidad de sólidos y de cloro permitida por

calidad.

Tercero, la bomba centrífuga ya no recirculará el agua por manguera si no una conexión de

aire servirá para agitar el agua cuando se adicione cloro y/o coagulante de sólidos

aprovechando que el sistema de agua se instalaría en el módulodonde están todos los

servicios industriales entre estos el aire comprimido.

Cuarto, después del filtro de 20 micras se instalaría una lámpara de luz UV mas un filtro de

5 micras para obtener bloqueo de bacterias y luego retención de las mismas y se llenara el

tanque de mezcla en línea.

Con el caudal aproximado de 2000 l/h que entrega la bomba toda el agua de la red

almacenada se tratara en no más de 45 minutos, esto se realizaría el día de producción.

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Con estos cambios se obtiene:

- Mejor control y eficiencia de la adición de cloro en el agua y floculación de sólidos

en el tanque de fibra que no existía.

- Se almacenará agua potable del acueducto y no agua tratada, esta última tiene más

riesgo de contaminación ya que el contenido de cloro es bajo.

- Se adiciona una lámpara de luz UV para atacar bacterias que pueden llegar a

proliferar, y un filtro de 5 micras que retendrá las bacterias muertas.

- Para agitar no se necesita prender la bomba si no inyectando aire en el tanque se

obtendrá aireación del agua y agitación.

- Se adicionara drenaje al tanque de 1500 litros que antes no tenía, se hacía por medio

de una unión roscada.

Los siguientes son los diagramas de flujo actual de la planta y el propuesto para el diseño

de la planta nueva.

Figura 5. Diagrama de flujo de la planta actual

ENTRADA AGUA ACUEDUCTOCAUDAL DE RED 1000 LxHPRESION DE RED 1,2 BAR

TANQUE ALMACENAMIENTOAGUA TRATADA1500 LITROS

FIBRA DE VIDRIO MARCAETERNIT

FILTROCARBON ACTIVADO

FILTROARENA

FILTRO20 MICRAS

BOMBA CENTRIFUGAPOTENCIAñ 1,5HP '3600 RPMCAUDAL 2500 LxHPRESION 2 BARMARCA PEDROLLO

HACIA TANQUE DEMEZCLA

ADICION MANUALDE CLORO

CONEXION CON MANGUERAPARA RECIRCULAR CLORO

Fuente: Autor

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Figura 6. Diagrama de planta propuesta

ENTRADA AGUA ACUEDUCTOCAUDAL DE RED 1000 LxHPRESION DE RED 1,2 BAR

BOMBA CENTRIFUGAPOTENCIAñ 1,5HP '3600 RPMCAUDAL 2500 LxHPRESION 2 BARMARCA PEDROLLO

TANQUE ALMACENAMIENTOAGUA POTABLE1500 LITROS

FIBRA DE VIDRIO MARCAETERNIT

FILTROCARBON ACTIVADO

FILTROARENA

FILTRO20 MICRAS

FILTRO5 MICRAS

LAMPARA UV

ADICION MANUALDE CLORO Y ADICIONMANUAL DE FLOCULANTE

VALVULA MARIPOSAENTRADA DE AIRE

Y DRENAJE

Fuente: Autor

6.5.2 Módulo mezcla

El proceso de mezcla actual consiste en adicionar todas las materias primas en conjunto

dentro un tanque inoxidable de 1000 litros con una camisa de calefacción donde se

mantiene aceite térmico y a través de una llama de gas se calienta la mezcla de agua, néctar

extraído y sólidos en proporción que se tienen dentro del tanque y que por medio de un

agitador se mezclan lo más homogéneo posible.

La mezcla con el agitador encendido debe alcanzar los 60-65 grados Celsius como máximo,

al llegar a esta temperatura se debe mantener por 10 minutos, luego se debe enviar a

llenado.

La proporción de materia prima y el estado en que se adiciona son:

Tabla 14. Proporción de materia prima

INGREDIENTE ESTADO PORCENTAJE

PRODUCCIÓN

PLANTA

ACTUAL

PRODUCCIÓN

PLANTA

NUEVA

Pulpa de pina Liquido/viscoso 27% 135 litros 378 litros

Jugo de naranja Liquido 3% 15 litros 42 litros

Azúcar Solido

granulado 9% 45 Kg 126 Kg

Acido cítrico Solido polvo 0,05% 0.25 Kg 0,7 Kg

Agua Liquido 61% 305 litros 854 litros

Densidad de 1020 kg/m3 500 litros 1400 litros

Fuente: Autor

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El diagrama de proceso actual de producción en la mezcla es el siguiente:

Figura 7. Diagrama del proceso actual de mezcla

Fuente: Autor

ADICION AGUA TRATADA AL TANQUE 305 litros 8 min

ADICION DE PULPA DE PINA135 LITROS 3 min

ADICION DE AZUCAR 45 Kg 5 min

ADICION DE JUGO DE NARANJA

15 LITROS 2 min

CALENTAMIENTO

MEZCLAHASTA 60-65°C 30 min

TIEMPO DE

RETENCIONMANTENIENDO TEMPERATURA

10 min

PRENDER

AGITADOR

PRENDER

CALENTAMIENTO

SE ENVIA A LLENADO

MANTENIEDO LA

TEMPERATURA

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Cambios

Se implementará un nuevo tanque de fabricación para la mezcla, con agitador vertical

superior y una bomba que recirculará o enviará al pasteurizador. El sistema de

calentamiento por gas se eliminará y el tanque se diseñará sin camisa de calentamiento ya

que el proceso de mezcla se realizará en temperatura ambiente ahorrando tiempos de

proceso y dinero en servicios industriales.

Un juego de válvulas entre el tanque, la bomba y el envío al siguiente paso, permitirá

recircular el producto varias veces por el tanque obteniendo así mejores mezclas y ayudas

al sistema de agitación.

Con los cambios se obtendrá:

- Mezcla rápida, ya que la recirculación de producto por medio de la bomba y la

adición de los polvos y líquidos por encima permitirá una mejor homogenización.

- Mezclados más seguros para la operación ya que se realizaría a temperatura

ambiente, actualmente el agua se calienta un poco para disolver más rápido el sólido

que intenta aglutinarse, ahora no es necesario por la turbulencia que genera el

agitador y la bomba recirculando producto.

- Mezcla más homogénea, dado a la turbulencia que generará la agitación en el

producto que está dentro del tanque y a la recirculación de la bomba se tendrá mejor

disolución de sólidos y ceros grumos en el producto sin necesidad de usar

temperaturas más altas que la del ambiente.

- Tanque de proceso con más volumen lo que realizará la mezcla del día en un solo

batch.

- Diseño de la línea sanitaria para evitar contaminaciones cruzadas y para facilitar las

limpiezas de los equipos.

Los siguientes son los diagramas de flujo de la planta actual y el propuesto para el diseño

de la nueva planta.

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Figura 8. Diagrama de la planta actual

AZUCARPULPA DE FRUTALIQUIDOS

CALENTAMIENTO POR GAS

TANQUE DE PREPARACION500 LITROS ENVIO DE PRODUCTO A LLENADO

BOMBA CENTRIFUGAINOXIDABLE DE 1,5 HP

CAUDAL 3000 L-HPRESION 1.3 BAR

AZUCARPULPA DE FRUTALIQUIDOS

AGITADOR DE 1,5 HP1200 RPM

AGUA

Fuente: Autor

Figura 9. Diagrama de la planta propuesta

ENTRADA DE AGUA TRATADA O CIP

RECIRCULACION

ENVIO DE PRODUCTO APASTEURIZACION

AZUCARPULPA DE FRUTA

LIQUIDOSAGUA

BOMBA CENTRIFUGANUEVA

TOLVA

TANQUE PREPARACION

BOCA DE HOMBRE INSPECCION

AGITADOR NUEVO

Fuente: Autor

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6.5.3 Módulo pasteurización

El proceso de pasteurización se realiza actualmente en el tanque de proceso o mezcla,

calentando a través de gas el producto elevan la temperatura hasta 65°C y lo mantiene

durante 10 minutos. Este proceso se conoce como pasteurización indirecta o lenta, ya que

se realiza por batchs de producción y se caracteriza por manejar volúmenes bajos de

producto. Sin embargo el sistema de pasteurización se debe cambiar debido al

requerimiento de aumento de producción para evitar pérdidas de tiempo y mejor control de

producto.

Los 10 minutos actuales en los que se mantiene el producto sobre los 65°C se llaman

tiempo de retención y se deben diseñar ahora según el criterio de pasteurización directa o

rápida. Actualmente el producto terminado no se enfría directamente si no después de

envasado.

Los requerimientos de producción para cambiar el sistema de pasteurización son

calentamiento en línea y rápido, tiempo de retención en línea y enfriamiento para envasar

producto frio.

Cambios

El proceso de pasteurización del producto ya mezclado se realizará en línea, con los

procesos vistos en otras industrias y por la experiencia de producción de Nueva Deli, el

proceso que se implementará será a través de intercambiadores de calor a placas y de forma

continua la pasteurización.

Se diseñara el sistema de pasteurización donde ingrese el producto a temperatura ambiente,

sea calentado y se eleve la temperatura hasta el valor de pasteurización, se mantenga

durante un tiempo de retención y se enfrié luego rápidamente para enviar a envasado.

Se debe tener en cuenta que los valores de temperatura de pasteurización y tiempo de

retención en el proceso actual no corresponden a los nuevos valores de la planta ya que el

proceso pasa de pasteurización lenta a pasteurización en línea.

Con los cambios se obtendrá.

- Automatización de la línea de pasteurización, ya que el proceso será en línea, el

control de la temperatura y el tiempo de retención será exacto y la eficiencia se

aumentara, obteniendo un producto pasteurizado más confiable.

- Se obtendrá el néctar ya a temperatura ambiente para el llenado, lo que ahorrara

tiempos por que no se tendrá que enfriar el envase.

- Al pasteurizar de manera directa se garantiza que un mínimo volumen que circula

por el intercambiador está siendo llevado a una alta y luego a una baja temperatura,

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lo que es más eficiente en términos de energéticos ya que no se manejan volúmenes

altos.

Se propone el siguiente diagrama de proceso para la pasteurización en línea.

Figura 10. Diagrama de pasteurización propuesto

Fuente: Autor

Con el diagrama de proceso anterior se realiza el diagrama de flujo preliminar acorde a

diseños que se han revisado en otras industrias y en base a las necesidades puntuales de

Nueva Deli.

TANQUE PULMÓN

CALENTAMIENTO DE PRODUCTO

HASTA 92°C

RETENCIÓN DE PRODUCTO EN

LÍNEA POR 30 SEGUNDOS

ENFRIAMIENTO DE PRODUCTO

HASTA 20°C

ENVIÓ A LLENADO

INGRESO DE PRODUCTO

AGUA CALIENTE

AGUA DE TORRE

NO LLENADO

NO PASTEURIZADO

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Figura 11. Diagrama del módulo de pasteurización

TIEMPO DERETENCION

15 SEGUNDOS

SISTEMAAGUA CALIENTE

SISTEMAAGUA FRIA

TT

TI

FI

PI

FI

INTERCAMBIADORENFRIAMIENTO

INTERCAMBIADORCALENTAMIENTO

TANQUE PULMON

TEMPERATURA DE 95 GRADOS

PRODUCTO NOPASTEURIZADO

ENVIO PRODUCTO A LLENADO

RETORNO PRODUCTO

Fuente: Autor

6.5.4 Módulo de llenado

El proceso de llenado actual consiste en una máquina semiautomática de envase plástico

que puede llenar envases intercambiables desde 100 ml hasta 500 ml con capacidad de 12

litros por minuto, es decir si se llenan envases que son lo más comunes de 200 ml puede

hacerlo a razón de 60 envases por minuto, unos 360 envases hora.

A la máquina se le debe alimentar manualmente los envases por medio de una cinta, y el

producto ya pasteurizado entra a una tolva elevada, por medio de gravedad y volumen el

producto baja a unos moldes que tienen el volumen exacto de medida a envasar. El proceso

es sencillo y las boquillas de llenado bajan a la boca del envase y llenan.

Antes del envasado la botella es lavada por presión con agua tratada para eliminar cualquier

rastro de suciedad, esta agua debe ser contemplada en el proceso de la planta de

tratamiento, y se debe almacenar para enviar con bomba centrífuga.

El siguiente es el diagrama de flujo actual del área de llenado.

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Figura 12. Diagrama del módulo de llenado

Fuente: Autor

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7. DIMENSIONAMIENTO DE EQUIPOS

Para realizar el dimensionamiento de equipos se revisó que materiales y equipos actuales de

Nueva Deli se pueden reubicar y se diseña en conjunto con el cliente la distribución de cada

módulo.

7.1 MÓDULO DE MEZCLA.

Actualmente la mezcla y pasteurización de Nueva Deli se realiza en el mismo tanque, con

procesos muy lentos como se mencionó anteriormente, lo que lleva a no reutilizar nada de

lo actual para el nuevo módulo de mezcla.

ELEMENTOS A DISEÑAR:

TANQUE DE MEZCLA

Este tanque debe ser acorde a la producción diaria. Tenemos que la producción del día debe

ser de 1400 litros, sin embargo para temas de lavados, capacidades nominales y ampliación

que llegase a tener la planta el volumen del tanque calculado será de 1600 litros nominales

y 1400 litros útiles.

El tanque se debe fabricar acorde a normativa nacional tanto para su estructura como en sus

acabados para el producto alimenticio.

Tabla 15. Características tanque de mezcla

Función Almacenamiento de materias primas para la fabricación de néctar

volumen 1600 litros nominales

Diseño Cilíndrico vertical montado en patas

Tapa superior para inspección del operario

Material Acero inoxidable 304

Acabados Sanitarios apropiados para industria alimenticia

Conexiones Descarga de producto Inferior central conexión norma clamp

Cargue de producto

Entrada de agua superior

Entrada de recirculación de producto

Entrada de sistema de lavado

Entrada auxiliar

Agitación Vertical intensa para disolución

Fuente: Autor

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BOMBA DE ENVÍO Y RECIRCULACIÓN

Esta bomba debe servir para recircular el producto al mismo tanque y para enviar producto

al pasteurizador en línea.

Tabla 16. Características de la bomba de recirculación

Función

Envío de producto terminado a tanque pulmón de pasteurizador.

Recirculación de producto al tanque de mezcla.

Recirculación de productos para lavado de tanques y tuberías

Tipo Centrífuga sanitaria

Material Acero inoxidable 304

Caudal de envío a

pasteurizador 720 litros/hora

Presión Pérdidas de presión por recirculación de producto y envío al tanque

pulmón del pasteurizador pasando por tuberías y accesorios.

Características Conexiones trifásicas 220V

Conexiones de succión y descarga sanitarias clamp

Fuente: Autor

AGITADOR DE TANQUE MEZCLA

Este agitador se instalará en la parte superior del tanque de mezcla, y se encargara de que

los sólidos que se adicionen y que el producto final se mantenga homogéneo, garantizando

que la concentración de grado Brix sea similar en cualquier punto.

Tabla 17. Características agitador tanque de mezcla

Funciones Se debe encargar de agitar la mezcla de sólidos y líquidos

homogenizando la mezcla en la concentración de grados brix (azúcar)

Tipo Vertical accionado por motor reductor

Material Acero inoxidable 304 sanitario

Tipo de hélice A seleccionar

Capacidad Agitación para un volumen de 1600 litros y para un producto con

viscosidad dinámica no superior a los 70cps y densidad de 1020 kg/m3.

Fuente: Autor

VÁLVULAS Y CONEXIONES

El tipo de válvulas y accesorios para el envío y recirculación de producto, deben ser

sanitarios inoxidables y que se puedan desmontar fácilmente para inspección visual

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Tabla 18. Característica de válvulas y conexiones

Funciones Orientar el producto ya sea para recirculación o para el envío de la

mezcla al pasteurizador

Tipo Sanitario según normativa, sistema anglosajón de unidades por

disponibilidad en el mercado

Material Acero inoxidable 304

Capacidad Diámetros y longitudes a determinar dependiendo de caudales disposición

de equipos

Características Debe ser desmontable para temas de inspección y lavado.

Válvulas de apertura y cierre manual.

Fuente: Autor

SISTEMA ELÉCTRICO

Se debe adicionar un cuadro o panel eléctrico en el módulo de mezcla para el control y

protección del Agitador y la bomba de recirculación.

Tabla 19. Características del sistema eléctrico del módulo de mezcla

Funciones

Accionar o desconectar la bomba centrífuga

Accionar o desconectar el agitador eléctrico del tanque de mezcla

Protecciones eléctricas contra picos o sobre corrientes de los

elementos eléctricos

Tipo Cuadro eléctrico trifásico con conexiones a tierra y normativa ANSI

Material Plástico, cableado eléctrico a los puntos en canaleta cubierta inoxidable

Capacidad Según potencia de diseño de bomba y agitador

Características

Debe estar instalado muy cerca del tanque y de la bomba de recirculación

para accionar por un solo operario. Debe ser a prueba de agua ya que el

área será de total lavado por el operario.

Fuente: Autor

SERVICIOS INDUSTRIALES MÓDULO DE MEZCLA

Se debe disponer de una alimentación al módulo de mezcla de los siguientes servicios

industriales.

Tabla 20. Servicios industriales módulo de mezcla

Electricidad

Según el consumo de potencia de la bomba y el agitador se debe

disponer de una conexión eléctrica de 220v trifásico cuatro fases con

la corriente necesaria para accionar estos dos equipos.

Agua tratada Se debe disponer de un punto en tubería para conectar al tanque de

mezcla a través de una válvula de cierre a un caudal mínimo de 2000

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l/h, caudal que la planta está en capacidad de entregar

Aire No se requiere

Vapor No se requiere

Agua de red Un punto de agua para lavados externos de bases, pisos y marco de

estructura del equipo

Fuente: Autor

7.1.1 Selección bomba mezcla

Para realizar el diseño y selección de la bomba, primero se debe conocer un diagrama de

ubicación y tuberías a instalar para hallar las pérdidas de carga en tuberías (pérdidas por

fricción) y pérdidas de carga por accesorios (pérdidas menores).

Con el diagrama de flujo propuesto se realiza un diseño en 3D previo en AutoCAD para la

ubicación de la bomba y tanque y así hallar las pérdidas para la selección de la bomba.

Figura 13. Diseño en 3D del módulo de mezcla

Fuente: Autor

CAUDAL

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Para definir el caudal para la selección de la bomba se debe tener en cuenta que esta tiene

tres funciones, la primera es la recirculación de producto al tanque de mezcla con el fin de

obtener un jarabe simple homogéneo, la segunda es el envío al módulo de pasteurización y

la tercera es el lavado de tanques y tuberías.

Recirculación de producto: Para garantizar que los sólidos adicionados en el agua, como el

azúcar, no se decanten se realiza la agitación y la recirculación del producto, para esta

última se necesita una bomba que recircule la capacidad del tanque por lo menos 4 veces en

una hora, se establece un caudal de 7000 l/h para cumplir con esta condición.

Envío al módulo de pasteurización: el caudal requerido de producción es de 720 L/h,

establecido por la capacidad de la máquina de envasado.

Lavado de tanques y tuberías: Para el lavado se requiere una velocidad de fluido entre

1,5m/s y 2,0m/s, suponiendo un caudal de 7000 l/h y una velocidad de 2,0 m/s, se obtiene

que el diámetro de la tubería es igual a 35,1 mm correspondientes a 1,38 in, por lo tanto

inicialmente se opta por utilizar una tubería de 1,5 in.

PÉRDIDAS DE CARGA EN EL SISTEMA

Las pérdidas de carga en el sistema son: las pérdidas debidas a la fricción en la tubería y las

pérdidas menores generadas por los accesorios, como, válvulas, tees, codos, etc.

Figura 14. Esquema del módulo de mezcla

ENTRADA DE AGUA TRATADA O CIP

RECIRCULACION

ENVIO DE PRODUCTO APASTEURIZACION

AZUCARPULPA DE FRUTA

LIQUIDOSAGUA

BOMBA CENTRIFUGANUEVA

TOLVA

TANQUE PREPARACION

BOCA DE HOMBRE INSPECCION

AGITADOR NUEVO

Fuente: Autor

Pérdidas debidas a la fricción

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A medida que un fluido se traslada por un conducto, tubo o algún otro dispositivo, ocurren

pérdidas de energía debido a la fricción que hay entre el liquido y la pared de la tubería;

tales energías traen como resultado una disminución de la presión entre dos puntos del

sistema de flujo.

Para determinar cuáles son las pérdidas por fricción se utiliza la siguiente expresión,

propuesta por Darcy-Weisbach.

( )

Donde:

: Coeficiente de fricción

L: Longitud de la tubería

D: Diámetro de la tubería

v: Velocidad del fluido

Sabiendo que,

( )

A: Área de la sección transversal de la tubería

v: Velocidad del fluido (m/s)

Entonces,

( )

Se obtiene una expresión para las pérdidas menores en función del caudal.

Con ayuda del Diagrama de Moody se obtiene el coeficiente de fricción, ingresando a este

con el número de Reynolds y con la rugosidad relativa.

Figura 15. Diagrama de Moody

Fuente: Libro Hidraulica de los canales abiertos. VEN TE CHOW 1982.

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El diagrama de Moody resuelve todos los problemas de pérdidas de carga primarias en

tuberías con cualquier diámetro, cualquier material de tubería y cualquier caudal.

El número de Reynolds relaciona la densidad, viscosidad, velocidad y dimensión típica de

un flujo en una expresión adimensional, que interviene en Númerosos problemas de

dinámica de fluidos. Dicho número o combinación adimensional aparece en muchos casos

relacionado con el hecho de que el flujo pueda considerarse laminar (R<2000 flujo laminar)

o turbulento (R>3000 flujo turbulento). El número de Reynolds está determinado por:

( )

Donde:

: Densidad del fluido (m3/Kg)

v: Velocidad del fluido (m/s)

D: Diámetro de la tubería (m)

: Viscosidad dinámica del fluido (N.s/m2)

: Viscosidad cinemática del fluido (m2/s)

Según lo anterior se calculan las pérdidas por fricción para la recirculación del producto, el

envío al módulo de pasteurización y para el lavado de tanques y tuberías.

Tabla 21. Datos iníciales para el cálculo de las pérdidas por fricción

DATOS INÍCIALES

Densidad del Agua, 1000 Kg/m3

Densidad del producto, 1020 Kg/m3

Viscosidad dinámica del producto, < 0,07 (N.s/m2)

Diámetro nominal de la tubería 1,5 in (38,1 mm)

Diámetro interno de la tubería, D 35,1 mm

Rugosidad de la tubería inoxidable, K 0,8 micras

Fuente: Autor

Sabiendo que, Caudal = Área x Velocidad, se determina la velocidad para cada uno de los

casos para poder hallar el Número de Reynolds

Tabla 22. Velocidad del fluido

VELOCIDAD DEL FLUIDO M/S

Recirculación del producto 2,00

Envío al módulo de pasteurización 0,21

Lavado de tanques y tubería 2,00

Fuente: Autor

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Tabla 23. Número de Reynolds

NÚMERO DE REYNOLDS

Recirculación del producto 1028 Laminar

Envío al módulo de pasteurización 106 Laminar

Lavado de tanques y tubería 7053 Turbulento

Fuente: Autor

Para obtener el coeficiente de fricción es necesario el Número de Reynolds y la rugosidad

relativa, para este caso, K/D= 8X10-4

mm/35,1mm = 2,27x10-5

, en el diagrama de Moody

este valor esta por fuera de los valores graficados ya que la superficie tiene una rugosidad

que lo hace considerar liso, entonces, para fines prácticos se toma la curva con el valor más

cercano igual a 0,0001.

Tabla 24. Coeficiente de fricción

COEFICIENTE DE FRICCIÓN

Recirculación del producto 0,06

Envío al módulo de pasteurización 0,6

Lavado de tanques y tubería 0,035

Fuente: Autor

Longitud de tubería para cada uno de los casos

Tabla 25. Longitud de tubería en la descarga y en la succión

LONGITUD DE TUBERÍA EN LA

DESCARGA(M)

Recirculación del producto 3

Envío al módulo de pasteurización 5

Lavado de tanques y tubería 5

LONGITUD DE TUBERÍA EN LA

SUCCIÓN (M)

Longitud en la succión 2

Fuente: Autor

Finalmente se tienen todos los datos para calcular las pérdidas de carga por fricción en el

módulo de mezcla con la Ecuación (1), entonces,

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Tabla 26. Pérdidas de carga en la succión y en la descarga

PÉRDIDAS DE CARGA POR FRICCIÓN EN

LA DESCARGA (M)

Recirculación del producto 1,06

Envío al módulo de pasteurización 0,19

Lavado de tanques y tubería 1,03

PÉRDIDAS DE CARGA POR FRICCIÓN EN

LA SUCCIÓN (M)

Recirculación del producto 0,704

Envío al módulo de pasteurización 0,074

Lavado de tanques y tubería 0,410

Fuente: Autor

Las pérdidas por fricción para la descarga y la succión son mayores en la recirculación del

producto, se establece para este caso la ecuación de las pérdidas por fricción en función del

caudal.

Pérdidas menores

Son las producidas por las válvulas, elementos de medición y accesorios instalados a lo

largo de la tubería. La pérdida de carga menor puede expresarse la siguiente forma,

( )

K : Coeficiente de perdida, este depende de cada elemento

v: Velocidad del fluido (m/s)

Sabiendo que,

A: Área de la sección transversal de la tubería

v: Velocidad del fluido (m/s)

Entonces,

( )

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De esta forma obtenemos una expresión de las pérdidas menores en función del caudal

A continuación se presentan los valores del coeficiente de pérdida, K, para cada uno de los

elementos instalados en el módulo de mezcla.

Tabla 27. Coeficiente de pérdidas. K

ELEMENTO COEFICIENTE DE

PÉRDIDAS, K

Tee en derivación 1

Tee en línea 0,15

Codo 90º 0,25

Salida para instrumento de medición 0,15

Válvula de mariposa completamente abierta 0,4

Salida al deposito 0,54

Válvula de 3 vías 2

Fuente: Valores tomados de (Mataix, 1986).

El coeficiente de pérdida de una válvula de mariposa depende de su abertura, x, como se

puede apreciar en la siguiente gráfica, entonces, la válvula completamente abierta

corresponde a x=0 y la válvula completamente cerrada corresponde a x=100. Aquí se

considerará la válvula completamente abierta.

Figura 16. Coeficiente de pérdida de una válvula de mariposa

Fuente: (Mataix, 1986)

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Para salida brusca del fluido en el tanque los valores del coeficiente de pérdida se pueden

determinar por laFigura 17, k depende de la longitudlde tubería que penetra en el depósito y

del espesor de la tubería, entonces,

( )

( )

Figura 17. Coeficiente de rozamiento para salida brusca de un depósito

Fuente: (Mataix, 1986)

Con la Figura 14se puede definir el número de válvulas, elementos de medición y

accesorios que tiene el módulo de mezcla, los cuales están listados a continuación, para

cada uno de los casos, Succión de la bomba, recirculación del producto, enviado al módulo

de pasteurización y lavado de tanques y tuberías.

Tabla 28. Elementos de medición y accesorios del módulo de mezcla

RECIRCULACIÓN DE PRODUCTO

Elemento Cantidad

Válvulas de 3 vías 1

Válvula de mariposa 1

Codos a 90º 4

Tee en línea 1

Manómetros 1

Salida 1

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Fuente: Autor

Teniendo la cantidad de elementos, el coeficiente de perdida y la velocidad del fluido para

cada uno de los casos podemos encontrar las pérdidas menores.

Tabla 29. Pérdidas menores del módulo de mezcla

PÉRDIDAS MENORES EN LA DESCARGA (M)

Recirculación del producto 0,873

Envío módulo de pasteurización 0,007

Lavado de tanques y tuberías 0,953

LAVADO DE TANQUES Y TUBERÍAS

Elemento Cantidad

Válvulas de mariposa 1

Codos a 90º 4

Válvulas de 3 vías 1

Manómetros 1

Salida 2

SUCCIÓN DE LA BOMBA

Elemento Cantidad

Válvulas de mariposa o cortina 1

Tee en derivación 1

ENVÍO AL MÓDULO DE

PASTEURIZACIÓN

Elemento Cantidad

Válvulas de 3 vías 1

Válvula de mariposa 1

Codos a 90º 1

Manómetros 1

Salida 1

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PÉRDIDAS MENORES EN LA SUCCIÓN (M)

Recirculación del producto 0,288

Envío módulo de pasteurización 0,003

Lavado de tanques y tuberías 0,288

Fuente: Autor

De los cálculos anteriores se concluye que se generan más pérdidas de carga en el ciclo de

recirculación, con un valor igual a 2,92 m.

A continuación se encuentra la expresión de las pérdidas menores en función del caudal.

ALTURA UTIL O CABEZA DE LA BOMBA, H

Utilizando la ecuación de la energía o también llamada ecuación de Bernoulli, es posible

deducir la altura útil o cabeza de la bomba. Para este caso se tomarán los puntos de control

como se muestra en la siguiente figura.

Figura 18. Puntos de control en el sistema mezcla

ENTRADA DE AGUA TRATADA O CIP

RECIRCULACION

ENVIO DE PRODUCTO APASTEURIZACION

AZUCARPULPA DE FRUTA

LIQUIDOSAGUA

BOMBA CENTRIFUGANUEVA

TOLVA

TANQUE PREPARACION

BOCA DE HOMBRE INSPECCION

AGITADOR NUEVO

Fuente: Autor

1

4

2

3

Z1

Z4

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Se realiza el volumen de control entre los puntos 1 y 4, obteniendo la siguiente expresión,

( )

Donde:

H: Altura útil

Hr: Pérdidas totales en el exterior de la bomba

P: Presión a la que está sometida el fluido

v: Velocidad del fluido

z: Altura de un punto con respecto a un nivel de referencia

: Densidad del fluido g: Gravedad

Sabiendo que el tanque de mezcla trabaja a presión atmosférica, se cancelan la presión en el

punto 1 con la presión del punto 4, quedando:

(

)

( ) ( )

La velocidad en 4, será la que lleve el fluido en la tubería y la velocidad en 1 será la

generada por la agitación. Para el cálculo de la bomba el caudal seleccionado es el de 7000

l/h, la tubería tiene un diámetro de 1,5 in, y la velocidad correspondiente es de 2,00 m/s,

esta sería la velocidad en el punto 4. La velocidad de agitación en el punto 1 es de 2,50 rps,

multiplicándola por 2r/60 se transforma en 0,15 m/s, donde r es el radio del tanque.

La diferencia de altura (z4 - z1), varía dependiendo del nivel del producto en el tanque de

mezcla, vamos a tomar dos casos el primero cuando el tanque tiene 1400 litros de producto

y el segundo cuando tiene 200 litros, en el primer caso la diferencia de altura es de 0,33m y

en el segundo caso es de 1,413, para hallar la altura de la bomba tomaremos el segundo

caso.

Hr corresponde a las pérdidas de carga entre los puntos 1 y 2 y los puntos 3y 4, este valor

ya fue calculado para un caudal de 7000l/h y es igual a 2,92m. Hr también se dejo

expresado en función del caudal.

Por lo tanto para Hr = 2,92 m

( )

Esta altura corresponde a una presión de 45,36 Kpa ó 0,45 bar.

Y para Hr(Q) tenemos,

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84

( )

Por tanto

( )

La expresión anterior es la ecuación del sistema, con esta se determinará el punto de

funcionamiento de la bomba.

Cabeza de succión neta positiva (Net Positive Suction Head - NPSH)

Este parámetro se relaciona con la presión del fluido a la entrada de la bomba y por lo tanto

influye en el fenómeno de la cavitación.

En la entrada a una bomba la presión del fluido debe disminuir (succión) para poder

mantener el flujo del fluido pero se debe tener cuidado de que en todo momento se

mantenga por encima de la presión de vapor del mismo. Si se permite que la presión del

líquido descienda por debajo de la presión de saturación se forman burbujas en la corriente

del fluido que, posteriormente colapsan al alcanzar las zonas de mayor presión de la bomba

causando vibración y picaduras en el rodete o impulsor. Este es el fenómeno de la

cavitación.

En la práctica la cavitación se evita garantizando que el NPSHrequerido por la bomba sea

menor que el NPSHdisponible en el sistema.

El NPSHrequerido es un parámetro de la bomba y lo debe suministrar el fabricante. Se puede

interpretar como la succión que produce la bomba para poder manejar el caudal y la cabeza

para las cuales fue seleccionada.

El NPSHdisponible es un parámetro del sistema y debe calcularse. Nos dice que tanta succión

se puede tolerar antes que la presión alcance la presión de saturación. De ahí el

requerimiento que: NPSHrequerido< NPSHdisponible.

Se calcula de la siguiente manera:

( )

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85

Donde

Patm: Presión atmosférica

Pvapor: Presión de vapor del fluido

hs: Diferencia de altura entre el punto 1 y 2

v: Velocidad del fluido en la entrada de la bomba

Hr 1-2: Pérdidas de carga entre el punto 1 y 2

A medida que se aumenta el caudal del sistema las pérdidas de presión en la succión

aumentan de manera que cada vez se reduce más el NPSHdisponible Del mismo modo al

aumentar el caudal el NPSHrequerido por la bomba aumenta como se muestra en el siguiente

gráfico.

Figura 19. NPSHdisp Vs NPSHreq

Fuente: NOVATEC S.A. http://www.novatecfs.com/

Para este caso tenemos los siguientes datos:

Figura 20. Datos para calcular el NPSHdisp

DATOS PARA CALCULAR NPSHDIPONIBLE

Presión atmosférica 721 mmHg -96125,16 pa

Presión de vapor a 20ºC 17,546 mmHg - 2339,27 pa

Densidad 1020 kg/m3

Gravedad 9,81 m/s2

Altura de succión, hs 0,62 m para 200 litros de producto

Velocidad del fluido 2 m/s

Pérdidas de carga, Hr 1-2 1 m

Fuente: Puerto, (2010). “Termodinamica”

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86

POTENCIA DE LA BOMBA, P

Teniendo definido el caudal y la altura con los que va a trabajar la bomba, se encuentra la

potencia, como sigue:

(13)

(

) (

) (

) ( )

SELECCIÓN DE LA BOMBA

Graficando la curva del sistema sobre la curva de la bomba se encuentra el punto de

funcionamiento y se define la potencia con la que va a trabajar la bomba y el NPSHrequerido

que debe ser menor al NPSHdisponible.

La bomba seleccionada es de la marca INOXPA, maneja potencias entre 0,25 Kw y 2,2

Kw, caudales entre 0 y 24 m3/h y alturas entre 0 y 24 m, las tuberías de la succión y la

descarga son de 1 ½ in, sus curvas características están representadas en la

Figura 21.

Se realiza el trazado de la curva del sistema,

El punto de funcionamiento seleccionado es para un diámetro de rodete de 75 mm, los

datos de altura útil, H, potencia, P y NPSH requerido son los siguientes:

Tabla 30. Punto de funcionamiento de la bomba

H (M) 6,2 M

P (Kw) 0,7 Kw

NPSH requerido (m) 2,1 m

Q (m3/h) 8,6 m3/h

Fuente: Autor

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87

Según la tabla anterior la bomba cumple con los requerimientos del sistema.

Figura 21. Curvas de la bomba INOXPA SN-15

Fuente: INOXPA S.A (2015). Curva de bomba SN15. <http:

//www.inoxpa.com/pump/centrifugal>

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88

7.1.2 Selección de válvulas

Las válvulas que se requieren para el módulo de mezcla son:

• Válvula de tres vías:

Es una válvula con una entrada y dos salidas, se escoge una válvula de asiento con

activación manual por medio de volante, en acero inoxidable sanitario con baja perdida de

carga, conexiones de 1 ½”.

• Válvula de corte:

Se escoge la válvula mariposa sanitaria inoxidable con activación manual por medio de

maneta, debido a que es totalmente sanitaria y en acero inoxidable, conexiones de 1 ½”.

7.1.3 Diseño de recipientes

Con frecuencia se utilizan cilindros como recipientes a presión o tubos que pueden ser

sometidos a presiones internas o externas. Algunas aplicaciones comunes son cilindros de

aire hidráulico, depósitos de almacenamiento de fluido y tuberías.

Para este proyecto se utilizan conceptos relacionados con los tipos de recipientes a presión,

tipos de tapas de recipientes a presión, limitaciones del código ASME división VIII sección

1 y cálculos de recipientes a presión.

Tipos de Recipientes.

Existen Númerosos tipos de recipientes que se utilizan en las plantas industriales o

procesos. Algunos de estos tienen la finalidad de almacenar sustancias que se dirigen o

convergen de algún proceso, este tipo de recipientes son llamados en general tanques. Los

diferentes tipos de recipientes que existen, se clasifican en la siguiente manera.

• Por su uso

Los podemos dividir en recipientes de almacenamiento y en recipientes de procesos.

Los primeros sirven para almacenar fluidos a presión y de acuerdo con sus servicios son

conocidos como tanques de almacenamiento, tanques de día, tanques acumuladores.

• Por su forma

Los recipientes pueden ser cilíndricos o esféricos. Los primeros son horizontales o

verticales y pueden tener algunos casos, chaquetas para aumentar o disminuir la

temperatura de los fluidos según sea el caso.

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Las vasijas esféricas se utilizan generalmente como tanques de almacenamiento, y se

recomiendan para almacenar grandes volúmenes esféricos a altas presiones. Puesto que la

forma esférica es la forma natural que toman los cuerpos al ser sometidos a presión interna

esta sería la forma más económica para almacenar fluidos a presión, sin embargo en la

fabricación de estos es mucho más costosa a comparación de los recipientes cilíndricos.

Tipos de tapas de recipientes bajo presión interna

Los recipientes sometidos a presión pueden estar construidos por diferentes tipos de tapas o

cabezas. Cada una de estas es más recomendable a ciertas condiciones de operación y costo

monetario.

- Tapas planas

- Tapas toriesfericas

- Tapas semielipticas

- Tapas semiesféricas

- Tapas cónicas

- Tapas toriconicas

- Tapas planas con ceja

- Tapas hemisféricas

Limitaciones del código ASME sección VII división 1.

Para poder cumplir con procedimientos de diseño de vasijas a presión el código ASME

sección VIII división 1 tiene unas limitaciones de diseño, las cual se mencionarán a

continuación.

- Aplica para presiones menores a 3000 psi.

- Recipientes para menos de 454.3 litros de capacidad de agua, que utilizan aire como

elemento originador de presión.

- Tanques que suministran agua caliente con capacidad de 454 lt (120 galones)

- Recipientes sujetos a presión interna o externa menor de 1.0055 kg/cm2 (15psi)

- Recipientes que no excedan de 15.2 cm (6pulg) de diámetro.

7.1.4 Diseño de tanque para disolución de azúcar

Características del producto

El producto a contener es agua y azúcar para su disolución por medio de agitación, para

fabricar el jarabe simple materia prima para la elaboración de bebidas refrescantes.

Para proceder al diseño del tanque de proceso se debe tener las características del producto.

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90

Consideraciones de diseño

Para la elaboración del jarabe simple, se elige un tanque cilíndrico vertical de pared sencilla

en acero inoxidable AISI 304L, techo plano y fondo fijo toriesférico, a presión atmosférica,

simétrico lo que garantiza una buena distribución de tensiones.

Parámetros de diseño

A continuación se describirá los Parámetros de Diseño:

PO: Presión de Operación (Kg/cm2)

TO: Temperatura de Operación (ºC)

VO: Volumen Operación (m3)

PD: Presión de Diseño (Kg/cm2)

TD: Temperatura de Diseño (ºC)

VD: Volumen de Diseño (m3)

C: Sobre espesor de corrosión (pulg. – mm)

E: Eficiencia de la Soldadura

PH: Presión hidrostática (Kg/cm2)

Presión atmosférica: 1,03 Kg/cm2

ρ Jarabe: Densidad Jarabe:1020 Kg/m3

ρ agua: Densidad del agua: 1000 Kg/m3

Pe: Peso específico del agua: 9,81 N/m3

Selección del material

La elección del material a utilizar en base a los siguientes factores:

• Las características corrosivas del producto contenido en el tanque.

• Aplicación (cumplimiento de normatividad sanitaria)

• La temperatura de diseño.

• La presión de diseño.

• Los costos.

• La disponibilidad en el mercado de medidas estándares.

El material que cumple con los requisitos mencionados para el diseño del tanque es el acero

inoxidable, la razón principal es que el material no se corroe, la cesión de elementos es

prácticamente insignificante en presencia de sustancias alimenticias, ofrece la confiabilidad

para una producción adecuada sanitariamente y garantiza la conservación de todas las

propiedades organolépticas (sabor, olor, color, etc.) del producto.

El material a utilizar para el diseño es Acero inoxidable SA–240–304 que contiene bajo

carbono (0.08% máximo), comúnmente llamado el acero inoxidable “todo propósito”.

Tiene propiedades adecuadas para gran cantidad de aplicaciones por sus propiedades

mecánicas: como su alta resistencia a la corrosión, superficie totalmente compacta y poco

porosa, alta resistencia a las variaciones térmicas y a las tensiones mecánicas, ausencia de

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91

recubrimientos protectores frágiles o de fácil deterioro, óptima capacidad de limpieza y por

lo tanto elevado grado de eliminación de bacterias. Las características mecánicas de interés

se mencionan a continuación.

Tabla 31. Características del acero inoxidable

COMPOSICIÓN

NOMINAL ESPECIFICACIONES TIPO/GRADO

ESFUERZO

ULTIMO (PSI)

ESFUERZO DE

FLUENCIA (PSI)

18Cr -8 Ni SA 240 304 84000 35000

Fuente: Wesco S.A. (2015). Composición de material Inoxidable 304.

<http://www.wescosa.com.co/productos/aceros-fichas>

Margen por corrosión

En el diseño del tanque se debe determinar un sobre espesor para compensar la corrosión,

erosión o abrasión mecánica que sufre al estar en contacto con los cristales de azúcar. El

acero inoxidable gracias a su contenido en cromo no se ve afectado significativamente por

la corrosión, sin embargo, según los estudios de la compañía Sandmeyer Steel el factor de

corrosión del acero inoxidables es de 0,13 mm al año, entonces para una proyección de 15

años la corrosión es de 1,95 mm.

Eficiencia de la soldadura

La unión entre los elementos que compone el tanque para su fabricación se realiza por

medio de soldadura, razón por la cual se debe contemplar factores tales como defectos en la

realización de la soldadura, cambios bruscos de temperatura en la zona cercana al cordón

que causan debilidad en el material y posibles fallas.

Teniendo en cuanta estos factores en el cálculo del tanque se introduce una reducción de la

tensión máxima admisible multiplicando a esta por un coeficiente denominado eficiencia de

junta (E).

De acuerdo a la norma ASME SECCION VIII División 1 (UW-12) el valor de la eficiencia

es:

Tabla 32. Categoría de Juntas Soldadas

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92

Fuente: (Moss, 2004)

Junta categoría A: serán de tipo No. 1 de la tabla UW12 excepto las del material de acero

tipo 304 austenitico inoxidable, que serán del tipo No. 2.

Junta categoría B: Serán del tipo o del tipo No.2 de la tabla UW-12

Junta categoría C: Serán soldaduras de penetración total extendiéndose a través de la

sección entera de la junta

Junta categoría D: Serán soldaduras de penetración total, extendiéndose a través del espesor

total de la pared del recipiente o de la pared de la boquilla.

Para cálculos de tensión circunferencia en secciones para espesor de cabezas sin soldadura

(junta tipo B y C), el valor de E=1,0 con los requerimientos de radiografiado spot son los

esperados y cuando no son los esperados el valor es de E = 0.85 (junta tipo A, B y D). Los

valores de E para este caso se presentan a continuación.

Tabla 33. Eficiencia de soldadura

E DESCRIPCIÓN

0,85 Cuerpo Cilíndrico

1,00 Cabeza Toriesférico

1,00 Fondo Toriesférico

Fuente: Moss, Dennis. 2004.Pressure vessel desing manual. Tercera. s.l. : Elsevier, 2004

Condiciones de operación del tanque:

Es necesario diferenciar el volumen de operación del volumen de diseño. El volumen de

operación es el mínimo requerido y el volumen de diseño es el que se considera en exceso

teniendo en cuenta las posibles variaciones del caudal suministrado o el movimiento

generado por la agitación del producto.

El valor del volumen de diseño es:

El volumen de operación será:

El valor de la presión de operación es la atmosférica:

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93

A la presión de operación se le suma la presión debida a la columna del producto a

almacenar para calcular la presión de diseño.

(14)

( )

, 1020 kg/m3

La presión de producto (interna) variará de acuerdo con la altura de la columna del

producto, debemos considerar que la presión será diferente a diferentes alturas.

Tabla 34. Variación de presión con altura

ALTURA(m)

PRESIÓN

OPERACIÓN

(Kg/cm2)

PRESIÓN

PRODUCTO

(Kg/cm2)

PRESIÓN

DISEÑO

(Kg/cm2)

0 1,03 0 1,03

0,5 1,03 0,051 1,081

1 1,03 0,102 1,132

1,4 1,03 0,143 1,173

1,5 1,03 0,153 1,183

1,6 1,03 0,1632 1,193

2 1,03 0,204 1,234

Fuente: Autor

Se tomará el valor de presión de diseño calculado con la densidad del jarabe de azúcar con

una altura de 1.4 m que es igual a:

Cálculo del tamaño óptimo del tanque

Los cálculos para las dimensiones del tanque se realizan bajo la norma internacional ASME

SECCIÓN VIII, esta trabaja en el sistema inglés de unidades, por lo que para este cálculo

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94

se trabaja en este sistema de unidades, entonces, el volumen de diseño será 56,5 pies3 y la

presión equivalente es 16,68 lb/pulg2.

Una vez seleccionado el material de construcción, el margen de corrosión, la presión de

diseño y la temperatura, se definirá la geometría.

Se propone una geometría para el tanque con cuerpo cilíndrico, fondo toriesférico y tapa

plana, esta facilita la agitación del producto y minimiza el problema de zonas no agitadas o

zonas muertas.

La relación óptima de la longitud del diámetro puede hallarse mediante el siguiente

procedimiento:

( )

Dónde:

P: Presión de diseño (Lb/pulg2)

C: Margen de corrosión (pulg)

S: Valor de esfuerzo del material (Lb/pulg2)

E: Eficiencia de la junta

Di: Diámetro interior (pies)

Lc: Altura del cuerpo cilíndrico (pies)

De acuerdo a la información de diseño se tiene:

Tabla 35. Parámetros de diseño para el tanque

DESCRIPCIÓN PARÁMETROS DE DISEÑO

P 16,68 lb/pulg2

C 0,0768 pulg

S 35000 Lb/pulg2

E 0,85

V 56,5pies3

Fuente: Autor

Resolviendo la Ecuación 15:

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95

Ahora con el factor “F” hallado y el volumen del recipiente “V” se utiliza la Figura 22, se

obtiene el diámetro (Di) del cuerpo del tanque

Figura 22. Selección del Diámetro del Recipiente

Fuente: Moss, Dennis. 2004.Pressure vessel desing manual. Tercera. s.l. : Elsevier, 2004

Di = 3,9 pies

Di = 1189 mm

Cálculo del Volumen del fondo toriesférico

Con el diámetro interior calculado el Volumen del fondo se obtienen con la siguiente

ecuación:

( )

Dónde:

Entonces:

( )

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96

Cálculo de la altura interior total del tanque:

Una vez hallado el volumen del fondo se procede a hallar el volumen del cuerpo cilíndrico:

( )

Donde

Se calcula por separado la longitud del cuerpo cilíndrico con la siguiente fórmula.

Altura del cuerpo:

( )

( )

Cálculo del espesor del cuerpo cilíndrico

Para efectos del cálculo del espesor en el cuerpo cilíndrico del tanque se tendrá en cuenta lo

especificado en la norma ASME VIII División 1 en la parte UG-27 para presión interna y

UG – 28 para la presión externa. (Unidades en el sistema ingles)

( )

Dónde:

tc = espesor (pulg)

P = Presión de diseño (PSI)

R = Radio del tanque (pulg)

S = Esfuerzo admisible (PSI)

E= Eficiencia de la junta

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97

C =Margen de corrosión (pulg)

( ) ( ⁄ ) ⁄

Por lo tanto, de acuerdo a las dimensiones comerciales de lámina en acero inoxidable SA

240 -304 se tomará el espesor de 3mm.

Cálculo del espesor del fondo toriesférico del tanque

Para el cálculo del espesor por presión interna del fondo toriesférico se utilizará la siguiente

fórmula

( )

Dónde:

P: Presión de diseño (PSI)

L: Diámetro interior (pulg)

M: Factor adimensional que depende de la relación L/r

r: Radio de esquina L/10 (pulg)

S: Esfuerzo admisible (PSI)

t: Espesor mínimo requerido

E: eficiencia de la soldadura

C:Margen de corrosión (pulg)

Para hallar M:

Con la relación L/r se obtiene el Factor “M” del ANEXO C el valor M = 1,54.Entonces,

( ) ( ⁄ ) ⁄

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98

Cálculo de la altura del fondo toriesférico del tanque:

Las dimensiones del fondo toriesférico se calculan de acuerdo a la norma DIN

28011Torispherical head la cual es basada en el código de diseño de ASME VIII, Div. 1

und Div. 2.

Figura 23. Fondo Toriesférico tipo Klopper

Fuente: Fondeyur. Fondo KLOPPER (DIN-28011). [En línea]

http://www.fondeyur.com/fondos-klopper.aspx.

Tabla 36. Dimensiones fondo toriesférico

ECUACIONES CÁLCULO DIMENSION

ES (PULG)

DIMENSION

ES (MM)

R = De R = 1194,72mm

r = R/10 r = ⁄ 119.47mm

h1≥ 3.5e h1 ≥ 3.5 x (0.121 pulg) 10,75mm

h2 = 0.1935De-

0.455e h2 = 0.1935( ) -

0.455(0.121 pulg) 229,78mm

H = h2 + h1 + e H= + +(0,121pulg)

243,61mm

Dd=

1.11De+1.85h1

Dd=1,11x +1,85x

1346,04mm

V(h2) = 0.1(Di)3 V(h2) = 0.1(Di)3 10250,32pulg

3 168 L

*Se tomará e= pulg

Fuente: Moss, Dennis. 2004. Pressure vessel desing manual. Tercera. s.l. : Elsevier, 2004

Donde:

De: Diámetro exterior

e: Espesor inicial

R: Radio ésferico interior

r: Radio rebordeo interior h1: Pestaña (parte recta)

H: Altura total exterior

V: Volumen

Dd: Diámetro disco de partida

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99

Di: Diámetro interior

h2: Flecha

Hc: Altura Central

Cálculo de altura total del tanque:

El cálculo de la altura total será:

( )

Conexiones

El tanque de proceso tendrá disponible cinco conexiones tipo clamp de 1 ½” en acero

inoxidable, cuatro distribuidas en la parte superior para la entrada de agua de proceso, para

el agua de lavado, para el producto recirculado y para la instalación del venteo. Y una en la

tapa inferior, para la salida de producto y vaciado del tanque.

Tabla 37.Conexión tipo clamp

Fuente: Fondeyur. Fondo KLOPPER (DIN-28011). [En línea]

http://www.fondeyur.com/fondos-klopper.aspx.

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100

7.1.5 Diseño del sistema de agitación

Consideraciones de diseño:

Para el diseño del sistema de agitación se tendrán las siguientes consideraciones:

El tipo de flujo que se requiere en el interior del tanque es turbulento, esto para

garantizar que el jarabe sea totalmente homogéneo.

En el mercado existen gran variedad de agitadores, con distintas características y funciones. Los más habituales tienen sus dimensiones estandarizadas de acuerdo

con la norma DIN 28131.Como sigue:

Figura 24. Diferentes tipos de agitadores

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101

Fuente: UNISAR. 2003-2004. Estudio téorico experimental de la agitación. [En línea]

2003-2004. http://www.unizar.es/dctmf/jblasco/AFTAgitacion/index.htm.

Para este caso se selecciona un rodete de palas planas inclinadas debido a que

genera un flujo turbulento, es de fácil fabricación y bajo costo.

Para hallar las dimensiones del rodete y del eje se tendrá en cuenta los parámetros

de diseño del tanque.

La ubicación del agitador es centrada.

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102

Tanque con placas deflectoras, estas son bandas planas verticales, situadas

radialmente y a lo largo de la pared del tanque, que generan una mayor turbulencia

en el fluido, con la consiguiente mejora del proceso de mezcla.

Diseño del rodete

Tomando como punto de partida el diseño para palas planas inclinadas de la norma DIN

28131, se tiene,

Figura 25. Caracterización de rodete y placas deflectoras.

Fuente: UNISAR. 2003-2004. Estudio téorico experimental de la agitación. [En línea]

2003-2004. http://www.unizar.es/dctmf/jblasco/AFTAgitacion/index.htm.

Dónde:

d1: Diámetro del cuerpo del tanque

h1: Altura del fluido

d2: Diámetro del impulsor

h2: Distancia de la parte inferior del tanque al centro de las paletas del rodete

h3: Ancho de las palas

: Angulo de inclinación de las palas

: Ancho de los deflectores Le: Longitud del eje

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103

Entonces, con el valor que se obtuvo para el diámetro de tanque en el numeral 7.1.3se

dimensiona el rodete

Tabla 38. Dimensionamiento del rodete

ECUACIONES CÁLCULO DIMENSIONES

(mm)

( )

Fuente: Autor.

Cálculo de placas deflectoras:

Si el agitador va montado verticalmente en el centro del tanque sin placas deflectores, casi

siempre se desarrolla una trayectoria de flujo tipo remolino. Este suele ser indeseable

debido a que se atrapa aire, se desarrolla un vórtice considerable y ocurren oleadas y otros

efectos perjudiciales, en especial, cuando se opera a velocidades altas.

Para lograr una agitación vigorosa con agitadores verticales, se acostumbra el empleo de

placas deflectores para reducir el tamaño del remolino y obtener así un buen mezclado. En

la Figura 25se muestra deflectores montados en las paredes en posición vertical.

Generalmente, cuatro deflectores suelen ser suficientes. La anchura habitual para estos

dispositivos es de 1/10 a 1/12 del diámetro del tanque (dimensión radial).

Figura 26. Tanque con placas deflectoras

Fuente: ANEXO A. Catalogo agitador

Deflectore

s

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104

Se diseña el tanque con cuatro placas deflectoras, con ancho de 1/12 del diámetro del

tanque como sigue.

Tabla 39. Dimensionamiento de placas deflectoras

ECUACIONES CÁLCULO DIMENSIONES (mm)

99,06

Fuente: Autor

El ancho calculado de la platina es igual a 99,06 mm (3,9 in), comercialmente se encuentra

la platina de 4” de ancho por 3/16” de espesor.

Consumo de potencia del agitador.

Para el cálculo de la potencia consumida por el impulsor, se usa dos números

adimensionales: el número Reynolds y el número de potencia, cuya relación se representa

por medio de la gráfica Figura 27. Gráfica del número de potencia, donde se muestra las

curvas típicas de correlación para distintos impulsores que se utilizan habitualmente con

líquidos newtonianos contenidos en recipientes cilíndricos con deflectores.

Figura 27. Gráfica del número de potencia

Fuente: Itescam. Cálculo de potencia. [En línea]

http://www.itescam.edu.mx/principal/sylabus/fpdb/recursos/r94937.PDF.

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105

Número de Reynolds

( )

Dónde:

NRe: Número de Reynolds

ρ: Densidad (Kg/m3)

d2: Diámetro del impulsor (m)

µ: Viscosidad (kg/m-s)

n: RPS

El producto a agitar será el jarabe compuesto, la densidad del jarabe es de 1020 Kg/m3y la

viscosidad es de 0,07 kg/m-s. Sobre el proceso de mezclado del jarabe compuesto se

conoce que la velocidad de agitación es de aproximadamente N = 150 RPM.

Se reemplazan los valores,

( ) ⁄

Cálculo de la Potencia:

Para el cálculo del consumo de potencia tenemos la siguiente ecuación(Itescam)

( )

Dónde:

NP: Número de Potencia del grafico

ρ: Densidad (Kg/m3)

d2: Diámetro del rodete (m)

P: Potencia (W)

n: RPS

gc: Número adimensional, para el SI es igual a 1

Con el valor de NRe para el impulsor de cuatro palas planas inclinadas, se obtiene Np

mediante la gráfica Npvs NRe(Figura 27) utilizando la curva número 2.

Deduciendo de la Ecuación 24 se tiene que:

( )

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106

⁄ ( ) ( )

La potencia consumida por el impulsor de cuatro palas inclinadas del agitador utilizado

para el mezclado de jarabe compuesto es de .

Para la potencia de selección del motor se debe tomar en cuenta la eficiencia de los

reductores de velocidad que se encuentran en el mercado, generalmente η =0.80.

( )

Selección de motor-reductor:

Se escoge el fabricante SEW-EURODRIVE, el tipo de motor-reductor SPIROPLAN®,

estos son de ejes perpendiculares robustos y con engranaje SPIROPLAN®. La diferencia

con respecto a los reductores de tornillo sin fin está en la combinación de materiales del

engranaje acero-acero, que permite unas relaciones de engranaje especiales, y la carcasa de

aluminio. Gracias a ello, los motorreductores SPIROPLAN® resultan muy silenciosos,

ligeros y no sufren desgaste. Gracias a su diseño especialmente corto y a la carcasa de

aluminio, pueden realizarse soluciones de accionamiento muy compactas y ligeras. El

engranaje libre de desgaste y la lubricación permanente permiten un funcionamiento

prolongado y sin mantenimiento.

Inicialmente es necesario conocer la potencia de selección, la cual corresponde a la

potencia del motor por el factor de servicio, F.S., según el catalogo del fabricante este

factor de servicio para la industria alimenticia debe ser mayor o igual a 1,2.

( ) ( ) ( )

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107

Se selecciona el motor-reductor SEW versión con brida y eje hueco con anillo de

contracción, ver Figura 28, con referencia WHF47DRS80M4 que tiene las siguientes

características:

Figura 28. Motor-reductor SEW versión con brida y eje hueco con anillo de contracción

Fuente: ANEXO B, Catalogo Motorreductor angular Spiroplan®, serie W, Capitulo 8- sección

8,2

Reductor

Tipo: Spiroplan

Velocidad a la salida: 142 RPM

Relación de transmisión: 9.96

Momento torsor a la salida: 70 Nm

Fuerza radial a la salida: 4450N

Factor de servicio: 1,6

Diámetro del hueco: 20 mm

Motor

Tipo: Eléctrico

Potencia: 1,1 KW (1,48 HP)

Velocidad: 1414 RPM

Voltaje: 220/380

Frecuencia: 60 Hz

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108

Tabla 40. Selección del motor-reductor del catalogo del fabricante SEW-EURODRIVE

Fuente: ANEXO B, Catalogo Motorreductor angular Spiroplan®, serie W, Capitulo 8- sección

8,2

Cálculo del diámetro del eje:

Los esfuerzos sobre el eje se evalúan en los sitios potencialmente críticos. La potencia

transmitida causa la torsión y las fuerzas transversales sobre los elementos causan la

flexión. El diseño del eje se realiza bajo la norma ANSI B106.IM, el diámetro del eje se

calcula con la siguiente ecuación.

[

√[

]

[

]

]

( )

Dónde

: Diámetro del eje (m)

: Factor de seguridad estimado para el cálculo del diámetro

: Factor de concentración de esfuerzo para flexión

: Momento flector (flexión) Nm

: Resistencia a la fatiga modificada

: Momento torsor (Nm)

: Esfuerzo a la fluencia (Mpa)

Se determina que el eje del agitador únicamente está sometido a torsión y en este caso el

esfuerzo cortante por torsión es casi uniforme. No se requiere el factor de concentración de

esfuerzos en el término del esfuerzo cortante torsional, ya que se supone constante y las

concentraciones de esfuerzo tienen poco o ningún efecto sobre el potencial de falla.

En el caso del eje del agitador no existen aplicadas fuerzas transversales que puedan causar

flexión, por lo tanto de la ecuación para el cálculo del eje se reduce a

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109

[

[

]

]

( )

Se utiliza = 2 en diseños típicos de ejes donde se conoce los datos de resistencia del

material y de las cargas.(Mott, 2006)

[

[

⁄]

]

Como el diámetro del eje calculado es menor que el diámetro del hueco que sirve de

alojamiento para el acople en el motorreductor, se sobredimensiona el diámetro del eje

tomando en cuenta que no se producirá falla en este, por consiguiente el diámetro del eje

será de 20mm.

Deformación angular por torsión

Teniendo en cuenta que el módulo de elasticidad transversal relaciona la deformación

angular con la tensión cortante, se puede escribir el ángulo girado por las secciones

separadas una distancia L, como:

( )

Dónde

θ : Ángulo de deformación (rad)

T : Torsión (Nmm) L : Longitud del eje donde se calcula el ángulo de torsión (mm)

J : Momento polar de inercia (mm)

G : Módulo de elasticidad transversal (Gpa)

E : Módulo de elasticidad (210Gpa)

: Coeficiente de Poisón = 0,3

Se halla el momento polar de inercia J

( )

( )

Donde D es el diámetro del eje

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110

Se halla el módulo de elasticidad transversal

( ) ( )

( )

Entonces

Cálculo de la chaveta

En la zona de acoplamiento se usará una cuña plana de acero inoxidable SA240 -304

En el ANEXO D se muestran las chavetas estándar según la norma DIN 6885. La chaveta

plana recomendada para un diámetro de 20 mm es:

8mm x 5mm x Longitud ( )

Para determinar la longitud ( ) necesaria de la cuña, se utiliza la siguiente ecuación

( )

Dónde

: Momento torsor Nm

: Esfuerzo cortante máximo

: Ancho de la cuña

: Diámetro del eje

Para hallar el esfuerzo cortante máximo

( )

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111

Entonces hallando ( )

( )⁄

Se tomará la recomendación de longitud de la cuña de la tabla del ANEXO E, donde ( )es igual 36 mm.

Entonces la cuña será:

8mm x 5mm x36mm

Cálculo Estructural de rodete

Se realizará los cálculos de las fuerzas sobre el impulsor, el espesor de las palas

Tabla 41. Dimensiones hélice impulsor

Fuente: Autor

La hélice del agitador está conformada por un eje central hueco, con una rosca interna, ya

que el eje del agitador en la parte inferior esta roscado.

Esta rosca está diseñada para que la hélice desenrosque de forma contraria al movimiento

de agitación, con eso se asegura que la hélice nunca se va a salir.

El diámetro interno de la rosca es del mismo diámetro del eje del agitador, el diámetro

exterior se toma como dos veces el diámetro interno para que no se debilite.

La rosca seleccionada tipo whitworth, normalizado en la DIN 11. Para este caso es una

rosca con designación BSP: W 3/4”-10UNF-3B-LH

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112

Dónde:

W 13/16”: Significa el diámetro mayor nominal de la rosca en pulgadas.

10: Significa el número de hilos por pulgada.

UNF: Es la serie de la rosca, en este caso unificada fina.

3B: Ajuste.

LH: Rosca izquierda.

Determinación de las fuerzas sobre el impulsor

Como el impulsor consta de 4 paredes de álabes opuestos uno del otro entonces cada par de

álabes consumirá:

Potencia del álabe (Pa) = 1,48 HP / 4 = 0,37 HP

Entonces, el torque desarrollado por cada par de álabes será

( )

Dónde:

Potencia (HP)

: Momento torsor (Torque transmitido) (Kg-m)

: Revoluciones del motor (RPM)

Figura 29. Esquema sobre las fuerzas en el impulsor

Fuente: Autor

Dónde:

F

F

d

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113

Luego la fuerza ejercida por el fluido al movimiento de cada paleta será:

⁄ ( )

( ) ⁄

Determinación del espesor de los álabes

Igual que el eje del agitador, los álabes serán de acero inoxidable SA-240TO304L, el ancho

del álabe será tomado según las medidas comerciales para este caso de 50,8 (2)” y el largo

es de 180 mm.

Figura 30. Dimensiones del álabe

Fuente: Autor

Asumiendo que se trata de un cantiléver simple con una carga puntual en el extremo

Figura 31. Esquema de carga puntual

Fuente: Autor

El esfuerzo máximo se da en el extremo

( )

Donde

: Fuerza

: Longitud del álabe

: Ancho del álabe

: Espesor

50,8 mm

180 mm

0

F

L

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114

: Esfuerzo admisible (0,50 )

Por consiguiente

(38)

( )⁄

El espesor de los álabes será de 3/16” de espesor, ya que es la medida comercial del

material.

7.1.6 Diseño de columnas para tanque

Consideraciones de diseño

Se diseñará los soportes para el tanque de proceso el cual consistirá en calcular los pesos y

las cargas que se ejercen en el tanque.

Peso del cuerpo del tanque

Peso del eje

Peso del rodete

Peso del fluido

Peso del motorreductor

Cálculo de pesos

Cálculo del peso del tanque

De acuerdo al desarrollo del tanque de acero inoxidable se tiene

( )

Parte cilíndrica: El desarrollo del cuerpo del cilindro es de

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115

Parte fondo toriesférico: se debe partir de un disco diámetro de 1,3m

( ( ) )

Parte tapa plana, diámetro 1,2m

( ( ) )

Cálculo del peso del eje

El eje de acero inoxidable de diámetro de 20mm y una longitud de 1,129m

( ( ) )

Cálculo del peso del rodete

El rodete está formado por un centro y cuatro álabes

Centro del rodete

( ( ) )

Paletas del rodete

( )

Cálculo del peso del fluido

El fluido a contener el tanque de proceso es jarabe de azúcar que tiene una densidad de

1.020 Kg/m3 y el volumen de diseño es de 1,6m

3

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116

Cálculo del peso del motorreductor

De acuerdo al modelo seleccionado el peso del motorreductor es de 24Kg

Cálculo del peso de brida y conexiones

El peso de la brida para el motorreductor 1,8Kg

El peso de las cinco conexiones clamp de 1 ½” es de 1,5Kg

Cálculo del peso total del tanque de mezcla

Después de tener el peso total, un porcentaje adicional se agrega típicamente para permitir

otros componentes y soldadura. En este caso según el libro Pressure vessel desing manual,

para pesos menores a 50000 lb se adiciona un 10%, entonces,

( ) ⁄

( )

Diseño de apoyos tipo columna

El tanque de proceso tendrá cuatro columnas que soportarán el peso total, debidamente

distribuidos cada 90°, para distribuir las cargas en cuatro partes iguales. El material de las

columnas es de acero estructural redondo de 2” Schedule 10S (espesor de pared de

2,77mm) y tendrán una longitud de 0,60 m.

El cálculo de las columnas se hará con base en el método LFRD (Diseño por factores de carga y factores de resistencia para columnas), el cual se expone en el libro Diseño de

Estructuras de Acero, Método LFRD, Mc Cormac, 2da Edición, Ed. Alfaomega, en donde,

se compara las cargas ejercidas sobre la columna con respecto a la resistencia de diseño.

La primera verificación que se realizará a la columna es el chequeo por esbeltez a

comprensión, ya que si sobrepasa el límite de la restricción hay que utilizar otro perfil, para

que este soportado el peso al que estará sometida la columna. El chequeo por esbeltez tiene

por ecuación(McCormac)

Donde

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117

: Factor de la longitud efectiva

: Longitud de la columna (mm)

: Radio mínimo de giro (mm)

El factor de longitud efectiva se obtiene de la siguiente tabla,

Tabla 42. Factor de longitud efectiva, K.(McCormac), pág. 141

Fuente: McCormac.Diseño de estructuras de acero Método LRFD. Segunda Edición.

México : Alfaomega. pág. 141

En este caso la rotación y la traslación en ambos extremos de la columna son impedidos y

las condiciones reales del diseño son parecidas a las ideales, por lo tanto de la tabla se

obtiene que K es igual a 0,65.

El radio de giro mínimo es

√ ( )

Donde

: Diámetro externo

: Diámetro interno

√( ) ( )

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118

Reemplazando se obtiene

Ya que paso el chequeo de esbeltez, ahora se procede a calcular la carga de diseño,

teniendo en cuenta que solo tendrá como carga, la carga muerta de la masa igual a 4953,1 N

por cada columna.

( )

Donde

: Carga de diseño

: Carga muerta

Reemplazando se obtiene

Para determinar la resistencia de diseño, primero hay que calcular la relación de esbeltez de

transición para saber qué tipo de columna es, es decir si es una columna corta, intermedia o

larga.

(42)

Donde

: Constante de columna o relación de esbeltez

: Resistencia de fluencia

: Módulo de elasticidad

Reemplazando se tiene

√ ( ⁄ )

Se compara el resultado de con ⁄ , si ⁄ es mayor que la columna es larga se

debe utilizar la ecuación de Euler y si ⁄ es menor que la columna es corta se debe

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119

utilizar la ecuación de J.B. Johnson, para calcular el valor de la carga crítica de pandeo. En

este caso se aplicará el segundo caso

[ ( ⁄ )

] ( )

Donde

: Carga critica de pandeo

: Área

( ) ( )

(( ) ( ) )

Reemplazando

( ) ( ⁄ ) [ ( ⁄ ) ( )

⁄]

Esta es la carga crítica de pandeo, una carga segura tendría un valor menor que se calcula al

aplicar un factor de diseño para determinar la carga admisible. Se especifica para este caso

que el número de patas es , entonces

( )

Donde,

: Carga admisible

: Número de patas

Esto quiere decir que el perfil tubular de sección transversal circular hueco seleccionado

cumplirá satisfactoriamente con las cargas a las que estará expuesto, debido a que la carga

de diseño (Pu) es menor que a la carga admisible (Pa).

7.2 MÓDULO DE PASTEURIZACIÓN

Elementos a reutilizar de la planta actual:

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120

NINGUNO, es el módulo nuevo de la planta ya que la pasteurización será directa y en línea

o flash.

El módulo de pasteurización contará con los siguientes elementos que se deberán diseñar

acorde al caudal y temperaturas solicitados por producción.

TANQUE PULMÓN

Este tanque servirá como almacenamiento parcial de producto al inicio del proceso de

pasteurización, es un tanque de poco volumen que da cabeza positiva a la bomba centrífuga

y además sirve para almacenar producto que no se pasteuriza o que debe volver al inicio de

la pasteurización.

Tabla 43. Características del tanque pulmón

Función

Tanque de almacenamiento flash de producto sin pasteurizar.

Da una cabeza positiva a la bomba centrífuga de impulsión de

pasteurizador.

Recibe producto que es rechazado de la pasteurización por no alcanzar

la temperatura.

Recibe producto que aun ya pasteurizado debe volver al inicio dado

que la llenadora que es el proceso que sigue está bloqueada.

Volumen 150 litros nominales

Diseño Cilíndrico vertical montado en patas, sin tapa ya que permite ver el

producto y el nivel, fondo cónico.

Material Acero inoxidable 304

Acabados Sanitarios apropiados para industria alimenticia

Conexiones

Descarga de producto Inferior central conexión norma clamp

Cargue de producto

Lateral entrada de producto

Lateral recirculación de producto

Lateral devolución de producto no pasteurizado

Agitación No necesita

Fuente: Autor

BOMBA ENVÍO DE PRODUCTO

La bomba envía con un caudal constante el producto a través de los diferentes pasos del

intercambiador para pasteurizar el producto y luego envía a la llenadora. El caudal

seleccionado es acorde al máximo caudal de la llenadora actual, sin embrago el caudal

podría ser mayor pero se debe almacenar producto y por ahora no es conveniente por tema

de presupuesto.

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121

Tabla 44. Características bomba de envío

Función

Envió de producto desde tanque pulmón hasta la llenadora pasando

por las etapas del intercambiador de calor.

Recirculación de producto pasteurizado al tanque pulmón

Devolución de producto no pasteurizado en el intercambiador al

tanque pulmón.

Recirculación de productos para lavado de tanques y tuberías

Tipo Centrífuga sanitaria

Material Acero inoxidable 304

Caudal de envío a

pasteurizador 720 litros/hora

Presión Acorde a las pérdidas por paso a través de intercambiadores, tuberías y

accesorios hasta la llenadora.

Características Conexiones trifásicas 220v

Conexiones de succión y descarga sanitarias clamp

Fuente: Autor

INTERCAMBIADOR DE CALOR

Es encargado de realizar el intercambio de calor indirecto de superficie ya sea calentando o

enfriando, en este caso se utilizarán dos etapas, una de calentamiento donde ingresará el

producto a temperatura ambiente (aproximados 20°C) y se debe calentar hasta los 92°C,

luego del tiempo de retención se debe enfriar hasta los 20°C nuevamente haciendo un

choque térmico alto y de esta forma eliminando los agentes patógenos.

Tabla 45. Características de los intercambiadores

Función Calentamiento y enfriamiento del producto

Eliminación de agentes patógenos

Tipo Indirecto de superficie plana o placas

Material Acero inoxidable 304

Ciclo térmico 20°c – 92°c (primer intercambiador)

92°c – 30°c (segundo intercambiador)

Fluido de intercambio Para calentamiento vapor según necesidad

Para enfriamiento agua de torre según necesidad

Caudal de trabajo 720 litros/hora

Presión Acorde a las pérdidas por paso a través de intercambiadores,

tuberías y accesorios hasta la llenadora.

Características Sanitario para trabajo en industria alimenticia

Placas y frame inoxidable

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122

Fuente: Autor

TIEMPO DE RETENCIÓN

A través de tubería redonda de producto y aislada térmicamente se mantiene el producto

por un tiempo de 30 segundos a la temperatura de 92°C, con este tiempo se termina de

eliminar los agentes patógenos.

Tabla 46. Tiempo de retención

Función Mantener durante un tiempo y una temperatura especifica el

producto para eliminar agentes patógenos

Tipo Tubería redonda aislada térmicamente

Material Acero inoxidable 304

Caudal de trabajo 720 litros/hora

Características Tubería sanitaria sin puntos muertos y aislamiento eficiente para

pérdidas de calor muy bajas.

Fuente: Autor

VÁLVULA DESVÍO

El producto no pasteurizado o no conforme a la temperatura de pasteurización se debe

retornar al inicio de la operación o al tanque pulmón. Esta labor se realiza a través de una

válvula automática que se encarga de desviar el producto dependiendo la temperatura que

se alcance.

Este control se debe hacer a través de un sensor de temperatura que envíe la señal de

cambio de sentido de la válvula, es muy importante el funcionamiento de este elemento

dado que el paso de producto no pasteurizado es muy peligroso en la producción y calidad

del producto.

Tabla 47. Características de válvula de desvío

Función Desvío de producto pasteurizado o no pasteurizado

Tipo Neumática de tres vías, un ingreso dos posibles salidas

Material Acero inoxidable 304

Diámetro de trabajo Acorde a las pérdidas de presión por paso de fluido en la tubería.

Características Sanitaria, accionada por aire o por motor eléctrico.

Fuente: Autor

VÁLVULA DE CONTROL DE NIVEL DE TANQUE

Esta válvula permite que el nivel de tanque pulmón no se exceda y cuando baje el nivel

abre de manera automática controlada por un flotador para que se llene de nuevo el tanque.

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123

Tabla 48. Características válvula de control de nivel de tanque

Función Mantener el nivel de tanque pulmón en su máxima capacidad

Tipo Válvula tipo flotador

Material Acero inoxidable 304

Diámetro de trabajo Acorde a las pérdidas de presión por paso de fluido en la tubería.

Características Sanitaria inoxidable 304.

Fuente: Autor

SISTEMA DE CONTROL DE VAPOR

Este sistema permite el control de vapor que llega de la caldera al intercambiador y que

permite llevar la temperatura de producto a través de las placas de intercambio hasta los

92°C, el sistema de calentamiento debe tener válvula reductora de presión de vapor, válvula

reguladora de presión de vapor, sistema de seguridad para sobre presiones, sistema de

manejo de condensado y válvulas de corte.

Tabla 49. Características sistema de control de vapor

Función Mantener la temperatura del producto pasteurizado en los 92°c

regulando la entrada de presión de vapor al intercambiador

Tipo

Control de temperatura en el producto a través de la sonda de

temperatura y envío de señal de 4-20 ma para control de la válvula

proporcional.

Material Hierro fundición

Diámetro de trabajo Acorde a las pérdidas de presión por paso de fluido en la tubería.

Características Respuesta rápida de la válvula modulante

Fuente: Autor

INSTRUMENTACIÓN

En el control de la pasteurizador de producto se debe garantizar ciertos parámetros para la

obtención de producto pasteurizado, siempre manteniendo las temperaturas de

pasteurización y de salida de producto, las siguientes variables se requiere controlar en el

equipo.

- TEMPERATURA: es la variable de medición y control de mayor importancia en el

equipo, dado que la temperatura de pasteurización es única y no puede varia +/-

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124

2°C, esto se realizará con la instalación de una termocupla tipo K en la salida del

calentamiento o primer intercambiador.

Tabla 50. Características de instrumentos de temperatura

Función

Medición de temperatura en la salida del intercambiador de

calentamiento

Envío de señal a un visualizador para ver la temperatura de salida

del intercambiador de calentamiento

Tipo Termocupla tipo k

Material Acero inoxidable 304

Diámetro de trabajo 1” diámetro de conexión x 3 cm de longitud de bulbo

Características Sanitaria inoxidable 304, cabezal de termocupla en acero inoxidable.

Señal de salida de 4-20 ma.

Fuente: Autor

- CAUDAL: Se debe controlar dado que el caudal de producto en el intercambiador

debe ser lo más estable posible para que las variaciones de temperatura en la salida

del intercambiador de calentamiento sean pequeñas y se mantengan dentro del

rango +/- 2°C, el control será manual regulando una válvula en la descarga de la

bomba centrífuga.

Tabla 51. Características de los instrumentos de medición de caudal

Función Medición de caudal de producto en línea

Visualización de caudal

Tipo El más adecuado

Material Acero inoxidable 304

Diámetro de trabajo Depende del diámetro de tuberías en la instalación

Características Sanitario inoxidable. Trabajo normal de 720 l/h.

Fuente: Autor

- PRESIÓN: Un manómetro de presión tipo bourdon instalado a la descarga de la

bomba centrífuga permite visualizar la presión de la línea y controlar de forma

manual si existe sobrepresión, es necesario debido a que esto puede afectar el caudal

de la bomba, y además se puede saber si las placas de los intercambiadores están

saturadas por impurezas o producto quemado e informa que se debe lavar el

intercambiador.

Tabla 52. Características de los instrumentos de medición de de presión

Función Medición de presión de la bomba centrífuga en línea

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Tipo Bourdon

Material Acero inoxidable 304

Diámetro de trabajo Depende del diámetro de tuberías en la instalación

Características Sanitario inoxidable. Trabajo normal de 0-10 bar, conexión sanitaria.

Fuente: Autor

SISTEMA ELÉCTRICO

Se debe adicionar un cuadro de maniobra para el control de la bomba centrífuga, control de

temperatura para el calentamiento, control de temperatura para el enfriamiento, control de

la válvula neumática de producto pasteurizado.

Tabla 53. Características de sistema eléctrico

Funciones

Accionar o desconectar la bomba centrífuga

Controlar el ingreso de vapor para la temperatura de producto

pasteurizado

Controlar la entrada de agua de torre para la temperatura de producto

enfriado

Protecciones eléctricas contra picos o sobre corrientes de los elementos

eléctricos

Tipo Cuadro eléctrico trifásico con conexiones a tierra y normativa ANSI

Material Plástico, cableado eléctrico a los puntos en canaleta cubierta inoxidable

Capacidad Según potencia de diseño de bomba y agitador

Características

Debe estar instalado muy cerca del tanque y de la bomba de recirculación

para accionar por un solo operario. Debe ser a prueba de agua ya que el

área será de total lavado por el operario.

Fuente: Autor

SERVICIOS INDUSTRIALES MÓDULO DE PASTEURIZACIÓN

Se debe disponer de una alimentación al módulo de pasteurización de los siguientes

servicios industriales.

Tabla 54. Servicios industriales módulo de pasteurización

Electricidad Según el consumo de potencia de la bomba, control de temperatura.

Agua tratada No se requiere

Aire Para la alimentación de la válvula de desvío de producto pasteurizado y

para válvula reguladora de vapor

Vapor Para calentamiento de producto a pasteurizar

Agua de red Se requiere un punto de ingreso al tanque de balance.

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126

Agua de torre Se requiere para el enfriamiento de producto hasta 30°c

Fuente: Autor

7.2.1 Selección bomba pasteurización

Selección de diámetros de tuberías y bombas

El caudal que maneja este módulo es el requerido por la máquina de envasado, igual a 720

l/h, para poder cumplir con la meta diaria de producción igual a 1400 litros/día.

El lavado de tanques y tuberías se realizará con el mismo caudal utilizado en el módulo de

mezcla, 7000l/h, y el diámetro de la tubería será de 1 1/2”.

Figura 32. Módulo de pasteurización

Fuente: Autor

Pérdidas de carga en el módulo de pasteurización

Las pérdidas de carga en este módulo son: las pérdidas debidas a la fricción en la tubería y

las pérdidas menores generadas por los accesorios, como, válvulas, tees, codos, etc.

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127

Figura 33. Esquema del módulo de pasteurización

TIEMPO DERETENCION

15 SEGUNDOS

SISTEMAAGUA CALIENTE

SISTEMAAGUA FRIA

TT

TI

FI

PI

FI

INTERCAMBIADORENFRIAMIENTO

INTERCAMBIADORCALENTAMIENTO

TANQUE PULMON

TEMPERATURA DE 95 GRADOS

PRODUCTO NOPASTEURIZADO

ENVIO PRODUCTO A LLENADO

RETORNO PRODUCTO

Fuente: Autor

Pérdidas debidas a la fricción

El procedimiento para calcular las pérdidas por fricción es el mismo que se utiliza para el

módulo de mezcla.

En el módulo de pasteurización se tiene el envío de producto a un caudal de 720 l/h y el

lavado de tanques y tuberías a un caudal de 7000 l/h.

El producto que no cumpla con las especificaciones de pasteurización o que no se pueda

envasar en el momento, será devuelto al tanque pulmón, por lo tanto existirá una

recirculación en el proceso, el caudal manejado por esta será igual al del envío de producto

al módulo de envasado, 720 l/h.

Según lo anterior se calculan las pérdidas por fricción para los casos de envío de producto

al módulo de envasado, de recirculación después del calentamiento, de recirculación por no

envasado y para el lavado de tanques y tuberías.

Tabla 55. Datos del producto

DATOS DEL PRODUCTO

Densidad del Agua, 1000 Kg/m3

Densidad del producto, 1020 Kg/m3

Viscosidad dinámica del producto, < 0,07 (N.s/m2)

Diámetro nominal de la tubería 1,5 in (38,1 mm)

Diámetro interno de la tubería, D 35,1 mm

Rugosidad de la tubería inoxidable, K 0,8 micras

Fuente: Autor

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128

Sabiendo que, Caudal = Área x Velocidad, se determina la velocidad para cada uno de los

casos para poder hallar el número de Reynolds

Tabla 56. Velocidad del fluido

VELOCIDAD DEL FLUIDO m/s

Recirculación del producto 0,207

Envío al módulo de envasado 0,207

Lavado de tanques y tubería 2,00

Fuente: Autor

Tabla 57. Número de Reynolds

NÚMERO DE REYNOLDS

Recirculación del producto 106 Laminar

Envío al módulo de envasado 106 Laminar

Lavado de tanques y tubería 7053,4 Turbulento

Fuente: Autor

Para obtener el coeficiente de fricción es necesario el número de Reynolds y la rugosidad

relativa, para este caso, K/D= 8X10-4

mm/35,1mm = 2,27x10-5

, en el diagrama de Moody

este valor esta por fuera de los valores graficados ya que la superficie tiene una rugosidad

que lo hace considerar liso, entonces, para fines prácticos se toma la curva con el valor más

cercano igual a 0,0001.

Tabla 58. Coeficiente de fricción

COEFICIENTE DE FRICCIÓN

Recirculación del producto 0,60

Envío al módulo de envasado 0,60

Lavado de tanques y tubería 0,037

Fuente: Autor

Longitud de tubería para cada uno de los casos

Tabla 59. Longitud de tubería

LONGITUD DE TUBERÍA EN LA DESCARGA (m)

Recirculación por calentamiento 3,7

Recirculación por no envasado 13,5

Envío al módulo de envasado 13

Lavado de tanques y tubería 13,5

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129

LONGITUD DE TUBERÍA EN LA SUCCIÓN (m)

Longitud en la succión 0,5

Fuente: Autor

Finalmente se tienen todos los datos para calcular las pérdidas de carga por fricción en el

módulo de pasteurización, entonces,

Tabla 60. Pérdidas de carga por fricción en la succión y la descarga

PÉRDIDAS DE CARGA POR

FRICCIÓN EN LA DESCARGA (m)

Recirculación por calentamiento 0,14

Recirculación por no envasado 0,50

Envío al módulo de envasado 0,48

Lavado de tanques y tubería 2,93

Fuente: Autor

PÉRDIDAS DE CARGA POR

FRICCIÓN EN LA SUCCIÓN (m)

Recirculación por calentamiento 0,019

Recirculación por no envasado 0,019

Envío al módulo de envasado 0,019

Lavado de tanques y tubería 0,108

Fuente: Autor

Las pérdidas por fricción para la descarga y la succión son mayores en el lavado de tanques

y tuberías, se establece la ecuación de las pérdidas por fricción en función del caudal, para

después determinar la ecuación del sistema.

Pérdidas menores

Las pérdidas menores se calculan de igual forma que en el módulo de mezcla.

A continuación se presentan los valores del coeficiente de pérdida, K, para cada uno de los

elementos instalados en el módulo de pasteurización.

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130

Tabla 61. Coeficientes de pérdidas menores

ELEMENTO COEFICIENTE DE

PÉRDIDAS, K

Codo 90º 0,25

Salida para instrumento de medición 0,15

Válvula de mariposa completamente abierta 0,4

Salida al deposito 0,54

Válvula de 3 vías 2

Fuente: Mataix, Claudio. 1986.Mecanica de fluidos y máquinas hidraulicas. Segunda.

Madrid : Ediciones de castillo S.A., 1986.

Con la Figura 33 se puede definir el número de válvulas, elementos de medición y

accesorios que tiene el módulo de pasteurización, los cuales están listados a continuación,

para cada uno de los casos, Succión de la bomba, envío al módulo de envasado,

recirculación por calentamiento, recirculación por no envasado y lavado de tanques y

tuberías.

Es importante tener en cuenta que los intercambiadores de calor generan una pérdida de

presión de 1 bar cada uno esto corresponde a 10,2m*2= 20,4m.

Tabla 62. Elementos de medición y accesorios del módulo de pasteurización

RECIRCULACIÓN POR CALENTAMIENTO

Elemento Cantidad

Válvulas de mariposa o cortina 1

Válvula de 3 vías 1

Codos a 90º 8

Instrumentos de medición 3

Salida 1

ENVÍO AL MÓDULO DE ENVASADO

Elemento Cantidad

Válvulas de mariposa o cortina 1

Válvula de 3 vías 2

Codos a 90º 21

Instrumento de medición 4

Salida 1

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131

RECIRCULACIÓN POR NO ENVASADO

Elemento Cantidad

Válvulas de mariposa o cortina 1

Válvula de 3 vías 2

Codos a 90º 25

Instrumentos de medición 3

Salida 1

Fuente: Autor

Teniendo la cantidad de elementos, el coeficiente de pérdidas y la velocidad del fluido para

cada uno de los casos podemos encontrar las pérdidas menores.

Tabla 63. Pérdidas menores de la descarga y la succión

PÉRDIDAS MENORES EN LA DESCARGA (m)

Recirculación por calentamiento 0,012

Recirculación por no envasado 0,025

Envío módulo de envasado 0,023

Lavado de tanques y tuberías 2,400

LAVADO DE TANQUES Y TUBERÍAS

Elemento Cantidad

Válvulas de mariposa o cortina 1

Válvula de 3 vías 2

Codos a 90º 25

Instrumentos de medición 3

Salida 1

SUCCIÓN DE LA BOMBA

Elemento Cantidad

Válvulas de mariposa o cortina 1

Tee en derivación 1

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132

PÉRDIDAS MENORES EN LA SUCCIÓN (m)

Recirculación por calentamiento 0,003

Recirculación por no envasado 0,003

Envío módulo de envasado 0,003

Lavado de tanques y tuberías 0,288

Fuente: Autor

Tabla 64. Pérdidas menores por equipos

PÉRDIDAS MENORES POR INTERCAMBIADORES (m)

Intercambiador para calentamiento 10,2 m

Intercambiador para enfriamiento 10,2m

Fuente: Autor

De los cálculos anteriores se concluye que se generan más pérdidas de carga en el ciclo de

lavado de tuberías, con un valor igual a 5,73 m, y que por los intercambiadores se genera

una pérdida de 20,4m.

A continuación se encuentra la expresión de las pérdidas menores en función del caudal.

Altura útil o cabeza de la bomba, h

Utilizando la ecuación de la energía o también llamada ecuación de Bernoulli, es posible

deducir la altura útil o cabeza de la bomba. Para este caso se tomarán los puntos de control

como se muestra en la siguiente figura.

Tabla 65. Puntos de control en el sistema de pasteurización

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133

TIEMPO DERETENCION

15 SEGUNDOS

SISTEMAAGUA CALIENTE

SISTEMAAGUA FRIA

TT

TI

FI

PI

FI

INTERCAMBIADORENFRIAMIENTO

INTERCAMBIADORCALENTAMIENTO

TANQUE PULMON

TEMPERATURA DE 95 GRADOS

PRODUCTO NOPASTEURIZADO

ENVIO PRODUCTO A LLENADO

RETORNO PRODUCTO

Fuente: Autor

Se realiza el volumen de control entre los puntos 1 y 4, obteniendo la siguiente expresión,

( )

Donde:

H: Altura útil

Hr: Pérdidas totales en el exterior de la bomba

P: Presión a la que está sometida el fluido

v: Velocidad del fluido

z: Altura de un punto con respecto a un nivel de referencia

: Densidad del fluido

g: Gravedad

Sabiendo que el tanque pulmón trabaja a presión atmosférica, se cancelan la presión en el

punto 1 con la presión del punto 4. La velocidad en 4, será la que lleve el fluido en la

tubería y la velocidad en 1 se considera cero, quedando:

( ) ( )

Para el cálculo de la bomba el caudal seleccionado es el de 7000 l/h, la tubería tiene un

diámetro de 1,5 in, y la velocidad correspondiente es de 2,00 m/s, esta sería la velocidad en

el punto 4. La diferencia de altura (z4 - z1), corresponde a la diferencia geométrica entre los

dos puntos, se tomará una diferencia de alturas de 0,6m que corresponde a 20 litros de

producto en el tanque pulmón.

Hr corresponde a las pérdidas de carga entre los puntos 1 y 2 y los puntos 3y 4, este valor

ya fue calculado para un caudal de 7000l/h y es igual a 26,13m, Hr también se deja

expresado en función del caudal.

Por lo tanto para Hr = 26,13 m

1 4

2 3

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134

Esta altura corresponde a una presión de 269,47 Kpa.

Y para Hr(Q) tenemos,

Por tanto

La expresión anterior es la ecuación del sistema, con ésta se determinará el punto de

funcionamiento de la bomba.

Cabeza de succión neta positiva (Net Positive Suction Head - NPSH)

Se calcula el NPSHdisponible del sistema de pasteurización de la misma forma que se hizo

para el módulo de mezcla. Recordando que, NPSHrequerido<NPSHdisponible.

Para este caso tenemos los siguientes datos:

Tabla 66. Datos para NPSH

DATOS PARA CALCULAR NPSHrequerido

Presión atmosférica 721 mmHg -96125,16 pa

Presión de vapor a 20ºC 17,546 mmHg - 2339,27 pa

Densidad 1020 kg/m3

Gravedad 9,81 m/s2

Altura de succión, hs 0,6 m

Velocidad del fluido 2 m/s

Pérdidas de carga, Hr 1-2 0,396 m

Fuente: Autor

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135

Potencia de la bomba, p

Teniendo definido el caudal y la altura con los que va a trabajar la bomba, se encuentra la

potencia, como sigue:

(

) (

) (

) ( )

Selección de la bomba

Graficando la curva del sistema sobre la curva de la bomba se encuentra el punto de

funcionamiento y se define la potencia con la que va a trabajar la bomba y el NPSHrequerido

que debe ser menor al NPSHdisponible.

La bomba seleccionada es de marca INOXPA, maneja potencias entre 2 Kw y 12,5 Kw,

caudales entre 0 y 60 m3/h, y alturas entre 0 y 80 m, las tuberías de succión y de descarga

son de 1,5 in, sus curvas características son las presentadas en la Figura 49.

Se realiza el trazado de la curva del sistema,

Obteniendo el punto de funcionamiento de la bomba, el diámetro del rodete es de 140 mm,

los datos de altura útil, H, potencia, P y NPSH requerido son los siguientes:

Tabla 67. Punto de funcionamiento de la bomba

H (m) 31 m

P (Kw) 2,2 Kw

NPSH requerido (m) 2,1 m

Q (m3/h) 10 m

3/h

Fuente: Autor

Según los datos anteriores la bomba cumple con los requerimientos del sistema.

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136

Figura 34. Curvas características de la bomba Inoxpa SN-28 y trazado de la curva del

sistema

Fuente: INOXPA S.A (2015). Curva de bomba SN15. <http:

//www.inoxpa.com/pump/centrifugal>

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137

7.2.2 Selección de válvulas

Las válvulas que se requieren para el módulo de pasteurización son:

• Válvula de tres vías:

Es una válvula con una entrada y dos salidas, se escoge una válvula de asiento con

activación neumática para la salida de producto pasteurizado y una válvula de tres vías con

activación manual por medio de volante, en acero inoxidable sanitario con baja pérdida de

carga, conexiones de 1 ½”.

• Válvula de corte:

Se escoge la válvula mariposa sanitaria inoxidable con activación manual por medio de

maneta, debido a que es totalmente sanitaria y en acero inoxidable, conexiones de 1 ½”.

7.2.3 Diseño de tanque pulmón

Consideraciones de diseño

Para el tanque pulmón se elige un tanque cilíndrico vertical de pared sencilla en acero

inoxidable AISI 304L, sin techo y fondo toriesférico, este trabaja a presión atmosférica. La

margen de corrosión y eficiencia de la soldadura son las mismas que para el tanque del

módulo de mezcla, C=1,95, E para el fondo toriesférico igual a 1,00 y para el cuerpo

cilíndrico E=0,85.

Condiciones de operación del tanque:

Se diseña el tanque pulmón para albergar un volumen de hasta 150 Litros con un

sobredimensionamiento de 10 litros por rebose o agitación del producto

El valor del volumen de diseño es:

El volumen de operación será:

El valor de la presión de operación es:

A la presión de operación se le suma la presión debida a la columna del producto a

almacenar para calcular la presión de diseño.

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138

La presión de producto (interna) variará de acuerdo con la altura de la columna del

producto, debemos considerar que la presión será diferente a diferentes alturas.

Tabla 68. Variación de presión con altura

ALTURA

(m)

PRESIÓN

OPERACIÓN

(Kg/cm2)

PRESIÓN

PRODUCTO

(Kg/cm2)

PRESIÓN

DISEÑO

(Kg/cm2)

0 1,03 0 1,03

0,5 1,03 0,051 1,081

0,6 1,03 0,0612 1,091

0,7 1,03 0,0714 1,101

1 1,03 0,102 1,132

Fuente: Autor

Se tomará el valor de presión de diseño calculado con la densidad del jarabe de azúcar con

una altura de 0,6 m que es igual a:

Para calcular las dimensiones del tanque se requiere tener los valores obtenidos

equivalentes en el sistema ingles de unidades para obtener información de la Figura 35.

Selección del Diámetro del Recipiente establecida en la norma ASME SECCION VIII.

Para el valor del volumen equivale a 5,65 ft3 y para la presión equivale a 15,52 lb/in

2.

Cálculo del tamaño óptimo del tanque

De igual forma que en el tanque de mezcla la relación óptima de la longitud del diámetro

puede hallarse mediante el siguiente procedimiento:

( )

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139

Dónde:

P: Presión de diseño (Lb/pulg2)

C: Margen de corrosión (pulg)

S: Valor de esfuerzo del material (Lb/pulg2)

E: Eficiencia de la junta

Di:Diámetro interior (pies)

Lc: Altura del cuerpo cilíndrico (pies)

De acuerdo a la información de diseño se tiene:

Tabla 69. Parámetros de diseño

DESCRIPCIÓN PARÁMETROS DE DISEÑO

P 15,52lb/pulg2

C 0,077 pulg

S 35000 Lb/pulg2

E 0,85

V 5,65 pies3

Fuente: Autor

Resolviendo la ecuación:

Ahora con el factor “F” hallado y el Volumen del recipiente “V” se utiliza la Figura 35y se

obtiene el diámetro (Di) del cuerpo del tanque

Figura 35. Selección del Diámetro del Recipiente

Fuente: Moss, Dennis. 2004.Pressure vessel desing manual. Tercera. s.l. : Elsevier, 2004.

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140

Di = 2 pies

Di =609,6 mm

Cálculo del volumen del fondo Toriesférico

Con el diámetro interior calculado, el volumen del fondo se obtiene con la siguiente

ecuación:

Dónde:

Como son un fondo y un cabezal toriesféricos entonces:

( )

Cálculo de la altura interior total del tanque:

Una vez hallado el volumen del fondo se procede hallar el volumen del cuerpo cilíndrico:

Volumen de fondo toriesférico

Se calcula por separado la longitud del cuerpo cilíndrico con la siguiente fórmula.

Altura del cuerpo:

( )

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141

Cálculo del espesor del cuerpo cilíndrico

Para efectos del cálculo del espesor en el cuerpo cilíndrico del tanque se tendrá en cuenta lo

especificado en la norma ASME VIII División 1 en la parte UG-27 para presión interna y

UG – 28 para la presión externa.

Dónde:

tc: espesor (pulg)

P: Presión de diseño (PSI)

R: Radio del tanque (pulg)

S: Esfuerzo admisible (PSI)

E: Eficiencia de la junta

C: Margen de corrosión (pulg)

( ) ( ⁄ ) ⁄

Por lo tanto, de acuerdo a las dimensiones comerciales de lámina en acero inoxidable SA

240 -304 se tomará el espesor de 3mm.

Cálculo del espesor del fondo toriesféricos del tanque

Para el cálculo del espesor por presión interna del cabezal y el fondo toriesférico se

utilizará la siguiente fórmula

Dónde:

P: Presión de diseño (PSI)

L: Diámetro interior (pulg)

M: Factor adimensional que depende de la relación L/r

r: Radio de esquina L/10 (pulg)

S: Esfuerzo admisible (PSI)

t: Espesor mínimo requerido

E: eficiencia de la soldadura

C: Margen de corrosión (pulg)

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142

Para hallar M:

Con la relación L/r se obtiene el Factor “M” en el ANEXO C, el valor M = 1,54.Entonces,

( ) ( ⁄ ) ⁄

Según los espesores comerciales del acero inoxidable SA 240 -304 se tomará el espesor de

3mm.

Cálculo de la altura del fondo toriesférico del tanque:

Dimensiones de fondo toriesférico

Para obtener las dimensiones tendremos en cuenta la norma DIN 28011Torispherical head

DIN 28011la cual se basa en el código de diseño de ASME VIII, Div. 1 undDiv. 2

Tabla 70. Fondo Toriesférico tipo Klopper

Fuente: Fondeyur. Fondo KLOPPER (DIN-28011). [En línea]

http://www.fondeyur.com/fondos-klopper.aspx.

Tabla 71. Dimensiones fondo toriesférico

ECUACIONES CÁLCULO DIMENSIONES

(pulg)

DIMENSIONES

(mm)

R = De R = 615,6mm

r = R/10 r = ⁄ 61,56mm

h1≥ 3.5e h1 ≥ 3,5 x (0.121 pulg) 10,35mm

h2 = 0.1935De-

0.455e h2=0,1935( ) -0,455(0.121 pulg)

117,72mm

H = h2 + h1 + e H= + +(0, 131,55mm

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143

121pulg)

Dd= 1.11De+1.85h1 Dd=1.11x +1.85

x 703,22,86mm

V(h2) = 0.1(Di)3 V(h2) = 0.1(24)3 1382,4pulg

3 22,65 L

*Se tomará e= pulg

Fuente: Autor

Donde:

De: Diámetro exterior

e: Espesor inicial

R: Radio ésferico interior

r: Radio rebordeo interior

h1: Pestaña (parte recta)

H: Altura total exterior

V: Volumen

Dd: Diámetro disco de partida

Di: Diámetro interior

h2: Flecha

Hc: Altura Central

CÁLCULO DE ALTURA TOTAL DEL TANQUE:

El cálculo de la altura total sera:

CONEXIONES

El tanque de pulmón tiene una conexión tipo clamp de 1 ½” en acero inoxidable en la parte

inferior para la distribución del producto y vaciado del tanque.

Tabla 72. Conexión tipo clamp

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144

Fondeyur. Fondo KLOPPER (DIN-28011). [En línea] http://www.fondeyur.com/fondos-

klopper.aspx.

7.2.4 Diseño de columnas para tanque

CONSIDERACIONES DE DISEÑO

Se diseñará los soportes para el tanque de pulmón el cual consistirá en calcular los pesos y

las cargas que se ejercen en el tanque.

Peso del cuerpo del tanque

Peso del fluido

CÁLCULO DE PESOS

Cálculo del peso del tanque

De acuerdo al desarrollo del tanque de acero inoxidable se tiene

Parte cilíndrica: El desarrollo del cuerpo del cilindro es de

Fondo toriesférico, se debe partir de un disco diámetro de 0,9m

( ( ) )

Cálculo del peso del fluido

El fluido a contener el tanque de proceso es jarabe de azúcar que tiene una densidad de

1020 Kg/m3 y el volumen de diseño es de 0,16m

3

Cálculo del peso conexiones

El peso de la conexión clamp de 1 ½” es de 0,3 Kg

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145

Cálculo del peso total del tanque de proceso

Después de tener el peso total, un porcentaje adicional se agrega típicamente para permitir

otros componentes y soldadura. En este caso según el libro Pressure vessel desing manual,

(Moss, 2004), para pesos menores a 50000 lb se adiciona un 10%, entonces,

( ) ⁄

( )

DISEÑO DE APOYOS TIPO COLUMNA

El tanque pulmón tendrá cuatro columnas que soportaran el peso total, debidamente

distribuidos cada 90°, para distribuir las cargas en cuatro partes iguales. El material de las

columnas es de acero estructural redondo de 2” Schedule 10S (espesor de pared de

2,77mm) y tendrán una longitud de 260mm.

El cálculo de las columnas se hará con base en el método LFRD (Diseño por factores de

carga y factores de resistencia para columnas), el cual se expone en el libro Diseño de

Estructuras de Acero, Método LFRD, Mc Cormac, 2da Edición, Ed. Alfaomega, en donde,

se compara las cargas ejercidas sobre la columna con respecto a la resistencia de diseño.

La primera verificación que se realizará a la columna es el chequeo por esbeltez a

comprensión, ya que si sobrepasa el límite de la restricción hay que utilizar otro perfil, para que este soportado el peso al que estará sometida la columna. El chequeo por esbeltez tiene

por ecuación(McCormac).

Donde

: Factor de la longitud efectiva

: Longitud de la columna (mm)

: Radio mínimo de giro (mm)

El factor de longitud efectiva es igual a 0,65 porque la columna tubular de sección

transversal circular hueca esta empotrada en los dos extremos.

El radio de giro mínimo es

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146

Donde

: Diámetro exterior

: Diámetro interior

√( ) ( )

Reemplazando

Ya que paso el chequeo de esbeltez, ahora se procede a calcular la carga de diseño,

teniendo en cuenta que solo tendrá como carga, la carga muerta de la masa igual a 539,44N

por cada columna.

Donde

: Carga de diseño

: Carga muerta

Reemplazando se obtiene

Para determinar la resistencia de diseño, primero hay que calcular la relación de esbeltez de

transición para saber qué tipo de columna es, es decir si es una columna corta, intermedia o

larga.

Donde

: Constante de columna o relación de esbeltez

: Resistencia de fluencia

: Módulo de elasticidad

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147

Reemplazando se tiene

√ ( ⁄ )

Se compara el resultado de con ⁄ , si ⁄ es mayor que la columna es larga se

debe utilizar la ecuación de Euler y si ⁄ es menor que la columna es corta se debe utilizar la ecuación de J.B. Johnson, para calcular el valor de la carga critica de pandeo. En

este caso se aplicara el segundo caso

[ ( ⁄ )

]

Donde

: Carga critica de pandeo

: Área

( )

(( ) ( ) )

Reemplazando

( ) ( ⁄ ) [ ( ⁄ ) ( )

⁄]

Esta es la carga crítica de pandeo. Ahora se prosigue a calcular la carga admisible para cada

una de las patas, se especifica para este caso que , entonces

: Carga admisible

: Número de patas

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148

Esto quiere decir que el perfil tubular de sección transversal circular hueco seleccionado

cumplirá satisfactoriamente con las cargas a las que estará expuesto, debido a que Pu< Pa.

7.2.5 Intercambiadores de calor

Los requerimientos del proceso de pasteurización son los siguientes:

1. Elevar el producto a una temperatura de 92 ºC

2. Mantener la temperatura de 92 ºC por 30 segundos

3. Bajar la temperatura a 30 ºC

Para cumplir con estos requerimientos se hace necesario el uso de dos intercambiadores de

calor uno para elevar la temperatura del fluido y el otro para disminuirla.

Existen diferentes tipos de intercambiadores de calor, entre ellos están los de tubos

concéntricos, de flujo cruzado, tubos y corazas, y de placas.

Para este proyecto se selecciona el intercambiador de placas principalmente por su tamaño

compacto (Figura 1). A continuación veremos las principales ventajas de estos

intercambiadores, frente a intercambiadores convencionales como multitubulares:

Elevado valor del coeficiente de transmisión superficial, lo que conlleva valores

elevados del coeficiente global de transmisión del calor.

Menores pérdidas caloríficas, ya que sólo los bordes de las placas están expuestas al

ambiente exterior y además de tener pequeños espesores pueden aislarse fácilmente.

Menor espacio necesario que otros tipos de intercambiadores dada su elevada

relación superficie de intercambio/Volumen total, lo que supone que la cantidad de

líquido contenido por unidad de superficie de intercambio es baja, lo que da lugar a

menores pérdidas de fluido al abrir el intercambiador para mantenimiento, así como

a menores problemas de depósito de residuos, fermentaciones, etc., en los períodos

de funcionamiento, presentando menores inercias térmicas en la puesta en marcha o

en los cambios de régimen por la misma razón.

Fácil accesibilidad a ambas caras de cada placa, lo que permite una mejor

inspección y limpieza.

Facilidad de sustituir elementos con la consiguiente ventaja de facilitar las

reparaciones y realizar ampliaciones con máxima economía.

En el caso de deterioro de las juntas, se produce escape de fluido hacia el exterior,

siendo posible repararlas inmediatamente, evitándose mezclas o contaminaciones de

fluidos.

Como inconvenientes principales de este tipo de intercambiadores, pueden citarse los

siguientes:

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149

El mayor inconveniente de estos intercambiadores, es la limitación que imponen las

juntas de unión entre placas, ya que no permite trabajar con temperaturas superiores

a 250ªC o presiones superiores a 20 atm.

Presentan mayor pérdida de presión en la circulación de los fluidos.

Generalmente el intercambiador de placas es más caro que los multitubulares.

Tabla 73. Gráfico ilustrativo del funcionamiento de un intercambiador de placas

Fuente: Alfa Laval. Intercambiadores de calor de placas. [En línea]

http://www.alfalaval.com/products/heat-transfer/plate-heat-exchangers/Gasketed-plate-and-

frame-heat-exchangers/.

Cálculo de intercambiadores

Existen diferentes métodos para el dimensionamiento de intercambiadores de calor como lo

son el método de la diferencia de temperatura logarítmica – DTML, y el método de

efectividad – NUT. La aproximación de la DTML para el análisis de cambiadores de calor,

es útil cuando las temperaturas de entrada y salida son conocidas o se pueden determinar

fácilmente. En estos casos, la LMTD se calcula fácilmente, y el flujo de calor, el área de la

superficie, o el coeficiente global de transferencia de calor pueden determinarse. Cuando

hay que evaluar las temperaturas de entrada o salida de un intercambiador determinado, el

análisis supone con frecuencia un procedimiento iterativo, debido a la función logarítmica

que aparece en la DTML.

En este caso, el análisis se efectúa con mayor facilidad utilizando el método basado en la

efectividad del intercambiador, efectividad – NTU, (Incropera, y otros, 2011) Sección 11.4,

durante la transferencia de una cantidad de calor determinada.

El número de unidades de transferencia NTU es un parámetro adimensional que se usa

ampliamente para el análisis de intercambiadores de calor y se define como:

( )

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150

Donde,

U: Coeficiente global de transferencia de calor, Kw/m2 ºk

A: Área de transferencia de calor, m2

Cmin: Capacidad calorífica mínima, Kw/ºk

En este caso interesa conocer el área de transferencia de calor, para así dimensionar el

intercambiador, despejando de la ecuación anterior, se obtiene:

( )

Coeficiente global de transferencia de calor, U.

Para determinar el Coeficiente global de transferencia de calor se asume que las resistencias

térmicas de las láminas son despreciables, debido a que el espesor es muy delgado. La

expresión para calcular U es la siguiente:

( )

Donde y son los coeficientes de convección del fluido frio y caliente respectivamente,

Coeficiente de convección del fluido frio, hC

Para el cálculo del coeficiente de convección del fluido frio, donde este es considerado en

estado líquido, se utiliza la siguiente relación del número de Nusselt:

( )

Donde,

hC: Coeficiente de convección, Kw/mºk

Dh: Diámetro hidráulico, m

K: Coeficiente de conducción, Kw/mºk

Para encontrar el valor de Nusselt se debe verificar primero si el flujo es laminar o

turbulento con el Número de Reynolds ( ),

( )

Donde

: Velocidad crítica del fluido calculado a partir de la ecuación: , donde A es el

área transversal entre las placas del intercambiador y es caudal.

: Diámetro hidráulico,

. (Correlación de tubo circular). Donde A es el área

transversal entre las placas del intercambiador y P es el perímetro húmedo.

: Viscosidad cinemática a la presión y temperatura promedio del fluido.

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151

Si el flujo es turbulento el número de Nusselt, (Incropera, y otros, 2011) Sección 8,5, se

calcula en función del número de Reynolds y del número de Prandtl, (Incropera, y otros,

2011) Tabla A.6, con la siguiente expresión,

( )

Si el flujo es laminar se determina el número de Nusselt (Nu) con la siguiente tabla,

inicialmente se selecciona un intercambiador de calor para definir la sección transversal, en

este caso se utilizan intercambiadores de calor de placas para los cuales el ancho del área de

flujo es mucho mayor que su espesor, por lo tanto b/a=∞, también se asume que la lámina

permanece a temperatura constante, entonces el número de Nusselt equivalente a 7,54, ver

Tabla74.

Tabla74. Números de Nusselt y factores de fricción para flujo laminar en tubos de diferente

sección

Fuente: Incropera, Frank P., y otros. 2011.Fundamentals of Head Mass Transfer.

Seventh Edition. s.l. : John Wiley & Sons, 2011.

Finalmente, teniendo definido el número de Nusselt (Nu), el coeficiente de convección (K)

y el diámetro hidráulico, se calcula el coeficiente de convección del fluido frio.

( )

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Coeficiente de convección del fluido caliente, hH

Si el fluido caliente está en estado líquido el cálculo del coeficiente de convección se

realiza de la misma forma que para el fluido frio, pero si el fluido caliente tiene cambio de

fase se tienen las siguientes consideraciones

El fluido caliente en estudio es vapor proveniente de una caldera, al ingresar al

intercambiador de calor de placas e iniciar la transferencia de calor se genera una película

de condensado sobre la superficie de las placas del intercambiador, la condensación ocurre

cuando la temperatura de un vapor se reduce por debajo de la temperatura de saturación, el

proceso normalmente resulta del contacto entre el vapor y la superficie fría. La

condensación superficial proporciona una resistencia a la transferencia de calor entre el

vapor y la superficie.

Para el cálculo se deben tener en cuenta las siguientes suposiciones que se originan del

análisis de Nusselt (Incropera, y otros, 2011) Sección 10.7:

1. Se supone flujo laminar y propiedades constantes para la película liquida.

2. Se supone que el gas es un vapor puro y a temperatura uniforme igual a la

temperatura de saturación. Sin un gradiente de temperatura en el vapor, la

transferencia de calor a la interfaz liquido-vapor puede ocurrir solo por

condensación en la interfaz y no por conducción del vapor.

3. No se consideran las capas límite de velocidad o térmicas.

4. La transferencia de calor a través de la película ocurre solo por conducción, en cuyo

caso la distribución de temperaturas del líquido es lineal.

A continuación se presenta la ecuación para el número de Nusselt promedio asociado con la

condensación en el régimen laminar.

Al utilizar esta ecuación todas las propiedades del fluido se deben evaluar a la temperatura

de película Tf = (Tsat+Ts)/2,

( ⁄ )

(56)

( ⁄ )

( ) (57)

( ⁄ )

[( )

]

(58)

Donde

: Número de Nusselt promedio,(Incropera, y otros, 2011) Sección 10.8.

hH: Coeficiente de convección del fluido caliente, KW/m*K

K: Coeficiente de conducción del fluido caliente, KW/m*K

ν: Viscosidad cinemática, m2/s

g: Gravedad

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153

Pr: Número de Prandtl

La constante adimensional P está definida por la siguiente ecuación,

( )

( ⁄ )

( )

Donde

L:Distancia entre los centros de las tuberías de entrada y salida de cada placa del

intercambiador, m

Tsat: Temperatura de saturación del fluido caliente, ºC

Ts: Temperatura de superficie, ºC

µ: Viscosidad dinámica, Kg/m*s

h’fs: Calor latente modificado, KJ/Kg

El calor latente modificado esta dado por la siguiente ecuación,

( ) ( )

Donde,

hfs: Calor latente para la temperatura de saturación, KJ/Kg

Cp: Calor especifico, KJ/Kg*K

Finalmente para el cálculo del coeficiente de convección del fluido caliente se despeja de la

ecuación del número de Nusselt promedio:

(

)

⁄ ( )

Capacidad calorífica.

(Incropera, y otros, 2011) Sección 11.4.2. Considerando las características de los fluidos

frio y caliente, se calcula la capacidad calorífica de ambos CC y CH, y así se determinar cuál

es la capacidad calorífica máxima y mínima. También se calcula la relación entre ambos

términos, Cr

( )

( )

( ) Donde,

Cp: Calor especifico KJ/(Kg*K)

: Flujo masico Kg/s

Efectividad – NTU

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154

Para Calcular NTU es necesario conocer la efectividad y la relación Cr = Cmin/ Cmax, para

este caso se hace referencia al libro Fundamentos de transferencia de calor y masa en la

sección 11.4.2.(Incropera, y otros, 2011)Donde especifican que para calderas,

condensadores e intercambiadores de calor Cr es igual a cero, (Cr=0), por lo tanto Cmax

tiende a infinito.

Para el cálculo de la efectividad () se utiliza la siguiente ecuación,

( )

( )

( )

( ) ( )

Donde

q: es el calor sensible adicionado al fluido frio o retirado del fluido caliente.

qmax: es la transferencia de calor máxima posible que puede ocurrir durante el proceso.

C: Subíndice que hace referencia al fluido frio

H: Subíndice que hace referencia al fluido caliente

En el siguiente esquema se representa la notación de las temperaturas

Figura 36. Notación de temperatura

Fuente: Incropera, Frank P., y otros. 2011.Fundamentals of Head Mass Transfer.

Seventh Edition. s.l. : John Wiley & Sons, 2011.

Una vez definidos y se procede a calcular el NTU a través de la ecuación consignada en laTabla 75, seleccionando la ecuación para todos los intercambiadores debido a que

Cr=0.

( ) (66)

Una vez conocidos el , NTU y el se calcula el área total de transferencia de calor

total ( ), para finalmente definir el número de placas que debe tener el intercambiador de

calor. La relación generalmente se encuentra en la ficha técnica de estos equipos.

( )

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155

( )

Tabla 75. Relaciones NTU para Intercambiadores de Calor

Fuente: Incropera, Frank P., y otros. 2011.Fundamentals of Head Mass Transfer.

Seventh Edition. s.l. : John Wiley & Sons, 2011.

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156

Intercambiador

SELECCIÓN DE EQUIPOS

CALENTAMIENTO DE PRODUCTO

Se seleccionan los equipos para el calentamiento del producto de 20ºC a 92ºC, estos son

una caldera que cumpla con la carga térmica requerida y un intercambiador de calor. A

continuación se representa un esquema del proceso del calentamiento del producto.

Figura 37. Esquema de planta correspondiente al calentamiento del producto

Caldera

TC_2TC_1

TH_1

TH_2

Figura: Autor

Debido a que las propiedades del fluido varían dependiendo de la posición en el

intercambiador se define una temperatura promedio para realizar los cálculos,

( )

Las características del producto a una temperatura de 56ºC, se listan a continuación,

Tabla 76. Condiciones y propiedades del fluido frio

CONDICIONES Y PROPIEDADES DEL FLUIDO FRIO

PRESIÓN 300 KPA Y TEMPERATURA PROMEDIO 56 ºC

Temperatura del Fluido Frio a la entrada, TC_1 (ºC) 20

Temperatura del Fluido Frio a la salida, TC_2 (ºC) 92

Flujo másico, (Kg/s) 0,204

Densidad , (Kg/m3) 1020

Calor especifico a presión constante, (KJ/Kg*K) 4,183

Viscosidad cinemática (m2/s) 6,86E-05

Coeficiente de conducción, (KW/m*K) 6,37E-04

Fuente: Autor

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157

Conociendo los requerimientos del proceso se determina la carga térmica requerida (Q),

utilizando la siguiente ecuación, (Incropera, y otros, 2011).

( )

Donde

: Flujo másico de producto, Caudal/densidad.

: Calor especifico del producto asumiendo que se comporta como el agua a temperatura

promedio

( ) : Incremento de temperatura desde el fluido frio ( ) hasta la temperatura más

elevada posible sin que se presente cambio de fase( ). Subíndice c: representa el fluido frio

Se selecciona una caldera que cumpla con los requerimientos termodinámicos del proceso,

dando como resultado la elección de una caldera de marca Continental de 10 BHP (98 Kw)

con un flujo másico de 345 Lb/hora (0,0479 Kg/s) con una presión de trabajo de 300 Kpa

correspondiente a una temperatura de saturación de 133,5ºC.

Para la selección del intercambiador se sigue el procedimiento mencionado anteriormente.

Coeficiente de convección hH

Las propiedades del fluido caliente se deben evaluar a la temperatura de película, entonces,

( )

( )

( )

( )

Las condiciones y propiedades del fluido caliente a 94,75ºC, son:

Tabla 77. Propiedades del fluido caliente

PROPIEDADES DEL FLUIDO CALIENTE A 94,75ºC

Densidad en fase líquida, (Kg/m3) 962,2

Densidad en fase vapor, (Kg/m3) 1,646

Calor especifico a presión constante en fase líquida, (KJ/Kg*K) 4,21

Viscosidad dinámica, (Kg/m*s) 2,98E-04

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158

Viscosidad cinemática, (m2/s) 3,10E-07

Coeficiente de conducción, (KW/m*K) 0,6634

Número de Prandtl, Pr 1,846

Calor latente a temperatura de saturación, (KJ/Kg) 2267,7

Fuente: Autor

Se realiza la selección inicial de un intercambiador de calor de placas, su ficha técnica se

presenta a continuación,

Figura 38. Dimensiones intercambiador de calor

Fuente:ANEXO E

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159

Inicialmente se realiza la selección del intercambiador con referencia SB2

Para determinar el coeficiente de convección hH se realizan los siguientes cálculos,

Calor latente modificado,

( )

( )

Constante adimensional P,

( )

( ⁄ )

( )

( ⁄ )

y

De lo anterior se deduce que se utiliza la siguiente expresión para encontrar el número de

Nusselt promedio

( ⁄ )

[( )

]

Entonces

[( )

]

[( ) ]

Conociendo el número de Nusselt promedio se despeja ahora el coeficiente de convección

del fluido caliente,

(

)

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160

b

a

(

)

Coeficiente de convección hC

Como ya se seleccionó un intercambiador de calor y se tienen las propiedades y

características del fluido frío, es posible calcular el número de Reynolds para verificar el

patrón del flujo.

Velocidad del fluido frío

,

( )

El diámetro hidráulico se halla con el área y el perímetro de la sección transversal del canal,

entre las placas del intercambiador

Figura 39. Sección transversal entre placas del intercambiador

Fuente: Autor

( ) ( )

( ) ( )

Reynolds para el fluido frio

Flujo laminar

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161

Como el número de Reynolds indica flujo laminar, el número de Nusselt es igual a 7,54,

este valor ya fue determinado anteriormente con ayuda de la tabla 1.

Se utiliza la siguiente ecuación para calcular el coeficiente de convección del fluido frio

Finalmente se calcula el coeficiente global del transferencia de calor U,

Capacidad calorífica mínima, Cmin.

Sabiendo que Cr=0 y que por lo tanto Cmax tiende a infinito, se considera que el Cmax

corresponde al fluido caliente (vapor) y que el Cmin al fluido frio (Jarabe), entonces,

Efectividad – NTU

Se calcula la efectividad como es mencionado anteriormente,

( )

( )

( )

( )

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162

y sabiendo que Cr = 0, se calcula el NTU,

( )

( )

Área total de transferencia de calor

Se calcula el área total de transferencia de calor con la siguiente expresión,

De la ficha técnica del intercambiador SB2 se obtiene que el área de la superficie de una

placa es 0,014 m2, por lo tanto

El intercambiador seleccionado debe tener 29 placas.

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163

Intercambiador

ENFRIAMIENTO DE PRODUCTO

Se seleccionan los equipos para el enfriamiento del producto de 92ºC a 30ºC, estos son un

intercambiador de calor y una torre de enfriamiento. A continuación se representa un

esquema del proceso del enfriamiento del producto.

Figura 40.Esquema de planta correspondiente al enfriamiento del producto

Fuente: Autor

Debido a que las propiedades del fluido varían dependiendo de la posición en el

intercambiador se define una temperatura promedio para realizar los cálculos,

Las características del producto a una temperatura de 61ºC, se listan a continuación,

Tabla 78. Condiciones y propiedades del producto

CONDICIONES Y PROPIEDADES DEL FLUIDO CALIENTE,

PRODUCTO. TEMPERATURA PROMEDIO 61 ºC

Temperatura del Fluido Caliente a la entrada, TH1, ºC 92

Temperatura del Fluido Caliente a la salida, TH2, ºC 30

Flujo másico,(Kg/s) 0,204

Densidad , (Kg/m3) 982,63

Calor especifico a presión constante, Cp (KJ/Kg*K) 4,182

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164

Viscosidad cinemática ,(m2/s) 2,54E-05

Coeficiente de conducción,(KW/m*K) 6,59E-04

Número de Prandlt, Pr 2,9259

Fuente: Autor

Conociendo los requerimientos del proceso se determina la carga térmica requerida (Q)

para el enfriamiento del producto, utilizando la siguiente ecuación, (Moran, y otros, 2010).

( )

Donde

: Flujo másico de producto, Caudal/densidad.

: Calor especifico del producto asumiendo que se comporta como el agua a temperatura

promedio

: Temperatura del fluido a la entrada del intercambiador

: Temperatura del fluido a la salida del intercambiador Subíndice H: representa el fluido caliente

Después de calcular la carga térmica necesaria, se determina que el agua de enfriamiento

entra al intercambiador a 27ºC, con una presión de 300Kpa y que el ΔT es de 5ºC, este

último valor es sugerido por la Guía Técnica: Torres de refrigeración(IDAE, 2007), por lo

tanto, la temperatura a la salida del intercambiador es de 32ºC, y la temperatura promedio

es de 29,5ºC.

Las características del agua de enfriamiento son las siguientes.

Tabla 79. Propiedades del agua de enfriamiento

PROPIEDADES DEL AGUA DE ENFRIAMIENTO

Presión 300 KPa y Temperatura promedio 29,5 ºC

Densidad , ro (Kg/m3) 995,4

Calor especifico a presión constante, Cp_H

(KJ/Kg*K) 4,18

Viscosidad cinemática (m2/s) 8,40E-07

Coeficiente de conducción, K (KW/m*K) 6,14E-04

Número de Prandlt, Pr 5,4961

Fuente: Autor

Con los datos anteriores es posible determinar el flujo másico del agua de enfriamiento, de

la siguiente forma,

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165

b

a

( )

(Δ )

A continuación se realiza la selección del intercambiador

Según el cátalogo de intercambiadores presentado en la sección anterior se selecciona el

intercambiador SB4. A continuación se hace el cálculo del área de transferencia de calor.

Coeficiente de convección, hC

A seguir se calcula el número de Reynolds para verificar el patrón del flujo.

Velocidad del fluido frio

,

( )

El diámetro hidráulico se halla con el área y el perímetro de la sección transversal del canal,

entre las placas del intercambiador

( ) ( )

( ) ( )

Reynolds para el fluido frio

Flujo turbulento

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166

b

a

Como el número de Reynolds indica flujo turbulento, el número de Nusselt se calcula con

la siguiente expresión,

Se utiliza la siguiente ecuación para calcular el coeficiente de convección del fluido frio

Coeficiente de convección hH

Inicialmente se calcula el número de Reynolds para verificar el patrón del flujo.

Velocidad del producto, fluido caliente

,

( )

El diámetro hidráulico se halla con el área y el perímetro de la sección transversal del canal,

entre las placas del intercambiador

( ) ( )

( ) ( )

Reynolds para el fluido frio

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167

Flujo laminar

Como el número de Reynolds indica flujo laminar, el número de Nusselt corresponde al

encontrado en la tabla 1. de 7,54. Con la siguiente ecuación se calcula el coeficiente de

convección del fluido frio

Finalmente se calcula el coeficiente global del transferencia de calor U,

Capacidad calorífica mínima, Cmin.

Se calcula CC y CH para conocer el Cmin, como sigue.

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168

Efectividad – NTU

Se calcula la efectividad,

( )

( )

( )

( )

y como Cr = 0, se calcula el NTU,

( )

( )

Área total de transferencia de calor

Se calcula el área total de transferencia de calor con la siguiente expresión,

De la ficha técnica del intercambiador SB4 se obtiene que el área de la superficie de una

placa es 0,03 m2, por lo tanto

El intercambiador seleccionado debe tener 42 placas.

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169

7.2.6 Tiempo de retención

El tiempo de retención en el proceso de pasteurización se ha definido de 30 segundos,

sabiendo que el caudal de trabajo es 720 L/hora (2x10-4

m3/s) y que el diámetro de la

tubería es de 1,5 in, se calcula la longitud de la tubería (L), entonces,

( )

( )

( )

7.2.7 Diseño soportes tiempo de retención

En el módulo de pasteurización se hace necesario el uso de dos soportes para sostener la

tubería de retención. Para estos soportes se calcula el esfuerzo máximo al que son

sometidos.

Se propone que los soportes sean en tubo cuadrado de 11/2” con 3mm de espesor, en acero

inoxidable 304. El cual es un tubo comercial

Figura 41. Soportes para tubería de retención, módulo de pasteurización

Fuente: Autor

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170

74mm 74mm

Figura 42. Diagrama de soportes con fuerzas actuantes

Fuentes: Autor

Para definir las fuerzas se calcula inicialmente la longitud de tubería que se va a soportar en

cada punto, luego se encuentra el volumen sabiendo que el diámetro nominal del la tubería

es de 1 ½” se multiplica por la densidad 7900 Kg/m3hallando la masa y finalmente se

multiplica por la gravedad para hallar la fuerza.

Figura 43. Diagrama de cuerpo libre (a) Apoyo 1, (b) Apoyo 2

Fuente: Autor

F1

F2

F3

F4

F5

F6

F7

F8

445 mm

175mm 54mm

54mm

70mm 70mm

445 mm

Apoyo 1 Apoyo 2

F1

F2

F3

F4

F5

F6

F7

F8 114mm

114mm

114mm

114mm

RA RB

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171

Tabla 80. Cálculo de fuerzas

LONGITUD (m) VOLUMEN (m3) MASA (Kg) FUERZA(N)

L1=1,1 0,00019 1,5 F1=14,7

L2=0,830 0,000143 1,13 F2=11,1

L3=0,830 0,000143 1,13 F3=11,1

L4=1,6 0,000276 2,18 F4=21,4

L5=1,3 0,000224 1,77 F5=17,4

L6=0,830 0,000143 1,13 F6=11,1

L7=0,830 0,000143 1,13 F7=11,1

L8=0,830 0,000143 1,13 F8=11,1

Fuente: Autor

Teniendo las fuerzas aplicadas y las distancias se realizan la sumatoria de fuerzas y la

sumatoria de momentos para cada uno de los apoyos,

Apoyo 1,

( )

( ) ( ) ( ) ( ) (75)

Apoyo 2,

(76)

( ) ( ) ( ) ( ) (77)

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172

Para encontrar el esfuerzo máximo se utiliza la siguiente ecuación

(78)

Donde,

M: Momento máximo

C: Distancia hasta el centroide

I: Momento de inercia

(79)

Sabiendo que los dos soportes son de tubo cuadrado de 1,5” con espesor de 3mm y altura

de 0,45m, se calcula el momento de inercia el cual es igual para los dos soportes

Para el Apoyo 1,

M = MA=4,93 Nm

C = 0,2225m

I = 2,2x10-5

m4

Reemplazando en la ecuación del esfuerzo máximo, se obtiene,

El esfuerzo máximo al que será sometido el Apoyo 1 es muy inferior al esfuerzo máximo a

la fluencia del material, 49,86 Kpa < 241,32 Mpa.

Para el Apoyo 2,

M = MB=2,74 Nm

C = 0,2225m

I = 2,2x10-5

m4

Reemplazando en la ecuación del esfuerzo máximo, se obtiene,

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173

El esfuerzo máximo al que será sometido el Apoyo 2 es muy inferior al esfuerzo máximo a

la fluencia del material, 27,40 Kpa < 241,32 Mpa.

7.3 MÓDULO DE SERVICIOS INDUSTRIALES

Figura 44. Módulo de servicios industriales

Fuente: Autor

Este módulo presta los servicios de agua purificada, agua de enfriamiento, vapor y aire. Los

elementos a reutilizar de la planta actual son:

TANQUE DE ALMACENAMIENTO AGUA DE RED

Se reubicará el tanque actual pasándolo a la entrada del sistema para almacenamiento de

agua de red.

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174

FILTRO DE CARBÓN ACTIVADO Y DE ARENA

Se reutilizarán los filtros ubicándolos después del tanque de almacenamiento de agua de

red, sin embargo en la propuesta queda establecido el cambio de los elementos filtrantes

para mantenimiento de lo actual.

FILTRO DE 20 MICRAS

Después de los filtros de carbón activado y arenas y antes de la lámpara UV nueva se

instalara el filtro de 20 micras como objetivo de retener impurezas.

FILTRO DE 5 MICRAS

Este filtro se implementará después de la lámpara con el objetivo de retener los

microorganismos que se eliminaron con la lámpara UV.

Tabla 81. Características de filtro de 5 micras

Tipo Micro filtro de 5 micras

Conexión Sanitaria a tubo

Caudal 2000 – 3000 l-h

Material Carcazas en acero inoxidable y tamiz de membranas de tela

Fuente: Autor

BOMBA CENTRÍFUGA

La bomba se ubicará tomando el agua de red sin tratar del tanque de almacenamiento de

agua de red, el caudal de 2500 l-h que entrega por ficha es apropiado para el diseño de la

planta nueva.

VÁLVULAS Y ACCESORIOS

Los accesorios actuales como válvulas y conexiones se pueden reutilizar sin problema

alguno, sin embargo se debe verificar su estado y de ser necesario se realizará el cambio

correspondiente, además se debe tener en cuenta que en la nueva instalación se necesitaran

más válvulas y accesorios del mismo tipo de los que ya están instalados.

A continuación se presentan la descripción de los nuevos elementos que se instalaran en el

módulo de servicios industriales.

LÁMPARA UV

La implementación de la lámpara UV es eliminar microorganismos que puedan pasar los

filtros de sólidos que se tienen, ya que los filtros anteriores solo pueden retener sólidos mas

no bacterias vivas uno por que son menores de 20 micras y segundo porque se encuentran

vivas y pueden pasar sin problema por un tamiz o filtro.

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175

Tabla 82. Características de la lámpara UV

Tipo Lámpara UV tipo cuarzo

Conexión Sanitaria a tubo

Caudal 2000 – 3000 l-h

Conexión Trifásica 220v

Fuente: Autor

INSTRUMENTACIÓN

Se requiere medición de presión en la entrada y salida de cada filtro para comprobar las

caídas de presión y de esta forma controlar el nivel de saturación de tamiz para así hacer

lavados.

Tabla 83. Características de los instrumentos para la medición de presión

Tipo Medición de presión

Conexión Sanitaria a tubo

Rango Entre 0 – 10 bar

Material Acero inoxidable

Fuente: Autor

SISTEMA ELÉCTRICO MÓDULO DE AGUA

Se debe adicionar un cuadro eléctrico en el módulo de servicios industriales para el control

y protección de los equipos eléctricos.

Tabla 84. Características del sistema eléctrico del módulo de servicios industriales

Funciones

Accionar o desconectar las bombas centrífuga

Accionar o desconectar el compresor

Accionar o desconectar la caldera

Accionar o desconectar el ventilador de la torre de enfriamiento

Accionar o desconectar la lámpara UV

Protecciones eléctricas contra picos o sobre corrientes de los elementos

eléctricos

Tipo Cuadro eléctrico trifásico con conexiones a tierra y normativa ANSI

Material Plástico, cableado eléctrico a los puntos en canaleta cubierta inoxidable

Capacidad Según potencia de diseño de equipos

Características

Debe estar instalado muy cerca del tanque y de la bomba de envío para

accionar por un solo operario. Debe ser a prueba de agua ya que el área será

de total lavado por el operario.

Fuente: Autor

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176

7.3.1 Bomba de envío de agua

Actualmente la planta de producción Nueva Deli en el módulo de agua tratada tiene una

bomba para el envío de agua al módulo de mezcla, esta se va a utilizar nuevamente para el

mismo fin. En este caso se hacen los cálculos necesarios para verificar que la bomba supla

las necesidades del nuevo montaje.

Se deben calcular las pérdidas de carga, la cabeza de la bomba, la potencia, y el NPSH

disponible, para luego graficar la curva del sistema sobre las curvas de la bomba y verificar

el punto de funcionamiento.

Los cálculos se realizan con el mismo procedimiento utilizado anteriormente para los

módulos de mezcla y pasteurización.

Pérdidas de carga

Inicialmente se calculan las pérdidas de carga debidas a la fricción; en la siguiente tabla se

encuentran los datos del proceso,

Tabla 85. Datos iníciales

DATOS DEL PROCESO

Densidad del Agua, 1000 Kg/m3

Viscosidad dinámica, 0,0009 (N.s/m2)

Diámetro nominal de la tubería 1,5 in (38,1 mm)

Diámetro interno de la tubería, D 35,1 mm

Rugosidad de la tubería inoxidable, K 0,8 micras

Caudal 2000 l/h (2 m3/h)

Fuente: Autor

Conociendo el caudal y el diámetro de la tubería se calcula la velocidad del fluido, 0,574

m/s, y con esta el número de Reynolds igual a 22391,7. Ingresando al diagrama de Moody

se encuentra que el coeficiente de fricción es de λ = 0,025.

Figura 45. Diagrama de Moody

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177

Fuente: Libro Hidraulica de los canales abiertos. VEN TE CHOW 1982.

Se tienen dos casos el envío de agua al módulo de mezcla, para el lavado del tanque y para

la fabricación del producto. En la succión se tiene 0,4 m de tubería, para el lavado del

tanque la longitud de la tubería es de 10,2m generando una pérdida de 0,125m y para la

fabricación de producto es de 8,2m con una pérdida de carga de 0,105m.

A continuación se calculan las pérdidas menores producidas por las válvulas, elementos de

medición y accesorios instalados a lo largo de la tubería. La cantidad de elementos para el

envío de agua al módulo de mezcla están listados en la siguiente tabla.

Tabla 86. Elementos de medición y accesorios

ENVÍO DE AGUA

Elemento Lavado de tubería Agua para producto

Válvula de mariposa 6 8

Codos a 90º 21 18

Semicodo 4 4

Tee en derivación 5 1

Tee en línea 2 6

Manómetros 2 2

Salida 1 1

Fuente: Autor

Las pérdidas de carga debidas a los elementos mencionados anteriormente son, para el

lavado del tanque de 0,25m y para el envío de agua para producto de 0,19m. En la succión

se tienen una válvula mariposa y un codo las pérdidas correspondientes son de 0,011m.

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Adicionalmente se deben tener en cuenta las pérdidas generadas por el filtro de carbón

activado, el filtro de arena, el filtro de 20 micras y el filtro de 5 micras, en el envío de agua

para producto, y el Spray ball para el lavado del tanque. Las pérdidas generadas por cada

uno de estos equipos son,

Tabla 87. Perdida de carga de equipos

PÉRDIDAS DE CARGA

Filtro de carbón activado 1 bar 10,2 m

Filtro de arena 1 bar 10,2 m

Filtro de 20 micras 1 bar 10,2 m

Filtro de 5 micras 1 bar 10,2 m

Spray ball 2 bar 20,4 m

Fuente: Autor

Las pérdidas totales en el caso del envío de agua para producto son de 41,1 m y en el caso

de lavado del tanque son de 20,8 m, esta última se debe principalmente al Spray ball,

elemento que sirve para realizar el lavado completo del tanque, se presenta un esquema a

continuación.

Tabla 88. Esquema de lavado de tanque con Spray ball

Fuente:TPT. Cleaning tank spray balls. [En línea]

http://texasprocesstechnologies.com/store/page132.html.

Se calcula la bomba con las pérdidas generadas en el caso de envío de agua para producto,

entonces la expresión de las pérdidas totales en función del caudal es la siguiente,

Altura útil o cabeza de la bomba, h

Se hace el balance de energía en el sistema, tomando los puntos de control como se muestra

en la siguiente imagen,

Tabla 89. Puntos de control

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179

Fuente: Autor

Se realiza el volumen de control entre los puntos 1 y 4, obteniendo la siguiente expresión,

( )

Los tanques de almacenamiento de agua y de mezcla trabajan a presión atmosférica por lo

tanto se cancela la presión en el punto 1 con la presión en el punto 4, la velocidad en 4, será

la que lleve el fluido en la tubería y la velocidad en 1 será considerada cero, quedando:

(

)

( ) ( )

Se sabe que el caudal es de 2000 L/h y que la velocidad correspondiente es de 0,574 m/s,

esta sería la velocidad en el punto 4. La diferencia geométrica de altura (z4 - z1), se

considera de 1,5m, y Hr corresponde a las pérdidas de carga entre los puntos 1 y 2 y los

puntos 3y 4, este valor ya fue calculado y es igual a 41,1 m, entonces remplazando en la

ecuación anterior se obtiene,

Ahora expresando la cabeza de la bomba en función del caudal,

Esta última expresión es la ecuación del sistema, la cual va a ser graficada en las curvas de

la bomba.

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180

NPSH disponible

El NPSH disponible del sistema se calcula a continuación con los siguientes datos,

Tabla 90. Datos para NPSH

DATOS PARA CALCULAR NPSHdiponible

Presión atmosférica 721 mmHg-96125,16 pa

Presión de vapor a 20ºC 17,546 mmHg - 2339,27 pa

Densidad 1000 kg/m3

Gravedad 9,81 m/s2

Altura de succión, hs 1,5 m

Velocidad del fluido 0,574 m/s

Pérdidas de carga, Hr 1-2 0,016 m

Fuente: Autor

Se recuerda que el NPSHrequerido< NPSHdisponible.

POTENCIA DE LA BOMBA, P

Teniendo definido el caudal y la altura con los que va a trabajar la bomba, se encuentra la

potencia, como sigue:

(

) (

) (

) ( )

CURVAS DE LA BOMBA Y EL SISTEMA

Graficando la curva del sistema sobre la curva de la bomba se encuentra el punto de

funcionamiento, como sigue.

La bomba es de la marca INOXPA, maneja potencias entre 2 Kw y 12 Kw, caudales entre

0 y 60 m3/h y alturas entre 0 y 80 m, las tuberías de la succión y la descarga son de 1 ½ in.

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181

Tabla 91. Curvas de la bomba INOXPA SN-28 y curva del sistema

Fuente: INOXPA S.A (2015). Curva de bomba SN15. <http:

www.inoxpa.com/pump/centrifugal>

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182

Se realiza el trazado de la curva del sistema y se obtiene el punto de funcionamiento:

diámetro de rodete de 150 mm, los datos de altura útil, H, potencia, P y NPSH requerido son

los siguientes:

H (M) 44 m

P (Kw) 2,5 Kw

NPSH requerido (m) 2,1 m

Q (m3/h) 4,0 m3/h

Fuente: Autor

3.3.4 Selección de caldera

Se busca una caldera que cumpla con la carga térmica requerida. Para el cálculo de esta se

conoce que el jarabe debe ser calentado de 20ºC a 92ºC, debido a que las propiedades del

fluido varían dependiendo de la posición en el intercambiador se define una temperatura

promedio para determinar las características del producto,

Las características del producto a una temperatura de 56ºC, se listan a continuación,

Tabla 92. Condiciones y propiedades del fluido frio

CONDICIONES Y PROPIEDADES DEL FLUIDO FRIO

PRESIÓN 300 KPA Y TEMPERATURA PROMEDIO 56 ºC

Temperatura del Fluido Frio a la entrada, TC_1 (ºC) 20

Temperatura del Fluido Frio a la salida, TC_2 (ºC) 92

Flujo másico, (Kg/s) 0,204

Densidad , (Kg/m3) 1020

Calor especifico a presión constante, (KJ/Kg*K) 4,183

Viscosidad cinemática (m2/s) 6,86E-05

Coeficiente de conducción, (KW/m*K) 6,37E-04

Fuente: Autor

Conociendo los requerimientos del proceso se determina la carga térmica requerida (Q),

utilizando la siguiente ecuación(Moran, y otros, 2010)

( ) ( )

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183

Donde

: Flujo másico de producto, Caudal/densidad.

: Calor especifico del producto asumiendo que se comporta como el agua a temperatura promedio

( ) : Incremento de temperatura desde el fluido frio ( ) hasta la temperatura más

elevada posible sin que se presente cambio de fase( ). Subíndice c: representa el fluido frio

Se selecciona una caldera que cumpla con los requerimientos termodinámicos del proceso,

dando como resultado la elección de una caldera de marca Gas & Gas de 10 BHP (98 Kw),

con un flujo másico de 345 Lb/hora (0,0479 Kg/s), y con una presión de trabajo de 300 Kpa

correspondiente a una temperatura de saturación de 133,5ºC. A continuación se presentan

las especificaciones técnicas de la caldera.

Tabla 93. Especificaciones técnicas de la caldera

Fuente: Gas & Gas – ficha técnica de caldera

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184

Figura 46. Foto caldera seleccionada

Fuente: ANEXO F

3.3.5 Dilatación de la tubería de la caldera

La dilatación de la tubería se basa en que los sólidos incrementan su volumen al aumentar

la temperatura y se disminuye al descender la temperatura. A continuación se presenta la

ecuación para calcular la longitud final de la tubería al ser expuesta a un incremento de

temperatura,(Wilson, y otros, 2007)

( ) ( )

Donde,

Lf: Longitud Final

Lo: Longitud inicial

α: Coeficiente de dilatación térmica

ΔT: Diferencial de temperatura

El coeficiente de dilatación térmica para el acero inoxidable es de 1,73 x 10-5

ºC-1

,

inicialmente se calculara la dilatación para un metro de tubería, y la temperatura inicial de

la tubería se considera de 20ºC y la final de 133 ºC.

( ( ))

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185

Para un metro de tubería la dilatación es de 0,00195 m, en este caso se tienen

aproximadamente 4 metros por lo tanto la dilatación es de 0,00782 m, entonces la tubería

medirá finalmente 4,00782 m.

3.3.6 Torre de enfriamiento

Las torres de refrigeración pueden ser de tiro natural, forzado o inducido. Sus flujos pueden

ser a contracorriente, cruzados o una combinación de ambos. El esquema que se presenta a

continuación es de una torre de refrigeración inducida a contracorriente. El agua caliente a

refrigerar que entra en 1 se pulveriza en lo alto de la torre. El agua que cae pasa

habitualmente a través de un conjunto de deflectores cuyo objetivo es mantenerla dispersa

en gotas finas para facilitar la evaporación. En el punto 3 entra aire atmosférico que es

aspirado hacia arriba por el ventilador y circula en sentido opuesto al de las gotas de agua

que caen. Por la interacción de ambas corrientes una pequeña fracción de agua se evapora

en el aire húmedo, que sale en 4 con una mayor humedad específica que la que tenía al

entrar en 3. La energía necesaria para la evaporación procede principalmente del agua que

no se evapora, con el resultado de que el agua que sale en 2 se encuentra a menor

temperatura que la que entra en 1. Puesto que parte del agua entrante se evapora, una

cantidad equivalente de agua de reposición se añade en 5 de manera que el caudal de agua

que retorna es el mismo que el agua caliente que entra en 1.(Moran, y otros, 2010)

Figura 47. Dibujo Torre de enfriamiento

Fuente: Autor

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186

Figura 48. Esquema de una torre de refrigeración

Fuente: Moran, Michael J., y otros. 2010.Fundamentals of engineering thermodinamics.

Seven Edition. s.l. : John Wiley & Sons, Inc., 2010.

Conociendo el funcionamiento básico de una torre de enfriamiento y tomando como

referencia laFigura 48se procede a calcular el flujo másico del agua de reposición, el área

de su base y el volumen de agua requerido en la piscina.

Para el cálculo del flujo másico del agua reposición se sigue el ejemplo de torre de

enfriamiento del libro (Moran, y otros, 2010), Capítulo 12, Ejemplo 12.15.

Para este caso se conocen las siguientes condiciones de trabajo:

Flujo másico de agua caliente que entra y que sale de la torre, 2,53kg/s.

Lugar de instalación de la torre de enfriamiento, Acacias-Meta, con una temperatura

ambiente promedio 27ºC y una humedad relativa promedio de 77%.(EOSweb

NASA)

Temperatura del agua en la entrada y salida de la torre, 32ºC y 27ºC

respectivamente. (la temperatura mínima con que puede salir el agua de la torre

corresponde a la temperatura ambiente, y el ΔT de la torre se considera de

5ºC(IDAE, 2007))

El agua de reposición entra con una temperatura de 20ºC

Se realizan las siguientes suposiciones:

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187

La torre de enfriamiento opera en estado estacionario.

Las variaciones de energía con el entorno y la energía cinética y potencial se

desprecian.

Al calcular las entalpias específicas, cada corriente de líquido se considera saturada

a la temperatura especificada.

La presión es constante y es la presión atmosférica.

El aire a la salida de la torre de enfriamiento tiene una temperatura de 30ºC y una

humedad relativa del 95%.

El flujo másico de agua de reposición m5, se obtiene de los balances de masa y energía. Los

balances de masa de aire seco y del agua son,

Aire seco (84)

Agua (85)

Donde

= Flujo másico a= aire

v= Vapor

El flujo másico común de aire seco se representa por . Puesto que , de la

ecuación del balance de agua,

( )

Como y , donde es la humedad especifica, resulta

( ) ( )

Realizando el balance de energía, se obtiene,

( ) ( ) ( )

w= Agua

h=entalpía

Calculando las entalpías de vapor de agua correspondientes a los valores de vapor saturado

a la temperatura en la que se encuentran, y con la entalpía de cada corriente liquida como la

de líquido saturado a su temperatura respectiva, el balance de energía se convierte en,

( ) ( ) ( )

f: Corresponde al valor de líquido saturado.

g: Corresponde al valor de vapor saturado.

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188

Sabiendo que , ( ), y y despejando

, se obtiene,

( )

( ) ( ) ( ) ( )

Tabla 94. Datos para cálculo de torre de enfriamiento

PROPIEDAD VALOR

Temperatura de entrada del agua caliente, ºC 32

Temperatura de salida del agua enfriada, ºC 27

Temperatura de agua de recirculación, ºC 20

Temperatura de bulbo seco en la entrada del flujo de aire, ºC 27

Temperatura de bulbo seco en la salida del flujo de aire, ºC 30

Humedad relativa en la entrada del aire, % 77

Humedad relativa en la salida del aire, % 95

Entalpía del agua caliente en la entrada, (KJ/Kg) – hf1 134,15

Entalpía del agua enfriada en la salida, (KJ/Kg) – hf2 113,25

Entalpía del flujo de aire en la entrada, (KJ/Kg) – ha3 300,34

Entalpía del flujo de vapor de agua en la entrada, (KJ/Kg) – hg3 2550,8

Entalpía del flujo de aire en la salida, (KJ/Kg) – ha4 303,36

Entalpía del flujo de vapor de agua en la salida, (KJ/Kg) – hg4 2556,3

Entalpía del agua de recirculación, (KJ/Kg) – hf5 83,96

Humedad especifica del flujo de aire en la entrada, (Kg de

agua/Kg de aire seco) – w3 0,0171

Humedad especifica del flujo de aire en la salida, (Kg de agua/Kg

de aire seco) – w4 0,026

Flujo másico de agua caliente en la entrada, (Kg/s) – m1 2,53

Flujo másico de agua enfriada en la salida, (Kg/s) – m2 2,53

Fuente: Autor

Los datos de entalpia para el agua, vapor y aire se hallan utilizando las tablas de las

propiedades termodinámicas para el agua saturada y para el aire como gas ideal a presión

atmosférica, ver ANEXO G. Los datos de humedad específica se hallan utilizando la carta

psicométricaANEXO H.

Remplazando los valores y calculando se encuentra un flujo másico de aire seco,

( )

( ) ( ) ( )

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189

Finalmente sustituyendo los valores en ( ), se encuentra el flujo másico de

agua de recuperación,

( )

CÁLCULO DE ÁREA DE LA SECCIÓN TRASNVERSAL DE LA TORRE

Para calcular el área de la sección transversal de la torre, es necesario en primer lugar el

flujo especifico del agua, m’, que tiene como unidades gal/min/pie3. (Torres, 1974),

Experimentalmentese ha encontrado que un valor de 2 gal/min/pie3 es conveniente para que

la torre tenga unas proporciones adecuadas de altura y área.

El área de la sección transversal se calcula dividiendo el caudal del agua de enfriamiento

entre el flujo especifico del agua, entonces,

Selección de la torre de enfriamiento

Conociendo la carga térmica de 52,89 Kw y el área de la base de la torre de enfriamiento se

selecciona la torre de marca TORRAVAL, serie PMS 6/130, la cual tiene un área de base

de 1,96 m2 y un volumen de agua en la piscina de 0,57 m

3.

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190

Tabla 95. Especificaciones torre de enfriamiento

Fuente: ANEXO G

POTENCIA PARA EL MOTOR DEL VENTILADOR AXIAL

(Mataix, 1986)Para el cálculo de la potencia del motor del ventilador se utiliza la siguiente

ecuación.

( )

Donde,

Q: Caudal de aire que sale de la torre, m4 / ρ

ΔPT: Presión total del ventilador, para torres de enfriamiento entre 8 y 25 mmca.(Torres,

1974)

ηT: Eficiencia del ventilador

El caudal es,

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191

La presión se considera 12 mmca (0,3 Kpa), y la eficiencia del ventilador de un 60%,

entonces,

SELECCIÓN DE LA BOMBA PARA EL SISTEMA DE REFRIGERACIÓN

La bomba debe manejar un flujo másico de 2,53 kg/s el cual corresponde a un caudal de 9,1

m3/h (0,00253 m

3/s). La pérdida que genera el intercambiador es de 1 bar (10,2m), las

condiciones del agua son presentadas a continuación.

Tabla 96. Propiedades del agua y generalidades de la tubería

PROPIEDADES DEL AGUA Y GENERALIDADES DE

LA TUBERÍA

996,1 Kg/m3

Viscosidad dinámica del agua, (N.s/m2)

Diámetro nominal de la tubería 1,5 in (38,1 mm)

Diámetro interno de la tubería, D 35,1 mm

Rugosidad de la tubería inoxidable, K 0,8 micras

Fuente: Autor

Se calculan las pérdidas de presion por fricción y por accesorios, para esto se sigue el

mismo procedimiento utilizado para los cálculos realizados anteriormente.

Pérdidas por fricción: Es necesario conocer la velocidad del fluido, el Número de Reynolds,

y el coeficiente de fricción determinado con el diagrama de Moody. En el siguiente cuadro

se presentan los valores calculados.

Tabla 97. Características del flujo

Velocidad del agua 2,612 m/s

Número de Reynolds 101485,1

Coeficiente de fricción 0,018

Fuente: Autor

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192

La longitud de la tubería es de aproximadamente de 10 metros, entonces las pérdidas de

presion generadas por las friccion de la tuberia son de 1,78 m.

Pérdidas menores: Son las generadas por los accesorios,en este caso se tienen 5 válvulas

mariposa, 13 codos a 90º, un manómetro, y en la salida las boquillas de asperción con una

perdida de 1 bar. Lo que corresponde a 12,2 m de pérdidas de carga.

En total se encuentra que las pérdidas de carga generadas por la fricción y por los

accesorios son de 13,98 m.

La expresion de las pérdidas globales es la siguiente,

Para el cálculo de la altura útil o cabeza de la bomba, se toman los puntos de control como

se observa en el siguiente esquema,

Figura 49. Esquema del sistema de bombeo de la torre de enfriamiento

Fuente: Autor

Se hace el análisis de energía con la ecuación de Bernoulli, el volumen de control se realiza

entre los puntos 1 y 4, obteniendo la siguiente expresión,

( )

Donde:

H: Altura útil

Hr: Pérdidas totales en el exterior de la bomba

P: Presión a la que está sometida el fluido

v: Velocidad del fluido

z: Altura de un punto con respecto a un nivel de referencia

: Densidad del fluido g: Gravedad

La torre de enfriamiento trabaja a presión atmosférica, se cancelan la presión en el punto 1

con la presión del punto 4. La velocidad en 4, será la que lleve el fluido en la tubería y la

velocidad en 1 se considera cero, quedando:

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193

( ) ( )

La tubería tiene un diámetro de 1,5 in y la velocidad correspondiente es de 2,22 m/s, esta

sería la velocidad en el punto 4. La diferencia de altura (z4 - z1), es la diferencia geométrica

entre el punto 1 y 4, para este caso se toma la longitud D del catálogo de la torre

seleccionada PMS 6/130, D=2m y Hr corresponde a las pérdidas de carga entre los puntos

1 y 2 y los puntos 3y 4, Hr=24,18 m, reemplazando y calculando se obtiene,

La curva del sistema se grafica con la ecuación de la cabeza de la bomba en función del

caudal, esto con el fin de encontrar el punto de funcionamiento de la bomba. A

continuación la ecuación de H=f(Q2),

Se calcula la potencia de la bomba como sigue,

NPSH disponible, para este caso tenemos los siguientes datos:

Tabla 98. Datos para calcular el NPSH

DATOS PARA CALCULAR NPSHdisponible

Presión atmosférica 721 mmHg -96125,16 pa

Presión de saturación a 27ºC 26,75 mmHg- 3567 pa

Densidad 996,1 kg/m3

Gravedad 9,81 m/s2

Altura de succión, hs 0,24 m

Velocidad del fluido 2,22 m/s

Pérdidas de carga, Hr 1-2 0,1 m

Fuente: Autor

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194

Se debe tener en cuenta que el NPSHrequerido< NPSHdisponible.

La bomba seleccionada es de marca INOXPA, referencia SN-20 con diámetro de rodete de

120 mm, el punto de funcionamiento representado en la gráfica trabaja con una potencia de

2,1 Kw, un caudal de 12,2 m3/h (0,00339 m

3/s), una altura de 27,5 m, y un NPSHrequerido de

1,8 m. A continuación se presentan las curvas de la bomba seleccionada.

Figura 50. Curvas de la bomba y curva del sistema

Fuente: INOXPA S.A (2015). Curva de bomba SN15. <http:

//www.inoxpa.com/pump/centrifugal>

3.3.7 Selección compresor

El módulo de pasteurización utiliza una válvula de 3 vías con actuador neumático, para el

accionamiento de esta se selecciona el compresor de marca Kaeser, referencia SX3 con

presión máxima de trabajo de 125 Psi, caudal de 12 cfm. Ver catalogoANEXO J

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195

Figura 51. Compresor Kaeser

Fuente: ANEXO J

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196

8. PRESUPUESTO

A continuación se encuentra el presupuesto de todos los equipos por separados incluyendo

asesoría de montaje u técnico que realice el montaje y la administración del proyecto como

lo es compra de elementos, administración y seguimiento.

Luego del valor de los tres módulos se entrega un análisis financiero basados en la

información actual que entrega el cliente potencial Nueva deli como presupuesto inicial,

capacidad operativa actual, valor de gastos como materias primeas, servicios y nómina del

personal. Con el análisis financiero se pretende que el cliente pueda comprender la

complejidad del proyecto, la necesidad de un préstamo de dinero adicional, la inversión de

personal necesario y el retorno de su inversión.

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197

8.1 COSTO DE EQUIPOS Y MONTAJE

Tabla 99. Presupuesto módulo servicios industriales.

Fuente: Autor.

Equipo o Accesorio Descripción Cantidad Valor unitario Valor total

Bomba de envío INOXPA SN-28, CENTRIFUGA, 3500 RPM 1 $ 5.600.000 $ 5.600.000

Filtro de carbón

activado FILTRO AMERICANO MARCA STRUCTURAL 1 $ 1.700.000 $ 1.700.000

Filtro de arena  FILTRO AMERICANO MARCA STRUCTURAL 1 $ 1.500.000 $ 1.500.000

Lámpara de luz UV  EQUIPO DE RAYOS ULTRAVIOLETA 1 $ 2.400.000 $ 2.400.000

Filtro de 20 micras  FILTRO AMERICANO DE ¾” X 20” 1 $ 280.000 $ 280.000

Filtro de 5 micras  FILTRO AMERICANO DE ¾” X 20” 1 $ 280.000 $ 280.000

Torre de TORRAVAL PMS 6-130 1 $ 42.000.000 $ 42.000.000

Bomba torre INOXPA SN-28, CENTRIFUGA, 3500 RPM 1 $ 5.600.000 $ 5.600.000

Caldera GAS & GAS, 10 BHP, PRESIÓN MÁX 120 PSI 1 $ 35.000.000 $ 35.000.000

Compresor KAESER SX3, 12 CFM, POTENCIA NOMINAL 3HP 1 $ 15.300.000 $ 15.300.000

ABRAZADERA CLAMP 1 1/2" 29 $ 15.000 $ 435.000

ABRAZADERA CLAMP 2" 5 $ 17.500 $ 87.500

BOCAPESCAO TUBERIA SANITARIA 1 1/2" x 1" 2 $ 7.500 $ 15.000

BOCAPESCAO TUBERIA SANITARIA 1 1/2" x 3/4" 2 $ 7.900 $ 15.800

BRIDA SLIP ON AC SOLDABLE CLASE 150-2" 3 $ 12.500 $ 37.500

CODO INOX ROSCADO 1" 3 $ 5.000 $ 15.000

CODO INOX ROSCADO 3/4" 4 $ 4.800 $ 19.200

CODO PPR SOLDABLE 63mm (2") 1 $ 4.500 $ 4.500

CODO SANITARIO SOLDABLE 1 1/2" 31 $ 9.000 $ 279.000

CODO TRANSAIR ACOPLE 1/2" 5 $ 4.000 $ 20.000

COLA DE MARRANO INOX 1/4" 2 $ 12.000 $ 24.000

NIPLE INOX ROSCABLE-SOLDABLE 1" x 1 1/2" 1 $ 6.700 $ 6.700

NIPLE INOX ROSCABLE-SOLDABLE 3/4" x 1 1/2" 1 $ 6.850 $ 6.850

PORTABRIDA PPR SOLDABLE 40mm (1 1/4") 2 $ 138.000 $ 276.000

REDUCCION CONCENTRICA SANITARIA SOLDABLE 2" -1 3 $ 25.000 $ 75.000

TABLERO DE TELEFONOS JARABE TERMINADO PEPE 1 $ 520.000 $ 520.000

TEE SANITARIA SOLDABLE 1 1/2" 5 $ 32.500 $ 162.500

TOMAMUESTRAS INOX 1/2" 2 $ 120.000 $ 240.000

TUBERÍA POLIPROPILENO 0,282 $ 1.500 $ 423

TUBO INOX ROSCABLE 1 0,83 $ 37.500 $ 31.125

TUBO INOX ROSCABLE 3/4 1,52 $ 34.000 $ 51.680

TUBO SANITARIO SOLDABLE 1 1/2" 11,83 $ 27.500 $ 325.325

TUBO TRANSAIR DESBARBADO ACOPLE 1/2" 1,3 $ 1.250 $ 1.625

TABLERO ELECTRICO 1 $ 650.000 $ 650.000

TANQUE PLASTICO AGUA 1 $ 1.250.000 $ 1.250.000

UNION INOX ROSCADA 1/2" 2 $ 3.500 $ 7.000

UNION INOX ROSCADA 1/4" 2 $ 3.750 $ 7.500

VALVULA BOLA BRONCE CROMADO MANUAL ROSCABLE 1 $ 152.000 $ 152.000

VALVULA BOLA BRONCE CROMADO MANUAL ROSCABLE 1 $ 168.000 $ 168.000

VALVULA BOLA BRONCE CROMADO MANUAL ROSCABLE 2 $ 168.000 $ 336.000

VALVULA BOLA BRONCE CROMADO MANUAL ROSCABLE 1 $ 175.000 $ 175.000

VALVULA GLOBO BRONCE ROSCADA 1" 2 $ 250.000 $ 500.000

VALVULA GLOBO BRONCE ROSCADA 3/4" 2 $ 268.000 $ 536.000

VALVULA MARIPOSA SANITARIA MANUAL 1 1/2" 14 $ 175.000 $ 2.450.000

VALVULA MARIPOSA SANITARIA MANUAL 2" 2 $ 186.300 $ 372.600

VALVULA TRANSAIR CON VENTEO ACOPLE 1/2" 1 $ 15.255 $ 15.255

VALVULA FLOTADOR 1 $ 352.000 $ 352.000

119.281.083$

MODULO DE SERVICIOS INDUSTRIALES

SUB-TOTAL MODULO SERVICIOS INDUSTRIALES

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198

Tabla 100. Presupuesto módulo mezcla.

Fuente: Autor.

Equipo o Accesorio Descripción Cantidad Valor unitario Valor total

Tanque de mezcla

con soporteACERO INOXIDABLE 304 1 $ 15.600.000,00 $ 15.600.000

Motor reductor SEW-EURODRIVE 1 $ 2.300.000,00 $ 2.300.000

AgitadorLONGITUD 1,1 M, RODETE DE PALAS PLANAS

INCLINASDAS1 $ 6.500.000,00 $ 6.500.000

Bomba de envío y

recirculaciónINOXPA SN-15, CENTRIFUGA, 3500 RPM 1 $ 4.500.000,00 $ 4.500.000

Valvula mariposa SANITARIA MANUAL, DIAMETRO 1 1 /2" 5 $ 17.500,00 $ 87.500

valvula de 3 vias CON ACTUADOR DE 1,5 1 $ 1.950.000,00 $ 1.950.000

Manometro CONEXIÓN DE 1/4" DE DIAMETRO 1 $ 15.000,00 $ 15.000

Tuberia en metros TUBO SANITARIO SOLDABLE 1 1/2" 9 $ 4.800,00 $ 43.200

ABRAZADERA CLAMP 1 1/2" 20 15000 $ 300.000

ABRAZADERA CLAMP 2" 1 17500 $ 17.500

ABRAZADERA CLAMP 3" 11 22000 $ 242.000

BOCAPESCAO TUBERIA SANITARIA 1 1/2" x 3/4" 1 7900 $ 7.900

BASE BOMBA 1 150000 $ 150.000

CIP SANIMIDGET 1" SPRAYBALL 2 560000 $ 1.120.000

CODO SANITARIO SOLDABLE 1 1/2" 11 9000 $ 99.000

CODO SANITARIO SOLDABLE 3" 1 15000 $ 15.000

COLA DE MARRANO INOX 1/4" 1 12000 $ 12.000

MANOMETRO 1 1/2" 1 96000 $ 96.000

REDUCCION CONCENTRICA SANITARIA SOLDABLE 1

1/2" - 1"2

32000 $ 64.000

SOPORTE TUBERÍA 6 26000 $ 156.000

SOPORTE TABLERO ELÉCTRICO 1 120000 $ 120.000

TEE SANITARIA SOLDABLE 1 1/2" 2 32500 $ 65.000

TEE SANITARIA SOLDABLE 3" 1 52000 $ 52.000

TUBO SANITARIO SOLDABLE 1 1/2" 5,88 27500 $ 161.700

TUBO SANITARIO SOLDABLE 3" 1,10 65000 $ 71.500

TABLERO ELECTRICO 1 650000 $ 650.000

TAPON TIPO BUZO 2 36900 $ 73.800

SPRAY BALL 2 520000 $ 1.040.000

U SANITARIA SOLDABLE 2" 1 12500 $ 12.500

UNION INOX ROSCADA 1/4" 1 3750 $ 3.750

VALVULA 3 VIAS MANUAL 1 1350000 $ 1.350.000

36.875.350$

MODULO DE MEZCLA

SUB-TOTAL MODULO MEZCLA

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199

Tabla 101. Presupuesto módulo de pasteurización.

Equipo o Accesorio Descripción Cantidad Valor unitario Valor total

Tanque pulmón con

soporteACERO INOXIDABLE 304 1 $ 9.600.000 $ 9.600.000

Bomba de envíoINOXPA SN-15, CENTRIFUGA,

3500 RPM1 $ 4.500.000 $ 4.500.000

Intercambiador de

calor de placas para

calentamiento

SCHMIDT-BRETTEN DE PLACAS

SB21 $ 18.500.000 $ 18.500.000

Intercambiador de

calor de placas para

enfriamiento

SCHMIDT-BRETTEN DE PLACAS

SB41 $ 22.500.000 $ 22.500.000

Caudalimetro MAGELO MAG 1100 1 1/2 1 $ 1.502.000 $ 1.502.000

ABRAZADERA CLAMP 1 1/2" 29 15000 $ 435.000

BOCAPESCAO TUBERIA

SANITARIA 1 1/2" x 1/2"2 7900 $ 15.800

BOCAPESCAO TUBERIA

SANITARIA 1 1/2" x 3/4"2 7500 $ 15.000

BOCAPESCAO TUBERIA

SANITARIA 1" x 1/2"2 7200 $ 14.400

BUSHING INOX ROSCADO

EXTERNO 1/2"x1/4"1 7500 $ 7.500

CODO INOX ROSCADO 1" 2 5000 $ 10.000

CODO INOX ROSCADO 3/4" 9 4800 $ 43.200

CODO SANITARIO SOLDABLE 1

1/2"39 9000 $ 351.000

CODO TRANSAIR ACOPLE 1/2" 2 4000 $ 8.000

COLA DE MARRANO INOX 1/4" 3 12000 $ 36.000

MANGUERA NEUMATICA PUN 8

mm0,77 1250 $ 959

MANOMETRO 1 1/2" 3 96000 $ 288.000

NIPLE INOX ROSCADO 1" x 2 1/2" 3 6700 $ 20.100

NIPLE INOX ROSCADO 1/2" x 2" 5 6850 $ 34.250

NIPLE INOX ROSCADO 3/4" x 2" 3 6700 $ 20.100

REDUCCION COPA INOX

ROSCABLE 1 1/2" x 1"1 15000 $ 15.000

REDUCCION COPA INOX

ROSCABLE 1 1/2" x 3/4"1 25500 $ 25.500

REDUCCION COPA INOX

ROSCABLE 1" x 1/2"2 22000 $ 44.000

REGULADORA DE PRESION

ROSCADA 1/2"1 168000 $ 168.000

RACOR RAPIDO 8MM 4 12000 $ 48.000

SENSOR DE TEMPERATURA PT100

1/2"2 250000 $ 500.000

SEPARADOR HUMEDAD TP-S1

ROSCADO 1"1 78000 $ 78.000

SOPORTE TUBERIA 1 15000 $ 15.000

SOPORTE TABLERO 1 250000 $ 250.000

TEE INOX ROSCADA 1/2" 1 12500 $ 12.500

TEE INOX ROSCADA 3/4" 1 17800 $ 17.800

MODULO DE PASTEURIZACIÓN

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200

Fuente: Autor.

TEE SANITARIA SOLDABLE 1 1/2" 1 25000 $ 25.000

TRAMPA DE CONDENSADOS

HORIZONTAL-3/4"2 225000 $ 450.000

TUBO INOX ROSCABLE 1 1,35 32000 $ 43.200

TUBO INOX ROSCABLE 3/4 3,61 34000 $ 122.740

TUBO SANITARIO SOLDABLE 1

1/2"17,38 27500 $ 477.950

TUBO TRANSAIR DESBARBADO

ACOPLE 1/2"1,13 1250 $ 1.408

TABLERO DE TELEFONOS 1 520000 $ 520.000

TABLERO ELECTRICO 1 650000 $ 650.000

UNIDAD DE MANTENIMIENTO

1/4"1 120000 $ 120.000

UNION GALVANIZADA ROSCADA

1/2"1 $ -

UNION INOX ROSCADA 1/2" 1 3500 $ 3.500

UNION INOX ROSCADA 1/4" 1 3750 $ 3.750

UNIVERSAL INOX ROSCADA 1" 5 4500 $ 22.500

UNIVERSAL INOX ROSCADA 3/4" 2 4250 $ 8.500

VALVULA 3 VIAS CON ACTUADOR

1.51 1950000 $ 1.950.000

VALVULA 3 VIAS CON ACTUADORr

1.51 1950000 $ 1.950.000

VALVULA BOLA INOX 250PSI

ROSCADA 1"2 245000 $ 490.000

VALVULA BOLA INOX MANUAL

ROSCADA 1/2"1 242500 $ 242.500

VALVULA BOLA INOX MANUAL

ROSCADA 1/4"3 238000 $ 714.000

VALVULA DE SEGURIDAD 1/2" x

3/4"1 169000 $ 169.000

VALVULA GLOBO BRONCE

ROSCADA 1"1 158900 $ 158.900

VALVULA GLOBO BRONCE

ROSCADA 3/4"1 150000 $ 150.000

VALVULA MARIPOSA SANITARIA

MANUAL 1 1/2"7 175000 $ 1.225.000

VALVULA TRANSAIR CON VENTEO

ACOPLE 1/2"1 15255 $ 15.255

VÁLVULA PROPORCIONAL 1 6500000 $ 6.500.000

$ 75.088.311 SUB-TOTAL MODULO PASTEURIZACION

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201

Tabla 102. Presupuesto total de los módulos de mezcla, pasteurización y servicios

industriales.

Fuente: Autor.

ITEM DESCRIPCIÓN Valor unitario Valor total

1 MODULO SERVICIOS INDUSTRIALES 1 un 119.281.083$ 119.281.083$

2 MODULO MEZCLA 1 un 36.875.350$ 36.875.350$

3 MODULO PASTEURIZACION 1 un 75.088.311$ 75.088.311$

1

139 ADMINISTRACIÓN 1 5.000.000$ 5.000.000$

140 INGENIERO 1 2.500.000$ 2.500.000$

141 TECNICO 3 1.350.000$ 4.050.000$

142 IMPREVISTOS 5% 11.562.237$

254.356.981,46$ COSTO TOTAL

CANT.

ACCESORIOS MODULO DE MEZCLA

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202

Tabla 103. Presupuesto montaje de elementos.

Fuente: Autor.

ITEM ACTIVIDAD UND CANTIDAD VLR UNITARIO VLR PARCIAL

1 Instalacion Tanque UN 3 570.000$ 1.710.000$

2Instalacion agitador y

motorreductorUN 1 250.000$ 250.000$

3 Instalacion Bombas UN 3 120.000$ 360.000$

4 Instalacion filtros UN 5 100.000$ 500.000$

5 Instalacion Caldera UN 1 330.000$ 330.000$

6 Instalacion compresor UN 1 330.000$ 330.000$

7 Instalacion Pasteurizador UN 1 250.000$ 250.000$

8 Instalacion Intercambidor UN 1 250.000$ 250.000$

9Instalacion instrumentacion

y valvulas GL 1 1.200.000$ 1.200.000$

10 Instalacion tuberia ML 40 12.000$ 480.000$

11Pegas de soldadura de

tuberia y accesorisoUN 253 25.000$ 6.325.000$

12Instalacion de tablero

telefono UN 3 120.000$ 360.000$

13Instalacion de cajas

electricasUN 3 80.000$ 240.000$

14

Suministro e instalacion

soporte de tuberia, en tubo

cuadrado de 1" inox 304

UN 1 350.000$ 350.000$

15Suministro e instalacion de

conexiones electricasGL 1 3.700.000$ 3.700.000$

16 Reparacion piso en concreto M2 4 360.000$ 1.440.000$

17Adecuacion puerta ingreso

zona produccionGL 1 2.200.000$ 2.200.000$

18 Puntos y tomas electricas UN 10 60.000$ 600.000$

19limpieza general y retiro de

escombrosGL 1 400.000$ 400.000$

21.275.000$

10% Administracion 2.127.500$

5% Imprevistos 1.063.750$

8% Utilidad 1.702.000$

16% IVA (16% utilidad) 272.320$

26.440.570$

TOTAL COSTOS DIRECTOS

VALOR TOTAL

Montaje mecanico y electrico de modulos

Adecuaciones civiles locativos

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203

8.2 INVERSIONES

Inversión Fija: Está compuesta por la maquinaria, equipos, muebles y enseres, requeridos

por la empresa.

Terreno: Nueva Deli dispone del terreno propio suficiente para la adecuación de la planta

con los nuevos módulos de trabajo.

Montaje y adecuaciones locativas: De acuerdo a las necesidades locativas y de instalación

de los equipos para la planta, asciende a un valor de $ 26.440.570, lo cual incluye el valor

de mano de obra y materiales consumibles.

Muebles y enseres: Nueva Deli ya cuenta con equipos de oficina y herramientas necesarias

para su funcionamiento, no requiere hacer una nueva inversión.

Total de inversión fija: En el siguiente cuadro se resume las inversiones necesarias para la

ampliación de la planta de jugos

Tabla 104. Tabla total de inversiones Nueva planta.

Fuente: Autor.

Inversión diferida: Esta representa los gastos pre operativos, en que incurre la empresa

antes de iniciar las actividades normales, como licencias, estudios, entre otros.

Tabla 105. Costo certificado de Invima.

DESCRIPCION MONTO

Certificado de calidad INVIMA

$ 1.546.440

Fuente: www.invima.gov.co

DESCRIPCION MONTO

Terreno -$

Montaje y adecuaciones 26.440.570$

Maquinaria y Equipos 268.243.903$

Muebles, equipos de

oficina y herramientas -$

TOTAL INVERSION FIJA 294.684.473$

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204

Inversión de capital de trabajo. Es el estimativo de efectivo necesario tener antes del inicio

de las actividades normales de la empresa. Su especificación en conceptos y valores de

determinan teniendo en cuenta los egresos que se presentan a continuación.

Costos de producción

Materias primas. Básicamente corresponde a lo requerido para el proceso de elaboración

de refresco o jugo se requiere, pulpa de fruta, azúcar, ácido cítrico, agua , y teniendo en

cuenta los costos actuales de producción decimos que para producir 4000 frascos diarios de

350gr cada uno

Costo diario de la materia prima $ 2.083.200

Costo materia prima mensual trabajando 16 días $ 33.331.200

Mano de obra directa. Para el cálculo de esta información fue necesario determinar el

salario de la mano de obra que interviene directamente en el producto.

Tabla 106. Mano de obra directa

Fuente: Nueva deli

Costos indirectos de Fabricación

Mano de obra indirecta. Para el cálculo de esta información fue necesario determinar el

salario de la mano de obra que interviene indirectamente en la elaboración del producto

como lo es el jefe calidad y producción.

Tabla Mano de obra indirecta

DIARIA 2.083.200$

MENSUAL 33.331.200$

ANUAL 399.974.400$

COSTOS DE MATERIAS PRIMAS

MOD NO.SALARIO

BASEAUX. TRANSP SALARIO

FACTOR

SALARIAL

51,33%

TOTAL MES ANUAL

Operarios 2 644.350$ 74.000$ 718.350$ 368.729$ 1.087.079$ 13.044.949$

MOD 1.436.700$ 26.089.897$

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205

Tabla 107. Mano de obra directa.

Fuente: Autor.

Tabla 108. Nomina Administrativa.

Fuente: Autor.

Insumos. Corresponde para la empresa los empaques plásticos, las cajas de cartón que de

acuerdo al precio estimado anual son $ 9.520.000

Mantenimiento. Se estima un costo del 5% anual del valor de los equipos, es decir $

13.412.195.

Depreciación. Se calcula utilizando el método de línea recta, con este método es constante

la tasa de depreciación, esto significa que el valor en libros decrece como una función lineal

con el tiempo. El valor de salvamento se calculó teniendo en cuenta un 10% sobre el valor

de los activos debido a que es par el proceso productivo, especialmente por la maquinaria a

utilizar.

Tabla 109. Depreciación de equipos.

Fuente: Autor.

MOD NO.SALARIO

BASEAUX. TRANSP SALARIO

FACTOR

SALARIAL

51,33%

TOTAL MES ANUAL

Ing. Produccion

y calidad 1 1.200.000$ 74.000$ 1.274.000$ 653.944$ 1.927.944$ 23.135.330$

MOD 1.274.000$ 23.135.330$

MOD NO. SALARIO BASEAUX.

TRANSPSALARIO

FACTOR

SALARIAL

51,33%

TOTAL MES ANUAL

Gerente o dueño 1 $ 2.000.000 0 2.000.000$ 1.026.600$ 3.026.600$ 36.319.200$

Secretaria 1 644.350$ 74.000$ 718.350$ 368.729$ 1.087.079$ 13.044.949$

Vendedor 2 644.350$ 74.000$ 718.350$ 368.729$ 2.174.158$ 26.089.897$

MOD 4.155.050$ 75.454.046$

* el vendedor gana el 5% de comision sobre las ventas

ACTIVO FIJO Vr. ACTIVO Vr. SALVAM. Vr. DEPREC MES

Maquinaria y Equipo 231.244.744$ 23.124.474$ 208.120.270$ 1.734.335,58$

Adecuaciones locativas 26.168.250$ 2.616.825$ 23.551.425$ 98.130,94$

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206

Servicios. Costos de servicios al año 2015.

Tabla 110. Costos servicios públicos.

Fuente: Autor.

Costos totales de Producto. Se presentan en la siguiente tabla

Tabla 111. Costos Totales de producto.

Fuente: Autor.

SERVICIO UNIDAD COSTO FIJOCOSTO

VARIABLE

COSTO

MENSUAL

Energia 15 KW/H 455$ 227.955$ 227.955$

Telefono Ilimitado 120.000$ 120.000$

Cargo fijo mensual acued unit 42.000$ 42.000$

Acueducto 2.590$ 77.700$

Aseo 950$ 28.500$

Alcantarillado 1.587$ 47.610$

Gas 120m3 950$ 114.000$

TOTAL 657.765$

30m3

COSTOS DE SERVICIOS PUBLICOS

49.210$

Promedio Mensual 670.000$

Anual 8.040.000$

COSTOS DE SERVICIOS PUBLICOS

ITEM MES AÑO

Materias Primas 33.331.200$ 399.974.400$

Mano de Obra Directo 2.174.158$ 26.089.896$

Mano de Obra Indirectos 1.927.944$ 23.135.328$

Insumos 9.520.000$ 114.240.000$

Depresiacion 1.734.336$ 20.812.027$

Servicios 670.000$ 8.040.000$

TOTAL 49.357.638$ 592.291.651$

Costos Directos

Costos Indirectos

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207

Tabla 112. Gastos administrativos y de ventas.

Fuente: Autor.

Total inversión de capital de trabajo: Para realizar el cálculo del capital de trabajo o giro

de capital se tienen las siguientes consideraciones

Efectivo: Recursos necesarios para cubrir los egresos durante un mes

Inversión total del proyecto: La inversión total del proyecto asciende a la suma de $

353.796.388

Tabla 113. Inversión total del proyecto.

Fuente: Autor.

Fuentes de financiación: Los recursos necesarios para el desarrollo del proyecto son

aportados 54.25% con recursos propios y 45.75% con recursos de crédito.

Tabla 114. Fuentes de financiación.

ITEM MES AÑO

Transporte 300.000$ 3.600.000$

Publicidad 100.000$ 1.200.000$

Papeleria y Aseo 250.000$ 3.000.000$

Servicios 670.000$ 8.040.000$

Contratacion externa

(contador)600.000$ 7.200.000$

Nomina administrativa 6.287.837$ 75.454.046$

TOTAL 8.207.837$ 98.494.046$

Efectivo a 30 Dias

57.565.475$

Inversion Fija 294.684.473$

Inversion Diferida 1.546.440$

Capital de Trabajo 57.565.475$

FLUJO DE INVERSION 353.796.388$

INVERSION

DESCRIPCION VALORES %

Recursos Propios 200.000.000$ 56,53%

Recursos del credito 153.796.388$ 43,47%

TOTAL INVERSION 353.796.388$ 100,00%

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208

Fuente: Autor

Préstamo Bancario: Se estima una tasa efectiva anual del 10.8% para una tasa mensual

del 0.9% mes vencido, la amortización presenta el siguiente cuadro

Tabla 115. Simulador cuotas préstamo bancario.

Cuota Capital Intereses Cuota Saldo cuota anual cap

cuta anual intereses

0 $ - $ - $ - $ 154.000.000

1 $ 1.946.993 $ 1.386.000 $ 3.332.993 $ 152.053.007

2 $ 1.964.516 $ 1.368.477 $ 3.332.993 $ 150.088.490

3 $ 1.982.197 $ 1.350.796 $ 3.332.993 $ 148.106.293

4 $ 2.000.037 $ 1.332.957 $ 3.332.993 $ 146.106.257

5 $ 2.018.037 $ 1.314.956 $ 3.332.993 $ 144.088.219

6 $ 2.036.199 $ 1.296.794 $ 3.332.993 $ 142.052.020

7 $ 2.054.525 $ 1.278.468 $ 3.332.993 $ 139.997.495

8 $ 2.073.016 $ 1.259.977 $ 3.332.993 $ 137.924.479

9 $ 2.091.673 $ 1.241.320 $ 3.332.993 $ 135.832.806

10 $ 2.110.498 $ 1.222.495 $ 3.332.993 $ 133.722.308

11 $ 2.129.493 $ 1.203.501 $ 3.332.993 $ 131.592.815

12 $ 2.148.658 $ 1.184.335 $ 3.332.993 $ 129.444.157 $ 24.555.842 $ 15.440.076

13 $ 2.167.996 $ 1.164.997 $ 3.332.993 $ 127.276.161

14 $ 2.187.508 $ 1.145.485 $ 3.332.993 $ 125.088.653

15 $ 2.207.196 $ 1.125.798 $ 3.332.993 $ 122.881.457

16 $ 2.227.060 $ 1.105.933 $ 3.332.993 $ 120.654.397

17 $ 2.247.104 $ 1.085.890 $ 3.332.993 $ 118.407.293

18 $ 2.267.328 $ 1.065.666 $ 3.332.993 $ 116.139.966

19 $ 2.287.734 $ 1.045.260 $ 3.332.993 $ 113.852.232

20 $ 2.308.323 $ 1.024.670 $ 3.332.993 $ 111.543.909

21 $ 2.329.098 $ 1.003.895 $ 3.332.993 $ 109.214.810

22 $ 2.350.060 $ 982.933 $ 3.332.993 $ 106.864.750

23 $ 2.371.211 $ 961.783 $ 3.332.993 $ 104.493.540

24 $ 2.392.552 $ 940.442 $ 3.332.993 $ 102.100.988 $ 27.343.170 $ 12.652.752

25 $ 2.414.085 $ 918.909 $ 3.332.993 $ 99.686.903

26 $ 2.435.811 $ 897.182 $ 3.332.993 $ 97.251.092

27 $ 2.457.734 $ 87.526 $ 3.332.993 $ 94.793.359

28 $ 2.479.853 $ 85.314 $ 3.332.993 $ 92.313.505

29 $ 2.502.172 $ 830.822 $ 3.332.993 $ 89.811.334

30 $ 2.524.691 $ 808.302 $ 3.332.993 $ 87.286.642

31 $ 2.547.414 $ 78.558 $ 3.332.993 $ 84.739.229

32 $ 2.570.340 $ 762.653 $ 3.332.993 $ 82.168.888

33 $ 2.593.473 $ 73.952 $ 3.332.993 $ 79.575.415

34 $ 2.616.815 $ 716.179 $ 3.332.993 $ 76.958.600

35 $ 2.640.366 $ 692.627 $ 3.332.993 $ 74.318.234

36 $ 2.664.129 $ 668.864 $ 3.332.993 $ 71.654.105 $ 30.446.883 $ 6.620.888

37 $ 2.688.106 $ 644.887 $ 3.332.993 $ 68.965.998

38 $ 2.712.299 $ 620.694 $ 3.332.993 $ 66.253.699

39 $ 2.736.710 $ 596.283 $ 3.332.993 $ 63.516.989

40 $ 2.761.341 $ 571.653 $ 3.332.993 $ 60.755.648

41 $ 2.786.193 $ 546.801 $ 3.332.993 $ 57.969.456

42 $ 2.811.268 $ 521.725 $ 3.332.993 $ 55.158.188

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209

43 $ 2.836.570 $ 496.424 $ 3.332.993 $ 52.321.618

44 $ 2.862.099 $ 470.895 $ 3.332.993 $ 49.459.519

45 $ 2.887.858 $ 445.136 $ 3.332.993 $ 46.571.661

46 $ 2.913.848 $ 419.145 $ 3.332.993 $ 43.657.813

47 $ 2.940.073 $ 39.292 $ 3.332.993 $ 40.717.740

48 $ 2.966.534 $ 36.646 $ 3.332.993 $ 37.751.206 $ 33.902.899 $ 5.409.581

49 $ 2.993.233 $ 339.761 $ 3.332.993 $ 34.757.973

50 $ 3.020.172 $ 312.822 $ 3.332.993 $ 31.737.802

51 $ 3.047.353 $ 28.564 $ 3.332.993 $ 28.690.449

52 $ 3.074.779 $ 258.214 $ 3.332.993 $ 25.615.669

53 $ 3.102.452 $ 230.541 $ 3.332.993 $ 22.513.217

54 $ 3.130.374 $ 202.619 $ 3.332.993 $ 19.382.842

55 $ 3.158.548 $ 174.446 $ 3.332.993 $ 16.224.295

56 $ 3.186.975 $ 146.019 $ 3.332.993 $ 13.037.320

57 $ 3.215.658 $ 117.336 $ 3.332.993 $ 9.821.662

58 $ 3.244.598 $ 88.395 $ 3.332.993 $ 6.577.064

59 $ 3.273.800 $ 59.194 $ 3.332.993 $ 3.303.264

60 $ 3.303.264 $ 29.729 $ 3.332.993 $ - $ 37.751.206 $ 1.987.640

TOTALES $ 45.979.605 $ 199.979.580

Fuente. Bancolombia Sucursal Virtual.

Balance inicial momento cero de la inversión: En el siguiente cuadro se presenta el

balance inicial del proyecto, teniendo en cuenta la clasificación de los activos, pasivos y

patrimonio de la empresa

Tabla 116. Balance inicial de inversión.

PERIODO AÑO 0

ACTIVO 353.796.388$

Disponible 57.565.475$

Caja 57.565.475$

ACTIVO FIJO 294.684.473$

Depresiable 257.412.994$

No depresiable 0

DIFERIDOS 1.546.440$

Obligaciones Bancarias 199.979.580$

PATRIMONIO 153.796.388$

Capital social 200.000.000$

Reserva Legal -$

Rendimiento o perdida -$

Total Pasivo y Patrimonio 353.796.388$

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210

8.3 COSTOS

Costos fijos: Son todos aquellos valores que se encuentran presupuestados por un

determinado periodo de tiempo en el cual nos sufrirán ninguna variación

Tabla 117. Costos fijos.

Fuente: Autor.

Costos variables: Son aquellos rubros que están propensos a sufrir variaciones ante un

cambio del volumen de producción

Tabla 118. Costos variables.

Fuente: Autor.

Costos Totales: Son todos aquellos costos que se utilizaron para la puesta en marcha del

proyecto

Tabla 119. Costos Totales

Fuente: Autor.

ITEM MES AÑO

Mano de Obra Directo 2.174.158$ 26.089.896$

Mano de Obra Indirectos 1.927.944$ 23.135.328$

Servicios 670.000$ 8.040.000$

Transporte 300.000$ 3.600.000$

Publicidad 100.000$ 1.200.000$

Papeleria y Aseo 250.000$ 3.000.000$

Servicios 670.000$ 8.040.000$

Contratacion externa

(contador)600.000$ 7.200.000$

Nomina administrativa 6.287.837$ 75.454.046$

TOTAL 12.979.939$ 155.759.270$

ITEM MES AÑO

Materias Primas 33.331.200$ 399.974.400$

Insumos 9.520.000$ 114.240.000$

TOTAL 42.851.200$ 514.214.400$

ITEM AÑO 1

Costos Fijos 155.759.270$

Costos Variables 514.214.400$

TOTAL 669.973.670$

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211

Costos totales unitarios.

CTU= CT/No. Unidades= $ 669.973.670 / 896.000

CTU = $ 747.73

Precio de Venta: Para determinar el precio de venta se toma como base el estudio de costos

en que incurre la planta procesadora de pulpa de fruta, para el primer año de

funcionamiento, dividiéndose entre el número de bolsas a producir y se le incrementa el

porcentaje que la empresa desea obtener como utilidad bruta, hallando el respectivo valor

con la siguiente formula

Donde

P= Precio de venta del producto

C= Costo total unitario del producto

%= Porcentaje deseado utilidad

Reemplazando la fórmula para el primer año de la puesta en marcha de la empresa de

acuerdo a los costos el precio es el siguiente

( )

El precio a pagar por cada unidad de producto es de $ 1.000 según cálculos de costos

estimados en promedio, por variedad de materiales más porcentaje deseado a ganar de

utilidad.

8.4 PRESUPUESTO DE INGRESO Y EGRESO

Se refiere a los ingresos y egresos estimados para el funcionamiento de la empresa durante

los cinco años del proyecto.

Egreso del proyecto: Con base a los egresos mensuales programados se proyectan los

egresos generados por el proyecto durante cinco años de visa útil. Los costos fijos

permanecen constantes los variables aumentan anualmente acorde al número de producto a

fabricar.

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212

Tabla 120. Egresos del proyecto durante cinco años.

Fuente: Autor.

Ingresos del proyecto: Con el fin de calcular la proyección de los ingresos es necesario

calcular el presupuesto de venta con base a la cantidad de producto de 350 gr a producir.

Tabla 121: Proyección de unidades estimadas.

Fuente: Autor.

Tabla 122. Ingresos proyectados.

ITEM MES AÑO 1 AÑO 2 AÑO 3 AÑO 4 AÑO 5

COSTOS 426.064.296$ 447.367.511$ 469.735.886$ 493.222.681$ 517.883.815$

Materias Primas 33.331.200$ 399.974.400$ 419.973.120$ 440.971.776$ 463.020.365$ 486.171.383$

Mano de Obra Directo 2.174.158$ 26.089.896$ 27.394.391$ 28.764.110$ 30.202.316$ 31.712.432$

Mano de Obra Indirectos 1.927.944$ 23.135.328$ 24.292.094$ 25.506.699$ 26.782.034$ 28.121.136$

Insumos 9.520.000$ 114.240.000$ 119.952.000$ 125.949.600$ 132.247.080$ 138.859.434$

Mantenimiento 1.117.683$ 13.412.195 14.082.805 14.786.945 15.526.292 16.302.607

Depresiacion 1.734.336$ 20.812.027$ 21.852.628$ 22.945.260$ 24.092.523$ 25.297.149$

Servicios 670.000$ 8.040.000$ 8.442.000$ 8.864.100$ 9.307.305$ 9.772.670$

GTOS ADM-VENTA 98.494.046$ 103.418.748$ 108.589.686$ 114.019.170$ 119.720.128$

Transporte 300.000$ 3.600.000$ 3.780.000$ 3.969.000$ 4.167.450$ 4.375.823$

Publicidad 100.000$ 1.200.000$ 1.260.000$ 1.323.000$ 1.389.150$ 1.458.608$

Papeleria y Aseo 250.000$ 3.000.000$ 3.150.000$ 3.307.500$ 3.472.875$ 3.646.519$

Servicios 670.000$ 8.040.000$ 8.442.000$ 8.864.100$ 9.307.305$ 9.772.670$

Contratacion externa

(contador)600.000$ 7.200.000$ 7.560.000$ 7.938.000$ 8.334.900$ 8.751.645$

Nomina administrativa 6.287.837$ 75.454.046$ 79.226.748$ 83.188.086$ 87.347.490$ 91.714.864$

GTOS FROS 39.995.918$ 39.995.922$ 37.067.771$ 39.312.480$ 39.738.846$

Capital 24.555.842$ 27.343.170$ 30.446.883$ 33.902.899$ 37.751.206$

Intereses 15.440.076$ 12.652.752$ 6.620.888$ 5.409.581$ 1.987.640$

EGRESOS TOTALES 564.554.260$ 590.782.181$ 615.393.343$ 646.554.331$ 677.342.789$

PERIODOUNIDES DE

PRODUCTO

Año 1 896.000

Año 2 940.800

Año 3 987.840

Año 4 1.037.232

Año 5 1.089.094

ITEM AÑO 1 AÑO 2 AÑO 3 AÑO 4 AÑO 5

Producto 896.000 940.800 987.840 1.037.232 1.089.094

Precio 1.000$ 1.000$ 1.000$ 1.000$ 1.000$

INGR. OP. 896.000.000$ 940.800.000$ 987.840.000$ 1.037.232.000$ 1.089.093.600$

INGR. NO OP. 0 0 0 0 0

Vta act fijos 0 0 0 0 0

INGRESOS 896.000.000$ 940.800.000$ 987.840.000$ 1.037.232.000$ 1.089.093.600$

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213

Los ingresos no operacionales son el resultado de la venta de los activos al cabo de los 10

años estimados, según el valor de salvamento, como la proyección realizada es a 5 años el

valor es cero.

8.5 PUNTO DE EQUILIBRIO

El cálculo del punto de equilibrio es importante para determinar el nivel óptimo de venta de

la cantidad de producto. En este punto se determina las cantidades y los ingresos esperados

para suplir los egresos del proyecto. Para hallarlo se toma los costos fijos (CF), los costos

variables (CV) y se aplica la siguiente formula.

Punto de equilibrio para el primer año de funcionamiento de la empresa

Analizando los costos fijos y variables para la planta, el punto de equilibrio lo obtiene la

empresa en el primer año con los ingresos de 617.730 productos de 350gr. Su

representación gráfica se presenta a continuación.

Figura 52. Punto de equilibrio de Nueva Deli en su primer año.

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214

8.6 FLUJO DE CAJA PROYECTADA

Esté estado muestra los flujos monetarios del proyecto estimado en las inversiones,

ingresos y egresos, necesarios para la producción de jugo o refresco.

Tabla 123. Flujo de caja a cinco años.

Fuente: Autor.

8.7 ESTADO DE RESULTADOS PROYECTADO

Muestra los resultados en la operación normal del proyecto, en el que se incluyen los

impuestos a pagar con un porcentaje del 35% según lo estipulado por la ley, al igual que se

toma en cuenta un 10% de reserva.

ITEM AÑO 0 AÑO 1 AÑO 2 AÑO 3 AÑO 4 AÑO 5

Ing. Operación 0 896.000.000$ 940.800.000$ 987.840.000$ 1.037.232.000$ 1.089.093.600$

Rec. propios 200.000.000$

Credito 153.796.388$

Vta act fijos 0 0 0 0 0 0

INGRESOS 353.796.388$ 896.000.000$ 940.800.000$ 987.840.000$ 1.037.232.000$ 1.089.093.600$

Costos 0 426.064.296$ 447.367.511$ 469.735.886$ 493.222.681$ 517.883.815$

G. ADMON 0 98.494.046$ 103.418.748$ 108.589.686$ 114.019.170$ 119.720.128$

G. FROS 0 39.995.918$ 39.995.922$ 37.067.771$ 39.312.480$ 39.738.846$

Inv. Act. 294.684.473$

Gtos. Preop. 1.546.440$

Pago imp. 124.600.554$ 132.076.346$ 141.012.739$ 148.603.199$ 157.325.706$

EGRESOS 296.230.913$ 689.154.814$ 722.858.527$ 756.406.082$ 795.157.530$ 834.668.495$

BALANCE 57.565.475$ 206.845.186$ 217.941.473$ 231.433.918$ 242.074.470$ 254.425.105$

Saldo inic 0 57.565.475$ 264.410.661$ 482.352.134$ 713.786.052$ 955.860.522$

Saldo caja 57.565.475$ 264.410.661$ 482.352.134$ 713.786.052$ 955.860.522$ 1.210.285.627$

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215

Tabla 124. Estado de resultados.

Fuente: Autor.

8.8 EVALUACION FINANCIERA

Para realizar la evaluación financiera se toman como base el flujo de caja proyectada, se

halla el valor presente neto proyectado y la tasa interna de retorno

Valor presente Neto VPN. Es el valor monetario que resulta de restar la suma de los flujos

descontados a la inversión inicial. Para efectos de este proyecto se estimó la tasa de

oportunidad del mercado, a través del costo del dinero en el mercado teniendo en cuenta

una tasa anual de 10.8%, calculando el proyecto con un riesgo medio de 4.5%, es decir con

una tasa total de 15.3%. Se aplicó la fórmula de tasas sucesivas para determinar la tasa de

oportunidad de mercado

TOM + T riesgo = (1+I1 ) (1+I2 ) - 1

TOM = Tasa de oportunidad de mercado

TOM + T riesgo = (1,108) (1,045) – 1

TOM + T riesgo = 0.1578 = 15.786

ITEM AÑO 1 AÑO 2 AÑO 3 AÑO 4 AÑO 5

INGRESOS

OPERACIONALES 896.000.000$ 940.800.000$ 987.840.000$ 1.037.232.000$ 1.089.093.600$

(-) Costos de

operación 426.064.296$ 447.367.511$ 469.735.886$ 493.222.681$ 517.883.815$

UTILIDAD

OPERACIONAL 469.935.704$ 493.432.489$ 518.104.114$ 544.009.319$ 571.209.785$

Ingresos no

operacionales 0 0 0 0 0

(-) Gastos de admon 98.494.046$ 103.418.748$ 108.589.686$ 114.019.170$ 119.720.128$

(-) Gastos fros

(intereses) 15.440.076$ 12.652.752$ 6.620.888$ 5.409.581$ 1.987.640$

UTILIDAD ANTES DE

IMPUESTOS 356.001.582$ 377.360.989$ 402.893.540$ 424.580.568$ 449.502.017$

(-) Impuestos del

35% 124.600.554$ 132.076.346$ 141.012.739$ 148.603.199$ 157.325.706$

UTILIDAD DESPUES

DE IMPUESTOS 231.401.028$ 245.284.643$ 261.880.801$ 275.977.369$ 292.176.311$

(-) Reserva legal del

10% 23.140.103$ 24.528.464$ 26.188.080$ 27.597.737$ 29.217.631$

UTILIDAD NETA 208.260.925$ 220.756.179$ 235.692.721$ 248.379.632$ 262.958.680$

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216

I = 0.1578

Para realizar el cálculo del VPN se emplea la siguiente formula

( )

( )

( )

( )

( )

( )

( )

( )

( )

( )

El valor presente neto es mayor que cero, por tal razón, el proyecto es susceptible a ser

ejecutado, al evaluar todo el proyecto a 5 años.

Tasa interna de retorno TIR. Se define como la tasa de descuento que hace que el VPN

sea igual a cero, Es la tasa que iguala la suma de los flujos descontados a la inversión

inicial. Es aquella que sirve para determinar la rentabilidad del proyecto, facilitando la tasa

de interés con que el inversionista está recuperando lo que aporto y de esta manera saber si

vale la pena el proyecto o si es mejor invertir su dinero en otro tipo que resulte más rentable

Con base a en los datos arrojados por el flujo neto de caja y considerando el 60% de las

utilidades se procede a calcular la TIR aplicando la formula, dando como resultado el

22.27%, lo cual indica que el retorno del proyecto y además produce un rendimiento

adicional, por lo cual resulta llamativo el proyecto.

Tabla 125. Ingresos - Egresos.

Fuente: Autor.

Tabla 126. Calculo TIR.

ITEM AÑO 0 AÑO 1 AÑO 2 AÑO 3 AÑO 4 AÑO 5

BALANCE ING-EGR 57.565.475$ 206.845.186$ 217.941.473$ 231.433.918$ 242.074.470$ 254.425.105$

60% 34.539.285$ 124.107.112$ 130.764.884$ 138.860.351$ 145.244.682$ 152.655.063$

INVERSION (353.796.388)$

AÑO 0 34.539.285$

AÑO 1 124.107.112$

AÑO 2 130.764.884$

AÑO 3 138.860.351$

AÑO 4 145.244.682$

AÑO 5 152.655.063$

TIR 21,27%

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217

Fuente: Autor.

Periodo de recuperación: Analizando la utilidad de los resultados del flujo de caja y

considerando que se tomara el 60% de las utilidades de cada año para recuperar la

inversión, la recuperación de la inversión se logra en dos años y cinco meses

Tabla 127. Recuperación de la inversión.

Fuente: Autor.

AÑO UTILIDAD RECUPERACION INVERSION % UTILIDAD

1 208.260.925$ 124.956.555$ 60,00%

2 220.756.179$ 132.453.707$ 60,00%

3 235.692.721$ 96.386.125$ 353.796.388$ 40,89%

4 248.379.632$

5 262.958.680$

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218

9. MANUALES

9.1 MANUAL DE INSTALACIÓN SERVICIO Y MANTENIMIENTO

MANUAL DE INSTALACIÓN,

SERVICIO Y MANTENIMIENTO

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SEGURIDAD

MANUAL DE INSTRUCCIONES

Este manual contiene información sobre la recepción, instalación, operación, montaje,

desmontaje y mantenimiento para la planta de producción de jugos.

INSTRUCCIONES PARA LA PUESTA EN MARCHA

Este manual de instrucciones contiene información vital y útil para que su equipo pueda ser

manejado y mantenido adecuadamente.

Lea las instrucciones atentamente antes de poner en marcha el equipo, familiarícese con el

funcionamiento y operación de su equipo y atiéndase estrictamente a las instrucciones

dadas. Es muy importante guardar estas instrucciones en un lugar fijo y cercano a su

instalación.

SEGURIDAD

Símbolos de advertencia

Peligro para las personas en

general

Peligro de lesiones causadas por

piezas rotativas del equipo.

Peligro eléctrico

Peligro. Agentes cáusticos o corrosivos.

Peligro. Cargas en suspensión

Peligro para el buen funcionamiento del equipo.

Peligro de quemaduras. Alta

temperatura

Obligación de utilizar gafas de

protección.

Obligación para garantizar la

seguridad en el trabajo.

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220

INSTRUCCIONES GENERALES DE SEGURIDAD

Lea atentamente el manual de instrucciones antes de instalar el equipo y ponerlo en marcha.

Durante la instalación

Tenga siempre en cuenta las Especificaciones Técnicas del capítulo 8.

No ponga nunca en marcha el equipo antes de conectar las tuberías.

Compruebe que las especificaciones de tensión son las correctas, en especial si por las condiciones de trabajo existe riesgo de explosión.

Durante la instalación todos los trabajos eléctricos deben ser llevados a cabo por personal autorizado.

Durante el funcionamiento

Tenga siempre en cuenta las Especificaciones Técnicas del capítulo 8. No podrán sobrepasarse NUNCA los valores límite especificados.

No toque NUNCA los distintos dispositivos del equipo o las tuberías durante su funcionamiento si está siendo utilizado para trasegar líquidos calientes o durante la limpieza.

El equipo contiene piezas en movimiento. No introducir nunca los dedos en el mismo durante su

funcionamiento.

No trabajar NUNCA con las válvulas de aspiración e impulsión cerradas.

No rociar NUNCA los motores eléctricos directamente con agua.

Durante el mantenimiento

Tener siempre en cuenta las Especificaciones Técnicas del capítulo 8.

No desmontar NUNCA el equipo hasta que las tuberías hayan sido vaciadas. Recuerde que siempre puede quedar líquido en algunos puntos del equipo si no lleva purgas. Tener en cuenta que el líquido bombeado puede ser peligroso o estar a altas temperaturas

No dejar las piezas sueltas por el suelo.

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221

Desconectar SIEMPRE el suministro eléctrico del equipo antes de empezar el mantenimiento. Quitar la

tensión general de alimentación del equipo. Todos los trabajos eléctricos deben ser llevados a cabo por personal autorizado.

De conformidad con las instrucciones

Cualquier incumplimiento de las instrucciones podría derivar en un riesgo para los

operarios, el ambiente y la máquina.

Este incumplimiento podría comportar los siguientes riesgos:

Avería de funciones importantes de las máquinas / planta.

Fallos de procedimientos específicos de mantenimiento y reparación. Amenaza de riesgos eléctricos, mecánicos y químicos.

Pondría en peligro el ambiente debido a las sustancias liberadas.

INFORMACIÓN GENERAL

DESCRIPCIÓN

Este manual de instalación, servicio y mantenimiento se refiere a la planta de producción de

jugos. Aquí se tratará sobre el módulo de servicios industriales, el módulo de mezcla y el

módulo de pasteurización.

PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO

Para la producción de jugos se almacena agua del acueducto en un tanque con capacidad de

1500 L, esta servirá para el lavado de los equipos y para la fabricación de producto, para

este último propósito el agua es tratada con filtros de carbono activado y arena, una lámpara

de luz UV, y filtros de 20 y 5 micras, luego es enviada al módulo de mezcla donde se

adicionan los componentes para la fabricación del jugo, como la pulpa de fruta, el azúcar y

los preservantes, entre otros. Luego de recircular el jarabe y conseguir una mezcla

homogénea esta se envía al módulo de pasteurización siendo expuesta a un choque térmico,

y seguidamente se realiza el envasado del producto final.

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222

APLICACIÓN

Este equipo se ha diseñado para la producción de jugos a base de pulpa natural y/o sabores

artificiales

DESCRIPCIÓN PLANTA

Módulo de servicios industriales:

Agua

Tanque de agua de 1500L

Bomba de envío de agua

Filtro de carbón activado

Filtro de arena

Lámpara de luz UV

Filtro de 20 micras

Filtro de 5 micras

Agua de enfriamiento

Torre de enfriamiento

Bomba

Vapor

Caldera

Aire

Compresor

Tablero de control eléctrico

Módulo de mezcla:

Tanque de mezclade 1600L

Bomba de envío y recirculación

Tablero de control eléctrico

Módulo de pasteurización:

Tanque de pulmón de 150 L

Bomba de envío

Intercambiador de calor de placas para calentamiento

Intercambiador de calor de placas para enfriamiento

Tablero de control eléctrico

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P&ID

Norma ISA S5.1 – S5.3

P&ID – Modulo de mezcla

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P&ID – Modulo de pasteurización.

P&ID – Agua tratada.

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P&ID – Agua de torre.

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226

INSTALACIÓN

RECEPCIÓN DE EQUIPOS

Se debe comprobar visualmente que el embalaje de los equipos no ha sufrido daños durante el transporte.

Identificación del equipo

Los equipos deben estar identificados con una placa, como la que sigue:

PLACA EQUIPO

Número de serie

Identificación del equipo

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TRANSPORTE Y ALMACENAMIENTO

Los equipos son demasiado pesados para poder ser almacenados manualmente, estos deben ser manejados con maquinaria adecuada y personal calificado.

UBICACIÓN

Situar los equipos lo más cerca posible de las necesidades de entradas y salidas a fin de minimizar

longitudes de transporte y trabajar de la forma más óptima posible. Colocar los equipo de manera que haya suficiente espacio a su alrededor para poder tener acceso al

mismo. (Ver capítulo 8.Especificaciones Técnicas para consultar dimensiones y pesos).

Montar el equipo sobre una superficie plana y nivelada.

La cimentación debe ser rígida, horizontal, plana y a prueba de vibraciones.

Instalar el equipo de manera que pueda ventilarse adecuadamente. Si el equipo se instala en el exterior, debe estar bajo tejado. Su emplazamiento debe permitir un fácil acceso para cualquier operación de inspección o mantenimiento.

TUBERÍAS

Como norma general montar las tuberías de aspiración e impulsión en tramos rectos, con el mínimo número posible de codos y accesorios, para reducir en lo posible cualquier pérdida de carga provocada

por fricción. Asegurarse que las bocas de conexión de los equipos con el resto de la instalación están bien alienadas

con las tuberías, y que tienen un diámetro similar al diámetro de las conexiones de los equipo.

Situar los equipos lo más cerca posible de la zona de aspiración. Colocar soportes para las tuberías lo más cerca posible de las entradas y salidas del material de los

equipo.

Válvulas de cierre

Los equipos pueden ser aislados para su mantenimiento. Para eso, deben instalarse válvulas de cierre en las conexiones de entrada y salida.

Estas válvulas deben estar SIEMPRE abiertas durante el funcionamiento del equipo.

INSTALACIÓN ELÉCTRICA

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Dejar las conexiones eléctricas al personal calificado. Tomar las medidas necesarias para prevenir averías en las conexiones y cables.

El equipo eléctrico, los bornes y los componentes de los sistemas de control todavía pueden

transportar corriente cuando están desconectados. El contacto con ellos puede poner en peligro la seguridad de los operarios o causar desperfectos irreparables al material.

Antes de manipular los equipos, asegurarse que no llega corriente al tablero eléctrico.

Conectar el equipo según las instrucciones suministradas por el fabricante.

Comprobar el sentido de giro de los elementos giratorios.

Comprobar SIEMPRE el sentido de giro de los motores con líquido en el interior de la bomba.

OTROS COMPONENTES.

Por estar la planta compuesta por diferentes elementos independientes, referirse al los manuales de

instrucciones particulares a fin de seguir las instrucciones de instalación de cada uno de ellos para supervisar su correcta instalación.

Puesta en marcha

Antes de poner en marcha los módulos, lea con atención las instrucciones del capítulo 4. Instalación.

Leer con atención el capítulo 8. Especificaciones Técnicas.

No tocar NUNCA el equipo o las tuberías si se están bombeando líquidos a alta temperatura.

Comprobaciones antes de poner en marcha el equipo

Abrir completamente las válvulas de cierre de las tuberías de entrada y salida. Verificar el nivel de aceite de los elementos móviles que lo necesiten. Añada el aceite necesario para mantener el nivel.

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229

Los equipos no deben funcionar NUNCA en seco.

Las bombas no deben girar NUNCA en seco.

Los engranajes no deben funcionar NUNCA en sin aceite.

Comprobar que las direcciones de rotación delos motores es correcta.

Comprobaciones al poner en marcha las bombas.

Comprobar que no hace ruidos extraños.

Comprobar si la presión de entrada absoluta es suficiente, para evitar cavitaciones u otras anomalíasen el equipo. Controlar laspresiones y caudales de entrada.

Comprobar que no existan fugas por las zonas de obturación.

Las válvulas en las tuberías de entrada deben estar completamente abiertas durante el servicio.

Controlar el consumo del equipo para evitar una sobrecarga eléctrica.

Incidentes de funcionamiento

Referirse a los manuales de instrucciones de los diferentes elementos delaplanta para encontrar soluciones

a problemas que puedan surgir durante el funcionamiento.

No olvide que el sistema mantiene relaciones entre sus elementos.

Si los problemas persisten deberá prescindir del equipo de inmediato. Contactar con el fabricante del equipo, del elemento problemático o su representante.

Mantenimiento

GENERALIDADES

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230

Las instrucciones contenidas en este manual tratan sobre la identificación y reemplazo de las piezas de

recambio de cada elemento según indicado por sus fabricantes. Las instrucciones han sido preparadas para el personal de mantenimiento y para aquellas personas responsables del suministro de las piezas de recambio.

Leer atentamente el capítulo 8. Especificaciones técnicas. Todo el material cambiado debe ser debidamente eliminado / reciclado según las directivas vigentes en cada zona.

Desconectar SIEMPRE la bomba antes de empezar los trabajos de mantenimiento.

LIMPIEZA

El uso de productos de limpieza agresivos pueden producir quemaduras en la piel.

Utilizar guantes de goma durante los procesos de limpieza.

Utilizar siempre gafas protectoras.

Limpieza

Para la limpieza rutinaria de la planta, el desmontaje no es necesario.

Soluciones de limpieza.

Utilizar únicamente agua clara (sin cloruros) para mezclar con los agentes de limpieza:

a) Solución alcalina: 1 – 2 % en peso de sosa cáustica (NaOH) a 70ºC (150ºF)

1 Kg NaOH + 100 l. de agua = solución de limpieza

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231

o

2,2 l. NaOH al 33% + 100 l. de agua = solución de limpieza

b) Solución ácida: 0,5% en peso de ácido nítrico (HNO3) a 70ºC (150ºF)

0,7 litros HNO3 al 53% + 100 l. de agua = solución de limpieza

Controlar la concentración de las soluciones de limpieza, podría provocar el deterioramiento de las juntas de estanquidad de los elementos del equipo.

Consulte con su proveedor habitual posibles variaciones de estas recomendaciones en función del producto comercial que se vaya a utilizar.

Para eliminar restos de productos de limpieza realizar SIEMPRE un enjuague final con agua limpia al finalizar el proceso de limpieza.

Esterilización

El proceso de esterilización con vapor se puede aplicar a algunos componentes del equipo (consultar fichas

técnicas).

NO actuar el equipo durante el proceso de esterilización con vapor. Los elementos/materiales no sufrirán daños si se siguen las especificaciones de este manual.

No puede entrar líquido frío hasta que la temperatura del equipo es inferior a 60°C (140°F).

Condiciones máximas durante el proceso SIP con vapor o agua sobrecalentada

a) Max. Temperatura: 140°C / 284°F

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232

b) Max. Tiempo: 30 min.

c) Enfriamiento: Aire esterilizado o gas inerte

INSPECCIONES GENERALES MIENTRAS QUE TRABAJA

Durante su operación normal se recomienda examinar y verificar el equipo para identificar

posibles fugas o ruidos anormales.

Refiérase a las indicaciones específicas del mantenimiento de cada elemento durante las

definiciones de los protocolos generales del mantenimiento.

Durante la operación normal anote los valores y los parámetros del control para cualquier

modo de trabajo. Estos valores se convertirán en una referencia durante la vida útil del

equipo y serán utilizados como referencia de su funcionamiento para esas condiciones de

trabajo.

Especificaciones Técnicas

Referirse a los manuales de instrucciones de los diferentes elementos de la planta para encontrar

sus especificaciones técnicas.

Cuando el nivel de ruido en el área de operación exceda de 85 dB(A) utilice una protección especial.

DESCRIPCIÓN MATERIAL DE LA INSTALACIÓN

Módulo de servicios industriales:

Tanque de Agua de 1500L

Bomba de envío

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Filtro de carbón activado

Filtro de arena

Lámpara de luz UV

Filtro de 20 micras

Filtro de 5 micras

Torre de enfriamiento

Bomba torre

Caldera

Compresor

Instrumentos de medición

Tablero de control eléctrico

Módulo de mezcla:

Tanque de mezcla de 1600L

Bomba de envío y recirculación

Instrumentos de medición

Tablero de control eléctrico

Módulo de pasteurización:

Tanque de pulmón de 150 L

Bomba de envío

Intercambiador de calor de placas para calentamiento

Intercambiador de calor de placas para enfriamiento

Instrumentos de medición

Tablero de control eléctrico

A continuación se da una descripción de cada uno de los elementos de los tres módulos

Módulo de servicios industriales:

Tanque de agua

Tipo: Cilíndrico Vertical

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Unidades: 1

Material de construcción: Fibra de vidrio

Volumen: 1500 L

Diámetro interior: 1,1m

Altura cilíndrica: 1,6

Aislamiento: NO

Cámara enfriamiento/calentamiento: NO

Accesorios: Control de nivel de agua

Bomba de envío

Tipo: Centrífuga

Modelo: INOXPA SN-28

Unidades: 1

Motor: 3500 RPM 60HZ

Conexión aspiración: 1 1/2 “ - 2”

Conexión impulsión: 1 1/2”

Material cuerpo: AISI 316

Material rodete: AISI 316

Caudal: 0-60 m3/h

Altura diferencial: Hasta 78mca

Filtro de carbón activado

Tipo: Filtro Americano Marca Structural

Diámetro: 13”

Altura: 1,54 m

Material: Polyglass

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Unidades: 1

Lecho filtrante: Carbón activado alemán marca hydrafin

Válvula de control: Tipo cabezal de 3 vías con entrada y salida de 1”

Filtro de arena

Tipo: Filtro Americano Marca Structural

Diámetro: 13”

Altura: 1,54 m

Material: Polyglass

Unidades: 1

Lecho filtrante: Arena sílice al 100% y grava

Válvula de control: Tipo cabezal de 3 vías con entrada y salida de 1”

Lámpara de luz UV

Tipo: Equipo de rayos ultravioleta

Marca: Sterilinght

Potencia germicida: 40.000 microwattios seg/cm2

Capacidad: 12 - 15 GPM, equipo de un solo cuerpo

Diámetro entrada: 1”

Diámetro salida: 1”

Material carcasa: Inoxidable

Accesorios: Módulo de indicador de vida útil de lámpara

Filtro de 20 micras

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Tipo: Filtro americano de ¾” x 20”

Marca: Ametek

Material: Polipropileno

Cartucho: 25 micras x 20” en material Polideth

Diámetro entrada: 3/4 NPT

Diámetro salida: 3/4 NPT

Accesorios: Llave para mantenimientos

Filtro de 5micras

Tipo: Filtro americano de ¾” x 20”

Marca: Ametek

Material: Polipropileno

Cartucho: 5 micras x 20” en material Polideth

Diámetro entrada: 3/4 NPT

Diámetro salida: 3/4 NPT

Accesorios: Llave para mantenimientos

Torre de enfriamiento

Fabricante: Torraval

Modelo: PMS 6-130

Unidades: 1

Dimensiones de la base 1,4m x 1,4m

Altura 2,86m

Conexiones hidráulicas 4”

Bomba torre

Tipo: Centrífuga

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Modelo: INOXPA SN-20

Unidades: 1

Motor: 3500 RPM 60HZ

Conexión aspiración: 2”

Conexión impulsión: 1 1/2”

Material cuerpo: AISI 316

Material rodete: AISI 316

Caudal: 0-50 m3/h

Altura diferencial: Hasta 45mca

Caldera

Fabricante Gas y Gas

Potencia máxima 10 BHP

Tipo de combustible NAT/GLP

Presión máxima de trabajo 120PSI

Conexión gas 3/4” NPT

Conexión vapor 1/2 ” NPT – 80 PSI

Control de agua Visual

Compresor

Fabricante Kaeser

Referencia SX3

Presión máxima de trabajo 125 PSI

Caudal 12 cfm

Potencia nominal 3 hp

Nivel de presión sonora 61 dB

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Instrumentos de medición

Instrumento: Manómetro de 2”

Conexión: Vertical de 1/4”

Tableros eléctricos

El equipo incluye armario de control en Acero Inoxidable en el que irán incluidos

todos los elementos de mando.

MÓDULO DE MEZCLA:

Tanque de agua

Tipo: Cilíndrico Vertical

Unidades: 1

Material de construcción: AISI 316

Volumen: 1600 L

Diámetro interior: 1,2m

Altura cilíndrica: 1,3m

Aislamiento: NO

Cámara enfriamiento/calentamiento: NO

Bomba de envío y recirculación

Tipo: Centrífuga

Modelo: INOXPA SN-15

Unidades: 1

Motor: 3500 RPM 60HZ

Conexión aspiración: 1 1/2 “

Conexión impulsión: 1 1/2”

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Material cuerpo: AISI 316

Material rodete: AISI 316

Caudal: 0-25 m3/h

Altura diferencial: Hasta 22mca

Instrumentos de medición

Instrumento: Manómetro de 2”

Conexión: Vertical de 1/4”

Tableros eléctricos

El equipo incluye armario de control en Acero Inoxidable en el que irán incluidos

todos los elementos de protección y mando.

MÓDULO DE PASTEURIZACIÓN:

Tanque pulmón

Tipo: Cilíndrico Vertical

Unidades: 1

Material de construcción: AISI 316

Volumen: 150 L

Diámetro interior: 0,6 m

Altura cilíndrica: 0,5

Aislamiento: NO

Cámara enfriamiento/calentamiento: NO

Accesorios: Control de nivel de agua

Bomba de envío

Tipo: Centrífuga

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Modelo: INOXPA SN-28

Unidades: 1

Motor: 3500 RPM 60HZ

Conexión aspiración: 1/2 “ - 2”

Conexión impulsión: 1/2”

Material cuerpo: AISI 316

Material rodete: AISI 316

Caudal: 0-60 m3/h

Altura diferencial: Hasta 78mca

Intercambiador para calentamiento

Tipo: Schmidt-Bretten de placas

Modelo: SB2

Unidades: 1

Material cuerpo: AISI 316

Número de placas: 29

Alto: 230 mm

Ancho: 89 mm

Intercambiador para enfriamiento

Tipo: Schmidt-Bretten de placas

Modelo: SB4

Unidades: 1

Material cuerpo: AISI 316

Número de placas: 42

Alto: 332 mm

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Ancho: 124 mm

Instrumentos de medición

Instrumento: Manómetro de 2”

Conexión: Vertical de 1/4”

Instrumento: Sensor de temperatura

Referencia: PT de 1/2”

Instrumento: Caudalimetro

Referencia: MAGELO MAG 1100 de 1 1/2”

Tableros eléctricos

El equipo incluye armario de control en Acero Inoxidable en el que irán incluidos

todos los elementos de protección y mando.

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DIMENSIONES GENERALES

Módulo de pasteurización.

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Módulo de mezcla.

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Módulo de servicios industriales.

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CONEXIÓN AL EQUIPO

Para el correcto funcionamiento del equipo se deben realizar las siguientes

conexiones de servicio:

1. Conexión Eléctrica 220V

2. Conexiones hidráulicas:

a. Entrada Agua Red

b. Drenaje

LISTADO DE ELEMENTOS

Esta lista corresponde a los elementos contenidos en este equipo.

Refiérase a su manual de instrucciones y servicio específico para obtener la

información necesaria sobre cada uno de ellos.

MÓDULO DE SERVICIOS INDUSTRIALES

Equipo o Accesorio Descripción Cantidad

Bomba de envío INOXPA SN-28, Centrífuga, 3500 RPM 1

Filtro de carbón activado Filtro Americano Marca Structural 1

Filtro de arena Filtro Americano Marca Structural 1

Lámpara de luz UV Equipo de rayos ultravioleta 1

Filtro de 20 micras Filtro americano de ¾” x 20” 1

Filtro de 5 micras Filtro americano de ¾” x 20” 1

Torre de enfriamiento TORRAVAL PMS 6-130 1

Bomba torre INOXPA SN-28, Centrífuga, 3500 RPM 1

Caldera Gas & Gas, 10 BHP, Presión máx 120 PSI 1

Compresor Kaeser SX3, 12 cfm, potencia nominal 3hp 1

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Manómetro Conexión de 1/4" de diámetro 2

Válvula mariposa Sanitaria manual, diámetro 1 1 /2" 16

Válvula mariposa Sanitaria manual, diámetro 2" 2

Válvula de globo Bronce roscada 1" 2

Válvula de globo Bronce roscada 3/4" 2

Válvula transair con venteo acople de 1/2" 2

MÓDULO DE MEZCLA

Equipo o Accesorio Descripción Cantidad

Bomba de envío y recirculación INOXPA SN-15, Centrífuga, 3500 RPM 1

Válvula mariposa Sanitaria manual, diámetro 1 1 /2" 5

válvula de 3 vías con actuador de 1,5 1

Manómetro Conexión de 1/4" de diámetro 1

MÓDULO DE PASTEURIZACIÓN

Equipo o Accesorio Descripción Cantidad

Bomba de envío INOXPA SN-15, Centrífuga, 3500 RPM 1

Intercambiador de calor de placas para calentamiento

Schmidt-Bretten de placas SB2 1

Intercambiador de calor de placas para enfriamiento

Schmidt-Bretten de placas SB4 1

Válvula mariposa Sanitaria manual, diámetro 1 1 /2" 6

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Caudalimetro MAGELO MAG 1100 1 1/2 1

Manómetro 2" con conexión vertical de 1/4" 3

Sensor de temperatura PT100 DE 1/2" 2

Válvula de 3 vías Accionada neumáticamente 1

Válvula de 3 vías con actuador de 1,5 1

Válvula proporcional 1 1 /2" 1

Válvula de bola inoxidable 250 PSI Roscada 1" 2

Válvula de seguridad Válvula de presión de 3/4" 1

Reguladora de presión Roscada de 1/2" 1

Separador de humedad roscado TP-S1 Roscado 1" 2

Válvula de globo En bronce roscada de 1" 1

Válvula de globo En bronce roscada de 3/4 1

DESCRIPCIÓN PANEL DE CONTROL

A continuación se describen los paneles de control.

Panel de control del módulo de servicios industriales

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En el panel de control se encuentran los siguientes elementos:

* Interruptor general (Rojo)

* Compresor (Azul)

* Caldera (Roja)

* Lámpara (verde)

* Bomba de agua purificada (Amarillo)

* Bomba de agua de enfriamiento (Naranja)

* Ventilador (Azul agua marina)

Panel de control del módulo de mezcla

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En el panel de control se encuentran los siguientes elementos:

* Interruptor general (Rojo)

* Bomba (Amarillo)

* Motor eléctrico (Verde)

Panel de control del módulo de pasteurización

En la parte exterior del cuadro se encuentran los siguientes elementos:

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* Interruptor general (Rojo)

* Bomba (Amarillo)

* Indicador de temperatura de producto pasteurizado

* Indicador de temperatura para producto enfriado

DESCRIPCIÓN DEL FUNCIONAMIENTO

MÓDULO DE SERVICIOS INDUSTRIALES

Como su nombre lo indica este módulo presta varios servicios, los cuales están listados a

continuación,

Agua purificada para fabricación de producto

Agua para lavado de equipos

Agua para enfriamiento

Aire

Vapor

Se describe el procedimiento a seguir para prestar cada uno de los servicios

Agua purificada para fabricación de producto 1. Verificar el nivel del tanque de agua

2. abrir válvula (14)

3. Abrir válvulas de aspiración (1) e impulsión (2) de la bomba de envío

4. Abrir válvulas del filtro de carbono, (3) y (4)

5. Abrir válvula (5)

6. Abrir válvulas del filtro de arena, (6) y (7)

7. Abrir válvulas de la lámpara UV, (8) y (9)

8. Abrir válvula (10) de envío de agua para producto en el tablero de válvulas

9. Abrir las válvulas correspondientes en el módulo de mezcla

10. Las válvulas (11), (12) y (13) deben permanecer cerradas

11. Accionar la bomba de envío

12. Cuando el nivel de agua en el tanque de mezcla sea el requerido se apaga la

bomba de envío de agua

Agua para lavado de equipos 1. Verificar el nivel del tanque de agua

2. abrir válvula (14)

3. Abrir válvulas de aspiración (1) e impulsión (2) de la bomba de envío

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4. Abrir las válvulas (11) , (5) y (12)

5. Abrir válvulas de la lámpara UV, (8) y (9)

6. Abrir válvula (13) de envío de agua para lavado en el tablero de válvulas

7. Verificar que las válvulas (3), (4), (6) y (7) estén cerradas

8. Abrir las válvulas correspondientes en el módulo de mezcla

9. Accionar la bomba de envío

10. Cuando se termine el lavado de los equipos se apaga la bomba de envío de agua

Agua para enfriamiento

1. Verificar el nivel del agua en la torre de enfriamiento 2. Abrir válvula (6), verificar el correcto funcionamiento del sistema de

alimentación de agua a la torre de enfriamiento,

3. Abrir válvulas de aspiración (1) e impulsión (2) de la bomba de torre

4. Abrir válvula (3) de envío de agua de enfriamiento en el tablero de válvulas

5. Abrir las válvulas (4) y (5) de retorno de agua

6. Abrir las válvulas correspondientes en el módulo de pasteurización

7. Accionar la bomba de torre

8. Cuando se termine el proceso de enfriamiento de producto en el módulo de

pasteurización Apagar la bomba de torre

Aire

1. Abrir las válvulas (1) y (2)

2. Abrir las válvulas correspondientes en el módulo de pasteurización

3. Accionar el compresor

Vapor 1. Abrir las válvulas (1), (2), (3) y (4)

2. Abrir las válvulas correspondientes en el módulo de pasteurización

3. Accionar la caldera

MÓDULO DE MEZCLA

Fabricación de producto

1. Abrir la válvula (1)

2. Accionar el envío de agua purificada desde el módulo de servicios industriales

3. Cuando se llegue al nivel deseado de agua apagar la bomba de envío de agua

ubicada en el módulo deservicios industriales

4. Cerrar la válvula (1) y todas correspondientes en el módulo de servicios

industriales

5. Accionar el agitador

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6. Abrir las válvulas (4), (5) y la válvula de 3 vías para recirculación.

7. Accionar la bomba del módulo de mezcla, en este caso para recircular

8. Adicionar pulpas e ingredientes líquidos

9. Adicionar ingredientes en forma de polvo

10. Mantener la recirculación del producto y agitador encendido durante el tiempo

recomendado por producción

11. Apagar la bomba

12. Cerrar las válvula (4)

13. Apagar el agitador

14. Para el envío de producto al módulo de pasteurización abrir la válvula de 3 vías

para envío de producto

15. Verificar que la válvula (5) este abierta

16. Accionar la bomba, en este caso para envío de producto al módulo de

pasteurización

Lavado de módulo de mezcla 1. Abrir la válvula (2)

2. Accionar el envío de agua para lavado desde el módulo de servicios industriales

durante el tiempo que sea necesario, luego apagar la bomba de envío de agua

ubicada en el módulo deservicios industriales

3. Cerrar la válvula (2) y todas correspondientes en el módulo de servicios

industriales

4. Accionar el agitador

5. Abrir las válvulas (4), (5) y la válvula de 3 vías para recirculación.

6. Accionar la bomba del módulo de mezcla

7. Mantener la recirculación de agua y el agitador encendido durante el tiempo

recomendado por producción para el lavado

8. Apagar la bomba

9. Cerrar las válvula (4)

10. Apagar el agitador

11. Abrir la válvula de 3 vías para el lavado de la tubería de envío

12. Verificar que la válvula (5) este abierta

13. Accionar la bomba, en este caso para el lavado de la tubería de envío de

producto al módulo de pasteurización

14. Cuando el nivel del tanque del módulo de mezcla baje apagar la bomba

15. Abrir la válvula (3) para el retirar el agua de lavado que permanezca en el

tanque del módulo de mezcla

MÓDULO DE PASTEURIZACIÓN

Pasteurización de producto

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1. En el tablero de control del módulo de pasteurización indicar la temperatura del

producto pasteurizado y la temperatura del producto enfriado

2. Abrir la válvula (1)

3. Accionar el envío de producto desde el módulo de mezcla

4. Abrir las válvulas (3), (4), (5), (6), (7) y (8) del módulo de pasteurización

5. Accionar el envío de vapor, desde el módulo de servicios industriales

6. Accionar el envío de agua de enfriamiento (torre de enfriamiento), desde el

módulo de servicios industriales

7. Accionar la bomba de envío del módulo de pasteurización al módulo de

envasado

8. Cuando haya sido enviado todo el producto desde el módulo de mezcla, cerrar la

válvula (1)

9. Cuando se haya sido pasteurizado todo el producto y haya sido enviado al

módulo de envasado apagar la bomba de envío del módulo de pasteurización

10. Apagar el envío de vapor y esperar a que la temperatura disminuya para cerrar

las válvulas (5) y (6)

11. Apagar el envío de agua de enfriamiento (torre de enfriamiento)

12. Cerrar las válvulas (7) y (8)

13. Cerrar las válvulas (3) y (4)

Lavado de módulo de pasteurización 1. Abrir la válvula (1)

2. Accionar el envío de agua para lavado desde el módulo de mezcla

3. Abrir las válvulas (3) y (4)

4. Accionar la bomba del módulo de pasteurización

5. La bomba debe ser apagada cuando el nivel de agua en el tanque baje, esto para

evitar la cavitación

6. Abrir la válvula (2) para retirar el agua que este dentro del tanque pulmón.

7. Cerrar las válvulas (1), (2), (3),y (4)

9.2 MANUAL DE OPERACIÓN

DESCRIPCIÓN DE LA PLANTA

INSTALACIÓN

SERVICIOS Y CONEXIONES

DIMENSIONES

MODO DE OPERACIÓN

DESCRIPCIÓN PANELES DE CONTROL

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257

DESCRIPCIÓN LA PLANTA

A continuación se describe la planta compacta industrial para la elaboración de refresco y/o

jugo a base de azúcar y/o pulpa de fruta con capacidad productiva de 500 a 1.000

litros/hora

Esta planta está compuesta por tres módulos, El módulo de servicios industriales, El

módulo de mezcla y El módulo de pasteurización

1. El módulo de servicios industriales cuenta con los servicios de:

Agua purificada para fabricación de producto

Agua para lavado de equipos

Agua para enfriamiento (Torre de enfriamiento)

Aire (Compresor)

Vapor (Caldera)

2. El módulo de mezcla sirve para homogenizar el producto, sus componentes

principales son el tanque de mezcla y la bomba.

3. El módulo de pasteurización realiza el calentamiento y enfriamiento del producto y

luego lo envía al módulo de envasado, sus componentes principales son el tanque

pulmón, una bomba, intercambiador de calor para calentamiento, intercambiador de

calor para enfriamiento y tubería para el tiempo de retención.

Los tres módulos cuentan con tableros de control o paneles de control.

Planta de producción

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P&ID

Norma ISA S5.1 – S5.3

P&ID – Modulo de mezcla

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P&ID – Modulo de pasteurización.

P&ID – Agua tratada.

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P&ID – Agua de torre.

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261

INSTALACIÓN EMPLAZAMIENTO

Los equipos se deben situar en una superficie plana y lisa.

Para el transporte se debe usar un vehículo elevador y/o un puente grúa

SERVICIOS Y CONEXIONES

Electricidad:

Tensión:220V

CabledeAlimentación: 4x6mm2

Agua de red

EntradaAgua de 2”

Drenaje de 3”

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DIMENSIONES

MÓDULO DE PASTEURIZACIÓN.

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MÓDULO DE MEZCLA.

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MÓDULO DE SERVICIOS INDUSTRIALES.

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MODO DE OPERACIÓN

Antes de poner en marcha la planta se deben tener en cuenta los siguientes aspectos:

• Comprobar Tensión de 220V

• Comprobar Entrada Agua de Red

• Comprobar sentido de giro de las bombas

• Comprobar sentido de giro del motor del agitador

• Comprobar presión de aire en el compresor

• Comprobar entrada de agua a la caldera

Una vez el operario se ha cerciorado de los puntos anteriores puede proceder a utilizar la

planta para la producción atendiendo los siguientes pasos1:

1. Accionar el interruptor general del panel de control del módulo de

servicios industriales

2. Accionar el interruptor general del panel de control del módulo de

mezcla

3. Abrir las válvulas correspondientes para el envío de agua purificada en

el módulo de servicios industriales y en el módulo de mezcla

4. Accionar la bomba de envío de agua en el panel de control del módulo

de servicios industriales

5. Después de realizar el envío de agua al tanque de mezcla apagar la

bomba de envío de agua del módulo de servicios industriales y cerrar

las válvulas correspondientes

6. Accionar el agitador en el panel de control del módulo de mezcla

7. Abrir las válvulas correspondientes para la recirculación

8. Accionar la bomba de envío en el panel de control del módulo de

mezcla

9. Adicionar los ingredientes al tanque de mezcla

10. Después de realizar la homogenización del producto apagar la bomba

del módulo de mezcla y apagar el agitador

11. Cerrar las válvulas que correspondan

12. Se dispone a enviar el producto homogenizado al módulo de

pasteurización

13. Accionar el interruptor general del panel de control del módulo de

pasteurización

14. Determinar la temperatura de pasteurización y de enfriamiento en el

panel de control del módulo de pasteurización

15. Abrir las válvulas correspondientes en el módulo de servicios

industriales y en el módulo de pasteurización, para el envío de aire

comprimido, vapor y agua de enfriamiento

1Para identificar las válvulas ver el manual de instalación servicio y mantenimiento

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16. Accionar el compresor en el panel de control del módulo de servicios

industriales

17. Accionar la caldera en el panel de control del módulo de servicios

industriales

18. Accionar la bomba de la torre de enfriamiento en el panel de control

del módulo de servicios industriales

19. Abrir las válvulas correspondientes en el módulo de mezcla y en el

módulo de pasteurización para el envío de producto homogenizado

20. Accionar la bomba de envío en el panel de control del módulo de

mezcla

21. Abrir las válvulas correspondientes en el módulo de pasteurización

para dar inicio a la pasteurización

22. Accionar la bomba del módulo de pasteurización en el panel de control

23. Cuando se termine de enviar el producto homogenizado del tanque de

mezcla al tanque pulmón, apagar la bomba de envío en el panel de

control del módulo de mezcla.

24. Abrir el interruptor general del módulo de mezcla en el panel de

control, para evitar el paso de energía

25. Cuando se termine de pasteurizar el producto y se haya enviado en su

totalidad al módulo de envasado, apagar la bomba del módulo de

pasteurización en el panel de control

26. Apagar la caldera en el panel de control de servicios industriales

27. Apagar la bomba de la torre de enfriamiento en el panel de control de

servicios industriales

28. Apagar el compresor en el panel de control de servicios industriales

29. Cerrar las válvulas de los tres módulos

30. Abrir los interruptores generales de los módulos de pasteurización y

servicios industriales, para evitar el paso de energía.

31. El lavado de la planta sigue un procedimiento análogo al de la

elaboración de productos pero sin accionar el compresor, la caldera y

la torre de enfriamiento.

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DESCRIPCIÓN PANELES DE CONTROL

A continuación se describen los paneles de control.

Panel de control del módulo de servicios industriales

En el panel de control se encuentran los siguientes elementos:

* Interruptor general (Rojo)

* Compresor (Azul)

* Caldera (Roja)

* Lámpara (verde)

* Bomba de agua purificada (Amarillo)

* Bomba de agua de enfriamiento (Naranja)

* Ventilador (Azul agua marina)

Panel de control del módulo de mezcla

En el panel de control se encuentran los siguientes elementos:

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* Interruptor general (Rojo)

* Bomba (Amarillo)

* Motor eléctrico (Verde)

Panel de control del módulo de pasteurización

En la parte exterior del cuadro se encuentran los siguientes elementos:

* Interruptor general (Rojo)

* Bomba (Amarillo)

* Indicador de temperatura de producto pasteurizado

* Indicador de temperatura para producto enfriado

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10. FICHA TÉCNICA

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PLANTA COMPACTA PARA LA ELABORACIÓN DE

REFRESCOS

1. Aplicación:

El sistema de preparación de refrescos en línea son equipos diseñados para la

industria alimenticia, en especial la industria de bebidas y gaseosas,

Consiste en un módulo mezcla para disolución y preparación de sólidos y

líquidos como los son azúcar, pulpas, conservantes sabores etc. mezclados con

agua de una forma rápida y confiable, un módulo de pasteurización que permite

eliminar microorganismos patógenos para su posterior comercialización y un

módulo de servicios industriales que se encarga de suministrar agua tratada para

la producción del refresco, agua de torre para el enfriamiento de producto, aire

comprimido para la automatización de válvulas y vapor para la pasteurización.

Todo calculado eficientemente para la operación de los dos anteriores módulos y

de los complementarios.

2. Principio de funcionamiento:

El primer módulo de mezcla se trata de un sistema de disolución de sólidos en recirculación. El producto se recircula a través de un depósito mientras se aportan los sólidos de forma manual al tanque de preparación, un agitador

suficientemente potente se encarga de disolver los polvos, líquidos (viscosos

como pulpas y/o agua) y diferentes materias primas necesarias para la fabricación

de refrescos en general. Toda la mezcla se realiza en temperatura ambiente

garantizando una correcta homogenización y ahorro de energía al no tener que

calentar. Luego el mismo módulo a través de la bomba de recirculación, se

encarga de enviar el producto al módulo de pasteurización que llega a un tanque

pulmón y a través de otra bomba se envía al pasteurizador de placas donde se

calienta el producto hasta la temperatura de pasteurización por medio de vapor y

luego pasa al tiempo de retención donde aseguramos una correcta pasteurización.

Finalmente se pasa el producto por una etapa de enfriamiento donde se cede calor

y se llega a bajar el producto hasta temperatura ambiente y permitir su envase. Si debido algún problema la temperatura de pasteurización no es la correcta, una

válvula automática se encarga de recircular el producto para pasteurizarlo de

nuevo al tanque pulmón.

Un módulo de servicios industriales se encarga de suministrar adecuadamente

agua tratada para la fabricación del producto, esta agua es suavizada por medio de

Filtración, agua de torre a la temperatura necesaria para enfriar el producto a

temperatura ambiente, una caldera para suministrar vapor y aire comprimido para

la modulación de válvulas.

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3. Diseño y características.

Son tres módulos compactos, el módulo de mezcla compuesto por un tanque de

fabricación en acero inoxidable, agitador de 4 palas inclinadas, bomba centrífuga de

recirculación y válvulas para el cambio y cierre de producto. El módulo de

pasteurización compuesto por tanque de balance en acero inoxidable, bomba centrífuga

de impulsión, caudalimetro mecánico de visualización de caudal, intercambiador de

calor a placas para calentamiento y enfriamiento, sistema de control de vapor

automático (regulación de presión), sistema de control para agua de torre y válvulas de

cierre y cambio de producto, y un módulo de servicios industriales que se compone de

Torre de enfriamiento, bomba de impulsión de agua de torre, tanque de agua potable

en fibra de vidrio, filtros de arena y carbón, filtros de 0.22 y 0.1 micra, bomba de

impulsión de agua tratada, compresor industrial y caldera de vapor a gas.

Funciones que permite el equipo:

- Envió de caudal controlado al pasteurizador por medio de válvula

- Control de temperatura constante en enfriamiento y calentamiento

- Agitación intensa en tanque de mezcla garantizando una correcta

homogenización

- Bombeo de producto a través de bombas sanitarias, no hay contacto humano

con la operación de traslado de producto de un sitio a otro

Todo con base a un funcionamiento energéticamente eficiente, con menores costos de

operación, retorno rápido de la inversión, tecnología de vanguardia y costo accequible.

PLANTA COMPACTA PARA LA ELABORACIÓN DE REFRESCOS

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Placas de intercambiadores y Bombas AIS316L

Cuadros eléctricos en Plástico IP66

Tanques de proceso AISI 304L

Materiales de estructura, válvulas, tuberías y

accesoriosAISI 304L

Juntas en contacto con el producto NBR

Acabado superficial de soldaduras Pulido

brillante 0.8Ra menor

MATERIALES

Caudal de proceso: 720 l/h

Temperatura de entrada y salida de producto: 25°c

Temperatura de pasteurización 90°c

Capacidad de tanque de mezcla de solidos 1500 l

Caudal de bomba de recirculación de mezcla: 9000 l/h

Capacidad de caldera: 10bhp, 98 kw

Torre de enfriamiento: PMS 6/130 de 0.57m3.

Compresor: Kaesser 125psi y 12cfm

ESPECIFICACIONES TÉCNICAS

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MÓDULO DE PASTEURIZACIÓN.

VENTAJAS

- Inocuidad en todo el proceso producción y pasteurización del producto, alargando la

vida útil del producto en la comercialización.

- Materiales y diseño de los módulos acorde a la normativa sanitaria de producción de

alimentos. equipos en acero inoxidable y diseños mecánicos sin puntos muertos, fácil

lavado y desarme.

- Aumento considerable de la producción, disminuyendo tiempos de proceso y

aumentando la calidad del producto.

- Posibilidad de fabricación de varios tipos de refrescos con la ampliación de módulos

como tratamiento de la pulpa de fruta, adición de gas carbónico etc.

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MÓDULO DE MEZCLA.

MÓDULO DE SERVICIOS INDUSTRIALES.

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SERVICIOS ADICIONALES

- ADICIÓN DE MÓDULO DE CARBONATACIÓN - ADICIÓN DE MÓDULO DE ENVASADO - ADICIÓN DE MÓDULO DE DESPULPE DE FRUTA - INGENIERÍA COMPLETA DE CONCEPTO Y DETALLE. - MONTAJE DE ELEMENTOS EN SUS INSTALACIONES LLAVE EN

MANO

INFORMACIÓN Y CONTACTO

MARCELA LAMUS PARRA Móvil - 3202827498

LEONARDO AGUILAR OLIVARES

Móvil - 3102065793

BOGOTÁ – COLOMBIA

PLANTA COMPACTA PARA LA ELABORACIÓN DE

REFRESCOS

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11. CONCLUSIONES

- Se diseñan tres módulos acordes al objetivo principal del proyecto en fabricación de refrescos y caudal de producción

- Se suple la necesidad de un cliente potencial en el diseño y posible interés de fabricar los módulos propuestos para su planta de producción.

- Se aplican varios conceptos de calidad, producción y mantenimiento vistos en las

plantas de Quala y Postobon y que se escalan al diseño de los módulos de este

proyecto dando como resultado módulos de fabricación a la vanguardia de la

industria colombiana.

- El diseño mecánico de cada módulo cumple las normativas de construcción y acabados para la industria alimenticia, garantizando que el producto que se fabrica

es inocuo y no tiene riesgo de contaminación por las partes mecánicas en contacto.

- A pesar de la alta inversión inicial que tendrá que hacer el cliente, con el aumento de producción y el garantizado del estudio que realizo de mercado para su producto,

la inversión de la planta se recuperara en 29 meses después de comenzar a producir,

esto tomando en cuenta la mínima producción de 5600 l/semana.

- Se diseñan los módulos de fabricación suministrando equipos de fabricantes reconocidos en el medio de la industria y proveedores actuales de Quala y Postobon.

- La ficha técnica realizada se crea de manera comercial y general brindando las cualidades y datos técnicos del equipo para poder mostrar a cualquier cliente

potencial.

- Los módulos diseñados son generales para la industria de refrescos, con esta base de diseño tan solo se deben adicionar módulos complementarios para nuevos productos

como lo son refrescos gasificados.

- El cliente potencial Nueva Deli, destinará el 40% de anticipo para la realización del proyecto y la construcción de los equipos. El Dinero restante se solicitará como

ayuda de emprendimiento a la organización Zasca de la cual la Universidad Distrital

es colaborador.

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12. BIBLIOGRAFÍA

Alfa Laval. Intercambiadores de calor de placas. [En línea]

http://www.alfalaval.com/products/heat-transfer/plate-heat-exchangers/Gasketed-plate-and-

frame-heat-exchangers/.

ASME VIII.Div. 1 und Div 2.

Bolzoni, Manuel. 2012.Sistemas de llenado para el sector de bebidas. s.l. : OCME, 2012.

CODEX STAN 247. 2005.Norma general para zumos (jugos) y néctares de frutas. 2005.

Diario de la gastronomia. 2013. Informe rabobank sobre el mercado mundial de bebidas:

sedientos de crecimiento. [En línea] 08 de febrero de 2013. [Citado el: 21 de octubre de

2013.] http://diariodegastronomia.com/informe-rabobank-sobre-el-mercado-mundial-de-

bebidas-sedientos-de-crecimiento/.

DI-SUGAR. Sistema disolutores de azúcar. [En línea] http://www.gea-

pe.com.ar/nar/cmsdoc.nsf/webdoc/webb7rujsq.

Dominguez, Laura. Tecnologías para la industria alimenticia: Luz ultravioleta en la

conservación de alimentos. [En línea]

http://www.alimentosargentinos.gov.ar/contenido/sectores/tecnologia/ficha_02_ultravioleta

.pdf.

El Espectador. 2013. Salud: Minsalud estudia para regular consumo de gaseosas. [En

línea] 09 de agosto de 2013. [Citado el: 2013 de octubre de 22.]

http://www.elespectador.com/noticias/salud/minsalud-estudia-medidas-regular-consumo-

de-gaseosas-articulo-438950.

En Portafolio. 2013. Mercado de bebidas, con espacio para aumentar en el pais. [En línea]

04 de abril de 2013. [Citado el: 02 de octubre de 2013.]

http://www.portafolio.co/negocios/mercado-bebidas-espacio-aumentar-el-pais.

EOSweb NASA. Datos meteorologicos para Acacias - Meta. [En línea] Latitud 3,5º y

longitud 73,5º. https://eosweb.larc.nasa.gov/cgi-

bin/sse/grid.cgi?&num=254094&lat=3.98&submit=Submit&hgt=100&veg=17&sitelev=&

[email protected]&p=grid_id&p=swv_dwn&p=surplus1&p=T10M&p=RH10M&

p=Q10M&step=2&lon=73.76.

Fondeyur. Fondo KLOPPER (DIN-28011). [En línea] http://www.fondeyur.com/fondos-

klopper.aspx.

GEA-TDS. Sistema de intercambio de calor. [En línea] http://www.gea-

tds.com/tds/cmsresources.nsf/filenames/426es.pdf/$file/426es.pdf.

Page 284: DISEÑO DE UNA PLANTA COMPACTA INDUSTRIAL …repository.udistrital.edu.co/bitstream/11349/3775/1/Aguilar... · diseÑo de una planta compacta industrial para la elaboraciÓn de refresco

284

—. Técnicas de proceso para la industria de zumos de fruta y de materias primas. [En línea]

http://www.gea-

tds.com/tds/cmsresources.nsf/filenames/424es_ZumosDeFrutas.pdf/$file/424es_ZumosDeF

rutas.pdf.

IDAE. 2007. Guías técnicas de ahorro y eficiencia energética en climatización nº 4. Guía

técnica: Torre de enfriamiento. [En línea] febrero de 2007.

http://idae.electura.es/libros/225/.

Incropera, Frank P., y otros. 2011.Fundamentals of Head Mass Transfer. Seventh

Edition. s.l. : John Wiley & Sons, 2011.

Informe anual de bebidas. Revista anual de bebidas. 2013. 8, Mexico : BNP Publication,

2013, Vol. 24.

Itescam. Cálculo de potencia. [En línea]

http://www.itescam.edu.mx/principal/sylabus/fpdb/recursos/r94937.PDF.

Mataix, Claudio. 1986.Mecanica de fluidos y máquinas hidraulicas. Segunda. Madrid :

Ediciones de castillo S.A., 1986.

McCormac.Diseño de estructuras de acero Método LRFD. Segunda Edición. México :

Alfaomega.

Ministerios de salud. 1991. Resolucion del ministerio de salud No 7992. 21 de junio de

1991.

Moran, Michael J., y otros. 2010.Fundamentals of engineering thermodinamics. Seven

Edition. s.l. : John Wiley & Sons, Inc., 2010.

Moss, Dennis. 2004.Pressure vessel desing manual. Tercera. s.l. : Elsevier, 2004.

Mott, Robert. 2006.Diseño de elementos de máquinas. Cuarta Edición. México : Pearson,

2006.

NORMA DIN 28011.Torispherical head .

NORMA TÉCNICA COLOMBIANA NTC 1486:2008. 2008.Documentación.

Presentación de tesis, trabajos de grado y otros trabajos de investigación. 2008.

NOVATEC. NPSH. [En línea] [Citado el: 10 de 06 de 2015.]

http://www.novatec.cr/Utilitarios/Bombas/NPSH.pdf.

POSTOBON S.A. 2005. Proceso de producción. 2005.

Puerto, Efrain. Presión atmosferica. [En línea]

https://efrainpuerto.wordpress.com/2011/02/26/f1-2/.

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285

TERMODINAMICA, TABLAS. Presión de vapor del agua líquida entre 0 °C y 373 °C.

[En línea] http://www.vaxasoftware.com/doc_edu/qui/pvh2o.pdf.

Torres, A. 1974.Diseño de una torre de enfriamiento de agua para uso industrial.

Valencia : Escuela superior politécnica litoral, 1974.

TPT. Cleaning tank spray balls. [En línea]

http://texasprocesstechnologies.com/store/page132.html.

UNISAR. 2003-2004. Estudio téorico experimental de la agitación. [En línea] 2003-2004.

http://www.unizar.es/dctmf/jblasco/AFTAgitacion/index.htm.

Wesco. Propiedades fisicas y mecánicas del acero inoxidable. [En línea]

http://www.wesco.com.co/userfiles/propiedades%20acero%20inox%20serie%20300.pdf.

Wikipedia. Diagrama de moody. [En línea]

https://es.wikipedia.org/wiki/Diagrama_de_Moody.

Wilson, Jerry D., Buffa, Anthony J. y Lou, Bo. 2007.Fisica. México : PEARSON, 2007.

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13. ANEXOS

ANEXO A. CATÁLOGO AGITADOR

Fuente: INOXPA S.A. mas información: www.inoxpa.com/agitators

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ANEXO B. CATÁLOGO MOTORREDUCTOR

Fuente: http://www.sew-

eurodrive.es/support/documentation_result.php?gruppen_id=A14&img=242142860

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ANEXO C. VALORES DEL FACTOR “M”

Fuente: (Moss, 2004)

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ANEXO D. CHAVETAS ESTÁNDAR

Fuente: http://www.tosuga.com/pdf/pespeciales/Chavetas.pdf

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290

ANEXO E. CATÁLOGO INTERCAMBIADOR DE CALOR

Fuente: http://www.thermalproducts.com/attachments/article/30/Schmidt-

Bretten%20Brazed%20Plate%20Exchangers.pdf

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ANEXO F. CATÁLOGO CALDERA

Fuente: http://54.84.219.185/~gasy3221/wp-content/uploads/2013/05/caldera-a-gas.pdf

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292

ANEXO G. PROPIEDADES DEL AGUA SATURADA

Fuente: (Moran, y otros, 2010)

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Fuente: (Moran, y otros, 2010)

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294

ANEXO H. TABLA PSICROMETRICA

Fuente: (Moran, y otros, 2010)

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ANEXO I. CATÁLOGO TORRE DE ENFRIAMIENTO

Fuente: http://www.torraval.com/cms/9-descargas/4-download

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ANEXO J. CATÁLOGO COMPRESOR

Fuente: http://www.kaeser.es/Images/P-651-0-SP-tcm11-6759.pdf

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ANEXO K. PLANOS

MÓDULO DE SERVICIOS INDUSTRIALES

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MÓDULO DE MEZCLA

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MÓDULO DE PASTEURIZACIÓN