Proyecto de Diseño de Planta de Andrés Felipe Aldana Rico

DISEÑO DE UN CENTRO DE ACOPIO DE LECHE FRESCA

POR:

ANDRÉS FELIPE ALDANA RICO

UNIVERSIDAD DEL TOLIMA

FACULTAD DE INGENIERÍA AGRONÓMICA

PROGRAMA DE INGENIERÍA AGROINDUSTRIAL

ASIGNATURA DE DISEÑO DE PLANTA

IBAGUÉ

2004

DISEÑO DE UN CENTRO DE ACOPIO DE LECHE FRESCA

POR:

ANDRÉS FELIPE ALDANA RICO

030100112000

PRESENTADO A:

CARLOS ARTURO SÁNCHEZ JIMÉNEZ

INGENIERO MECÁNICO

UNIVERSIDAD DEL TOLIMA

FACULTAD DE INGENIERÍA AGRONÓMICA

PROGRAMA DE INGENIERÍA AGROINDUSTRIAL

ASIGNATURA DE DISEÑO DE PLANTA

IBAGUÉ

2004

1. INTRODUCCIÓN

En la industria la leche es una materia prima de vital importancia para

la fabricación de productos derivados de esta, que pueden llegar a

tener un mayor valor agregado y unas mejores características

organolépticas para el consumidor, haciendo este tipo de productos

más atractivos para el cliente y en algunos casos de mejores

características que la leche misma. Debido a que se aumenta su vida

útil y además se hace más atractiva para el consumidor.

2. JUSTIFICACIÓN

Por lo anterior es de vital importancia diseñar y poner en marcha

plantas industriales procesadoras de leche fresca y de los derivados

que se pueden obtener de esta, ya que con ellas se puede dar un

mayor valor agregado a la leche y se puede conservar a esta por un

mayor tiempo, además se puede ayudar a mejorar la accesibilidad de

la población nacional a este tipo de productos, que contribuyen a la

mejora d la seguridad alimentaria de los habitantes del país.

3. OBJETIVOS

3.1. OBJETIVO GENERAL

Diseñar un centro de acopio de 25.000 litros día de leche fresca,

como parte de una planta productora de derivados lácteos

3.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Diseñar una línea de procesamiento de leche entera

ultrapasteurizada.

Diseñar una línea de proceso para la producción de Leches

semidescremadas y deslactosadas.

Diseñar una línea de proceso para la producción de yogurt.

Diseñar una línea de proceso para la producción de kumis.

Diseñar una línea de proceso para la producción de Quesos

Frescos y Madurados.

Diseñar una línea de proceso para la producción de Mantequilla.

Diseñar una línea de proceso para la producción de Crema de

leche.

Diseñar una línea de proceso para la producción de Dulces de

leche.

Diseñar una línea de proceso para la producción de Leche en

Polvo.

Determinar la ubicación de la planta en el país tomando en

cuenta la ponderación matricial de los factores de localización.

4. MARCO TEÓRICO

4.1 DEFINICIONES

4.1.1 La Leche

La leche es definida como el líquido obtenido en el ordeño higiénico de

vacas bien alimentadas y en buen estado sanitario. Cuando es de

otros animales se debe indicar claramente su procedencia; por

ejemplo, leche de cabra y leche de oveja. El nombre genérico de

productos lácteos se aplica a todos los derivados, ya sean extraídos

de ella como la mantequilla y la crema de leche, o fabricados a partir

de ella como el queso y el yogurt1.

4.1.1.1 Composición Química de la Leche

La leche es un líquido blanco, de sabor ligeramente dulce, con una

densidad que varía entre 1,030 y 1,033 g/cm3, es rica en agua, y tiene

una proporción aproximada de sólidos grasos cercana al 4%, su

contenido de sólidos no grasos es casi el 9,5% de la mezcla, dentro de

estos sólidos se puede encontrar la lactosa (Azúcar de la leche), la

proteínas (En mayor parte Caseína) y en una mayor proporción las

vitaminas y sales inorgánicas2.

4.1.2 Los Derivados Lácteos1 AMIOT, Jean. Ciencia de la leche, Editorial Acribia, Zaragoza, España, 1990.2 AMIOT, Jean. Ciencia de la leche, Editorial Acribia, Zaragoza, España, 1990.

Se entiende como derivado lácteo a todo producto que se fabrica

tomando como materia prima la leche, ya sea extraído o fabricado a

base de ella3.

Dentro de los derivados lácteos más comunes se pueden encontrar:

Leches Acidificadas como el yogurt y el kumis.

Leches Reconstituidas.

Productos Grasos como la mantequilla y la crema de leche.

Leches Modificadas como la leche descremada,

semidescremada y deslactosada.

Leches Pulverizadas.

Dulces de leche como el arequipe y la leche condensada.

Quesos frescos y maduros.

4.1.3 La Producción de Leche en Colombia

La producción de leche en Colombia según el Ministerio de

Agricultura, la Asociación Nacional de Productores de Lácteos en

Colombia ANALAC, y la Federación nacional de Ganaderos

FEDEGAN se divide en cuatro regiones que son:

Zona Atlántica con un 40% de la producción.

Zona Centro-Oriental con un 34% de la producción.3 WALSTRA, Paul. Ciencia de la leche y Tecnología de los productos Lácteos, Editorial Acribia, Zaragoza, España, 1996.

Zona Occidental con un 17% de la producción.

Zona Sur con un 9% de la producción.

También según las anteriores instituciones la producción diaria de

leche en Colombia varía entre 16 y 16,5 millones de litros, de los

cuales hay cerca de un 80% captado por plantas procesadoras de

leche y derivados lácteos, y aproximadamente un 20% que se vende

de manera informal como leche cruda.

Se estima según ANALAC y FEDEGAN que la cantidad de leche que

se comercializa de manera informal se reparte de la siguiente manera:

Zona Atlántica 30% (990.000 litros/día)

Zona Centro 40% (1’320.000 litros/día)

Zona Occidental 13% (429.000 litros/día)

Zona Sur 17% (561.000 litros/día)

4.2 UBICACIÓN DE LA PLANTA

A partir de este valor se van a escoger 4 posibles ubicaciones para la

planta tomando como principal parámetro la disponibilidad de leche en

cada zona.

Como posibles ubicaciones tomando en cuenta la cercanía a los

centros de producción se proponen:

El Carmen de Bolívar, Bolívar (Zona Atlántica)

El Valle de Ubaté, Cundinamarca (Zona Centro)

Popayán, Cauca (Zona Sur)

Montenegro, Quindío (Zona Occidental)

Esas posibles ubicaciones se proponen de acuerdo a las vías de

acceso terrestres, la cercanía a ríos u otras fuentes de agua, así como

la facilidad de captación de leche de las zonas aledañas. Ahora se va

a hacer una breve reseña de información sobre cada departamento en

el cual se propone una ubicación:

4.2.1 Bolívar

Es un departamento de tierra bajas con abundante disponibilidad de

agua debido a la gran cantidad de brazos, ciénagas, caños y pantanos

que se le unen a los ríos San Jorge, Magdalena y Cauca que circulan

por la región, el 49% de la población no supera los 23 años, es un

departamento con un alta disponibilidad de mano de obra no

calificada, es considerada una cuenca lechera de trópico bajo, donde

predomina la ganadería de doble propósito, se escogió a el Carmen de

Bolívar por que está fuera de la depresión Momposina, lo que la hace

una zona de pocas posibilidades de inundación, pero esta cerca de 2

brazos del río Magdalena, lo que garantiza una disponibilidad de agua

durante todo el año, además tiene un aeropuerto pequeño y varias

vías de acceso terrestres que llevan a zonas de alta concentración

poblacional como son Cartagena, Barranquilla, Sincelejo, Santa Marta

y Montería4.

4.2.2 Cundinamarca

Es un departamento de tierras altas y planas con abundante

disponibilidad de agua debido a la gran cantidad de lagos y lagunas

existentes, es un centro económico político y social muy importante

para el país. Sus tierras son las más costosas del país, y tiene una

gran cantidad de población dedicada a la ganadería lechera

especializada, casi toda concentrada en el Valle de Ubaté, que tiene

los mejores rendimientos lecheros por cabeza en el país.5.

4.2.3 Cauca

Es una región rica en cuencas hidrográficas, también se desarrolla una

ganadería de doble propósito, los costos de la tierra no son tan altos,

4 Tomado de ENCICLOPEDIA COLOMBIA VIVA EL TIEMPO, Casa Editorial EL TIEMPO, Cali, Colombia, 2000.5 Tomado de ENCICLOPEDIA COLOMBIA VIVA EL TIEMPO, Casa Editorial EL TIEMPO, Cali, Colombia, 2000.

pero es una zona aquejada por la violencia y la inseguridad reinante

en el país. También es conocida por ser un centro político y cultural

del país, tiene una buena accesibilidad por tierra, tiene un porcentaje

de analfabetismo del 25%, y una población con baja calidad de vida, la

población se concentra en el campo, lo que le da a Popayán, el

carácter de Ciudad-Región6.

4.2.4 Quindío

Es una región con bajos niveles de analfabetismo, bajos costos de

terreno y una aceptable disponibilidad de agua debido a la gran

cantidad de riachuelos, quebradas y pequeños ríos que se desprenden

de la cordillera central, existen tanto ganadería de doble propósito,

como lechería especializada, hay una alta disponibilidad de mano de

obra especializada y no calificada, además presenta una alta tasa de

urbanización, lo que genera un mercado de gran tamaño en la sola

región7.

Según lo anterior y otras informaciones tomadas del Departamento

Nacional de Planeación DNP, el Departamento Nacional de

Estadística DANE y FEDEGAN, se va a realizar una ponderación de

los factores de localización para determinar la mejor ubicación dentro

de las propuestas. Para esto se le va a asignar los siguientes

6 Tomado de ENCICLOPEDIA COLOMBIA VIVA EL TIEMPO, Casa Editorial EL TIEMPO, Cali, Colombia, 2000.7 Tomado de ENCICLOPEDIA COLOMBIA VIVA EL TIEMPO, Casa Editorial EL TIEMPO, Cali, Colombia, 2000.

porcentajes de importancia a los factores de localización considerados

dentro de la ponderación:

Disponibilidad de Materias Primas 25%

Disponibilidad de Agua 25%

Vías de Transporte 20%

Cercanía a Zonas Urbanas de Mercado 10%

Servicios Públicos 10%

Cercanía a Universidades y Centros de Capacitación 5%

Costo del Terreno 5%

A cada ubicación se le va a calificar de 1 a 100 de acuerdo a los datos

consultados y a multiplicar por el porcentaje de cada factor para

determinar la mejor localización. (Ver siguiente página)

Tabla 1. Resultados de la Ponderación

CiudadMaterias Primas

Fracción Ponderación Agua Fracción Ponderación

Carmen de Bolívar

90 0,25 22,5 100 0,25 25

Ubaté 100 0,25 25 85 0,25 21,25Popayán 60 0,25 15 100 0,25 25Montenegro 55 0,25 13,75 95 0,25 23,75Ciudad Transporte Fracción Ponderación Mercado Fracción PonderaciónCarmen de Bolívar

90 0,2 18 95 0,1 9,5

Ubaté 95 0,2 19 95 0,1 9,5Popayán 100 0,2 20 100 0,1 10Montenegro 90 0,2 18 100 0,1 10

CiudadServicios Públicos

Fracción Ponderación Universidades Fracción Ponderación

Carmen de Bolívar

90 0,1 9 90 0,05 4,5

Ubaté 90 0,1 9 90 0,05 4,5Popayán 100 0,1 10 100 0,05 5Montenegro 90 0,1 9 90 0,05 4,5

CiudadCosto del Terreno

Fracción Ponderación Total

Carmen de Bolívar

100 0,05 5 88,55

Ubaté 60 0,05 3 88,3Popayán 75 0,05 3,75 85,05Montenegro 100 0,05 5 79,05

Según la ponderación anterior, la localización más adecuada es el

Carmen de Bolívar por un escaso margen sobre el Valle de Ubaté, por

lo tanto en este estudio se tomará el carmen de Bolívar como

ubicación de la planta.

4.3 DISTRIBUCIÓN EN PLANTA

Para poder determinar la distribución de la planta se va a utilizar una matriz de distribución

funcional de departamentos8.

Tabla 2. Relaciones entre Zonas de la Planta

Zona Símbolo RecepciónLeches

UHTProductos

Grasos FermentadosDulces

de lecheLeche en

Polvo Administrativa Calderas MantenimientoTratamiento

de AguasBaños y

Vestieres Parqueaderos

Recreación y Zonas Verdes

Recepción a x x x x x x

Leches UHT b x x x x x Productos

Grasos c x x x x x x x x Leches

fermentadas d x x x x x Dulces de

leche e x x x x x Leche en

Polvo f x x x x x Zona

Administrativa g x x xCalderas y

demás h x x x x x x

Mantenimiento i x x x x x x x x x Tratamiento

de Aguas j x x x x x x x xBaños y

Vestieres k x x

Parqueaderos l x x Recreación y Zonas Verdes m x

8 BUFFA, Elwood. Administración y Dirección Técnica de la Producción, Limusa Editores, México DF, México, 1982

De acuerdo a la anterior tabla se pueden graficar las relaciones entre

zonas para tener una noción inicial de la planta

Gráfico 1. Diagrama de Relación entre Zonas

El anterior diagrama se pude introducir en una figura geométrica, para

obtener una distribución de planta.

a b

c

e

d

fg

h ij

l

m

Gráfico 2. Distribución Propuesta para la Planta

4.4 INGENIERÍA DEL PROYECTO

4.4.1 Diagramas de Flujo de los Procesos

Para esquematizar la gran variedad de procesos de transformación y

operaciones unitarias que se van a llevar a cabo en la planta se

realizaron diagramas de bloques y diagramas de flujo (Flow Chart)

para cada producto a elaborar.

a b

c e

d

fg

h i

j

l

m

4.4.1.1 Leches Líquidas UHT (Entera, Descremada y

Semidescremada).

Las leches UHT o también llamadas leches de larga duración, son

aquellas que son sometidas a un tratamiento térmico tan fuerte que

inactiva y/o destruye la totalidad de microorganismos, esporas y

enzimas presentes en la misma. Además debe tener un envasado

aséptico que garantice la completa esterilización del producto ya

empacado, para así alargar su vida útil9.

El proceso de elaboración que se propone se ve esquematizado en los

siguientes gráficos (Ver páginas siguientes):

Gráfico3. Diagrama de Bloques para la Elaboración de Leches

Líquidas UHT.9 Tomado de MANUAL DE INDUSTRIAS LÁCTEAS de Tetra Pak SA. Presente en http://www.infoleche.com

Gráfico 4. Diagrama de Flujo para la Elaboración de Leches

Líquidas UHT.

RecepciónAnálisis de

Calidad

Enfriamiento Previo

Descremado

Homogeneización

Estandarización

Tratamiento UHT

Enfriamiento

Envasado Aséptico

Almacenamiento Refrigerado

Despacho

Donde las líneas negras son de flujo de leche líquida, las rojas de

agua caliente, las azules de agua fría, y la amarilla de grasa láctea.

Por último, vale la pena aclarar que debido a los fuertes tratamientos

térmicos que se le da al producto, este sufre ligeras modificaciones por

precipitación de cantidades mínimas de sales minerales y

desnaturalización parcial de las proteínas globulares de la leche10.

4.4.1.2 Crema de Leche10 AMIOT, Jean. Ciencia de la Leche. Editorial Acribia, Zaragoza, España, 1990.

Envasado Aséptico

Cuarto Frío

Recepción

Filtrado Enfriamiento

Almacenamiento Previo

Precalentamiento

Descremado y Normalización

Homogeneización

Pasteurización Regenerativa

Almacenamiento

Despacho

La crema de leche es el producto obtenido por la extracción de una

parte o la totalidad de la grasa láctea, para después concentrarla hasta

cierto punto, formando una emulsión en la cual la fase dispersa es el

agua y la fase continua es la grasa, si se quiere se puede llevar a

maduración con el fin de darle características especiales al producto

final, es de color blanco hueso y de una viscosidad media11.

El Proceso de elaboración propuesto se ve esquematizado en las

páginas siguientes.

Gráfico 5. Diagrama de Bloques para la Elaboración de Crema de

Leche.

11 WALSTRA, Paul. Ciencia de la Leche y Tecnología de los Productos Lácteos. Editorial Acribia, Zaragoza, España, 1995.

Gráfico 6. Diagrama de Flujo para la Elaboración de Crema de

Leche.


Calidad

Enfriamiento Previo

Descremado

Estandarización del Contenido Graso

Acidificación Homogeneización

Tratamiento Térmico

Enfriamiento

Envasado

Almacenamiento

Despacho

Maduración

Maduración

Leche Estandarizada

Las convenciones de las líneas de flujo son las mismas que se

utilizaron en el gráfico 4.

4.4.1.3 Mantequilla

Recepción



Precalentamiento


Acidificación

Maduración

Envasado Aséptico

Maduración

Almacenamiento

Gráfico 7. Diagrama de Bloques para la Elaboración de

Mantequilla.

La mantequilla es quizá el derivado lácteo graso más pupilar en el

mercado colombiano. Puede ser madurada (De nata ácida) o sin

maduración (De nata dulce), para esto se somete al producto a un

proceso de maduración en presencia de microorganismos que le dan


Calidad

Enfriamiento Previo

Descremado Leche Descremada

Pasteurización de la Nata

Preparación del Cultivo

Maduración física y acidificación de la grasa

Tratamiento térmico Batido Mazada

Amasado y salado

Moldeado y Envasado

Refrigeración y Almacenamiento

un sabor característico. El proceso de elaboración se puede ver en los

gráficos 7 y 8.

Gráfico 8 Diagrama de Flujo para la Elaboración de Mantequilla.

4.4.1.4 Quesos

Los quesos son quizás los derivados lácteos más comunes y de mayor

grado de comercialización alrededor del planeta. Esto se debe a que

desde hace mucho tiempo se están fabricando, algunos indicios

muestran que desde la época de los nómadas se viene obteniendo

este producto. En la actualidad se puede conseguir fresco o

Recepción



Precalentamiento

Descremado

Maduración y

Acidificación

Batido

Amasado y Salado

Envasado y

Moldeado

Almacenamiento

Mazada

Pasteurización

madurado, y puede fabricarse a partir de la leche de cualquier especie

animal12.

Gráfico 9. Diagrama de Bloques para la Fabricación de Quesos


12 AMIOT, Jean. Ciencia de la Leche. Editorial Acribia, Zaragoza, España, 1990.

Recepción de la Leche

Termización

Desnatado y Normalización

Cuajado

Moldeado

Pre-Prensado

Cheddarización

Prensado Final

Salado

Molienda

Moldeado

Prensado Final

Maduración Empacado y Almacenamiento

Distribución

Lactosuero

Gráfico 10. Diagrama de Flujo para la fabricación de Quesos


El gráfico anterior sigue las mismas convenciones citadas en el gráfico

4, solo que la línea azul intermitente indica los flujos más notorios de

lactosuero del proceso.

4.4.1.5 Leche en Polvo

La leche en polvo es otro de los derivados lácteos que ha alcanzado

altos niveles de producción y comercialización alrededor del mundo.

Ya que presenta grandes ventajas en lo que se refiere a transporte y a

tiempo de duración. El proceso de obtención propuesto es el siguiente:

Recepción

Filtrado Termización Descremado y Normalización

Cuajado, Cortado y Prensado

Lactosuero

Moldeado y Salado

Prensado Final

Maduración

Almacenamiento

Lactosuero

Gráfico 11. Diagrama de Bloques para la Obtención de Leche en

Polvo.

Gráfico 12. Diagrama de Flujo para la Obtención de Leche en

Polvo.


Estandarización

Homogeneización

Concentración

Secado

Empacado

Almacenamiento

Despacho

Nota: Las líneas rojas punteadas son líneas de vapor, y las verdes y

aguamarinas son de aire caliente y frío respectivamente.

4.4.1.6 Leches Fermentadas

Las leches fermentadas como el yogurt, el kumis y el kéfir, también

son productos muy antiguos, que han alcanzado altísimos niveles de

producción y mercadeo a nivel mundial, debido a la facilidad de

fabricación y al alto nivel de aceptación que muestra el consumidor

normal hacia ellos, en Colombia son más comunes el kumis y el

Recepción



Precalentamiento


Homogeneización

Empaque Almacenamiento

ConcentraciónSecado

yogurt, este último se consume en forma fluida o sólida13. El proceso

propuesto se esquematiza a continuación:

Gráfico 13. Diagrama de Bloques para la Elaboración de Leches

Fermentadas.

13 Tomado de CARACTERIZACIÓN DE LA CADENA LÁCTEA EN COLOMBIA del Observatorio Agrocadenas del Ministerio de Agricultura de la República de Colombia, http://www.agrocadenas.gov.co


Tratamientos previos

Homogeneización

Preparación de la mezcla

Pasteurización y Enfriamiento

Inoculación

Incubación en Envases Incubación en Tanque

Almacenamiento Refrigerado

Agitación

Saborización

Envasado

DespachoPR

OD

UC

TO

S F

IRM

ES

PR

OD

UC

TO

S F

LUID

OS

Gráfico 14. Diagrama de Flujo para la Elaboración de Leches

Fermentadas.

En los tanques X y Y se realizan operaciones múltiples tales como la

inoculación, incubación y batido (En el X) y la Saborización (En el Y).

Además vale la pena aclarar que las líneas púrpura son líneas de

aditivos como azúcar, leche en polvo y jaleas de frutas.

4.4.1.7 Leche Condensada y Arequipe.

Se ha decidido agrupar estos dos bienes en un solo bloque debido al

alto grado de semejanza que tienen los procesos de fabricación de

este tipo de productos, y además a que la única diferencia entre ellos

es el nivel de concentración de azúcares y el grado de caramelización

Recepción




Homogeneización

Envasado

Cuarto Frío

Almacenamiento

Despacho

Enfriamiento

X

Y

de estos. Los procesos de elaboración se esquematizan a

continuación:

Gráfico15. Diagrama de Bloques para la Elaboración de Leche

Condensada.


Pasteurización


Homogeneización

Evaporación

Enfriamiento

Envasado

Almacenamiento y Despacho

Gráfico 16. Diagrama de Flujo para la Elaboración de Leche

Condensada.

En este gráfico se siguieron las mismas convenciones que en los

anteriores.

Recepción



Precalentamiento


Homogeneización

Concentración

EmpaqueAlmacenamiento

Gráfico 17. Diagrama de Bloques para la Elaboración de Arequipe.


Pasteurización


Homogeneización

Concentración Aerobia

Enfriamiento

Envasado

Almacenamiento y Despacho

Gráfico 18. Diagrama de Flujo para la Elaboración de Arequipe.

Ahora, de igual manera a como se hizo en la distribución de planta, se

va a plantear una matriz de relaciones entre las etapas de todos los

procesos propuestos para determinar la ubicación de cada equipo y

cuantos de ellos pueden ser utilizados en varios procesos. Esto se ve

ilustrado en la tabla 3.

Recepción



Precalentamiento


Homogeneización

Empaque

Almacenamiento

Concentración Aerobia

Tabla 3. Matriz de Relaciones entre Etapas y Productos.

PRODUCTOS

ETAPASLeches

LiquidasMantequilla

Leche en Polvo

Leche Condensada

ArequipeCrema de

LecheLeches

fermentadasQuesos

Recepción X X X X X X X XAnálisis Calidad X X X X X X X X

Enfriamiento Previo X X X X X X X XDescremado y

estandarizaciónX X X X X X X X

Homogeneización X X X X X X X Tratamiento Térmico UHT X

Enfriamiento X X X X X X Pasteurización de la Nata X

Acidificación X X Tratamiento térmico X X X X X

Batido X Amasado y salado X

Moldeado X Termización X

Cuajado XMoldeado XPrensado XMolienda* X

Maduración* X X XConcentración X

Secado X Inoculación X X X Incubación X

Batido X Saborización X

Evaporación al Vacío X

Tabla 3. Continuación.

Concentración aerobia X Envasado y/o Empacado X X X X X

Envasado Aséptico X X Almacenamiento No

Refrigerado X X X X

Almacenamiento Refrigerado X X X X Despacho X X X X X X X X

Como se puede apreciar hay varias etapas que son comunes para todos los productos, como la

recepción, el análisis de calidad, el enfriamiento previo, la estandarización, la homogeneización

(Exceptuando el Queso), el almacenamiento y el despacho, ahora debido a esto se va a plantear

que etapas se pueden compartir entre productos.

Tomando en cuenta la matriz de relaciones antes ilustrada, se decidió

tener una zona de recepción compartida para todos los productos

exceptuando a las leches UHT que por razones de asepsia deben

tener una línea de proceso completamente aparte al resto de la planta.

También se estableció que la zona de descremado y estandarización

puede ser compartida, así como el almacenamiento refrigerado y el no

refrigerado de producto terminado, por lo tanto se obtendría una

distribución en planta de la siguiente manera:

Gráfico 19. Nueva Distribución en Planta

Al introducir los diagramar de flujo y utilizar el concepto de equipos

compartidos, se obtuvo la distribución en planta que se presenta a

continuación:

Leches UHT

Leches Fermentadas

Leche en polvo

Zona Administrativa

Tratamiento de Aguas

Parqueaderos

Servicios GeneralesMantenimiento

Recepción

P. Grasos P. Dulces

Recreación

Quesos

Almacenes de Producto Terminado

Parqueadero y Despacho de Producto Terminado

Laboratorio

Gráfico 20. Distribución de Equipos en Planta

Ahora se va a proceder al cálculo de cada área de proceso.

4.4.2. Caracterización de las Áreas de la Planta.

4.4.2.1. Mecanismos de Recepción de Leche.

Primero se va a definir la cantidad diaria de leche a procesar, para

esto se tomará como base de cálculo los 990.000 litros/día que se

comercializan de manera informal en la costa atlántica, cuyas zonas

Zona Administrativa

Tratamiento de Aguas

Servicios GeneralesMantenimiento

En

vasa

do

Asé

ptic

o

Cuarto frío

EmpaqueEmpaque

A y Sal

Almac.

Empaque

Almac.

Almac.

Empaque

Moldeo

Prens.Empaque Maduración

Almacen.

Almacenes de Producto

Terminado

Parqueadero y Despacho de

Producto Terminado

Laboratorio

Re

cre

aci

ón

de producción más importantes se encuentran en el departamento de

Córdoba, en el Centro y Sur de Bolívar, en Sucre y el Bajo Magdalena.

Por lo tanto se plantea que se pueda contar con el 40% de esa porción

de leche que son comercializados informalmente en la región.

Tomando como base lo anterior, se contaría con un suministro de

materia prima entre 396.000 y 400.000 litros de leche diarios.

Para recolectar la leche se plantea crear 8 centros de acopio en la

zona, que estarían ubicados en:

Sahagún, Córdoba.

Planeta Rica, Córdoba.

La Unión, Sucre.

Corozal, Sucre.

Magangué, Bolívar.

Simití, Bolívar.

Ariguaní, Magdalena.

Fundación, Magdalena.

Se escogieron estos lugares tomando en cuenta su accesibilidad por

tierra, la cercanía a zonas productoras y sus medios de transporte

alternos como son los ríos navegables, aeropuertos pequeños y

algunas vías férreas.

De acuerdo a lo anterior se espera que en cada centro de acopio se

reciba leche dos veces al día, una del ordeño de la madrugada y otra

del de medio día, a estos centros llega la leche en cantinas y allí se

filtra y se lleva a 4°C para luego montarla a carrotanque que la

transporta hasta la planta.

En cada centro de acopio se espera tener la siguiente recolección

diaria de leche:

Tabla 4. Estimaciones de Recolección Diaria en cada Centro de

Acopio.

UbicaciónCódigo de

Identificación

Estimación de

Recolección

(litros/día)

El Carmen de Bolívar Planta 50.000

Magangué CR1 50.000

Corozal CR2 30.000

Ariguaní CR3 35.000

Simití CR4 35.000

La Unión CR5 75.000

Fundación CR6 25.000

Sahagún CR7 40.000

Planeta Rica CR8 60.000

Las estimaciones se realizaron debido a la ubicación de cada centro

de acopio en las zonas productoras de leche en esa cuenca lechera.

El centro más grande se ubicó en el municipio de La Unión, Sucre

debido a estar en medio de la zona de producción de leche más

grande del país, que es el sur de Sucre14, además en esta localidad se

puede recolectar leche proveniente de municipios del norte de

Antioquia como Caucasia, Nechí y Tarazá.

El sistema de recolección en cada centro consta de 10 montacantinas

manuales, donde en un tiempo cercano a las 20 segundos el operario

puede descargar una cantina de 40 litros a un tanque abierto que

alimenta una bomba que manda la leche hasta unos filtros de tambor

rotatorio continuos que son los más recomendados para procesos

continuos de gran capacidad15 , para luego ir a un intercambiador de

placas que enfría la leche hasta 4°C para que luego sea almacenada

en tanques hasta que sea transportada vía carrotanque hasta la

planta.

14 Tomado de ENCICLOPEDIA COLOMBIA VIVA EL TIEMPO. Casa Editorial El Tiempo, Cali, Colombia, 2000.15 GEANKOPLIS, Christie J. Procesos de Transporte y Operaciones Unitarias. Compañía Editorial Continental de CV, México DF, México, 1999.

Por lo tanto los diagramas de flujo que representarían al centro de

acopio serían:

Gráfico 21. Diagrama de Bloques para las Operaciones Realizadas

en el Centro de Acopio.

Gráfico 22. Diagrama de Flujo para las Operaciones Realizadas en

el Centro de Acopio.

Descarga de Cantinas

Muestreo de Calidad

Recepción en Tanque Abierto

Filtración

Enfriamiento


Despacho en Carrotanque

4.4.2.1.1. Diseño de los Centros de Acopio

4.4.2.1.1.1. Diseño para la Capacidad de 25.000 Litros al Día

(Fundación)

Este centro tiene una capacidad de recepción diaria de 25.000 litros,

que se divide en 2 tandas iguales de 12.500 litros, la primera llega a

las 5:30 AM y debe despachar la leche fría a las 8:30 AM, la segunda

llega a las 4:30 PM y debe despachar a las 2:30 AM, para garantizar

que la primera tanda llegue a la planta a las 11:00 AM y la segunda

tanda a las 5:00 AM. (La distancia entre Fundación y El Carmen de

Bolívar es de cerca de 150 Km.).

4.4.2.1.1.1.1. Tanque de Recepción Abierto.



Cada tanque de recepción estará alimentado por un montacantinas, lo

que permite darle una capacidad de 200 litros a cada uno, con un

indicador de nivel a los 120 litros y a los 20, para que la bomba

mantenga un caudal constante de 1000LPM, lo que permitiría procesar

la totalidad de la leche en menos de una hora.

Gráfico 23. Tanque de Recepción en los Centros de Acopio.

Ahora se va a calcular el valor de X para obtener un tanque que me

garantice un volumen de 200 respetando las condiciones que

arbitrariamente se han dado como que el alto total sea 1,3X mientras

que el ancho sea X.

Vistas del Interior del Tanque

X

XX

1,3X

X

0,05X 0,05X

0,2 = X3 + ((√ (0,09X2 + X2))*0,3X) X/3

0,2 = X3 + 0,104X3

X3 = 0,2/1,104

X = 3√ (0,1811)

X = 0,566m

Por lo Anterior se puede concluir que el lado X del tanque es de 60

centímetros aproximadamente, lo que le da al tanque una capacidad

de 238 litros.

Antes de calcular la bomba, se necesitan calcular los otros equipos

para hallar su caída de presión.

4.4.2.1.1.1.2. Filtro Vertical

Según la revisión bibliográfica que se realizó, se puede afirmar que

este tipo de equipo es el más adecuado para este tipo de proceso,

debido a que presenta las siguientes características16:

Alto porcentaje de remoción de líquidos.

Manejan un rango muy amplio de concentraciones de sólidos a

remover, que va desde 100ppm hasta 25.000ppm entre

modelos.

16 Tomado del Catálogo de Productos de KAESER COMPRESORES Y EQUIPOS 2.003 (Ver Anexos)

Lo que se va a hacer es establecer que filtro de los conseguidos

comercialmente, se ajusta a las necesidades del proceso, y calcular al

área necesaria de filtrado según la caída de presión de la torta

propuesta en el catálogo antes citado, para luego recalcular la caída

de presión total del filtro, esto se hace gracias a la sugerencia del

Ingeniero Químico Carlos Antonio Rivera, quien fue nombrado como

asesor en la propuesta del proyecto.

Entonces, se tienen como condiciones de operación las siguientes:

Tipo de proceso: Filtración a velocidad constante.

CX (Concentración de sólidos a separar en la leche sucia) =

10g/Kg17.

Caudal de manejo: 1000LPM.

La caída de presión que se va a asumir es la de la torta que se

forma en el filtro KOX para remoción de partículas que es de

6PSI (41,4Kpa).

Tiempo del ciclo de filtrado de 60s (Valor asumido para el

diseño).

Ahora se va a calcular la velocidad de filtración en el lecho:

G = (1 m3/min.)*(1033 Kg./m3)*(1min/60s)

G = 17,22 Kg. de leche/s 17 AMIOT, Jean. Ciencia de la Leche. Editorial Acribia, Zaragoza, España, 1.990

Cs = (1033 Kg. /m3)*(0,01)/(1-(2,0)*(0,01))

Cs = 10,54 Kg de sólidos/m3 de filtrado

α = (4,37 x 109)*(∆p) 0,3

α = (4,37 x 109)*(41.400Pa) 0,3

α = 1,06 x 1011 m/Kg (Resistencia de la Torta)

Entonces la velocidad de filtración (dV/dt) será igual a:

(dV/dt) = G (Cx/Cs)

(dV/dt) = 17,22 Kg/s*(0,01/10,54)

(dV/dt) = 0,0164 m3 de filtrado /s (Equivale a 980LPM)

La resistencia en un medio filtrante esta dada por la siguiente

expresión18:

Rm = ((∆pf)*(A))/(μ*(dV/dt))

Como el valor del área no se conoce, esta expresión se lleva a la

siguiente ecuación que rige los procesos de filtrado a velocidad

constante19:

18 GEANKOPLIS, Christie J. Procesos de Transporte y Operaciones Unitarias. Compañía Editorial Continental de CV, México DF, México, 1999.19 COULSON, J.M. y RICHARDSON, J.F. Ingeniería Química. Pergamon Press, Nueva York, USA, 1978

∆p = ((μαCs/A2)*(dV/dt)2) *t + ((μRm/A)*(dV/dt))

Metiendo el valor de Rm en la ecuación quedaría la siguiente expresión:

∆p = ((μαCs/A2)*(dV/dt)2) *t + ∆pf

Despejando A se obtiene que:

A = (√(( μαCst)/(∆p - ∆pf)))*(dV/dt)

Como el valor de (∆p - ∆pf) es igual a la caída de presión en la torta

(10.330Pa) entonces el valor de A después de introducir todos los

resultados de los cálculos previos sería:

A = (√(((2,12 x 10-3Kg/ms)(1,06 x 1011 m/Kg)(10,54

Kg/m3)(60s)/(41400Kg/ms2)))*(0,0164m3/s)

A = 30,4m2

Multiplicando por un factor de seguridad del 10% se obtiene un área

de:

A = (30,4m2)*1,1

A = 33,4m2

Recalculando la caída de presión total:

∆p = ((2,12 x10-3 Kg/ms)*(1,06 x1011

m/Kg)*(10,54Kg/m3)/(33,4m)2)*(0,0164sm3/s)2 *60s

∆p = 34263,23Pa (Equivale a 34,3Kpa)

NOTA: Las dimensiones y características del filtro se pueden

encontrar en la sección de anexos.

4.4.2.1.1.1.3. Intercambiador de Placas

El caudal de manejo de este equipo es igual al de salida de filtrado

proveniente de la etapa anterior, el fluido de enfriamiento es agua a

1°C proveniente de un banco de hielo, y se busca hacer que la leche

pase de 30°C hasta 4°C para que pueda ser almacenada sin ningún

tipo de problema, para eso se va a usar un equipo con placas de 50 x

50 cm. Y con un espesor entre ellas de 3mm que corresponde al

empaque o sello de protección que las une. El equipo deberá estar

construido en acero inoxidable 304, el caudal de fluido frío es de

500GPM. Además el espesor de cada placa es de 1mm.

Primero se va a hallar la temperatura de salida del agua de

enfriamiento:

Q = mCp∆T

Se va a hallar el calor que cede la leche, tomando como Cp = 3,85

Kj/KgK20.

Entonces:

m = (0,0164 m3/s)*(1033 Kg/m3)

20 GEANKOPLIS, Christie J. Procesos de Transporte y Operaciones Unitarias. Compañía Editorial Continental SA, de CV. México DF, México, 1999.

m = 16,94 Kg/s

Q = (16,94 Kg/s)*(3,85 Kj/KgK)*(26K)

Q = 1695,69 Kj/s

Entonces la temperatura de salida del agua es:

m agua = (500 GAL/min)*(3,785 l/GAL)*(1 Kg/l)*(1 min/60 s)

m agua = 31,54 Kg/s

1695,69 Kj/s = (31,54 Kg/s)*(4,18 Kj/KgK)*(T2 – 1°C)

T2 = 13,86°C

Ahora se va a calcular el número de Reynolds para determinar el tipo

de flujo dentro de las placas.

Ψ = (31,54 Kg/s)*(1 m3/1000 Kg)

Ψ = 0,03154 m3/s

Ψ = AV

V = Ψ/A

V = (0,03154 m3/s)/(0,003m x 0,5m)

V = 21,02 m/s

De = ab/(2*(a+b))

De = (0,5m x 0,5m)/(2*(0,5m + 0,5m))

De = 0,125m

Re = ((21,02 m/s)*(0,125m)*(1000 Kg/m3))/(1,5674 x 10-3 Kg/ms)

Re = 1676874,65

Por lo anterior se puede concluir que el flujo es turbulento, por lo tanto

el coeficiente de transferencia de calor por el lado del agua es:

NPR = Cpμ/k

NPR = (4,18 Kj/KgK)*(1,5674 x 10-3 Kg/ms)/(0,000569 Kj/msK)

NPR = 11,51

Con estas condiciones se va a la siguiente ecuación del Número de

Nusselt:

NNU = 0,027 Re0,8 NPR

1/3(μB/μW) 0,14

NNU = 0,027*(1676874,65)0,8(11,51)1/3(1)0,14

NNU = 5816,42

hoD/k = 5816,42

ho = 5816,42*(0,000569 Kj/msK)/0,125m

ho = 27,41 Kj/m2sK

Ahora se va a esquematizar el perfil de temperaturas para el proceso

Gráfico 25. Perfil de Temperaturas para el Proceso.

LMTD = ((4°C -1°C) – (30°C – 13,86°C))/ln((4°C -1°C)/ (30°C –

13,86°C)))

LMTD = 7,81°C

Ahora se va a calcular el coeficiente de transferencia de calor por el

lado de la leche:

Ψ = 0,0164m3/s

Ψ = AV

V = Ψ/A

V = (0,0164m3/s)/(0,003m x 0,5m)

V = 10,93 m/s

30°C

4°C

1°C

13,86°C

∆T1

∆T2

De = ab/(2*(a+b))

De = (0,5m x 0,5m)/(2*(0,5m + 0,5m))

De = 0,125m

Re = ((10,93 m/s)*(0,125m)*(1033 Kg/m3))/(2,12 x 10-3 Kg/ms)

Re = 665927,673

Por lo anterior se puede concluir que el flujo es turbulento, por lo tanto

el coeficiente de transferencia de calor por el lado de la leche es:

NPR = Cpμ/k

NPR = (3,85 Kj/KgK)*(2,12 x 10-3 Kg/ms)/(0,000538 Kj/msK)

NPR = 15,17

Con estas condiciones se va a la siguiente ecuación del Número de

Nusselt:

NNU = 0,027 Re0,8 NPR

1/3(μB/μW) 0,14

NNU = 0,027*(665927,673)0,8(15,17)1/3((2,12 x 10-3)/(1,5674 x 10-3))0,14

NNU = 3177,82

hoD/k = 3177,82

ho = 33177,82*(0,000538 Kj/msK)/0,125m

ho = 13,68 Kj/m2sK

Ahora se va a calcular el coeficiente global de transferencia de calor U

asumiendo un factor de ensuciamiento de 5680 W/m2K.21

U = 1/((1/27410 W/m2K)+(0,001m/13,8W/mK)+(1/13680 W/m2K)

+(2/5680 W/m2K))

U = 1872,1 W/m2K

Con esto se va a calcular el área de transferencia de calor necesaria

para el proceso:

Q = U A (LMTD)

1695690 W = (1872,1 W/m2K) A (7,81°C)

A = 115,97 m2

Ahora se multiplica por el factor de seguridad (10%) y se halla el

número de placas para dimensionar el equipo.

A = 115,97m2*(1,1)

A = 127,6m2

N° placas = 127,6m2/(0,5m x 0,5m)

N° placas = 511


Largo del equipo = 511(0,004m)

Largo del equipo = 2,04m

El ancho del equipo es de 0,5m que equivale al ancho de una placa.

La caída de presión (∆p) se calculará según la siguiente fórmula para

flujo turbulento:

∆p = 4fρ*((∆Lv2)/(2D))

El valor del factor de fricción f se calculará de la ecuación de

Colebrook:

(1/√f) = -0,87 ln((ε/3,7D) +(2,51/Re√f))

(1/√f) = -0,87 ln(((0,00012m/3,7(0,125m)) +(2,51/665927,673√f))

Tanteando la ecuación se obtiene un valor de:

f = 0,0198

Ahora se calcula la caída de presión:

∆p = 4(0,0198)*(1033kg/m3)*((0,5m)*(9,3m/s)2)/(2(0,125m))

∆p = 14152,12 Pa

∆p = 14,15 Kpa

4.4.2.1.1.1.4. Tanques de Almacenamiento de Leche Fría.

Para garantizar un almacenamiento de toda la leche, se usarán 3

tanques de acero inoxidable 304 de 10.000 litros recubiertos de

poliuretano expandido para mantener la temperatura del producto

constante. Cada tanque tendría la siguiente disposición:

Gráfico 26. Tanque de Almacenamiento de Leche Fría.

Ahora se va a hallar el valor de d para que se cumplan las condiciones

que arbitrariamente se le han dado al sistema:

Volumen = ((Π/4) d2*3d) + (((Π/4)d2*d)/3)

10 m3 = (Π/4)*(3d3 + d3/3)

d = 1,6m

Este diámetro brinda una capacidad en el tanque de 10672 litros, que

al multiplicarlo por 3 que es el número de tanques en el centro de

acopio.

4.4.2.1.1.1.5. Primera Bomba Centrífuga.

d

3d

0,1d

4d

Esta bomba se puede ver esquematizada en el Gráfico 22, pero para

una mayor claridad en los cálculos ver el Gráfico 23.

Gráfico 23. Sección de Acción de la Primera Bomba Centrífuga.

Para la primera bomba se tienen las siguientes condiciones de

operación:

Caudal = 1000LPM = 264,2GPM

Columna Estática de Succión = 1,2m

∆p en el filtro = 34,3Kpa ; ∆p en el intercambiador = 14,15Kpa

Longitud de Tubería = 18,2m

6 codos normales de 90°

9 uniones en Te.

2 Válvulas de globo

1,2m 6,1m

0,3m

0,3m

0,3m

0,3m

0,5m 0,5m

0,7m

1,4m

0,4m

0,5m

2 Válvulas de Cheque

Lo primero que se va a hacer es el cálculo de las pérdidas por fricción

a través de la tubería:

Q = (1000LPM)*(1m3/1000LPM)*(1min/60s)

Q = 0,0167 m3/s

De = 1,24√β√Q

De = 0,07m = 70mm

Comercialmente se consiguen tuberías de Diámetro nominal de

73,03mm (21/2 pulgadas), Cd 40 en acero inoxidable 304 y 308 que

garantizan un Diámetro interno de 62,71mm, que es muy cercano al

valor calculado.

Ahora se halla Reynolds para saber que tipo de flujo va por la tubería:

V = Q/A

V = (0,0167 m3/s)/((Π/4)(0,0627m)2)

V = 5,41m/s

Re = VDρ/μ

Re = (5,41 m/s)*(0,0627m)*(1033 Kg/m3)/(2,12 x 10-3 Kg/ms)

Re = 165243,1668

Como ya se había considerado antes, para Re ≥ a 6000 el flujo se

considera turbulento22. Entonces se calcula el factor de fricción de

Fanning (f) por la ecuación de Colebrook.

(1/√f) = -0,87 ln((ε/3,7D) +(2,51/Re√f))

(1/√f) = -0,87 ln(((0,00012m)/3,7(0,0627m)) +(2,51/165243,1668√f))

Tanteando la ecuación se obtiene un valor de f de:

f = 0,0243

Ahora se calcula la longitud equivalente para hallar las pérdidas por

fricción en el tubo:

Tabla 5. Longitudes Equivalentes de la Sección

AccesorioLongitud

Equivalente (m)Cantidad

Longitud Eq.

Total (m)

Codo Normal de

90°1,9 6 11,4

Válvula de Globo 23,2 2 46,4

Válvula de

Cheque5,6 2 11,2


Unión en Te 5,2 9 46,8

Por lo tanto se puede afirmar que la longitud de trabajo es:

LT = L TUBO + L EQUIVALENTE

LT = 18,2m + 11,4m + 46,4m + 11,2m + 46,8m

LT = 134m

Con este valor se hallan las pérdidas mediante la ecuación de Darcy-

Weisbach.

hf = fLV2/D2g

hf = (0,0243)*(134m)*(5,41m/s)2/((0,06271m)*(19,6 m/s2))

hf = 77,5m

Ahora se calcula la cabeza neta de bombeo ∆h.

∆h = 6,1m – 2m

∆h = 4,1m

Ahora se va a convertir las caídas de presión en los equipos de la

sección (Ver apartados 4.4.2.1.1.1.2. y 4.4.2.1.1.1.3.) a columnas en

metros.

∆p FILTRO = 34,3Kpa*(33,9ft/101,325Kpa)*(0,3048m/ft)

∆p FILTRO = 3,5m

∆p INTERCAMBIADOR = 14,15Kpa*(33,9ft/101,325Kpa)*(0,3048m/ft)

∆p INTERCAMBIADOR = 1,44m

Entonces la columna total de bombeo Hb es:

Hb = 77,5m + 4,1m + 3,5m + 1,44m

Hb = 86,54m

Multiplicando por un factor de seguridad del 10%.

Hb = (86,54m)*1,1

Hb = 95,2m = 312ft

Ahora se va a seleccionar una bomba con esas condiciones de caudal

y cabeza de bombeo de las curvas características de bombas

centrífugas (Ver Anexos), donde se encontró que la bomba Modelo:

BA 08-025 fabricada para Latinoamérica por NEUMANN SA. Además

según la curva característica de la bomba la eficiencia de esta es del

77%.

Ahora se va a calcular el NPSH de la bomba para determinar si la

bomba es la adecuada de acuerdo a la siguiente fórmula23.

23 MCNAUGHTON, Kenneth. Bombas Selección Uso y Mantenimiento. Editorial Mc Graw-Hill. México DF, México, 1996.

NPSH = (GPM)*(Carga en ft)*(ρ relativa)/(3,960*ζ)

NPSH = (264,2 GPM)*(312ft)*((64,49lb/ft3)/(62,42lb/ft3))/(3960*0,77)

NPSH = 27,1ft = 8,25m

Bajo estas condiciones la cabeza neta de succión positiva (NPSH)

disponible de la bomba es de 8,25m lo que garantiza que en la succión

no habrá cavitación. Ya que la columna estática de succión apenas es

de 1,2m.

La potencia de esta bomba esta dada por:

P = γQHb/76ζ

P = (1033 Kg/m3)*(0,0167 m3/s)*(95,2m)/((76Kgm/s/HP)*0,77)

P = 28,1HP


P = 28,1HP*(1,1) = 30,9HP

Basándose en la sección de anexos se escoge un motor de la serie

SUM 06 fabricado para Latinoamérica por NEUMANN SA. Que maneja

potencias entre 4 y 40HP

4.4.2.1.1.1.5. Segunda Bomba Centrífuga.

Esta bomba se encarga de llevar la leche de los tanques de

almacenamiento a los carrotanques que la llevarán a la planta, el

diagrama que esquematiza a continuación:

Gráfico 24. Sección de Acción de la Segunda Bomba Centrífuga.

Las condiciones de operación de la segunda bomba son:

Caudal: 2000LPM = 528,40GPM.

Columna Estática de Succión = 6,1m.

1 Válvula de Globo.

2 Codos Normales de 90°.

1 Válvula de Cheque.

Longitud de Tubería = 7,5m.

Lo primero que se va a hacer es el cálculo de las pérdidas por fricción

a través de la tubería:

6,1m

3,0m

5,0m0,5m1,5m

0,5m

Q = (2000LPM)*(1m3/1000LPM)*(1min/60s)

Q = 0,033 m3/s

De = 1,24√β√Q

De = 1,24√1/24√0,033

De = 0,0989m =98,9mm


88,9mm (3 pulgadas), Cd 40 en acero inoxidable 304 y 308 que


valor calculado.

Ahora se halla Reynolds para saber que tipo de flujo va por la tubería:

V = Q/A

V = (0,033 m3/s)/((Π/4)(0,07792m)2)

V = 6,92m/s

Re = VDρ/μ

Re = (6,92 m/s)*(0,07792m)*(1033 Kg/m3)/(2,12 x 10-3 Kg/ms)

Re = 262748,0946




(1/√f) = -0,87 ln((ε/3,7D) +(2,51/Re√f))

(1/√f) = -0,87 ln(((0,00012m)/3,7(0,07792m)) +(2,51/262748,0946√f))


f = 0,02267




AccesorioLongitud


Longitud Eq.

Total (m)

Codo Normal de

90°2,1m 2 4,2

Válvula de Globo 26m 1 26

Válvula de

Cheque6,3m 1 6,3



LT = L TUBO + L EQUIVALENTE

LT = 7,5m + 4,2m +26m + 6,3m

LT = 44m


Weisbach.

hf = fLV2/D2g

hf = (0,02267)*(44 m)*(6,92m/s)2/((0,07792m)*(19,6 m/s2))

hf = 31,3m


∆h = 3,0m – 0m

∆h = 3,0m


Hb = 3,0m + 31,3m

Hb = 34,3m


Hb = (34,3m)*1,1

Hb = 37,73m = 123,8ft




BA 08-025 con un motor SUM 08-050 fabricado para Latinoamérica

por NEUMANN SA. Además según la curva característica de la bomba

la eficiencia de esta es del 72%.




NPSH = (528,4GPM)*(123,8ft)*((64,49lb/ft3)/(62,42lb/ft3))/(3960*0,72)

NPSH = 23,7ft = 7,22m



no habrá cavitación. Por que la succión de la bomba está a nivel de

esta, por lo tanto la elevación estática de succión es cero, lo que está

dentro del valor de NPSH.


P = γQHb/76ζ

P = (1033 Kg/m3)*(0,033 m3/s)*(37,73m)/((76Kgm/s/HP)*0,72)


P = 23,8HP

La potencia se ajusta a los valores del motor seleccionado (Ver

Anexos). P = 28,1HP

4.4.2.1.1.1.6. Banco de Hielo del Centro de Acopio.

El banco de hielo es el responsable de proporcionar el agua de

enfriamiento en el intercambiador de placas, y al final de cuentas es el

que también se encarga de enfriarla para que pueda ser apta para el

proceso. El banco de hielo tiene tubos de acero inoxidable que va a

acumular una capa total de 3cm de hielo, el refrigerante que se va a

usar es el SUVA R134a™ de DUPONT SA. (Ver Propiedades

Termodinámicas en la sección de Anexos).

Ahora se va a calcular las dimensiones del banco de hielo:

Para esto se va a plantear un ciclo de refrigeración, cuyo evaporador

esté en el banco de hielo:

Gráfico 25 Esquema del Ciclo de Refrigeración.

Las Temperaturas que se le quieren dar al refrigerante son:

Condensación: 35°C (95°F)

Evaporación: -5°C (23°F)

Se le da esa temperatura de condensación para causar un

subenfriamiento en el condensador, lo que le daría mayor efecto

refrigerante al R134a (1,1,1,2-tetrafluoroetano), entonces planteando

un diagrama de presión contra entalpía, tomando como base el que se

puede apreciar en los anexos, se puede obtener la siguiente gráfica

Gráfico 26. Diagrama de Presión Contra Entalpía para el Proceso26

26 Tomado de THERMODYNAMIC PROPERTIES OF HFC-134ª de Dupont, disponible en http://www.dupont.com.mx

Evaporador(Banco de Hielo)

Compresor

Condensador

Según el diagrama anterior se pueden tener los siguientes datos:

Efecto Refrigerante = 65 BTU/lb (151,2 Kj/kg)

Calor de Condensación = 80 BTU/lb (186,07 Kj/kg)

Trabajo de Compresión = 15 BTU/lb. (34,87 Kj/kg)

Volumen Específico del R134a a la salida del evaporador = 1,5

ft3/lb (0,094 m3/kg).

Presión de Condensación = 150 psia (10,31 Bar)

Presión de Evaporación = 40 psia (2,75 Bar)

Capacidad de Refrigeración Requerida = 1695,69 Kj/s

Por lo Tanto la masa de R134a será:

m = (1695,69 Kj/s)/(151,2 Kj/kg)

m = 11,21 Kg/s

La potencia teórica del compresor será:

PT = (11,21 Kg/s)*(34,87 Kj/kg)

PT = 391 KW

Ahora se calcula la relación de compresión:

Rc = (150psia)/40psia)

Rc = 3,75

Asumo un compresor de 5 pistones y 5000RPM para calcularlo:

Según la figura 5,12 y 5,13 las eficiencias de compresión y mecánicas

para un compresor de estas características son 79 y 85%

respectivamente (Ver Anexos). Entonces la Potencia Real del

compresor será de:

PR = ((391KW)/(0,79 x 0,85)) x 1,1

PR = 640KW (865HP)

El número de ciclos de los pistones en un segundo será:

# = (5000)(5)/60

# = 416,67

El Volumen teórico de R134a a manejar es:

V = (11,21 Kg/s)(0,094 m3/kg)

V = 1,05m3/s

Por lo tanto el volumen del cilindro es:

Vc = 1,05/416,67

Vc = 2528,9 cm3

Según la figura 5.11b la eficiencia volumétrica del proceso es del 75%

(Ver Anexos), por lo tanto el volumen real de refrigerante es:

VR = 2528,9 cm3/0,75

VR = 3372 cm3

Ahora se va a dimensionar el compresor tomando como condición que

la carrera es 1,5 veces el diámetro del cilindro:

D = 3√(4(3372)/Π)

D = 16,3cm

Entonces la carrera C será:

C = 1,5 x 16,3cm

C = 24,45cm

Ahora se va a calcular el área del banco de hielo. Primero se puede

afirmar que el tiempo de operación del banco es igual al tiempo de

utilización del intercambiador de calor, ya que es este equipo el que

necesita un suministro de agua fría. Este tiempo es de

aproximadamente 1 hora al día, ya que el intercambiador calculado

necesita de aproximadamente 30 minutos para evacuar el volumen de

leche propuesto por turno de recepción, como hay 2 turnos, entonces

el tiempo de operación del intercambiador sería de 1 hora, por lo tanto

la cantidad de calor que debe absorber el banco de hielo será de:

CRBH = (1695,69 Kj/s)(3600s)

CRBH = 6104484 Kj

Ahora se va a asumir un diámetro de tubo del banco de hielo de 1,25

pulgadas, para poder ir a la Curva de Bancos de Hielo (Ver Anexos) y

poder encontrar la Capacidad de refrigeración del banco por metro

lineal de tubería.

Gráfico 27. Curva de Bancos de Hielo para Diámetro de Tubo de

1,25 Pulgadas.

Según el gráfico anterior (Ver más claramente en la sección de

anexos), la capacidad de enfriamiento que se obtiene en un tubo de

1,25 pulgadas, con un recubrimiento de 3cm de hielo es de 2096,0

Kj/m, entonces si se divide el valor de CRBH en el dato anterior, se

obtendrían los metros de tubo necesarios para realizar la transferencia

de calor:

LT = (6104484 Kj)/(2096,0 Kj/m)

LT = 2912,45m

Comercialmente se consiguen tubos de un largo de 6m, lo que indica

que se necesitan 486 tubos de 1,25 pulgadas. Ahora se va a hallar el

número de tubos por m2, para poder determinar el área del banco de

hielo.

Fe = (999,73 Kg/m3)*(1m3)

Fe = 999,73Kgf

# Tubos = (999,73kgf – 900kgf)/3,83kg/m

# Tubos = 25 tubos/m2

Los tubos se van a colocar en un arreglo rectangular de 5 x 5,

entonces los metros cuadrados laterales que se deben tener en el

banco son:

Área Lateral = 486tubos/(25 tubos/m2)

Área Lateral = 19,44m2

Este valor se aproxima a 20m2, y se va a afirmar que la pared del

banco de hielo es de 5m de ancha por 4m de alta.

Entonces las dimensiones del banco de hielo son:

Largo = 6m

Ancho = 5m

Alto = 4m

Con las dimensiones anteriores se puede garantizar que el banco de

hielo tendrá la capacidad para enfriar 101,2m3 de agua que estará lista

para el proceso.

4.4.2.1.1.1.7. Tercera Bomba Centrífuga.

Este banco de hielo necesita una bomba que lleve el agua al

intercambiador y la traiga de regreso, la distancia de tubería entre el

intercambiador y el banco se ve esquematizada en la siguiente figura:

Gráfico 28. Sección de Acción de la Tercera Bomba Centrífuga.

Lo primero que se va a hacer es calcular la caída de presión en el

intercambiador por el lado del agua:

∆p = 4fρ*((∆Lv2)/(2D))

Primero se debe calcular el factor de fricción f para el intercambiador

por el lado del agua:

(1/√f) = -0,87 ln((ε/3,7D) +(2,51/Re√f))

3,8m

2,7m

4,0m

15,5m

1,15m

3,24m

4,6m

1,33m 1,15m

Banco de Hielo

2,7m

(1/√f) = -0,87 ln(((0,00012m/3,7(0,125m)) +(2,51/1676874,65√f))

Tanteando la ecuación se obtiene un valor de:

f = 0,0196

Ahora se calcula la caída de presión:

∆p = 4(0,0196)*(999,73kg/m3)*((0,5m)*(21,2m/s)2)/(2(0,125m))

∆p = 70453,16 Pa

∆p = 70,5 Kpa

Ahora se va a calcular el diámetro económico:

De = 1,2 4√β√Q

De = 1,2 4√(1/24)√(0,03154 m3/s)

De = 0,0963m = 96,3mm


88,9mm (3 pulgadas), Cd 40 en acero inoxidable 304 y 308 que


valor calculado.

V = Q/A

V = (0,03154 m3/s)/((Π/4)(0,07792m)2)

V = 6,61m/s

Re = VDρ/μ

Re = (6,61 m/s)*(0,07792m)*(999,73 Kg/m3)/(1,131 x 10-3 Kg/ms)

Re = 455557,27




(1/√f) = -0,87 ln((ε/3,7D) +(2,51/Re√f))

(1/√f) = -0,87 ln(((0,00012m)/3,7(0,07792m)) +(2,51/455557√f))


f = 0,01487





AccesorioLongitud


Longitud Eq.

Total (m)

Codo Normal de

90°2,1m 5 10,5

Válvula de

Cheque6,3m 1 6,3

La longitud del tubo es:

L = 32,37m (Ver Gráfico 28)


LT = 32,37m + 10,5m +6,3m

LT = 49,17m


Weisbach.

hf = fLV2/D2g

hf = (0,01487)*(49,17 m)*(6,61m/s)2/((0,07792m)*(19,6 m/s2))

hf = 20,91m


∆h = 4,0m – 0m

∆h = 4,0m


Hb = 4,0m + 20,91m

Hb = 24,91m


Hb = (24,91m)*1,1

Hb = 27,4m = 88,9ft




BA 08-025 con un motor SUM 06-015 fabricado para Latinoamérica

por NEUMANN SA. Además según la curva característica de la bomba

la eficiencia de esta es del 69%.




NPSH = (500GPM)*(88,9ft)*((62,42lb/ft3)/(62,42lb/ft3))/(3960*0,69)


NPSH = 16,3ft = 4,96m



no habrá cavitación. Por que la succión de la bomba está a nivel de

esta, por lo tanto la elevación estática de succión es cero, lo que está

dentro del valor de NPSH.


P = γQHb/76ζ

P = (999,73 Kg/m3)*(0,03154 m3/s)*(27,4m)/((76Kgm/s/HP)*0,69)

P = 16,5HP

La potencia se ajusta a los valores del motor seleccionado (Ver

Anexos). P = 16,5HP.

4.4.2.1.1.1.8. Vehículos de Transporte de Leche Caliente.

Para la llegada de la leche caliente de las fincas, se tiene previsto

transportarla en camiones tipo medianos, que tengan las siguientes

medidas29:

Altura: 11ft y 6 pulgadas (3,5m)

Largo de la Plataforma: 34ft (10,4m)

Ancho de la Plataforma: 7ft y 6 pulgadas (2,4m)29 RASE, H, F, Diseño de plantas y su Evaluación Económica para Ingenieros Químicos, Limusa Editores, México DF, México, 1966

Altura del Suelo a la plataforma: 44 pulgadas (1,12m)

Con los datos anteriores se puede afirmar que el área de la plataforma

es de aproximadamente 25m2. Como estos camiones se encargarán

de cargar las cantinas, entonces se va a calcular cuantas cantinas le

caben a cada camión. Para esto se va a calcular el área del fondo de

las cantinas:

AFC = (Π/4)(0,35m)2

AFC = 0,096m2

Entonces la cantidad de cantinas que caben en la plataforma son:

# Cantinas = 25m2/0,096m2

# Cantinas = 260 cantinas/camión

Como en cada turno se van a recibir 12.500 litros de leche y cada

cantina trae 40 litros, entonces se va a calcular cuantos camiones se

van a utilizar por turno:

Volumen de leche por Camión = 260 x 40

Volumen de leche por Camión = 10.400 litros

Como el camión debería realizar una ruta muy extensa, entonces se

decide que a la planta lleguen 3 camiones con aproximadamente

4.200 litros de leche cada uno., eso quiere decir que cada camión trae

entre 100 y 105 cantinas, que deben ser lavadas en un sistema

automático con aspersores.

4.4.2.1.1.1.9. Sistemas de Lavado de Ruedas.

Las ruedas de los camiones tanto de transporte de leche en cantinas

como los carrotanques presentan ruedas de 25 pulgadas, el sistema

de lavado costa de 6 regaderas que llenan un foso con una solución

de agua y detergentes, que es preparada previamente en un tanque

de mezclado, el foso es de 35cm de profundidad y el camión pasa por

el, humedeciendo toda la superficie de la rueda con la solución de

lavado, una vez el camión pasa, se abre una válvula que hace que la

solución vaya a la zona de tratamiento de aguas, el camión va a otro

foso igual pero que contiene solamente agua para remover el

detergente de las ruedas, cada foso es de 12m de largo y de 1m de

ancho. La distancia entre aspersores es de 5m. El diámetro de la

Boquilla es de 10cm.

Gráfico29. Sistema de Lavado de Ruedas

12m

9,2m

5,4m 2,8m

El caudal de manejo de cada aspersor es de 150LPM, por lo tanto

para que 3 llenen el foso (V = 4,2m3) se necesitaría un tiempo de

operación de 10 minutos (0,16h)

Se va a calcular el diámetro adecuado para el tubo:

De = 1,2 4√β√Q

De = 1,2 4√(0,16/24)√(0,0075 m3/s)

De = 0,0297m = 29,7mm


33,4mm (1 pulgada), Cd 40 en acero inoxidable 304 y 308 que


valor calculado.

V = Q/A

V = (0,0075 m3/s)/((Π/4)(0,02664m)2)

V = 13,45m/s

Re = VDρ/μ

Re = (13,45 m/s)*(0,02664m)*(1000 Kg/m3)/(0,86 x 10-3 Kg/ms)

Re = 416810,56




(1/√f) = -0,87 ln((ε/3,7D) +(2,51/Re√f))

(1/√f) = -0,87 ln(((0,00012m)/3,7(0,02664m)) +(2,51/416810,56√f))


f = 0,0296




Accesorio Longitud

Equivalente (m)

Cantidad Longitud Eq.

Total (m)

Codo Normal de

90°0,75 5 3,75

Válvula de

Cheque0,18 1 0,18

Te Normal 1,65 4 6,6


Válvula de Globo 7,8 1 7,8

La longitud del tubo es:

L = 53m (Ver Gráfico 28)


LT = 53m + 3,75m + 0,18m + 6,6 + 7,8

LT = 64,73m


Weisbach.

hf = fLV2/D2g

hf = (0,0296)*(64,73 m)*(13,45m/s)2/((0,02664m)*(19,6 m/s2))

hf = 663,82m

Ahora se va a calcular la pérdida extra por los aspersores (KFT) para

cada juego de aspersores:

KF = (0,0296)(5m)(0,0075m3/s)/((19,6m/s2)(0,02664m)((Π/4)(0,1m)2)

KF = 0,271

K = 0,271/6

K = 0,0451

KFT = (0,0451)(3)(3+1)(6+1)

KFT = 3,8m

Como son 2 juegos de aspersores, entonces la pérdida (KFT) será 7,6m


∆h = 9,2m – 0m

∆h = 9,2m


Hb = 9,2m + 663,82m + 7,8m

Hb = 680,8m


Hb = (680,8m)*1,1

Hb = 748,88m = 2456,9ft




BA 08-025 con un motor SUM 08(10)-100 fabricado para

Latinoamérica por NEUMANN SA. Además según la curva

característica de la bomba la eficiencia de esta es del 77%.




NPSH = (237,8GPM)*(2456,9ft)*((62,42lb/ft3)/(62,42lb/ft3))/(3960*0,77)

NPSH = 191,6ft = 58,4m


P = γQHb/76ζ

P = (999,73 Kg/m3)*(0,015 m3/s)*(748,88m)/((76Kgm/s/HP)*0,192)

P = 192HP

Se necesita buscar otro motor, es el Babcock and Wilson 11628, que

cumple con esas características.

4.4.2.1.1.1.10. Parqueaderos.

Los Parqueaderos son de concreto, deben resistir una presión de

2500PSI (Dato proporcionado por el Ingeniero Carlos Sánchez), están

demarcados por cajones en ángulo de 90°, para facilitar el descargue

de las cantinas y la salida de los camiones, las dimensiones del

parqueadero son:

Ancho: 29m


Largo: 30m.

Alto: 10m.

El parqueadero debe estar techado e iluminado, con el fin de disminuir

la temperatura, pero sin bajar la calidad de visión para el operario.

4.4.2.1.1.1.10. Bodegas.

Por ser un centro de acopio en el cual se despacha toda la leche

recogida diariamente, no se tienen bodega ni de materia prima ni de

producto terminado, solo se tiene un almacén de repuestos para

mantenimiento, cuya disposición no es la de primera entrada primera

salida ya que este tipo de artefactos tienen una muy prolongada vida

útil y no representan una alta elevación de costos el tenerlos

guardados. El almacén se divide de la siguiente manera:

Gráfico 30. Almacén de Mantenimiento

La zona A es la más cercana a la entrada y allí se encontrarán

repuestos como correas, poleas, lubricantes, tornillos, tuercas y

demás, en la zona B se encontrarán empaques, válvulas,

manómetros, termómetros y otros instrumentos de medición, mientras

que en la zona C estarán refacciones más específicas como las placas

del intercambiador. Se le dio a este cuarto unas dimensiones de:

Largo: 4m

Ancho: 4m

Alto: 10m

La altura del techo de la planta es de 10m para todas las zonas.

4.4.3 Área del Centro de Acopio.

Se calculó tanto el área estática, como la gravitacional, como la de

evolución de cada equipo para así llegar al área total del centro.

Un resumen de las áreas por equipo y el área total se ve en la tabla 8.

Tabla 8. Áreas de las Distintas Zonas del Centro de Acopio.

EquipoÁrea Estacionaria

(m2)Área Gravitacional

(m2)Área de Evolución

(m2)Área Total (m2) por

EquipoNúmero de

EquiposÁrea Total

(m2)Tolvas de Recepción

0,32 0,96 0,64 1,92 10,00 19,22

Filtro de Lecho Vertical

1,40 4,20 2,80 8,40 2,00 16,80

Intercambiador de Placas

1,02 3,06 2,04 6,12 1,00 6,12

Bomba Centrífuga

0,18 0,53 0,36 1,07 3,00 3,21

Motor serie SUM 08

0,22 0,65 0,43 1,30 2,00 2,59

Motor serie SUM 06

0,11 0,34 0,23 0,68 1,00 0,68

Tanque de Almacenamiento

2,02 6,06 4,04 12,12 3,00 36,36

Banco de Hielo 120,00 360,00 240,00 720,00 1,00 720,00

Lavado de autos 30,00 90,00 60,00 180,00 1,00 180,00

Almacén de Repuestos

16,00 48,00 32,00 96,00 1,00 96,00

Parqueadero 870,00 2610,00 1740,00 5220,00 1,00 5220,00

TOTAL 1041,27 3123,80 2082,53 6247,60 26,00 6300,98

El área total del centro de acopio es de 6.300,98m2, y están distribuidos en un terreno rectangular

de 150m x 42m.

5. BIBLIOGRAFÍA

AMIOT, Jean. Ciencia de la leche, Editorial Acribia, Zaragoza, España,

1990

BUFFA, Elwood. Administración y Dirección Técnica de la Producción,

Limusa Editores, México DF, México, 1982

CARACTERIZACIÓN DE LA CADENA LÁCTEA EN COLOMBIA del

Observatorio Agrocadenas del Ministerio de Agricultura de la

República de Colombia, http://www.agrocadenas.gov.co

CATÁLOGO DE PRODUCTOS DE KAESER COMPRESORES Y

EQUIPOS 2.003

COULSON, J.M. y RICHARDSON, J.F. Ingeniería Química. Pergamon

Press, Nueva York, USA, 1978

ENCICLOPEDIA COLOMBIA VIVA EL TIEMPO, Casa Editorial EL

TIEMPO, Cali, Colombia, 2000.

GEANKOPLIS, Christie J. Procesos de Transporte y Operaciones

Unitarias. Compañía Editorial Continental de CV, México DF, México,

1999.

MANUAL DE INDUSTRIAS LÁCTEAS de Tetra Pak SA. Presente en

http://www.infoleche.com

http://www.infoleche.com/

http://www.agrocadenas.gov.co/

MCNAUGHTON, Kenneth. Bombas Selección Uso y Mantenimiento.

Editorial Mc Graw-Hill. México DF, México, 1996.

RASE, H, F, Diseño de plantas y su Evaluación Económica para

Ingenieros Químicos, Limusa Editores, México DF, México, 1966

THERMODYNAMIC PROPERTIES OF HFC-134ª de Dupont,

disponible en http://www.dupont.com.mx

WALSTRA, Paul. Ciencia de la leche y Tecnología de los productos

Lácteos, Editorial Acribia, Zaragoza, España, 1996.

6. RECOMENDACIONES

Realizar el cálculo de las líneas de proceso diseñadas.

Realizar un Análisis Financiero de la Planta.

Analizar la Viabilidad de Montar una Planta de este tamaño en el

país.

Realizar un estudio de factibilidad para la planta.

Proyecto de Diseño de Planta de Andrés Felipe Aldana Rico

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