Balance de Energia de Los Operadores Termicos Copeinca (1)

BALANCE DE CALOR EN LOS OPERADORES TERMICOS (COCINA) DE LAEMPRESA COPEINCA I.-INTRODUCCION: La harina de pescado se obtiene luego de retirarle todo el contenido de agua y gran parte de sus grasas y aceites al pescado, quedando luego de este proceso la parte sólida, la cual es secada y luego molida al grado de una harina. En Perú, la única especie permitida por el Ministerio de la Producción para ser destinada a fabricar harina de pescado es la anchoveta (Engraulins ringens), también llamada sardina peruana; mientras que en otras partes del mundo, como Estados Unidos se elabora harina de pescado en base a Menhaden (30cm), en Noruega se utiliza el Capelán (19cm), y en Dinamarca el Arenque (20 cm). De acuerdo con IFFO, este ingrediente está compuesto en promedio por un 60% a 72% de proteína, un 5% a 12% de grasa, y máximo de humedad del 9% lo que le otorga estabilidad y permite almacenarla y manipularla por un tiempo prolongado. Entre los beneficios de la harina de pescado resalta la fácil digestibilidad de sus proteínas para los organismos que lo consumen, además de ser rica en ácidos grasos poliinsaturados esenciales como el Omega 3, EPA y DHA. El principal uso de este ingrediente marino es la formulación de alimentos balanceados para el desarrollo de actividades como acuicultura (la principal), avicultura, ganadería, entre otros. La harina de pescado compite con otros concentrados de proteína animal y vegetal como las harinas de la industria cárnica y la producción soya. Sin embargo, estas últimas no ofrecen los amplios beneficios del ingrediente marino en cuestión. Actualmente, el Perú es el primer productor mundial de harina de pescado, seguido de Tailandia, China, Chile y Estados Unidos, según el último Anuario Estadístico de IFFO, publicado en 2015. La Sociedad Nacional de Pesquería agrupa a las principales empresas productoras de harina de pescado del Perú, las que representan el 75% de la producción nacional. Del 2008 a la fecha, estas empresas han invertido importantes sumas de dinero en la mejora de la calidad de la harina de pescado, principalmente en la refrigeración de embarcaciones y el proceso de secado La industria de harina de pescado es una de las actividades económicas mas importantes del Perú. La harina de pescado es un polvo fino obtenido del cocinado, prensado, secado y molido de la materia prima (anchoveta). Es una fuente de alimentación con un alto contenido en proteínas, que es usada como ingrediente en la elaboración de alimentos balanceados para la avicultura, acuicultura, ganadería, etc. II.-PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA: a) Caracterización del Problema: Proceso u operación del balance de materia y energía de la elaboración de harina de pescado. b) Formulación del Problema: Analizar y justificar todos los pasos del proceso de elaboración de la harina de pescado. c) Justificación de la Investigación: Analizar las pérdidas de calor en una planta de procesamiento de lácteos, específicamente viendo su área de elaboración de harina de pescado. III.- OBJETIVOS: Realizar un balance de energía de la harina de pescado en la industria pesquera. Dar a conocer el proceso de elaboración de la harina de pescado, así como los controles del proceso productivo. El Vapor como Fluido Termodinámico: El uso de vapor como fluido termodinámico se justifica por gran variedad de propiedades, en particular: Es abundante y barato de producir. Transporta gran cantidad de energía por unidad de masa debido al cambio de fase. En efecto, el calor latente de cambio de fase es del orden de 2.500 [kJ/kg]. Ciclos de Vapor: Los ciclos de vapor los podemos dividir entre ciclos de vapor abiertos y ciclos de vapor cerrados. En los próximos párrafos daremos un breve vistazo a cada uno de ellos. Ciclo Abierto: Este fue el primer ciclo de vapor a utilizarse en forma amplia. Corresponde a las típicas máquinas de vapor de ciclo abierto (locomotoras, locomóviles y muchas máquinas estacionarias en los inicios de la revolución industrial). Pasemos a analizarlo en diagramas y en bloques. El ciclo opera de la siguiente forma: un depósito contiene agua para la caldera(1). La bomba toma el agua del depósito y la inyecta a la caldera (2) (aumentando su presión desde la presión atmosférica hasta la presión de la caldera). En la caldera (donde se le entrega el calor Q), el agua ebulle, formando vapor. El vapor se extrae de la caldera en la parte superior (3). Por gravedad, solo tiende a salir vapor saturado, por lo tanto sale de la caldera con título muy cercano a x=1.. Luego el vapor (a presión) es conducido al motor donde de expande, produciendo el trabajo W. El motor descarga el vapor utilizado al ambiente que está a 1 atm. Por lo tanto el vapor condensa a 100ºC. Diagrama p-V de ciclo de vapor abierto En diagrama p-V, el ciclo se describe como sigue (los puntos termodinámicos están indicados con pequeñas cruces, cerca del número correspondiente): En (1) el agua del depósito es líquido subsaturado. La bomba aumenta su presión hasta es estado (2). Como lo que se comprime es solo líquido, el volumen de (2) es ligeramente inferior al de (1). Luego esta agua a presión se inyecta en la caldera. Allí alcanza primero el estado de saturación (intersección de línea 2-3 con campana de cambio de fase) y luego comienza la ebullición dentro de la caldera. Este proceso es a temperatura y presión constante. El vapor sale de la caldera en el estado (3), como vapor saturado (en teoría, realmente siempre tiene un título ligeramente inferior a x=1). Luego se expande en la máquina (motor) generando trabajo y es expulsado a la atmósfera. Por lo tanto la máquina opera entre la presión pcald y patm, las que tienen asociadas la temperatura de ebullición del vapor en la caldera y la temperatura de condensación del agua en la atmósfera (100ºC) IV.-DESCRIPCION DEL PROCESO .MATERIALES Y EQUIPOS: EMBARCACION PESQUERA POZAS DE ALMACENAMIENTO El proceso productivo se inicia una vez que la Planta ha recibido la Materia Prima (desecho de pescado proveniente de las plantaselaboradoras de pescado). En la Planta, el Laboratorio de Control de Calidad se encarga de realizar un primer análisis a la materia prima, para determinar la condición de ésta, y posteriormente verifica la calidad y parámetros operacionales de proceso, hasta la obtención de la harina. COCINADOR La materia Prima ingresa y es sometido a un proceso térmico con vapor (indirecto) con el fin de detener la actividad microbiológica y enzimática responsable de la degradación y coagular las proteínas en fase sólida, permitiendo la separación del aceite y los residuos viscosos líquidos. PRENSA Se realiza un proceso de prensado mecánico de la materia prima, la cual proporciona el Licor de Prensa, que corresponde a la fase líquida y laTorta de Prensa que constituye la fase sólida. La masa de producto es fuertemente comprimida por los tornillos, escurriendo un Licor de prensa a través de las rejillas, y una masa más sólida o Torta de prensa por el extremo. SECADOR El secador realiza la conversión de una mezcla húmeda e inestable de torta de prensa, Torta de los Decanters y eventualmente Concentrado enharina de pescado seca y estable. En la práctica, esto significa secar hasta un contenido de humedad menor al 10%,. La temperatura del material secado no excede los 90º C para no deteriorar los valores nutricionales. ENFRIADOR Disminuir la temperatura antes de ser embolsada. Por lo general, la harina de pescado sufre la oxidación de sus grasas, por ser un producto higroscópico (absorción de humedad) y absorbe oxígeno. Para evitarlo, el producto es envasado frío y se estabiliza con antioxidantes. MOLINO El propósito de moler es facilitar la incorporación homogénea en los alimentos. Una harina molida apropiadamente tiene un aspecto atractivo y se mezcla fácilmente en las proporciones de alimentos que requieren combinaciones y mezclas adecuadas. ENVASADOR En esta etapa se introduce el producto en sacos según la necesidad decada cliente. En esta etapa es muy importante la participación delLaboratorio de Control de Calidad, ya que extrae las muestras necesarias para efectuar los correspondientes análisis de proteína, grasa, humedad,TVN y otros que permiten caracterizar y clasificar la harina de acuerdo a las calidades definidas. V.-ANALISIS DEL PROBLEMA: Se analizara la transferencia de calor en la cocina y el secador a vapor En la cocina: Hallaremos el calor requerido (QR) para cocinar el pescado para facilitar la separación de las grasas y el agua en las siguientes etapas se realiza la cocción en la cocina de cocción indirecta de 250 ton/hora. Emplearemos la ecuación del calor: Donde: 𝑄𝑅 = 𝑚𝑝 . 𝐶𝐸𝑃 . ∆𝑇 (1) 𝑄𝑅: Calor requerido 𝑚𝑝: Masa del pescado 𝐶𝐸𝑃 : Calor especifico del pescado ∆𝑇: (𝑇2 − 𝑇1 ) Variación de temperatura en la cocina Se tienen los siguientes datos: Se dice que el del pescado es 0,8, esto representa tanto un valor absoluto de 0,8 calorías por kilogramo, como la relación entre el calor específico del pescado y el del agua. El calor específico puede no ser un valor constante, sino variar, por ejemplo, según la temperatura. Además, sus valores pueden cambiar cuando se produce una variación de fase. Por ejemplo, el calor específico del pescado congelado es del orden de 0,4, es decir, aproximadamente la mitad del valor correspondiente al pescado no congelado. 𝑇1 = 20 °𝐶 𝑇2 = 90 °𝐶 Hallamos la masa del pescado: 𝑡𝑜𝑛 1ℎ𝑜𝑟𝑎 1000𝑘𝑔 𝑚̇ = 250 ( ).( ).( ) = 4166.666 𝑘𝑔/𝑚𝑖𝑛 ℎ𝑜𝑟𝑎 60𝑚𝑖𝑛 1 𝑡𝑜𝑛 el tiempo aproximado de cocción será de 15 min entonces: 𝑘𝑔 𝑚𝑝 = 𝑚 = 4166.666 . 15 𝑚𝑖𝑛 = 62500 𝑘𝑔 𝑚𝑖𝑛 Reemplazando datos en la ecuación (1): 𝐾𝑐𝑎𝑙 𝑄𝑅 = (62500 𝑘𝑔). (0.828 ) . (90 − 20)°𝐶 𝑘𝑔°𝐶 𝑄𝑅 = 3622500 𝐾𝑐𝑎𝑙 En la caldera: Se tienen los siguientes datos: Presión de trabajo: 100 psi Entalpia h2: 499.87 Kcal/kg 𝐶𝑃𝑎𝑔𝑢𝑎: 1kcal/Kg°C 𝑘𝑔 1ℎ ̇ 𝑚ℎ2𝑜 = (16.65 . . 15 min. 1800𝐵𝐻𝑃) = 7492.5𝑘𝑔 ℎ 60𝑚𝑖𝑛 T1=25 °C T2= 100 °C Hallaremos el 𝑄12 = 𝑚. 𝐶𝑃𝑎𝑔𝑢𝑎 . ∆𝑇: 𝑄12 = 𝑚. 𝐶𝑃𝑎𝑔𝑢𝑎 . ∆𝑇 𝐾𝑐𝑎𝑙 𝑄12 = 7492.5𝑘𝑔 (1 ) (100 − 25)°𝐶 𝑘𝑔°𝐶 𝑄12 = 561937.5 𝐾𝑐𝑎𝑙 Hallamos el 𝑄23 = 𝑚ℎ2𝑜 . ℎ2 𝑄23 = (7492.5𝐾𝑐𝑎𝑙). ( 499.87 Kcal/kg) 𝑄23 = 3745275.975 𝐾𝑐𝑎𝑙 𝑄𝑇 = 𝑄12 + 𝑄23 𝑄𝑇 = 4307213.475 𝐾𝑐𝑎𝑙 Podemos observar que el calor total 𝑄𝑇 > 𝑄𝑅 Esto se debe a las pérdidas que existe por las paredes de la caldera cuando hay pérdidas por radiación debidas a la acumulación de materia en estas SECADOR A VAPOR: Tenemos los siguientes datos: T1 (Temperatura inicial del mix): 60 °C T2 (Temperatura inicial del mix): 80 °C 𝑇𝑖𝑛(Temperatura interna del secador): 82 °C 𝑇𝑒𝑥𝑡(Temperatura externa del secador): 20 °C 𝑇𝑒(Temperatura de ebullición del agua): 100 °C ℎ𝑒𝑣𝑎𝑝 Entalpia de evaporización a 101.325kpa (Tablas): 539.4 Kcal/kg 𝑚̇𝑚𝑒𝑧 (Flujo másico del mix): 113.051 kg/h 𝑚̇𝑒𝑣𝑎𝑝 (Flujo másico de evaporación): 14 000 kg/h 𝐶𝑝𝐻2𝑂 (Calor especifico del agua): 1Kcal/kg°C 𝐶𝑝𝑚𝑒𝑧(Calor específico del mix): 0.673 Kcal/kg°C Hallamos el calor requerido por la secadora: 𝑄̇𝑠 = 𝑚̇𝑚𝑖𝑥 . 𝐶𝑝𝑚𝑖𝑥 . ∆𝑇 kg Kcal 𝑄̇𝑠 = (113.051 ) . (0.673 °C) . (80 − 60)°𝐶 h kg 𝑄̇𝑠 = 1521.666 𝐾𝑐𝑎𝑙/ℎ En la caldera: 𝑄̇12 = 𝑚̇𝑠𝑒𝑐 . 𝐶𝑝𝐹𝑖𝑒 . ∆𝑇 kg 1Kcal 𝑄̇12 = (14 000 ).( °C) . (100 − 60)°𝐶 h kg 𝑄̇12 = 560000 𝐾𝑐𝑎𝑙/ℎ para la evaporización del agua 𝑄̇23 = ℎ𝑒𝑣𝑎𝑝 . 𝑚̇𝑒𝑣𝑎𝑝 Kcal 14000kg 𝑄̇23 = (539.4 ).( ) kg h 𝑄̇23 = 7551600 𝐾𝑐𝑎𝑙/ℎ 𝑄̇𝑇 = 𝑄̇12 + 𝑄̇23 = 8111600 𝐾𝑐𝑎𝑙/ℎ Se puede notar que 𝑄̇𝑇 > 𝑄̇𝑠 VI.- CONCLUSIONES:  El calor específico de las sustancias de los procesos solo se verán afectados por la variación de los porcentajes de grasa, humedad y sólidos.  Es importante evaluar cada etapa de proceso para poder realizar el balance demateria y energía, a fin de controlar los requerimientos, los costos de elaboración y la productividad.  De la evaluación energética, para la operación y estructura actual de la fábrica, se concluye que dentro de los operadores térmicos unitarios analizados, la cocina alcanza mayores flujos de vapor. VII.- BIBLIOGRAFIA: https://es.scribd.com/doc/175119959/Balance-de-Materialess-Harina-de-Pescado https://es.slideshare.net/ernestopando/eficiencia-en-calderas-y-combustion http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/estadistica/otros/fusion/fusion.htm