Optimización operativa de sistemas de evaporación en ingenio azucarero
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Universidad Nacional de Tucumán, Facultad de Ciencias Exactas y Tecnología, Departamento de Ingeniería Industrial
Resumen
Resumen
El siguiente trabajo consta de un modelado de optimización para mejorar la eficiencia operativa en sistemas de evaporación aplicados a la industria azucarera. A partir del desarrollo de modelos matemáticos que describen el comportamiento de los evaporadores ante condiciones reales de operación, se diseñó una herramienta de optimización que permite planificar estratégicamente su funcionamiento, incorporando criterios técnicos, operativos y de mantenimiento.
El modelo desarrollado se basa en fundamentos de transferencia de calor, balances de masa y energía, y técnicas de programación matemática, lo que permitió representar tanto configuraciones simples como sistemas complejos de evaporadores dispuestos en paralelo y en serie. Esta representación rigurosa sirvió como base para diseñar una estrategia de operación óptima que
considere el ensuciamiento progresivo de los equipos y su correspondiente necesidad de limpieza.
La formulación matemática adoptada corresponde a un problema de Programación No Lineal Entera Mixta (MINLP), el cual fue implementado y resuelto en el entorno GAMS utilizando el solver DICOPT++. Esta herramienta permitió incorporar de forma eficiente las restricciones técnicas del sistema, evaluar distintos escenarios de operación y obtener planes cíclicos de produc-
ción y mantenimiento consistentes con la dinámica real de los equipos.
En los casos de estudio desarrollados, el modelo permitió identificar estrategias operativas más eficientes en comparación con prácticas tradicionales. En particular, frente a un caso práctico donde el sistema de evaporación alcanza una concentración final de meladura del 56,4%, la so-
lución optimizada logró elevar ese valor hasta un 79,8% bajo condiciones similares de alimentación. Esta mejora refleja una planificación más eficaz de limpiezas, una mejor asignación de caudales y un uso más racional del vapor disponible.
Los resultados alcanzados validan el enfoque propuesto y muestran su potencial para ser implementado en plantas reales, ofreciendo a los responsables operativos una herramienta de planificación que permite anticiparse a las necesidades de mantenimiento y gestionar con mayor pre-
cisión la producción en función del estado de los equipos.
Descripción
Contenido
1. Introducción .................................................................................................................... 3
1.1 Contexto de la industria azucarera en Tucumán ................................. 3
1.2 Proceso de producción de azúcar a partir de caña ................................. 3
1.3 La Evaporación en la Industria Azucarera ................................................ 6
1.4 Problemática .............................................................................................................. 9
1.5 Programación matemática .......................................................................................... 9
1.6 Objetivo ................................................................................................................... 10
2. Modelado de evaporadores ................................................................................... 10
2.1 Modelo para coeficiente y resistencia global de transferencia de calor .... 11
2.2 Balances de materia y energía ..................................................................... 12
2.3 Modelado de evaporadores operando en paralelo ..................................... 14
3.Modelo de optimización operativa de sistemas de evaporación en paralelo 16
3.1 Planteo del problema para un caso simple. ............................................. 16
3.2 Formulación del modelo operativo para evaporadores en paralelo ....... 19
3.3 Formulación matemática del modelo ..................................................... 20
3.3.1 Función objetivo ................................................................................................ 20
3.3.2 Restricciones generales ...................................................................................... 20
3.3.3 Restricciones de límites sobre ciertas variables ........................................... 21
3.3.4 Formulación completa del problema de optimización del modelo ....... 21
3.4 Casos de estudio ...................................................................................................... 22
3.4.1 Caso de estudio 1 (CE1) ...................................................................................... 22
3.4.2 Comparación con un caso práctico de operación .......................................... 25
4. Modelado y optimización de evaporadores múltiples en sistemas combinados ................ 26
4.1. Modelado de evaporadores en serie ................................................................ 26
4.2 Formulación matemática del modelo ............................................................... 27
4.2.1 Balances de masa y energía ................................................................................ 27
4.2.2 Condiciones de trabajo ....................................................................................... 27
4.3 Integración con líneas en paralelo .............................................................. 29
4.4 Casos de estudio ...................................................................................................... 30
4.4.1 Configuración del sistema .................................................................................. 30
5. Conclusiones .................................................................................................................. 32