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Tesis Doctoral
DOI
https://doi.org/10.11606/T.18.2020.tde-05022020-113011
Documento
Autor
Nombre completo
Diana Maritza Segura Angel
Dirección Electrónica
Instituto/Escuela/Facultad
Área de Conocimiento
Fecha de Defensa
Publicación
São Carlos, 2019
Director
Tribunal
Gómez, Luben Cabezas (Presidente)
Aguiar, Fernando Guimarães
Monteiro, Patricia Aparecida Santiago
Selli, Marcelo Fernando
Tibiriçá, Cristiano Bigonha
Título en inglés
Comparative analysis of different techniques to monitor liquid level in a cane diffuser bed
Palabras clave en inglés
conductance
diffuser
full-scale test
impedance
observed liquid level
pressure
sucrose extraction
Resumen en inglés
The extraction of sucrose in a sugar cane diffuser depends on the percolation rate of juice through the cane bed. High percolation rates promote mass transfer and increase the wetness of the cane bed (i.e. liquid hold-up within the bed) thereby improving sucrose extraction. However, increasing the rate of juice applied to the surface of the cane bed above the maximum percolation rate results in flooding, causing uncontrolled mixing of juice, destruction of the brix profile and reduced extraction. Therefore, to avoid flooding, the liquid holdup in a stage-wise counter-current diffuser must be monitored and controlled through the automation of the spray position responsible for distributing the liquid onto the bed surface, according to the settings selected. Currently, the liquid level is controlled by inspecting of a group of sight glasses in the diffusers, this technique requires at least 12 operators working as long as the diffuser is under operation, as a result, this method is unfeasible in practice. In addition this measured is limited by the manual data acquisition and the short sampling time interval. Most of the conventional methods to measure liquid holdup are not suitable for this application, so new methodologies were introduced such as conductance measurements. Other researchers opted for using manometers to measure the pressure on a laboratory scale. Nevertheless, no satisfactory results were presented and the results from the experiments trials performed in a full scale have not been widely accepted; additionally, no subsequent work has validated or invalidates these results. Therefore, the aim of this study is to test the viability of using a manometers, conductivy meters and impedance meters to assess the observed liquid level in a cane diffuser bed, in order to provide the necessary information to control to adjust the spray position, which can optimise percolation rates. Electrical impedance has never been measured in a cane diffuser neither on a laboratory scale. Therefore, a new impedance measurement system capable of recording measurements over an adjustable impedance range has been designed and constructed to detect the fluctuations of capacitive and resistive effect in a cane bed. The results of the experimental trials of conductivity, impedance and pressure conducted on the Tongaat Hulett cane diffuser at the Maidstone factory in South Africa are reliable techniques to indirectly measure the level of the liquid within the cane bed. Reproducibility tests were performed to confirm the results presented in this research. The results of the test of impedance show that the capacitive effect is not significant and it is not related to the flooding of the cane bed neither with a specific characteristics of the sugarcane or the extraction process. In the same way, the conductance results show that the flow rate and the conductance only have the same fluctuations under special operating conditions such as when the diffuser is being fed and when the recirculation pumps are switched on and off. The relationships between variables such as conductance, piezometric level, and the liquid level were found through the development of mathematical models. Where the adjustment of the constants of a linear function of permeability permitted to validate the experimental data, in the case of the technique of pressure measurements. On the other hand, the mathematical models were created based on several equations such as second-order transfer equations and Darcy's equations.
Título en portugués
Análise comparativa de diferentes técnicas de monitoramento do nível líquido em um difusor de cana-de-açúcar
Palabras clave en portugués
condutância
difusor
extração de sacarose
impedância
nível do líquido observado
pressão
testes a escala industrial
Resumen en portugués
A extração de sacarose em um difusor de cana-de-açúcar depende da taxa de percolação do liquido pelo leito da cana. Elevadas taxas de percolação promovem a transferência de massa e aumentam a humidade do leito de cana (isto é, retenção de líquido no interior do leito) melhorando assim, a extração da sacarose. No entanto, o aumento da taxa de liquido aplicada à superfície do leito da cana acima da taxa máxima de percolação resulta em inundação, causando mistura descontrolada de suco, destruição do perfil brix e redução da extração. Portanto, para evitar inundações no difusor, o nível do liquido no leito de cana deve ser monitorado e controlado através da automação da posição de spray responsável pela distribuição do líquido na superfície do leito de cana. Atualmente, o nível do líquido é controlado por inspeção visual nos visores instalados em alguns módulos do difusor. Esta técnica requer de pelo menos 12 operadores trabalhando enquanto o difusor está em operação, como resultado, este método é inviável na prática. Ademais, esta medida está limitada pela coleta manual de dados e pelo tempo de amostragem. A maioria dos métodos convencionais para medir o nível de líquido não são adequados para esta aplicação, portanto, novas metodologias foram introduzidas, como medidas de condutância entre a superfície do leito de cana e o difusor, e podem ser utilizadas como um indicador do nível do líquido. Outros pesquisadores optaram por usar manômetros para medir a pressão em um difusor experimental no laboratório. No entanto, eles não apresentaram resultados satisfatórios e os resultados dos experimentos realizados em escala industrial não foram amplamente aceitos; além disso, nenhum trabalho subsequente tem validado ou invalidado esses resultados. Portanto, o objetivo desse trabalho é avaliar a viabilidade de usar manômetros, medidores de condutividade e medidores de impedância para avaliar o nível do líquido observado em um leito de cana e assim fornecer as informações necessárias para controlar e ajustar a posição de pulverização, o que pode otimizar as taxas de percolação. A impedância elétrica nunca foi medida em um difusor de cana nem no laboratório. Por tanto, um novo sistema de medição de impedância capaz de registrar medições em um intervalo de impedância ajustável foi desenhado e construído para detectar as flutuações do efeito capacitivo e resistivo no leito de cana. Os resultados dos experimentos de condutância, pressão e impedância foram conduzidos no difusor de cana de Tongaat Hulett na fábrica de Maidstone são técnicas confiáveis para medir indiretamente o nível do liquido do leito de cana. Testes de reprodutibilidade foram realizados para confirmar os resultados apresentados nesta pesquisa. Os resultados dos experimentos de impedância mostraram que o efeito capacitivo não é significativo e não está relacionado com a inundação do leito de cana, nem com nenhuma característica especifica da cana o do processo de extração. Da mesma forma, a análises dos resultados dos testes de condutância mostraram que a vazão e a condutância só têm as mesmas flutuações sob condições especiais de operação tais como quando o difusor está sendo alimentado com cana-de-açúcar e quando as bombas de recirculação são ligadas e desligadas. A relações entre as variáveis como condutância, pressão, impedância e nível do líquido foram encontradas através do desenvolvimento de modelos matemáticos. Onde, o ajuste das constantes de uma função de permeabilidade lineal permitiu validar os dados experimentais no caso da técnica de medição de pressão. Por outro lado, os modelos matemáticos foram criados baseados em diversas equações como equações de transferência de segunda ordem e a equação de Darcy.
 
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Fecha de Publicación
2020-02-10
 
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