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Ingeniería. Revista de la Universidad de Costa Rica
Vol. 34, No. 2: 54-61, Julio-Diciembre, 2024. ISSN: 2215-2652. San José, Costa Rica
Esta obra está bajo una Licencia de Creative Commons. Reconocimiento - No Comercial - Compartir Igual 4.0 Internacional
Metodología para seleccionar el equipamiento técnico en el proceso
productivo de elixir de ron
Methodology for selecting technical equipment in the production process of rum elixir
Yasmin Zaldivar Montes de Oca 1 , Carmen Gloria Dean Galán 2
Alejandro Luis del Arco de la Paz 3 , Jorge Luis Montero Bizet 4
1 Estudiante de la Facultad de Ingeniería Química y Agronomía, Universidad de Oriente, Santiago de Cuba, Cuba,
correo: yasmin.zaldivar@estudiantes.uo.edu.cu
2 Estudiante de la Facultad de Ingeniería Química y Agronomía, Universidad de Oriente, Santiago de Cuba, Cuba,
correo: carmen.dean@estudiantes.uo.edu.cu
3 Estudiante de la Facultad de Ingeniería Química y Agronomía, Universidad de Oriente, Santiago de Cuba, Cuba,
correo: alejandrodelarco526@gmail.com
4 Profesor asistente del Departamento de Matemática Aplicada, Universidad de Oriente, Santiago de Cuba, Cuba,
correo: jorge.monterob@uo.edu.cu
Recibido: 21/02/2024
Aceptado: 03/06/2024
Resumen
El octavo objetivo de la Agenda 2030 pretende promover el crecimiento económico sostenido,
inclusivo y sostenible, el empleo pleno y productivo, así como el trabajo decente para todos. El comercio
internacional es un medio indispensable para favorecer y lograr su cumplimiento. Mantener la productividad
y rentabilidad en la producción de bienes exportables, como el ron cubano, es esencial para satisfacer esta
meta. El presente trabajo presenta una metodología para determinar un equipamiento tecnológico adecuado
que permita reducir las pérdidas de materiales y productos durante la obtención de rones, en la Unidad
Empresarial de Base (UEB) Manuel Fariñas Núñez de Santiago de Cuba. Para conocer los problemas
tecnológicos existentes, se realizó una observación del funcionamiento de todos los dispositivos técnicos
utilizados en la producción. Se recolectaron los datos referentes a las variables signicativas de operación
y se visitó el almacén de la empresa para cuanticar los suministros de reserva. A partir de un balance
macroscópico de energía mecánica, se desarrolló un modelo matemático y un algoritmo de solución
del problema. Durante la investigación, se detectó que, en el área de ltración del ron añejado, existen
pérdidas del producto debido a daños en las tuberías. La metodología desarrollada permitió identicar el
diámetro que satisface las condiciones de operación del sistema; además, posibilita obtener algoritmos de
cálculos para seleccionar o identicar parámetros óptimos en sistemas productivos. La correcta escogencia
y operación del equipamiento tecnológico garantiza la productividad y rentabilidad de una empresa.
Palabras Clave:
Arreglo matemático,
bomba centrífuga, caudal,
mercado, variables.
Keywords:
Centrifugal pump, ow,
market, mathematical
arrangement, variables.
DOI: 10.15517/ri.v34i2.58883
Abstract
The goal eight of the 2030 Agenda aims to promote sustained, inclusive and sustainable economic
growth, full and productive employment, as well as decent work for all. International trade is an indispensable
means to stimulate and achieve its fulllment. Maintaining productivity and protability in the production
of exportable goods, such as Cuban rum, is essential to meet this goal. The present article presents a
methodology to determine the adequate technological equipment that allows reducing the losses of materials
and products during the obtaining of rums, at the UEB (Base Business Unit) Manuel Fariñas Núñez, in
Santiago de Cuba. To nd out the existing technological problems, an observation of the operation of all
the technical devices used in production was carried out. Data regarding signicant operating variables
were collected and the company’s warehouse was visited to quantify reserve supplies. From a macroscopic
balance of mechanical energy, a mathematical model and an algorithm for solving the problem were
developed. During the investigation, it was detected that in the ltration area of the aged rum there are
losses of the product due to breakdowns in the pipes. The developed methodology allowed identifying the
diameter that satises the operating conditions of the system; in addition, it allows obtaining calculation
algorithms to select or identify optimal parameters in production systems. The correct selection and
operation of technological equipment guarantees the productivity and protability of a company.
ZALDIVAR, DEAN, DEL ARCO, MONTERO: Metodología para seleccionar el equipamiento técnico en el proceso productivo... 55
1. INTRODUCCIÓN
En 2015, las Naciones Unidas lanzaron la Agenda 2030 para
el Desarrollo Sostenible. Esta consta de 17 Objetivos de Desarrollo
Sostenible y 169 subobjetivos, los cuales se consideran el marco
de acción más importante para luchar contra los grandes restos de
sostenibilidad que enfrentan las economías a nivel mundial [1].
El octavo objetivo de la Agenda 2030 pretende promover
el crecimiento económico sostenido, inclusivo y sostenible, el
empleo pleno y productivo, así como el trabajo decente para todos.
Estas aspiraciones aparecen de la mano, lo cual da a entender que
todas las medidas y políticas que persiguen un mayor crecimiento
económico a nivel mundial deben proteger, al mismo tiempo, los
derechos laborales fundamentales de los trabajadores. Se entiende
como medio indispensable para lograr el cumplimiento de este
propósito el comercio internacional [2].
En Cuba, el ron es un producto de vital importancia para la
economía nacional con gran valor en el comercio internacional.
El aumento de la calidad y las estrategias para reinventar nuevos
productos, que permita la estabilidad comercial en un mercado
cada vez más exigente, posibilita el aumento de los niveles de
exportación del ron cubano y su demanda [3].
Todas las empresas, aun aquellas de tecnología media o baja,
tienen un importante componente de riesgo: las previsiones del
mercado pueden no realizarse, los costos previstos pueden no
alcanzarse, puede haber inestabilidad monetaria, quizás aparezcan
nuevos competidores y el entorno económico puede cambiar de
mil maneras [4]. Sin embargo, se encuentran en la búsqueda
de mejorar sus procesos y su productividad para contribuir a la
optimización de recursos, mejorar sus condiciones de trabajo y ser
más competitivas. Actualmente existe una serie de herramientas,
losofías y metodologías ágiles enfocadas en obtener el mayor
benecio a los recursos disponibles [5].
Disminuir o eliminar las pérdidas de productos o materiales
debido a problemas tecnológicos constituye uno de los eslabones
principales para aumentar la rentabilidad de los procesos productivos.
No obstante, realizar una optimización de un sistema físico puede
resultar engorroso e incluso con altos costos económicos. Ante
esto, el modelado y la simulación permiten determinar las variables
involucradas en los procesos de producción y establecer los
parámetros para la optimización de la operación [6].
Durante la obtención de rones, aguardientes, licores y alcohol,
en la UEB Manuel Fariñas Núñez de la Empresa de Bebidas y
Refrescos de Santiago de Cuba, Cuba, se han detectado pérdidas
de materiales y productos. Las principales causas de este problema
son: la presencia de roturas en el sistema de tuberías y el trasiego
innecesario de materiales debido al incorrecto dimensionamiento
de tanques. Las tuberías se deterioran, la roturas y tasas de fallo
aumentan y, con ello, la capacidad hidráulica del sistema disminuye
[7]. Además, son muchas las variables que pueden inuir en estas
roturas, desde propiedades físicas de la misma, como el diámetro o el
material, hasta condiciones climatológicas o externas al sistema [8].
Por consiguiente, el presente trabajo propone una metodología
para determinar un equipamiento tecnológico adecuado que permita
reducir las pérdidas de materiales y productos durante la obtención
de rones, aguardientes, licores y alcohol en la UEB Manuel Fariñas
Núñez de la Empresa de Bebidas y Refrescos de Santiago de Cuba.
2. MATERIALES Y MÉTODOS
El estudio se realizó durante el mes de marzo de 2023, en la
UEB Manuel Fariñas Núñez de la Empresa de Bebidas y Refrescos
de Santiago de Cuba, ubicada en Peralejo, entre Habana y Trinidad,
Santiago de Cuba, Cuba.
Para conocer los problemas existentes en el proceso productivo,
se realizó, durante dos días del periodo de estudio, una observación
detallada del funcionamiento de todo el equipamiento tecnológico
vinculado a la producción del Elixir de Ron Palmas Los Marinos
Paticruzados. Esta bebida es un producto exportable representativo
del establecimiento. En la Fig. 1, se muestra el diagrama del ujo
del proceso de producción del Elixir de Ron Palmas Los Marinos
Paticruzados.
Fig. 1. Diagrama de ujo del proceso de producción del Elixir de Ron Palmas
Los Marinos Paticruzados.
2.1 Recolección de datos
Durante los restantes días de la primera semana de estudio,
se recolectaron los datos referentes a las variables signicativas
de operación y dimensiones de cada equipo que interviene en el
proceso productivo. Además, se registraron las longitudes de las
tuberías, la cantidad y tipo de accesorios y bombas existentes en
el establecimiento. Se realizó una visita al almacén del UEB para
conocer los datos del equipamiento nuevo existente de reserva en
la empresa.
2.2 Relaciones de trabajo
Para el análisis de la situación planteada, se realizó un
balance macroscópico de energía mecánica. El modelo matemático
empleado está constituido por las relaciones vinculadas al balance
ZALDIVAR, DEAN, DEL ARCO, MONTERO: Metodología para seleccionar el equipamiento técnico en el proceso productivo... 56
macroscópico de energía mecánica, expresado en términos de
carga, y se muestra a continuación:
HB = HP + HC + Hh + Hf + Heq (1)
HP =
×
(2)
∆P = P2 − P1 (3)
HC =
2
2 ×
(4)
∆v2 = v22 − v21 (5)
v2 =
4 ×
×
(6)
Hh = h2 −h1 (7)
Hf = (8)
ϵF =
8 × × T×2
2×5
(9)
LT = LR +
R+∑(( ºaccesorios ×) × )
(10)
1=−2 × 3.7 +6.81 0.9
(11)
Re =
4 × ×
× ×
(12)
k = (13)
Heq =
eq
×
(14)
donde
H
B
energía de bombeo expresada en términos de carga (m);
H
P
energía de presión expresada en términos de carga (m);
HC energía cinética expresada en términos de carga (m);
Hh energía potencial expresada en términos de carga (m);
HP pérdidas por fricción expresada en términos de carga
(m);
HP energía de presión de los equipos auxiliares expresada
en términos de carga (m);
∆P caída de presión (atm: 1 atm = 101 325 Pa);
ρ densidad del uido (
kg
m3
)
g aceleración de la gravedad (
m
s
2
)
P1 y P2 presión en el punto inicial y nal del área de
estudio, respectivamente;
Δv variación de la velocidad en el área de estudio;
v1 y v2 velocidad en el punto inicial y nal del área de
estudio, respectivamente;
Q ujo volumétrico requerido en el proceso (
m3
s
)
D diámetro de la tubería (m);
h1 y h2 altura en el punto inicial y nal del área de
estudio, respectivamente;
ϵF suma de las fuerzas de fricción en la tubería (
m2
s2
)
f factor de fricción o fanning (adimensional);
LT longitud total de la tubería (m);
LR longitud de tubería recta (m);
Le longitud equivalente del accesorio (m);
k rugosidad relativa (adimensional);
Re número de Reynold (adimensional);
μ viscosidad del uido (Pa · s);
e rugosidad absoluta (m);
ΔPeq caída de presión provocada por equipos (atm:
1 atm = 101 325 Pa).
2.3 Algoritmo de cálculos
Primeramente, se determinaron los grados de libertad totales
y económicos del sistema con las relaciones (15) y (16), para
conocer si existe alguna variable libre que puede ser optimizada.
GLT = TV − TR (15)
GLE = GLT − TVF (16)
donde:
GLT grados de libertad totales;
TV total de variables;
TR total de relaciones;
GLE grados de libertad económicos;
TVF total de variables jas.
Aplicando la estrategia que se muestra en la Fig. 2, se
confeccionó un arreglo matemático. Posteriormente, se creó un
algoritmo de cálculo capaz de resolver la situación problemática
dada.
ZALDIVAR, DEAN, DEL ARCO, MONTERO: Metodología para seleccionar el equipamiento técnico en el proceso productivo... 57
Fig. 2. Algoritmo para hacer algoritmos.
2.4 Procesamiento de datos
Con ayuda del Microsoft Excel 2010, se realizaron los
cálculos iterativos necesarios para determinar el diámetro de
tubería requerido para la operación.
3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Durante la observación del sistema productivo, se pudo
constatar que existen determinadas áreas del proceso donde
ocurren pérdidas de materiales debido a averías en las tuberías.
En algunos casos, los ujos volumétricos establecidos no llegan
a los equipos por la incorrecta selección de estos accesorios. Una
de las áreas más signicativas del proceso donde se evidencia este
problema es durante el transporte del Elixir de Ron Palmas Los
Marinos Paticruzados hacia el tanque ltrante, luego de pasado
el tiempo de añejamiento.
En esta etapa, al tanque donde está almacenado el elixir que
va a ser ltrado (barriles de reposado) se le acopla una tubería,
la cual está conectada a la succión de una bomba centrífuga
de impelente cerrado B.S.C. 125-65, y la descarga de esta,
a los tanques ltrantes de 850 L. La Fig. 3 muestra la curva
característica de esta bomba.
Fig. 3. Curva característica de la bomba centrífuga de impelente cerrado
B.S.C. 125-65. Fuente: Catálogo de Bombas Itur Manufacturas Aranzábal
S.A. [9].
Los CUADROS I y II muestran los datos recolectados para
llevar a cabo el análisis en el área de estudio.
CUADRO I
DATOS RECOPILADOS EN EL PROCESO PRODUCTIVO
Variable ρ(
kg
m3)
P1(atm) P2(atm) v1
( )
h1(m) h2(m) LR(m) Q × 103
m3
s
∆Peq × 10−4
(Pa) HB(m) μ × 106
(Pa - s)
Valor 945 1 1 0 -4 6 120 1,26 9,81 24 880
ZALDIVAR, DEAN, DEL ARCO, MONTERO: Metodología para seleccionar el equipamiento técnico en el proceso productivo... 58
CUADRO II
DATOS DE LOS ACCESORIOS EXISTENTES
EN EL ÁREA
Accesorio Codo de 90 º Válvula de
globo Cheque
Cantidad 6 1 1
Le/D 32 300 100
En el almacén del establecimiento, se encuentran disponibles
tuberías de acero sin costura de 2 in (5,08 cm), 3 in (7,62 cm),
3
1
2
in (8,89 cm), 4 in (10.16 cm) y 6 in (15,24 cm).
Al aplicar las relaciones (15) y (16) a las condiciones de
trabajo, se comprobó que el sistema está determinado, es decir,
tiene una única solución.
GLT = 30 − 14 = 16 (15)
GLE = 16 − 16 = 0 (16)
El CUADRO III muestra el arreglo matemático realizado
con los datos del problema. Como se desea conocer el diámetro
de tubería requerido en el proceso, se seleccionó esta variable en
la relación (9), para el reciclo en los cálculos iterativos. La Fig. 4
reeja el algoritmo de trabajo confeccionado para la resolución
del problema.
Fig. 4. Algoritmo de trabajo.
Para la resolución, se jó un número máximo de 20
iteraciones y criterio de convergencia EPS = 10 −5. Inicialmente,
se tomó un diámetro igual al existente en el área durante el
análisis (6 in = 15,24 cm). El CUADRO IV muestra los resultados
obtenidos en la resolución del sistema.
La tubería existente en el área puede ser remplazada por la
tubería de 3
1
2
in (8,89 cm) existente en el almacén de la industria.
Al identicar los problemas existentes en el equipamiento
de un sistema productivo, se debe evaluar si los mismos
deben ser sometidos a mantenimiento o remplazados para no
afectar la rentabilidad de la producción. Guerra y Montes de Oca
[10] armaron que la sustitución de los equipos juega un papel
fundamental en cualquier empresa de producción. Favorece el
aumento de la disponibilidad técnica y, con esto, un incremento de la
productividad de explotación del parque de equipos. Logra disminuir
los costos de producción al reducirse los costos por concepto de
mantenimiento tanto preventivo planicado como correctivo. Las
tuberías son parte esencial en las líneas de producción, las averías
en estas provocan daños considerables en la rentabilidad de las
empresas.
Gramajo [11] realizó una investigación para relacionar las
variables de turbidez inicial y caudal de alimentación, con el
objetivo de lograr una reducción del tiempo de ltración de ron
añejo, en una industria productora de rones en Guatemala. El autor
destaca que la importancia de esta operación dentro del proceso
de rones añejos radica en su papel para eliminar cualquier tipo de
contaminante generado dentro de toda la cadena productiva de
rones. Garantizar el correcto funcionamiento del equipamiento
técnico que interviene en esta área es imprescindible para reducir
el tiempo de trabajo y el costo de la producción sin afectar la
calidad del producto. López [12] arma que los balances de energía
mecánica rigen el comportamiento del transporte, distribución y
conversión de la energía en los sistemas.
El modelado matemático de procesos químicos ayuda a
comprender los mecanismos y operaciones implicadas en los
sistemas; además, permite entender las relaciones entre sus
variables. Es útil en diferentes etapas de la investigación, desarrollo
y puesta en operación de plantas químicas. Especícamente, tiene un
impacto importante en las tareas de diseño, evaluación y operación
de los procesos [12]. Como muestra de ello, Álvarez [6] realiza
la simulación del modelo matemático de un generador de vapor
mediante un software de simulación. Dicha modelación le permitió
determinar las principales variables que intervienen en el proceso
y, de igual manera, establecer sus parámetros de optimización.
Los modelos matemáticos son una herramienta ampliamente
utilizada para la solución de problemas en la industria ronera. Por
ejemplo, García-Castellanos et al. [13] obtuvieron un modelo de
regresión lineal múltiple que logra predecir las mermas en el proceso
de añejamiento de rones en una ronera cubana. El modelo está
creado en función de las variables: mes numérico, volumen y tiempo
de añejamiento, con valores de error cuadrático medio de 0,194 y
coeciente de determinación de 95,88 %. De igual forma, Henríquez
Fernández [14] desarrolló la formulación de una bebida alcohólica
mezclada a base de horchata y ron. Para ello, empleó modelos
matemáticos para determinar experimentalmente la cinética de la
reacción, relacionando magnitudes sicoquímicas con el tiempo,
y, con ello, estimar la vida media del producto. En otra ocasión,
García-Castellanos et al. [15] propusieron un procedimiento para
lograr la optimización del sistema de añejamiento de rones, con
el empleo de algoritmos evolutivos como método de optimización
global de las funciones de costo. La propuesta parte de aunar el
modelo de redes neuronales articiales, para la predicción de
mermas, con el modelo de regresión, ambos con alta signicación
estadística y obtenidos por los autores en investigaciones anteriores.
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CUADRO III
ARREGLO MATEMÁTICO PARA LA RESOLUCIÓN DEL PROBLEMA
Hp Hc Hh Hf Heq ΔP Δv2 v2 D ϵF fLT k Re Orden
1 xxxxx 8
2 x x 2
3 x 1
4 x x 7
5 x x 6
6 x x 5
7 x 3
8 x x 9
9 x x x x 14
10 x x 10
11 x x x 13
12 x x 11
13 x x 12
14 4
Orden 2 7 3 8 4 1 6 5 14 9 13 10 12 11
CUADRO IV
RESULTADOS OBTENIDOS
Dsuspuesto 0,15410 0,09068 0,08635 0,08607 0,08606 0,08606
∆P 000000
Hp000000
Hh10 10 10 10 10 10
Heq 10,58201 10,58201 10,58201 10,58201 10,58201 10,58201
v20,01042 0,01770 0,01859 0,01865 0,01865 0,01865
∆v20,000108 0,000313 0,000346 0,000348 0,000348 0,000348
Hc5,529E-06 1,597E-05 1,761E-05 1,772E-05 1,773E-05 1,773E-05
Hf13,99999 13,99998 13,99998 13,99998 13,99998 13,99998
ϵF 1,42711 1,42711 1,42711 1,42711 1,42711 1,42711
LT211,22720 173,68005 171,11696 170,95574 170,94575 170,94513
Re 11 185,293 19 008,979 19 962,121 20 025,281 20 029,207 20 029,45
k0,00130 0,00221 0,00232 0,00232 0,00232 0,00232
f0,03215 0,03062 0,03059 0,03059 0,03059 0,03059
D0,09068 0,08635 0,08607 0,08606 0,08606 0,08606
EPS 0,699462 0,05014 0,003163 0,000196 1,2134E-05 7,509E-07
Por otro lado, Martins y Martínez [16] desarrollaron un
algoritmo para el diseño óptimo de líneas de aducción por
bombeo, que determine el número, capacidad y ubicación de
las estaciones de bombeo requeridas, aplicando un algoritmo de
programación dinámica. Arman que, en las últimas décadas, ha
cobrado importancia la aplicación de técnicas de optimización en
el diseño de sistemas de abastecimiento, debido a que los recursos
económicos son escasos en los países en vías de desarrollo, lo
que obliga a ser eciente en su inversión.
Así pues, contar con una metodología que permita seleccionar
los parámetros adecuados para diferentes situaciones problémicas
es esencial en cualquier sistema de producción. Por esto, Peña
ZALDIVAR, DEAN, DEL ARCO, MONTERO: Metodología para seleccionar el equipamiento técnico en el proceso productivo... 60
y González [17] presentan una metodología de cálculo para la
evaluación del comportamiento de las pérdidas de presión por
fricción, caídas de presión en tuberías que transportan vapor
como medio de calentamiento o generación de energía eléctrica.
Esta investigación brinda una herramienta de cálculo, limitada
a los aspectos teóricos más importantes, accesible y de fácil
comprensión a los especialistas. Estas herramientas muchas veces
aparecen disgregadas en varias literaturas no siempre asequibles
a los interesados en el tema.
4. CONCLUSIONES
La metodología desarrollada en esta investigación permite
crear algoritmos de cálculos para seleccionar o identicar los
parámetros óptimos en diferentes sistemas productivos. Además,
se puede armar que la correcta selección y operación del
equipamiento tecnológico de una empresa es vital para mantener
la productividad y rentabilidad de la misma. Asimismo, garantizar
la estabilidad en la disponibilidad de los productos exportables de
un país permite promover el crecimiento económico sostenido,
inclusivo y sostenible, el empleo pleno y productivo, así como
el trabajo decente para todos.
AGRADECIMIENTOS
Agradecemos a los trabajadores de la UEB Manuel Fariñas
Núñez y de la Empresa de Bebidas y Refrescos de Santiago
de Cuba, de la provincia de Santiago de Cuba, Cuba, por su
apoyo y colaboración durante la investigación. A los profesores e
ingenieros de la Universidad de Oriente, Cuba, que supervisaron
y tutoraron la realización del estudio.
ROLES
Yasmín Zaldívar-Montes de Oca: Conceptualización,
Investigación, Metodología, Redacción – borrador original.
Carmen Gloria Dean-Galán: Investigación, Administración
del proyecto, Redacción – revisión y edición, Visualización.
Alejandro Luis del Arco-de la Paz: Curación de datos,
Redacción – revisión y edición, Visualización.
Jorge Luis Montero Bizet: Análisis formal, Redacción –
revisión y edición, Visualización.
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