INFORME DE LABORATORIO DE PROCESOS: SECADO

Henry Arenas Espinosa2032018

UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDERFACULTAD DE FISICO-QUMICASESCUELA DE INGENIERA QUMICABUCARAMANGA2015

1. INTRODUCCINLa deshidratacin o secado de alimentos es una de las operaciones unitarias ms utilizadas en la conservacin de los mismos. Con el paso del tiempo, la demanda de alimentos ha ido creciendo con el aumento de la poblacin, y cada vez es mayor la demanda, lo que ha acarreado el que la industria de conservacin por secado haya adquirido gran importancia en el sector alimentario. En los procesos de secado el agua del alimento es eliminada, en mayor o menor grado, y se consigue con ello una mejor conservacin microbiolgica, adems de retardar muchas reacciones indeseables. Tambin es importante porque se logran disminuir costos de envasado, manejo, almacenado y transporte, ya que disminuye el peso del alimento, y en algunos casos el volumen. Dentro de las operaciones unitarias, el secado se define como aquella operacin en la que se retira humedad contenida en materiales slidos por aporte de calor. Es tpico utilizar are caliente como vehculo transportador de la humedad que se retira del material, por lo cual se presentan los mecanismos de transferencia de calor y transferencia de masa que son indispensables para que la operacin se lleve a cabo. La operacin de secado es una operacin de transferencia de masa de contacto gas-slido, donde la humedad contenida en el slido se transfiere por evaporacin hacia la fase gaseosa, en base a la diferencia entre la presin de vapor ejercida por el slido hmedo y la presin parcial de vapor de la corriente gaseosa. Cuando estas dos presiones se igualan, se dice que el slido y el gas estn en equilibrio y el proceso de secado cesa. El mecanismo del proceso de secado depende considerablemente de la forma de enlace de la humedad con el material: cuanto ms slido es dicho enlace, tanto ms difcil transcurre el secado. Durante el secado el enlace de la humedad con el material se altera [1].El agua u otros lquidos pueden separarse de slidos mecnicamente, mediante prensas o centrifugas, o bien trmicamente mediante evaporacin. El contenido de lquido de una sustancia seca varia de un producto a otro [2].Las prcticas experimentales brindan la oportunidad complementar los conocimientos tericos aprendidos y interactuar con medios fsicos para ver de manera ms real cada uno de los fenmenos fisicoqumicos que all ocurren. En una segunda experiencia se realiz la prctica de secado. El secado es una operacin de transferencia de masa de contacto gas- slido, donde la humedad contenida en el slido se transfiere por evaporacin hacia la fase gaseosa, en base a la diferencia entre la presin de vapor ejercida por el slido hmedo y la presin parcial de vapor de la corriente gaseosa. La prctica de secado se llev a cabo en un secador de bandejas directo en una operacin por lotes, donde el material a secar fue un tubrculo (papa).2. OBJETIVOS

GeneralAplicar los conocimientos tericos a la operacin de secado mediante el anlisis de los datos obtenidos a partir de un secador de bandejas en una operacin en continuo para eliminar la humedad de la papa.Especficos Determinar experimentalmente el contenido de humedad inicial, crtica y final, velocidad instantnea y crtica al igual que el tiempo crtico. Conocer el funcionamiento del secador de bandejas y de los diferentes elementos que lo componen. Realizar las grficas caractersticas de operacin de secado para obtener magnitudes como el tiempo crtico y el tiempo poscrtico. Analizar el proceso y caractersticas del mismo a travs de los comportamientos que se presenten en funcin del tiempo.

3. MARCO TERICO

En general, el secado de slidos consiste en separar pequeas cantidades de agua u otro lquido de un material slido con el fin de reducir el contenido de lquido residual hasta un valor aceptablemente bajo que depende de la presin de vapor ejercida por el slido y la presin de vapor ejercida por la corriente gaseosa, cuando estas dos presiones se igualan, se dice que el slido y el gas estn en equilibrio y el proceso de secado cesa. El secado es habitualmente la etapa final de una serie de operaciones. Los slidos que se secan pueden tener formas diferentes escamas, grnulos, cristales, polvo, tablas o lminas continuas y poseer propiedades muy diferentes.

De modo general se pueden clasificar las operaciones de secado en continuas y discontinuas. En las operaciones continuas pasan continuamente a travs del equipo tanto la sustancia a secar como el gas. La operacin discontinua en la prctica se refiere generalmente a un proceso semi-continuo, en el que se expone una cierta cantidad de sustancia a secar a una corriente de gas que fluye continuamente en la que se evapora la humedad. En general, el secado de slidos consiste en separar pequeas cantidades de agua u otro lquido de un material solido con el fin de reducir el contenido de lquido residual hasta un valor aceptablemente bajo [3]. El secado es habitualmente la etapa final de una serie de operaciones y con frecuencia, el producto que se extrae de un secadero pasa a empaquetado3.1 TIPOS DE SECADEROSDe acuerdo a la clasificacin de la operacin de secado encontramos los siguientes tipos de equipos3.1.1 SECADEROS DE CALENTAMIENTO DIRECTOa) Equipos discontinuos Secaderos de bandejas con corriente de aire. Secaderos de cama fluidizada. Secaderos con circulacin a travs del lecho slido.b) Equipos continuos Secaderos de tnel. Secaderos neumticos. Secaderos ciclnicos. Secaderos de cama chorreada. Secaderos de cama vibratoria. Secadero de cama fluidizada. Secaderos espray. Secaderos de tipo turbina. Secaderos rotatorios.3.1.2 SECADEROS DE CALENTAMIENTO INDIRECTOa) Equipos discontinuos. Secaderos de bandejas a vaco. Secaderos de bandejas a presin atmosfrica. Secaderos por congelacin.b) Equipos continuos. Secaderos de tambor. Secaderos con circulacin a travs del lecho.3.2 CONCEPTOS BSICOS

Humedad: es la cantidad de agua contenida en el slido.

Contenido de humedad, base seca:

Donde W es la masa del slido hmedo y Ss la masa del slido seco.

Contenido de humedad, en base hmeda:

Humedad en el equilibrio X*: Es el contenido de humedad de una sustancia que est en el equilibrio con una presin parcial dada del vapor. Humedad ligada. Se refiere a la humedad contenida en una sustancia que ejerce una presin de vapor en el equilibrio menor que la del lquido puro a la misma temperatura. Humedad no ligada. Se refiere a la humedad contenida en una sustancia que ejerce una presin de vapor en el equilibrio igual a la del lquido puro a la misma temperatura. Humedad libre. La humedad libre es la humedad contenida por una sustancia en exceso de la humedad en el equilibrio: X X*. Slo puede evaporarse la humedad libre; el contenido de humedad libre de un slido depende de la concentracin del vapor en el gas.

En la siguiente figura se muestran dichas humedades:

Figura 1. Tipos de humedad3.3 CURVAS DE VELOCIDAD DE SECADO3.3.1 Curva de rapidez de secado: partir de los datos obtenidos experimentalmente, se puede graficar una curva de contenido de humedad como funcin del tiempo (Fig. 2). Se puede obtener mucha informacin si los datos se convierten a rapideces (o fluxes) de secado, expresadas como N masa/(rea).(tiempo) y se grafican contra contenido de humedad, como en la Fig. 3. Esto puede hacerse midiendo las pendientes de las tangentes trazadas a la curva de la Fig. 2 o determinando, a partir de la curva, pequeos cambios en el contenido de humedad X para los cambios pequeos correspondientes en el tiempo t y calculando la rapidez como N = -Ss X/A t. Aqu, Ss es la masa de slido seco; A es la superficie hmeda sobre la cual sopla el gas y a travs de la cual tiene lugar la evaporacin. Generalmente hay dos partes principales en la curva de rapidez de la Fig. 3 un periodo de rapidez constante y uno de rapidez decreciente

Figura 2. Humedad libre en funcin del tiempo. Figura 3. Velocidad de secado en funcin X.

Etapa A-B: Es una etapa de calentamiento (o enfriamiento) inicial del slido normalmente de poca duracin en la cual la evaporacin no es significativa por su intensidad ni por su cantidad.Etapa B-C: Es el llamado primer perodo de secado o perodo de velocidad de secado constante; donde se evapora la humedad libre o no ligada del material y predominan las condiciones externas.Etapa C-E: Es el segundo perodo de secado o perodo de velocidad de secado decreciente; donde se evapora la humedad ligada del material y predominan las condiciones internas o las caractersticas internas y externas simultneamente.La rapidez constante a la cual se evapora la humedad puede describirse en funcin de Ky, un coeficiente de transferencia de masa del gas y de la diferencia de humedad entre el gas en la superficie lquida Ys, y en la corriente principal Y.

El punto C de la Figura 3 corresponde al contenido crtico de humedad libre Xe. En este punto no hay suficiente agua en la superficie para mantener una pelcula continua. La superficie ya no est totalmente mojada, y la porcin mojada comienza a disminuir durante el periodo de velocidad decreciente hasta que la superficie queda seca en su totalidad en el punto D de la Figura 3.

3.3.2 EFECTO DE LAS VARIABLES DEL PROCESO SOBRE EL PERIODO DE VELOCIDAD CONSTANTE

Efecto de la velocidad del aire: El efecto de la velocidad del gas es menos importante cuando s hay conduccin y radiacin. Efecto de la humedad del gas: Si la humedad del gas H disminuye para determinado valor, la temperatura de bulbo hmedo Tw, tal como se obtiene de la grfica de humedad, tambin disminuye. Entonces se ve que Rc aumenta. Efecto de la temperatura del gas: si se eleva la temperatura del gas T. Por consiguiente, Rc aumenta. Efecto del espesor del lecho slido que se est secando: cuando slo hay transferencia de calor por conveccin, la velocidad Rc es independiente del espesor del slido. Sin embargo, el tiempo necesario para secar entre los contenidos de humedad fijos ser directamente proporcional a este espesor. Efecto experimental de las variables de proceso: los resultados experimentales tienden a confirmar las conclusiones sealadas para los efectos de espesor de material, humedad, velocidad del aire y Temperatura (Geankoplis, 1983).

3.4 TIEMPO DE SECADO

3.4.1 EL PERIODO DE RAPIDEZ CONSTANTE

Si el secado tiene lugar completamente dentro del periodo de rapidez constante, de forma que X1, y X2, > Xc, y N = Nc, tenemos:

Ss: masa de slido seco.X: contenido de humedad de un slido, masa humedad/masa slido seco.A: rea de la seccin transversal perpendicular a la direccin del flujo para el secado por circulacin transversal.Nc: flujo constante de secado.t: tiempo.

3.4.2 EL PERIODO DECRECIENTE DE LA RAPIDEZ

Si tanto X1, y X2 < Xc, de forma que el secado ocurre bajo condiciones cambiantes de N, se puede hacer lo siguiente:a) Caso general. Para cualquier forma de la curva decreciente de la rapidez, la siguiente ecuacin se integra grficamente mediante la determinacin del rea bajo una curva de 1/N como ordenada, X como abscisa, cuyos datos se pueden obtener de la curva de rapidez de secado.

b) Caso especial. N es lineal en X, como en la regin BC de la Fig. 3.En este caso, N=mX+b; en donde m es la pendiente de la porcin lineal de la curva y b es una constante. El tiempo de secado se puede determinar mediante la siguiente expresin:

3.5 MECANISMO DEL SECADO POR LOTES

La rapidez de evaporacin y la temperatura superficial pueden entonces obtenerse mediante un balance de calor. Si q representa el calor total que llega a la superficie, entonces:

Donde qc es el calor por conveccin, qR es el calor por radiacin y qk es el calor por conduccin.Despreciando el calor necesario para sobrecalentar la humedad evaporada hasta la temperatura del gas y considerando solo el calor latente de evaporacin s, entonces el flux de evaporacin Nc y el flux de flujo de calor estn relacionados:

A partir de las ecuaciones (3) (9) y (10) tenemos

3.6 BALANCE DE ENERGIA

Antes de hacer el balance de energia es necesario identificar las fuentes que le suministran energia al aire, las cuales son :

Resistencias electrica:

Donde E1 es la energa entregada por las resistencias elctricas al aire, V el voltaje e I es la intensidad de la corriente.

Soplador:

Donde W2 es el trabajo entregado al soplador, P es la potencia y es la eficiencia del soplador. El motor del soplador opera a 220 V, con una potencia de 1 hp y una eficiencia del 65%.

Intercambiador de calor:

Donde E2 es la energa entregada por la masa de vapor saturado que se condensa, vc es el volumen del condensador en el tiempo Ti, vf es el volumen especifico del lquido saturado a la temperatura Ti en el tiempo ti y hfg es el delta de entalpia entre el vapor y el lquido saturado a la temperatura.

Energa necesaria para secar la muestra:

Donde Wagua evaporada es Whumedo inicial-Whumedo final, Hi es el calor latente de vaporizacin a la temperatura a la cual se considera ocurre la vaporizacin de la humedad de la muestra.La energa gastada en el secado fue la suministrada al soplador, al intercambiador de calor y a las resistencias elctricas, luego escribiendo estos trminos en la ecuacin de balance de energa global para el equipo resulta:

Donde los flujos msicos de entrada y salida se puede calcular como se muestra en el balance de masa, y las entalpias con la formula dada anteriormente para el sistema aire-vapor de agua.

3.6.1 EFICIENCIA DE LA OPERACIN

La eficiencia de la operacin se puede escribir como la relacin entre la energa necesaria para el secado de la muestra y la realmente gastada en la operacin. Luego la eficiencia se obtiene dividiendo la ecuacin de E3 entre la sumatoria de las energas suministradas necesarias para la operacin de secado:

4. DESARROLLO EXPERIMENTAL

4.1 DESCRIPCIN DEL EQUIPO

El equipo disponible para el desarrollo de esta prctica es un secador de bandejas como el que se muestra en la fig.

Figura 4: secador de bandejas

1. Ducto de entrada del aire.2. Resistencias elctricas: precalentamiento del aire.3. Ventilador movido por un motor elctrico, el cual permite la circulacin del aire.4. Voltmetro.5. Ampermetro.6. Banco de tubos aleteados dentro de los cuales circula el vapor proveniente de la caldera, que permite el calentamiento del aire.7. Cmara de secado horizontal donde se colocan las bandejas que contienen el material a secar.8. Cmara de secado vertical, donde se cuelgan los materiales a secar.9. Mallas y bandejas donde se coloca el material a secar.10. Balanza conectada al soporte de las bandejas; la cual permite determinar la prdida de peso del material a secar.11. Controlador automtico de la temperatura.12. Compuerta para controlar la recirculacin del aire.13. Ducto de salida del aire.14. Motor elctrico.15. Termmetro para medir la temperatura de entrada del aire.16. Termmetro para medir la temperatura a la cual fue precalentado el aire.17. Termmetros para medir la temperatura de bulbo hmedo y la temperatura de bulbo seco del aire de secado.18. Manmetro.

Adems del secador requerimos de otros materiales para llevar a cabo la prctica, como lo son:

Material a secar: papa. Cuchillo. Balanza. Baldes. Cronmetro. Probeta. Balanza analtica. Anemmetro

4.2 DESCRIPCIN DEL EXPERIMENTO

a. Inicialmente pesa un vidrio reloj solo, y luego con una pequea muestra de papa. Esta muestra se pone a secar en una mufla durante un periodo de tiempo considerado el necesario para eliminar la muestra completamente, para este caso el tiempo de secado fue aproximadamente de 1 da. La muestra seca se pes nuevamente para determinar el porcentaje de humedad contenida en el slido.b. Se pesa una bandeja tipo malla previamente sin material y luego se procede a colocar sobre esta la papa en forma de pelcula con un grosor del material no superior a 0,5 mm y formando un cuadrado de 20cm x 20cm. La bandeja con la papa se pesa, para obtenerse por diferencia de los pesos, la cantidad de muestra que se va a secar.c. Posteriormente se ingresa la bandeja en la cmara de secado, se lleva a cero la balanza y se suministra energa elctrica al equipo (enciende) y se verifica que cada uno de elementos como el ventilador, las resistencias elctricas, el intercambiador de calor y el control automtico de temperatura funcionen correctamente.d. En intervalos de 5 minutos se toman datos de: temperatura del aire a la entrada, temperatura del aire precalentado, temperatura de bulbo hmedo y bulbo seco del aire antes de pasar por la bandeja, temperatura de bulbo hmedo y bulbo seco del aire a la salida del equipo, temperatura del vapor condensado, prdida de peso de la muestra y volumen del vapor condensado.e. Se registran los valores generados por otros dispositivos como el voltmetro y ampermetro para luego determinar los requerimientos energticos del equipo. Se toman las dimensiones de los ductos de entrada y salida del aire y se mide la velocidad de flujo de aire tambin en los ductos de entrada y salida.f. La prctica finaliza cuando la prdida de peso de la muestra no presenta variaciones con el tiempo (3 tomas de datos iguales).

5. CONCLUSIONES Fueron aplicados los conocimientos tericos a la operacin de secado a travs de los datos obtenidos en la prctica experimental en un secador de bandejas.

A partir de los datos que se obtuvieron experimentalmente fueron calculados parmetros importantes, los cuales rigen la operacin de secado.

Fueron elaboradas los grficos caractersticos de la operacin de secado obteniendo magnitudes como el tiempo crtico y el tiempo postcrtico. Fue conocido el funcionamiento del equipo de secado y sus caractersticas princpiales.

BIBLIOGRAFA

[1] [3] SINGH, R. Paul, HELDMAN, Dennis R. "Introduccin a la ingeniera de los alimentos". Editorial Acribia, S.A. Zaragoza (Espaa). 1998.

[2] AFANADOR, Alberto. FONSECA, Vctor. LOPEZ, Daro. DURAN, Silvianne. Operaciones en la Industria de Alimentos III, Santa fe de Bogot, ED. Unisur, 1995.

[4] Geankoplis, C.J. Procesos de transporte y operaciones unitarias. Mxico, 1998. Pg. 579-634.

[5] Treybal, R. Operaciones de transferencia de masa. Mxico. Pg.723-785.

[6] McCabe Smith Operaciones Unitarias en ingeniera qumica. Espaa. Pg. 822-860.