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LABORATORIO “Secado de manzanas” Procesos Unitarios II Docente: Dr. Ramiro Escalera Alumnos: Pamela Araoz Ramos Nicolás Villena Víctor Shamir Villegas Mercado

Diciembre-2019

LABORATORIO SECADO DE MANZANA ROJA

1.- INTRODUCCION El secado se describe como un proceso de eliminación de humedad para producir un producto más sólido y seco. La deshidratación de frutas consiste en eliminar La deshidratación de frutas consiste en eliminar una buena parte de la humedad de los alimentos, para que no se arruinen. Se considera de mucha importancia la conservación de alimentos pues esto nos permite alargar la vida útil de las frutas y poder tener acceso a mercados más distantes, otra de las importancias de conservar frutas deshidratadas es debido a que podemos contar con frutas en épocas que normalmente no se producen, logrando así mejores precios. Por medio del calor se elimina el agua que contienen algunos alimentos mediante la evaporación de esta. Esto impide el crecimiento de las bacterias, que no pueden vivir en un medio seco.

2.- OBJETIVOS 2.1 Objetivo General 

Realizar el proceso de secado adicionando calor en un secador de bandejas para obtener con producto final mañana deshidratada

2.2 Objetivos Específicos    

Construir la curva de secado de la manzana (humedad libre en función del tiempo). Determinar el contenido de humedad crítico y la velocidad de secado constante. Determinar el intervalo de humedad de la manzana utilizando la integración grafica Interpretar los resultados obtenidos en la practica

3.- MARCO TEORICO Secado : La operación de secado es una operación de transferencia de masa de contacto gas- sólido, donde la humedad contenida en el sólido se transfiere por evaporación hacia la fase gaseosa, en base a la diferencia entre la presión de vapor ejercida por el sólido húmedo y la presión parcial de vapor de la corriente gaseosa, Cuando estas dos presiones se igualan, se dice que el sólido y el gas están en equilibrio y el proceso de secado finaliza. El mecanismo del proceso de secado depende considerablemente de la forma de enlace de la humedad con el material: cuanto más sólido en dicho enlace, tanto más difícil transcurre el secado. Durante el secado el enlace de la humedad con el material se trastorna. Las formas de enlace de la humedad con el material se clasifican en: químico, físicoquímico y físico- mecánico Definiciones: Contenido de humedad, base seca:

Contenido de humedad, base húmeda:

Humedad de equilibrio: Humedad del sólido cuando su presión de vapor se iguala a la presión de vapor del gas, es decir, humedad del sólido cuando está en equilibrio con el gas. Humedad libre: Es la humedad del sólido; que es la humedad que está en exceso con relación a la humedad de equilibrio, es ésta la humedad que se puede evaporar y depende de la concentración de vapor en la corriente gaseosa. Humedad límite: que es la humedad del sólido que ejerce una presión de vapor de equilibrio menos que aquella que ejerce el líquido puro a la misma temperatura humedad no límite: que es la humedad del sólido que ejerce una presión de vapor igual a la del líquido puro a la misma temperatura.

Tipos de humedades Los equipos utilizados para secar se pueden clasificar también de acuerdo a cualquiera de estas categorías: Métodos de operación: Continuos o Discontinuos. Métodos de propiciar el calor necesario para la evaporación de la humedad: En secaderos directos e indirectos Naturaleza de la sustancia a secar: Puede ser la sustancia un sólido rígido como la madera, un material flexible como el papel o la tela, un sólido granular tal como la masa de cristales, una pasta espesa o delgada o una solución. Es probable que la forma física de la sustancia y los distintos métodos de manipulación empleados, ejerzan la influencia más grande en el tipo de secadero a utilizar. Tipos de secaderos. De acuerdo a la clasificación de la operación de secado encontramos los siguientes tipos de equipos: Secaderos de calentamiento directo: La transferencia de calor para la desecación se logra por contacto directo entre los sólidos húmedos y los gases calientes. El líquido vaporizado se arrastra con el medio de desecación; es decir, con los gases calientes. Los secadores directos se llaman también secadores por convección a) Equipos discontinuos. - la operación es continua sin interrupciones, en tanto se suministre la alimentación húmeda. Es evidente que cualquier secador continuo puede funcionar en forma intermitente o por lotes, si así se desea.  Secaderos de bandejas con corriente de aire.  Secaderos de cama fluidizada.  Secaderos con circulación a través del lecho sólido. b) Equipos continuos

      

Secaderos de túnel. Secaderos neumáticos. Secaderos ciclónicos. Secaderos de cama chorreada. Secaderos de cama vibratoria. Secaderos de tipo turbina. Secaderos rotatorios.

Secaderos de calentamiento indirecto: a) Equipos discontinuos.  Secaderos de bandejas a vacío.  Secaderos de bandejas a presión atmosférica.  Secaderos por congelación. b) Equipos continuos.  Secaderos de tambor.  Secaderos con circulación a través del lecho. La principal ventaja del uso de secaderos térmicos es que el grado de eliminación de la humedad puede llegar a ser muy alto, frente a, por ejemplo, el secado mecánico por compresión, que frecuentemente necesita de un posterior secado térmico. El principal inconveniente de estos secaderos es su alto consumo energético, debido en gran parte al gran calor latente de vaporización del agua, lo que requiere de un alto aporte térmico en el secadero. También podemos señalar que, en el caso de secado de gases húmedos, los mejores resultados se obtienen con métodos de absorción química y no con secaderos. SECADORES DIVERSOS  Secadores dieléctricos: operan sobre el principio de generación de calor dentro de los sólidos, colocándolos dentro de un campo eléctrico de alta frecuencia.  Secadores solares: operan sobre el principio la energía solar para el secado de frutas y disecación al sol.  Secadores Infrarrojos: dependen de la transferencia de energía radiante para evaporar la humedad. La energía radiante se suministra eléctricamente por medio de lámparas infrarrojas, resistencias eléctricas o refractarios incandescentes calentados por gas. Su aplicación principal es el horneado o la desecación de capas de pintura y el calentamiento de capas delgadas de materiales.

Aplicaciones industriales del secado

Los campos industriales en los que los procesos de secado tienen una gran importancia. Las industrias agroalimentarias y papeleras son las usuarias más importantes de los procesos de secado, que supone un consumo de más del 60 % del total en dicho campo industrial. Velocidad de Secado Al desecar un sólido húmedo con aire caliente, el aire aporta el calor sensible y el calor latente de la evaporación de la humedad y también actúa como gas portador para eliminar el vapor de agua que se forma en la vecindad de la superficie de evaporación.

4.- Equipos y materiales 4.1 Materiales          

Materia prima: Manzana Roja Cuchillos Paños de Tela Pila de lavado Bandejas con malla milimetrada, para acomodar la materia prima utilizada (con tapa) Vidrio de reloj Mufla Termómetro en la cámara de secado Pinzas Flexo, para medir el área de la bandeja.

4.2 Equipos 

  

Cámara de secado de lecho fluidizado, consiste en un túnel de sección transversal cuadrada donde se acomodan las bandejas y circula el aire. Medidor de humedad relativa y termómetro en la cámara de secado Balanza técnica para medir la pérdida de peso en función del tiempo. Balanza analítica, para determinar el peso del alimento húmedo.

4.3 Funcionamiento del Equipo Utilizado En la UPB 1.- El equipo que se utilizo es un secador de aire que es calentado por combustión de gas controlad por válvulas para sí poder tener un mejor control de la cantidad de gas

suministrada Figura 1 – Sistema de alimentación del gas combustible

Figura 2 – Entrada de gas combustible

Figura 3 – Combustión del gas utilizado para calentar el aire El aire caliente pasa por la cámara de transferencia de calor por unos ductos que transportan hacia la cámara de secado por medio de una bomba (esta es la que da velocidad al flujo de aire caliente), La llama del fogón se prende y se apaga cuando baja la temperatura el gas se enciende de manera automática, este sistema es muy similar a la del caldero

Figura 5 – Bomba La cámara de secado tiene un medidor e temperatura y dos medidores de humedad uno en la entrada y otro en otro extremo esto por disposición de diseño de secador (es un medidor de humedad de doble entrada)

Figura 6 – Instrumentos de Medición La cámara de secado consta de 10 bandejas, donde se coloca el sólido húmedo, este proceso donde el aire o el fluyen forma paralela

Figura 7 – La cámara de secado El aire caliente es transportado por los ductos del equipo (se considera que el tramo de flujo ideal debería ser un trayecto recto, pero por disposición del laboratorio se tiene esta disposición)

Figura 8 – Ductos que transportan el aire ya utilizado Para la configuración del proceso es necesario abrir dos compuertas que permiten la entrada de nuevo aire y que parte del aire utilizado vuelva al proceso, y sobre todo para contralora la temperatura que este no suba excesivamente

Figura 9 – Compuerta que permite la entrada de aire

El equipo cuenta con un sistema de control automático tiene sensores que manda señales de acuerdo a la temperatura del secador, si es arriba de 50 oC se manda al solenoide el cual se prende o apaga la entrada de materia de combustión de forma automática (así esta permite la entrada de gas o no)

Figura 10: Panel de control eléctrico

5.- PROCEDIMIENTO  Medir el área de las bandejas (superior e inferior)  Pesar la bandeja sin producto  Cortar las manzanas en grosores muy pequeños aproximadamente 1pulg y en de forma muy pareja todas las muestras  Cubrir el área de la bandea con el producto ya cortado, tratar de que no existan espacio en vacíos  Pesar las bandejas con el producto incorporado  Sacar dos muestras de la bandeja y reservarlas  Las manzanas que se encuentran en las bandejas grandes se introducen a la cámara de secado  Sacarlas bandejas cada cierto intervalo de tiempo (en nuestro caso 10 minutos) y realizar el pesado simultáneamente medir la temperatura a la que se encuentra el equipo, este proceso se repite varias veces, hasta que lleguemos a un peso constante y ya no sea necesario realizaría el secado (figura 11)

Proceso para Muestras  Pesar los vidrios de reloj en la balanza (sin producto, realizar el proceso con la pinza)

 Pesar el vidrio de reloj con la muestra reservada  Meter los vidrios en el Horno de secado Eléctrico (se empezó a 30oC, se dejan las muestras hasta llegar a temperatura de 105 oC), este proceso dura alrededor de 2-3 horas (figura 12)  Después pasado el tiempo se saca la muestra y se introduce a la mufla durante 20 minutos  Pasado el tiempo se pesa el vidrio e reloj con la muestra en la balanza (figura 13)

Figura 11

Figura 12

Figura 13

6.- CALCULOS Y RESULTADOS 6.1 Datos de las manzanas en la bandeja

Dimensiones de la bandeja Ancho

0.43 m

Alto Espesor

0.5 m 0.04 m

Peso de la bandeja Peso de bandeja y tapa

2.2 kg

Área de la bandeja

0.161 m^2

Áre de contacto

0.322 m2

Peso de la bandeja y muestra húmeda

2.775 kg

Peso de los sólidos húmedos

0.575 kg

6.2 Datos de las muestras

Muestra 1 Peso del vidrio del reloj

27.5351 g

Peso de la muestra y el vidrio del reloj

41.7983 g

Peso de la muestra húmeda

14.2632 g

Peso de vidrio de reloj y muestra seca

29.9697 g

Peso de la muestra seca Pérdida de de evaporación Cálculo de humedad Base seca Cálculo de humedad Base húmeda

2.4346 g 11.8286 g 4.85853939 g agua/ g manzana seca

0.829308991 g agua/g manzana húmeda

Muestra 2 Peso del vidrio del reloj

25.1449 g

Peso de la muestra y el vidrio del reloj

42.1963 g

Peso de la muestra húmeda

17.0514 g

Peso de vidrio de reloj y muestra seca

27.3959 g

Peso de la muestra seca Pérdida de de evaporación

2.251 g 14.8004 g

Cálculo de humedad Base seca

6.575033319 g agua/ g manzana seca

Cálculo de humedad Base húmeda

0.867987379 g agua/g manzana húmeda

6.3 Análisis de estadístico de las muestras

Parámetro

Análisis Estadístico de las muestras secas muestra 1 muestra 2

Humedad base seca [kg agua/kg de sólido seco]

4.85853939

media = Xm

(Xi-Xm)

(Xi-Xm)^2

5.716786354

-0.858246964

-0.858246964

0.736587851

0.736587851

suma del cuadrado de las diferencias

1.473175703

Desviación estándar

1.213744496

n repeticiones de desviación estándar desde la media = Z Probabilidad (Z) de ocurrencia de cada medición. Asumiendo una distribución normal Probabilidad de repetición de mediciones entre ambos valores Porcentaje de probabilidad de que las mediciones de la humedad aparezcan entre los rangos tomados

6.575033319

-0.707106781

0.707106781

0.242

0.758

0.516

51.60% Valor de Humedad Base seca tomado para el análisis

muestra 2

6.575033319

6.4 Extrapolación de los resultados de las muestras hacia los resultados de la bandeja

Extrapolación de las muestras a la bandeja Peso de agua en la bandeja Peso de sólido seco en la bandeja = Ls

450 g

68.44072 g

6.5 Tabla de datos y cálculos obtenida de las mediciones en el secador de bandejas

Tiempo acumulado minutos

Peso (Bandeja y manzanas) [g] Wt= Peso manzanas [g] Xt=(Wt-Ws)/Ws 0 2775 575 7.401431463 0.25 2745 545 6.963095908 0.416666667 2705 505 6.378648502 0.583333333 2675 475 5.940312947 0.75 2640 440 5.428921467 0.916666667 2610 410 4.990585912 1.083333333 2580 380 4.552250358 1.25 2555 355 4.186970729 1.416666667 2530 330 3.8216911 1.583333333 2500 300 3.383355546 1.75 2490 290 3.237243694 1.916666667 2460 260 2.79890814 2.083333333 2435 235 2.433628511 2.25 2415 215 2.141404808 2.416666667 2395 195 1.849181105 2.583333333 2385 185 1.703069253 2.75 2375 175 1.556957402 3.083333333 2355 155 1.264733699 3.416666667 2340 140 1.045565921 3.75 2325 125 0.826398144

Tiempo acumulado[h] 0 15 25 35 45 55 65 75 85 95 105 115 125 135 145 155 165 185 205 225

Humedad Libre 6.575033319 6.136697764 5.552250358 5.113914803 4.602523323 4.164187768 3.725852214 3.360572585 2.995292956 2.556957402 2.41084555 1.972509996 1.607230367 1.315006664 1.022782961 0.876671109 0.730559258 0.438335555 0.219167777 0

∆X/∆t evaluado en n -1.753342218 -3.506684437 -2.630013327 -3.068348882 -2.630013327 -2.630013327 -2.191677773 -2.191677773 -2.630013327 -0.876671109 -2.630013327 -2.191677773 -1.753342218 -1.753342218 -0.876671109 -0.876671109 -0.876671109 -0.657503332 -0.657503332

R [kg agua/(h*m^2)] 372.6708075 745.3416149 559.0062112 652.173913 559.0062112 559.0062112 465.8385093 465.8385093 559.0062112 186.3354037 559.0062112 465.8385093 372.6708075 372.6708075 186.3354037 186.3354037 186.3354037 139.7515528 139.7515528

Xprom

1/Rx

6.355865541 5.844474061 5.333082581 4.858219063 4.383355546 3.945019991 3.543212399 3.177932771 2.776125179 2.483901476 2.191677773 1.789870181 1.461118515 1.168894812 0.949727035 0.803615183 0.584447406 0.328751666 0.109583889

0.002683333 0.001341667 0.001788889 0.001533333 0.001788889 0.001788889 0.002146667 0.002146667 0.001788889 0.005366667 0.001788889 0.002146667 0.002683333 0.002683333 0.005366667 0.005366667 0.005366667 0.007155556 0.007155556

6.5.1 Análisis del tiempo obtenido y del tiempo calculado Análisis de la integral de la curva 1/R tiempo calculado 3.619345 horas tiempo real 3.75 horas Variación 0.130655 horas Porcentaje de error 3%

integral de la curva

0.001029175 0.00080047 0.000788801 0.000788801 0.000784134 0.000790668 0.000784134 0.000790668 0.001045511 0.001045511 0.000790668 0.000793935 0.000784134 0.00088215 0.000784134 0.0011762 0.001600939 0.001568267

Tiempo calculado de la integral [horas]

0.21875 0.170138889 0.16765873 0.16765873 0.166666667 0.168055556 0.166666667 0.168055556 0.222222222 0.222222222 0.168055556 0.16875 0.166666667 0.1875 0.166666667 0.25 0.340277778 0.333333333

6.5.2 Curvas de los datos 6.5.2.1 Curva de la humedad libre en función del tiempo

6.5.2.2 Curva de la Velocidad de secado en función del tiempo

6.5.2.3 Curva de la función 1/R

7.- CONCLUSIONES  El experimento nos permitió realizar con éxito el secado de fruta (manzana roja), haciendo que esta pierda humedad y no así sabor.  Pudimos observar y realizar con éxito la curva de secado de la fruta, usando la maquinaria requerida para este proceso y teniendo en cuenta el uso correcto que se debía realizar con estas.  Se observó que a mayor temperatura del horno el secado será más rápido pero la calidad del producto será mejor a una temperatura menor, pero a más tiempo.  Es importante observar la temperatura ya que si esta sube demasiado puede arruinar el secado de la manzana, sin embargo, no es posible tener un proceso de secado constante. También se vio que el tiempo de secado de la manzana sigue un comportamiento como se mencionó antes no es uniforme, pero sigue un comportamiento con la velocidad de el mismo reflejada en la curva de secado  Se optó por tomar el valor numérico de peso de la muestra seca (el de la muestra 2) más grande, porque existe una mayor probabilidad de que las medidas del mismo tipo de muestra sean menores o iguales al mismo, lo cual no ocurre en el caso de la muestra numero 1  Los resultados de la integración del tiempo real, y del tiempo calculado a través de la curva del inverso de la velocidad de secado, solo presentaron un 3% de variación entre sí por lo que se puede afirmar que el procesamiento de los datos fue el adecuado.  Los materiales y maquinas utilizadas en el experimento funcionaron de manera óptima.  La toma de datos en el experimento en un tiempo definido no muy largo es importante para realizar la curva de secado ya que se podrá medir el peso de la fruta y así saber cuánta agua perdió, en caso de que la diferencia de masas no sea muy diferente en el tiempo determinado es recomendable tomar las medidas en un tiempo mayor.  El proceso de secado tomo un tiempo aproximado de 3 horas y media.

8.- BIBLIOGRAFIA - Procesos de transporte y Operaciones Unitarias : C.J Geankopolis 4ta Edición

- http://www.unesco.org/new/fileadmin/MULTIMEDIA/FIELD/Montevideo/pdf/EDGuiasecaderosolar.pdf - https://www.quiminet.com/diferentes-tecnicas-de-secado-de-alimentos-45027.htm