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Informe de la Práctica de Laboratorio de Operaciones Unitarias III

TÚNEL DE SECADO

Profesora: Juliana Osorio

Laura Aguirre cc. 1128426161 Claudia Gómez cc. 1128431532 Laura Orozco cc.1128433596

Universidad de Antioquia Facultad de Ingeniería Ingeniería Química Octubre de 2013

TÚNEL DE SECADO Laboratorio Operaciones Unitarias III Departamento de Ingeniería Química 1. INTRODUCCION El proceso de secado consiste en remover el exceso de humedad contenida por los materiales puede eliminarse por métodos mecánicos, sin embargo, la eliminación más completa de la humedad se obtiene por evaporación y eliminación de los vapores formados, es decir, mediante el secado térmico, ya sea empleando una corriente gaseosa o sin la ayuda del gas para extraer el vapor (secado indirecto). En esta práctica el sólido al cual se le va a retirar el agua es a la y el gas circundante es aire caliente. [1] La operación de secado es una de las etapas más frecuentes para la producción de productos químicos que se procesan en húmedo y se venden secos. Aunque el único requerimiento básico del secado es que la presión de vapor del líquido a evaporar sea mayor que su presión parcial en la corriente gaseosa, el diseño y operación de secadores es un problema complejo de transmisión de calor, flujo de corrientes y transferencia de masa. Existen diferentes tipos de quipos de secado y aunque las tecnologías de estos equipos son muy variadas, entre ellas pueden mencionarse los secadores de túnel, tipo turbo, rotatorios, por aspersión y de lecho fluidizado, entre otros. [2] El secado de sólidos o deshidratación es una de las formas más antiguas de procesar alimentos. Los alimentos deshidratados no necesitan ser refrigerados y conservan mejor sus componentes nutricionales ya que el proceso es simple y fácil de realizar, además se impide el crecimiento de las bacterias, mohos y levaduras que no pueden vivir en un medio seco. Los alimentos deshidratados mantienen gran proporción de su valor nutritivo y de su sabor original, si el proceso se realiza en forma adecuada. Los materiales húmedos consisten en dos fases la fase sólida y la liquida. La fase solida puede tener muchas propiedades físicas, químicas, estructurales, mecánicas, biomecánicas y muchas otras que pueden afectar el secado del material un ejemplo de estas es la porosidad del sólido, estas propiedades también afectan la técnica y la tecnología utilizada en el proceso de secado [3]. En este informe se pretende entender los principios del secado y por medio de gráficas mostrar el comportamiento de este fenómeno que se llevó a cabo bajo las siguientes condiciones temperatura 65 ºC, velocidad de flujo de aire 70 rpm. Al realizar esta experiencia se alcanzaron los objetivos de la obtención de la curva de secado para las manzanas, observando la variación de la humedad con respecto al tiempo; determinación de los puntos críticos de la curva de secado y cálculo del coeficiente de transferencia de masa. 2. DATOS En la tabla 1 se muestran las condiciones de operación para el secado de la

manzana en el túnel de secado, área de la bandeja y las condiciones ambientales tomadas en el laboratorio. Tabla 1 Condiciones en el proceso de secado de la manzana.

Temperatura cámara (ºC) Velocidad de flujo de aire (rpm) Velocidad del aire anemómetro (m/s) Área de la bandeja (m2) Presión ambiente (Psia) Temperatura ambiente (°C)

65 70 2,6 0,0608 89.9 21,5

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Se registra en la tabla 2 las variables medidas en el laboratorio con un intervalo de 2 min: Tabla 2. Datos tomados en el laboratorio

Tiemp o (min) 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50 52 54 56 58 60 62 64 66 68 70

Peso (g) 47 46 43 42 39 38 36 33 32 31 29 29 28 26 25 25 24 22 22 21 19 19 19 19 19 18 18 17 17 17 17 15 15 14 14 14

Temperatura Temperatura bulbo húmedo Bulbo seco Humedad salida °C entrada °C relativa % 19,53033 20,19569 81,40508 19,68689 33,58121 47,45597 20,18004 40,10959 25,98434 20,65754 42,80235 16,21135 21,20548 43,76517 11,89433 21,37769 43,65558 9,812133 21,63601 44,25832 8,727984 21,79256 44,07828 8,144814 21,99609 44,74364 7,726027 22,17613 45,00978 7,514677 22,3092 45,14286 7,20548 22,35616 44,32094 7,001957 22,3953 45,19765 7,021526 22,40313 45,03327 7,048923 22,41879 44,91585 7,021526 24,06262 45,11155 6,88454 22,91977 45,15068 6,735812 22,49706 45,01761 6,712328 22,46575 44,9863 6,665362 22,48924 45,16634 6,747553 22,52838 44,99413 6,97456 22,56751 45,34638 6,79452 22,5362 45,09589 6,536204 22,54403 44,44619 6,434442 22,57534 45,17417 6,438356 22,64579 45,25245 6,547945 22,68493 45,409 6,473581 22,77104 45,51076 6,44227 22,81018 45,55773 6,360079 22,85714 45,55773 6,35225 22,89628 45,58121 6,418787 22,85714 45,58121 6,344423 23,42857 45,76125 6,234834 22,85714 45,93346 6,133072 22,8728 46,01957 6,117417 22,91977 46,01957 5,992172

TÚNEL DE SECADO Laboratorio Operaciones Unitarias III Departamento de Ingeniería Química 72 74 76 78 80 82

14 14 14 14 14 12

22,76321 22,72407 22,77887 22,77104 22,88845 23,03718

45,78474 45,72211 46,19961 45,9726 46,17613 46,37182

5,819961 5,796478 5,874755 5,745597 5,749511 5,847358

84 86 88

12 12 12

23,13894 23,12329 23,18591

46,45792 46,3092 47,09198

5,827789 5,585127 5,475538

Nota: Cabe señalar que los datos iniciales son variables debido a que el equipo no había llegado a sus condiciones de equilibrio.

3. MODELO DE CÁLCULO 3.1 Determinación de la Humedad Para determinar el contenido de humedad en el tiempo en base seca en el sólido se usa la relación: ( )

(1)

Donde: X(t): Humedad en el sólido mi: Masa del sólido en cualquier instante de tiempo mf: Masa del sólido seco

3.2 Determinación de la Humedad libre ( )

(2)

: Humedad en el equilibrio (Este valor se halla al graficar ( ) constante de X(t) será X*)

donde el valor más

Con los valores de X, se grafica X vs t y se obtiene la curva de secado para el sólido (manzanas)

3.3 Cálculo de la Rapidez de Secado Determinar la variación de la humedad con respecto al tiempo (dX/dt) y relacionarlo con la masa del sólido seco y el área de secado permite encontrar la velocidad de secado o flux:

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) (3)

Donde: N: Rapidez de secado del sólido, Flux de Secado dx/dt: Variación de la humedad con respecto al tiempo Se realizó el cálculo por medio del software Matlab utilizando la herramienta cftool A: Sección transversal del sólido a secar o superficie de secado Este diferencial se debe calcular para a partir de él determinar el coeficiente de transferencia de masa para el sólido.

3.4 Cálculo del Coeficiente de Transferencia de Masa La rapidez a la cual se evapora la humedad también puede describirse en función de Ky, un coeficiente de transferencia de masa del gas y de la diferencia de humedad entre el gas en la superficie líquida Ys y en la corriente principal Y.

(

) (4)

Donde: N: velocidad de secado en la zona de rapidez constante Ky: coeficiente de transferencia de masa en la zona de rapidez constante Ysat: humedad de saturación en la temperatura superficial del líquido (Ts) Y: humedad en la corriente principal.

4. RESULTADOS. 4.1 Curva de Secado Al realizar los cálculos del humedad del sólido, se obtuvo una humedad de equilibrio de 0.167 gr de agua/ gr de sólido seco. Al encontrar la humedad libre y graficarla en función del tiempo se obtuvo:

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Figura 1. Curva de humedad para manzanas.

4.2 Rapidez de Secado y Coeficiente de transferencia de masa Al tener los datos de humedad libre, se llevan al software MATLAB para determinar su diferencial en función del tiempo. Cuando se obtiene la derivada se calcula el flux o velocidad de secado con la ecuación 3. (Ver resultados en anexos) Posteriormente se grafica el flux vs Humedad libre obteniéndose la gráfica:

Figura 2. N vs X

TÚNEL DE SECADO Laboratorio Operaciones Unitarias III Departamento de Ingeniería Química En la gráfica se observa un periodo de rapidez constante aunque muy corto de ahí se extrae el valor del flux (N) Coeficiente de Transferencia de Masa Con ayuda de la carta psicrométrica se lee Ysat y Y: Ysat: con el valor de la temperatura promedio de bulbo húmedo a la salida y a condiciones de saturación se obtiene un valor Ysat=0.015 g de sólido/ g de aire seco. Y: con la temperatura promedio de bulbo seco a la entrada 45°C y la humedad relativa 6.45% se lee Y= 0.005 g de sólido/ g de aire seco. Ahora despejando la ecuación 4 se obtiene Ky. Tabla 3 Resultados obtenidos Resultados 2

N (g/m *min) (Kg aire seco/ m2*s)

16.5 0.0275

4.3 Determinar los puntos críticos de la curva de secado En el periodo inicial de secado, el cambio de humedad en las manzanas está ilustrado en la curva A-B. Al terminar este primer periodo el secado toma una leve tendencia lineal, en este periodo la velocidad de secado tiende a ser constante, recta B-C. El secado se mantiene igual por un periodo de tiempo hasta que llega a un punto crítico, el punto C, donde la línea tiene a curvarse más y formar una asíntota con el contenido de humedad en el equilibrio X* punto E.

Figura 3. N vs X Puntos críticos.

TÚNEL DE SECADO Laboratorio Operaciones Unitarias III Departamento de Ingeniería Química 5. ANÁLISIS DE RESULTADOS La realización de la práctica permitió conocer el funcionamiento del túnel de secado, para lo cual se utilizó manzanas como material, el material fue esparcido en una bandeja e introducido a un túnel de secado con el fin de medir la variación en el peso del material, la pérdida de humedad, puntos críticos y el tiempo que este requería para secarse. La experimentación permitió desarrollar el modelo de cálculo, proporcionando datos de humedad observándose como este valor decrece, pero no de una forma regular, ocasionando que la rapidez de secado oscilé mucho, esto genera una diferencia en los valores lo cual se puede apreciar en la figura 2 donde la valoración hecha no presenta un periodo de velocidad constante marcado en el proceso , lo que concuerda con el comportamiento reportado en la literatura para manzanas y otros vegetales como zanahorias, papas, frambuesas, arvejas, tomates y mango, entre otros [5]. Además se evidencia en la figura 1 que la curva de secado presenta una tendencia exponencial decreciente como lo referencia la literatura El punto crítico de la curva de secado nos indican que el contenido crítico promedio de humedad para un tipo dado de solido depende de la concentración de humedad superficial. Si el secado durante el periodo de rapidez constante es muy rápido y si el sólido es grueso, entonces se desarrollan gradientes de concentración grandes dentro del sólido y el periodo decreciente de la rapidez empieza en elevados contenidos de humedad promedio. Generalmente, el contenido de humedad crítica aumenta al aumentar la rapidez de secado y el espesor del sólido [4], el trayecto BC de la curva de secado muestra que la velocidad constante permanece por un periodo de tiempo corto, a pesar que las manzanas no son gruesas puede darse pequeños gradientes de concentración lo que hace que empiece a decrecer la velocidad de secado. El peso inicial de la manzana se redujo en un 74.5%, lo que indica que las condiciones de secado son cercanas a las óptimas, ya que las manzanas poseen alrededor de 84% de humedad. [6] El desarrollo de la práctica permitió realizar la experiencia de secado de manera automática, prescindiendo de manipulación humana en la mayoría del proceso tanto de la muestra de alimento y como de las variables de proceso debido al software implementado. Esto facilito el manejo y registro de los datos permitiendo que el proceso sea flexible y con menos error asociado. 6. CONCLUSIONES    

En el proceso de secado se observó que una señal de la perdida de humedad del material era la reducción de su tamaño. Fue posible obtener la curva de secado para las manzanas, observando la variación de la humedad con respecto al tiempo. Se determinó el punto crítico de la curva de secado para las manzanas a pesar de no obtenerse una tendencia marcada. Se calculó el coeficiente de transferencia de masa en el proceso de secado de manzanas a 65 °C y 70rpm.

TÚNEL DE SECADO Laboratorio Operaciones Unitarias III Departamento de Ingeniería Química 



El túnel de secado es un equipo útil y fácil de manipular, el cual es de gran uso en el ámbito alimenticio, ya que diferentes frutas son exportadas pero por su gran contenido de agua deben ser secadas para evitar su daño en los largos viajes. Al finalizar la práctica se logró apreciar que las manzanas no pierden totalmente la humedad ya que este proceso se hace cada vez más lento debido a que la humedad externa se retira mucho más rápido que la contenida en su interior para lo cual sería necesario dejar más tiempo el material en el túnel de secado.

7. CAUSAS DE ERROR      



Cambios en la humedad del aire. Factores externos como la temperatura y presión del laboratorio pueden afectar la toma de datos. Confundir los medidores de la temperatura de bulbo húmedo y bulbo seco, genera error al leer en la carta psicométrica. No tarar la balanza una vez se introduzca el material a secar, arrojara un valor de material seco incorrecto si no es restado el peso de la rejilla. Dejar la cámara de secado mal cerrada, causa que el medio aporte humedad al sistema interfiriendo con el proceso de secado. El corte de los trozos de manzana no se realizó de forma uniforme, esto afecta el proceso, pues el grosor y la geometría son variables que alteran el tiempo que tarda la humedad de ser retirada del sólido. Hubo partes de la bandeja que quedaron descubiertas de manzana lo que implica un error en el cálculo del área de secado y por ende de la velocidad de secado en el proceso.

8. RECOMENDACIONES      

Leer detenidamente la guía de operación del equipo. Evitar realizar otro tipo de actividades mientras se realice la práctica. Tomar periódicamente las condiciones ambientales. Determinar los periodos de tiempo para toma de datos. Consultar con el técnico y maestra aquellas dudas sobre el funcionamiento del equipo para evitar daños. Cortar la fruta lo más uniformemente posible ocupando completamente el área de la bandeja destinada para el proceso

9. BIBLIOGRAFÍA [1] W. L. McCabe, J. C. Smith, and P. Harriot, „‟Operaciones Unitarias en Ingeniería Química‟‟, 4th ed. España: McGraw-Hill, 1991. [2] A. S. Mujumdar, "Classification and Selection of Indrustrial Dryers," ed.

TÚNEL DE SECADO Laboratorio Operaciones Unitarias III Departamento de Ingeniería Química [3] D. Barbanti, D. Mastrocola, C. Severini. “Air drying of plums: a comparison among twelve cultivars”. Sciences des Aliments. Vol. 14 Nº 1, pp. 61-73. 1994. [4] TREYBAL, Robert. Operaciones de transferencia de masa. 2da Edición. Editorial McGrawHill. México, 1980, capítulo 12. [5] SAAVEDRA J, PUENTE L, GONZÁLEZ G, CAMOUSSEIG I; Automatización de un Secador Convectivo de Aire Caliente para fines de Docencia en Ingeniería de Alimentos, Revista Información Tecnológica-Vol. 19 N°4-2008, pág.: 3-10. Disponible en: http://www.scielo.cl/scielo.php?pid=S0718-07642008000400002&script=sci_arttext, consultado el 5 de octubre de 2013. [6] Información nutricional. Disponible en: http://calidalia.com/mostrar_articulo.php?id=207, consultado el 8 de octubre de 2013. ANEXOS

Tiempo (min) 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50 52

X(t) Humedad salida del aire 2,9167 2,8333 2,5833 2,5000 2,2500 2,1667 2,0000 1,7500 1,6667 1,5833 1,4167 1,4167 1,3333 1,1667 1,0833 1,0833 1,0000 0,8333 0,8333 0,7500 0,5833 0,5833 0,5833 0,5833 0,5833 0,5000 0,5000

Humedad libre X=X(t)-X* 2,7500 2,6667 2,4167 2,3333 2,0833 2,0000 1,8333 1,5833 1,5000 1,4167 1,2500 1,2500 1,1667 1,0000 0,9167 0,9167 0,8333 0,6667 0,6667 0,5833 0,4167 0,4167 0,4167 0,4167 0,4167 0,3333 0,3333

dx/dt -0,0662 -0,0690 -0,0708 -0,0715 -0,0714 -0,0704 -0,0686 -0,0663 -0,0635 -0,0603 -0,0569 -0,0534 -0,0498 -0,0462 -0,0427 -0,0394 -0,0363 -0,0334 -0,0308 -0,0284 -0,0262 -0,0242 -0,0224 -0,0208 -0,0193 -0,0179 -0,0166

N (g/m2*min) 15,2397 15,8974 16,3034 16,4746 16,4320 16,1991 15,8017 15,2670 14,6221 13,8942 13,1091 12,2910 11,4616 10,6398 9,8415 9,0793 8,3624 7,6968 7,0855 6,5287 6,0243 5,5685 5,1561 4,7811 4,4375 4,1198 3,8233

TÚNEL DE SECADO Laboratorio Operaciones Unitarias III Departamento de Ingeniería Química 54 56 58 60 62 64 66 68 70 72 74 76 78 80

0,4167 0,4167 0,4167 0,4167 0,2500 0,2500 0,1667 0,1667 0,1667 0,1667 0,1667 0,1667 0,1667 0,1667

0,2500 0,2500 0,2500 0,2500 0,0833 0,0833 0,0000 0,0000 0,0000 0,0000 0,0000 0,0000 0,0000 0,0000

-0,0154 -0,0143 -0,0132 -0,0122 -0,0113 -0,0106 -0,0100 -0,0096 -0,0095 -0,0098 -0,0104 -0,0114 -0,0129 -0,0149

3,5445 3,2820 3,0360 2,8092 2,6063 2,4341 2,3014 2,2185 2,1968 2,2484 2,3857 2,6202 2,9625 3,4213