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UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA Escuela de Ingeniería Química Laboratorio de Operaciones Unitarias II

SECADO

Profesor - Mg. ESQUERRE PEREYRA, Paul Henry. Estudiantes - AMPUERO MORI, Yvanna Sholannge. - CERNA AGUILAR, Sarita Youdidxa. - GOICOECHEA VALLES, Jennyffer Massiell. - ORBEGOSO GUTIÉRREZ, Marita Marilú. - VASQUEZ PEREZ, Marcela Rossett.

TRUJILLO - PERÚ 2018 1

RESUMEN El presente informe se ha desarrollado con el fin de determinar la curva de velocidad de secado a partir de los datos experimentales obtenidos de la práctica realizada, centrándose en la operación unitaria del secado, que es una operación en la cual se elimina parcial o totalmente la humedad de un sólido o un líquido. En primer lugar, abarcamos términos generales referentes al tema, entre los cuales tenemos a la humedad absoluta, humedad relativa, humedad en el equilibrio y humedad libre; cuya determinación será clave para la construcción del gráfico deseado. Además, hacemos conocimiento de algunos tipos de secadores, principalmente para el secado de sólidos. Después, se explica en que consiste la determinación experimental de la velocidad de Secado. Como siguiente punto, presentamos los materiales y equipos; entre los cuales tenemos el sólido, un secador y una estufa; que necesitamos para realizar la práctica experimental, y luego explicamos a detalle el método experimental seguido; para pasar a los cálculos y resultados correspondientes, en este paso construimos nuestra curva de velocidad de secado en función de la humedad libre. Finalmente presentamos nuestras discusiones, conclusiones y recomendaciones, concluyendo en como nuestra gráfica difiere enormemente de la gráfica mostrada en la base teórica.

2

SECADO 1. Objetivos -

Determinar la curva de velocidad de secado.

2. Introducción Por lo general, el término secado solar se refiere a la eliminación de humedad en una sustancia. Un sólido húmedo, en tipos de alimentos, desde vegetales y hortalizas hasta carnes y pescados que puede secarse por evaporaci6n de la humedad ya sea en una corriente de gas, en este caso, el secado solar utiliza fundamentalmente el sol, teniendo como ventajas un proceso más sencillo, económico y natural1.

Por lo general, el término secado solar se refiere a la eliminaci6n de humedad en una sustancia. Un sólido húmedo, en este caso será un alimento, puede secarse por evaporaci6n de la humedad ya sea en una corriente de gas o sin el beneficio del gas para acarrear el vapor; sin embargo, generalmente no se considera como secado la eliminación mecánica de esta humedad mediante el exprimido o centrifugado1. Un ejemplo de secado es el Secado de alimentos. Este es uno de los métodos más antiguos que ha utilizado el hombre para la conservación de sus alimentos6. El hombre primitivo utilizó la energía solar que calentaba el medio ambiente, para secar sus alimentos al aire libre, extrayendo agua para inhibir la proliferación de microorganismos. Esto representa una disminución en costos a la hora de transportarlos, además que su manejo es más fácil ya que no es necesario invertir en procesos de refrigeración o añadir conservadores para mantenerlos en buen estado antes de consumirlos5. En la práctica, la humedad es con tanta frecuencia agua y el gas con tanta frecuencia aire que esta combinación proporcionará las bases para la mayor parte de este análisis. Sin embargo, es importante acentuar que el equipo, técnicas y relaciones son igualmente aplicables a otros sistemas1. El objetivo de esta práctica es determinar las curvas de velocidad y secado de un sólido.

3. Marco teórico El secado es una operación en la cual se elimina parcial o totalmente, por evaporación, el agua de un sólido o un líquido. El producto final es siempre sólido lo cual diferencia el 3

secado de la evaporación. En esta última, aunque hay eliminación de agua, se parte siempre de un líquido para obtener un concentrado líquido. Aun cuando el objetivo principal no sea secar un alimento, el secado puede producirse cuando se efectúan otras operaciones de tratamiento o conservación3. Los procesos de secado varían según se trate de materia prima sólida, liquida o gaseosa.

Gases. El secado de los gases es un proceso importante y frecuente en la industria química. El gas que hay que secar se reduce a través de un líquido apropiado que retiene la humedad contenida en el mismo o se hace pasar sobre materias secantes solidas que absorben la humedad (sílice). También por enfriamiento del gas se puede eliminar el agua que contiene dependiendo como se encuentre el líquido en el material a secar, el proceso de secado puede realizarse fácilmente o presentar muchas dificultades para ellos es preciso conseguir un secado mecánico esto se consigue por prensado, filtrado o centrifugado. Los factores del material influyen bastante en la velocidad del secado2.

Sólidos. El secado de materias sólidas se realiza generalmente por vía térmica con ayuda de diferentes aparatos y comprende no solo la eliminación total del agua, sino también a veces la completa eliminación de restos de disolventes. El secado de sólidos es una operación de transferencia simultanea de materia y energía de contacto gas-sólido, donde la humedad contenida en el sólido se transfiere por evaporación hacia la fase gaseosa, en base a la diferencia de 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 cesa. El secado suele ser la operación final de un proceso de fabricación y se hace antes del envasado; con ello se reducen los costos de transporte, se evita la humedad que pueda causar la corrosión y se obtienen productos más manejables2.

Definiciones. Humedad Absoluta (Y).

4

Es la mezcla aire-agua la humedad absoluta se define como la masa de vapor de agua por unidad de masa de aire seco. Esta definición solo depende de la presión parcial (P A) del vapor de agua en el aire y la presión total (P). Si (A) es agua y (B) es aire y M A y MB sus pesos moleculares respectivamente (Pv) del agua para la temperatura establecida. 𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝑎𝑔𝑢𝑎

𝑌 = 𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑠𝑒𝑐𝑜 = 𝑀

𝑀𝐴 𝑃𝐴

𝐵 (𝑃−𝑃𝐴 )

(1)

Humedad relativa (Hr). Se define como la cantidad de saturación de una mezcla aire-vapor de agua que puede expresarse como la relación de la presión parcial a la presión de agua, a la misma temperatura. 𝑃

𝐻𝑟 = 𝑃𝑣𝐴 ∗ 100 𝐴

(2)

Humedad de Saturación (YS). El aire saturado es aquel en el cual el vapor de agua está en equilibrio con el agua líquida en las condiciones prevalecientes de presión y temperatura. En esta mezcla la presión parcial del vapor del agua y temperatura. En esta mezcla la presión parcial del vapor de agua en la mezcla aire-agua es igual a la presión de vapor (PvA) del agua para la temperatura establecida. Por consiguiente, 𝑌𝑆 = 𝑀

𝑀𝐴 (𝑃𝑣𝐴

𝐵 (𝑃−𝑃𝑣𝐴 )

(3)

Humedad en el equilibrio (X*). Supóngase un sólido húmedo que se pone en contacto con una corriente de aire, (Y) y temperatura constantes. Se usa un gran exceso de aire, por lo que las condiciones permanecen invariables. Después de haber expuesto el sólido por tiempo suficiente, para alcanzar el equilibrio, llegará el momento en que dicho sólido tendrá un contenido de humedad definido. A este valor se le conoce como contenido de humedad de equilibrio del material, bajo las condiciones de humedad y temperatura del aire.

Porcentaje de humedad.

5

Es la relación de la humedad real (Y) del aire y la humedad (Ys) que tendría el aire si estuviera saturado a las mismas condiciones de presión y temperatura. 𝑌

𝐻𝑝 = 𝑌 ∗ 100 𝑆

(4)

Punto de Rocío. La temperatura a la cual cierta mezcla de aire y de vapor debe ser saturada se llama temperatura de punto de rocío.

Temperatura de bulbo seco (Tbs). Es la temperatura que tendría una mezcla aire-vapor expuesta en forma ordinaria al bulbo del termómetro. Temperatura de bulbo húmedo (Tbh). Es la temperatura de estado estable y no de equilibro que se alcanza cuando se pone en contacto una pequeña cantidad de agua con una corriente continua de gas en condiciones estables. Se determina sumergiendo el termómetro con su bulbo recubierto en una gasa húmeda en una corriente de aire-vapor de agua cuya temperatura es (Tbs), temperatura de bulbo seco. Carta de humedad para mezclas aire- vapor. Representa una gráfica muy conveniente de las propiedades de las mezclas aire - vapor de agua a 1 atm. abs. de presión. En esta figura se grafica la humedad (Y) en función de la temperatura real de la mezcla aire-vapor de agua (temperatura de bulbo seco).

6

Figura 1. Carta de Humedad para mezclas de aire y vapor de agua a una presión total de 1 atm.

Tipos de secadores2. Secadores para sólidos. Estos secadores se clasifican en dos tipos dependiendo de las características del material que valla a secarse. Secadores para materiales no agitables. Secador de bandeja. En la figura se observa un esquema de un secadero de bandejas, el cual consiste en una cámara donde se encuentran en dos columnas de soporte los bastidores señalados por la letra H, estos contienen en su interior bandejas de secado las cuales son cargadas con el sólido húmedo, y por estas bandejas se hace circular aire por medio de un ventilador (C) el cual pasa por los calentadores de aire (E).

Figura 2. Esquema de un secador de bandejas2

7

Secador de Tamices Transportadores. El material se ha de secar transportándolo lentamente sobre un tamiz metálico que se mueve a través de una larga cámara o túnel de secado donde se le hace circular aire. El gráfico a continuación nos muestra 2 diferentes configuraciones para el secador de tamices transportadores.

Figura 3. Esquema de un Secador de Tamices transportadores2

(a) Vemos que este tiene un flujo de aire transversal el cual nos da una transferencia con flujo cruzado (b) En este caso el flujo de aire entra en la parte da abajo casi entrando a contra reflujo, pero antes este es calentado por condensadores de vapor. Secador para materiales agitables. Secador de torre. Un secador de torre contiene una serie de bandejas puestas una encima de la otra en un eje central que gira, la alimentación de gas se hace por encima de las bandejas descendiendo el gas y pasando a través de cada bandeja, donde estas bandejas están interconectadas unas con otras y el producto va pasando de la bandeja superior a la inferior, descargando el producto en el fondo. Secador Rotatorio. Consisten en una carcasa de forma de cilindro, la cual gira ligeramente inclinada hacia la salida. Al hacer el movimiento giratorio, en su interior provoca una lluvia o cortina del producto que se pone en contacto directo con el gas caliente o con tubos que llevan diferentes tipos de gases calientes en su interior cediendo su poder calorífico al solido provocando así el cambio de fase de líquido en su interior. 8

Figura 4. Esquema de un Secador Rotatorio2

Secador de lecho fluidizado. Estos secadores son flujo de gas continuo y pasa a través de una membrana que no permiten que los sólidos pasen, este medio está diseñado para una transferencia de calor rápida. Secador Flash. Se transporta un sólido húmedo en forma de polvo durante pocos segundos en una corriente de gas caliente.

Secadores de pulverización. Encontramos dos fases, una continua y una dispersa donde la dispersa es la solución o suspensión que es pulverizada formando una cortina de niebla de gotas muy finas. La humedad en un sólido es rápidamente evaporada, dejando como producto residual un sólido seco, las corrientes continúa y dispersa pueden ser colocadas en diferentes configuraciones.

9

Figura 6. Esquema de un Secador de pulverización2

Secador de tambor. Consiste en uno o mas rodillos metalicos calentados, en cuya superficie exterior se evapora hasta sequedad una delgada capa de liquido. El sólido seco es retirado de los rodillos a medida que estos giran lentamente.

Figura 7. Esquema de un Secador de tambor2

Determinación experimental de la velocidad de Secado. Curvas de velocidad de secado para condiciones de secado constante. Conversión de los datos a curva de velocidad de secado. Los datos que se obtienen de un secado por lotes generalmente se expresa como: W: Peso de sólido húmedo a diferentes tiempos (t) de horas de secado. Ws: Peso del sólido seco (cuando el peso de la muestra se mantiene constante, es decir, no pierde humedad). Entonces el contenido de humedad (Xt), 𝑋𝑡 =

𝑊− 𝑊𝑠 𝑊𝑠

𝑀𝑎𝑠𝑎 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝑎𝑔𝑢𝑎

= 𝑀𝑎𝑠𝑎 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝑠ó𝑙𝑖𝑑𝑜 𝑠𝑒𝑐𝑜

(5)

10

Habiendo establecido las condiciones de velocidad constante, se determinan el contenido de humedad en el equilibrio (X*), 𝑋∗ =

𝑀𝑎𝑠𝑎 ℎ𝑢𝑚𝑒𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑒𝑞𝑢𝑖𝑙𝑖𝑏𝑟𝑖𝑜 𝑀𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝑠ó𝑙𝑖𝑑𝑜 𝑠𝑒𝑐𝑜

(6)

Con ésto se procede a calcular el valor del contenido de humedad libre X en masa de agua libre/masa de sólido seco para cada valor de Xt, X = Xt - X*

(7)

Usando los datos calculados con la ecuación (7) se traza una gráfica del contenido de humedad libre X en función del tiempo t en horas, tal como se muestra en la figura 8.

Figura 8. Gráfica de la humedad libre en función del tiempo

Para obtener una curva de velocidad de secado a partir de esta gráfica, se miden las pendientes de las tangentes de la curva, lo cual proporciona los valores de dx/dt para ciertos valores t. Se calcula entonces, la velocidad R para cada punto con la expresión: R = (-Ws/A) (dx/dt)

(8)

Donde: R: Velocidad de secado, masa de H2O/ tiempo X área Ws: masa de sólido seco usado. A: Área superficial expuesta al secado. La curva de velocidad de secado se obtiene graficando R en función del contenido de humedad, tal como se muestra en la figura 9.

11

Figura 9. Curva de la velocidad de secado en función del contenido de humedad libre.

4. Materiales y equipos Materiales. -

Cuchillo

-

Regla - Papa (Sólido) - Canastilla porta sólidos - Termómetro de bulbo Equipos. - Secador

Figura 10. Secador de Laboratorio (LOU – Fac. Ing. Química – UNT)

- Balanza 12

Figura 11. Balanza (LOU – Fac. Ing. Química – UNT)

- Estufa

Figura 12. Estufa (LOU – Fac. Ing. Química – UNT)

5. Método experimental a) Se cortó la geometría del sólido (papa) a secar en forma una esfera de 2 cm de diámetro.

Figuras 13 y 14. Paso (a) del método experimental.

b) Después de darle forma al sólido (esfera) se procedió a pesarlo, el peso resultante es el peso del sólido húmedo.

13

Figuras 15 y 16. Paso (b) del método experimental.

c) Se colocó el sólido (esfera) en la canastilla y se introdujo en la cámara del secador, quedando en contacto con el flujo de aire caliente.

Figuras 17, 18 y 19. Paso (c) del método experimental.

d) Después de 5 minutos se retiró la canastilla de la cámara del secador y se pesó nuevamente el sólido, se repitió este paso hasta observar que el peso del sólido no tenía variación alguna.

, Figuras 20 y 21. Paso (d) del método experimental.

e) Luego se introdujo el sólido en una estufa; 23 horas después se retiró del equipo y se procedió a pesarlo, siendo el peso resultante el peso del sólido seco.

14

Figuras 22 y 23. Paso (e) del método experimental.

7. Cálculos y resultados. Datos experimentales. Tabla 1. Datos del Sólido

Cantidad

Unidad

Diámetro

0.002

m

Radio

0.001

m

A: Área

1.257 x 10-5

m2

W: Peso del

5.35 x 10-3

kg

1.50 x 10-3

kg

119.3697278

Kg / m2

sólido húmedo Ws: Peso del sólido seco Ws / A

Tabla 2. Datos experimentales del proceso de secado

N°

T(°C)

Tiempo

W

W – Ws

(horas)

(kg)

(kg)

1

29.0

0.000

0.00535

0.00385

2

35.0

0.083

0.00527

0.00377

3

37.5

0.167

0.00521

0.00371

4

38.0

0.250

0.00518

0.00368

5

39.0

0.333

0.00512

0.00362 15

6

39.1

0.417

0.00508

0.00358

7

38.5

0.500

0.00500

0.00350

8

38.5

0.583

0.00496

0.00346

9

38.5

0.667

0.00489

0.00339

10

38.0

0.750

0.00486

0.00336

11

38.0

0.833

0.00478

0.00328

12

38.0

0.917

0.00475

0.00325

13

38.5

1.000

0.00467

0.00317

14

38.5

1.083

0.00464

0.00314

15

38.5

1.167

0.00456

0.00306

16

38.0

1.250

0.00452

0.00302

17

38.0

1.333

0.00449

0.00299

18

38.0

1.417

0.00446

0.00296

19

38.0

1.500

0.00441

0.00291

20

38.0

1.583

0.00436

0.00286

21

38.0

1.667

0.00423

0.00273

22

38.0

1.750

0.00421

0.00271

23

38.0

1.833

0.00418

0.00268

24

38.0

1.917

0.00411

0.00261

25

38.0

2.000

0.00405

0.00255

- Con la ecuación (5) determinamos el contenido de humedad (Xt) y con la ecuación (7), la humedad libre (X), la que nos interesa para determinar la velocidad de secado (R) con la ecuación (8), considerando que la masa de humedad en el equilibrio es 0.00255 kg y por ende la humedad en el equilibrio, según la ecuación (6), es 1.7 (kg/kg). R = (-Ws/A) (dx/dt)

(8)

Tabla 3. Datos obtenidos para el cálculo de la Velocidad de Secado.

N°

Tiempo (horas)

W (kg)

XT (kg/kg)

X (kg/kg)

dx

1

0.000

0.00535

2.567

0.867

-0.053

Velocidad de secado R (kg/m2*h) 0.083 76.703

2

0.083

0.00527

2.513

0.813

-0.040

0.083

dt

57.528

16

3

0.167

0.00521

2.473

0.773

-0.020

0.083

28.764

4

0.250

0.00518

2.453

0.753

-0.040

0.083

57.528

5

0.333

0.00512

2.413

0.713

-0.027

0.083

38.352

6

0.417

0.00508

2.387

0.687

-0.053

0.083

76.703

7

0.500

0.0050

2.333

0.633

-0.027

0.083

38.352

8

0.583

0.00496

2.307

0.607

-0.047

0.083

67.116

9

0.667

0.00489

2.260

0.560

-0.020

0.083

28.764

10

0.750

0.00486

2.240

0.540

-0.053

0.083

76.703

11

0.833

0.00478

2.187

0.487

-0.020

0.083

28.764

12

0.917

0.00475

2.163

0.467

-0.053

0.083

76.703

13

1.000

0.00467

2.113

0.413

-0.027

0.083

28.764

14

1.083

0.00464

2.093

0.393

-0.053

0.083

76.703

15

1.167

0.00456

2.040

0.340

-0.027

0.083

38.352

16

1.250

0.00452

2.013

0.313

-0.020

0.083

28.764

17

1.333

0.00449

1.993

0.293

-0.020

0.083

28.764

18

1.417

0.00446

1.973

0.273

-0.033

0.083

47.940

19

1.500

0.00441

1.940

0.240

-0.033

0.083

47.940

20

1.583

0.00436

1.907

0.207

-0.087

0.083

124.643

21

1.667

0.00423

1.820

0.120

-0.013

0.083

19.176

22

1.750

0.00421

1.807

0.107

-0.020

0.083

28.764

23

1.833

0.00418

1.787

0.087

-0.047

0.083

67.116

24

1.917

0.00411

1.740

0.040

-0.040

0.083

57.528

25

2.000

0.00405

1.700

0.00

-0.000

0.083

0.000

17

- Graficando:

Tiempo (h) vs Xt (kg/kg) 2.7000

2.5000

2.3000

2.1000

1.9000

X*

1.7000

1.5000 0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

Figura 24. Gráfica de la humedad libre en base seca vs tiempo de secado de la esfera, teniendo como datos la humedad de equilibrio

sólido

X*

Esfera

1.7000

Tiempo (h) vs Peso del sólido humedo (kg) 0.0056 0.0054 0.0052 0.005 0.0048 0.0046 0.0044 0.0042 0.004 0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

Figura 25. Gráfica del peso del sólido húmedo vs. su tiempo de secado.

18

X(kg/kg) vs. Velocidad de Secado R (kg/m^2*h) 140.000

120.000

100.000

80.000

60.000

40.000

20.000

0.000 0.000

0.100

0.200

0.300

0.400

0.500

0.600

0.700

0.800

0.900

1.000

Figura 26. Gráfica de la Humedad libre en base seca vs la velocidad de secado de la esfera.

8. Discusiones -

Observando la figura 24., podemos decir que, a mayor tiempo de secado, menor es la humedad libre del sólido, y comparando esta figura con la figura 8., encontramos similitud entre la línea de la base teórica con la formada por los puntos ubicados de los datos calculados.

-

La figura 25. nos dice que, el peso del sólido húmedo irá disminuyendo conforme pase el tiempo en el proceso de secado.

-

En la figura 26., se muestra la curva de velocidad de secado expresada como la humedad libre en función de la velocidad de secado del sólido; en la que se entiende que la velocidad de secado no sigue una secuencia constante, es decir, tenemos secciones donde la velocidad de secado aumenta conforme la humedad libre aumenta, sin embargo, luego ésta disminuye. Teniendo como referencia ideal a la figura 9., donde observamos como la velocidad de secado es mayor cuando la humedad libre es mayor, la figura 26. no cumple con las expectativas de la base teórica.

19

9. Conclusión -

Teniendo construida la curva de velocidad de secado (figura 26.), se concluye que, la toma de datos experimentales presenta error alguno, puesto que nuestra gráfica difiere enormemente de lo encontrado como referencia teórica (figura 9.).

-

Justificamos el error en el momento de retirar el sólido de la cámara del secador para pesarlo; alterando la temperatura de operación, y de cierto modo, la velocidad de secado. Además, que en la práctica no se llegó a observar que el peso del sólido se mantuviera constante para dar término al proceso.

10. Recomendaciones -

Antes de pesar el sólido, constatar que la balanza esté calibrada, por su sensibilidad es recomendable calibrar solo cuando es necesario y no a cada momento.

-

Evitar el constante contacto con el sólido (esfera). Se recomienda usar pinzas para coger la muestra de papa, para así evitar la influencia en el peso por algún factor externo.

-

A la hora de abrir la cámara de secador para sacar la esfera y pesarla, se recomienda que sea una acción rápida, para que la temperatura dentro de la cámara se mantenga constante y evitar ciertos errores en la toma de datos.

-

Es recomendable disponer del tiempo suficiente para el desarrollo de esta práctica, puesto que, es posible que se requiera numerosas mediciones del peso del sólido hasta llegar a observar que este se mantenga constante.

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