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FLORENCIO SALVADOR COCOTLE OLTEHUA
Reporte Final de Estadiacutea
OPTIMIZACIOacuteN DEL PROCESO
DE AGLOMERACIOacuteN DE
POLVOS FINOS DE CAFEacute
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Universidad Tecnoloacutegica del Centro de Veracruz
Programa Educativo
Ingenieriacutea en Procesos Bioalimentarios
Reporte para obtener tiacutetulo de
Ingeniero en Procesos Bioalimentarios
Proyecto de estadiacutea realizado en la empresa
Cafeacute Tostado de Exportacioacuten SA De CV
Nombre del proyecto
ldquoOptimizacioacuten del proceso de aglomeracioacuten de polvos finos de cafeacuterdquo
Presenta
TSU Florencio Salvador Cocotle Oltehua
Cuitlaacutehuac Ver a 19 de abril de 2018
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Universidad Tecnoloacutegica del Centro de Veracruz
Programa Educativo
Procesos Bioalimentarios
Nombre del Asesor Industrial
Ing Ramoacuten Adriaacuten Loacutepez
Nombre del Asesor Acadeacutemico
MCIQ Mariacutea Esther Alonso Palacios
Jefe de Carrera
MCIBQ Darney Citlali Martiacutenez Diacuteaz
Nombre del Alumno
TSU Florencio Salvador Cocotle Oltehua
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AGRADECIMIENTOS A Dios por darme la oportunidad de existir aquiacute y ahora por mi vida gracias por
iluminarme darme fuerzas y guiarme por tu sendero
A mis Padres por apoyarme en todo momento por su dedicacioacuten por los valores
inculcados Sobre todo por ser ejemplo de arduo trabajo
A mis hermanos por ser parte importante de mi vida y representar la unidad familiar
especialmente a mi hermana por llenar mi vida de alegriacuteas y amor cuando maacutes lo he
necesitado
A mi familia tiacuteos y primos porque de una u otra forma con su apoyo me han motivado a
seguir adelante a lo largo de toda mi vida
A la Universidad tecnoloacutegica del centro de Veracruz y a mis estimados maestros que a
lo largo de mi carrera me han transmitido sus amplios conocimientos
Al gerente de produccioacuten por brindarme su apoyo incondicional y darme la oportunidad
de ser miembro de la empresa
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RESUMEN El presente proyecto se realizoacute en la empresa cafeacute tostado de exportacioacuten en la etapa de
aglomeracioacuten de polvos finos de cafeacute donde el principal problema es la adhesioacuten de las partiacuteculas
finas a las paredes del equipo que disminuye el rendimiento del producto terminado y la eficacia
del proceso es seguimiento de un proyecto anterior pero ahora basado en teacutecnicas
experimentales y estudio maacutes a fondo con el objetivo de optimizar las variables incidentes y los
paraacutemetros operacionales
En este trabajo se implementaron dos disentildeos experimental factorial 23 para evidenciar el efecto
de algunos paraacutemetros de operacioacuten en el crecimiento de partiacuteculas soacutelidas evaluando dos
propiedades fisicoquiacutemicas la dureza y el porcentaje de aglomerado El primer disentildeo factorial
fue de tres factores (paraacutemetros de operacioacuten) con dos niveles en 8 corridas para 4 tipos de
productos en el segundo disentildeo los factores estuvieron definidos en las propiedades iniciales de
las partiacuteculas soacutelidas asiacute mismo se empleoacute un disentildeo de bloques completamente al azar para
determinar la significancia de la concentracioacuten de azucares sobre el porcentaje de adhesioacuten Se
aplicoacute un anaacutelisis de varianza con un nivel de significancia del 5 a los resultados experimentales
para las pruebas de hipoacutetesis Posteriormente se evaluaron las condiciones de presioacuten del sistema
flujo de aire humedad relativa y el rendimiento en diversos tipos de productos mediante un
monitero que abarco varios lotes de produccioacuten finalmente se procedioacute al balance de materia y
energiacutea para cuantificar la cantidad de aire y calor necesario para eliminar toda la humedad asiacute
como la determinacioacuten de las eficiencias teacutermicas del equipo
Mediante el disentildeo experimentos se encontroacute que el aumento de dos factores temperatura de
salida y el tamantildeo de partiacutecula influyen en el bajo porcentaje de aglomerado asiacute como el
incremento en la dureza por que el granulo aglomerado presenta fragilidad y una cantidad de
polvos finos En el disentildeo por bloques se determinoacute que la concentracioacuten de azuacutecares de los cafeacutes
no tiene efecto significativo tomando como muestra patroacuten un producto sin concentracioacuten que
tambieacuten presento adhesioacuten en las tres repeticiones Durante el monitoreo los soacutelidos
aglomerados a condiciones de bajo vaciacuteo con humedad relativa del aire baja no presentaron
adhesioacuten mientras que los producto a condiciones de vaciacuteo alto con humedades por encima de
60 tuvieron mayor adhesioacuten en el balance de materia se observoacute que una humedad relativa alta
en la salida del equipo necesita mayor calor y cantidad de aire de entrada para ser eliminado asiacute
mismo mediante las eficiencias teacutermicas se evaluoacute el sistema en una carta psicomeacutetrica
encontraacutendose que hay perdida de calor en la caacutemara de secado al no ser un sistema adiabaacutetico
por lo que la optimizacioacuten del proceso solo fue parcial enfocaacutendose a las condiciones del aire de
entrada y salida que mantuvieron un vaciacuteo de 04 InH20 mediante el control de estas variables el
rendimiento mejoroacute en un promedio del 96
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Tabla de contenido
AGRADECIMIENTOS
RESUMEN
CAPIacuteTULO 1 INTRODUCCIOacuteN 1
11 Estado del Arte 2
12 Planteamiento del Problema 6
13 Objetivos 6
13 Definicioacuten de variables 6
15 Hipoacutetesis 7
16 Justificacioacuten del Proyecto 7
17 Limitaciones y Alcances 8
18 La Empresa 8
CAPIacuteTULO 2 METODOLOGIacuteA 10
21 Eleccioacuten de los factores y los niveles 10
22 Seleccioacuten de la variable de respuesta 10
23 Eleccioacuten del disentildeo experimental 10
24 Realizacioacuten del disentildeo de experimentos 10
25 Monitoreo de los flujos de aire humedad relativa y presioacuten del sistema 10
26 Anaacutelisis de datos 10
27 Anaacutelisis de los efectos de los paraacutemetros operacionales 11
28 Aplicacioacuten del balance de materia y energiacutea 11
29 Optimizacioacuten del proceso 11
CAPIacuteTULO 3 DESARROLLO DEL PROYECTO 12
31 Equipo experimental 12
32 Monitoreos 12
33 Disentildeo de experimentos 12
34 Realizacioacuten del disentildeo de experimentos 14
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35 Anaacutelisis de datos 15
36 Balance de materia energiacutea 15
37 Optimizacioacuten 17
CAPIacuteTULO 4 RESULTADOS Y CONCLUSIONES 18
41 Resultados 18
42 Conclusiones 26
43 Trabajos Futuros 26
44 Recomendaciones 26
ANEXOS 27
Anexo 1 Equipo aglomerado 27
Anexo 2 Carta psicomeacutetrica 28
Anexo 3 Caacutelculos de velocidad lineal caudales de aire y volumen del equipo 29
Anexo 3Caacutelculos de balance de materia y energiacutea 31
Anexo 4Calculo de eficiencias teacutermicas 33
BIBLIOGRAFIacuteA 34
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Iacutendice de tablas
Tabla Descripcioacuten Pagina
1 Tratamientos del disentildeo por bloques al azar 12
2 Factores y niveles del Disentildeo factorial 23 13
3 Corridas experimentales del disentildeo 23 13
4 Disentildeo de bloques completamente al azar 14
5 Anaacutelisis de varianza de dos factores con una sola muestra por grupo 23
6 Anaacutelisis de Varianza para dureza - Suma de Cuadrados Tipo III 23
Contenido de figuras
Figura Descripcioacuten Pagina
1 Diagrama de flujo del balance del aglomerador 16
2 Grafica de efectos normales para el cafeacute soluble ABCD 18
3 Grafica de interaccioacuten para cafeacute soluble A 19
4 Grafica de interaccioacuten para cafeacute soluble B 19
5 Grafica de interaccioacuten para cafeacute soluble C 19
6 Grafica de interaccioacuten para cafeacute soluble D 19
7 Grafica de efectos normales para dureza del cafeacute regular 20
8 Grafica de interaccioacuten para dureza del cafeacute regular 20
9 Grafica de efectos normales para porcentaje de aglomerado 20
10 Grafica de interaccioacuten para porcentaje de aglomerado del cafeacute regular 20
11 Grafica de dispersioacuten de la presioacuten del sistema 21
12 Grafica del vaciacuteo vs porcentaje de adhesioacuten 21
13 Graacutefico de humedad relativa del aire 22
14 Grafico anova para dureza 24
15 Grafica de rendimientos con flujo de aire de 900 rpm a 1100 rpm 25
1
CAPIacuteTULO 1 INTRODUCCIOacuteN
Los procesos de aglomeracioacuten han existido desde hace varios antildeos con el fin de acondicionar
fiacutesicamente diferentes tipos de materiales y para diferentes propoacutesitos como es el caso de la
palatizacioacuten del mineral de hierro que es realizada en las siderurgiasPor su parte en la industria
farmaceacuteutica y en la produccioacuten de algunos alimentos como el cafeacute soluble los productos laacutecteos
entre otros la aglomeracioacuten de partiacuteculas finas tiene gran aplicacioacuten ya que permite obtener
graacutenulos de mayor tamantildeo con una estructura de poros abiertos a fin de poder absorber liacutequidos
y facilitar la dispersioacuten inmediata lo permite obtener un producto de alta dispersabilidad fluidez
segregacioacuten densidad fragilidad etc (Wolfgang 2008)
La aglomeracioacuten es un proceso que promueve el incremento de tamantildeo del soacutelido (graacutenulo)
mediante la adhesioacuten de partiacuteculas pequentildeas (soacutelidos finos) sobre otra partiacutecula de mayor tamantildeo
por la accioacuten de un liacutequido ligante en un sistema que presentan dos zonas la zona de aspersioacuten
que es el aacuterea donde el liacutequido aglomerante tiene el primer contacto con las partiacuteculas finas que
colisionan entre siacute formando puentes liacutequidos que al evaporarse dan lugar a enlaces soacutelidos
donde los finos se adhieren a los gruesos (Kumar amp Ramkrishna 1997) Y la zona de dispersioacuten
que es el aacuterea donde se mezclan con aire caliente para el secado Para llevar a cabo esta operacioacuten
se emplean diversos equipos en su mayoriacutea granuladores de lecho fluidizado mezcladores y
secadores de lecho fluido ( Litster J 2003)
Actualmente puede observarse como una combinacioacuten de tres diferentes mecanismos
humectacioacuten y nucleacioacuten consolidacioacuten y coalescencia atricioacuten y rompimiento El aumento del
tamantildeo de partiacuteculas es un teacutermino geneacuterico que engloba las operaciones unitarias relacionadas
con la tecnologiacutea de materiales pulverizados de medios granulares y la mecaacutenica de soacutelidos
(Litster amp Bryan 2004)
La aglomeracioacuten depende de la naturaleza fiacutesica del sistema partiacutecula solidandashliacutequido aglomerante
y de las variables asociadas al equipo De esta forma es importante controlar dichos paraacutemetros
operacionales dado que una mala relacioacuten entre estos traeriacutea problemas en la operacioacuten
2
11 Estado del Arte
El proceso de aglomeracioacuten ha sido estudiado y analizado por varias deacutecadas el disentildeo y anaacutelisis
de tales sistemas permanece enraizado al empirismo debido a que no hay una metodologiacutea para el
disentildeo y operacioacuten de tales procesos asiacute mismos las plantas industriales donde se llevan a cabo
procesos de granulacioacuten y secado por aspersioacuten han enfrentado una serie de problemas
relacionados con la pegajosidad de las partiacuteculas inertes a las paredes de los diversos equipos
empleados incluyendo razones de reciclado pobre control en la calidad del producto obtenido
siendo necesario el reprocesado del producto incrementando el costo de produccioacuten Este
problema tiene su origen en el escaso entendimiento de la influencia de los paraacutemetros
operacionales sobre el proceso (Iveson amp Hapgood 2001)
Investigadores como (Lister amp Waters 1988) (Parveen 2012) han establecido que durante el
proceso de aglomeracioacuten se ve influenciado por la distribucioacuten de tamantildeos de los soacutelidos pues la
polidispersidad de la poblacioacuten de soacutelidos induce al recubrimiento o adhesioacuten de las partiacuteculas
pequentildeas sobre las de mayor tamantildeo Asiacute mismo existe una posible influencia combinada entre el
paraacutemetro temperatura (cuyos niveles de estudio son adecuados para averiguar la influencia de
eacuteste paraacutemetro sobre el comportamiento de crecimiento del aglomerado) y la polidispersidad de
los soacutelidos
(Sastry amp Fuerstenau 1973)Estudiaron que la adhesioacuten de partiacuteculas sin formacioacuten de puentes
(fuerzas de van der Waals o electrostaacuteticas) forman aglomerados relativamente deacutebiles En
cambio los que forman puentes son maacutes fuertes Por su parte (Canela 1996) determino que la
resistencia de los aglomerados depende de las fuerzas fiacutesicas que mantienen unidas a las
partiacuteculas y la magnitud de eacutestas depende del tamantildeo de partiacutecula la carga superficial la
estructura cristalina la proximidad de las partiacuteculas la cantidad de aditivos y de otras
propiedades fisicoquiacutemicas del sistema como lo son la naturaleza quiacutemica de la partiacutecula los
coeficientes de frotamiento interno de la partiacutecula masa volumeacutetrica y fuerza de cohesioacuten
(Schaafsma amp Kossen 2006)Estudiaron la influencia de alimentar el liacutequido aglomerante
atomizado por pulsos y temperatura del medio fluidizante (40 y 60degC) sobre el crecimiento del
aglomerado El aglomerador empleado teniacutea una geometriacutea coacutenica y contaba con un cicloacuten para
limpiar el aire de los finos arrastrados por eacuteste Se emplearon soacutelidos de α-lactosa monohidratada
malla No 110 y como liacutequido aglomerante polyvinylpirrolidona al 8 Los resultados obtenidos
indicaron que el crecimiento del aglomerado se ve influenciado por la humedad presente en el
lecho mientras que encontraron diferentes efectos de la temperatura del medio fluidizante sobre
el crecimiento del aglomerado a baja temperatura 40degC el graacutenulo crece a su tamantildeo final maacutes
raacutepido que a 60degC
(Tan HS Salman AD 2006)Estudiaron la influencia de algunos paraacutemetros operacionales
responsables del crecimiento del aglomerado empleando como soacutelido de trabajo Glass Ballotini
cuya distribucioacuten de tamantildeos estaba comprendida entre 73-375 microacutemetros El agente
3
aglomerante empleado fue Polyentilen Glycol Los paraacutemetros operacionales analizados fueron
tasa de atomizacioacuten del agente aglomerante (288 m3 ∙s-1) temperatura en el lecho de soacutelidos
(28 32 36 y 40degC) presioacuten de atomizacioacuten (15 bar) y velocidad del aire fluidizante (097 m∙s-1)
Los resultados indicaron que el crecimiento del aglomerado depende directamente de la cantidad
relativa del agente aglomerante atomizado sobre el lecho el cual determina la velocidad del
proceso de agregacioacuten Asiacute mismo el crecimiento del aglomerado se ve favorecido con el
incremento en los niveles de temperatura Con referencia al tamantildeo de gota del agente
aglomerante atomizado concluyeron que una gota de mayor tamantildeo incrementa el crecimiento
global del aglomerado mientras que una gota de menor tamantildeo induce a un crecimiento inicial
maacutes raacutepido Finalmente el crecimiento global del aglomerado se reduce al incrementar la
velocidad del aire
(Dolinski 2000) Encontroacute que en el secado de aspersioacuten de zumos de frutas con elevado contenido
de azucares los compuestos tienen temperaturas de transicioacuten viacutetrea bajas presenta problemas
de pegajosidad (stickiness) El teacutermino ldquostickinessrdquo hace referencia a los fenoacutemenos de cohesioacuten
partiacutecula-partiacutecula y de adhesioacuten partiacutecula-pared que presentan los polvos obtenidos que dificulta
su presentacioacuten en estado polvo y mancha las paredes de los cilindros de pulverizacioacuten (Al quedar
en la pared del compartimiento de secado como un jarabe da lugar a bajas producciones del
producto y a problemas operacionales)
(Boonyai 2004) Explica que la mayor causa de la pegajosidad en polvos amorfos de zumos en el
secado por aspersioacuten es la accioacuten plastificante del agua en la superficie que da lugar a la adhesioacuten
y cohesioacuten El alto contenido en azuacutecares de bajo peso molecular y aacutecidos orgaacutenicos disminuye la
temperatura de transicioacuten viacutetrea (Tg) por debajo de la temperatura de preparacioacuten del producto
incluso a la temperatura de salida del secado Esto conlleva a la existencia de un estado pseudo-
liacutequido de material amorfo que es responsable de la cohesioacuten interpartiacuteculas y de la adhesioacuten de
las partiacuteculas a las paredes del cilindro Cuanto mayor sea esta diferencia de temperatura (ΔT=Tp -
Tg) mayor seraacute el grado de pegajosidad
Como puede visualizarse existe un grupo muy amplio de paraacutemetros operacionales que inciden en
el comportamiento del proceso de aglomeracioacuten y los problemas asociados a este Sin embargo la
investigacioacuten y anaacutelisis de este tipo de proceso se centra en los paraacutemetros que se pueden
controlar de manera adecuada pues los equipos empleados para tal investigacioacuten son de tipo
escala piloto o banco los cuales son disentildeados y construidos para manipular un nuacutemero reducido
de paraacutemetros Por su parte se han propuestos teacutecnicas para resolver anomaliacuteas presentadas por
la influencia de variables que se afectan unas con otras
(Espantildea Patente nordm 36848 1967) Propuso un procedimiento para obtener aglomerados fuertes de
cafeacute soluble mediante la reduccioacuten de la temperatura de las partiacuteculas hasta menos 7deg antes de
entrar en contacto con vapor de agua y con humedades de 3 a 4 El enfriamiento se logra con la
inyeccioacuten de co2 liquido en el molino de martillos asiacute mismo demostroacute que la reduccioacuten de
tamantildeo a menos de 54 micras se forman enlaces fuertes y se evita la degradacioacuten o separacioacuten de
los graacutenulos durante el secado en la caacutemara Su metodologiacutea consistioacute en pruebas a diferentes
4
niveles de temperaturas cantidad de vapor humedad y temperatura del producto inicial
obteniendo aglomerados de gran dureza y buena apariencia fiacutesica
(Schaafsma SH 1998) Propuso en su trabajo de investigacioacuten relacionado con la aglomeracioacuten de
soacutelidos un proceso de crecimiento de un aglomerado originado a partir de una gota de liacutequido En
su propuesta describe el crecimiento del aglomerado a partir de dos etapas Inicialmente se
presenta un raacutepido crecimiento que toma lugar por el mojado de las partiacuteculas lo cual resulta en
la formacioacuten de un aglomerado inicial La segunda etapa de crecimiento es iniciado por el
transporte de liacutequido del aglomerado hacia las partiacuteculas que lo rodea El crecimiento del
aglomerado toma lugar por la unioacuten de partiacuteculas Si un poro en la superficie de un aglomerado
estaacute saturado con liacutequido entonces partiacuteculas libres pueden alcanzar la fase liacutequida en el poro y un
puente liacutequido puede ser formado Acorde a este proceso se puede concluir que la distribucioacuten de
tamantildeos de partiacuteculas y porosidad juega un papel importante en el tamantildeo final del aglomerado
Diversos autores han utilizado diferentes aproximaciones ingenieriles para entender y describir el
comportamiento de un proceso de granulacioacuten Un anaacutelisis estadiacutestico de un disentildeo experimental
permite determinar cualitativamente el efecto de un paraacutemetro del proceso sobre el aglomerado
tomando como referencia el tamantildeo promedio de la poblacioacuten de partiacuteculas aglomeradas
(Montgomery 2007) Mientras que el uso de un balance de poblacioacuten permite tratar de manera
fundamental procesos que involucran fenoacutemenos de nacimiento y muerte de partiacuteculas en un
determinado volumen de control (VC) (Hulbert 1967)
(Cryer A S y Scherer NR 2003 ) Implementaron un disentildeo factorial fraccional a frac12 en un
aglomerador coacutenico para evidenciar la influencia de ciertos paraacutemetros importantes relacionados
con la aglomeracioacuten de un producto agroquiacutemico cuya distribucioacuten inicial comprendiacutea tamantildeos
entre 01 a 100 micrones y cuyo diaacutemetro promedio inicial era de 20 micrones El agente
aglomerante empleado fue agua destilada Los paraacutemetros operacionales analizados fueron flujo
de aire (0106-0153 m3 s-1) temperatura de alimentacioacuten del aire (40-60degC) tasa de atomizacioacuten
del agente aglomerante (370x103 -542x103 kg s - 1 ) carga de soacutelidos inicial (25-35kg) y altura de
la boquilla de atomizacioacuten (posiciones 1 y 3) A partir del anaacutelisis estadiacutestico (el cual se realizoacute con
un nivel de significancia de 99) se evidencioacute la significancia de los factores bajo estudio siendo la
tasa de atomizacioacuten y carga de soacutelidos los de mayor efecto mientras que la temperatura y flujo de
aire resultaron marginalmente significativos en el crecimiento del aglomerado mientras que la
altura de la boquilla no influye en el crecimiento del aglomerado
(Riacuteos 2005) Implementoacute un disentildeo factorial 2 a la 3 en un aglomerador de lecho fluidizado coacutenico
para aglomerar soacutelidos de Tamarindo con un diaacutemetro promedio de 784 micrones Los factores
controlables fueron temperatura del aire fluidizante (80-100degC) tiempo de atomizacioacuten (3-5 min)
y masa de soacutelidos cargados al sistema (200-300g) El agente aglomerante empleado fue agua
destilada El anaacutelisis estadiacutestico (realizado con un nivel de significancia del 95) determinoacute que el
tiempo de atomizacioacuten del agente aglomerante fue el principal paraacutemetro que afecta el
crecimiento del aglomerado mientras que la temperatura y carga de soacutelidos no afectan el
crecimiento del aglomerado Cabe resaltar que se probaron los niveles de significancia de 90 y
5
75 con el objetivo de probar los posibles efectos de los paraacutemetros que no resultaran
significativos a un nivel del 95 El resultado obtenido a un nivel de significancia del 90
determinoacute que el tiempo de atomizacioacuten asiacute como la temperatura del aire resultaron
significativos es decir afectan en el crecimiento del aglomerado Asiacute mismo se determinoacute que a
un nivel de significancia del 75 los paraacutemetros tiempo de atomizacioacuten temperatura carga de
soacutelidos asiacute como la interaccioacuten entre la temperatura y carga de soacutelidos afectan el crecimiento del
aglomerado El anaacutelisis realizado a estos niveles de significancia (75 y 90) se evaluaron para
futuros trabajos relacionados con la aglomeracioacuten de soacutelidos de Tamarindo
(Dacanal amp Menegalli 2008) Implementaron un disentildeo factorial fraccional 24-1 en un aglomerador
con geometriacutea coacutenica el cual contaba con un cicloacuten para limpiar el aire de los finos arrastrados
con el objetivo de evidenciar la significancia de ciertos paraacutemetros operacionales que influyen en
el proceso de crecimiento de aglomerados de soacutelidos de acerola (Cerezo de las Antillas) La
poblacioacuten inicial de los soacutelidos contaba con un diaacutemetro promedio inicial de 954 micrones El
agente aglomerante empleado fue agua Los paraacutemetros bajo estudio fueron temperatura del aire
fluidizante (75-90degC) velocidad del aire fluidizante (025-045 ms-1 ) flujo de aire de atomizacioacuten
(050-070 lh-1 ) y altura de la boquilla con respecto al lecho (050-070 m) El anaacutelisis estadiacutestico
(realizado con un nivel de significancia del 95) evidencioacute la influencia de solo la velocidad del aire
sobre el crecimiento del aglomerado Sin embargo los autores expresan que la temperatura del
aire debe afectar el crecimiento del aglomerado pero los niveles ensayados no fueron los
adecuados Cabe resaltar que la altura de la boquilla y flujo de aire en la boquilla no resultaron
significativos es decir no influyeron en el crecimiento del aglomerado
6
12 Planteamiento del Problema
En Cafeacute Tostado de Exportacioacuten durante el proceso de aglomeracioacuten de cafeacute soluble para la
obtencioacuten de granulado efectuado en un secador por aspersioacuten con lecho fluido integrado se
presenta la pegajosidad de los polvos finos a las paredes de la base coacutenica del equipo y conforme
transcurre el tiempo la cantidad adherida se compacta formando capas gruesas llegando al punto
en que el mismo calor en el interior lo derrite y cae en forma de masas elaacutesticas o masas solidas de
gran volumen obstruyendo el paso de los graacutenulos por lo que la produccioacuten se detiene generando
contratiempos al quitar todo el cafeacute compactado Esta anomaliacutea afecta la eficiencia del proceso y
disminuye el rendimiento
La problemaacutetica se da en la produccioacuten de diversos tipos de cafeacute granulado desde mezclados
descafeinados y puros asiacute como en los diversos paraacutemetros de operacioacuten y aunque se han
implementado vibradores de alto rendimiento en la base coacutenica del equipo el problema sigue
teniendo impacto
13 Objetivos General
Optimizar el proceso de aglomeracioacuten de polvos finos de cafeacute soluble para la mejora del
rendimiento
Especiacuteficos
Evaluar el efecto de las variables de operacioacuten sobre el comportamiento de los
aglomerados asiacute como las caracteriacutesticas finales deseadas
Determinar mediante corridas experimentales las variables con mayor incidencia en la
pegajosidad del producto
Optimizar los paraacutemetros operacionales mediante el balance de materia y energiacutea
13 Definicioacuten de variables
Las variables que se manejaran en este proyecto se mencionan a continuacioacuten
Condiciones operativas del sistema temperatura de aire de entrada y salida presioacuten de
vapor flujo de aire de entrada y salida
Propiedades de los soacutelidos iniciales tamantildeo de partiacutecula humedad temperatura y
densidad
Humedad relativa del aire
Presioacuten del sistema y trasferencia de calor
7
15 Hipoacutetesis
1 Los aglomerados pierden cohesioacuten durante el secado debido a que hay un enlace de
partiacuteculas deacutebiles las cuales se separan generando una cantidad de polvos finos que son
arrastradas por la corriente de aire de forma turbulenta hasta la parte inferior dando
lugar a la adhesioacuten y compactacioacuten
2 La variacioacuten de la presioacuten del sistema (vaciacuteo) presenta anomaliacuteas en la distribucioacuten de
aire trayendo consigo alto acarreo de polvos finos por lo que presenta depoacutesitos a las
paredes de la caacutemara de secado
3 La continua variacioacuten de las condiciones de operacioacuten afecta en la formacioacuten y crecimiento
de las partiacuteculas dando lugar al arrastre excesivo de polvos como del medio aglomerante
reflejando en el escaso o nulo crecimiento de la partiacutecula y por ende adhesioacuten a las
paredes
4 La concentracioacuten de azucares tiene efecto significativo en la pegajosidad
16 Justificacioacuten del Proyecto
Hoy en diacutea el control de los procesos de aglomeracioacuten bajo su contexto de granulacioacuten huacutemeda es
muy complejo al llevar a cabo diferentes mecanismos dentro de sistemas que manejan
transferencia de calor transferencia de masa mecaacutenica de fluidos y termodinaacutemica por
consiguiente dependen de las variables de operacioacuten la naturaleza de los soacutelidos y del liacutequido
ligante
El presente proyecto se realiza en una empresa de cafeacute soluble donde se lleva cabo el proceso de
aglomeracioacuten en la cual presenta problemas de pegajosidad de partiacuteculas finas a las paredes del
equipo y el rendimiento se ve afectado El proyecto es seguimiento de un estudio anterior en la
que se analizaron y estudiaron varios tipos de cafeacutes encontraacutendose que los mezclados
presentaban maacutes adhesioacuten que los puros por consiguiente se determinaron las condiciones
oacuteptimas de operacioacuten de acuerdo las especificaciones finales mediante el uso de graficas de
control sin embargo eso no detuvo la problemaacutetica ya que hasta la fecha sigue presenciaacutendose
Siendo necesario estudios maacutes a fondo basado en teacutecnicas experimentales o de modelos
matemaacuteticos para entender la interaccioacuten de una variable sobre el comportamiento
La finalidad de este proyecto es la optimizacioacuten de los paraacutemetros operacionales de las variables
del proceso que inciden en la anomaliacutea Para ello se emplearan herramientas estadiacutesticas (disentildeo
de experimentos) para la evaluacioacuten y determinacioacuten de los efectos de las variables de entrada
(factores) sobre una variable de salida (respuesta) y el balance de materia-energiacutea para el control y
la optimizacioacuten
8
17 Limitaciones y Alcances
Limitaciones
Se respetaran los lineamientos de la empresa por lo que los nombres de los productos a
estudiar seraacuten restringidos y su uso seraacute mediante letras o nuacutemeros
El tiempo de estudio comprenderaacute 3 meses por lo que simplemente se abarcaran los
tipos de cafeacute que se produzcan en ese lapso
Debido a que el proceso es continuo los operarios son los uacutenicos que tienen el control de
las condiciones del equipo por consiguiente se tomaran solo los paraacutemetros empleados
para cada tipo de producto y estas son las que se manejaran en el disentildeo experimental
Alcances
Determinacioacuten de los factores influyentes en la pegajosidad del cafeacute y optimizacioacuten de los
mismos
Control de los paraacutemetros operacionales
Implementacioacuten de acciones de mejora continuacutea para el sistema
18 La Empresa
Cafeacute Tostado de Exportacioacuten tiene su inicio el 13 de Mayo de 1972 en la Ciudad de Tuxtla
Gutieacuterrez Chiapas Es una empresa que pertenece al grupo SANROKE que actualmente se
encuentra ubicada en la ciudad de Coacuterdoba Veracruz Comenzoacute produciendo cafeacute tostado y
molido posteriormente inicia en el proceso de cafeacute soluble logrando obtener otros subproductos
del cafeacute soluble como el aglomerado lechero y capuchino Fue una de las primeras empresas en
su ramo en estar certificada por la norma ISO 90012008 Actualmente cuenta con certificaciones
de labor social medio ambiente calidad orgaacutenicas e inocuidad lo que refleja su cumplimiento de
los estaacutendares internacionales
Es una compantildeiacutea liacuteder por su firme compromiso con la calidad y la satisfaccioacuten del cliente
Sumando hasta el diacutea de hoy deacutecadas de experiencia y dedicacioacuten en la industria del cafeacute El
aumento del consumo de esta bebida en el mundo ha sido paralelo a su desarrollo econoacutemico
representando una gran oportunidad para encontrar nuevos socios y expandir sus actividades
demostrando al resto del mundo coacutemo la disciplina y el trabajo duro conducen al eacutexito
Misioacuten
Elaboracioacuten de productos de la maacutes alta calidad a traveacutes de la seleccioacuten de materia prima superior
y los maacutes altos estaacutendares de manufactura satisfaciendo el gusto de los consumidores generando
beneficios para los accionistas colaboradores clientes proveedores y comunidad en general
9
Visioacuten
Convertirse en liacutederes del mercado nacional y ampliar su presencia en el mercado extranjero con
productos de calidad insuperable con el mejor sabor que proporcione deleite y satisfaccioacuten a
quien los consuma
En cafeacute tostado de exportacioacuten para obtener cafeacute soluble granulado se llevan cabo varias
operaciones unitarias
Tostado se exponen los granos de cafeacute a un calentamiento en el cual provoca inicialmente
una liberacioacuten de agua ligada hasta alcanzar el calor deseado mantenieacutendolo en continuo
movimiento para asegurar un tostado completo del grano cuando finaliza el tostado el
cafeacute es enfriado y almacenado
Molienda y Extraccioacuten para la reduccioacuten del tamantildeo el cafeacute tostado requiere un corte
mediante una accioacuten de compresioacuten y friccioacuten para provocar partiacuteculas de tamantildeo y
forma adecuados Una vez molido se hace la extraccioacuten de solidos solubles aplicando agua
caliente para generar una infusioacuten que obtenga todo el sabor y aroma presente en los
granos
Centrifugacioacuten y evaporacioacuten mediante una maacutequina de fuerza centriacutefuga se elimina la
mayor parte de los residuos que quedan de la extraccioacuten Posteriormente el extracto
liacutequido obtenido entra en la evaporacioacuten donde se elimina la mayor parte de agua y el
producto queda concentrado
Secado el liacutequido es secado mediante un secador por aspersioacuten en una corriente de aire
caliente donde las gotitas finamente al contacto con el calor evaporan el agua
convirtieacutendose en polvo esfeacuterico instantaacuteneo
Aglomeracioacuten es la operacioacuten designada para la formacioacuten de partiacuteculas de mayor
tamantildeo operando sobre la base de re-humidificacioacuten de la superficie del polvo de cafeacute con
vapor de agua en una atmoacutesfera turbulenta de aire caliente de manera que al colisionar
las partiacuteculas entre siacute los finos se adhieren a los gruesos formaacutendose los aglomerados
La variedad de presentaciones y la calidad de sus producto han permitido permanecer en el gusto
del puacuteblico contando con sus tradicionales cafeacutes tostados y molidos los praacutecticos cafeacutes solubles
aglomerados y ahora liofilizado caacutepsulas de cafeacute expreso teacute de cafeacute verde y crema untable
Caferetas Actualmente es liacuteder en el mercado internacional del cafeacute instantaacuteneo liacuteder local y
regional de cafeacute soluble granulado bajo el nombre de cafeacute ldquoLos Portales de Coacuterdoba ldquo
10
CAPIacuteTULO 2 METODOLOGIacuteA
21 Eleccioacuten de los factores y los niveles
Los factores seraacuten las condiciones de operacioacuten del equipo aglomerador de las cuales se
seleccionaran solo las que tengan maacutes impacto en la formacioacuten del granulo y posible influyente en
el problema los niveles estaraacuten definidos como altos y bajos
22 Seleccioacuten de la variable de respuesta
La variable de respuesta estaacute definido como las caracteriacutesticas fisicoquiacutemicas del producto final color densidad humedad dureza y porcentaje de aglomerado pero solo se seleccionaraacuten dos de ellas Tambieacuten se contemplara como respuesta el porcentaje de adhesioacuten
23 Eleccioacuten del disentildeo experimental
La eleccioacuten del disentildeo implicara la consideracioacuten del tamantildeo de la muestra (nuacutemero de reacuteplicas)
El intereacutes se centrara en identificar queacute factores causan esta diferencia y en estimar la magnitud
del cambio de la respuesta Por lo que pueden utilizarse uno o maacutes disentildeos experimentales de
acuerdo a las variables manejadas las cuales pueden ser factorial por bloques completamente al
azar y superficie de respuesta
24 Realizacioacuten del disentildeo de experimentos
Una vez seleccionado el o los disentildeos se ejecutaran para obtener los valores de las respuestas para
la cuales se contara con el apoyo de aacuterea de control de calidad quien proporcionara esta
informacioacuten asiacute como tambieacuten la ayuda de los operarios quienes son los expertos en manejar las
condiciones del equipo Los datos obtenidos se ingresaran a un programa estadiacutestico para
determinar los efectos y obtener las graacuteficas
25 Monitoreo de los flujos de aire humedad relativa y presioacuten del sistema
Se haraacute un monitoreo en los flujos de aire humedad relativa y presioacuten del sistema en lapso de
tiempo adecuado para evaluar el comportamiento de estas variables los datos se registraran en
Excel para la elaboracioacuten de graacuteficas
26 Anaacutelisis de datos
En esta fase se utilizaran programas estadiacutesticos para analizar y comparar los datos a fin de
determinar que los resultados y las conclusiones sean objetivos Se aplicara un anaacutelisis de varianza
11
(anova) la cual puede ser de un solo factor o multifactorial con niveles de significancia
dependiendo del tipo de disentildeo y con ello se haraacute la prueba de hipoacutetesis
27 Anaacutelisis de los efectos de los paraacutemetros operacionales
El anaacutelisis de los efectos de los paraacutemetros operacionales (factores) sobre la variable de
respuesta se efectuara mediante las graacuteficas de interaccioacuten y las graacuteficas de efectos normales que
se obtendraacuten en el software estadiacutestico con la finalidad de determinar coacutemo afecta cada factor
en el comportamiento de una propiedad caracteriacutestica del granulo
28 Aplicacioacuten del balance de materia y energiacutea
Para realizar este caacutelculo primero se haraacuten las conversiones de flujo de aire de velocidad angular a
velocidad lineal para posteriormente calcular el caudal del aire que pasa por los conductos asiacute
mismo se calculara el volumen de la caacutemara de secado y la base conicaEl uso de la carta
psicomeacutetrica seraacute de gran importancia para determinar la humedad absoluta del aire las
eficiencias teacutermicas y la temperatura de saturacioacuten adiabaacutetica Para la entalpia del aire se
utilizaran foacutermulas adecuadas de termodinaacutemica Las formulas del balance de materia y energiacutea
que se utilizara seraacute las establecidas para secadores por aspersioacuten Una vez reunido los valores se
sustituiraacuten para obtener los correspondientes la variable que se necesita encontrar es la cantidad
de humedad relativa y el calor en la salida de la caacutemara de secado
29 Optimizacioacuten del proceso
La optimizacioacuten del proceso se efectuaraacute de acuerdo a los resultados de los monitoreos del flujo
de aire humedad relativa los efectos obtenidos en el disentildeo de experimentos y sobre todo los
caacutelculos de balance de materia ndashenergiacutea
12
CAPIacuteTULO 3 DESARROLLO DEL PROYECTO
31 Equipo experimental
El equipo experimental utilizado fue un secador por aspersioacuten con lecho fluido integrado (Anexo1)
que consta de una caacutemara de secado proyectado sobre una base coacutenica mediante la cual una
corriente de aire caliente es suministrado por un ventilador de entrada creando una atmosfera
turbulenta donde los polvos finos entran en contacto con vapor de agua y mediante el secado se
forman los aglomerados este equipo maneja varias condiciones de operacioacuten que le dan las
caracteriacutesticas al producto Las herramientas estadiacutesticas empleados fueron Excel para el anaacutelisis
de varianza y prueba de hipoacutetesis del disentildeo por bloques al azar minitab para el anaacutelisis de los
efectos de los factores sobre la variable de respuesta y stargrapics para el anaacutelisis de varianza del
segundo disentildeo experimental
32 Monitoreos
Se hizo un monitoreo en los flujos de aire de entrada flujo de salida el vaciacuteo del sistema y la
humedad relativa del aire en un lapso de 5 horas diarias por 10 lotes de produccioacuten evaluando
tambieacuten la adhesioacuten en cada uno de ellos se registraron los datos en Excel mediante estos datos
se elaboroacute una graacutefica de dispersioacuten para ver el comportamiento de estas variables
33 Disentildeo de experimentos
Se utilizoacute un disentildeo de bloques completamente al azar en la cual los tratamientos fueron la
concentracioacuten de azucares con respuesta de porcentaje de adhesioacuten Cabe mencionar que cada
tratamiento indica un tipo de producto por su concentracioacuten
Tabla 1 Tratamientos del disentildeo por bloques al azar
TRATAMIENTO CONCENTRACION
A 0
B 5
C 10
D 15
F 17
Se formularon dos hipoacutetesis
H0=La concentracioacuten de azucares no tiene efecto en la pegajosidad de los polvos finos si F es
menor o igual a la F tabulada
13
H1=La concentracioacuten de azucares tiene efecto significativo si F de Fisher es mayor que la F
tabulada
Se utilizoacute un disentildeo factorial 23 para determinar el efecto de tres condiciones de operacioacuten
(factores) las cuales fueron velocidad de aire temperatura de entrada y temperatura de salida con
dos niveles teniendo como respuestas la dureza del granulo para 5 tipos de cafeacute soluble
Tabla 2 Factores y niveles del Disentildeo factorial 23
TIPOS FACTORES NIVEL BAJO NIVEL ALTO RESPUESTAS
Cafeacute soluble
ABCDF
Temperatura de entrada
217 227 220 212
235 231 236 228
Dureza
Temperatura de salida
133 139 137 134
135 142 138 135
Velocidad de aire
800 849 690 975
1000 850 950 1050
Tambieacuten se empleoacute un disentildeo factorial de 23 para determinar los efectos de tres factores No
Criba del molino de martillos con nivel de 33-55 la presioacuten de vapor con nivel de 15-20 y la
temperatura de producto nivel de 30-35 las respuestas que se eligieron para este disentildeo fue la
dureza del granulo y el porcentaje de aglomerado este experimento se inicioacute empleado la
herramienta estadista minitab en la cual se ingresaron estos factores con sus niveles arrojando 8
corridas por las combinaciones
Tabla 3 Corridas experimentales del disentildeo 23
Factores
corridas Presioacuten de
vapor
NoCriba Temperatura de
partiacutecula
1 15 33 30
2 2 33 30
3 15 54 30
4 2 54 30
5 15 33 35
6 2 33 35
7 15 54 35
8 2 54 35
14
34 Realizacioacuten del disentildeo de experimentos
Para la ejecucioacuten del disentildeo de experimentos se siguioacute con el programa de produccioacuten iniciando
con el disentildeo por bloque completamente al azar la cual se llevoacute en la aglomeracioacuten de 5 tipos de
cafeacute con diferentes concentraciones mencionadas anteriormente desde el arranque del equipo en
la cual los soacutelidos finos iniciales que se cargaron fueron un cafeacute A sin concentracioacuten
posteriormente se cambioacute a los siguientes tipos (BCDF) las condiciones operativas del equipo
estuvieron de la siguiente manera temperaturas de entrada de 190 a 230 temperatura de salida
de 100-140 y velocidad de aire de 600 a 1000 rpm Cada vez que se haciacutea un cambio de producto
se sacoacute la cantidad de solidos finos adheridos de la siguiente manera
(Cantidad alimentada x 98 de rendimiento fijo)- (Cantidad producida)
Mediante esta foacutermula se obtuvo el porcentaje de cada tipo de cafeacute retenido en la base coacutenica
Cantidad adherida x 100
Cantidad alimentada
Los datos quedaron registrados en la tabla 4 donde cada repeticioacuten indica un lote de produccioacuten
diferente
Tabla 4Disentildeo de bloques completamente al azar
REPETICIONES
TRATAMIENTOS I II III
A 625 6033 702
B 1071 859 12
C 7015 6033 927
D 583 95 892
F 992 704 859
G 113 853 905
El primer disentildeo factorial se llevoacute a cabo en la aglomeracioacuten de 4 tipos de cafeacute soluble en la cual
se monitoreo la interaccioacuten de cada factor de acuerdo a los niveles establecidos sobre la respuesta
y se registraron los resultados Las partiacuteculas finas teniacutean las siguientes propiedades iniciales
Densidad 180-210 grcm3
Color 72-84
Humedad 2 a 35
15
Los resultados de los anaacutelisis fisicoquiacutemicos (dureza) fueron proporcionados por el aacuterea de control
de calidad estos datos se ingresaron en minitab y se hizo el anaacutelisis factorial obteniendo las
graacuteficas de interaccioacuten asiacute como tambieacuten la significancia de los efectos
El segundo disentildeo factorial se llevoacute cabo en la aglomeracioacuten de un lote de cafeacute soluble regular con
las siguientes propiedades
Color 72-85
Humedad 2-35
Densidad 190-210
La duracioacuten del lote fue de 10 horas el equipo empleo una velocidad de aire entrada de 900 rpm
con temperatura de 220degc y una velocidad de aire salida de 1765 rpm con temperatura de 135 degC
Se recibioacute ayuda por parte de los operarios para las combinaciones y cada vez que esta se
ejecutaba se tomoacute muestras de 10 grs y se llevoacute a control de calidad para los anaacutelisis de dureza y
porcentaje de aglomerado por cada corrida finalizando este experimento se registraron todos los
resultados en minitab y se hizo el anaacutelisis del disentildeo para las significancias de los factores cabe
mencionar que mediante este programa se obtuvieron las graacuteficas de interaccioacuten
35 Anaacutelisis de datos
Para determinar cualitativamente el efecto de los paraacutemetros del proceso en la aglomeracioacuten de
las partiacuteculas de cafeacute soluble se aplicoacute un anaacutelisis de varianza (ANOVA) con un nivel de
significancia α del 5 a los resultados experimentales La dureza y el porcentaje de
aglomerado se seleccionaron como paraacutemetro de respuestase utilizo el programa de stargrapics
para el anaacutelisis
36 Balance de materia energiacutea
Para el balance de materia y energiacutea primero se hicieron las conversiones de la velocidad angular
del aire de entrada y salida (rpm) a velocidad lineal (ms) empleando la foacutermula
(1rpm) (2π rad)60 x (radio) Asiacute como el caacutelculo del volumen de la caacutemara de secado (anexo 3)
El caacutelculo del caudal de aire de entrada se realizoacute empleando la foacutermula
119876 = 119881 119878
Donde
V=velocidad lineal del aire (ms)
S=aacuterea de la seccioacuten trasversal (m2)
El radio de la seccioacuten transversal para ventilador de entrada fue 0335 y la de salida de 0195
Se sacaron las eficiencias teacutermicas del equipo de la siguiente manera
16
Eficiencia teacutermica global= (11987911198792
1198792119879119900)
Eficiencia de evaporacioacuten= (1198791 1198792
1198791 119879119904119886119905)
Para determinar las temperaturas de saturacioacuten adiabaacutetica (TSAT) y (T0) se utilizoacute la carta psicomeacutetrica (Anexo 2) El balance quedo estructurada de la siguiente forma
Figura 1 Diagrama de flujo del aglomerador
Donde FS1=masa del solido seco (kg)
Ga flujo de aire (kgh)
Ws=contenido de humedad del alimento (kg agua kg solido seco)
Ta=temperatura de entrada
Ta1=temperatura de salida
Ta2=temperatura de solidos
Ga1=flujo de aire entrada
Ga2=flujo salida de aire
H1= humedad relativa del aire entrada
H2=humedad relativa del aire salida
El balance del sistema sin peacuterdidas ni acumulacioacuten quedo de la siguiente manera
FS WS1 +Ga Ha1 = FS WS2 +Ga Ha2
17
Mientras que el balance de energiacutea
FS QS1+ Ga Qa1 = FS QS2 +Ga Qa2 +QL
Donde qs1 y qs2 son las entalpiacuteas del soacutelido entrando y saliendo del secador (KJKg) qa1 y qa2 son
las entalpiacuteas del aire entrando y saliendo del secador (KJKg) qL es el calor perdido (KJ)
El balance con respecto a la humedad se determinoacute mediante la siguiente formula
GH2 LS X1 GH1 LS X2
Donde
GH2= flujo de aire
Ls = flujo de alimentacioacuten
X1= humedad de los soacutelidos iniciales
La entalpia de la salida de aire se calculoacute mediante la foacutermula
HG C2 (TG T0) H
Donde
TG= Temperatura del aire
T0= Temperatura saturacioacuten
H=Entalpia del solido seco
37 Optimizacioacuten
La optimizacioacuten del proceso se llevoacute a cabo en el control de los factores incidentes en la cual se establecieron los rangos a utilizar esto derivado de los caacutelculos de balance y lo obtenido de los efectos en el disentildeo experimental los operarios se apegaron a estas condiciones con sus respectivos rangos y lo llevaron a cabo durante 8 lotes de produccioacuten en ese lapso de tiempo se evaluoacute el comportamiento del rendimiento se registraron los datos y se graficaron
18
CAPIacuteTULO 4 RESULTADOS Y CONCLUSIONES
41 Resultados
Anaacutelisis de efectos disentildeo factorial No1
Figura 2Grafica de efectos normales para el cafeacute soluble ABCD
En la figura 2 se observa la distribucioacuten de los factores A B C para los 4 tipos de cafeacute en la cual la
temperatura de entrada tiene efecto significativo en la dureza con una significancia del 92
mientras que los demaacutes factores no presentaron efectos significativos aunque tambieacuten influyen en
una combinacioacuten para dar la caracteriacutestica fisicoquiacutemica
19
Figura 3Grafica de interaccioacuten para cafeacute
soluble A
Figura 4 Grafica de interaccioacuten para cafeacute
soluble B
Figura 5Grafica de interaccioacuten para cafeacute soluble
C
Figura 6Grafica de interaccioacuten para cafeacute
soluble D
En las figuras 3 4 5 y 6 se muestran el comportamiento de la dureza de acuerdo a los factores
manejados para los cuatro tipos de cafeacute y en cada una de ella se aprecia que los niveles menores
de la temperatura de salida con la temperatura de entrada dieron una dureza igual y por debajo
de 10 asiacute mismo en el factor de velocidad de aire tambieacuten tuvo un comportamiento con niveles
menores Cabe mencionar que ninguna de las combinaciones obtuvo una dureza optima por lo
que se determinoacute que el incremento en la temperatura de salida aumenta la dureza obteniendo
un granulo maacutes fraacutegil
20
Anaacutelisis del disentildeo factorial No2
Figura 7Grafica de efectos normales para
dureza del cafeacute regular
Figura 8Grafica de efectos principales para dureza
del cafeacute regular
En las figuras 7 y 8 se observa que el No de criba tiene efecto significativo sobre la dureza es decir
entre menor abertura tenga la criba la dureza es mucho menor los graacutenulos son maacutes resistentes
mientras que entre mayor sea la abertura los graacutenulos son maacutes fraacutegiles (dureza alta) cabe
mencionar que la mejor dureza obtenida fue con el nuacutemero de malla 33 la presioacuten de vapor de
15 y la temperatura de partiacutecula de 30deg c
Figura 9 Grafica de efectos normales para
porcentaje de aglomerado del cafeacute regular
Figura 10Grafica de interaccioacuten para porcentaje
de aglomerado del cafeacute regular
21
En las figuras 9 y 10 se observa que la temperatura del producto el nuacutemero de criba tiene efecto
significativo sobre el porcentaje de aglomerado entre mayor es el nivel el porcentaje de
aglomerado disminuye determinado que hay maacutes cantidad de polvos finos asiacute mismo si el nivel
de los factores es bajo el porcentaje incremente constantemente Por lo que el comportamiento
del graacutenulo se acopla al incremento o disminucioacuten de estas variables
Monitoreos
Figura 11Grafica de dispersioacuten de la presioacuten del sistema
Figura 12 Grafica del vaciacuteo vs porcentaje de adhesioacuten
En las figuras 11 y 12 se observa el comportamiento del vaciacuteo con las variaciones de aire de
entrada Cabe mencionar que el sistema empleo una sola salida de aire de 1765 rpm Durante los
monitoreos los productos presentaron pegajosidad con entradas de aire menores a 900 rpm
mientras tanto de 1000 a 1150 rpm los productos no presentaron pegajosidad Lo mismo sucedioacute
en el comportamiento del vaciacuteo del sistema para la cual la pegajosidad aumenta y el rendimiento
disminuye con respecto al incremento del vaciacuteo Por lo que esta variable es el factor determinante
y con ello se prueba la hipoacutetesis que la variacioacuten en la presioacuten del sistema genera un arrastre
excesivo de polvos y la humedad no se elimina lo suficiente
120011001000900800700600
08
07
06
05
04
velocidad de entrada( Rpm)
vacio
del
sis
tem
a (
inh
20
)
Graacutefica de dispersioacuten de vacio del sistema vs velocidad de entrada
0
2
4
6
8
10
12
14
0 02 04 06 08 1
D
E A
DH
ESIO
N
VACIO DEL SISTEMA IN H20
22
Figura 13 Graacutefico de humedad relativa del aire
En la figura 13 se aprecia que la humedad relativa del aire inicialmente fue de 66 que
incrementoacute durante los siguientes diacuteas pero fue disminuyendo hasta llegar al 50 Esto debido a
los cambios climaacuteticos cabe mencionar que el equipo no cuenta con un filtrador para retirar el
porcentaje de agua del aire por lo que esta ingresa directamente a la caacutemara de secado siendo
una variable maacutes influyente en la adhesioacuten de los polvos finos
Anaacutelisis de datos
Tabla 5 Anaacutelisis de varianza de dos factores con una sola muestra por grupo
RESUMEN Cuenta Suma Promedio Varianza Fila 1 3 19303 643433333 026902633
Fila 2 3 313 104333333 296443333 Fila 3 3 22318 743933333 275458633 Fila 4 3 2425 808333333 389223333 Fila 5 3 2555 851666667 207763333 Fila 6 3 2888 962666667 216763333
Columna 1 6 51025 850416667 582740417 Columna 2 6 45726 7621 21353864 Columna 3 6 5485 914166667 260997667
Origen de las variaciones
Suma de cuadrados
Grados de libertad
Promedio de los cuadrados F Probabilidad
Valor criacutetico para
F Tratamientos 316103776 5 632207552 297461023 006699316 332583453
Bloques 699763344 2 349881672 164623405 024097493 410282102
Graacutefico de humedad realtva vs lote
0 3 6 9 12 15
lote
50
54
58
62
66
70
74
hu
med
ad
realt
va
23
Error 212534586 10 212534586
Total 598614696 17
En la tabla 5 se muestra el anaacutelisis de varianza de del disentildeo por bloques completamente al azar
de las diferentes concentraciones de azuacutecar por cada tipo de producto Dado que el f de Fisher es
menor que la f tabulada indica que no hay diferencias significativas por lo que se acepta la
hipoacutetesis nula la concentracioacuten de azucares no tiene efecto significativo en la adhesioacuten del cafeacute
ya que la mayoriacutea tuvo un porcentaje de adhesioacuten alta en las tres repeticiones cabe mencionar
que el producto A sin concentracioacuten tambieacuten tuvo adhesioacuten en la suma de cuadrados por bloques
tampoco hubo diferencias significativas
Tabla 6 Anaacutelisis de Varianza para dureza - Suma de Cuadrados Tipo III
Fuente Suma de Cuadrados
Gl Cuadrado Medio
Razoacuten-F Valor-P
EFECTOS PRINCIPALES
APRESION DE VAPOR 005445 1 005445 006 08164
BTAMANtildeO DE PARTICULA 121525 1 121525 1372 00208
CTEMPERATURA DE PARTICULA 471245 1 471245 532 00823
RESIDUOS
354305 4 0885763
TOTAL (CORREGIDO) 204624 7
La tabla 6 muestra el anaacutelisis de varianza del disentildeo factorial en la cual se descompone la
variabilidad de dureza en contribuciones debidas a varios factores Puesto que se ha escogido la
suma de cuadrados Tipo III (por omisioacuten) la contribucioacuten de cada factor se mide eliminando los
efectos de los demaacutes factores Los valores-P prueban la significancia estadiacutestica de cada uno de los
factores Puesto que un valor-P es menor que 005 este factor tiene un efecto estadiacutesticamente
significativo sobre dureza con un 950 de nivel de confianza
24
Figura 14Grafico anova para dureza
En la figura 14 se muestra el grafico anova y se observa la distribucioacuten de la respuesta para los
factores en la cual todas las razones-F se basan en el cuadrado medio del error residual La
mayoriacutea presenta distribucioacuten anova con el valor p mayor a 05 sin embargo para el factor tamantildeo
de partiacutecula el valor es menor a 05 con significancia
Balance de energiacutea
En el balance de materia y energiacutea se obtuvo que la humedad en la salida aglomerado es del 73
cuando hay una entrada de aire de 1550 m3 s con 50 de humedad relativa a una temperatura
de 230degc necesita 1730 KJ kg de calor con una cantidad de aire seco de 2600 kg h para sistema
adiabaacutetico sim embargo el aglomerador no es de este tipo de sistema por lo que se evaluoacute en un
graacutefico psicomeacutetrico (anexo1) encontraacutendose
El aire se calienta a humedad constante (To -T1) Si la caacutemara estuviera aislada y toda la energiacutea
posible se utilizara el aire se enfriariacutea adiabaacuteticamente y la temperatura miacutenima a alcanzar seriacutea la
de bulbo seco de saturacioacuten (Tsat) En realidad la caacutemara no estaacute aislada y no se sigue un
enfriamiento adiabaacutetico El aire sale a una temperatura T2 (ni estaacute saturado ni el proceso es
adiabaacutetico) debido a la baja relacioacuten aire-producto Si el proceso fuera adiabaacutetico saldriacutea a T2
(proceso adiabaacutetico y masas iguales de aire y producto)
ANOVA Graacutefico para DUREZA
-25 -15 -05 05 15 25
Residuos
PRESION DE VAPOR P = 0816415 2
TAMANtildeO DE PARTICULA P = 0020833 54
TEMPERATURA DE PARTICULA P = 0082330 35
25
Optimizacioacuten
De acuerdo a los caacutelculos de balance de materia los flujos de aire de 900 pm a 1100 rpm con una
salida de 1765 rpm mantienen el calor necesario para eliminar la humedad por lo que estas
variables son las que se implementaron y controlaron para la aglomeracioacuten de los diversos
productos
Figura 15 Grafica de rendimientos con flujo de aire de 900 rpm a 1100 rpm
En la figura 15 se observa el comportamiento del rendimiento con las condiciones aire manejadas
que mantuvieron un vaciacuteo de 04 y 05 inicialmente el rendimiento no fue favorable debido a la
humedad relativa sin embargo en los siguientes lotes el rendimiento se mantuvo del 94
mejorando en los siguientes diacuteas al 97 siendo favorable con ello el porcentaje de adhesioacuten
disminuyo al 3 con estas condiciones la caracteriacutestica de porcentaje de aglomerado incremento
al rango oacuteptimo
La optimizacioacuten de las variables de temperatura de salida y tamantildeo de criba consistioacute en la
reduccioacuten de sus rangos de operacioacuten para la cual la dureza mejoroacute apegaacutendose al rango oacuteptimo
925
93
935
94
945
95
955
96
965
0 2 4 6 8 10 12 14
Ren
dim
ien
to
lote
26
42 Conclusiones
Mediante el disentildeo experimentos se encontroacute que el aumento de dos factores temperatura de
salida y el tamantildeo de partiacutecula influyen en el bajo porcentaje de aglomerado y el incremento en la
dureza por que el granulo aglomerado presenta fragilidad y una cantidad de polvos finos Asiacute
mismo con el disentildeo por bloques se determinoacute que la concentracioacuten de azuacutecares de los cafeacutes no
tiene efecto significativo tomando como muestra patroacuten un producto sin concentracioacuten que
tambieacuten presento adhesioacuten en las tres repeticiones Durante el monitoreo se observoacute que los
soacutelidos aglomerados a condiciones de bajo vaciacuteo con humedad relativa del aire baja no
presentaban ninguacuten problema de adhesioacuten mientras que los producto a condiciones de vaciacuteo alto
con humedades por encima de 60 presentaban mayor adhesioacuten en balance de materia se
observoacute que una humedad relativa alta en la salida del equipo necesita mayor calor y cantidad de
aire de entrada para ser eliminado asiacute mismo mediante las eficiencias teacutermicas se evaluoacute el
sistema en una carta psicomeacutetrica y se determinoacute que hay perdida calor en la caacutemara de secado
al no ser adiabaacutetico por lo que la optimizacioacuten del proceso solo fue parcial enfocaacutendose solo a
condiciones del aire de entrada y salida en la que el rendimiento mejoro en un promedio del 96
43 Trabajos Futuros
Derivado al balance y los caacutelculos la humedad relativa es un factor importante en la adhesioacuten del
producto es por ello que el proyecto tiene continuidad en la implementacioacuten de un desumificador
de aire para que el sistema tenga una inyeccioacuten de aire seco el aislamiento (encamisado) de la
caacutemara de secado para evitar pedidas del calor tambieacuten y la determinacioacuten de nuevas condiciones
de operacioacuten debido a los cambios en los flujos aire
44 Recomendaciones
De acuerdo al estudio realizado mediante el disentildeo factorial se determinoacute que la variacioacuten de la
entrada de aire afecta la presioacuten del sistema por lo que se recomienda manejar una sola condicioacuten
de aire para cada producto con respecto a la velocidad de salida ya que el sistema necesita
mantener el equilibrio de las corrientes de aire para que el calor sea necesario y elimine toda la
humedad posible del vapor de agua para evitar que se concentre en la base coacutenica asiacute mismo la
alimentacioacuten de los soacutelidos finos debe tener propiedades caracteriacutesticas oacuteptimas para evitar la
variacioacuten de las condiciones
27
ANEXOS Anexo 1 Equipo aglomerado
Salida de aire
Base coacutenica
Caacutemara de
secado
Lecho
fluidizado
Entrada de
aire caliente
Separador
cicloacutenico
Zona de aspersioacuten de
solidos secos y vapor
de agua
28
Anexo 2 Carta psicomeacutetrica
Fuente Spray Drying Handbook (Masters 1991)
29
Anexo 3 Caacutelculos de velocidad lineal caudales de aire y volumen del equipo
1765 rpm (2πrads)(042)=7763 ms
600 rpm (2πrads)(030) =2638 ms
700 rpm (2πrads)(030)=3078 ms
800 rpm (2πrads)(030) =3518 ms
900 rpm (2πrads)(030) =3965 ms
1000 rpm (2πrads)(030) =4348 ms
1150 rpm (2πrads)(030)=5057ms
Caudal para las diferentes velocidades lineales
1) Q=VS
Q=2638 ms (π 00335m) 2
Q=930 m3s
2) Q=VS
Q=3078ms (π 00335m) 2
Q=1085m3s
3) Q=VS
Q=3518 ms (π 00335m) 2
Q=1240 m3s
4) Q=VS
Q=4348 ms (π 00335m) 2
Q=1550 m3s
5) Q=VS
Q=5057ms (π 00335m) 2
Q=2002 m3s
6) Q=VS
Q=7763 ms (π 0195 m) 2
Q=3708 m3s
30
Velocidad angular de aire (rpm) Caudal (m3s)
600 rpm 93
700 1085
800 1240
1000 1550
1150 2002
1765 3708
Caudales de aire de entrada y salida
Volumen de la caacutemara de secado
V= ℎ1205871199032
v=97 π (21m)
v=140844 m3
V= ℎ1205871199032
v= (09m) (π 21m)
v=2420 m3
Volumen de la base coacutenica
119907 =π r2 h
3
119907 =π (291) lowast 59
3
V=52313 m3
Volumen total del equipo =21734 m3
582 m
59m
582 m
09 m
43m
97 m
31
Anexo 3Caacutelculos de balance de materia y energiacutea
Se determina la velocidad de flujo de aire y la humedad de salida del aglomerador suponiendo
que no hay peacuterdidas de calor en el secador el balance inicia con la alimentacioacuten de 300 kg de
soacutelidos secoh que contienen 0035 kg de humedad totalkg de soacutelido seco hasta un valor de 0002
kg de humedad totalkg de soacutelido seco El polvo fino a granular entra a 35 ordmC y se desea
descargarlo a 32 ordmC El soacutelido seco tiene una capacidad caloriacutefica de 1465 kJkgK que se supone
constante El aire de calentamiento entra a 230 ordmC y con humedad de 0060 kg H2Okg de aire
seco y debe salir a 130
Balance de materia con respecto a la humedad
GH2 LS X1 GH1 LS X2
Reemplazando valores
(060) + 300 (0035)= GH1+ 300 (0002)
El balance de calor para el secador es
GHG2 LS HS1 GHG1 LS HS2 Q
Se calcula la entalpiacutea del aire de entrada HG1
Aglomerador
G1=
TG1=230
H2=
LS=300 KGSh
TS1=35
X1=0035
G2=
TG2=130
H2=060
Ts 2=378
X2=0002
Q
32
HG1=CS 1005188H 1005188(060)
HG1 CS (TG1 T0 ) H
HG1= CS 230 - 0 + 0060(2501) 17306 KJ Kg aire seco
Se calcula la entalpiacutea del aire de salida HG2
C21005188H 1005188 H1
HG1 CS (TG2 T0 ) H
HG1= (1005 + 188 H1 )130 - 0 + H1 (2501)
HG1=130 + 27454 H1
Se calcula las entalpiacuteas de los soacutelidos
HS1 CP S (TS1 T0) X1 CP A ( TS1 T0)
HS1 1465(35 0) 0035 (4187)(35 0) 5713 kJ kg
HS2 CP S (TS2 T0) X2 CP A ( T2 T0)
HS2 1465 (32 ndash 0 ) + 0002(4187)(32 0)=4714 KJ Kg
Reemplazando en el balance de energiacutea
G (17306)+ 300(5713) = G (130 + 27454 H1)+ 300(4714) + 0
G=2600 Kg aire seco por hora
Resolviendo conjuntamente con el balance de materia
G (060) + 300 (0035)= GH1+ 300 (0002)
2600(060) + 105 = 2600 H1 +06
H1=2600(060) +105 + 060 2600
H1=07427 Kg agua kg aire seco
33
Anexo 4Calculo de eficiencias teacutermicas
Datos
T = 230
Ts =147
T0= 30
T sat=45
Eficiencia teacutermica global
Ntermica global= 1198791minus1198792
1198792minus1198790 X 100
Ntermica global = 230minus147
230minus30 100 =415
Eficiencia de evaporacioacuten
Nevaporacion=1198791minus1198792
1198791minus119879119904119886119905
Nevaporacion = 230minus147
230minus45 100 =4486
34
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Wolfgang B P (2008) Agglomeration Processes Weinheim Phenomena Technologies
Equipment
[Escriba aquiacute] [Escriba aquiacute]
Universidad Tecnoloacutegica del Centro de Veracruz
Programa Educativo
Ingenieriacutea en Procesos Bioalimentarios
Reporte para obtener tiacutetulo de
Ingeniero en Procesos Bioalimentarios
Proyecto de estadiacutea realizado en la empresa
Cafeacute Tostado de Exportacioacuten SA De CV
Nombre del proyecto
ldquoOptimizacioacuten del proceso de aglomeracioacuten de polvos finos de cafeacuterdquo
Presenta
TSU Florencio Salvador Cocotle Oltehua
Cuitlaacutehuac Ver a 19 de abril de 2018
[Escriba aquiacute] [Escriba aquiacute]
Universidad Tecnoloacutegica del Centro de Veracruz
Programa Educativo
Procesos Bioalimentarios
Nombre del Asesor Industrial
Ing Ramoacuten Adriaacuten Loacutepez
Nombre del Asesor Acadeacutemico
MCIQ Mariacutea Esther Alonso Palacios
Jefe de Carrera
MCIBQ Darney Citlali Martiacutenez Diacuteaz
Nombre del Alumno
TSU Florencio Salvador Cocotle Oltehua
[Escriba aquiacute] [Escriba aquiacute]
AGRADECIMIENTOS A Dios por darme la oportunidad de existir aquiacute y ahora por mi vida gracias por
iluminarme darme fuerzas y guiarme por tu sendero
A mis Padres por apoyarme en todo momento por su dedicacioacuten por los valores
inculcados Sobre todo por ser ejemplo de arduo trabajo
A mis hermanos por ser parte importante de mi vida y representar la unidad familiar
especialmente a mi hermana por llenar mi vida de alegriacuteas y amor cuando maacutes lo he
necesitado
A mi familia tiacuteos y primos porque de una u otra forma con su apoyo me han motivado a
seguir adelante a lo largo de toda mi vida
A la Universidad tecnoloacutegica del centro de Veracruz y a mis estimados maestros que a
lo largo de mi carrera me han transmitido sus amplios conocimientos
Al gerente de produccioacuten por brindarme su apoyo incondicional y darme la oportunidad
de ser miembro de la empresa
[Escriba aquiacute] [Escriba aquiacute]
RESUMEN El presente proyecto se realizoacute en la empresa cafeacute tostado de exportacioacuten en la etapa de
aglomeracioacuten de polvos finos de cafeacute donde el principal problema es la adhesioacuten de las partiacuteculas
finas a las paredes del equipo que disminuye el rendimiento del producto terminado y la eficacia
del proceso es seguimiento de un proyecto anterior pero ahora basado en teacutecnicas
experimentales y estudio maacutes a fondo con el objetivo de optimizar las variables incidentes y los
paraacutemetros operacionales
En este trabajo se implementaron dos disentildeos experimental factorial 23 para evidenciar el efecto
de algunos paraacutemetros de operacioacuten en el crecimiento de partiacuteculas soacutelidas evaluando dos
propiedades fisicoquiacutemicas la dureza y el porcentaje de aglomerado El primer disentildeo factorial
fue de tres factores (paraacutemetros de operacioacuten) con dos niveles en 8 corridas para 4 tipos de
productos en el segundo disentildeo los factores estuvieron definidos en las propiedades iniciales de
las partiacuteculas soacutelidas asiacute mismo se empleoacute un disentildeo de bloques completamente al azar para
determinar la significancia de la concentracioacuten de azucares sobre el porcentaje de adhesioacuten Se
aplicoacute un anaacutelisis de varianza con un nivel de significancia del 5 a los resultados experimentales
para las pruebas de hipoacutetesis Posteriormente se evaluaron las condiciones de presioacuten del sistema
flujo de aire humedad relativa y el rendimiento en diversos tipos de productos mediante un
monitero que abarco varios lotes de produccioacuten finalmente se procedioacute al balance de materia y
energiacutea para cuantificar la cantidad de aire y calor necesario para eliminar toda la humedad asiacute
como la determinacioacuten de las eficiencias teacutermicas del equipo
Mediante el disentildeo experimentos se encontroacute que el aumento de dos factores temperatura de
salida y el tamantildeo de partiacutecula influyen en el bajo porcentaje de aglomerado asiacute como el
incremento en la dureza por que el granulo aglomerado presenta fragilidad y una cantidad de
polvos finos En el disentildeo por bloques se determinoacute que la concentracioacuten de azuacutecares de los cafeacutes
no tiene efecto significativo tomando como muestra patroacuten un producto sin concentracioacuten que
tambieacuten presento adhesioacuten en las tres repeticiones Durante el monitoreo los soacutelidos
aglomerados a condiciones de bajo vaciacuteo con humedad relativa del aire baja no presentaron
adhesioacuten mientras que los producto a condiciones de vaciacuteo alto con humedades por encima de
60 tuvieron mayor adhesioacuten en el balance de materia se observoacute que una humedad relativa alta
en la salida del equipo necesita mayor calor y cantidad de aire de entrada para ser eliminado asiacute
mismo mediante las eficiencias teacutermicas se evaluoacute el sistema en una carta psicomeacutetrica
encontraacutendose que hay perdida de calor en la caacutemara de secado al no ser un sistema adiabaacutetico
por lo que la optimizacioacuten del proceso solo fue parcial enfocaacutendose a las condiciones del aire de
entrada y salida que mantuvieron un vaciacuteo de 04 InH20 mediante el control de estas variables el
rendimiento mejoroacute en un promedio del 96
[Escriba aquiacute] [Escriba aquiacute]
Tabla de contenido
AGRADECIMIENTOS
RESUMEN
CAPIacuteTULO 1 INTRODUCCIOacuteN 1
11 Estado del Arte 2
12 Planteamiento del Problema 6
13 Objetivos 6
13 Definicioacuten de variables 6
15 Hipoacutetesis 7
16 Justificacioacuten del Proyecto 7
17 Limitaciones y Alcances 8
18 La Empresa 8
CAPIacuteTULO 2 METODOLOGIacuteA 10
21 Eleccioacuten de los factores y los niveles 10
22 Seleccioacuten de la variable de respuesta 10
23 Eleccioacuten del disentildeo experimental 10
24 Realizacioacuten del disentildeo de experimentos 10
25 Monitoreo de los flujos de aire humedad relativa y presioacuten del sistema 10
26 Anaacutelisis de datos 10
27 Anaacutelisis de los efectos de los paraacutemetros operacionales 11
28 Aplicacioacuten del balance de materia y energiacutea 11
29 Optimizacioacuten del proceso 11
CAPIacuteTULO 3 DESARROLLO DEL PROYECTO 12
31 Equipo experimental 12
32 Monitoreos 12
33 Disentildeo de experimentos 12
34 Realizacioacuten del disentildeo de experimentos 14
[Escriba aquiacute] [Escriba aquiacute]
35 Anaacutelisis de datos 15
36 Balance de materia energiacutea 15
37 Optimizacioacuten 17
CAPIacuteTULO 4 RESULTADOS Y CONCLUSIONES 18
41 Resultados 18
42 Conclusiones 26
43 Trabajos Futuros 26
44 Recomendaciones 26
ANEXOS 27
Anexo 1 Equipo aglomerado 27
Anexo 2 Carta psicomeacutetrica 28
Anexo 3 Caacutelculos de velocidad lineal caudales de aire y volumen del equipo 29
Anexo 3Caacutelculos de balance de materia y energiacutea 31
Anexo 4Calculo de eficiencias teacutermicas 33
BIBLIOGRAFIacuteA 34
[Escriba aquiacute] [Escriba aquiacute]
Iacutendice de tablas
Tabla Descripcioacuten Pagina
1 Tratamientos del disentildeo por bloques al azar 12
2 Factores y niveles del Disentildeo factorial 23 13
3 Corridas experimentales del disentildeo 23 13
4 Disentildeo de bloques completamente al azar 14
5 Anaacutelisis de varianza de dos factores con una sola muestra por grupo 23
6 Anaacutelisis de Varianza para dureza - Suma de Cuadrados Tipo III 23
Contenido de figuras
Figura Descripcioacuten Pagina
1 Diagrama de flujo del balance del aglomerador 16
2 Grafica de efectos normales para el cafeacute soluble ABCD 18
3 Grafica de interaccioacuten para cafeacute soluble A 19
4 Grafica de interaccioacuten para cafeacute soluble B 19
5 Grafica de interaccioacuten para cafeacute soluble C 19
6 Grafica de interaccioacuten para cafeacute soluble D 19
7 Grafica de efectos normales para dureza del cafeacute regular 20
8 Grafica de interaccioacuten para dureza del cafeacute regular 20
9 Grafica de efectos normales para porcentaje de aglomerado 20
10 Grafica de interaccioacuten para porcentaje de aglomerado del cafeacute regular 20
11 Grafica de dispersioacuten de la presioacuten del sistema 21
12 Grafica del vaciacuteo vs porcentaje de adhesioacuten 21
13 Graacutefico de humedad relativa del aire 22
14 Grafico anova para dureza 24
15 Grafica de rendimientos con flujo de aire de 900 rpm a 1100 rpm 25
1
CAPIacuteTULO 1 INTRODUCCIOacuteN
Los procesos de aglomeracioacuten han existido desde hace varios antildeos con el fin de acondicionar
fiacutesicamente diferentes tipos de materiales y para diferentes propoacutesitos como es el caso de la
palatizacioacuten del mineral de hierro que es realizada en las siderurgiasPor su parte en la industria
farmaceacuteutica y en la produccioacuten de algunos alimentos como el cafeacute soluble los productos laacutecteos
entre otros la aglomeracioacuten de partiacuteculas finas tiene gran aplicacioacuten ya que permite obtener
graacutenulos de mayor tamantildeo con una estructura de poros abiertos a fin de poder absorber liacutequidos
y facilitar la dispersioacuten inmediata lo permite obtener un producto de alta dispersabilidad fluidez
segregacioacuten densidad fragilidad etc (Wolfgang 2008)
La aglomeracioacuten es un proceso que promueve el incremento de tamantildeo del soacutelido (graacutenulo)
mediante la adhesioacuten de partiacuteculas pequentildeas (soacutelidos finos) sobre otra partiacutecula de mayor tamantildeo
por la accioacuten de un liacutequido ligante en un sistema que presentan dos zonas la zona de aspersioacuten
que es el aacuterea donde el liacutequido aglomerante tiene el primer contacto con las partiacuteculas finas que
colisionan entre siacute formando puentes liacutequidos que al evaporarse dan lugar a enlaces soacutelidos
donde los finos se adhieren a los gruesos (Kumar amp Ramkrishna 1997) Y la zona de dispersioacuten
que es el aacuterea donde se mezclan con aire caliente para el secado Para llevar a cabo esta operacioacuten
se emplean diversos equipos en su mayoriacutea granuladores de lecho fluidizado mezcladores y
secadores de lecho fluido ( Litster J 2003)
Actualmente puede observarse como una combinacioacuten de tres diferentes mecanismos
humectacioacuten y nucleacioacuten consolidacioacuten y coalescencia atricioacuten y rompimiento El aumento del
tamantildeo de partiacuteculas es un teacutermino geneacuterico que engloba las operaciones unitarias relacionadas
con la tecnologiacutea de materiales pulverizados de medios granulares y la mecaacutenica de soacutelidos
(Litster amp Bryan 2004)
La aglomeracioacuten depende de la naturaleza fiacutesica del sistema partiacutecula solidandashliacutequido aglomerante
y de las variables asociadas al equipo De esta forma es importante controlar dichos paraacutemetros
operacionales dado que una mala relacioacuten entre estos traeriacutea problemas en la operacioacuten
2
11 Estado del Arte
El proceso de aglomeracioacuten ha sido estudiado y analizado por varias deacutecadas el disentildeo y anaacutelisis
de tales sistemas permanece enraizado al empirismo debido a que no hay una metodologiacutea para el
disentildeo y operacioacuten de tales procesos asiacute mismos las plantas industriales donde se llevan a cabo
procesos de granulacioacuten y secado por aspersioacuten han enfrentado una serie de problemas
relacionados con la pegajosidad de las partiacuteculas inertes a las paredes de los diversos equipos
empleados incluyendo razones de reciclado pobre control en la calidad del producto obtenido
siendo necesario el reprocesado del producto incrementando el costo de produccioacuten Este
problema tiene su origen en el escaso entendimiento de la influencia de los paraacutemetros
operacionales sobre el proceso (Iveson amp Hapgood 2001)
Investigadores como (Lister amp Waters 1988) (Parveen 2012) han establecido que durante el
proceso de aglomeracioacuten se ve influenciado por la distribucioacuten de tamantildeos de los soacutelidos pues la
polidispersidad de la poblacioacuten de soacutelidos induce al recubrimiento o adhesioacuten de las partiacuteculas
pequentildeas sobre las de mayor tamantildeo Asiacute mismo existe una posible influencia combinada entre el
paraacutemetro temperatura (cuyos niveles de estudio son adecuados para averiguar la influencia de
eacuteste paraacutemetro sobre el comportamiento de crecimiento del aglomerado) y la polidispersidad de
los soacutelidos
(Sastry amp Fuerstenau 1973)Estudiaron que la adhesioacuten de partiacuteculas sin formacioacuten de puentes
(fuerzas de van der Waals o electrostaacuteticas) forman aglomerados relativamente deacutebiles En
cambio los que forman puentes son maacutes fuertes Por su parte (Canela 1996) determino que la
resistencia de los aglomerados depende de las fuerzas fiacutesicas que mantienen unidas a las
partiacuteculas y la magnitud de eacutestas depende del tamantildeo de partiacutecula la carga superficial la
estructura cristalina la proximidad de las partiacuteculas la cantidad de aditivos y de otras
propiedades fisicoquiacutemicas del sistema como lo son la naturaleza quiacutemica de la partiacutecula los
coeficientes de frotamiento interno de la partiacutecula masa volumeacutetrica y fuerza de cohesioacuten
(Schaafsma amp Kossen 2006)Estudiaron la influencia de alimentar el liacutequido aglomerante
atomizado por pulsos y temperatura del medio fluidizante (40 y 60degC) sobre el crecimiento del
aglomerado El aglomerador empleado teniacutea una geometriacutea coacutenica y contaba con un cicloacuten para
limpiar el aire de los finos arrastrados por eacuteste Se emplearon soacutelidos de α-lactosa monohidratada
malla No 110 y como liacutequido aglomerante polyvinylpirrolidona al 8 Los resultados obtenidos
indicaron que el crecimiento del aglomerado se ve influenciado por la humedad presente en el
lecho mientras que encontraron diferentes efectos de la temperatura del medio fluidizante sobre
el crecimiento del aglomerado a baja temperatura 40degC el graacutenulo crece a su tamantildeo final maacutes
raacutepido que a 60degC
(Tan HS Salman AD 2006)Estudiaron la influencia de algunos paraacutemetros operacionales
responsables del crecimiento del aglomerado empleando como soacutelido de trabajo Glass Ballotini
cuya distribucioacuten de tamantildeos estaba comprendida entre 73-375 microacutemetros El agente
3
aglomerante empleado fue Polyentilen Glycol Los paraacutemetros operacionales analizados fueron
tasa de atomizacioacuten del agente aglomerante (288 m3 ∙s-1) temperatura en el lecho de soacutelidos
(28 32 36 y 40degC) presioacuten de atomizacioacuten (15 bar) y velocidad del aire fluidizante (097 m∙s-1)
Los resultados indicaron que el crecimiento del aglomerado depende directamente de la cantidad
relativa del agente aglomerante atomizado sobre el lecho el cual determina la velocidad del
proceso de agregacioacuten Asiacute mismo el crecimiento del aglomerado se ve favorecido con el
incremento en los niveles de temperatura Con referencia al tamantildeo de gota del agente
aglomerante atomizado concluyeron que una gota de mayor tamantildeo incrementa el crecimiento
global del aglomerado mientras que una gota de menor tamantildeo induce a un crecimiento inicial
maacutes raacutepido Finalmente el crecimiento global del aglomerado se reduce al incrementar la
velocidad del aire
(Dolinski 2000) Encontroacute que en el secado de aspersioacuten de zumos de frutas con elevado contenido
de azucares los compuestos tienen temperaturas de transicioacuten viacutetrea bajas presenta problemas
de pegajosidad (stickiness) El teacutermino ldquostickinessrdquo hace referencia a los fenoacutemenos de cohesioacuten
partiacutecula-partiacutecula y de adhesioacuten partiacutecula-pared que presentan los polvos obtenidos que dificulta
su presentacioacuten en estado polvo y mancha las paredes de los cilindros de pulverizacioacuten (Al quedar
en la pared del compartimiento de secado como un jarabe da lugar a bajas producciones del
producto y a problemas operacionales)
(Boonyai 2004) Explica que la mayor causa de la pegajosidad en polvos amorfos de zumos en el
secado por aspersioacuten es la accioacuten plastificante del agua en la superficie que da lugar a la adhesioacuten
y cohesioacuten El alto contenido en azuacutecares de bajo peso molecular y aacutecidos orgaacutenicos disminuye la
temperatura de transicioacuten viacutetrea (Tg) por debajo de la temperatura de preparacioacuten del producto
incluso a la temperatura de salida del secado Esto conlleva a la existencia de un estado pseudo-
liacutequido de material amorfo que es responsable de la cohesioacuten interpartiacuteculas y de la adhesioacuten de
las partiacuteculas a las paredes del cilindro Cuanto mayor sea esta diferencia de temperatura (ΔT=Tp -
Tg) mayor seraacute el grado de pegajosidad
Como puede visualizarse existe un grupo muy amplio de paraacutemetros operacionales que inciden en
el comportamiento del proceso de aglomeracioacuten y los problemas asociados a este Sin embargo la
investigacioacuten y anaacutelisis de este tipo de proceso se centra en los paraacutemetros que se pueden
controlar de manera adecuada pues los equipos empleados para tal investigacioacuten son de tipo
escala piloto o banco los cuales son disentildeados y construidos para manipular un nuacutemero reducido
de paraacutemetros Por su parte se han propuestos teacutecnicas para resolver anomaliacuteas presentadas por
la influencia de variables que se afectan unas con otras
(Espantildea Patente nordm 36848 1967) Propuso un procedimiento para obtener aglomerados fuertes de
cafeacute soluble mediante la reduccioacuten de la temperatura de las partiacuteculas hasta menos 7deg antes de
entrar en contacto con vapor de agua y con humedades de 3 a 4 El enfriamiento se logra con la
inyeccioacuten de co2 liquido en el molino de martillos asiacute mismo demostroacute que la reduccioacuten de
tamantildeo a menos de 54 micras se forman enlaces fuertes y se evita la degradacioacuten o separacioacuten de
los graacutenulos durante el secado en la caacutemara Su metodologiacutea consistioacute en pruebas a diferentes
4
niveles de temperaturas cantidad de vapor humedad y temperatura del producto inicial
obteniendo aglomerados de gran dureza y buena apariencia fiacutesica
(Schaafsma SH 1998) Propuso en su trabajo de investigacioacuten relacionado con la aglomeracioacuten de
soacutelidos un proceso de crecimiento de un aglomerado originado a partir de una gota de liacutequido En
su propuesta describe el crecimiento del aglomerado a partir de dos etapas Inicialmente se
presenta un raacutepido crecimiento que toma lugar por el mojado de las partiacuteculas lo cual resulta en
la formacioacuten de un aglomerado inicial La segunda etapa de crecimiento es iniciado por el
transporte de liacutequido del aglomerado hacia las partiacuteculas que lo rodea El crecimiento del
aglomerado toma lugar por la unioacuten de partiacuteculas Si un poro en la superficie de un aglomerado
estaacute saturado con liacutequido entonces partiacuteculas libres pueden alcanzar la fase liacutequida en el poro y un
puente liacutequido puede ser formado Acorde a este proceso se puede concluir que la distribucioacuten de
tamantildeos de partiacuteculas y porosidad juega un papel importante en el tamantildeo final del aglomerado
Diversos autores han utilizado diferentes aproximaciones ingenieriles para entender y describir el
comportamiento de un proceso de granulacioacuten Un anaacutelisis estadiacutestico de un disentildeo experimental
permite determinar cualitativamente el efecto de un paraacutemetro del proceso sobre el aglomerado
tomando como referencia el tamantildeo promedio de la poblacioacuten de partiacuteculas aglomeradas
(Montgomery 2007) Mientras que el uso de un balance de poblacioacuten permite tratar de manera
fundamental procesos que involucran fenoacutemenos de nacimiento y muerte de partiacuteculas en un
determinado volumen de control (VC) (Hulbert 1967)
(Cryer A S y Scherer NR 2003 ) Implementaron un disentildeo factorial fraccional a frac12 en un
aglomerador coacutenico para evidenciar la influencia de ciertos paraacutemetros importantes relacionados
con la aglomeracioacuten de un producto agroquiacutemico cuya distribucioacuten inicial comprendiacutea tamantildeos
entre 01 a 100 micrones y cuyo diaacutemetro promedio inicial era de 20 micrones El agente
aglomerante empleado fue agua destilada Los paraacutemetros operacionales analizados fueron flujo
de aire (0106-0153 m3 s-1) temperatura de alimentacioacuten del aire (40-60degC) tasa de atomizacioacuten
del agente aglomerante (370x103 -542x103 kg s - 1 ) carga de soacutelidos inicial (25-35kg) y altura de
la boquilla de atomizacioacuten (posiciones 1 y 3) A partir del anaacutelisis estadiacutestico (el cual se realizoacute con
un nivel de significancia de 99) se evidencioacute la significancia de los factores bajo estudio siendo la
tasa de atomizacioacuten y carga de soacutelidos los de mayor efecto mientras que la temperatura y flujo de
aire resultaron marginalmente significativos en el crecimiento del aglomerado mientras que la
altura de la boquilla no influye en el crecimiento del aglomerado
(Riacuteos 2005) Implementoacute un disentildeo factorial 2 a la 3 en un aglomerador de lecho fluidizado coacutenico
para aglomerar soacutelidos de Tamarindo con un diaacutemetro promedio de 784 micrones Los factores
controlables fueron temperatura del aire fluidizante (80-100degC) tiempo de atomizacioacuten (3-5 min)
y masa de soacutelidos cargados al sistema (200-300g) El agente aglomerante empleado fue agua
destilada El anaacutelisis estadiacutestico (realizado con un nivel de significancia del 95) determinoacute que el
tiempo de atomizacioacuten del agente aglomerante fue el principal paraacutemetro que afecta el
crecimiento del aglomerado mientras que la temperatura y carga de soacutelidos no afectan el
crecimiento del aglomerado Cabe resaltar que se probaron los niveles de significancia de 90 y
5
75 con el objetivo de probar los posibles efectos de los paraacutemetros que no resultaran
significativos a un nivel del 95 El resultado obtenido a un nivel de significancia del 90
determinoacute que el tiempo de atomizacioacuten asiacute como la temperatura del aire resultaron
significativos es decir afectan en el crecimiento del aglomerado Asiacute mismo se determinoacute que a
un nivel de significancia del 75 los paraacutemetros tiempo de atomizacioacuten temperatura carga de
soacutelidos asiacute como la interaccioacuten entre la temperatura y carga de soacutelidos afectan el crecimiento del
aglomerado El anaacutelisis realizado a estos niveles de significancia (75 y 90) se evaluaron para
futuros trabajos relacionados con la aglomeracioacuten de soacutelidos de Tamarindo
(Dacanal amp Menegalli 2008) Implementaron un disentildeo factorial fraccional 24-1 en un aglomerador
con geometriacutea coacutenica el cual contaba con un cicloacuten para limpiar el aire de los finos arrastrados
con el objetivo de evidenciar la significancia de ciertos paraacutemetros operacionales que influyen en
el proceso de crecimiento de aglomerados de soacutelidos de acerola (Cerezo de las Antillas) La
poblacioacuten inicial de los soacutelidos contaba con un diaacutemetro promedio inicial de 954 micrones El
agente aglomerante empleado fue agua Los paraacutemetros bajo estudio fueron temperatura del aire
fluidizante (75-90degC) velocidad del aire fluidizante (025-045 ms-1 ) flujo de aire de atomizacioacuten
(050-070 lh-1 ) y altura de la boquilla con respecto al lecho (050-070 m) El anaacutelisis estadiacutestico
(realizado con un nivel de significancia del 95) evidencioacute la influencia de solo la velocidad del aire
sobre el crecimiento del aglomerado Sin embargo los autores expresan que la temperatura del
aire debe afectar el crecimiento del aglomerado pero los niveles ensayados no fueron los
adecuados Cabe resaltar que la altura de la boquilla y flujo de aire en la boquilla no resultaron
significativos es decir no influyeron en el crecimiento del aglomerado
6
12 Planteamiento del Problema
En Cafeacute Tostado de Exportacioacuten durante el proceso de aglomeracioacuten de cafeacute soluble para la
obtencioacuten de granulado efectuado en un secador por aspersioacuten con lecho fluido integrado se
presenta la pegajosidad de los polvos finos a las paredes de la base coacutenica del equipo y conforme
transcurre el tiempo la cantidad adherida se compacta formando capas gruesas llegando al punto
en que el mismo calor en el interior lo derrite y cae en forma de masas elaacutesticas o masas solidas de
gran volumen obstruyendo el paso de los graacutenulos por lo que la produccioacuten se detiene generando
contratiempos al quitar todo el cafeacute compactado Esta anomaliacutea afecta la eficiencia del proceso y
disminuye el rendimiento
La problemaacutetica se da en la produccioacuten de diversos tipos de cafeacute granulado desde mezclados
descafeinados y puros asiacute como en los diversos paraacutemetros de operacioacuten y aunque se han
implementado vibradores de alto rendimiento en la base coacutenica del equipo el problema sigue
teniendo impacto
13 Objetivos General
Optimizar el proceso de aglomeracioacuten de polvos finos de cafeacute soluble para la mejora del
rendimiento
Especiacuteficos
Evaluar el efecto de las variables de operacioacuten sobre el comportamiento de los
aglomerados asiacute como las caracteriacutesticas finales deseadas
Determinar mediante corridas experimentales las variables con mayor incidencia en la
pegajosidad del producto
Optimizar los paraacutemetros operacionales mediante el balance de materia y energiacutea
13 Definicioacuten de variables
Las variables que se manejaran en este proyecto se mencionan a continuacioacuten
Condiciones operativas del sistema temperatura de aire de entrada y salida presioacuten de
vapor flujo de aire de entrada y salida
Propiedades de los soacutelidos iniciales tamantildeo de partiacutecula humedad temperatura y
densidad
Humedad relativa del aire
Presioacuten del sistema y trasferencia de calor
7
15 Hipoacutetesis
1 Los aglomerados pierden cohesioacuten durante el secado debido a que hay un enlace de
partiacuteculas deacutebiles las cuales se separan generando una cantidad de polvos finos que son
arrastradas por la corriente de aire de forma turbulenta hasta la parte inferior dando
lugar a la adhesioacuten y compactacioacuten
2 La variacioacuten de la presioacuten del sistema (vaciacuteo) presenta anomaliacuteas en la distribucioacuten de
aire trayendo consigo alto acarreo de polvos finos por lo que presenta depoacutesitos a las
paredes de la caacutemara de secado
3 La continua variacioacuten de las condiciones de operacioacuten afecta en la formacioacuten y crecimiento
de las partiacuteculas dando lugar al arrastre excesivo de polvos como del medio aglomerante
reflejando en el escaso o nulo crecimiento de la partiacutecula y por ende adhesioacuten a las
paredes
4 La concentracioacuten de azucares tiene efecto significativo en la pegajosidad
16 Justificacioacuten del Proyecto
Hoy en diacutea el control de los procesos de aglomeracioacuten bajo su contexto de granulacioacuten huacutemeda es
muy complejo al llevar a cabo diferentes mecanismos dentro de sistemas que manejan
transferencia de calor transferencia de masa mecaacutenica de fluidos y termodinaacutemica por
consiguiente dependen de las variables de operacioacuten la naturaleza de los soacutelidos y del liacutequido
ligante
El presente proyecto se realiza en una empresa de cafeacute soluble donde se lleva cabo el proceso de
aglomeracioacuten en la cual presenta problemas de pegajosidad de partiacuteculas finas a las paredes del
equipo y el rendimiento se ve afectado El proyecto es seguimiento de un estudio anterior en la
que se analizaron y estudiaron varios tipos de cafeacutes encontraacutendose que los mezclados
presentaban maacutes adhesioacuten que los puros por consiguiente se determinaron las condiciones
oacuteptimas de operacioacuten de acuerdo las especificaciones finales mediante el uso de graficas de
control sin embargo eso no detuvo la problemaacutetica ya que hasta la fecha sigue presenciaacutendose
Siendo necesario estudios maacutes a fondo basado en teacutecnicas experimentales o de modelos
matemaacuteticos para entender la interaccioacuten de una variable sobre el comportamiento
La finalidad de este proyecto es la optimizacioacuten de los paraacutemetros operacionales de las variables
del proceso que inciden en la anomaliacutea Para ello se emplearan herramientas estadiacutesticas (disentildeo
de experimentos) para la evaluacioacuten y determinacioacuten de los efectos de las variables de entrada
(factores) sobre una variable de salida (respuesta) y el balance de materia-energiacutea para el control y
la optimizacioacuten
8
17 Limitaciones y Alcances
Limitaciones
Se respetaran los lineamientos de la empresa por lo que los nombres de los productos a
estudiar seraacuten restringidos y su uso seraacute mediante letras o nuacutemeros
El tiempo de estudio comprenderaacute 3 meses por lo que simplemente se abarcaran los
tipos de cafeacute que se produzcan en ese lapso
Debido a que el proceso es continuo los operarios son los uacutenicos que tienen el control de
las condiciones del equipo por consiguiente se tomaran solo los paraacutemetros empleados
para cada tipo de producto y estas son las que se manejaran en el disentildeo experimental
Alcances
Determinacioacuten de los factores influyentes en la pegajosidad del cafeacute y optimizacioacuten de los
mismos
Control de los paraacutemetros operacionales
Implementacioacuten de acciones de mejora continuacutea para el sistema
18 La Empresa
Cafeacute Tostado de Exportacioacuten tiene su inicio el 13 de Mayo de 1972 en la Ciudad de Tuxtla
Gutieacuterrez Chiapas Es una empresa que pertenece al grupo SANROKE que actualmente se
encuentra ubicada en la ciudad de Coacuterdoba Veracruz Comenzoacute produciendo cafeacute tostado y
molido posteriormente inicia en el proceso de cafeacute soluble logrando obtener otros subproductos
del cafeacute soluble como el aglomerado lechero y capuchino Fue una de las primeras empresas en
su ramo en estar certificada por la norma ISO 90012008 Actualmente cuenta con certificaciones
de labor social medio ambiente calidad orgaacutenicas e inocuidad lo que refleja su cumplimiento de
los estaacutendares internacionales
Es una compantildeiacutea liacuteder por su firme compromiso con la calidad y la satisfaccioacuten del cliente
Sumando hasta el diacutea de hoy deacutecadas de experiencia y dedicacioacuten en la industria del cafeacute El
aumento del consumo de esta bebida en el mundo ha sido paralelo a su desarrollo econoacutemico
representando una gran oportunidad para encontrar nuevos socios y expandir sus actividades
demostrando al resto del mundo coacutemo la disciplina y el trabajo duro conducen al eacutexito
Misioacuten
Elaboracioacuten de productos de la maacutes alta calidad a traveacutes de la seleccioacuten de materia prima superior
y los maacutes altos estaacutendares de manufactura satisfaciendo el gusto de los consumidores generando
beneficios para los accionistas colaboradores clientes proveedores y comunidad en general
9
Visioacuten
Convertirse en liacutederes del mercado nacional y ampliar su presencia en el mercado extranjero con
productos de calidad insuperable con el mejor sabor que proporcione deleite y satisfaccioacuten a
quien los consuma
En cafeacute tostado de exportacioacuten para obtener cafeacute soluble granulado se llevan cabo varias
operaciones unitarias
Tostado se exponen los granos de cafeacute a un calentamiento en el cual provoca inicialmente
una liberacioacuten de agua ligada hasta alcanzar el calor deseado mantenieacutendolo en continuo
movimiento para asegurar un tostado completo del grano cuando finaliza el tostado el
cafeacute es enfriado y almacenado
Molienda y Extraccioacuten para la reduccioacuten del tamantildeo el cafeacute tostado requiere un corte
mediante una accioacuten de compresioacuten y friccioacuten para provocar partiacuteculas de tamantildeo y
forma adecuados Una vez molido se hace la extraccioacuten de solidos solubles aplicando agua
caliente para generar una infusioacuten que obtenga todo el sabor y aroma presente en los
granos
Centrifugacioacuten y evaporacioacuten mediante una maacutequina de fuerza centriacutefuga se elimina la
mayor parte de los residuos que quedan de la extraccioacuten Posteriormente el extracto
liacutequido obtenido entra en la evaporacioacuten donde se elimina la mayor parte de agua y el
producto queda concentrado
Secado el liacutequido es secado mediante un secador por aspersioacuten en una corriente de aire
caliente donde las gotitas finamente al contacto con el calor evaporan el agua
convirtieacutendose en polvo esfeacuterico instantaacuteneo
Aglomeracioacuten es la operacioacuten designada para la formacioacuten de partiacuteculas de mayor
tamantildeo operando sobre la base de re-humidificacioacuten de la superficie del polvo de cafeacute con
vapor de agua en una atmoacutesfera turbulenta de aire caliente de manera que al colisionar
las partiacuteculas entre siacute los finos se adhieren a los gruesos formaacutendose los aglomerados
La variedad de presentaciones y la calidad de sus producto han permitido permanecer en el gusto
del puacuteblico contando con sus tradicionales cafeacutes tostados y molidos los praacutecticos cafeacutes solubles
aglomerados y ahora liofilizado caacutepsulas de cafeacute expreso teacute de cafeacute verde y crema untable
Caferetas Actualmente es liacuteder en el mercado internacional del cafeacute instantaacuteneo liacuteder local y
regional de cafeacute soluble granulado bajo el nombre de cafeacute ldquoLos Portales de Coacuterdoba ldquo
10
CAPIacuteTULO 2 METODOLOGIacuteA
21 Eleccioacuten de los factores y los niveles
Los factores seraacuten las condiciones de operacioacuten del equipo aglomerador de las cuales se
seleccionaran solo las que tengan maacutes impacto en la formacioacuten del granulo y posible influyente en
el problema los niveles estaraacuten definidos como altos y bajos
22 Seleccioacuten de la variable de respuesta
La variable de respuesta estaacute definido como las caracteriacutesticas fisicoquiacutemicas del producto final color densidad humedad dureza y porcentaje de aglomerado pero solo se seleccionaraacuten dos de ellas Tambieacuten se contemplara como respuesta el porcentaje de adhesioacuten
23 Eleccioacuten del disentildeo experimental
La eleccioacuten del disentildeo implicara la consideracioacuten del tamantildeo de la muestra (nuacutemero de reacuteplicas)
El intereacutes se centrara en identificar queacute factores causan esta diferencia y en estimar la magnitud
del cambio de la respuesta Por lo que pueden utilizarse uno o maacutes disentildeos experimentales de
acuerdo a las variables manejadas las cuales pueden ser factorial por bloques completamente al
azar y superficie de respuesta
24 Realizacioacuten del disentildeo de experimentos
Una vez seleccionado el o los disentildeos se ejecutaran para obtener los valores de las respuestas para
la cuales se contara con el apoyo de aacuterea de control de calidad quien proporcionara esta
informacioacuten asiacute como tambieacuten la ayuda de los operarios quienes son los expertos en manejar las
condiciones del equipo Los datos obtenidos se ingresaran a un programa estadiacutestico para
determinar los efectos y obtener las graacuteficas
25 Monitoreo de los flujos de aire humedad relativa y presioacuten del sistema
Se haraacute un monitoreo en los flujos de aire humedad relativa y presioacuten del sistema en lapso de
tiempo adecuado para evaluar el comportamiento de estas variables los datos se registraran en
Excel para la elaboracioacuten de graacuteficas
26 Anaacutelisis de datos
En esta fase se utilizaran programas estadiacutesticos para analizar y comparar los datos a fin de
determinar que los resultados y las conclusiones sean objetivos Se aplicara un anaacutelisis de varianza
11
(anova) la cual puede ser de un solo factor o multifactorial con niveles de significancia
dependiendo del tipo de disentildeo y con ello se haraacute la prueba de hipoacutetesis
27 Anaacutelisis de los efectos de los paraacutemetros operacionales
El anaacutelisis de los efectos de los paraacutemetros operacionales (factores) sobre la variable de
respuesta se efectuara mediante las graacuteficas de interaccioacuten y las graacuteficas de efectos normales que
se obtendraacuten en el software estadiacutestico con la finalidad de determinar coacutemo afecta cada factor
en el comportamiento de una propiedad caracteriacutestica del granulo
28 Aplicacioacuten del balance de materia y energiacutea
Para realizar este caacutelculo primero se haraacuten las conversiones de flujo de aire de velocidad angular a
velocidad lineal para posteriormente calcular el caudal del aire que pasa por los conductos asiacute
mismo se calculara el volumen de la caacutemara de secado y la base conicaEl uso de la carta
psicomeacutetrica seraacute de gran importancia para determinar la humedad absoluta del aire las
eficiencias teacutermicas y la temperatura de saturacioacuten adiabaacutetica Para la entalpia del aire se
utilizaran foacutermulas adecuadas de termodinaacutemica Las formulas del balance de materia y energiacutea
que se utilizara seraacute las establecidas para secadores por aspersioacuten Una vez reunido los valores se
sustituiraacuten para obtener los correspondientes la variable que se necesita encontrar es la cantidad
de humedad relativa y el calor en la salida de la caacutemara de secado
29 Optimizacioacuten del proceso
La optimizacioacuten del proceso se efectuaraacute de acuerdo a los resultados de los monitoreos del flujo
de aire humedad relativa los efectos obtenidos en el disentildeo de experimentos y sobre todo los
caacutelculos de balance de materia ndashenergiacutea
12
CAPIacuteTULO 3 DESARROLLO DEL PROYECTO
31 Equipo experimental
El equipo experimental utilizado fue un secador por aspersioacuten con lecho fluido integrado (Anexo1)
que consta de una caacutemara de secado proyectado sobre una base coacutenica mediante la cual una
corriente de aire caliente es suministrado por un ventilador de entrada creando una atmosfera
turbulenta donde los polvos finos entran en contacto con vapor de agua y mediante el secado se
forman los aglomerados este equipo maneja varias condiciones de operacioacuten que le dan las
caracteriacutesticas al producto Las herramientas estadiacutesticas empleados fueron Excel para el anaacutelisis
de varianza y prueba de hipoacutetesis del disentildeo por bloques al azar minitab para el anaacutelisis de los
efectos de los factores sobre la variable de respuesta y stargrapics para el anaacutelisis de varianza del
segundo disentildeo experimental
32 Monitoreos
Se hizo un monitoreo en los flujos de aire de entrada flujo de salida el vaciacuteo del sistema y la
humedad relativa del aire en un lapso de 5 horas diarias por 10 lotes de produccioacuten evaluando
tambieacuten la adhesioacuten en cada uno de ellos se registraron los datos en Excel mediante estos datos
se elaboroacute una graacutefica de dispersioacuten para ver el comportamiento de estas variables
33 Disentildeo de experimentos
Se utilizoacute un disentildeo de bloques completamente al azar en la cual los tratamientos fueron la
concentracioacuten de azucares con respuesta de porcentaje de adhesioacuten Cabe mencionar que cada
tratamiento indica un tipo de producto por su concentracioacuten
Tabla 1 Tratamientos del disentildeo por bloques al azar
TRATAMIENTO CONCENTRACION
A 0
B 5
C 10
D 15
F 17
Se formularon dos hipoacutetesis
H0=La concentracioacuten de azucares no tiene efecto en la pegajosidad de los polvos finos si F es
menor o igual a la F tabulada
13
H1=La concentracioacuten de azucares tiene efecto significativo si F de Fisher es mayor que la F
tabulada
Se utilizoacute un disentildeo factorial 23 para determinar el efecto de tres condiciones de operacioacuten
(factores) las cuales fueron velocidad de aire temperatura de entrada y temperatura de salida con
dos niveles teniendo como respuestas la dureza del granulo para 5 tipos de cafeacute soluble
Tabla 2 Factores y niveles del Disentildeo factorial 23
TIPOS FACTORES NIVEL BAJO NIVEL ALTO RESPUESTAS
Cafeacute soluble
ABCDF
Temperatura de entrada
217 227 220 212
235 231 236 228
Dureza
Temperatura de salida
133 139 137 134
135 142 138 135
Velocidad de aire
800 849 690 975
1000 850 950 1050
Tambieacuten se empleoacute un disentildeo factorial de 23 para determinar los efectos de tres factores No
Criba del molino de martillos con nivel de 33-55 la presioacuten de vapor con nivel de 15-20 y la
temperatura de producto nivel de 30-35 las respuestas que se eligieron para este disentildeo fue la
dureza del granulo y el porcentaje de aglomerado este experimento se inicioacute empleado la
herramienta estadista minitab en la cual se ingresaron estos factores con sus niveles arrojando 8
corridas por las combinaciones
Tabla 3 Corridas experimentales del disentildeo 23
Factores
corridas Presioacuten de
vapor
NoCriba Temperatura de
partiacutecula
1 15 33 30
2 2 33 30
3 15 54 30
4 2 54 30
5 15 33 35
6 2 33 35
7 15 54 35
8 2 54 35
14
34 Realizacioacuten del disentildeo de experimentos
Para la ejecucioacuten del disentildeo de experimentos se siguioacute con el programa de produccioacuten iniciando
con el disentildeo por bloque completamente al azar la cual se llevoacute en la aglomeracioacuten de 5 tipos de
cafeacute con diferentes concentraciones mencionadas anteriormente desde el arranque del equipo en
la cual los soacutelidos finos iniciales que se cargaron fueron un cafeacute A sin concentracioacuten
posteriormente se cambioacute a los siguientes tipos (BCDF) las condiciones operativas del equipo
estuvieron de la siguiente manera temperaturas de entrada de 190 a 230 temperatura de salida
de 100-140 y velocidad de aire de 600 a 1000 rpm Cada vez que se haciacutea un cambio de producto
se sacoacute la cantidad de solidos finos adheridos de la siguiente manera
(Cantidad alimentada x 98 de rendimiento fijo)- (Cantidad producida)
Mediante esta foacutermula se obtuvo el porcentaje de cada tipo de cafeacute retenido en la base coacutenica
Cantidad adherida x 100
Cantidad alimentada
Los datos quedaron registrados en la tabla 4 donde cada repeticioacuten indica un lote de produccioacuten
diferente
Tabla 4Disentildeo de bloques completamente al azar
REPETICIONES
TRATAMIENTOS I II III
A 625 6033 702
B 1071 859 12
C 7015 6033 927
D 583 95 892
F 992 704 859
G 113 853 905
El primer disentildeo factorial se llevoacute a cabo en la aglomeracioacuten de 4 tipos de cafeacute soluble en la cual
se monitoreo la interaccioacuten de cada factor de acuerdo a los niveles establecidos sobre la respuesta
y se registraron los resultados Las partiacuteculas finas teniacutean las siguientes propiedades iniciales
Densidad 180-210 grcm3
Color 72-84
Humedad 2 a 35
15
Los resultados de los anaacutelisis fisicoquiacutemicos (dureza) fueron proporcionados por el aacuterea de control
de calidad estos datos se ingresaron en minitab y se hizo el anaacutelisis factorial obteniendo las
graacuteficas de interaccioacuten asiacute como tambieacuten la significancia de los efectos
El segundo disentildeo factorial se llevoacute cabo en la aglomeracioacuten de un lote de cafeacute soluble regular con
las siguientes propiedades
Color 72-85
Humedad 2-35
Densidad 190-210
La duracioacuten del lote fue de 10 horas el equipo empleo una velocidad de aire entrada de 900 rpm
con temperatura de 220degc y una velocidad de aire salida de 1765 rpm con temperatura de 135 degC
Se recibioacute ayuda por parte de los operarios para las combinaciones y cada vez que esta se
ejecutaba se tomoacute muestras de 10 grs y se llevoacute a control de calidad para los anaacutelisis de dureza y
porcentaje de aglomerado por cada corrida finalizando este experimento se registraron todos los
resultados en minitab y se hizo el anaacutelisis del disentildeo para las significancias de los factores cabe
mencionar que mediante este programa se obtuvieron las graacuteficas de interaccioacuten
35 Anaacutelisis de datos
Para determinar cualitativamente el efecto de los paraacutemetros del proceso en la aglomeracioacuten de
las partiacuteculas de cafeacute soluble se aplicoacute un anaacutelisis de varianza (ANOVA) con un nivel de
significancia α del 5 a los resultados experimentales La dureza y el porcentaje de
aglomerado se seleccionaron como paraacutemetro de respuestase utilizo el programa de stargrapics
para el anaacutelisis
36 Balance de materia energiacutea
Para el balance de materia y energiacutea primero se hicieron las conversiones de la velocidad angular
del aire de entrada y salida (rpm) a velocidad lineal (ms) empleando la foacutermula
(1rpm) (2π rad)60 x (radio) Asiacute como el caacutelculo del volumen de la caacutemara de secado (anexo 3)
El caacutelculo del caudal de aire de entrada se realizoacute empleando la foacutermula
119876 = 119881 119878
Donde
V=velocidad lineal del aire (ms)
S=aacuterea de la seccioacuten trasversal (m2)
El radio de la seccioacuten transversal para ventilador de entrada fue 0335 y la de salida de 0195
Se sacaron las eficiencias teacutermicas del equipo de la siguiente manera
16
Eficiencia teacutermica global= (11987911198792
1198792119879119900)
Eficiencia de evaporacioacuten= (1198791 1198792
1198791 119879119904119886119905)
Para determinar las temperaturas de saturacioacuten adiabaacutetica (TSAT) y (T0) se utilizoacute la carta psicomeacutetrica (Anexo 2) El balance quedo estructurada de la siguiente forma
Figura 1 Diagrama de flujo del aglomerador
Donde FS1=masa del solido seco (kg)
Ga flujo de aire (kgh)
Ws=contenido de humedad del alimento (kg agua kg solido seco)
Ta=temperatura de entrada
Ta1=temperatura de salida
Ta2=temperatura de solidos
Ga1=flujo de aire entrada
Ga2=flujo salida de aire
H1= humedad relativa del aire entrada
H2=humedad relativa del aire salida
El balance del sistema sin peacuterdidas ni acumulacioacuten quedo de la siguiente manera
FS WS1 +Ga Ha1 = FS WS2 +Ga Ha2
17
Mientras que el balance de energiacutea
FS QS1+ Ga Qa1 = FS QS2 +Ga Qa2 +QL
Donde qs1 y qs2 son las entalpiacuteas del soacutelido entrando y saliendo del secador (KJKg) qa1 y qa2 son
las entalpiacuteas del aire entrando y saliendo del secador (KJKg) qL es el calor perdido (KJ)
El balance con respecto a la humedad se determinoacute mediante la siguiente formula
GH2 LS X1 GH1 LS X2
Donde
GH2= flujo de aire
Ls = flujo de alimentacioacuten
X1= humedad de los soacutelidos iniciales
La entalpia de la salida de aire se calculoacute mediante la foacutermula
HG C2 (TG T0) H
Donde
TG= Temperatura del aire
T0= Temperatura saturacioacuten
H=Entalpia del solido seco
37 Optimizacioacuten
La optimizacioacuten del proceso se llevoacute a cabo en el control de los factores incidentes en la cual se establecieron los rangos a utilizar esto derivado de los caacutelculos de balance y lo obtenido de los efectos en el disentildeo experimental los operarios se apegaron a estas condiciones con sus respectivos rangos y lo llevaron a cabo durante 8 lotes de produccioacuten en ese lapso de tiempo se evaluoacute el comportamiento del rendimiento se registraron los datos y se graficaron
18
CAPIacuteTULO 4 RESULTADOS Y CONCLUSIONES
41 Resultados
Anaacutelisis de efectos disentildeo factorial No1
Figura 2Grafica de efectos normales para el cafeacute soluble ABCD
En la figura 2 se observa la distribucioacuten de los factores A B C para los 4 tipos de cafeacute en la cual la
temperatura de entrada tiene efecto significativo en la dureza con una significancia del 92
mientras que los demaacutes factores no presentaron efectos significativos aunque tambieacuten influyen en
una combinacioacuten para dar la caracteriacutestica fisicoquiacutemica
19
Figura 3Grafica de interaccioacuten para cafeacute
soluble A
Figura 4 Grafica de interaccioacuten para cafeacute
soluble B
Figura 5Grafica de interaccioacuten para cafeacute soluble
C
Figura 6Grafica de interaccioacuten para cafeacute
soluble D
En las figuras 3 4 5 y 6 se muestran el comportamiento de la dureza de acuerdo a los factores
manejados para los cuatro tipos de cafeacute y en cada una de ella se aprecia que los niveles menores
de la temperatura de salida con la temperatura de entrada dieron una dureza igual y por debajo
de 10 asiacute mismo en el factor de velocidad de aire tambieacuten tuvo un comportamiento con niveles
menores Cabe mencionar que ninguna de las combinaciones obtuvo una dureza optima por lo
que se determinoacute que el incremento en la temperatura de salida aumenta la dureza obteniendo
un granulo maacutes fraacutegil
20
Anaacutelisis del disentildeo factorial No2
Figura 7Grafica de efectos normales para
dureza del cafeacute regular
Figura 8Grafica de efectos principales para dureza
del cafeacute regular
En las figuras 7 y 8 se observa que el No de criba tiene efecto significativo sobre la dureza es decir
entre menor abertura tenga la criba la dureza es mucho menor los graacutenulos son maacutes resistentes
mientras que entre mayor sea la abertura los graacutenulos son maacutes fraacutegiles (dureza alta) cabe
mencionar que la mejor dureza obtenida fue con el nuacutemero de malla 33 la presioacuten de vapor de
15 y la temperatura de partiacutecula de 30deg c
Figura 9 Grafica de efectos normales para
porcentaje de aglomerado del cafeacute regular
Figura 10Grafica de interaccioacuten para porcentaje
de aglomerado del cafeacute regular
21
En las figuras 9 y 10 se observa que la temperatura del producto el nuacutemero de criba tiene efecto
significativo sobre el porcentaje de aglomerado entre mayor es el nivel el porcentaje de
aglomerado disminuye determinado que hay maacutes cantidad de polvos finos asiacute mismo si el nivel
de los factores es bajo el porcentaje incremente constantemente Por lo que el comportamiento
del graacutenulo se acopla al incremento o disminucioacuten de estas variables
Monitoreos
Figura 11Grafica de dispersioacuten de la presioacuten del sistema
Figura 12 Grafica del vaciacuteo vs porcentaje de adhesioacuten
En las figuras 11 y 12 se observa el comportamiento del vaciacuteo con las variaciones de aire de
entrada Cabe mencionar que el sistema empleo una sola salida de aire de 1765 rpm Durante los
monitoreos los productos presentaron pegajosidad con entradas de aire menores a 900 rpm
mientras tanto de 1000 a 1150 rpm los productos no presentaron pegajosidad Lo mismo sucedioacute
en el comportamiento del vaciacuteo del sistema para la cual la pegajosidad aumenta y el rendimiento
disminuye con respecto al incremento del vaciacuteo Por lo que esta variable es el factor determinante
y con ello se prueba la hipoacutetesis que la variacioacuten en la presioacuten del sistema genera un arrastre
excesivo de polvos y la humedad no se elimina lo suficiente
120011001000900800700600
08
07
06
05
04
velocidad de entrada( Rpm)
vacio
del
sis
tem
a (
inh
20
)
Graacutefica de dispersioacuten de vacio del sistema vs velocidad de entrada
0
2
4
6
8
10
12
14
0 02 04 06 08 1
D
E A
DH
ESIO
N
VACIO DEL SISTEMA IN H20
22
Figura 13 Graacutefico de humedad relativa del aire
En la figura 13 se aprecia que la humedad relativa del aire inicialmente fue de 66 que
incrementoacute durante los siguientes diacuteas pero fue disminuyendo hasta llegar al 50 Esto debido a
los cambios climaacuteticos cabe mencionar que el equipo no cuenta con un filtrador para retirar el
porcentaje de agua del aire por lo que esta ingresa directamente a la caacutemara de secado siendo
una variable maacutes influyente en la adhesioacuten de los polvos finos
Anaacutelisis de datos
Tabla 5 Anaacutelisis de varianza de dos factores con una sola muestra por grupo
RESUMEN Cuenta Suma Promedio Varianza Fila 1 3 19303 643433333 026902633
Fila 2 3 313 104333333 296443333 Fila 3 3 22318 743933333 275458633 Fila 4 3 2425 808333333 389223333 Fila 5 3 2555 851666667 207763333 Fila 6 3 2888 962666667 216763333
Columna 1 6 51025 850416667 582740417 Columna 2 6 45726 7621 21353864 Columna 3 6 5485 914166667 260997667
Origen de las variaciones
Suma de cuadrados
Grados de libertad
Promedio de los cuadrados F Probabilidad
Valor criacutetico para
F Tratamientos 316103776 5 632207552 297461023 006699316 332583453
Bloques 699763344 2 349881672 164623405 024097493 410282102
Graacutefico de humedad realtva vs lote
0 3 6 9 12 15
lote
50
54
58
62
66
70
74
hu
med
ad
realt
va
23
Error 212534586 10 212534586
Total 598614696 17
En la tabla 5 se muestra el anaacutelisis de varianza de del disentildeo por bloques completamente al azar
de las diferentes concentraciones de azuacutecar por cada tipo de producto Dado que el f de Fisher es
menor que la f tabulada indica que no hay diferencias significativas por lo que se acepta la
hipoacutetesis nula la concentracioacuten de azucares no tiene efecto significativo en la adhesioacuten del cafeacute
ya que la mayoriacutea tuvo un porcentaje de adhesioacuten alta en las tres repeticiones cabe mencionar
que el producto A sin concentracioacuten tambieacuten tuvo adhesioacuten en la suma de cuadrados por bloques
tampoco hubo diferencias significativas
Tabla 6 Anaacutelisis de Varianza para dureza - Suma de Cuadrados Tipo III
Fuente Suma de Cuadrados
Gl Cuadrado Medio
Razoacuten-F Valor-P
EFECTOS PRINCIPALES
APRESION DE VAPOR 005445 1 005445 006 08164
BTAMANtildeO DE PARTICULA 121525 1 121525 1372 00208
CTEMPERATURA DE PARTICULA 471245 1 471245 532 00823
RESIDUOS
354305 4 0885763
TOTAL (CORREGIDO) 204624 7
La tabla 6 muestra el anaacutelisis de varianza del disentildeo factorial en la cual se descompone la
variabilidad de dureza en contribuciones debidas a varios factores Puesto que se ha escogido la
suma de cuadrados Tipo III (por omisioacuten) la contribucioacuten de cada factor se mide eliminando los
efectos de los demaacutes factores Los valores-P prueban la significancia estadiacutestica de cada uno de los
factores Puesto que un valor-P es menor que 005 este factor tiene un efecto estadiacutesticamente
significativo sobre dureza con un 950 de nivel de confianza
24
Figura 14Grafico anova para dureza
En la figura 14 se muestra el grafico anova y se observa la distribucioacuten de la respuesta para los
factores en la cual todas las razones-F se basan en el cuadrado medio del error residual La
mayoriacutea presenta distribucioacuten anova con el valor p mayor a 05 sin embargo para el factor tamantildeo
de partiacutecula el valor es menor a 05 con significancia
Balance de energiacutea
En el balance de materia y energiacutea se obtuvo que la humedad en la salida aglomerado es del 73
cuando hay una entrada de aire de 1550 m3 s con 50 de humedad relativa a una temperatura
de 230degc necesita 1730 KJ kg de calor con una cantidad de aire seco de 2600 kg h para sistema
adiabaacutetico sim embargo el aglomerador no es de este tipo de sistema por lo que se evaluoacute en un
graacutefico psicomeacutetrico (anexo1) encontraacutendose
El aire se calienta a humedad constante (To -T1) Si la caacutemara estuviera aislada y toda la energiacutea
posible se utilizara el aire se enfriariacutea adiabaacuteticamente y la temperatura miacutenima a alcanzar seriacutea la
de bulbo seco de saturacioacuten (Tsat) En realidad la caacutemara no estaacute aislada y no se sigue un
enfriamiento adiabaacutetico El aire sale a una temperatura T2 (ni estaacute saturado ni el proceso es
adiabaacutetico) debido a la baja relacioacuten aire-producto Si el proceso fuera adiabaacutetico saldriacutea a T2
(proceso adiabaacutetico y masas iguales de aire y producto)
ANOVA Graacutefico para DUREZA
-25 -15 -05 05 15 25
Residuos
PRESION DE VAPOR P = 0816415 2
TAMANtildeO DE PARTICULA P = 0020833 54
TEMPERATURA DE PARTICULA P = 0082330 35
25
Optimizacioacuten
De acuerdo a los caacutelculos de balance de materia los flujos de aire de 900 pm a 1100 rpm con una
salida de 1765 rpm mantienen el calor necesario para eliminar la humedad por lo que estas
variables son las que se implementaron y controlaron para la aglomeracioacuten de los diversos
productos
Figura 15 Grafica de rendimientos con flujo de aire de 900 rpm a 1100 rpm
En la figura 15 se observa el comportamiento del rendimiento con las condiciones aire manejadas
que mantuvieron un vaciacuteo de 04 y 05 inicialmente el rendimiento no fue favorable debido a la
humedad relativa sin embargo en los siguientes lotes el rendimiento se mantuvo del 94
mejorando en los siguientes diacuteas al 97 siendo favorable con ello el porcentaje de adhesioacuten
disminuyo al 3 con estas condiciones la caracteriacutestica de porcentaje de aglomerado incremento
al rango oacuteptimo
La optimizacioacuten de las variables de temperatura de salida y tamantildeo de criba consistioacute en la
reduccioacuten de sus rangos de operacioacuten para la cual la dureza mejoroacute apegaacutendose al rango oacuteptimo
925
93
935
94
945
95
955
96
965
0 2 4 6 8 10 12 14
Ren
dim
ien
to
lote
26
42 Conclusiones
Mediante el disentildeo experimentos se encontroacute que el aumento de dos factores temperatura de
salida y el tamantildeo de partiacutecula influyen en el bajo porcentaje de aglomerado y el incremento en la
dureza por que el granulo aglomerado presenta fragilidad y una cantidad de polvos finos Asiacute
mismo con el disentildeo por bloques se determinoacute que la concentracioacuten de azuacutecares de los cafeacutes no
tiene efecto significativo tomando como muestra patroacuten un producto sin concentracioacuten que
tambieacuten presento adhesioacuten en las tres repeticiones Durante el monitoreo se observoacute que los
soacutelidos aglomerados a condiciones de bajo vaciacuteo con humedad relativa del aire baja no
presentaban ninguacuten problema de adhesioacuten mientras que los producto a condiciones de vaciacuteo alto
con humedades por encima de 60 presentaban mayor adhesioacuten en balance de materia se
observoacute que una humedad relativa alta en la salida del equipo necesita mayor calor y cantidad de
aire de entrada para ser eliminado asiacute mismo mediante las eficiencias teacutermicas se evaluoacute el
sistema en una carta psicomeacutetrica y se determinoacute que hay perdida calor en la caacutemara de secado
al no ser adiabaacutetico por lo que la optimizacioacuten del proceso solo fue parcial enfocaacutendose solo a
condiciones del aire de entrada y salida en la que el rendimiento mejoro en un promedio del 96
43 Trabajos Futuros
Derivado al balance y los caacutelculos la humedad relativa es un factor importante en la adhesioacuten del
producto es por ello que el proyecto tiene continuidad en la implementacioacuten de un desumificador
de aire para que el sistema tenga una inyeccioacuten de aire seco el aislamiento (encamisado) de la
caacutemara de secado para evitar pedidas del calor tambieacuten y la determinacioacuten de nuevas condiciones
de operacioacuten debido a los cambios en los flujos aire
44 Recomendaciones
De acuerdo al estudio realizado mediante el disentildeo factorial se determinoacute que la variacioacuten de la
entrada de aire afecta la presioacuten del sistema por lo que se recomienda manejar una sola condicioacuten
de aire para cada producto con respecto a la velocidad de salida ya que el sistema necesita
mantener el equilibrio de las corrientes de aire para que el calor sea necesario y elimine toda la
humedad posible del vapor de agua para evitar que se concentre en la base coacutenica asiacute mismo la
alimentacioacuten de los soacutelidos finos debe tener propiedades caracteriacutesticas oacuteptimas para evitar la
variacioacuten de las condiciones
27
ANEXOS Anexo 1 Equipo aglomerado
Salida de aire
Base coacutenica
Caacutemara de
secado
Lecho
fluidizado
Entrada de
aire caliente
Separador
cicloacutenico
Zona de aspersioacuten de
solidos secos y vapor
de agua
28
Anexo 2 Carta psicomeacutetrica
Fuente Spray Drying Handbook (Masters 1991)
29
Anexo 3 Caacutelculos de velocidad lineal caudales de aire y volumen del equipo
1765 rpm (2πrads)(042)=7763 ms
600 rpm (2πrads)(030) =2638 ms
700 rpm (2πrads)(030)=3078 ms
800 rpm (2πrads)(030) =3518 ms
900 rpm (2πrads)(030) =3965 ms
1000 rpm (2πrads)(030) =4348 ms
1150 rpm (2πrads)(030)=5057ms
Caudal para las diferentes velocidades lineales
1) Q=VS
Q=2638 ms (π 00335m) 2
Q=930 m3s
2) Q=VS
Q=3078ms (π 00335m) 2
Q=1085m3s
3) Q=VS
Q=3518 ms (π 00335m) 2
Q=1240 m3s
4) Q=VS
Q=4348 ms (π 00335m) 2
Q=1550 m3s
5) Q=VS
Q=5057ms (π 00335m) 2
Q=2002 m3s
6) Q=VS
Q=7763 ms (π 0195 m) 2
Q=3708 m3s
30
Velocidad angular de aire (rpm) Caudal (m3s)
600 rpm 93
700 1085
800 1240
1000 1550
1150 2002
1765 3708
Caudales de aire de entrada y salida
Volumen de la caacutemara de secado
V= ℎ1205871199032
v=97 π (21m)
v=140844 m3
V= ℎ1205871199032
v= (09m) (π 21m)
v=2420 m3
Volumen de la base coacutenica
119907 =π r2 h
3
119907 =π (291) lowast 59
3
V=52313 m3
Volumen total del equipo =21734 m3
582 m
59m
582 m
09 m
43m
97 m
31
Anexo 3Caacutelculos de balance de materia y energiacutea
Se determina la velocidad de flujo de aire y la humedad de salida del aglomerador suponiendo
que no hay peacuterdidas de calor en el secador el balance inicia con la alimentacioacuten de 300 kg de
soacutelidos secoh que contienen 0035 kg de humedad totalkg de soacutelido seco hasta un valor de 0002
kg de humedad totalkg de soacutelido seco El polvo fino a granular entra a 35 ordmC y se desea
descargarlo a 32 ordmC El soacutelido seco tiene una capacidad caloriacutefica de 1465 kJkgK que se supone
constante El aire de calentamiento entra a 230 ordmC y con humedad de 0060 kg H2Okg de aire
seco y debe salir a 130
Balance de materia con respecto a la humedad
GH2 LS X1 GH1 LS X2
Reemplazando valores
(060) + 300 (0035)= GH1+ 300 (0002)
El balance de calor para el secador es
GHG2 LS HS1 GHG1 LS HS2 Q
Se calcula la entalpiacutea del aire de entrada HG1
Aglomerador
G1=
TG1=230
H2=
LS=300 KGSh
TS1=35
X1=0035
G2=
TG2=130
H2=060
Ts 2=378
X2=0002
Q
32
HG1=CS 1005188H 1005188(060)
HG1 CS (TG1 T0 ) H
HG1= CS 230 - 0 + 0060(2501) 17306 KJ Kg aire seco
Se calcula la entalpiacutea del aire de salida HG2
C21005188H 1005188 H1
HG1 CS (TG2 T0 ) H
HG1= (1005 + 188 H1 )130 - 0 + H1 (2501)
HG1=130 + 27454 H1
Se calcula las entalpiacuteas de los soacutelidos
HS1 CP S (TS1 T0) X1 CP A ( TS1 T0)
HS1 1465(35 0) 0035 (4187)(35 0) 5713 kJ kg
HS2 CP S (TS2 T0) X2 CP A ( T2 T0)
HS2 1465 (32 ndash 0 ) + 0002(4187)(32 0)=4714 KJ Kg
Reemplazando en el balance de energiacutea
G (17306)+ 300(5713) = G (130 + 27454 H1)+ 300(4714) + 0
G=2600 Kg aire seco por hora
Resolviendo conjuntamente con el balance de materia
G (060) + 300 (0035)= GH1+ 300 (0002)
2600(060) + 105 = 2600 H1 +06
H1=2600(060) +105 + 060 2600
H1=07427 Kg agua kg aire seco
33
Anexo 4Calculo de eficiencias teacutermicas
Datos
T = 230
Ts =147
T0= 30
T sat=45
Eficiencia teacutermica global
Ntermica global= 1198791minus1198792
1198792minus1198790 X 100
Ntermica global = 230minus147
230minus30 100 =415
Eficiencia de evaporacioacuten
Nevaporacion=1198791minus1198792
1198791minus119879119904119886119905
Nevaporacion = 230minus147
230minus45 100 =4486
34
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Equipment
[Escriba aquiacute] [Escriba aquiacute]
Universidad Tecnoloacutegica del Centro de Veracruz
Programa Educativo
Procesos Bioalimentarios
Nombre del Asesor Industrial
Ing Ramoacuten Adriaacuten Loacutepez
Nombre del Asesor Acadeacutemico
MCIQ Mariacutea Esther Alonso Palacios
Jefe de Carrera
MCIBQ Darney Citlali Martiacutenez Diacuteaz
Nombre del Alumno
TSU Florencio Salvador Cocotle Oltehua
[Escriba aquiacute] [Escriba aquiacute]
AGRADECIMIENTOS A Dios por darme la oportunidad de existir aquiacute y ahora por mi vida gracias por
iluminarme darme fuerzas y guiarme por tu sendero
A mis Padres por apoyarme en todo momento por su dedicacioacuten por los valores
inculcados Sobre todo por ser ejemplo de arduo trabajo
A mis hermanos por ser parte importante de mi vida y representar la unidad familiar
especialmente a mi hermana por llenar mi vida de alegriacuteas y amor cuando maacutes lo he
necesitado
A mi familia tiacuteos y primos porque de una u otra forma con su apoyo me han motivado a
seguir adelante a lo largo de toda mi vida
A la Universidad tecnoloacutegica del centro de Veracruz y a mis estimados maestros que a
lo largo de mi carrera me han transmitido sus amplios conocimientos
Al gerente de produccioacuten por brindarme su apoyo incondicional y darme la oportunidad
de ser miembro de la empresa
[Escriba aquiacute] [Escriba aquiacute]
RESUMEN El presente proyecto se realizoacute en la empresa cafeacute tostado de exportacioacuten en la etapa de
aglomeracioacuten de polvos finos de cafeacute donde el principal problema es la adhesioacuten de las partiacuteculas
finas a las paredes del equipo que disminuye el rendimiento del producto terminado y la eficacia
del proceso es seguimiento de un proyecto anterior pero ahora basado en teacutecnicas
experimentales y estudio maacutes a fondo con el objetivo de optimizar las variables incidentes y los
paraacutemetros operacionales
En este trabajo se implementaron dos disentildeos experimental factorial 23 para evidenciar el efecto
de algunos paraacutemetros de operacioacuten en el crecimiento de partiacuteculas soacutelidas evaluando dos
propiedades fisicoquiacutemicas la dureza y el porcentaje de aglomerado El primer disentildeo factorial
fue de tres factores (paraacutemetros de operacioacuten) con dos niveles en 8 corridas para 4 tipos de
productos en el segundo disentildeo los factores estuvieron definidos en las propiedades iniciales de
las partiacuteculas soacutelidas asiacute mismo se empleoacute un disentildeo de bloques completamente al azar para
determinar la significancia de la concentracioacuten de azucares sobre el porcentaje de adhesioacuten Se
aplicoacute un anaacutelisis de varianza con un nivel de significancia del 5 a los resultados experimentales
para las pruebas de hipoacutetesis Posteriormente se evaluaron las condiciones de presioacuten del sistema
flujo de aire humedad relativa y el rendimiento en diversos tipos de productos mediante un
monitero que abarco varios lotes de produccioacuten finalmente se procedioacute al balance de materia y
energiacutea para cuantificar la cantidad de aire y calor necesario para eliminar toda la humedad asiacute
como la determinacioacuten de las eficiencias teacutermicas del equipo
Mediante el disentildeo experimentos se encontroacute que el aumento de dos factores temperatura de
salida y el tamantildeo de partiacutecula influyen en el bajo porcentaje de aglomerado asiacute como el
incremento en la dureza por que el granulo aglomerado presenta fragilidad y una cantidad de
polvos finos En el disentildeo por bloques se determinoacute que la concentracioacuten de azuacutecares de los cafeacutes
no tiene efecto significativo tomando como muestra patroacuten un producto sin concentracioacuten que
tambieacuten presento adhesioacuten en las tres repeticiones Durante el monitoreo los soacutelidos
aglomerados a condiciones de bajo vaciacuteo con humedad relativa del aire baja no presentaron
adhesioacuten mientras que los producto a condiciones de vaciacuteo alto con humedades por encima de
60 tuvieron mayor adhesioacuten en el balance de materia se observoacute que una humedad relativa alta
en la salida del equipo necesita mayor calor y cantidad de aire de entrada para ser eliminado asiacute
mismo mediante las eficiencias teacutermicas se evaluoacute el sistema en una carta psicomeacutetrica
encontraacutendose que hay perdida de calor en la caacutemara de secado al no ser un sistema adiabaacutetico
por lo que la optimizacioacuten del proceso solo fue parcial enfocaacutendose a las condiciones del aire de
entrada y salida que mantuvieron un vaciacuteo de 04 InH20 mediante el control de estas variables el
rendimiento mejoroacute en un promedio del 96
[Escriba aquiacute] [Escriba aquiacute]
Tabla de contenido
AGRADECIMIENTOS
RESUMEN
CAPIacuteTULO 1 INTRODUCCIOacuteN 1
11 Estado del Arte 2
12 Planteamiento del Problema 6
13 Objetivos 6
13 Definicioacuten de variables 6
15 Hipoacutetesis 7
16 Justificacioacuten del Proyecto 7
17 Limitaciones y Alcances 8
18 La Empresa 8
CAPIacuteTULO 2 METODOLOGIacuteA 10
21 Eleccioacuten de los factores y los niveles 10
22 Seleccioacuten de la variable de respuesta 10
23 Eleccioacuten del disentildeo experimental 10
24 Realizacioacuten del disentildeo de experimentos 10
25 Monitoreo de los flujos de aire humedad relativa y presioacuten del sistema 10
26 Anaacutelisis de datos 10
27 Anaacutelisis de los efectos de los paraacutemetros operacionales 11
28 Aplicacioacuten del balance de materia y energiacutea 11
29 Optimizacioacuten del proceso 11
CAPIacuteTULO 3 DESARROLLO DEL PROYECTO 12
31 Equipo experimental 12
32 Monitoreos 12
33 Disentildeo de experimentos 12
34 Realizacioacuten del disentildeo de experimentos 14
[Escriba aquiacute] [Escriba aquiacute]
35 Anaacutelisis de datos 15
36 Balance de materia energiacutea 15
37 Optimizacioacuten 17
CAPIacuteTULO 4 RESULTADOS Y CONCLUSIONES 18
41 Resultados 18
42 Conclusiones 26
43 Trabajos Futuros 26
44 Recomendaciones 26
ANEXOS 27
Anexo 1 Equipo aglomerado 27
Anexo 2 Carta psicomeacutetrica 28
Anexo 3 Caacutelculos de velocidad lineal caudales de aire y volumen del equipo 29
Anexo 3Caacutelculos de balance de materia y energiacutea 31
Anexo 4Calculo de eficiencias teacutermicas 33
BIBLIOGRAFIacuteA 34
[Escriba aquiacute] [Escriba aquiacute]
Iacutendice de tablas
Tabla Descripcioacuten Pagina
1 Tratamientos del disentildeo por bloques al azar 12
2 Factores y niveles del Disentildeo factorial 23 13
3 Corridas experimentales del disentildeo 23 13
4 Disentildeo de bloques completamente al azar 14
5 Anaacutelisis de varianza de dos factores con una sola muestra por grupo 23
6 Anaacutelisis de Varianza para dureza - Suma de Cuadrados Tipo III 23
Contenido de figuras
Figura Descripcioacuten Pagina
1 Diagrama de flujo del balance del aglomerador 16
2 Grafica de efectos normales para el cafeacute soluble ABCD 18
3 Grafica de interaccioacuten para cafeacute soluble A 19
4 Grafica de interaccioacuten para cafeacute soluble B 19
5 Grafica de interaccioacuten para cafeacute soluble C 19
6 Grafica de interaccioacuten para cafeacute soluble D 19
7 Grafica de efectos normales para dureza del cafeacute regular 20
8 Grafica de interaccioacuten para dureza del cafeacute regular 20
9 Grafica de efectos normales para porcentaje de aglomerado 20
10 Grafica de interaccioacuten para porcentaje de aglomerado del cafeacute regular 20
11 Grafica de dispersioacuten de la presioacuten del sistema 21
12 Grafica del vaciacuteo vs porcentaje de adhesioacuten 21
13 Graacutefico de humedad relativa del aire 22
14 Grafico anova para dureza 24
15 Grafica de rendimientos con flujo de aire de 900 rpm a 1100 rpm 25
1
CAPIacuteTULO 1 INTRODUCCIOacuteN
Los procesos de aglomeracioacuten han existido desde hace varios antildeos con el fin de acondicionar
fiacutesicamente diferentes tipos de materiales y para diferentes propoacutesitos como es el caso de la
palatizacioacuten del mineral de hierro que es realizada en las siderurgiasPor su parte en la industria
farmaceacuteutica y en la produccioacuten de algunos alimentos como el cafeacute soluble los productos laacutecteos
entre otros la aglomeracioacuten de partiacuteculas finas tiene gran aplicacioacuten ya que permite obtener
graacutenulos de mayor tamantildeo con una estructura de poros abiertos a fin de poder absorber liacutequidos
y facilitar la dispersioacuten inmediata lo permite obtener un producto de alta dispersabilidad fluidez
segregacioacuten densidad fragilidad etc (Wolfgang 2008)
La aglomeracioacuten es un proceso que promueve el incremento de tamantildeo del soacutelido (graacutenulo)
mediante la adhesioacuten de partiacuteculas pequentildeas (soacutelidos finos) sobre otra partiacutecula de mayor tamantildeo
por la accioacuten de un liacutequido ligante en un sistema que presentan dos zonas la zona de aspersioacuten
que es el aacuterea donde el liacutequido aglomerante tiene el primer contacto con las partiacuteculas finas que
colisionan entre siacute formando puentes liacutequidos que al evaporarse dan lugar a enlaces soacutelidos
donde los finos se adhieren a los gruesos (Kumar amp Ramkrishna 1997) Y la zona de dispersioacuten
que es el aacuterea donde se mezclan con aire caliente para el secado Para llevar a cabo esta operacioacuten
se emplean diversos equipos en su mayoriacutea granuladores de lecho fluidizado mezcladores y
secadores de lecho fluido ( Litster J 2003)
Actualmente puede observarse como una combinacioacuten de tres diferentes mecanismos
humectacioacuten y nucleacioacuten consolidacioacuten y coalescencia atricioacuten y rompimiento El aumento del
tamantildeo de partiacuteculas es un teacutermino geneacuterico que engloba las operaciones unitarias relacionadas
con la tecnologiacutea de materiales pulverizados de medios granulares y la mecaacutenica de soacutelidos
(Litster amp Bryan 2004)
La aglomeracioacuten depende de la naturaleza fiacutesica del sistema partiacutecula solidandashliacutequido aglomerante
y de las variables asociadas al equipo De esta forma es importante controlar dichos paraacutemetros
operacionales dado que una mala relacioacuten entre estos traeriacutea problemas en la operacioacuten
2
11 Estado del Arte
El proceso de aglomeracioacuten ha sido estudiado y analizado por varias deacutecadas el disentildeo y anaacutelisis
de tales sistemas permanece enraizado al empirismo debido a que no hay una metodologiacutea para el
disentildeo y operacioacuten de tales procesos asiacute mismos las plantas industriales donde se llevan a cabo
procesos de granulacioacuten y secado por aspersioacuten han enfrentado una serie de problemas
relacionados con la pegajosidad de las partiacuteculas inertes a las paredes de los diversos equipos
empleados incluyendo razones de reciclado pobre control en la calidad del producto obtenido
siendo necesario el reprocesado del producto incrementando el costo de produccioacuten Este
problema tiene su origen en el escaso entendimiento de la influencia de los paraacutemetros
operacionales sobre el proceso (Iveson amp Hapgood 2001)
Investigadores como (Lister amp Waters 1988) (Parveen 2012) han establecido que durante el
proceso de aglomeracioacuten se ve influenciado por la distribucioacuten de tamantildeos de los soacutelidos pues la
polidispersidad de la poblacioacuten de soacutelidos induce al recubrimiento o adhesioacuten de las partiacuteculas
pequentildeas sobre las de mayor tamantildeo Asiacute mismo existe una posible influencia combinada entre el
paraacutemetro temperatura (cuyos niveles de estudio son adecuados para averiguar la influencia de
eacuteste paraacutemetro sobre el comportamiento de crecimiento del aglomerado) y la polidispersidad de
los soacutelidos
(Sastry amp Fuerstenau 1973)Estudiaron que la adhesioacuten de partiacuteculas sin formacioacuten de puentes
(fuerzas de van der Waals o electrostaacuteticas) forman aglomerados relativamente deacutebiles En
cambio los que forman puentes son maacutes fuertes Por su parte (Canela 1996) determino que la
resistencia de los aglomerados depende de las fuerzas fiacutesicas que mantienen unidas a las
partiacuteculas y la magnitud de eacutestas depende del tamantildeo de partiacutecula la carga superficial la
estructura cristalina la proximidad de las partiacuteculas la cantidad de aditivos y de otras
propiedades fisicoquiacutemicas del sistema como lo son la naturaleza quiacutemica de la partiacutecula los
coeficientes de frotamiento interno de la partiacutecula masa volumeacutetrica y fuerza de cohesioacuten
(Schaafsma amp Kossen 2006)Estudiaron la influencia de alimentar el liacutequido aglomerante
atomizado por pulsos y temperatura del medio fluidizante (40 y 60degC) sobre el crecimiento del
aglomerado El aglomerador empleado teniacutea una geometriacutea coacutenica y contaba con un cicloacuten para
limpiar el aire de los finos arrastrados por eacuteste Se emplearon soacutelidos de α-lactosa monohidratada
malla No 110 y como liacutequido aglomerante polyvinylpirrolidona al 8 Los resultados obtenidos
indicaron que el crecimiento del aglomerado se ve influenciado por la humedad presente en el
lecho mientras que encontraron diferentes efectos de la temperatura del medio fluidizante sobre
el crecimiento del aglomerado a baja temperatura 40degC el graacutenulo crece a su tamantildeo final maacutes
raacutepido que a 60degC
(Tan HS Salman AD 2006)Estudiaron la influencia de algunos paraacutemetros operacionales
responsables del crecimiento del aglomerado empleando como soacutelido de trabajo Glass Ballotini
cuya distribucioacuten de tamantildeos estaba comprendida entre 73-375 microacutemetros El agente
3
aglomerante empleado fue Polyentilen Glycol Los paraacutemetros operacionales analizados fueron
tasa de atomizacioacuten del agente aglomerante (288 m3 ∙s-1) temperatura en el lecho de soacutelidos
(28 32 36 y 40degC) presioacuten de atomizacioacuten (15 bar) y velocidad del aire fluidizante (097 m∙s-1)
Los resultados indicaron que el crecimiento del aglomerado depende directamente de la cantidad
relativa del agente aglomerante atomizado sobre el lecho el cual determina la velocidad del
proceso de agregacioacuten Asiacute mismo el crecimiento del aglomerado se ve favorecido con el
incremento en los niveles de temperatura Con referencia al tamantildeo de gota del agente
aglomerante atomizado concluyeron que una gota de mayor tamantildeo incrementa el crecimiento
global del aglomerado mientras que una gota de menor tamantildeo induce a un crecimiento inicial
maacutes raacutepido Finalmente el crecimiento global del aglomerado se reduce al incrementar la
velocidad del aire
(Dolinski 2000) Encontroacute que en el secado de aspersioacuten de zumos de frutas con elevado contenido
de azucares los compuestos tienen temperaturas de transicioacuten viacutetrea bajas presenta problemas
de pegajosidad (stickiness) El teacutermino ldquostickinessrdquo hace referencia a los fenoacutemenos de cohesioacuten
partiacutecula-partiacutecula y de adhesioacuten partiacutecula-pared que presentan los polvos obtenidos que dificulta
su presentacioacuten en estado polvo y mancha las paredes de los cilindros de pulverizacioacuten (Al quedar
en la pared del compartimiento de secado como un jarabe da lugar a bajas producciones del
producto y a problemas operacionales)
(Boonyai 2004) Explica que la mayor causa de la pegajosidad en polvos amorfos de zumos en el
secado por aspersioacuten es la accioacuten plastificante del agua en la superficie que da lugar a la adhesioacuten
y cohesioacuten El alto contenido en azuacutecares de bajo peso molecular y aacutecidos orgaacutenicos disminuye la
temperatura de transicioacuten viacutetrea (Tg) por debajo de la temperatura de preparacioacuten del producto
incluso a la temperatura de salida del secado Esto conlleva a la existencia de un estado pseudo-
liacutequido de material amorfo que es responsable de la cohesioacuten interpartiacuteculas y de la adhesioacuten de
las partiacuteculas a las paredes del cilindro Cuanto mayor sea esta diferencia de temperatura (ΔT=Tp -
Tg) mayor seraacute el grado de pegajosidad
Como puede visualizarse existe un grupo muy amplio de paraacutemetros operacionales que inciden en
el comportamiento del proceso de aglomeracioacuten y los problemas asociados a este Sin embargo la
investigacioacuten y anaacutelisis de este tipo de proceso se centra en los paraacutemetros que se pueden
controlar de manera adecuada pues los equipos empleados para tal investigacioacuten son de tipo
escala piloto o banco los cuales son disentildeados y construidos para manipular un nuacutemero reducido
de paraacutemetros Por su parte se han propuestos teacutecnicas para resolver anomaliacuteas presentadas por
la influencia de variables que se afectan unas con otras
(Espantildea Patente nordm 36848 1967) Propuso un procedimiento para obtener aglomerados fuertes de
cafeacute soluble mediante la reduccioacuten de la temperatura de las partiacuteculas hasta menos 7deg antes de
entrar en contacto con vapor de agua y con humedades de 3 a 4 El enfriamiento se logra con la
inyeccioacuten de co2 liquido en el molino de martillos asiacute mismo demostroacute que la reduccioacuten de
tamantildeo a menos de 54 micras se forman enlaces fuertes y se evita la degradacioacuten o separacioacuten de
los graacutenulos durante el secado en la caacutemara Su metodologiacutea consistioacute en pruebas a diferentes
4
niveles de temperaturas cantidad de vapor humedad y temperatura del producto inicial
obteniendo aglomerados de gran dureza y buena apariencia fiacutesica
(Schaafsma SH 1998) Propuso en su trabajo de investigacioacuten relacionado con la aglomeracioacuten de
soacutelidos un proceso de crecimiento de un aglomerado originado a partir de una gota de liacutequido En
su propuesta describe el crecimiento del aglomerado a partir de dos etapas Inicialmente se
presenta un raacutepido crecimiento que toma lugar por el mojado de las partiacuteculas lo cual resulta en
la formacioacuten de un aglomerado inicial La segunda etapa de crecimiento es iniciado por el
transporte de liacutequido del aglomerado hacia las partiacuteculas que lo rodea El crecimiento del
aglomerado toma lugar por la unioacuten de partiacuteculas Si un poro en la superficie de un aglomerado
estaacute saturado con liacutequido entonces partiacuteculas libres pueden alcanzar la fase liacutequida en el poro y un
puente liacutequido puede ser formado Acorde a este proceso se puede concluir que la distribucioacuten de
tamantildeos de partiacuteculas y porosidad juega un papel importante en el tamantildeo final del aglomerado
Diversos autores han utilizado diferentes aproximaciones ingenieriles para entender y describir el
comportamiento de un proceso de granulacioacuten Un anaacutelisis estadiacutestico de un disentildeo experimental
permite determinar cualitativamente el efecto de un paraacutemetro del proceso sobre el aglomerado
tomando como referencia el tamantildeo promedio de la poblacioacuten de partiacuteculas aglomeradas
(Montgomery 2007) Mientras que el uso de un balance de poblacioacuten permite tratar de manera
fundamental procesos que involucran fenoacutemenos de nacimiento y muerte de partiacuteculas en un
determinado volumen de control (VC) (Hulbert 1967)
(Cryer A S y Scherer NR 2003 ) Implementaron un disentildeo factorial fraccional a frac12 en un
aglomerador coacutenico para evidenciar la influencia de ciertos paraacutemetros importantes relacionados
con la aglomeracioacuten de un producto agroquiacutemico cuya distribucioacuten inicial comprendiacutea tamantildeos
entre 01 a 100 micrones y cuyo diaacutemetro promedio inicial era de 20 micrones El agente
aglomerante empleado fue agua destilada Los paraacutemetros operacionales analizados fueron flujo
de aire (0106-0153 m3 s-1) temperatura de alimentacioacuten del aire (40-60degC) tasa de atomizacioacuten
del agente aglomerante (370x103 -542x103 kg s - 1 ) carga de soacutelidos inicial (25-35kg) y altura de
la boquilla de atomizacioacuten (posiciones 1 y 3) A partir del anaacutelisis estadiacutestico (el cual se realizoacute con
un nivel de significancia de 99) se evidencioacute la significancia de los factores bajo estudio siendo la
tasa de atomizacioacuten y carga de soacutelidos los de mayor efecto mientras que la temperatura y flujo de
aire resultaron marginalmente significativos en el crecimiento del aglomerado mientras que la
altura de la boquilla no influye en el crecimiento del aglomerado
(Riacuteos 2005) Implementoacute un disentildeo factorial 2 a la 3 en un aglomerador de lecho fluidizado coacutenico
para aglomerar soacutelidos de Tamarindo con un diaacutemetro promedio de 784 micrones Los factores
controlables fueron temperatura del aire fluidizante (80-100degC) tiempo de atomizacioacuten (3-5 min)
y masa de soacutelidos cargados al sistema (200-300g) El agente aglomerante empleado fue agua
destilada El anaacutelisis estadiacutestico (realizado con un nivel de significancia del 95) determinoacute que el
tiempo de atomizacioacuten del agente aglomerante fue el principal paraacutemetro que afecta el
crecimiento del aglomerado mientras que la temperatura y carga de soacutelidos no afectan el
crecimiento del aglomerado Cabe resaltar que se probaron los niveles de significancia de 90 y
5
75 con el objetivo de probar los posibles efectos de los paraacutemetros que no resultaran
significativos a un nivel del 95 El resultado obtenido a un nivel de significancia del 90
determinoacute que el tiempo de atomizacioacuten asiacute como la temperatura del aire resultaron
significativos es decir afectan en el crecimiento del aglomerado Asiacute mismo se determinoacute que a
un nivel de significancia del 75 los paraacutemetros tiempo de atomizacioacuten temperatura carga de
soacutelidos asiacute como la interaccioacuten entre la temperatura y carga de soacutelidos afectan el crecimiento del
aglomerado El anaacutelisis realizado a estos niveles de significancia (75 y 90) se evaluaron para
futuros trabajos relacionados con la aglomeracioacuten de soacutelidos de Tamarindo
(Dacanal amp Menegalli 2008) Implementaron un disentildeo factorial fraccional 24-1 en un aglomerador
con geometriacutea coacutenica el cual contaba con un cicloacuten para limpiar el aire de los finos arrastrados
con el objetivo de evidenciar la significancia de ciertos paraacutemetros operacionales que influyen en
el proceso de crecimiento de aglomerados de soacutelidos de acerola (Cerezo de las Antillas) La
poblacioacuten inicial de los soacutelidos contaba con un diaacutemetro promedio inicial de 954 micrones El
agente aglomerante empleado fue agua Los paraacutemetros bajo estudio fueron temperatura del aire
fluidizante (75-90degC) velocidad del aire fluidizante (025-045 ms-1 ) flujo de aire de atomizacioacuten
(050-070 lh-1 ) y altura de la boquilla con respecto al lecho (050-070 m) El anaacutelisis estadiacutestico
(realizado con un nivel de significancia del 95) evidencioacute la influencia de solo la velocidad del aire
sobre el crecimiento del aglomerado Sin embargo los autores expresan que la temperatura del
aire debe afectar el crecimiento del aglomerado pero los niveles ensayados no fueron los
adecuados Cabe resaltar que la altura de la boquilla y flujo de aire en la boquilla no resultaron
significativos es decir no influyeron en el crecimiento del aglomerado
6
12 Planteamiento del Problema
En Cafeacute Tostado de Exportacioacuten durante el proceso de aglomeracioacuten de cafeacute soluble para la
obtencioacuten de granulado efectuado en un secador por aspersioacuten con lecho fluido integrado se
presenta la pegajosidad de los polvos finos a las paredes de la base coacutenica del equipo y conforme
transcurre el tiempo la cantidad adherida se compacta formando capas gruesas llegando al punto
en que el mismo calor en el interior lo derrite y cae en forma de masas elaacutesticas o masas solidas de
gran volumen obstruyendo el paso de los graacutenulos por lo que la produccioacuten se detiene generando
contratiempos al quitar todo el cafeacute compactado Esta anomaliacutea afecta la eficiencia del proceso y
disminuye el rendimiento
La problemaacutetica se da en la produccioacuten de diversos tipos de cafeacute granulado desde mezclados
descafeinados y puros asiacute como en los diversos paraacutemetros de operacioacuten y aunque se han
implementado vibradores de alto rendimiento en la base coacutenica del equipo el problema sigue
teniendo impacto
13 Objetivos General
Optimizar el proceso de aglomeracioacuten de polvos finos de cafeacute soluble para la mejora del
rendimiento
Especiacuteficos
Evaluar el efecto de las variables de operacioacuten sobre el comportamiento de los
aglomerados asiacute como las caracteriacutesticas finales deseadas
Determinar mediante corridas experimentales las variables con mayor incidencia en la
pegajosidad del producto
Optimizar los paraacutemetros operacionales mediante el balance de materia y energiacutea
13 Definicioacuten de variables
Las variables que se manejaran en este proyecto se mencionan a continuacioacuten
Condiciones operativas del sistema temperatura de aire de entrada y salida presioacuten de
vapor flujo de aire de entrada y salida
Propiedades de los soacutelidos iniciales tamantildeo de partiacutecula humedad temperatura y
densidad
Humedad relativa del aire
Presioacuten del sistema y trasferencia de calor
7
15 Hipoacutetesis
1 Los aglomerados pierden cohesioacuten durante el secado debido a que hay un enlace de
partiacuteculas deacutebiles las cuales se separan generando una cantidad de polvos finos que son
arrastradas por la corriente de aire de forma turbulenta hasta la parte inferior dando
lugar a la adhesioacuten y compactacioacuten
2 La variacioacuten de la presioacuten del sistema (vaciacuteo) presenta anomaliacuteas en la distribucioacuten de
aire trayendo consigo alto acarreo de polvos finos por lo que presenta depoacutesitos a las
paredes de la caacutemara de secado
3 La continua variacioacuten de las condiciones de operacioacuten afecta en la formacioacuten y crecimiento
de las partiacuteculas dando lugar al arrastre excesivo de polvos como del medio aglomerante
reflejando en el escaso o nulo crecimiento de la partiacutecula y por ende adhesioacuten a las
paredes
4 La concentracioacuten de azucares tiene efecto significativo en la pegajosidad
16 Justificacioacuten del Proyecto
Hoy en diacutea el control de los procesos de aglomeracioacuten bajo su contexto de granulacioacuten huacutemeda es
muy complejo al llevar a cabo diferentes mecanismos dentro de sistemas que manejan
transferencia de calor transferencia de masa mecaacutenica de fluidos y termodinaacutemica por
consiguiente dependen de las variables de operacioacuten la naturaleza de los soacutelidos y del liacutequido
ligante
El presente proyecto se realiza en una empresa de cafeacute soluble donde se lleva cabo el proceso de
aglomeracioacuten en la cual presenta problemas de pegajosidad de partiacuteculas finas a las paredes del
equipo y el rendimiento se ve afectado El proyecto es seguimiento de un estudio anterior en la
que se analizaron y estudiaron varios tipos de cafeacutes encontraacutendose que los mezclados
presentaban maacutes adhesioacuten que los puros por consiguiente se determinaron las condiciones
oacuteptimas de operacioacuten de acuerdo las especificaciones finales mediante el uso de graficas de
control sin embargo eso no detuvo la problemaacutetica ya que hasta la fecha sigue presenciaacutendose
Siendo necesario estudios maacutes a fondo basado en teacutecnicas experimentales o de modelos
matemaacuteticos para entender la interaccioacuten de una variable sobre el comportamiento
La finalidad de este proyecto es la optimizacioacuten de los paraacutemetros operacionales de las variables
del proceso que inciden en la anomaliacutea Para ello se emplearan herramientas estadiacutesticas (disentildeo
de experimentos) para la evaluacioacuten y determinacioacuten de los efectos de las variables de entrada
(factores) sobre una variable de salida (respuesta) y el balance de materia-energiacutea para el control y
la optimizacioacuten
8
17 Limitaciones y Alcances
Limitaciones
Se respetaran los lineamientos de la empresa por lo que los nombres de los productos a
estudiar seraacuten restringidos y su uso seraacute mediante letras o nuacutemeros
El tiempo de estudio comprenderaacute 3 meses por lo que simplemente se abarcaran los
tipos de cafeacute que se produzcan en ese lapso
Debido a que el proceso es continuo los operarios son los uacutenicos que tienen el control de
las condiciones del equipo por consiguiente se tomaran solo los paraacutemetros empleados
para cada tipo de producto y estas son las que se manejaran en el disentildeo experimental
Alcances
Determinacioacuten de los factores influyentes en la pegajosidad del cafeacute y optimizacioacuten de los
mismos
Control de los paraacutemetros operacionales
Implementacioacuten de acciones de mejora continuacutea para el sistema
18 La Empresa
Cafeacute Tostado de Exportacioacuten tiene su inicio el 13 de Mayo de 1972 en la Ciudad de Tuxtla
Gutieacuterrez Chiapas Es una empresa que pertenece al grupo SANROKE que actualmente se
encuentra ubicada en la ciudad de Coacuterdoba Veracruz Comenzoacute produciendo cafeacute tostado y
molido posteriormente inicia en el proceso de cafeacute soluble logrando obtener otros subproductos
del cafeacute soluble como el aglomerado lechero y capuchino Fue una de las primeras empresas en
su ramo en estar certificada por la norma ISO 90012008 Actualmente cuenta con certificaciones
de labor social medio ambiente calidad orgaacutenicas e inocuidad lo que refleja su cumplimiento de
los estaacutendares internacionales
Es una compantildeiacutea liacuteder por su firme compromiso con la calidad y la satisfaccioacuten del cliente
Sumando hasta el diacutea de hoy deacutecadas de experiencia y dedicacioacuten en la industria del cafeacute El
aumento del consumo de esta bebida en el mundo ha sido paralelo a su desarrollo econoacutemico
representando una gran oportunidad para encontrar nuevos socios y expandir sus actividades
demostrando al resto del mundo coacutemo la disciplina y el trabajo duro conducen al eacutexito
Misioacuten
Elaboracioacuten de productos de la maacutes alta calidad a traveacutes de la seleccioacuten de materia prima superior
y los maacutes altos estaacutendares de manufactura satisfaciendo el gusto de los consumidores generando
beneficios para los accionistas colaboradores clientes proveedores y comunidad en general
9
Visioacuten
Convertirse en liacutederes del mercado nacional y ampliar su presencia en el mercado extranjero con
productos de calidad insuperable con el mejor sabor que proporcione deleite y satisfaccioacuten a
quien los consuma
En cafeacute tostado de exportacioacuten para obtener cafeacute soluble granulado se llevan cabo varias
operaciones unitarias
Tostado se exponen los granos de cafeacute a un calentamiento en el cual provoca inicialmente
una liberacioacuten de agua ligada hasta alcanzar el calor deseado mantenieacutendolo en continuo
movimiento para asegurar un tostado completo del grano cuando finaliza el tostado el
cafeacute es enfriado y almacenado
Molienda y Extraccioacuten para la reduccioacuten del tamantildeo el cafeacute tostado requiere un corte
mediante una accioacuten de compresioacuten y friccioacuten para provocar partiacuteculas de tamantildeo y
forma adecuados Una vez molido se hace la extraccioacuten de solidos solubles aplicando agua
caliente para generar una infusioacuten que obtenga todo el sabor y aroma presente en los
granos
Centrifugacioacuten y evaporacioacuten mediante una maacutequina de fuerza centriacutefuga se elimina la
mayor parte de los residuos que quedan de la extraccioacuten Posteriormente el extracto
liacutequido obtenido entra en la evaporacioacuten donde se elimina la mayor parte de agua y el
producto queda concentrado
Secado el liacutequido es secado mediante un secador por aspersioacuten en una corriente de aire
caliente donde las gotitas finamente al contacto con el calor evaporan el agua
convirtieacutendose en polvo esfeacuterico instantaacuteneo
Aglomeracioacuten es la operacioacuten designada para la formacioacuten de partiacuteculas de mayor
tamantildeo operando sobre la base de re-humidificacioacuten de la superficie del polvo de cafeacute con
vapor de agua en una atmoacutesfera turbulenta de aire caliente de manera que al colisionar
las partiacuteculas entre siacute los finos se adhieren a los gruesos formaacutendose los aglomerados
La variedad de presentaciones y la calidad de sus producto han permitido permanecer en el gusto
del puacuteblico contando con sus tradicionales cafeacutes tostados y molidos los praacutecticos cafeacutes solubles
aglomerados y ahora liofilizado caacutepsulas de cafeacute expreso teacute de cafeacute verde y crema untable
Caferetas Actualmente es liacuteder en el mercado internacional del cafeacute instantaacuteneo liacuteder local y
regional de cafeacute soluble granulado bajo el nombre de cafeacute ldquoLos Portales de Coacuterdoba ldquo
10
CAPIacuteTULO 2 METODOLOGIacuteA
21 Eleccioacuten de los factores y los niveles
Los factores seraacuten las condiciones de operacioacuten del equipo aglomerador de las cuales se
seleccionaran solo las que tengan maacutes impacto en la formacioacuten del granulo y posible influyente en
el problema los niveles estaraacuten definidos como altos y bajos
22 Seleccioacuten de la variable de respuesta
La variable de respuesta estaacute definido como las caracteriacutesticas fisicoquiacutemicas del producto final color densidad humedad dureza y porcentaje de aglomerado pero solo se seleccionaraacuten dos de ellas Tambieacuten se contemplara como respuesta el porcentaje de adhesioacuten
23 Eleccioacuten del disentildeo experimental
La eleccioacuten del disentildeo implicara la consideracioacuten del tamantildeo de la muestra (nuacutemero de reacuteplicas)
El intereacutes se centrara en identificar queacute factores causan esta diferencia y en estimar la magnitud
del cambio de la respuesta Por lo que pueden utilizarse uno o maacutes disentildeos experimentales de
acuerdo a las variables manejadas las cuales pueden ser factorial por bloques completamente al
azar y superficie de respuesta
24 Realizacioacuten del disentildeo de experimentos
Una vez seleccionado el o los disentildeos se ejecutaran para obtener los valores de las respuestas para
la cuales se contara con el apoyo de aacuterea de control de calidad quien proporcionara esta
informacioacuten asiacute como tambieacuten la ayuda de los operarios quienes son los expertos en manejar las
condiciones del equipo Los datos obtenidos se ingresaran a un programa estadiacutestico para
determinar los efectos y obtener las graacuteficas
25 Monitoreo de los flujos de aire humedad relativa y presioacuten del sistema
Se haraacute un monitoreo en los flujos de aire humedad relativa y presioacuten del sistema en lapso de
tiempo adecuado para evaluar el comportamiento de estas variables los datos se registraran en
Excel para la elaboracioacuten de graacuteficas
26 Anaacutelisis de datos
En esta fase se utilizaran programas estadiacutesticos para analizar y comparar los datos a fin de
determinar que los resultados y las conclusiones sean objetivos Se aplicara un anaacutelisis de varianza
11
(anova) la cual puede ser de un solo factor o multifactorial con niveles de significancia
dependiendo del tipo de disentildeo y con ello se haraacute la prueba de hipoacutetesis
27 Anaacutelisis de los efectos de los paraacutemetros operacionales
El anaacutelisis de los efectos de los paraacutemetros operacionales (factores) sobre la variable de
respuesta se efectuara mediante las graacuteficas de interaccioacuten y las graacuteficas de efectos normales que
se obtendraacuten en el software estadiacutestico con la finalidad de determinar coacutemo afecta cada factor
en el comportamiento de una propiedad caracteriacutestica del granulo
28 Aplicacioacuten del balance de materia y energiacutea
Para realizar este caacutelculo primero se haraacuten las conversiones de flujo de aire de velocidad angular a
velocidad lineal para posteriormente calcular el caudal del aire que pasa por los conductos asiacute
mismo se calculara el volumen de la caacutemara de secado y la base conicaEl uso de la carta
psicomeacutetrica seraacute de gran importancia para determinar la humedad absoluta del aire las
eficiencias teacutermicas y la temperatura de saturacioacuten adiabaacutetica Para la entalpia del aire se
utilizaran foacutermulas adecuadas de termodinaacutemica Las formulas del balance de materia y energiacutea
que se utilizara seraacute las establecidas para secadores por aspersioacuten Una vez reunido los valores se
sustituiraacuten para obtener los correspondientes la variable que se necesita encontrar es la cantidad
de humedad relativa y el calor en la salida de la caacutemara de secado
29 Optimizacioacuten del proceso
La optimizacioacuten del proceso se efectuaraacute de acuerdo a los resultados de los monitoreos del flujo
de aire humedad relativa los efectos obtenidos en el disentildeo de experimentos y sobre todo los
caacutelculos de balance de materia ndashenergiacutea
12
CAPIacuteTULO 3 DESARROLLO DEL PROYECTO
31 Equipo experimental
El equipo experimental utilizado fue un secador por aspersioacuten con lecho fluido integrado (Anexo1)
que consta de una caacutemara de secado proyectado sobre una base coacutenica mediante la cual una
corriente de aire caliente es suministrado por un ventilador de entrada creando una atmosfera
turbulenta donde los polvos finos entran en contacto con vapor de agua y mediante el secado se
forman los aglomerados este equipo maneja varias condiciones de operacioacuten que le dan las
caracteriacutesticas al producto Las herramientas estadiacutesticas empleados fueron Excel para el anaacutelisis
de varianza y prueba de hipoacutetesis del disentildeo por bloques al azar minitab para el anaacutelisis de los
efectos de los factores sobre la variable de respuesta y stargrapics para el anaacutelisis de varianza del
segundo disentildeo experimental
32 Monitoreos
Se hizo un monitoreo en los flujos de aire de entrada flujo de salida el vaciacuteo del sistema y la
humedad relativa del aire en un lapso de 5 horas diarias por 10 lotes de produccioacuten evaluando
tambieacuten la adhesioacuten en cada uno de ellos se registraron los datos en Excel mediante estos datos
se elaboroacute una graacutefica de dispersioacuten para ver el comportamiento de estas variables
33 Disentildeo de experimentos
Se utilizoacute un disentildeo de bloques completamente al azar en la cual los tratamientos fueron la
concentracioacuten de azucares con respuesta de porcentaje de adhesioacuten Cabe mencionar que cada
tratamiento indica un tipo de producto por su concentracioacuten
Tabla 1 Tratamientos del disentildeo por bloques al azar
TRATAMIENTO CONCENTRACION
A 0
B 5
C 10
D 15
F 17
Se formularon dos hipoacutetesis
H0=La concentracioacuten de azucares no tiene efecto en la pegajosidad de los polvos finos si F es
menor o igual a la F tabulada
13
H1=La concentracioacuten de azucares tiene efecto significativo si F de Fisher es mayor que la F
tabulada
Se utilizoacute un disentildeo factorial 23 para determinar el efecto de tres condiciones de operacioacuten
(factores) las cuales fueron velocidad de aire temperatura de entrada y temperatura de salida con
dos niveles teniendo como respuestas la dureza del granulo para 5 tipos de cafeacute soluble
Tabla 2 Factores y niveles del Disentildeo factorial 23
TIPOS FACTORES NIVEL BAJO NIVEL ALTO RESPUESTAS
Cafeacute soluble
ABCDF
Temperatura de entrada
217 227 220 212
235 231 236 228
Dureza
Temperatura de salida
133 139 137 134
135 142 138 135
Velocidad de aire
800 849 690 975
1000 850 950 1050
Tambieacuten se empleoacute un disentildeo factorial de 23 para determinar los efectos de tres factores No
Criba del molino de martillos con nivel de 33-55 la presioacuten de vapor con nivel de 15-20 y la
temperatura de producto nivel de 30-35 las respuestas que se eligieron para este disentildeo fue la
dureza del granulo y el porcentaje de aglomerado este experimento se inicioacute empleado la
herramienta estadista minitab en la cual se ingresaron estos factores con sus niveles arrojando 8
corridas por las combinaciones
Tabla 3 Corridas experimentales del disentildeo 23
Factores
corridas Presioacuten de
vapor
NoCriba Temperatura de
partiacutecula
1 15 33 30
2 2 33 30
3 15 54 30
4 2 54 30
5 15 33 35
6 2 33 35
7 15 54 35
8 2 54 35
14
34 Realizacioacuten del disentildeo de experimentos
Para la ejecucioacuten del disentildeo de experimentos se siguioacute con el programa de produccioacuten iniciando
con el disentildeo por bloque completamente al azar la cual se llevoacute en la aglomeracioacuten de 5 tipos de
cafeacute con diferentes concentraciones mencionadas anteriormente desde el arranque del equipo en
la cual los soacutelidos finos iniciales que se cargaron fueron un cafeacute A sin concentracioacuten
posteriormente se cambioacute a los siguientes tipos (BCDF) las condiciones operativas del equipo
estuvieron de la siguiente manera temperaturas de entrada de 190 a 230 temperatura de salida
de 100-140 y velocidad de aire de 600 a 1000 rpm Cada vez que se haciacutea un cambio de producto
se sacoacute la cantidad de solidos finos adheridos de la siguiente manera
(Cantidad alimentada x 98 de rendimiento fijo)- (Cantidad producida)
Mediante esta foacutermula se obtuvo el porcentaje de cada tipo de cafeacute retenido en la base coacutenica
Cantidad adherida x 100
Cantidad alimentada
Los datos quedaron registrados en la tabla 4 donde cada repeticioacuten indica un lote de produccioacuten
diferente
Tabla 4Disentildeo de bloques completamente al azar
REPETICIONES
TRATAMIENTOS I II III
A 625 6033 702
B 1071 859 12
C 7015 6033 927
D 583 95 892
F 992 704 859
G 113 853 905
El primer disentildeo factorial se llevoacute a cabo en la aglomeracioacuten de 4 tipos de cafeacute soluble en la cual
se monitoreo la interaccioacuten de cada factor de acuerdo a los niveles establecidos sobre la respuesta
y se registraron los resultados Las partiacuteculas finas teniacutean las siguientes propiedades iniciales
Densidad 180-210 grcm3
Color 72-84
Humedad 2 a 35
15
Los resultados de los anaacutelisis fisicoquiacutemicos (dureza) fueron proporcionados por el aacuterea de control
de calidad estos datos se ingresaron en minitab y se hizo el anaacutelisis factorial obteniendo las
graacuteficas de interaccioacuten asiacute como tambieacuten la significancia de los efectos
El segundo disentildeo factorial se llevoacute cabo en la aglomeracioacuten de un lote de cafeacute soluble regular con
las siguientes propiedades
Color 72-85
Humedad 2-35
Densidad 190-210
La duracioacuten del lote fue de 10 horas el equipo empleo una velocidad de aire entrada de 900 rpm
con temperatura de 220degc y una velocidad de aire salida de 1765 rpm con temperatura de 135 degC
Se recibioacute ayuda por parte de los operarios para las combinaciones y cada vez que esta se
ejecutaba se tomoacute muestras de 10 grs y se llevoacute a control de calidad para los anaacutelisis de dureza y
porcentaje de aglomerado por cada corrida finalizando este experimento se registraron todos los
resultados en minitab y se hizo el anaacutelisis del disentildeo para las significancias de los factores cabe
mencionar que mediante este programa se obtuvieron las graacuteficas de interaccioacuten
35 Anaacutelisis de datos
Para determinar cualitativamente el efecto de los paraacutemetros del proceso en la aglomeracioacuten de
las partiacuteculas de cafeacute soluble se aplicoacute un anaacutelisis de varianza (ANOVA) con un nivel de
significancia α del 5 a los resultados experimentales La dureza y el porcentaje de
aglomerado se seleccionaron como paraacutemetro de respuestase utilizo el programa de stargrapics
para el anaacutelisis
36 Balance de materia energiacutea
Para el balance de materia y energiacutea primero se hicieron las conversiones de la velocidad angular
del aire de entrada y salida (rpm) a velocidad lineal (ms) empleando la foacutermula
(1rpm) (2π rad)60 x (radio) Asiacute como el caacutelculo del volumen de la caacutemara de secado (anexo 3)
El caacutelculo del caudal de aire de entrada se realizoacute empleando la foacutermula
119876 = 119881 119878
Donde
V=velocidad lineal del aire (ms)
S=aacuterea de la seccioacuten trasversal (m2)
El radio de la seccioacuten transversal para ventilador de entrada fue 0335 y la de salida de 0195
Se sacaron las eficiencias teacutermicas del equipo de la siguiente manera
16
Eficiencia teacutermica global= (11987911198792
1198792119879119900)
Eficiencia de evaporacioacuten= (1198791 1198792
1198791 119879119904119886119905)
Para determinar las temperaturas de saturacioacuten adiabaacutetica (TSAT) y (T0) se utilizoacute la carta psicomeacutetrica (Anexo 2) El balance quedo estructurada de la siguiente forma
Figura 1 Diagrama de flujo del aglomerador
Donde FS1=masa del solido seco (kg)
Ga flujo de aire (kgh)
Ws=contenido de humedad del alimento (kg agua kg solido seco)
Ta=temperatura de entrada
Ta1=temperatura de salida
Ta2=temperatura de solidos
Ga1=flujo de aire entrada
Ga2=flujo salida de aire
H1= humedad relativa del aire entrada
H2=humedad relativa del aire salida
El balance del sistema sin peacuterdidas ni acumulacioacuten quedo de la siguiente manera
FS WS1 +Ga Ha1 = FS WS2 +Ga Ha2
17
Mientras que el balance de energiacutea
FS QS1+ Ga Qa1 = FS QS2 +Ga Qa2 +QL
Donde qs1 y qs2 son las entalpiacuteas del soacutelido entrando y saliendo del secador (KJKg) qa1 y qa2 son
las entalpiacuteas del aire entrando y saliendo del secador (KJKg) qL es el calor perdido (KJ)
El balance con respecto a la humedad se determinoacute mediante la siguiente formula
GH2 LS X1 GH1 LS X2
Donde
GH2= flujo de aire
Ls = flujo de alimentacioacuten
X1= humedad de los soacutelidos iniciales
La entalpia de la salida de aire se calculoacute mediante la foacutermula
HG C2 (TG T0) H
Donde
TG= Temperatura del aire
T0= Temperatura saturacioacuten
H=Entalpia del solido seco
37 Optimizacioacuten
La optimizacioacuten del proceso se llevoacute a cabo en el control de los factores incidentes en la cual se establecieron los rangos a utilizar esto derivado de los caacutelculos de balance y lo obtenido de los efectos en el disentildeo experimental los operarios se apegaron a estas condiciones con sus respectivos rangos y lo llevaron a cabo durante 8 lotes de produccioacuten en ese lapso de tiempo se evaluoacute el comportamiento del rendimiento se registraron los datos y se graficaron
18
CAPIacuteTULO 4 RESULTADOS Y CONCLUSIONES
41 Resultados
Anaacutelisis de efectos disentildeo factorial No1
Figura 2Grafica de efectos normales para el cafeacute soluble ABCD
En la figura 2 se observa la distribucioacuten de los factores A B C para los 4 tipos de cafeacute en la cual la
temperatura de entrada tiene efecto significativo en la dureza con una significancia del 92
mientras que los demaacutes factores no presentaron efectos significativos aunque tambieacuten influyen en
una combinacioacuten para dar la caracteriacutestica fisicoquiacutemica
19
Figura 3Grafica de interaccioacuten para cafeacute
soluble A
Figura 4 Grafica de interaccioacuten para cafeacute
soluble B
Figura 5Grafica de interaccioacuten para cafeacute soluble
C
Figura 6Grafica de interaccioacuten para cafeacute
soluble D
En las figuras 3 4 5 y 6 se muestran el comportamiento de la dureza de acuerdo a los factores
manejados para los cuatro tipos de cafeacute y en cada una de ella se aprecia que los niveles menores
de la temperatura de salida con la temperatura de entrada dieron una dureza igual y por debajo
de 10 asiacute mismo en el factor de velocidad de aire tambieacuten tuvo un comportamiento con niveles
menores Cabe mencionar que ninguna de las combinaciones obtuvo una dureza optima por lo
que se determinoacute que el incremento en la temperatura de salida aumenta la dureza obteniendo
un granulo maacutes fraacutegil
20
Anaacutelisis del disentildeo factorial No2
Figura 7Grafica de efectos normales para
dureza del cafeacute regular
Figura 8Grafica de efectos principales para dureza
del cafeacute regular
En las figuras 7 y 8 se observa que el No de criba tiene efecto significativo sobre la dureza es decir
entre menor abertura tenga la criba la dureza es mucho menor los graacutenulos son maacutes resistentes
mientras que entre mayor sea la abertura los graacutenulos son maacutes fraacutegiles (dureza alta) cabe
mencionar que la mejor dureza obtenida fue con el nuacutemero de malla 33 la presioacuten de vapor de
15 y la temperatura de partiacutecula de 30deg c
Figura 9 Grafica de efectos normales para
porcentaje de aglomerado del cafeacute regular
Figura 10Grafica de interaccioacuten para porcentaje
de aglomerado del cafeacute regular
21
En las figuras 9 y 10 se observa que la temperatura del producto el nuacutemero de criba tiene efecto
significativo sobre el porcentaje de aglomerado entre mayor es el nivel el porcentaje de
aglomerado disminuye determinado que hay maacutes cantidad de polvos finos asiacute mismo si el nivel
de los factores es bajo el porcentaje incremente constantemente Por lo que el comportamiento
del graacutenulo se acopla al incremento o disminucioacuten de estas variables
Monitoreos
Figura 11Grafica de dispersioacuten de la presioacuten del sistema
Figura 12 Grafica del vaciacuteo vs porcentaje de adhesioacuten
En las figuras 11 y 12 se observa el comportamiento del vaciacuteo con las variaciones de aire de
entrada Cabe mencionar que el sistema empleo una sola salida de aire de 1765 rpm Durante los
monitoreos los productos presentaron pegajosidad con entradas de aire menores a 900 rpm
mientras tanto de 1000 a 1150 rpm los productos no presentaron pegajosidad Lo mismo sucedioacute
en el comportamiento del vaciacuteo del sistema para la cual la pegajosidad aumenta y el rendimiento
disminuye con respecto al incremento del vaciacuteo Por lo que esta variable es el factor determinante
y con ello se prueba la hipoacutetesis que la variacioacuten en la presioacuten del sistema genera un arrastre
excesivo de polvos y la humedad no se elimina lo suficiente
120011001000900800700600
08
07
06
05
04
velocidad de entrada( Rpm)
vacio
del
sis
tem
a (
inh
20
)
Graacutefica de dispersioacuten de vacio del sistema vs velocidad de entrada
0
2
4
6
8
10
12
14
0 02 04 06 08 1
D
E A
DH
ESIO
N
VACIO DEL SISTEMA IN H20
22
Figura 13 Graacutefico de humedad relativa del aire
En la figura 13 se aprecia que la humedad relativa del aire inicialmente fue de 66 que
incrementoacute durante los siguientes diacuteas pero fue disminuyendo hasta llegar al 50 Esto debido a
los cambios climaacuteticos cabe mencionar que el equipo no cuenta con un filtrador para retirar el
porcentaje de agua del aire por lo que esta ingresa directamente a la caacutemara de secado siendo
una variable maacutes influyente en la adhesioacuten de los polvos finos
Anaacutelisis de datos
Tabla 5 Anaacutelisis de varianza de dos factores con una sola muestra por grupo
RESUMEN Cuenta Suma Promedio Varianza Fila 1 3 19303 643433333 026902633
Fila 2 3 313 104333333 296443333 Fila 3 3 22318 743933333 275458633 Fila 4 3 2425 808333333 389223333 Fila 5 3 2555 851666667 207763333 Fila 6 3 2888 962666667 216763333
Columna 1 6 51025 850416667 582740417 Columna 2 6 45726 7621 21353864 Columna 3 6 5485 914166667 260997667
Origen de las variaciones
Suma de cuadrados
Grados de libertad
Promedio de los cuadrados F Probabilidad
Valor criacutetico para
F Tratamientos 316103776 5 632207552 297461023 006699316 332583453
Bloques 699763344 2 349881672 164623405 024097493 410282102
Graacutefico de humedad realtva vs lote
0 3 6 9 12 15
lote
50
54
58
62
66
70
74
hu
med
ad
realt
va
23
Error 212534586 10 212534586
Total 598614696 17
En la tabla 5 se muestra el anaacutelisis de varianza de del disentildeo por bloques completamente al azar
de las diferentes concentraciones de azuacutecar por cada tipo de producto Dado que el f de Fisher es
menor que la f tabulada indica que no hay diferencias significativas por lo que se acepta la
hipoacutetesis nula la concentracioacuten de azucares no tiene efecto significativo en la adhesioacuten del cafeacute
ya que la mayoriacutea tuvo un porcentaje de adhesioacuten alta en las tres repeticiones cabe mencionar
que el producto A sin concentracioacuten tambieacuten tuvo adhesioacuten en la suma de cuadrados por bloques
tampoco hubo diferencias significativas
Tabla 6 Anaacutelisis de Varianza para dureza - Suma de Cuadrados Tipo III
Fuente Suma de Cuadrados
Gl Cuadrado Medio
Razoacuten-F Valor-P
EFECTOS PRINCIPALES
APRESION DE VAPOR 005445 1 005445 006 08164
BTAMANtildeO DE PARTICULA 121525 1 121525 1372 00208
CTEMPERATURA DE PARTICULA 471245 1 471245 532 00823
RESIDUOS
354305 4 0885763
TOTAL (CORREGIDO) 204624 7
La tabla 6 muestra el anaacutelisis de varianza del disentildeo factorial en la cual se descompone la
variabilidad de dureza en contribuciones debidas a varios factores Puesto que se ha escogido la
suma de cuadrados Tipo III (por omisioacuten) la contribucioacuten de cada factor se mide eliminando los
efectos de los demaacutes factores Los valores-P prueban la significancia estadiacutestica de cada uno de los
factores Puesto que un valor-P es menor que 005 este factor tiene un efecto estadiacutesticamente
significativo sobre dureza con un 950 de nivel de confianza
24
Figura 14Grafico anova para dureza
En la figura 14 se muestra el grafico anova y se observa la distribucioacuten de la respuesta para los
factores en la cual todas las razones-F se basan en el cuadrado medio del error residual La
mayoriacutea presenta distribucioacuten anova con el valor p mayor a 05 sin embargo para el factor tamantildeo
de partiacutecula el valor es menor a 05 con significancia
Balance de energiacutea
En el balance de materia y energiacutea se obtuvo que la humedad en la salida aglomerado es del 73
cuando hay una entrada de aire de 1550 m3 s con 50 de humedad relativa a una temperatura
de 230degc necesita 1730 KJ kg de calor con una cantidad de aire seco de 2600 kg h para sistema
adiabaacutetico sim embargo el aglomerador no es de este tipo de sistema por lo que se evaluoacute en un
graacutefico psicomeacutetrico (anexo1) encontraacutendose
El aire se calienta a humedad constante (To -T1) Si la caacutemara estuviera aislada y toda la energiacutea
posible se utilizara el aire se enfriariacutea adiabaacuteticamente y la temperatura miacutenima a alcanzar seriacutea la
de bulbo seco de saturacioacuten (Tsat) En realidad la caacutemara no estaacute aislada y no se sigue un
enfriamiento adiabaacutetico El aire sale a una temperatura T2 (ni estaacute saturado ni el proceso es
adiabaacutetico) debido a la baja relacioacuten aire-producto Si el proceso fuera adiabaacutetico saldriacutea a T2
(proceso adiabaacutetico y masas iguales de aire y producto)
ANOVA Graacutefico para DUREZA
-25 -15 -05 05 15 25
Residuos
PRESION DE VAPOR P = 0816415 2
TAMANtildeO DE PARTICULA P = 0020833 54
TEMPERATURA DE PARTICULA P = 0082330 35
25
Optimizacioacuten
De acuerdo a los caacutelculos de balance de materia los flujos de aire de 900 pm a 1100 rpm con una
salida de 1765 rpm mantienen el calor necesario para eliminar la humedad por lo que estas
variables son las que se implementaron y controlaron para la aglomeracioacuten de los diversos
productos
Figura 15 Grafica de rendimientos con flujo de aire de 900 rpm a 1100 rpm
En la figura 15 se observa el comportamiento del rendimiento con las condiciones aire manejadas
que mantuvieron un vaciacuteo de 04 y 05 inicialmente el rendimiento no fue favorable debido a la
humedad relativa sin embargo en los siguientes lotes el rendimiento se mantuvo del 94
mejorando en los siguientes diacuteas al 97 siendo favorable con ello el porcentaje de adhesioacuten
disminuyo al 3 con estas condiciones la caracteriacutestica de porcentaje de aglomerado incremento
al rango oacuteptimo
La optimizacioacuten de las variables de temperatura de salida y tamantildeo de criba consistioacute en la
reduccioacuten de sus rangos de operacioacuten para la cual la dureza mejoroacute apegaacutendose al rango oacuteptimo
925
93
935
94
945
95
955
96
965
0 2 4 6 8 10 12 14
Ren
dim
ien
to
lote
26
42 Conclusiones
Mediante el disentildeo experimentos se encontroacute que el aumento de dos factores temperatura de
salida y el tamantildeo de partiacutecula influyen en el bajo porcentaje de aglomerado y el incremento en la
dureza por que el granulo aglomerado presenta fragilidad y una cantidad de polvos finos Asiacute
mismo con el disentildeo por bloques se determinoacute que la concentracioacuten de azuacutecares de los cafeacutes no
tiene efecto significativo tomando como muestra patroacuten un producto sin concentracioacuten que
tambieacuten presento adhesioacuten en las tres repeticiones Durante el monitoreo se observoacute que los
soacutelidos aglomerados a condiciones de bajo vaciacuteo con humedad relativa del aire baja no
presentaban ninguacuten problema de adhesioacuten mientras que los producto a condiciones de vaciacuteo alto
con humedades por encima de 60 presentaban mayor adhesioacuten en balance de materia se
observoacute que una humedad relativa alta en la salida del equipo necesita mayor calor y cantidad de
aire de entrada para ser eliminado asiacute mismo mediante las eficiencias teacutermicas se evaluoacute el
sistema en una carta psicomeacutetrica y se determinoacute que hay perdida calor en la caacutemara de secado
al no ser adiabaacutetico por lo que la optimizacioacuten del proceso solo fue parcial enfocaacutendose solo a
condiciones del aire de entrada y salida en la que el rendimiento mejoro en un promedio del 96
43 Trabajos Futuros
Derivado al balance y los caacutelculos la humedad relativa es un factor importante en la adhesioacuten del
producto es por ello que el proyecto tiene continuidad en la implementacioacuten de un desumificador
de aire para que el sistema tenga una inyeccioacuten de aire seco el aislamiento (encamisado) de la
caacutemara de secado para evitar pedidas del calor tambieacuten y la determinacioacuten de nuevas condiciones
de operacioacuten debido a los cambios en los flujos aire
44 Recomendaciones
De acuerdo al estudio realizado mediante el disentildeo factorial se determinoacute que la variacioacuten de la
entrada de aire afecta la presioacuten del sistema por lo que se recomienda manejar una sola condicioacuten
de aire para cada producto con respecto a la velocidad de salida ya que el sistema necesita
mantener el equilibrio de las corrientes de aire para que el calor sea necesario y elimine toda la
humedad posible del vapor de agua para evitar que se concentre en la base coacutenica asiacute mismo la
alimentacioacuten de los soacutelidos finos debe tener propiedades caracteriacutesticas oacuteptimas para evitar la
variacioacuten de las condiciones
27
ANEXOS Anexo 1 Equipo aglomerado
Salida de aire
Base coacutenica
Caacutemara de
secado
Lecho
fluidizado
Entrada de
aire caliente
Separador
cicloacutenico
Zona de aspersioacuten de
solidos secos y vapor
de agua
28
Anexo 2 Carta psicomeacutetrica
Fuente Spray Drying Handbook (Masters 1991)
29
Anexo 3 Caacutelculos de velocidad lineal caudales de aire y volumen del equipo
1765 rpm (2πrads)(042)=7763 ms
600 rpm (2πrads)(030) =2638 ms
700 rpm (2πrads)(030)=3078 ms
800 rpm (2πrads)(030) =3518 ms
900 rpm (2πrads)(030) =3965 ms
1000 rpm (2πrads)(030) =4348 ms
1150 rpm (2πrads)(030)=5057ms
Caudal para las diferentes velocidades lineales
1) Q=VS
Q=2638 ms (π 00335m) 2
Q=930 m3s
2) Q=VS
Q=3078ms (π 00335m) 2
Q=1085m3s
3) Q=VS
Q=3518 ms (π 00335m) 2
Q=1240 m3s
4) Q=VS
Q=4348 ms (π 00335m) 2
Q=1550 m3s
5) Q=VS
Q=5057ms (π 00335m) 2
Q=2002 m3s
6) Q=VS
Q=7763 ms (π 0195 m) 2
Q=3708 m3s
30
Velocidad angular de aire (rpm) Caudal (m3s)
600 rpm 93
700 1085
800 1240
1000 1550
1150 2002
1765 3708
Caudales de aire de entrada y salida
Volumen de la caacutemara de secado
V= ℎ1205871199032
v=97 π (21m)
v=140844 m3
V= ℎ1205871199032
v= (09m) (π 21m)
v=2420 m3
Volumen de la base coacutenica
119907 =π r2 h
3
119907 =π (291) lowast 59
3
V=52313 m3
Volumen total del equipo =21734 m3
582 m
59m
582 m
09 m
43m
97 m
31
Anexo 3Caacutelculos de balance de materia y energiacutea
Se determina la velocidad de flujo de aire y la humedad de salida del aglomerador suponiendo
que no hay peacuterdidas de calor en el secador el balance inicia con la alimentacioacuten de 300 kg de
soacutelidos secoh que contienen 0035 kg de humedad totalkg de soacutelido seco hasta un valor de 0002
kg de humedad totalkg de soacutelido seco El polvo fino a granular entra a 35 ordmC y se desea
descargarlo a 32 ordmC El soacutelido seco tiene una capacidad caloriacutefica de 1465 kJkgK que se supone
constante El aire de calentamiento entra a 230 ordmC y con humedad de 0060 kg H2Okg de aire
seco y debe salir a 130
Balance de materia con respecto a la humedad
GH2 LS X1 GH1 LS X2
Reemplazando valores
(060) + 300 (0035)= GH1+ 300 (0002)
El balance de calor para el secador es
GHG2 LS HS1 GHG1 LS HS2 Q
Se calcula la entalpiacutea del aire de entrada HG1
Aglomerador
G1=
TG1=230
H2=
LS=300 KGSh
TS1=35
X1=0035
G2=
TG2=130
H2=060
Ts 2=378
X2=0002
Q
32
HG1=CS 1005188H 1005188(060)
HG1 CS (TG1 T0 ) H
HG1= CS 230 - 0 + 0060(2501) 17306 KJ Kg aire seco
Se calcula la entalpiacutea del aire de salida HG2
C21005188H 1005188 H1
HG1 CS (TG2 T0 ) H
HG1= (1005 + 188 H1 )130 - 0 + H1 (2501)
HG1=130 + 27454 H1
Se calcula las entalpiacuteas de los soacutelidos
HS1 CP S (TS1 T0) X1 CP A ( TS1 T0)
HS1 1465(35 0) 0035 (4187)(35 0) 5713 kJ kg
HS2 CP S (TS2 T0) X2 CP A ( T2 T0)
HS2 1465 (32 ndash 0 ) + 0002(4187)(32 0)=4714 KJ Kg
Reemplazando en el balance de energiacutea
G (17306)+ 300(5713) = G (130 + 27454 H1)+ 300(4714) + 0
G=2600 Kg aire seco por hora
Resolviendo conjuntamente con el balance de materia
G (060) + 300 (0035)= GH1+ 300 (0002)
2600(060) + 105 = 2600 H1 +06
H1=2600(060) +105 + 060 2600
H1=07427 Kg agua kg aire seco
33
Anexo 4Calculo de eficiencias teacutermicas
Datos
T = 230
Ts =147
T0= 30
T sat=45
Eficiencia teacutermica global
Ntermica global= 1198791minus1198792
1198792minus1198790 X 100
Ntermica global = 230minus147
230minus30 100 =415
Eficiencia de evaporacioacuten
Nevaporacion=1198791minus1198792
1198791minus119879119904119886119905
Nevaporacion = 230minus147
230minus45 100 =4486
34
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Wolfgang B P (2008) Agglomeration Processes Weinheim Phenomena Technologies
Equipment
[Escriba aquiacute] [Escriba aquiacute]
AGRADECIMIENTOS A Dios por darme la oportunidad de existir aquiacute y ahora por mi vida gracias por
iluminarme darme fuerzas y guiarme por tu sendero
A mis Padres por apoyarme en todo momento por su dedicacioacuten por los valores
inculcados Sobre todo por ser ejemplo de arduo trabajo
A mis hermanos por ser parte importante de mi vida y representar la unidad familiar
especialmente a mi hermana por llenar mi vida de alegriacuteas y amor cuando maacutes lo he
necesitado
A mi familia tiacuteos y primos porque de una u otra forma con su apoyo me han motivado a
seguir adelante a lo largo de toda mi vida
A la Universidad tecnoloacutegica del centro de Veracruz y a mis estimados maestros que a
lo largo de mi carrera me han transmitido sus amplios conocimientos
Al gerente de produccioacuten por brindarme su apoyo incondicional y darme la oportunidad
de ser miembro de la empresa
[Escriba aquiacute] [Escriba aquiacute]
RESUMEN El presente proyecto se realizoacute en la empresa cafeacute tostado de exportacioacuten en la etapa de
aglomeracioacuten de polvos finos de cafeacute donde el principal problema es la adhesioacuten de las partiacuteculas
finas a las paredes del equipo que disminuye el rendimiento del producto terminado y la eficacia
del proceso es seguimiento de un proyecto anterior pero ahora basado en teacutecnicas
experimentales y estudio maacutes a fondo con el objetivo de optimizar las variables incidentes y los
paraacutemetros operacionales
En este trabajo se implementaron dos disentildeos experimental factorial 23 para evidenciar el efecto
de algunos paraacutemetros de operacioacuten en el crecimiento de partiacuteculas soacutelidas evaluando dos
propiedades fisicoquiacutemicas la dureza y el porcentaje de aglomerado El primer disentildeo factorial
fue de tres factores (paraacutemetros de operacioacuten) con dos niveles en 8 corridas para 4 tipos de
productos en el segundo disentildeo los factores estuvieron definidos en las propiedades iniciales de
las partiacuteculas soacutelidas asiacute mismo se empleoacute un disentildeo de bloques completamente al azar para
determinar la significancia de la concentracioacuten de azucares sobre el porcentaje de adhesioacuten Se
aplicoacute un anaacutelisis de varianza con un nivel de significancia del 5 a los resultados experimentales
para las pruebas de hipoacutetesis Posteriormente se evaluaron las condiciones de presioacuten del sistema
flujo de aire humedad relativa y el rendimiento en diversos tipos de productos mediante un
monitero que abarco varios lotes de produccioacuten finalmente se procedioacute al balance de materia y
energiacutea para cuantificar la cantidad de aire y calor necesario para eliminar toda la humedad asiacute
como la determinacioacuten de las eficiencias teacutermicas del equipo
Mediante el disentildeo experimentos se encontroacute que el aumento de dos factores temperatura de
salida y el tamantildeo de partiacutecula influyen en el bajo porcentaje de aglomerado asiacute como el
incremento en la dureza por que el granulo aglomerado presenta fragilidad y una cantidad de
polvos finos En el disentildeo por bloques se determinoacute que la concentracioacuten de azuacutecares de los cafeacutes
no tiene efecto significativo tomando como muestra patroacuten un producto sin concentracioacuten que
tambieacuten presento adhesioacuten en las tres repeticiones Durante el monitoreo los soacutelidos
aglomerados a condiciones de bajo vaciacuteo con humedad relativa del aire baja no presentaron
adhesioacuten mientras que los producto a condiciones de vaciacuteo alto con humedades por encima de
60 tuvieron mayor adhesioacuten en el balance de materia se observoacute que una humedad relativa alta
en la salida del equipo necesita mayor calor y cantidad de aire de entrada para ser eliminado asiacute
mismo mediante las eficiencias teacutermicas se evaluoacute el sistema en una carta psicomeacutetrica
encontraacutendose que hay perdida de calor en la caacutemara de secado al no ser un sistema adiabaacutetico
por lo que la optimizacioacuten del proceso solo fue parcial enfocaacutendose a las condiciones del aire de
entrada y salida que mantuvieron un vaciacuteo de 04 InH20 mediante el control de estas variables el
rendimiento mejoroacute en un promedio del 96
[Escriba aquiacute] [Escriba aquiacute]
Tabla de contenido
AGRADECIMIENTOS
RESUMEN
CAPIacuteTULO 1 INTRODUCCIOacuteN 1
11 Estado del Arte 2
12 Planteamiento del Problema 6
13 Objetivos 6
13 Definicioacuten de variables 6
15 Hipoacutetesis 7
16 Justificacioacuten del Proyecto 7
17 Limitaciones y Alcances 8
18 La Empresa 8
CAPIacuteTULO 2 METODOLOGIacuteA 10
21 Eleccioacuten de los factores y los niveles 10
22 Seleccioacuten de la variable de respuesta 10
23 Eleccioacuten del disentildeo experimental 10
24 Realizacioacuten del disentildeo de experimentos 10
25 Monitoreo de los flujos de aire humedad relativa y presioacuten del sistema 10
26 Anaacutelisis de datos 10
27 Anaacutelisis de los efectos de los paraacutemetros operacionales 11
28 Aplicacioacuten del balance de materia y energiacutea 11
29 Optimizacioacuten del proceso 11
CAPIacuteTULO 3 DESARROLLO DEL PROYECTO 12
31 Equipo experimental 12
32 Monitoreos 12
33 Disentildeo de experimentos 12
34 Realizacioacuten del disentildeo de experimentos 14
[Escriba aquiacute] [Escriba aquiacute]
35 Anaacutelisis de datos 15
36 Balance de materia energiacutea 15
37 Optimizacioacuten 17
CAPIacuteTULO 4 RESULTADOS Y CONCLUSIONES 18
41 Resultados 18
42 Conclusiones 26
43 Trabajos Futuros 26
44 Recomendaciones 26
ANEXOS 27
Anexo 1 Equipo aglomerado 27
Anexo 2 Carta psicomeacutetrica 28
Anexo 3 Caacutelculos de velocidad lineal caudales de aire y volumen del equipo 29
Anexo 3Caacutelculos de balance de materia y energiacutea 31
Anexo 4Calculo de eficiencias teacutermicas 33
BIBLIOGRAFIacuteA 34
[Escriba aquiacute] [Escriba aquiacute]
Iacutendice de tablas
Tabla Descripcioacuten Pagina
1 Tratamientos del disentildeo por bloques al azar 12
2 Factores y niveles del Disentildeo factorial 23 13
3 Corridas experimentales del disentildeo 23 13
4 Disentildeo de bloques completamente al azar 14
5 Anaacutelisis de varianza de dos factores con una sola muestra por grupo 23
6 Anaacutelisis de Varianza para dureza - Suma de Cuadrados Tipo III 23
Contenido de figuras
Figura Descripcioacuten Pagina
1 Diagrama de flujo del balance del aglomerador 16
2 Grafica de efectos normales para el cafeacute soluble ABCD 18
3 Grafica de interaccioacuten para cafeacute soluble A 19
4 Grafica de interaccioacuten para cafeacute soluble B 19
5 Grafica de interaccioacuten para cafeacute soluble C 19
6 Grafica de interaccioacuten para cafeacute soluble D 19
7 Grafica de efectos normales para dureza del cafeacute regular 20
8 Grafica de interaccioacuten para dureza del cafeacute regular 20
9 Grafica de efectos normales para porcentaje de aglomerado 20
10 Grafica de interaccioacuten para porcentaje de aglomerado del cafeacute regular 20
11 Grafica de dispersioacuten de la presioacuten del sistema 21
12 Grafica del vaciacuteo vs porcentaje de adhesioacuten 21
13 Graacutefico de humedad relativa del aire 22
14 Grafico anova para dureza 24
15 Grafica de rendimientos con flujo de aire de 900 rpm a 1100 rpm 25
1
CAPIacuteTULO 1 INTRODUCCIOacuteN
Los procesos de aglomeracioacuten han existido desde hace varios antildeos con el fin de acondicionar
fiacutesicamente diferentes tipos de materiales y para diferentes propoacutesitos como es el caso de la
palatizacioacuten del mineral de hierro que es realizada en las siderurgiasPor su parte en la industria
farmaceacuteutica y en la produccioacuten de algunos alimentos como el cafeacute soluble los productos laacutecteos
entre otros la aglomeracioacuten de partiacuteculas finas tiene gran aplicacioacuten ya que permite obtener
graacutenulos de mayor tamantildeo con una estructura de poros abiertos a fin de poder absorber liacutequidos
y facilitar la dispersioacuten inmediata lo permite obtener un producto de alta dispersabilidad fluidez
segregacioacuten densidad fragilidad etc (Wolfgang 2008)
La aglomeracioacuten es un proceso que promueve el incremento de tamantildeo del soacutelido (graacutenulo)
mediante la adhesioacuten de partiacuteculas pequentildeas (soacutelidos finos) sobre otra partiacutecula de mayor tamantildeo
por la accioacuten de un liacutequido ligante en un sistema que presentan dos zonas la zona de aspersioacuten
que es el aacuterea donde el liacutequido aglomerante tiene el primer contacto con las partiacuteculas finas que
colisionan entre siacute formando puentes liacutequidos que al evaporarse dan lugar a enlaces soacutelidos
donde los finos se adhieren a los gruesos (Kumar amp Ramkrishna 1997) Y la zona de dispersioacuten
que es el aacuterea donde se mezclan con aire caliente para el secado Para llevar a cabo esta operacioacuten
se emplean diversos equipos en su mayoriacutea granuladores de lecho fluidizado mezcladores y
secadores de lecho fluido ( Litster J 2003)
Actualmente puede observarse como una combinacioacuten de tres diferentes mecanismos
humectacioacuten y nucleacioacuten consolidacioacuten y coalescencia atricioacuten y rompimiento El aumento del
tamantildeo de partiacuteculas es un teacutermino geneacuterico que engloba las operaciones unitarias relacionadas
con la tecnologiacutea de materiales pulverizados de medios granulares y la mecaacutenica de soacutelidos
(Litster amp Bryan 2004)
La aglomeracioacuten depende de la naturaleza fiacutesica del sistema partiacutecula solidandashliacutequido aglomerante
y de las variables asociadas al equipo De esta forma es importante controlar dichos paraacutemetros
operacionales dado que una mala relacioacuten entre estos traeriacutea problemas en la operacioacuten
2
11 Estado del Arte
El proceso de aglomeracioacuten ha sido estudiado y analizado por varias deacutecadas el disentildeo y anaacutelisis
de tales sistemas permanece enraizado al empirismo debido a que no hay una metodologiacutea para el
disentildeo y operacioacuten de tales procesos asiacute mismos las plantas industriales donde se llevan a cabo
procesos de granulacioacuten y secado por aspersioacuten han enfrentado una serie de problemas
relacionados con la pegajosidad de las partiacuteculas inertes a las paredes de los diversos equipos
empleados incluyendo razones de reciclado pobre control en la calidad del producto obtenido
siendo necesario el reprocesado del producto incrementando el costo de produccioacuten Este
problema tiene su origen en el escaso entendimiento de la influencia de los paraacutemetros
operacionales sobre el proceso (Iveson amp Hapgood 2001)
Investigadores como (Lister amp Waters 1988) (Parveen 2012) han establecido que durante el
proceso de aglomeracioacuten se ve influenciado por la distribucioacuten de tamantildeos de los soacutelidos pues la
polidispersidad de la poblacioacuten de soacutelidos induce al recubrimiento o adhesioacuten de las partiacuteculas
pequentildeas sobre las de mayor tamantildeo Asiacute mismo existe una posible influencia combinada entre el
paraacutemetro temperatura (cuyos niveles de estudio son adecuados para averiguar la influencia de
eacuteste paraacutemetro sobre el comportamiento de crecimiento del aglomerado) y la polidispersidad de
los soacutelidos
(Sastry amp Fuerstenau 1973)Estudiaron que la adhesioacuten de partiacuteculas sin formacioacuten de puentes
(fuerzas de van der Waals o electrostaacuteticas) forman aglomerados relativamente deacutebiles En
cambio los que forman puentes son maacutes fuertes Por su parte (Canela 1996) determino que la
resistencia de los aglomerados depende de las fuerzas fiacutesicas que mantienen unidas a las
partiacuteculas y la magnitud de eacutestas depende del tamantildeo de partiacutecula la carga superficial la
estructura cristalina la proximidad de las partiacuteculas la cantidad de aditivos y de otras
propiedades fisicoquiacutemicas del sistema como lo son la naturaleza quiacutemica de la partiacutecula los
coeficientes de frotamiento interno de la partiacutecula masa volumeacutetrica y fuerza de cohesioacuten
(Schaafsma amp Kossen 2006)Estudiaron la influencia de alimentar el liacutequido aglomerante
atomizado por pulsos y temperatura del medio fluidizante (40 y 60degC) sobre el crecimiento del
aglomerado El aglomerador empleado teniacutea una geometriacutea coacutenica y contaba con un cicloacuten para
limpiar el aire de los finos arrastrados por eacuteste Se emplearon soacutelidos de α-lactosa monohidratada
malla No 110 y como liacutequido aglomerante polyvinylpirrolidona al 8 Los resultados obtenidos
indicaron que el crecimiento del aglomerado se ve influenciado por la humedad presente en el
lecho mientras que encontraron diferentes efectos de la temperatura del medio fluidizante sobre
el crecimiento del aglomerado a baja temperatura 40degC el graacutenulo crece a su tamantildeo final maacutes
raacutepido que a 60degC
(Tan HS Salman AD 2006)Estudiaron la influencia de algunos paraacutemetros operacionales
responsables del crecimiento del aglomerado empleando como soacutelido de trabajo Glass Ballotini
cuya distribucioacuten de tamantildeos estaba comprendida entre 73-375 microacutemetros El agente
3
aglomerante empleado fue Polyentilen Glycol Los paraacutemetros operacionales analizados fueron
tasa de atomizacioacuten del agente aglomerante (288 m3 ∙s-1) temperatura en el lecho de soacutelidos
(28 32 36 y 40degC) presioacuten de atomizacioacuten (15 bar) y velocidad del aire fluidizante (097 m∙s-1)
Los resultados indicaron que el crecimiento del aglomerado depende directamente de la cantidad
relativa del agente aglomerante atomizado sobre el lecho el cual determina la velocidad del
proceso de agregacioacuten Asiacute mismo el crecimiento del aglomerado se ve favorecido con el
incremento en los niveles de temperatura Con referencia al tamantildeo de gota del agente
aglomerante atomizado concluyeron que una gota de mayor tamantildeo incrementa el crecimiento
global del aglomerado mientras que una gota de menor tamantildeo induce a un crecimiento inicial
maacutes raacutepido Finalmente el crecimiento global del aglomerado se reduce al incrementar la
velocidad del aire
(Dolinski 2000) Encontroacute que en el secado de aspersioacuten de zumos de frutas con elevado contenido
de azucares los compuestos tienen temperaturas de transicioacuten viacutetrea bajas presenta problemas
de pegajosidad (stickiness) El teacutermino ldquostickinessrdquo hace referencia a los fenoacutemenos de cohesioacuten
partiacutecula-partiacutecula y de adhesioacuten partiacutecula-pared que presentan los polvos obtenidos que dificulta
su presentacioacuten en estado polvo y mancha las paredes de los cilindros de pulverizacioacuten (Al quedar
en la pared del compartimiento de secado como un jarabe da lugar a bajas producciones del
producto y a problemas operacionales)
(Boonyai 2004) Explica que la mayor causa de la pegajosidad en polvos amorfos de zumos en el
secado por aspersioacuten es la accioacuten plastificante del agua en la superficie que da lugar a la adhesioacuten
y cohesioacuten El alto contenido en azuacutecares de bajo peso molecular y aacutecidos orgaacutenicos disminuye la
temperatura de transicioacuten viacutetrea (Tg) por debajo de la temperatura de preparacioacuten del producto
incluso a la temperatura de salida del secado Esto conlleva a la existencia de un estado pseudo-
liacutequido de material amorfo que es responsable de la cohesioacuten interpartiacuteculas y de la adhesioacuten de
las partiacuteculas a las paredes del cilindro Cuanto mayor sea esta diferencia de temperatura (ΔT=Tp -
Tg) mayor seraacute el grado de pegajosidad
Como puede visualizarse existe un grupo muy amplio de paraacutemetros operacionales que inciden en
el comportamiento del proceso de aglomeracioacuten y los problemas asociados a este Sin embargo la
investigacioacuten y anaacutelisis de este tipo de proceso se centra en los paraacutemetros que se pueden
controlar de manera adecuada pues los equipos empleados para tal investigacioacuten son de tipo
escala piloto o banco los cuales son disentildeados y construidos para manipular un nuacutemero reducido
de paraacutemetros Por su parte se han propuestos teacutecnicas para resolver anomaliacuteas presentadas por
la influencia de variables que se afectan unas con otras
(Espantildea Patente nordm 36848 1967) Propuso un procedimiento para obtener aglomerados fuertes de
cafeacute soluble mediante la reduccioacuten de la temperatura de las partiacuteculas hasta menos 7deg antes de
entrar en contacto con vapor de agua y con humedades de 3 a 4 El enfriamiento se logra con la
inyeccioacuten de co2 liquido en el molino de martillos asiacute mismo demostroacute que la reduccioacuten de
tamantildeo a menos de 54 micras se forman enlaces fuertes y se evita la degradacioacuten o separacioacuten de
los graacutenulos durante el secado en la caacutemara Su metodologiacutea consistioacute en pruebas a diferentes
4
niveles de temperaturas cantidad de vapor humedad y temperatura del producto inicial
obteniendo aglomerados de gran dureza y buena apariencia fiacutesica
(Schaafsma SH 1998) Propuso en su trabajo de investigacioacuten relacionado con la aglomeracioacuten de
soacutelidos un proceso de crecimiento de un aglomerado originado a partir de una gota de liacutequido En
su propuesta describe el crecimiento del aglomerado a partir de dos etapas Inicialmente se
presenta un raacutepido crecimiento que toma lugar por el mojado de las partiacuteculas lo cual resulta en
la formacioacuten de un aglomerado inicial La segunda etapa de crecimiento es iniciado por el
transporte de liacutequido del aglomerado hacia las partiacuteculas que lo rodea El crecimiento del
aglomerado toma lugar por la unioacuten de partiacuteculas Si un poro en la superficie de un aglomerado
estaacute saturado con liacutequido entonces partiacuteculas libres pueden alcanzar la fase liacutequida en el poro y un
puente liacutequido puede ser formado Acorde a este proceso se puede concluir que la distribucioacuten de
tamantildeos de partiacuteculas y porosidad juega un papel importante en el tamantildeo final del aglomerado
Diversos autores han utilizado diferentes aproximaciones ingenieriles para entender y describir el
comportamiento de un proceso de granulacioacuten Un anaacutelisis estadiacutestico de un disentildeo experimental
permite determinar cualitativamente el efecto de un paraacutemetro del proceso sobre el aglomerado
tomando como referencia el tamantildeo promedio de la poblacioacuten de partiacuteculas aglomeradas
(Montgomery 2007) Mientras que el uso de un balance de poblacioacuten permite tratar de manera
fundamental procesos que involucran fenoacutemenos de nacimiento y muerte de partiacuteculas en un
determinado volumen de control (VC) (Hulbert 1967)
(Cryer A S y Scherer NR 2003 ) Implementaron un disentildeo factorial fraccional a frac12 en un
aglomerador coacutenico para evidenciar la influencia de ciertos paraacutemetros importantes relacionados
con la aglomeracioacuten de un producto agroquiacutemico cuya distribucioacuten inicial comprendiacutea tamantildeos
entre 01 a 100 micrones y cuyo diaacutemetro promedio inicial era de 20 micrones El agente
aglomerante empleado fue agua destilada Los paraacutemetros operacionales analizados fueron flujo
de aire (0106-0153 m3 s-1) temperatura de alimentacioacuten del aire (40-60degC) tasa de atomizacioacuten
del agente aglomerante (370x103 -542x103 kg s - 1 ) carga de soacutelidos inicial (25-35kg) y altura de
la boquilla de atomizacioacuten (posiciones 1 y 3) A partir del anaacutelisis estadiacutestico (el cual se realizoacute con
un nivel de significancia de 99) se evidencioacute la significancia de los factores bajo estudio siendo la
tasa de atomizacioacuten y carga de soacutelidos los de mayor efecto mientras que la temperatura y flujo de
aire resultaron marginalmente significativos en el crecimiento del aglomerado mientras que la
altura de la boquilla no influye en el crecimiento del aglomerado
(Riacuteos 2005) Implementoacute un disentildeo factorial 2 a la 3 en un aglomerador de lecho fluidizado coacutenico
para aglomerar soacutelidos de Tamarindo con un diaacutemetro promedio de 784 micrones Los factores
controlables fueron temperatura del aire fluidizante (80-100degC) tiempo de atomizacioacuten (3-5 min)
y masa de soacutelidos cargados al sistema (200-300g) El agente aglomerante empleado fue agua
destilada El anaacutelisis estadiacutestico (realizado con un nivel de significancia del 95) determinoacute que el
tiempo de atomizacioacuten del agente aglomerante fue el principal paraacutemetro que afecta el
crecimiento del aglomerado mientras que la temperatura y carga de soacutelidos no afectan el
crecimiento del aglomerado Cabe resaltar que se probaron los niveles de significancia de 90 y
5
75 con el objetivo de probar los posibles efectos de los paraacutemetros que no resultaran
significativos a un nivel del 95 El resultado obtenido a un nivel de significancia del 90
determinoacute que el tiempo de atomizacioacuten asiacute como la temperatura del aire resultaron
significativos es decir afectan en el crecimiento del aglomerado Asiacute mismo se determinoacute que a
un nivel de significancia del 75 los paraacutemetros tiempo de atomizacioacuten temperatura carga de
soacutelidos asiacute como la interaccioacuten entre la temperatura y carga de soacutelidos afectan el crecimiento del
aglomerado El anaacutelisis realizado a estos niveles de significancia (75 y 90) se evaluaron para
futuros trabajos relacionados con la aglomeracioacuten de soacutelidos de Tamarindo
(Dacanal amp Menegalli 2008) Implementaron un disentildeo factorial fraccional 24-1 en un aglomerador
con geometriacutea coacutenica el cual contaba con un cicloacuten para limpiar el aire de los finos arrastrados
con el objetivo de evidenciar la significancia de ciertos paraacutemetros operacionales que influyen en
el proceso de crecimiento de aglomerados de soacutelidos de acerola (Cerezo de las Antillas) La
poblacioacuten inicial de los soacutelidos contaba con un diaacutemetro promedio inicial de 954 micrones El
agente aglomerante empleado fue agua Los paraacutemetros bajo estudio fueron temperatura del aire
fluidizante (75-90degC) velocidad del aire fluidizante (025-045 ms-1 ) flujo de aire de atomizacioacuten
(050-070 lh-1 ) y altura de la boquilla con respecto al lecho (050-070 m) El anaacutelisis estadiacutestico
(realizado con un nivel de significancia del 95) evidencioacute la influencia de solo la velocidad del aire
sobre el crecimiento del aglomerado Sin embargo los autores expresan que la temperatura del
aire debe afectar el crecimiento del aglomerado pero los niveles ensayados no fueron los
adecuados Cabe resaltar que la altura de la boquilla y flujo de aire en la boquilla no resultaron
significativos es decir no influyeron en el crecimiento del aglomerado
6
12 Planteamiento del Problema
En Cafeacute Tostado de Exportacioacuten durante el proceso de aglomeracioacuten de cafeacute soluble para la
obtencioacuten de granulado efectuado en un secador por aspersioacuten con lecho fluido integrado se
presenta la pegajosidad de los polvos finos a las paredes de la base coacutenica del equipo y conforme
transcurre el tiempo la cantidad adherida se compacta formando capas gruesas llegando al punto
en que el mismo calor en el interior lo derrite y cae en forma de masas elaacutesticas o masas solidas de
gran volumen obstruyendo el paso de los graacutenulos por lo que la produccioacuten se detiene generando
contratiempos al quitar todo el cafeacute compactado Esta anomaliacutea afecta la eficiencia del proceso y
disminuye el rendimiento
La problemaacutetica se da en la produccioacuten de diversos tipos de cafeacute granulado desde mezclados
descafeinados y puros asiacute como en los diversos paraacutemetros de operacioacuten y aunque se han
implementado vibradores de alto rendimiento en la base coacutenica del equipo el problema sigue
teniendo impacto
13 Objetivos General
Optimizar el proceso de aglomeracioacuten de polvos finos de cafeacute soluble para la mejora del
rendimiento
Especiacuteficos
Evaluar el efecto de las variables de operacioacuten sobre el comportamiento de los
aglomerados asiacute como las caracteriacutesticas finales deseadas
Determinar mediante corridas experimentales las variables con mayor incidencia en la
pegajosidad del producto
Optimizar los paraacutemetros operacionales mediante el balance de materia y energiacutea
13 Definicioacuten de variables
Las variables que se manejaran en este proyecto se mencionan a continuacioacuten
Condiciones operativas del sistema temperatura de aire de entrada y salida presioacuten de
vapor flujo de aire de entrada y salida
Propiedades de los soacutelidos iniciales tamantildeo de partiacutecula humedad temperatura y
densidad
Humedad relativa del aire
Presioacuten del sistema y trasferencia de calor
7
15 Hipoacutetesis
1 Los aglomerados pierden cohesioacuten durante el secado debido a que hay un enlace de
partiacuteculas deacutebiles las cuales se separan generando una cantidad de polvos finos que son
arrastradas por la corriente de aire de forma turbulenta hasta la parte inferior dando
lugar a la adhesioacuten y compactacioacuten
2 La variacioacuten de la presioacuten del sistema (vaciacuteo) presenta anomaliacuteas en la distribucioacuten de
aire trayendo consigo alto acarreo de polvos finos por lo que presenta depoacutesitos a las
paredes de la caacutemara de secado
3 La continua variacioacuten de las condiciones de operacioacuten afecta en la formacioacuten y crecimiento
de las partiacuteculas dando lugar al arrastre excesivo de polvos como del medio aglomerante
reflejando en el escaso o nulo crecimiento de la partiacutecula y por ende adhesioacuten a las
paredes
4 La concentracioacuten de azucares tiene efecto significativo en la pegajosidad
16 Justificacioacuten del Proyecto
Hoy en diacutea el control de los procesos de aglomeracioacuten bajo su contexto de granulacioacuten huacutemeda es
muy complejo al llevar a cabo diferentes mecanismos dentro de sistemas que manejan
transferencia de calor transferencia de masa mecaacutenica de fluidos y termodinaacutemica por
consiguiente dependen de las variables de operacioacuten la naturaleza de los soacutelidos y del liacutequido
ligante
El presente proyecto se realiza en una empresa de cafeacute soluble donde se lleva cabo el proceso de
aglomeracioacuten en la cual presenta problemas de pegajosidad de partiacuteculas finas a las paredes del
equipo y el rendimiento se ve afectado El proyecto es seguimiento de un estudio anterior en la
que se analizaron y estudiaron varios tipos de cafeacutes encontraacutendose que los mezclados
presentaban maacutes adhesioacuten que los puros por consiguiente se determinaron las condiciones
oacuteptimas de operacioacuten de acuerdo las especificaciones finales mediante el uso de graficas de
control sin embargo eso no detuvo la problemaacutetica ya que hasta la fecha sigue presenciaacutendose
Siendo necesario estudios maacutes a fondo basado en teacutecnicas experimentales o de modelos
matemaacuteticos para entender la interaccioacuten de una variable sobre el comportamiento
La finalidad de este proyecto es la optimizacioacuten de los paraacutemetros operacionales de las variables
del proceso que inciden en la anomaliacutea Para ello se emplearan herramientas estadiacutesticas (disentildeo
de experimentos) para la evaluacioacuten y determinacioacuten de los efectos de las variables de entrada
(factores) sobre una variable de salida (respuesta) y el balance de materia-energiacutea para el control y
la optimizacioacuten
8
17 Limitaciones y Alcances
Limitaciones
Se respetaran los lineamientos de la empresa por lo que los nombres de los productos a
estudiar seraacuten restringidos y su uso seraacute mediante letras o nuacutemeros
El tiempo de estudio comprenderaacute 3 meses por lo que simplemente se abarcaran los
tipos de cafeacute que se produzcan en ese lapso
Debido a que el proceso es continuo los operarios son los uacutenicos que tienen el control de
las condiciones del equipo por consiguiente se tomaran solo los paraacutemetros empleados
para cada tipo de producto y estas son las que se manejaran en el disentildeo experimental
Alcances
Determinacioacuten de los factores influyentes en la pegajosidad del cafeacute y optimizacioacuten de los
mismos
Control de los paraacutemetros operacionales
Implementacioacuten de acciones de mejora continuacutea para el sistema
18 La Empresa
Cafeacute Tostado de Exportacioacuten tiene su inicio el 13 de Mayo de 1972 en la Ciudad de Tuxtla
Gutieacuterrez Chiapas Es una empresa que pertenece al grupo SANROKE que actualmente se
encuentra ubicada en la ciudad de Coacuterdoba Veracruz Comenzoacute produciendo cafeacute tostado y
molido posteriormente inicia en el proceso de cafeacute soluble logrando obtener otros subproductos
del cafeacute soluble como el aglomerado lechero y capuchino Fue una de las primeras empresas en
su ramo en estar certificada por la norma ISO 90012008 Actualmente cuenta con certificaciones
de labor social medio ambiente calidad orgaacutenicas e inocuidad lo que refleja su cumplimiento de
los estaacutendares internacionales
Es una compantildeiacutea liacuteder por su firme compromiso con la calidad y la satisfaccioacuten del cliente
Sumando hasta el diacutea de hoy deacutecadas de experiencia y dedicacioacuten en la industria del cafeacute El
aumento del consumo de esta bebida en el mundo ha sido paralelo a su desarrollo econoacutemico
representando una gran oportunidad para encontrar nuevos socios y expandir sus actividades
demostrando al resto del mundo coacutemo la disciplina y el trabajo duro conducen al eacutexito
Misioacuten
Elaboracioacuten de productos de la maacutes alta calidad a traveacutes de la seleccioacuten de materia prima superior
y los maacutes altos estaacutendares de manufactura satisfaciendo el gusto de los consumidores generando
beneficios para los accionistas colaboradores clientes proveedores y comunidad en general
9
Visioacuten
Convertirse en liacutederes del mercado nacional y ampliar su presencia en el mercado extranjero con
productos de calidad insuperable con el mejor sabor que proporcione deleite y satisfaccioacuten a
quien los consuma
En cafeacute tostado de exportacioacuten para obtener cafeacute soluble granulado se llevan cabo varias
operaciones unitarias
Tostado se exponen los granos de cafeacute a un calentamiento en el cual provoca inicialmente
una liberacioacuten de agua ligada hasta alcanzar el calor deseado mantenieacutendolo en continuo
movimiento para asegurar un tostado completo del grano cuando finaliza el tostado el
cafeacute es enfriado y almacenado
Molienda y Extraccioacuten para la reduccioacuten del tamantildeo el cafeacute tostado requiere un corte
mediante una accioacuten de compresioacuten y friccioacuten para provocar partiacuteculas de tamantildeo y
forma adecuados Una vez molido se hace la extraccioacuten de solidos solubles aplicando agua
caliente para generar una infusioacuten que obtenga todo el sabor y aroma presente en los
granos
Centrifugacioacuten y evaporacioacuten mediante una maacutequina de fuerza centriacutefuga se elimina la
mayor parte de los residuos que quedan de la extraccioacuten Posteriormente el extracto
liacutequido obtenido entra en la evaporacioacuten donde se elimina la mayor parte de agua y el
producto queda concentrado
Secado el liacutequido es secado mediante un secador por aspersioacuten en una corriente de aire
caliente donde las gotitas finamente al contacto con el calor evaporan el agua
convirtieacutendose en polvo esfeacuterico instantaacuteneo
Aglomeracioacuten es la operacioacuten designada para la formacioacuten de partiacuteculas de mayor
tamantildeo operando sobre la base de re-humidificacioacuten de la superficie del polvo de cafeacute con
vapor de agua en una atmoacutesfera turbulenta de aire caliente de manera que al colisionar
las partiacuteculas entre siacute los finos se adhieren a los gruesos formaacutendose los aglomerados
La variedad de presentaciones y la calidad de sus producto han permitido permanecer en el gusto
del puacuteblico contando con sus tradicionales cafeacutes tostados y molidos los praacutecticos cafeacutes solubles
aglomerados y ahora liofilizado caacutepsulas de cafeacute expreso teacute de cafeacute verde y crema untable
Caferetas Actualmente es liacuteder en el mercado internacional del cafeacute instantaacuteneo liacuteder local y
regional de cafeacute soluble granulado bajo el nombre de cafeacute ldquoLos Portales de Coacuterdoba ldquo
10
CAPIacuteTULO 2 METODOLOGIacuteA
21 Eleccioacuten de los factores y los niveles
Los factores seraacuten las condiciones de operacioacuten del equipo aglomerador de las cuales se
seleccionaran solo las que tengan maacutes impacto en la formacioacuten del granulo y posible influyente en
el problema los niveles estaraacuten definidos como altos y bajos
22 Seleccioacuten de la variable de respuesta
La variable de respuesta estaacute definido como las caracteriacutesticas fisicoquiacutemicas del producto final color densidad humedad dureza y porcentaje de aglomerado pero solo se seleccionaraacuten dos de ellas Tambieacuten se contemplara como respuesta el porcentaje de adhesioacuten
23 Eleccioacuten del disentildeo experimental
La eleccioacuten del disentildeo implicara la consideracioacuten del tamantildeo de la muestra (nuacutemero de reacuteplicas)
El intereacutes se centrara en identificar queacute factores causan esta diferencia y en estimar la magnitud
del cambio de la respuesta Por lo que pueden utilizarse uno o maacutes disentildeos experimentales de
acuerdo a las variables manejadas las cuales pueden ser factorial por bloques completamente al
azar y superficie de respuesta
24 Realizacioacuten del disentildeo de experimentos
Una vez seleccionado el o los disentildeos se ejecutaran para obtener los valores de las respuestas para
la cuales se contara con el apoyo de aacuterea de control de calidad quien proporcionara esta
informacioacuten asiacute como tambieacuten la ayuda de los operarios quienes son los expertos en manejar las
condiciones del equipo Los datos obtenidos se ingresaran a un programa estadiacutestico para
determinar los efectos y obtener las graacuteficas
25 Monitoreo de los flujos de aire humedad relativa y presioacuten del sistema
Se haraacute un monitoreo en los flujos de aire humedad relativa y presioacuten del sistema en lapso de
tiempo adecuado para evaluar el comportamiento de estas variables los datos se registraran en
Excel para la elaboracioacuten de graacuteficas
26 Anaacutelisis de datos
En esta fase se utilizaran programas estadiacutesticos para analizar y comparar los datos a fin de
determinar que los resultados y las conclusiones sean objetivos Se aplicara un anaacutelisis de varianza
11
(anova) la cual puede ser de un solo factor o multifactorial con niveles de significancia
dependiendo del tipo de disentildeo y con ello se haraacute la prueba de hipoacutetesis
27 Anaacutelisis de los efectos de los paraacutemetros operacionales
El anaacutelisis de los efectos de los paraacutemetros operacionales (factores) sobre la variable de
respuesta se efectuara mediante las graacuteficas de interaccioacuten y las graacuteficas de efectos normales que
se obtendraacuten en el software estadiacutestico con la finalidad de determinar coacutemo afecta cada factor
en el comportamiento de una propiedad caracteriacutestica del granulo
28 Aplicacioacuten del balance de materia y energiacutea
Para realizar este caacutelculo primero se haraacuten las conversiones de flujo de aire de velocidad angular a
velocidad lineal para posteriormente calcular el caudal del aire que pasa por los conductos asiacute
mismo se calculara el volumen de la caacutemara de secado y la base conicaEl uso de la carta
psicomeacutetrica seraacute de gran importancia para determinar la humedad absoluta del aire las
eficiencias teacutermicas y la temperatura de saturacioacuten adiabaacutetica Para la entalpia del aire se
utilizaran foacutermulas adecuadas de termodinaacutemica Las formulas del balance de materia y energiacutea
que se utilizara seraacute las establecidas para secadores por aspersioacuten Una vez reunido los valores se
sustituiraacuten para obtener los correspondientes la variable que se necesita encontrar es la cantidad
de humedad relativa y el calor en la salida de la caacutemara de secado
29 Optimizacioacuten del proceso
La optimizacioacuten del proceso se efectuaraacute de acuerdo a los resultados de los monitoreos del flujo
de aire humedad relativa los efectos obtenidos en el disentildeo de experimentos y sobre todo los
caacutelculos de balance de materia ndashenergiacutea
12
CAPIacuteTULO 3 DESARROLLO DEL PROYECTO
31 Equipo experimental
El equipo experimental utilizado fue un secador por aspersioacuten con lecho fluido integrado (Anexo1)
que consta de una caacutemara de secado proyectado sobre una base coacutenica mediante la cual una
corriente de aire caliente es suministrado por un ventilador de entrada creando una atmosfera
turbulenta donde los polvos finos entran en contacto con vapor de agua y mediante el secado se
forman los aglomerados este equipo maneja varias condiciones de operacioacuten que le dan las
caracteriacutesticas al producto Las herramientas estadiacutesticas empleados fueron Excel para el anaacutelisis
de varianza y prueba de hipoacutetesis del disentildeo por bloques al azar minitab para el anaacutelisis de los
efectos de los factores sobre la variable de respuesta y stargrapics para el anaacutelisis de varianza del
segundo disentildeo experimental
32 Monitoreos
Se hizo un monitoreo en los flujos de aire de entrada flujo de salida el vaciacuteo del sistema y la
humedad relativa del aire en un lapso de 5 horas diarias por 10 lotes de produccioacuten evaluando
tambieacuten la adhesioacuten en cada uno de ellos se registraron los datos en Excel mediante estos datos
se elaboroacute una graacutefica de dispersioacuten para ver el comportamiento de estas variables
33 Disentildeo de experimentos
Se utilizoacute un disentildeo de bloques completamente al azar en la cual los tratamientos fueron la
concentracioacuten de azucares con respuesta de porcentaje de adhesioacuten Cabe mencionar que cada
tratamiento indica un tipo de producto por su concentracioacuten
Tabla 1 Tratamientos del disentildeo por bloques al azar
TRATAMIENTO CONCENTRACION
A 0
B 5
C 10
D 15
F 17
Se formularon dos hipoacutetesis
H0=La concentracioacuten de azucares no tiene efecto en la pegajosidad de los polvos finos si F es
menor o igual a la F tabulada
13
H1=La concentracioacuten de azucares tiene efecto significativo si F de Fisher es mayor que la F
tabulada
Se utilizoacute un disentildeo factorial 23 para determinar el efecto de tres condiciones de operacioacuten
(factores) las cuales fueron velocidad de aire temperatura de entrada y temperatura de salida con
dos niveles teniendo como respuestas la dureza del granulo para 5 tipos de cafeacute soluble
Tabla 2 Factores y niveles del Disentildeo factorial 23
TIPOS FACTORES NIVEL BAJO NIVEL ALTO RESPUESTAS
Cafeacute soluble
ABCDF
Temperatura de entrada
217 227 220 212
235 231 236 228
Dureza
Temperatura de salida
133 139 137 134
135 142 138 135
Velocidad de aire
800 849 690 975
1000 850 950 1050
Tambieacuten se empleoacute un disentildeo factorial de 23 para determinar los efectos de tres factores No
Criba del molino de martillos con nivel de 33-55 la presioacuten de vapor con nivel de 15-20 y la
temperatura de producto nivel de 30-35 las respuestas que se eligieron para este disentildeo fue la
dureza del granulo y el porcentaje de aglomerado este experimento se inicioacute empleado la
herramienta estadista minitab en la cual se ingresaron estos factores con sus niveles arrojando 8
corridas por las combinaciones
Tabla 3 Corridas experimentales del disentildeo 23
Factores
corridas Presioacuten de
vapor
NoCriba Temperatura de
partiacutecula
1 15 33 30
2 2 33 30
3 15 54 30
4 2 54 30
5 15 33 35
6 2 33 35
7 15 54 35
8 2 54 35
14
34 Realizacioacuten del disentildeo de experimentos
Para la ejecucioacuten del disentildeo de experimentos se siguioacute con el programa de produccioacuten iniciando
con el disentildeo por bloque completamente al azar la cual se llevoacute en la aglomeracioacuten de 5 tipos de
cafeacute con diferentes concentraciones mencionadas anteriormente desde el arranque del equipo en
la cual los soacutelidos finos iniciales que se cargaron fueron un cafeacute A sin concentracioacuten
posteriormente se cambioacute a los siguientes tipos (BCDF) las condiciones operativas del equipo
estuvieron de la siguiente manera temperaturas de entrada de 190 a 230 temperatura de salida
de 100-140 y velocidad de aire de 600 a 1000 rpm Cada vez que se haciacutea un cambio de producto
se sacoacute la cantidad de solidos finos adheridos de la siguiente manera
(Cantidad alimentada x 98 de rendimiento fijo)- (Cantidad producida)
Mediante esta foacutermula se obtuvo el porcentaje de cada tipo de cafeacute retenido en la base coacutenica
Cantidad adherida x 100
Cantidad alimentada
Los datos quedaron registrados en la tabla 4 donde cada repeticioacuten indica un lote de produccioacuten
diferente
Tabla 4Disentildeo de bloques completamente al azar
REPETICIONES
TRATAMIENTOS I II III
A 625 6033 702
B 1071 859 12
C 7015 6033 927
D 583 95 892
F 992 704 859
G 113 853 905
El primer disentildeo factorial se llevoacute a cabo en la aglomeracioacuten de 4 tipos de cafeacute soluble en la cual
se monitoreo la interaccioacuten de cada factor de acuerdo a los niveles establecidos sobre la respuesta
y se registraron los resultados Las partiacuteculas finas teniacutean las siguientes propiedades iniciales
Densidad 180-210 grcm3
Color 72-84
Humedad 2 a 35
15
Los resultados de los anaacutelisis fisicoquiacutemicos (dureza) fueron proporcionados por el aacuterea de control
de calidad estos datos se ingresaron en minitab y se hizo el anaacutelisis factorial obteniendo las
graacuteficas de interaccioacuten asiacute como tambieacuten la significancia de los efectos
El segundo disentildeo factorial se llevoacute cabo en la aglomeracioacuten de un lote de cafeacute soluble regular con
las siguientes propiedades
Color 72-85
Humedad 2-35
Densidad 190-210
La duracioacuten del lote fue de 10 horas el equipo empleo una velocidad de aire entrada de 900 rpm
con temperatura de 220degc y una velocidad de aire salida de 1765 rpm con temperatura de 135 degC
Se recibioacute ayuda por parte de los operarios para las combinaciones y cada vez que esta se
ejecutaba se tomoacute muestras de 10 grs y se llevoacute a control de calidad para los anaacutelisis de dureza y
porcentaje de aglomerado por cada corrida finalizando este experimento se registraron todos los
resultados en minitab y se hizo el anaacutelisis del disentildeo para las significancias de los factores cabe
mencionar que mediante este programa se obtuvieron las graacuteficas de interaccioacuten
35 Anaacutelisis de datos
Para determinar cualitativamente el efecto de los paraacutemetros del proceso en la aglomeracioacuten de
las partiacuteculas de cafeacute soluble se aplicoacute un anaacutelisis de varianza (ANOVA) con un nivel de
significancia α del 5 a los resultados experimentales La dureza y el porcentaje de
aglomerado se seleccionaron como paraacutemetro de respuestase utilizo el programa de stargrapics
para el anaacutelisis
36 Balance de materia energiacutea
Para el balance de materia y energiacutea primero se hicieron las conversiones de la velocidad angular
del aire de entrada y salida (rpm) a velocidad lineal (ms) empleando la foacutermula
(1rpm) (2π rad)60 x (radio) Asiacute como el caacutelculo del volumen de la caacutemara de secado (anexo 3)
El caacutelculo del caudal de aire de entrada se realizoacute empleando la foacutermula
119876 = 119881 119878
Donde
V=velocidad lineal del aire (ms)
S=aacuterea de la seccioacuten trasversal (m2)
El radio de la seccioacuten transversal para ventilador de entrada fue 0335 y la de salida de 0195
Se sacaron las eficiencias teacutermicas del equipo de la siguiente manera
16
Eficiencia teacutermica global= (11987911198792
1198792119879119900)
Eficiencia de evaporacioacuten= (1198791 1198792
1198791 119879119904119886119905)
Para determinar las temperaturas de saturacioacuten adiabaacutetica (TSAT) y (T0) se utilizoacute la carta psicomeacutetrica (Anexo 2) El balance quedo estructurada de la siguiente forma
Figura 1 Diagrama de flujo del aglomerador
Donde FS1=masa del solido seco (kg)
Ga flujo de aire (kgh)
Ws=contenido de humedad del alimento (kg agua kg solido seco)
Ta=temperatura de entrada
Ta1=temperatura de salida
Ta2=temperatura de solidos
Ga1=flujo de aire entrada
Ga2=flujo salida de aire
H1= humedad relativa del aire entrada
H2=humedad relativa del aire salida
El balance del sistema sin peacuterdidas ni acumulacioacuten quedo de la siguiente manera
FS WS1 +Ga Ha1 = FS WS2 +Ga Ha2
17
Mientras que el balance de energiacutea
FS QS1+ Ga Qa1 = FS QS2 +Ga Qa2 +QL
Donde qs1 y qs2 son las entalpiacuteas del soacutelido entrando y saliendo del secador (KJKg) qa1 y qa2 son
las entalpiacuteas del aire entrando y saliendo del secador (KJKg) qL es el calor perdido (KJ)
El balance con respecto a la humedad se determinoacute mediante la siguiente formula
GH2 LS X1 GH1 LS X2
Donde
GH2= flujo de aire
Ls = flujo de alimentacioacuten
X1= humedad de los soacutelidos iniciales
La entalpia de la salida de aire se calculoacute mediante la foacutermula
HG C2 (TG T0) H
Donde
TG= Temperatura del aire
T0= Temperatura saturacioacuten
H=Entalpia del solido seco
37 Optimizacioacuten
La optimizacioacuten del proceso se llevoacute a cabo en el control de los factores incidentes en la cual se establecieron los rangos a utilizar esto derivado de los caacutelculos de balance y lo obtenido de los efectos en el disentildeo experimental los operarios se apegaron a estas condiciones con sus respectivos rangos y lo llevaron a cabo durante 8 lotes de produccioacuten en ese lapso de tiempo se evaluoacute el comportamiento del rendimiento se registraron los datos y se graficaron
18
CAPIacuteTULO 4 RESULTADOS Y CONCLUSIONES
41 Resultados
Anaacutelisis de efectos disentildeo factorial No1
Figura 2Grafica de efectos normales para el cafeacute soluble ABCD
En la figura 2 se observa la distribucioacuten de los factores A B C para los 4 tipos de cafeacute en la cual la
temperatura de entrada tiene efecto significativo en la dureza con una significancia del 92
mientras que los demaacutes factores no presentaron efectos significativos aunque tambieacuten influyen en
una combinacioacuten para dar la caracteriacutestica fisicoquiacutemica
19
Figura 3Grafica de interaccioacuten para cafeacute
soluble A
Figura 4 Grafica de interaccioacuten para cafeacute
soluble B
Figura 5Grafica de interaccioacuten para cafeacute soluble
C
Figura 6Grafica de interaccioacuten para cafeacute
soluble D
En las figuras 3 4 5 y 6 se muestran el comportamiento de la dureza de acuerdo a los factores
manejados para los cuatro tipos de cafeacute y en cada una de ella se aprecia que los niveles menores
de la temperatura de salida con la temperatura de entrada dieron una dureza igual y por debajo
de 10 asiacute mismo en el factor de velocidad de aire tambieacuten tuvo un comportamiento con niveles
menores Cabe mencionar que ninguna de las combinaciones obtuvo una dureza optima por lo
que se determinoacute que el incremento en la temperatura de salida aumenta la dureza obteniendo
un granulo maacutes fraacutegil
20
Anaacutelisis del disentildeo factorial No2
Figura 7Grafica de efectos normales para
dureza del cafeacute regular
Figura 8Grafica de efectos principales para dureza
del cafeacute regular
En las figuras 7 y 8 se observa que el No de criba tiene efecto significativo sobre la dureza es decir
entre menor abertura tenga la criba la dureza es mucho menor los graacutenulos son maacutes resistentes
mientras que entre mayor sea la abertura los graacutenulos son maacutes fraacutegiles (dureza alta) cabe
mencionar que la mejor dureza obtenida fue con el nuacutemero de malla 33 la presioacuten de vapor de
15 y la temperatura de partiacutecula de 30deg c
Figura 9 Grafica de efectos normales para
porcentaje de aglomerado del cafeacute regular
Figura 10Grafica de interaccioacuten para porcentaje
de aglomerado del cafeacute regular
21
En las figuras 9 y 10 se observa que la temperatura del producto el nuacutemero de criba tiene efecto
significativo sobre el porcentaje de aglomerado entre mayor es el nivel el porcentaje de
aglomerado disminuye determinado que hay maacutes cantidad de polvos finos asiacute mismo si el nivel
de los factores es bajo el porcentaje incremente constantemente Por lo que el comportamiento
del graacutenulo se acopla al incremento o disminucioacuten de estas variables
Monitoreos
Figura 11Grafica de dispersioacuten de la presioacuten del sistema
Figura 12 Grafica del vaciacuteo vs porcentaje de adhesioacuten
En las figuras 11 y 12 se observa el comportamiento del vaciacuteo con las variaciones de aire de
entrada Cabe mencionar que el sistema empleo una sola salida de aire de 1765 rpm Durante los
monitoreos los productos presentaron pegajosidad con entradas de aire menores a 900 rpm
mientras tanto de 1000 a 1150 rpm los productos no presentaron pegajosidad Lo mismo sucedioacute
en el comportamiento del vaciacuteo del sistema para la cual la pegajosidad aumenta y el rendimiento
disminuye con respecto al incremento del vaciacuteo Por lo que esta variable es el factor determinante
y con ello se prueba la hipoacutetesis que la variacioacuten en la presioacuten del sistema genera un arrastre
excesivo de polvos y la humedad no se elimina lo suficiente
120011001000900800700600
08
07
06
05
04
velocidad de entrada( Rpm)
vacio
del
sis
tem
a (
inh
20
)
Graacutefica de dispersioacuten de vacio del sistema vs velocidad de entrada
0
2
4
6
8
10
12
14
0 02 04 06 08 1
D
E A
DH
ESIO
N
VACIO DEL SISTEMA IN H20
22
Figura 13 Graacutefico de humedad relativa del aire
En la figura 13 se aprecia que la humedad relativa del aire inicialmente fue de 66 que
incrementoacute durante los siguientes diacuteas pero fue disminuyendo hasta llegar al 50 Esto debido a
los cambios climaacuteticos cabe mencionar que el equipo no cuenta con un filtrador para retirar el
porcentaje de agua del aire por lo que esta ingresa directamente a la caacutemara de secado siendo
una variable maacutes influyente en la adhesioacuten de los polvos finos
Anaacutelisis de datos
Tabla 5 Anaacutelisis de varianza de dos factores con una sola muestra por grupo
RESUMEN Cuenta Suma Promedio Varianza Fila 1 3 19303 643433333 026902633
Fila 2 3 313 104333333 296443333 Fila 3 3 22318 743933333 275458633 Fila 4 3 2425 808333333 389223333 Fila 5 3 2555 851666667 207763333 Fila 6 3 2888 962666667 216763333
Columna 1 6 51025 850416667 582740417 Columna 2 6 45726 7621 21353864 Columna 3 6 5485 914166667 260997667
Origen de las variaciones
Suma de cuadrados
Grados de libertad
Promedio de los cuadrados F Probabilidad
Valor criacutetico para
F Tratamientos 316103776 5 632207552 297461023 006699316 332583453
Bloques 699763344 2 349881672 164623405 024097493 410282102
Graacutefico de humedad realtva vs lote
0 3 6 9 12 15
lote
50
54
58
62
66
70
74
hu
med
ad
realt
va
23
Error 212534586 10 212534586
Total 598614696 17
En la tabla 5 se muestra el anaacutelisis de varianza de del disentildeo por bloques completamente al azar
de las diferentes concentraciones de azuacutecar por cada tipo de producto Dado que el f de Fisher es
menor que la f tabulada indica que no hay diferencias significativas por lo que se acepta la
hipoacutetesis nula la concentracioacuten de azucares no tiene efecto significativo en la adhesioacuten del cafeacute
ya que la mayoriacutea tuvo un porcentaje de adhesioacuten alta en las tres repeticiones cabe mencionar
que el producto A sin concentracioacuten tambieacuten tuvo adhesioacuten en la suma de cuadrados por bloques
tampoco hubo diferencias significativas
Tabla 6 Anaacutelisis de Varianza para dureza - Suma de Cuadrados Tipo III
Fuente Suma de Cuadrados
Gl Cuadrado Medio
Razoacuten-F Valor-P
EFECTOS PRINCIPALES
APRESION DE VAPOR 005445 1 005445 006 08164
BTAMANtildeO DE PARTICULA 121525 1 121525 1372 00208
CTEMPERATURA DE PARTICULA 471245 1 471245 532 00823
RESIDUOS
354305 4 0885763
TOTAL (CORREGIDO) 204624 7
La tabla 6 muestra el anaacutelisis de varianza del disentildeo factorial en la cual se descompone la
variabilidad de dureza en contribuciones debidas a varios factores Puesto que se ha escogido la
suma de cuadrados Tipo III (por omisioacuten) la contribucioacuten de cada factor se mide eliminando los
efectos de los demaacutes factores Los valores-P prueban la significancia estadiacutestica de cada uno de los
factores Puesto que un valor-P es menor que 005 este factor tiene un efecto estadiacutesticamente
significativo sobre dureza con un 950 de nivel de confianza
24
Figura 14Grafico anova para dureza
En la figura 14 se muestra el grafico anova y se observa la distribucioacuten de la respuesta para los
factores en la cual todas las razones-F se basan en el cuadrado medio del error residual La
mayoriacutea presenta distribucioacuten anova con el valor p mayor a 05 sin embargo para el factor tamantildeo
de partiacutecula el valor es menor a 05 con significancia
Balance de energiacutea
En el balance de materia y energiacutea se obtuvo que la humedad en la salida aglomerado es del 73
cuando hay una entrada de aire de 1550 m3 s con 50 de humedad relativa a una temperatura
de 230degc necesita 1730 KJ kg de calor con una cantidad de aire seco de 2600 kg h para sistema
adiabaacutetico sim embargo el aglomerador no es de este tipo de sistema por lo que se evaluoacute en un
graacutefico psicomeacutetrico (anexo1) encontraacutendose
El aire se calienta a humedad constante (To -T1) Si la caacutemara estuviera aislada y toda la energiacutea
posible se utilizara el aire se enfriariacutea adiabaacuteticamente y la temperatura miacutenima a alcanzar seriacutea la
de bulbo seco de saturacioacuten (Tsat) En realidad la caacutemara no estaacute aislada y no se sigue un
enfriamiento adiabaacutetico El aire sale a una temperatura T2 (ni estaacute saturado ni el proceso es
adiabaacutetico) debido a la baja relacioacuten aire-producto Si el proceso fuera adiabaacutetico saldriacutea a T2
(proceso adiabaacutetico y masas iguales de aire y producto)
ANOVA Graacutefico para DUREZA
-25 -15 -05 05 15 25
Residuos
PRESION DE VAPOR P = 0816415 2
TAMANtildeO DE PARTICULA P = 0020833 54
TEMPERATURA DE PARTICULA P = 0082330 35
25
Optimizacioacuten
De acuerdo a los caacutelculos de balance de materia los flujos de aire de 900 pm a 1100 rpm con una
salida de 1765 rpm mantienen el calor necesario para eliminar la humedad por lo que estas
variables son las que se implementaron y controlaron para la aglomeracioacuten de los diversos
productos
Figura 15 Grafica de rendimientos con flujo de aire de 900 rpm a 1100 rpm
En la figura 15 se observa el comportamiento del rendimiento con las condiciones aire manejadas
que mantuvieron un vaciacuteo de 04 y 05 inicialmente el rendimiento no fue favorable debido a la
humedad relativa sin embargo en los siguientes lotes el rendimiento se mantuvo del 94
mejorando en los siguientes diacuteas al 97 siendo favorable con ello el porcentaje de adhesioacuten
disminuyo al 3 con estas condiciones la caracteriacutestica de porcentaje de aglomerado incremento
al rango oacuteptimo
La optimizacioacuten de las variables de temperatura de salida y tamantildeo de criba consistioacute en la
reduccioacuten de sus rangos de operacioacuten para la cual la dureza mejoroacute apegaacutendose al rango oacuteptimo
925
93
935
94
945
95
955
96
965
0 2 4 6 8 10 12 14
Ren
dim
ien
to
lote
26
42 Conclusiones
Mediante el disentildeo experimentos se encontroacute que el aumento de dos factores temperatura de
salida y el tamantildeo de partiacutecula influyen en el bajo porcentaje de aglomerado y el incremento en la
dureza por que el granulo aglomerado presenta fragilidad y una cantidad de polvos finos Asiacute
mismo con el disentildeo por bloques se determinoacute que la concentracioacuten de azuacutecares de los cafeacutes no
tiene efecto significativo tomando como muestra patroacuten un producto sin concentracioacuten que
tambieacuten presento adhesioacuten en las tres repeticiones Durante el monitoreo se observoacute que los
soacutelidos aglomerados a condiciones de bajo vaciacuteo con humedad relativa del aire baja no
presentaban ninguacuten problema de adhesioacuten mientras que los producto a condiciones de vaciacuteo alto
con humedades por encima de 60 presentaban mayor adhesioacuten en balance de materia se
observoacute que una humedad relativa alta en la salida del equipo necesita mayor calor y cantidad de
aire de entrada para ser eliminado asiacute mismo mediante las eficiencias teacutermicas se evaluoacute el
sistema en una carta psicomeacutetrica y se determinoacute que hay perdida calor en la caacutemara de secado
al no ser adiabaacutetico por lo que la optimizacioacuten del proceso solo fue parcial enfocaacutendose solo a
condiciones del aire de entrada y salida en la que el rendimiento mejoro en un promedio del 96
43 Trabajos Futuros
Derivado al balance y los caacutelculos la humedad relativa es un factor importante en la adhesioacuten del
producto es por ello que el proyecto tiene continuidad en la implementacioacuten de un desumificador
de aire para que el sistema tenga una inyeccioacuten de aire seco el aislamiento (encamisado) de la
caacutemara de secado para evitar pedidas del calor tambieacuten y la determinacioacuten de nuevas condiciones
de operacioacuten debido a los cambios en los flujos aire
44 Recomendaciones
De acuerdo al estudio realizado mediante el disentildeo factorial se determinoacute que la variacioacuten de la
entrada de aire afecta la presioacuten del sistema por lo que se recomienda manejar una sola condicioacuten
de aire para cada producto con respecto a la velocidad de salida ya que el sistema necesita
mantener el equilibrio de las corrientes de aire para que el calor sea necesario y elimine toda la
humedad posible del vapor de agua para evitar que se concentre en la base coacutenica asiacute mismo la
alimentacioacuten de los soacutelidos finos debe tener propiedades caracteriacutesticas oacuteptimas para evitar la
variacioacuten de las condiciones
27
ANEXOS Anexo 1 Equipo aglomerado
Salida de aire
Base coacutenica
Caacutemara de
secado
Lecho
fluidizado
Entrada de
aire caliente
Separador
cicloacutenico
Zona de aspersioacuten de
solidos secos y vapor
de agua
28
Anexo 2 Carta psicomeacutetrica
Fuente Spray Drying Handbook (Masters 1991)
29
Anexo 3 Caacutelculos de velocidad lineal caudales de aire y volumen del equipo
1765 rpm (2πrads)(042)=7763 ms
600 rpm (2πrads)(030) =2638 ms
700 rpm (2πrads)(030)=3078 ms
800 rpm (2πrads)(030) =3518 ms
900 rpm (2πrads)(030) =3965 ms
1000 rpm (2πrads)(030) =4348 ms
1150 rpm (2πrads)(030)=5057ms
Caudal para las diferentes velocidades lineales
1) Q=VS
Q=2638 ms (π 00335m) 2
Q=930 m3s
2) Q=VS
Q=3078ms (π 00335m) 2
Q=1085m3s
3) Q=VS
Q=3518 ms (π 00335m) 2
Q=1240 m3s
4) Q=VS
Q=4348 ms (π 00335m) 2
Q=1550 m3s
5) Q=VS
Q=5057ms (π 00335m) 2
Q=2002 m3s
6) Q=VS
Q=7763 ms (π 0195 m) 2
Q=3708 m3s
30
Velocidad angular de aire (rpm) Caudal (m3s)
600 rpm 93
700 1085
800 1240
1000 1550
1150 2002
1765 3708
Caudales de aire de entrada y salida
Volumen de la caacutemara de secado
V= ℎ1205871199032
v=97 π (21m)
v=140844 m3
V= ℎ1205871199032
v= (09m) (π 21m)
v=2420 m3
Volumen de la base coacutenica
119907 =π r2 h
3
119907 =π (291) lowast 59
3
V=52313 m3
Volumen total del equipo =21734 m3
582 m
59m
582 m
09 m
43m
97 m
31
Anexo 3Caacutelculos de balance de materia y energiacutea
Se determina la velocidad de flujo de aire y la humedad de salida del aglomerador suponiendo
que no hay peacuterdidas de calor en el secador el balance inicia con la alimentacioacuten de 300 kg de
soacutelidos secoh que contienen 0035 kg de humedad totalkg de soacutelido seco hasta un valor de 0002
kg de humedad totalkg de soacutelido seco El polvo fino a granular entra a 35 ordmC y se desea
descargarlo a 32 ordmC El soacutelido seco tiene una capacidad caloriacutefica de 1465 kJkgK que se supone
constante El aire de calentamiento entra a 230 ordmC y con humedad de 0060 kg H2Okg de aire
seco y debe salir a 130
Balance de materia con respecto a la humedad
GH2 LS X1 GH1 LS X2
Reemplazando valores
(060) + 300 (0035)= GH1+ 300 (0002)
El balance de calor para el secador es
GHG2 LS HS1 GHG1 LS HS2 Q
Se calcula la entalpiacutea del aire de entrada HG1
Aglomerador
G1=
TG1=230
H2=
LS=300 KGSh
TS1=35
X1=0035
G2=
TG2=130
H2=060
Ts 2=378
X2=0002
Q
32
HG1=CS 1005188H 1005188(060)
HG1 CS (TG1 T0 ) H
HG1= CS 230 - 0 + 0060(2501) 17306 KJ Kg aire seco
Se calcula la entalpiacutea del aire de salida HG2
C21005188H 1005188 H1
HG1 CS (TG2 T0 ) H
HG1= (1005 + 188 H1 )130 - 0 + H1 (2501)
HG1=130 + 27454 H1
Se calcula las entalpiacuteas de los soacutelidos
HS1 CP S (TS1 T0) X1 CP A ( TS1 T0)
HS1 1465(35 0) 0035 (4187)(35 0) 5713 kJ kg
HS2 CP S (TS2 T0) X2 CP A ( T2 T0)
HS2 1465 (32 ndash 0 ) + 0002(4187)(32 0)=4714 KJ Kg
Reemplazando en el balance de energiacutea
G (17306)+ 300(5713) = G (130 + 27454 H1)+ 300(4714) + 0
G=2600 Kg aire seco por hora
Resolviendo conjuntamente con el balance de materia
G (060) + 300 (0035)= GH1+ 300 (0002)
2600(060) + 105 = 2600 H1 +06
H1=2600(060) +105 + 060 2600
H1=07427 Kg agua kg aire seco
33
Anexo 4Calculo de eficiencias teacutermicas
Datos
T = 230
Ts =147
T0= 30
T sat=45
Eficiencia teacutermica global
Ntermica global= 1198791minus1198792
1198792minus1198790 X 100
Ntermica global = 230minus147
230minus30 100 =415
Eficiencia de evaporacioacuten
Nevaporacion=1198791minus1198792
1198791minus119879119904119886119905
Nevaporacion = 230minus147
230minus45 100 =4486
34
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Equipment
[Escriba aquiacute] [Escriba aquiacute]
RESUMEN El presente proyecto se realizoacute en la empresa cafeacute tostado de exportacioacuten en la etapa de
aglomeracioacuten de polvos finos de cafeacute donde el principal problema es la adhesioacuten de las partiacuteculas
finas a las paredes del equipo que disminuye el rendimiento del producto terminado y la eficacia
del proceso es seguimiento de un proyecto anterior pero ahora basado en teacutecnicas
experimentales y estudio maacutes a fondo con el objetivo de optimizar las variables incidentes y los
paraacutemetros operacionales
En este trabajo se implementaron dos disentildeos experimental factorial 23 para evidenciar el efecto
de algunos paraacutemetros de operacioacuten en el crecimiento de partiacuteculas soacutelidas evaluando dos
propiedades fisicoquiacutemicas la dureza y el porcentaje de aglomerado El primer disentildeo factorial
fue de tres factores (paraacutemetros de operacioacuten) con dos niveles en 8 corridas para 4 tipos de
productos en el segundo disentildeo los factores estuvieron definidos en las propiedades iniciales de
las partiacuteculas soacutelidas asiacute mismo se empleoacute un disentildeo de bloques completamente al azar para
determinar la significancia de la concentracioacuten de azucares sobre el porcentaje de adhesioacuten Se
aplicoacute un anaacutelisis de varianza con un nivel de significancia del 5 a los resultados experimentales
para las pruebas de hipoacutetesis Posteriormente se evaluaron las condiciones de presioacuten del sistema
flujo de aire humedad relativa y el rendimiento en diversos tipos de productos mediante un
monitero que abarco varios lotes de produccioacuten finalmente se procedioacute al balance de materia y
energiacutea para cuantificar la cantidad de aire y calor necesario para eliminar toda la humedad asiacute
como la determinacioacuten de las eficiencias teacutermicas del equipo
Mediante el disentildeo experimentos se encontroacute que el aumento de dos factores temperatura de
salida y el tamantildeo de partiacutecula influyen en el bajo porcentaje de aglomerado asiacute como el
incremento en la dureza por que el granulo aglomerado presenta fragilidad y una cantidad de
polvos finos En el disentildeo por bloques se determinoacute que la concentracioacuten de azuacutecares de los cafeacutes
no tiene efecto significativo tomando como muestra patroacuten un producto sin concentracioacuten que
tambieacuten presento adhesioacuten en las tres repeticiones Durante el monitoreo los soacutelidos
aglomerados a condiciones de bajo vaciacuteo con humedad relativa del aire baja no presentaron
adhesioacuten mientras que los producto a condiciones de vaciacuteo alto con humedades por encima de
60 tuvieron mayor adhesioacuten en el balance de materia se observoacute que una humedad relativa alta
en la salida del equipo necesita mayor calor y cantidad de aire de entrada para ser eliminado asiacute
mismo mediante las eficiencias teacutermicas se evaluoacute el sistema en una carta psicomeacutetrica
encontraacutendose que hay perdida de calor en la caacutemara de secado al no ser un sistema adiabaacutetico
por lo que la optimizacioacuten del proceso solo fue parcial enfocaacutendose a las condiciones del aire de
entrada y salida que mantuvieron un vaciacuteo de 04 InH20 mediante el control de estas variables el
rendimiento mejoroacute en un promedio del 96
[Escriba aquiacute] [Escriba aquiacute]
Tabla de contenido
AGRADECIMIENTOS
RESUMEN
CAPIacuteTULO 1 INTRODUCCIOacuteN 1
11 Estado del Arte 2
12 Planteamiento del Problema 6
13 Objetivos 6
13 Definicioacuten de variables 6
15 Hipoacutetesis 7
16 Justificacioacuten del Proyecto 7
17 Limitaciones y Alcances 8
18 La Empresa 8
CAPIacuteTULO 2 METODOLOGIacuteA 10
21 Eleccioacuten de los factores y los niveles 10
22 Seleccioacuten de la variable de respuesta 10
23 Eleccioacuten del disentildeo experimental 10
24 Realizacioacuten del disentildeo de experimentos 10
25 Monitoreo de los flujos de aire humedad relativa y presioacuten del sistema 10
26 Anaacutelisis de datos 10
27 Anaacutelisis de los efectos de los paraacutemetros operacionales 11
28 Aplicacioacuten del balance de materia y energiacutea 11
29 Optimizacioacuten del proceso 11
CAPIacuteTULO 3 DESARROLLO DEL PROYECTO 12
31 Equipo experimental 12
32 Monitoreos 12
33 Disentildeo de experimentos 12
34 Realizacioacuten del disentildeo de experimentos 14
[Escriba aquiacute] [Escriba aquiacute]
35 Anaacutelisis de datos 15
36 Balance de materia energiacutea 15
37 Optimizacioacuten 17
CAPIacuteTULO 4 RESULTADOS Y CONCLUSIONES 18
41 Resultados 18
42 Conclusiones 26
43 Trabajos Futuros 26
44 Recomendaciones 26
ANEXOS 27
Anexo 1 Equipo aglomerado 27
Anexo 2 Carta psicomeacutetrica 28
Anexo 3 Caacutelculos de velocidad lineal caudales de aire y volumen del equipo 29
Anexo 3Caacutelculos de balance de materia y energiacutea 31
Anexo 4Calculo de eficiencias teacutermicas 33
BIBLIOGRAFIacuteA 34
[Escriba aquiacute] [Escriba aquiacute]
Iacutendice de tablas
Tabla Descripcioacuten Pagina
1 Tratamientos del disentildeo por bloques al azar 12
2 Factores y niveles del Disentildeo factorial 23 13
3 Corridas experimentales del disentildeo 23 13
4 Disentildeo de bloques completamente al azar 14
5 Anaacutelisis de varianza de dos factores con una sola muestra por grupo 23
6 Anaacutelisis de Varianza para dureza - Suma de Cuadrados Tipo III 23
Contenido de figuras
Figura Descripcioacuten Pagina
1 Diagrama de flujo del balance del aglomerador 16
2 Grafica de efectos normales para el cafeacute soluble ABCD 18
3 Grafica de interaccioacuten para cafeacute soluble A 19
4 Grafica de interaccioacuten para cafeacute soluble B 19
5 Grafica de interaccioacuten para cafeacute soluble C 19
6 Grafica de interaccioacuten para cafeacute soluble D 19
7 Grafica de efectos normales para dureza del cafeacute regular 20
8 Grafica de interaccioacuten para dureza del cafeacute regular 20
9 Grafica de efectos normales para porcentaje de aglomerado 20
10 Grafica de interaccioacuten para porcentaje de aglomerado del cafeacute regular 20
11 Grafica de dispersioacuten de la presioacuten del sistema 21
12 Grafica del vaciacuteo vs porcentaje de adhesioacuten 21
13 Graacutefico de humedad relativa del aire 22
14 Grafico anova para dureza 24
15 Grafica de rendimientos con flujo de aire de 900 rpm a 1100 rpm 25
1
CAPIacuteTULO 1 INTRODUCCIOacuteN
Los procesos de aglomeracioacuten han existido desde hace varios antildeos con el fin de acondicionar
fiacutesicamente diferentes tipos de materiales y para diferentes propoacutesitos como es el caso de la
palatizacioacuten del mineral de hierro que es realizada en las siderurgiasPor su parte en la industria
farmaceacuteutica y en la produccioacuten de algunos alimentos como el cafeacute soluble los productos laacutecteos
entre otros la aglomeracioacuten de partiacuteculas finas tiene gran aplicacioacuten ya que permite obtener
graacutenulos de mayor tamantildeo con una estructura de poros abiertos a fin de poder absorber liacutequidos
y facilitar la dispersioacuten inmediata lo permite obtener un producto de alta dispersabilidad fluidez
segregacioacuten densidad fragilidad etc (Wolfgang 2008)
La aglomeracioacuten es un proceso que promueve el incremento de tamantildeo del soacutelido (graacutenulo)
mediante la adhesioacuten de partiacuteculas pequentildeas (soacutelidos finos) sobre otra partiacutecula de mayor tamantildeo
por la accioacuten de un liacutequido ligante en un sistema que presentan dos zonas la zona de aspersioacuten
que es el aacuterea donde el liacutequido aglomerante tiene el primer contacto con las partiacuteculas finas que
colisionan entre siacute formando puentes liacutequidos que al evaporarse dan lugar a enlaces soacutelidos
donde los finos se adhieren a los gruesos (Kumar amp Ramkrishna 1997) Y la zona de dispersioacuten
que es el aacuterea donde se mezclan con aire caliente para el secado Para llevar a cabo esta operacioacuten
se emplean diversos equipos en su mayoriacutea granuladores de lecho fluidizado mezcladores y
secadores de lecho fluido ( Litster J 2003)
Actualmente puede observarse como una combinacioacuten de tres diferentes mecanismos
humectacioacuten y nucleacioacuten consolidacioacuten y coalescencia atricioacuten y rompimiento El aumento del
tamantildeo de partiacuteculas es un teacutermino geneacuterico que engloba las operaciones unitarias relacionadas
con la tecnologiacutea de materiales pulverizados de medios granulares y la mecaacutenica de soacutelidos
(Litster amp Bryan 2004)
La aglomeracioacuten depende de la naturaleza fiacutesica del sistema partiacutecula solidandashliacutequido aglomerante
y de las variables asociadas al equipo De esta forma es importante controlar dichos paraacutemetros
operacionales dado que una mala relacioacuten entre estos traeriacutea problemas en la operacioacuten
2
11 Estado del Arte
El proceso de aglomeracioacuten ha sido estudiado y analizado por varias deacutecadas el disentildeo y anaacutelisis
de tales sistemas permanece enraizado al empirismo debido a que no hay una metodologiacutea para el
disentildeo y operacioacuten de tales procesos asiacute mismos las plantas industriales donde se llevan a cabo
procesos de granulacioacuten y secado por aspersioacuten han enfrentado una serie de problemas
relacionados con la pegajosidad de las partiacuteculas inertes a las paredes de los diversos equipos
empleados incluyendo razones de reciclado pobre control en la calidad del producto obtenido
siendo necesario el reprocesado del producto incrementando el costo de produccioacuten Este
problema tiene su origen en el escaso entendimiento de la influencia de los paraacutemetros
operacionales sobre el proceso (Iveson amp Hapgood 2001)
Investigadores como (Lister amp Waters 1988) (Parveen 2012) han establecido que durante el
proceso de aglomeracioacuten se ve influenciado por la distribucioacuten de tamantildeos de los soacutelidos pues la
polidispersidad de la poblacioacuten de soacutelidos induce al recubrimiento o adhesioacuten de las partiacuteculas
pequentildeas sobre las de mayor tamantildeo Asiacute mismo existe una posible influencia combinada entre el
paraacutemetro temperatura (cuyos niveles de estudio son adecuados para averiguar la influencia de
eacuteste paraacutemetro sobre el comportamiento de crecimiento del aglomerado) y la polidispersidad de
los soacutelidos
(Sastry amp Fuerstenau 1973)Estudiaron que la adhesioacuten de partiacuteculas sin formacioacuten de puentes
(fuerzas de van der Waals o electrostaacuteticas) forman aglomerados relativamente deacutebiles En
cambio los que forman puentes son maacutes fuertes Por su parte (Canela 1996) determino que la
resistencia de los aglomerados depende de las fuerzas fiacutesicas que mantienen unidas a las
partiacuteculas y la magnitud de eacutestas depende del tamantildeo de partiacutecula la carga superficial la
estructura cristalina la proximidad de las partiacuteculas la cantidad de aditivos y de otras
propiedades fisicoquiacutemicas del sistema como lo son la naturaleza quiacutemica de la partiacutecula los
coeficientes de frotamiento interno de la partiacutecula masa volumeacutetrica y fuerza de cohesioacuten
(Schaafsma amp Kossen 2006)Estudiaron la influencia de alimentar el liacutequido aglomerante
atomizado por pulsos y temperatura del medio fluidizante (40 y 60degC) sobre el crecimiento del
aglomerado El aglomerador empleado teniacutea una geometriacutea coacutenica y contaba con un cicloacuten para
limpiar el aire de los finos arrastrados por eacuteste Se emplearon soacutelidos de α-lactosa monohidratada
malla No 110 y como liacutequido aglomerante polyvinylpirrolidona al 8 Los resultados obtenidos
indicaron que el crecimiento del aglomerado se ve influenciado por la humedad presente en el
lecho mientras que encontraron diferentes efectos de la temperatura del medio fluidizante sobre
el crecimiento del aglomerado a baja temperatura 40degC el graacutenulo crece a su tamantildeo final maacutes
raacutepido que a 60degC
(Tan HS Salman AD 2006)Estudiaron la influencia de algunos paraacutemetros operacionales
responsables del crecimiento del aglomerado empleando como soacutelido de trabajo Glass Ballotini
cuya distribucioacuten de tamantildeos estaba comprendida entre 73-375 microacutemetros El agente
3
aglomerante empleado fue Polyentilen Glycol Los paraacutemetros operacionales analizados fueron
tasa de atomizacioacuten del agente aglomerante (288 m3 ∙s-1) temperatura en el lecho de soacutelidos
(28 32 36 y 40degC) presioacuten de atomizacioacuten (15 bar) y velocidad del aire fluidizante (097 m∙s-1)
Los resultados indicaron que el crecimiento del aglomerado depende directamente de la cantidad
relativa del agente aglomerante atomizado sobre el lecho el cual determina la velocidad del
proceso de agregacioacuten Asiacute mismo el crecimiento del aglomerado se ve favorecido con el
incremento en los niveles de temperatura Con referencia al tamantildeo de gota del agente
aglomerante atomizado concluyeron que una gota de mayor tamantildeo incrementa el crecimiento
global del aglomerado mientras que una gota de menor tamantildeo induce a un crecimiento inicial
maacutes raacutepido Finalmente el crecimiento global del aglomerado se reduce al incrementar la
velocidad del aire
(Dolinski 2000) Encontroacute que en el secado de aspersioacuten de zumos de frutas con elevado contenido
de azucares los compuestos tienen temperaturas de transicioacuten viacutetrea bajas presenta problemas
de pegajosidad (stickiness) El teacutermino ldquostickinessrdquo hace referencia a los fenoacutemenos de cohesioacuten
partiacutecula-partiacutecula y de adhesioacuten partiacutecula-pared que presentan los polvos obtenidos que dificulta
su presentacioacuten en estado polvo y mancha las paredes de los cilindros de pulverizacioacuten (Al quedar
en la pared del compartimiento de secado como un jarabe da lugar a bajas producciones del
producto y a problemas operacionales)
(Boonyai 2004) Explica que la mayor causa de la pegajosidad en polvos amorfos de zumos en el
secado por aspersioacuten es la accioacuten plastificante del agua en la superficie que da lugar a la adhesioacuten
y cohesioacuten El alto contenido en azuacutecares de bajo peso molecular y aacutecidos orgaacutenicos disminuye la
temperatura de transicioacuten viacutetrea (Tg) por debajo de la temperatura de preparacioacuten del producto
incluso a la temperatura de salida del secado Esto conlleva a la existencia de un estado pseudo-
liacutequido de material amorfo que es responsable de la cohesioacuten interpartiacuteculas y de la adhesioacuten de
las partiacuteculas a las paredes del cilindro Cuanto mayor sea esta diferencia de temperatura (ΔT=Tp -
Tg) mayor seraacute el grado de pegajosidad
Como puede visualizarse existe un grupo muy amplio de paraacutemetros operacionales que inciden en
el comportamiento del proceso de aglomeracioacuten y los problemas asociados a este Sin embargo la
investigacioacuten y anaacutelisis de este tipo de proceso se centra en los paraacutemetros que se pueden
controlar de manera adecuada pues los equipos empleados para tal investigacioacuten son de tipo
escala piloto o banco los cuales son disentildeados y construidos para manipular un nuacutemero reducido
de paraacutemetros Por su parte se han propuestos teacutecnicas para resolver anomaliacuteas presentadas por
la influencia de variables que se afectan unas con otras
(Espantildea Patente nordm 36848 1967) Propuso un procedimiento para obtener aglomerados fuertes de
cafeacute soluble mediante la reduccioacuten de la temperatura de las partiacuteculas hasta menos 7deg antes de
entrar en contacto con vapor de agua y con humedades de 3 a 4 El enfriamiento se logra con la
inyeccioacuten de co2 liquido en el molino de martillos asiacute mismo demostroacute que la reduccioacuten de
tamantildeo a menos de 54 micras se forman enlaces fuertes y se evita la degradacioacuten o separacioacuten de
los graacutenulos durante el secado en la caacutemara Su metodologiacutea consistioacute en pruebas a diferentes
4
niveles de temperaturas cantidad de vapor humedad y temperatura del producto inicial
obteniendo aglomerados de gran dureza y buena apariencia fiacutesica
(Schaafsma SH 1998) Propuso en su trabajo de investigacioacuten relacionado con la aglomeracioacuten de
soacutelidos un proceso de crecimiento de un aglomerado originado a partir de una gota de liacutequido En
su propuesta describe el crecimiento del aglomerado a partir de dos etapas Inicialmente se
presenta un raacutepido crecimiento que toma lugar por el mojado de las partiacuteculas lo cual resulta en
la formacioacuten de un aglomerado inicial La segunda etapa de crecimiento es iniciado por el
transporte de liacutequido del aglomerado hacia las partiacuteculas que lo rodea El crecimiento del
aglomerado toma lugar por la unioacuten de partiacuteculas Si un poro en la superficie de un aglomerado
estaacute saturado con liacutequido entonces partiacuteculas libres pueden alcanzar la fase liacutequida en el poro y un
puente liacutequido puede ser formado Acorde a este proceso se puede concluir que la distribucioacuten de
tamantildeos de partiacuteculas y porosidad juega un papel importante en el tamantildeo final del aglomerado
Diversos autores han utilizado diferentes aproximaciones ingenieriles para entender y describir el
comportamiento de un proceso de granulacioacuten Un anaacutelisis estadiacutestico de un disentildeo experimental
permite determinar cualitativamente el efecto de un paraacutemetro del proceso sobre el aglomerado
tomando como referencia el tamantildeo promedio de la poblacioacuten de partiacuteculas aglomeradas
(Montgomery 2007) Mientras que el uso de un balance de poblacioacuten permite tratar de manera
fundamental procesos que involucran fenoacutemenos de nacimiento y muerte de partiacuteculas en un
determinado volumen de control (VC) (Hulbert 1967)
(Cryer A S y Scherer NR 2003 ) Implementaron un disentildeo factorial fraccional a frac12 en un
aglomerador coacutenico para evidenciar la influencia de ciertos paraacutemetros importantes relacionados
con la aglomeracioacuten de un producto agroquiacutemico cuya distribucioacuten inicial comprendiacutea tamantildeos
entre 01 a 100 micrones y cuyo diaacutemetro promedio inicial era de 20 micrones El agente
aglomerante empleado fue agua destilada Los paraacutemetros operacionales analizados fueron flujo
de aire (0106-0153 m3 s-1) temperatura de alimentacioacuten del aire (40-60degC) tasa de atomizacioacuten
del agente aglomerante (370x103 -542x103 kg s - 1 ) carga de soacutelidos inicial (25-35kg) y altura de
la boquilla de atomizacioacuten (posiciones 1 y 3) A partir del anaacutelisis estadiacutestico (el cual se realizoacute con
un nivel de significancia de 99) se evidencioacute la significancia de los factores bajo estudio siendo la
tasa de atomizacioacuten y carga de soacutelidos los de mayor efecto mientras que la temperatura y flujo de
aire resultaron marginalmente significativos en el crecimiento del aglomerado mientras que la
altura de la boquilla no influye en el crecimiento del aglomerado
(Riacuteos 2005) Implementoacute un disentildeo factorial 2 a la 3 en un aglomerador de lecho fluidizado coacutenico
para aglomerar soacutelidos de Tamarindo con un diaacutemetro promedio de 784 micrones Los factores
controlables fueron temperatura del aire fluidizante (80-100degC) tiempo de atomizacioacuten (3-5 min)
y masa de soacutelidos cargados al sistema (200-300g) El agente aglomerante empleado fue agua
destilada El anaacutelisis estadiacutestico (realizado con un nivel de significancia del 95) determinoacute que el
tiempo de atomizacioacuten del agente aglomerante fue el principal paraacutemetro que afecta el
crecimiento del aglomerado mientras que la temperatura y carga de soacutelidos no afectan el
crecimiento del aglomerado Cabe resaltar que se probaron los niveles de significancia de 90 y
5
75 con el objetivo de probar los posibles efectos de los paraacutemetros que no resultaran
significativos a un nivel del 95 El resultado obtenido a un nivel de significancia del 90
determinoacute que el tiempo de atomizacioacuten asiacute como la temperatura del aire resultaron
significativos es decir afectan en el crecimiento del aglomerado Asiacute mismo se determinoacute que a
un nivel de significancia del 75 los paraacutemetros tiempo de atomizacioacuten temperatura carga de
soacutelidos asiacute como la interaccioacuten entre la temperatura y carga de soacutelidos afectan el crecimiento del
aglomerado El anaacutelisis realizado a estos niveles de significancia (75 y 90) se evaluaron para
futuros trabajos relacionados con la aglomeracioacuten de soacutelidos de Tamarindo
(Dacanal amp Menegalli 2008) Implementaron un disentildeo factorial fraccional 24-1 en un aglomerador
con geometriacutea coacutenica el cual contaba con un cicloacuten para limpiar el aire de los finos arrastrados
con el objetivo de evidenciar la significancia de ciertos paraacutemetros operacionales que influyen en
el proceso de crecimiento de aglomerados de soacutelidos de acerola (Cerezo de las Antillas) La
poblacioacuten inicial de los soacutelidos contaba con un diaacutemetro promedio inicial de 954 micrones El
agente aglomerante empleado fue agua Los paraacutemetros bajo estudio fueron temperatura del aire
fluidizante (75-90degC) velocidad del aire fluidizante (025-045 ms-1 ) flujo de aire de atomizacioacuten
(050-070 lh-1 ) y altura de la boquilla con respecto al lecho (050-070 m) El anaacutelisis estadiacutestico
(realizado con un nivel de significancia del 95) evidencioacute la influencia de solo la velocidad del aire
sobre el crecimiento del aglomerado Sin embargo los autores expresan que la temperatura del
aire debe afectar el crecimiento del aglomerado pero los niveles ensayados no fueron los
adecuados Cabe resaltar que la altura de la boquilla y flujo de aire en la boquilla no resultaron
significativos es decir no influyeron en el crecimiento del aglomerado
6
12 Planteamiento del Problema
En Cafeacute Tostado de Exportacioacuten durante el proceso de aglomeracioacuten de cafeacute soluble para la
obtencioacuten de granulado efectuado en un secador por aspersioacuten con lecho fluido integrado se
presenta la pegajosidad de los polvos finos a las paredes de la base coacutenica del equipo y conforme
transcurre el tiempo la cantidad adherida se compacta formando capas gruesas llegando al punto
en que el mismo calor en el interior lo derrite y cae en forma de masas elaacutesticas o masas solidas de
gran volumen obstruyendo el paso de los graacutenulos por lo que la produccioacuten se detiene generando
contratiempos al quitar todo el cafeacute compactado Esta anomaliacutea afecta la eficiencia del proceso y
disminuye el rendimiento
La problemaacutetica se da en la produccioacuten de diversos tipos de cafeacute granulado desde mezclados
descafeinados y puros asiacute como en los diversos paraacutemetros de operacioacuten y aunque se han
implementado vibradores de alto rendimiento en la base coacutenica del equipo el problema sigue
teniendo impacto
13 Objetivos General
Optimizar el proceso de aglomeracioacuten de polvos finos de cafeacute soluble para la mejora del
rendimiento
Especiacuteficos
Evaluar el efecto de las variables de operacioacuten sobre el comportamiento de los
aglomerados asiacute como las caracteriacutesticas finales deseadas
Determinar mediante corridas experimentales las variables con mayor incidencia en la
pegajosidad del producto
Optimizar los paraacutemetros operacionales mediante el balance de materia y energiacutea
13 Definicioacuten de variables
Las variables que se manejaran en este proyecto se mencionan a continuacioacuten
Condiciones operativas del sistema temperatura de aire de entrada y salida presioacuten de
vapor flujo de aire de entrada y salida
Propiedades de los soacutelidos iniciales tamantildeo de partiacutecula humedad temperatura y
densidad
Humedad relativa del aire
Presioacuten del sistema y trasferencia de calor
7
15 Hipoacutetesis
1 Los aglomerados pierden cohesioacuten durante el secado debido a que hay un enlace de
partiacuteculas deacutebiles las cuales se separan generando una cantidad de polvos finos que son
arrastradas por la corriente de aire de forma turbulenta hasta la parte inferior dando
lugar a la adhesioacuten y compactacioacuten
2 La variacioacuten de la presioacuten del sistema (vaciacuteo) presenta anomaliacuteas en la distribucioacuten de
aire trayendo consigo alto acarreo de polvos finos por lo que presenta depoacutesitos a las
paredes de la caacutemara de secado
3 La continua variacioacuten de las condiciones de operacioacuten afecta en la formacioacuten y crecimiento
de las partiacuteculas dando lugar al arrastre excesivo de polvos como del medio aglomerante
reflejando en el escaso o nulo crecimiento de la partiacutecula y por ende adhesioacuten a las
paredes
4 La concentracioacuten de azucares tiene efecto significativo en la pegajosidad
16 Justificacioacuten del Proyecto
Hoy en diacutea el control de los procesos de aglomeracioacuten bajo su contexto de granulacioacuten huacutemeda es
muy complejo al llevar a cabo diferentes mecanismos dentro de sistemas que manejan
transferencia de calor transferencia de masa mecaacutenica de fluidos y termodinaacutemica por
consiguiente dependen de las variables de operacioacuten la naturaleza de los soacutelidos y del liacutequido
ligante
El presente proyecto se realiza en una empresa de cafeacute soluble donde se lleva cabo el proceso de
aglomeracioacuten en la cual presenta problemas de pegajosidad de partiacuteculas finas a las paredes del
equipo y el rendimiento se ve afectado El proyecto es seguimiento de un estudio anterior en la
que se analizaron y estudiaron varios tipos de cafeacutes encontraacutendose que los mezclados
presentaban maacutes adhesioacuten que los puros por consiguiente se determinaron las condiciones
oacuteptimas de operacioacuten de acuerdo las especificaciones finales mediante el uso de graficas de
control sin embargo eso no detuvo la problemaacutetica ya que hasta la fecha sigue presenciaacutendose
Siendo necesario estudios maacutes a fondo basado en teacutecnicas experimentales o de modelos
matemaacuteticos para entender la interaccioacuten de una variable sobre el comportamiento
La finalidad de este proyecto es la optimizacioacuten de los paraacutemetros operacionales de las variables
del proceso que inciden en la anomaliacutea Para ello se emplearan herramientas estadiacutesticas (disentildeo
de experimentos) para la evaluacioacuten y determinacioacuten de los efectos de las variables de entrada
(factores) sobre una variable de salida (respuesta) y el balance de materia-energiacutea para el control y
la optimizacioacuten
8
17 Limitaciones y Alcances
Limitaciones
Se respetaran los lineamientos de la empresa por lo que los nombres de los productos a
estudiar seraacuten restringidos y su uso seraacute mediante letras o nuacutemeros
El tiempo de estudio comprenderaacute 3 meses por lo que simplemente se abarcaran los
tipos de cafeacute que se produzcan en ese lapso
Debido a que el proceso es continuo los operarios son los uacutenicos que tienen el control de
las condiciones del equipo por consiguiente se tomaran solo los paraacutemetros empleados
para cada tipo de producto y estas son las que se manejaran en el disentildeo experimental
Alcances
Determinacioacuten de los factores influyentes en la pegajosidad del cafeacute y optimizacioacuten de los
mismos
Control de los paraacutemetros operacionales
Implementacioacuten de acciones de mejora continuacutea para el sistema
18 La Empresa
Cafeacute Tostado de Exportacioacuten tiene su inicio el 13 de Mayo de 1972 en la Ciudad de Tuxtla
Gutieacuterrez Chiapas Es una empresa que pertenece al grupo SANROKE que actualmente se
encuentra ubicada en la ciudad de Coacuterdoba Veracruz Comenzoacute produciendo cafeacute tostado y
molido posteriormente inicia en el proceso de cafeacute soluble logrando obtener otros subproductos
del cafeacute soluble como el aglomerado lechero y capuchino Fue una de las primeras empresas en
su ramo en estar certificada por la norma ISO 90012008 Actualmente cuenta con certificaciones
de labor social medio ambiente calidad orgaacutenicas e inocuidad lo que refleja su cumplimiento de
los estaacutendares internacionales
Es una compantildeiacutea liacuteder por su firme compromiso con la calidad y la satisfaccioacuten del cliente
Sumando hasta el diacutea de hoy deacutecadas de experiencia y dedicacioacuten en la industria del cafeacute El
aumento del consumo de esta bebida en el mundo ha sido paralelo a su desarrollo econoacutemico
representando una gran oportunidad para encontrar nuevos socios y expandir sus actividades
demostrando al resto del mundo coacutemo la disciplina y el trabajo duro conducen al eacutexito
Misioacuten
Elaboracioacuten de productos de la maacutes alta calidad a traveacutes de la seleccioacuten de materia prima superior
y los maacutes altos estaacutendares de manufactura satisfaciendo el gusto de los consumidores generando
beneficios para los accionistas colaboradores clientes proveedores y comunidad en general
9
Visioacuten
Convertirse en liacutederes del mercado nacional y ampliar su presencia en el mercado extranjero con
productos de calidad insuperable con el mejor sabor que proporcione deleite y satisfaccioacuten a
quien los consuma
En cafeacute tostado de exportacioacuten para obtener cafeacute soluble granulado se llevan cabo varias
operaciones unitarias
Tostado se exponen los granos de cafeacute a un calentamiento en el cual provoca inicialmente
una liberacioacuten de agua ligada hasta alcanzar el calor deseado mantenieacutendolo en continuo
movimiento para asegurar un tostado completo del grano cuando finaliza el tostado el
cafeacute es enfriado y almacenado
Molienda y Extraccioacuten para la reduccioacuten del tamantildeo el cafeacute tostado requiere un corte
mediante una accioacuten de compresioacuten y friccioacuten para provocar partiacuteculas de tamantildeo y
forma adecuados Una vez molido se hace la extraccioacuten de solidos solubles aplicando agua
caliente para generar una infusioacuten que obtenga todo el sabor y aroma presente en los
granos
Centrifugacioacuten y evaporacioacuten mediante una maacutequina de fuerza centriacutefuga se elimina la
mayor parte de los residuos que quedan de la extraccioacuten Posteriormente el extracto
liacutequido obtenido entra en la evaporacioacuten donde se elimina la mayor parte de agua y el
producto queda concentrado
Secado el liacutequido es secado mediante un secador por aspersioacuten en una corriente de aire
caliente donde las gotitas finamente al contacto con el calor evaporan el agua
convirtieacutendose en polvo esfeacuterico instantaacuteneo
Aglomeracioacuten es la operacioacuten designada para la formacioacuten de partiacuteculas de mayor
tamantildeo operando sobre la base de re-humidificacioacuten de la superficie del polvo de cafeacute con
vapor de agua en una atmoacutesfera turbulenta de aire caliente de manera que al colisionar
las partiacuteculas entre siacute los finos se adhieren a los gruesos formaacutendose los aglomerados
La variedad de presentaciones y la calidad de sus producto han permitido permanecer en el gusto
del puacuteblico contando con sus tradicionales cafeacutes tostados y molidos los praacutecticos cafeacutes solubles
aglomerados y ahora liofilizado caacutepsulas de cafeacute expreso teacute de cafeacute verde y crema untable
Caferetas Actualmente es liacuteder en el mercado internacional del cafeacute instantaacuteneo liacuteder local y
regional de cafeacute soluble granulado bajo el nombre de cafeacute ldquoLos Portales de Coacuterdoba ldquo
10
CAPIacuteTULO 2 METODOLOGIacuteA
21 Eleccioacuten de los factores y los niveles
Los factores seraacuten las condiciones de operacioacuten del equipo aglomerador de las cuales se
seleccionaran solo las que tengan maacutes impacto en la formacioacuten del granulo y posible influyente en
el problema los niveles estaraacuten definidos como altos y bajos
22 Seleccioacuten de la variable de respuesta
La variable de respuesta estaacute definido como las caracteriacutesticas fisicoquiacutemicas del producto final color densidad humedad dureza y porcentaje de aglomerado pero solo se seleccionaraacuten dos de ellas Tambieacuten se contemplara como respuesta el porcentaje de adhesioacuten
23 Eleccioacuten del disentildeo experimental
La eleccioacuten del disentildeo implicara la consideracioacuten del tamantildeo de la muestra (nuacutemero de reacuteplicas)
El intereacutes se centrara en identificar queacute factores causan esta diferencia y en estimar la magnitud
del cambio de la respuesta Por lo que pueden utilizarse uno o maacutes disentildeos experimentales de
acuerdo a las variables manejadas las cuales pueden ser factorial por bloques completamente al
azar y superficie de respuesta
24 Realizacioacuten del disentildeo de experimentos
Una vez seleccionado el o los disentildeos se ejecutaran para obtener los valores de las respuestas para
la cuales se contara con el apoyo de aacuterea de control de calidad quien proporcionara esta
informacioacuten asiacute como tambieacuten la ayuda de los operarios quienes son los expertos en manejar las
condiciones del equipo Los datos obtenidos se ingresaran a un programa estadiacutestico para
determinar los efectos y obtener las graacuteficas
25 Monitoreo de los flujos de aire humedad relativa y presioacuten del sistema
Se haraacute un monitoreo en los flujos de aire humedad relativa y presioacuten del sistema en lapso de
tiempo adecuado para evaluar el comportamiento de estas variables los datos se registraran en
Excel para la elaboracioacuten de graacuteficas
26 Anaacutelisis de datos
En esta fase se utilizaran programas estadiacutesticos para analizar y comparar los datos a fin de
determinar que los resultados y las conclusiones sean objetivos Se aplicara un anaacutelisis de varianza
11
(anova) la cual puede ser de un solo factor o multifactorial con niveles de significancia
dependiendo del tipo de disentildeo y con ello se haraacute la prueba de hipoacutetesis
27 Anaacutelisis de los efectos de los paraacutemetros operacionales
El anaacutelisis de los efectos de los paraacutemetros operacionales (factores) sobre la variable de
respuesta se efectuara mediante las graacuteficas de interaccioacuten y las graacuteficas de efectos normales que
se obtendraacuten en el software estadiacutestico con la finalidad de determinar coacutemo afecta cada factor
en el comportamiento de una propiedad caracteriacutestica del granulo
28 Aplicacioacuten del balance de materia y energiacutea
Para realizar este caacutelculo primero se haraacuten las conversiones de flujo de aire de velocidad angular a
velocidad lineal para posteriormente calcular el caudal del aire que pasa por los conductos asiacute
mismo se calculara el volumen de la caacutemara de secado y la base conicaEl uso de la carta
psicomeacutetrica seraacute de gran importancia para determinar la humedad absoluta del aire las
eficiencias teacutermicas y la temperatura de saturacioacuten adiabaacutetica Para la entalpia del aire se
utilizaran foacutermulas adecuadas de termodinaacutemica Las formulas del balance de materia y energiacutea
que se utilizara seraacute las establecidas para secadores por aspersioacuten Una vez reunido los valores se
sustituiraacuten para obtener los correspondientes la variable que se necesita encontrar es la cantidad
de humedad relativa y el calor en la salida de la caacutemara de secado
29 Optimizacioacuten del proceso
La optimizacioacuten del proceso se efectuaraacute de acuerdo a los resultados de los monitoreos del flujo
de aire humedad relativa los efectos obtenidos en el disentildeo de experimentos y sobre todo los
caacutelculos de balance de materia ndashenergiacutea
12
CAPIacuteTULO 3 DESARROLLO DEL PROYECTO
31 Equipo experimental
El equipo experimental utilizado fue un secador por aspersioacuten con lecho fluido integrado (Anexo1)
que consta de una caacutemara de secado proyectado sobre una base coacutenica mediante la cual una
corriente de aire caliente es suministrado por un ventilador de entrada creando una atmosfera
turbulenta donde los polvos finos entran en contacto con vapor de agua y mediante el secado se
forman los aglomerados este equipo maneja varias condiciones de operacioacuten que le dan las
caracteriacutesticas al producto Las herramientas estadiacutesticas empleados fueron Excel para el anaacutelisis
de varianza y prueba de hipoacutetesis del disentildeo por bloques al azar minitab para el anaacutelisis de los
efectos de los factores sobre la variable de respuesta y stargrapics para el anaacutelisis de varianza del
segundo disentildeo experimental
32 Monitoreos
Se hizo un monitoreo en los flujos de aire de entrada flujo de salida el vaciacuteo del sistema y la
humedad relativa del aire en un lapso de 5 horas diarias por 10 lotes de produccioacuten evaluando
tambieacuten la adhesioacuten en cada uno de ellos se registraron los datos en Excel mediante estos datos
se elaboroacute una graacutefica de dispersioacuten para ver el comportamiento de estas variables
33 Disentildeo de experimentos
Se utilizoacute un disentildeo de bloques completamente al azar en la cual los tratamientos fueron la
concentracioacuten de azucares con respuesta de porcentaje de adhesioacuten Cabe mencionar que cada
tratamiento indica un tipo de producto por su concentracioacuten
Tabla 1 Tratamientos del disentildeo por bloques al azar
TRATAMIENTO CONCENTRACION
A 0
B 5
C 10
D 15
F 17
Se formularon dos hipoacutetesis
H0=La concentracioacuten de azucares no tiene efecto en la pegajosidad de los polvos finos si F es
menor o igual a la F tabulada
13
H1=La concentracioacuten de azucares tiene efecto significativo si F de Fisher es mayor que la F
tabulada
Se utilizoacute un disentildeo factorial 23 para determinar el efecto de tres condiciones de operacioacuten
(factores) las cuales fueron velocidad de aire temperatura de entrada y temperatura de salida con
dos niveles teniendo como respuestas la dureza del granulo para 5 tipos de cafeacute soluble
Tabla 2 Factores y niveles del Disentildeo factorial 23
TIPOS FACTORES NIVEL BAJO NIVEL ALTO RESPUESTAS
Cafeacute soluble
ABCDF
Temperatura de entrada
217 227 220 212
235 231 236 228
Dureza
Temperatura de salida
133 139 137 134
135 142 138 135
Velocidad de aire
800 849 690 975
1000 850 950 1050
Tambieacuten se empleoacute un disentildeo factorial de 23 para determinar los efectos de tres factores No
Criba del molino de martillos con nivel de 33-55 la presioacuten de vapor con nivel de 15-20 y la
temperatura de producto nivel de 30-35 las respuestas que se eligieron para este disentildeo fue la
dureza del granulo y el porcentaje de aglomerado este experimento se inicioacute empleado la
herramienta estadista minitab en la cual se ingresaron estos factores con sus niveles arrojando 8
corridas por las combinaciones
Tabla 3 Corridas experimentales del disentildeo 23
Factores
corridas Presioacuten de
vapor
NoCriba Temperatura de
partiacutecula
1 15 33 30
2 2 33 30
3 15 54 30
4 2 54 30
5 15 33 35
6 2 33 35
7 15 54 35
8 2 54 35
14
34 Realizacioacuten del disentildeo de experimentos
Para la ejecucioacuten del disentildeo de experimentos se siguioacute con el programa de produccioacuten iniciando
con el disentildeo por bloque completamente al azar la cual se llevoacute en la aglomeracioacuten de 5 tipos de
cafeacute con diferentes concentraciones mencionadas anteriormente desde el arranque del equipo en
la cual los soacutelidos finos iniciales que se cargaron fueron un cafeacute A sin concentracioacuten
posteriormente se cambioacute a los siguientes tipos (BCDF) las condiciones operativas del equipo
estuvieron de la siguiente manera temperaturas de entrada de 190 a 230 temperatura de salida
de 100-140 y velocidad de aire de 600 a 1000 rpm Cada vez que se haciacutea un cambio de producto
se sacoacute la cantidad de solidos finos adheridos de la siguiente manera
(Cantidad alimentada x 98 de rendimiento fijo)- (Cantidad producida)
Mediante esta foacutermula se obtuvo el porcentaje de cada tipo de cafeacute retenido en la base coacutenica
Cantidad adherida x 100
Cantidad alimentada
Los datos quedaron registrados en la tabla 4 donde cada repeticioacuten indica un lote de produccioacuten
diferente
Tabla 4Disentildeo de bloques completamente al azar
REPETICIONES
TRATAMIENTOS I II III
A 625 6033 702
B 1071 859 12
C 7015 6033 927
D 583 95 892
F 992 704 859
G 113 853 905
El primer disentildeo factorial se llevoacute a cabo en la aglomeracioacuten de 4 tipos de cafeacute soluble en la cual
se monitoreo la interaccioacuten de cada factor de acuerdo a los niveles establecidos sobre la respuesta
y se registraron los resultados Las partiacuteculas finas teniacutean las siguientes propiedades iniciales
Densidad 180-210 grcm3
Color 72-84
Humedad 2 a 35
15
Los resultados de los anaacutelisis fisicoquiacutemicos (dureza) fueron proporcionados por el aacuterea de control
de calidad estos datos se ingresaron en minitab y se hizo el anaacutelisis factorial obteniendo las
graacuteficas de interaccioacuten asiacute como tambieacuten la significancia de los efectos
El segundo disentildeo factorial se llevoacute cabo en la aglomeracioacuten de un lote de cafeacute soluble regular con
las siguientes propiedades
Color 72-85
Humedad 2-35
Densidad 190-210
La duracioacuten del lote fue de 10 horas el equipo empleo una velocidad de aire entrada de 900 rpm
con temperatura de 220degc y una velocidad de aire salida de 1765 rpm con temperatura de 135 degC
Se recibioacute ayuda por parte de los operarios para las combinaciones y cada vez que esta se
ejecutaba se tomoacute muestras de 10 grs y se llevoacute a control de calidad para los anaacutelisis de dureza y
porcentaje de aglomerado por cada corrida finalizando este experimento se registraron todos los
resultados en minitab y se hizo el anaacutelisis del disentildeo para las significancias de los factores cabe
mencionar que mediante este programa se obtuvieron las graacuteficas de interaccioacuten
35 Anaacutelisis de datos
Para determinar cualitativamente el efecto de los paraacutemetros del proceso en la aglomeracioacuten de
las partiacuteculas de cafeacute soluble se aplicoacute un anaacutelisis de varianza (ANOVA) con un nivel de
significancia α del 5 a los resultados experimentales La dureza y el porcentaje de
aglomerado se seleccionaron como paraacutemetro de respuestase utilizo el programa de stargrapics
para el anaacutelisis
36 Balance de materia energiacutea
Para el balance de materia y energiacutea primero se hicieron las conversiones de la velocidad angular
del aire de entrada y salida (rpm) a velocidad lineal (ms) empleando la foacutermula
(1rpm) (2π rad)60 x (radio) Asiacute como el caacutelculo del volumen de la caacutemara de secado (anexo 3)
El caacutelculo del caudal de aire de entrada se realizoacute empleando la foacutermula
119876 = 119881 119878
Donde
V=velocidad lineal del aire (ms)
S=aacuterea de la seccioacuten trasversal (m2)
El radio de la seccioacuten transversal para ventilador de entrada fue 0335 y la de salida de 0195
Se sacaron las eficiencias teacutermicas del equipo de la siguiente manera
16
Eficiencia teacutermica global= (11987911198792
1198792119879119900)
Eficiencia de evaporacioacuten= (1198791 1198792
1198791 119879119904119886119905)
Para determinar las temperaturas de saturacioacuten adiabaacutetica (TSAT) y (T0) se utilizoacute la carta psicomeacutetrica (Anexo 2) El balance quedo estructurada de la siguiente forma
Figura 1 Diagrama de flujo del aglomerador
Donde FS1=masa del solido seco (kg)
Ga flujo de aire (kgh)
Ws=contenido de humedad del alimento (kg agua kg solido seco)
Ta=temperatura de entrada
Ta1=temperatura de salida
Ta2=temperatura de solidos
Ga1=flujo de aire entrada
Ga2=flujo salida de aire
H1= humedad relativa del aire entrada
H2=humedad relativa del aire salida
El balance del sistema sin peacuterdidas ni acumulacioacuten quedo de la siguiente manera
FS WS1 +Ga Ha1 = FS WS2 +Ga Ha2
17
Mientras que el balance de energiacutea
FS QS1+ Ga Qa1 = FS QS2 +Ga Qa2 +QL
Donde qs1 y qs2 son las entalpiacuteas del soacutelido entrando y saliendo del secador (KJKg) qa1 y qa2 son
las entalpiacuteas del aire entrando y saliendo del secador (KJKg) qL es el calor perdido (KJ)
El balance con respecto a la humedad se determinoacute mediante la siguiente formula
GH2 LS X1 GH1 LS X2
Donde
GH2= flujo de aire
Ls = flujo de alimentacioacuten
X1= humedad de los soacutelidos iniciales
La entalpia de la salida de aire se calculoacute mediante la foacutermula
HG C2 (TG T0) H
Donde
TG= Temperatura del aire
T0= Temperatura saturacioacuten
H=Entalpia del solido seco
37 Optimizacioacuten
La optimizacioacuten del proceso se llevoacute a cabo en el control de los factores incidentes en la cual se establecieron los rangos a utilizar esto derivado de los caacutelculos de balance y lo obtenido de los efectos en el disentildeo experimental los operarios se apegaron a estas condiciones con sus respectivos rangos y lo llevaron a cabo durante 8 lotes de produccioacuten en ese lapso de tiempo se evaluoacute el comportamiento del rendimiento se registraron los datos y se graficaron
18
CAPIacuteTULO 4 RESULTADOS Y CONCLUSIONES
41 Resultados
Anaacutelisis de efectos disentildeo factorial No1
Figura 2Grafica de efectos normales para el cafeacute soluble ABCD
En la figura 2 se observa la distribucioacuten de los factores A B C para los 4 tipos de cafeacute en la cual la
temperatura de entrada tiene efecto significativo en la dureza con una significancia del 92
mientras que los demaacutes factores no presentaron efectos significativos aunque tambieacuten influyen en
una combinacioacuten para dar la caracteriacutestica fisicoquiacutemica
19
Figura 3Grafica de interaccioacuten para cafeacute
soluble A
Figura 4 Grafica de interaccioacuten para cafeacute
soluble B
Figura 5Grafica de interaccioacuten para cafeacute soluble
C
Figura 6Grafica de interaccioacuten para cafeacute
soluble D
En las figuras 3 4 5 y 6 se muestran el comportamiento de la dureza de acuerdo a los factores
manejados para los cuatro tipos de cafeacute y en cada una de ella se aprecia que los niveles menores
de la temperatura de salida con la temperatura de entrada dieron una dureza igual y por debajo
de 10 asiacute mismo en el factor de velocidad de aire tambieacuten tuvo un comportamiento con niveles
menores Cabe mencionar que ninguna de las combinaciones obtuvo una dureza optima por lo
que se determinoacute que el incremento en la temperatura de salida aumenta la dureza obteniendo
un granulo maacutes fraacutegil
20
Anaacutelisis del disentildeo factorial No2
Figura 7Grafica de efectos normales para
dureza del cafeacute regular
Figura 8Grafica de efectos principales para dureza
del cafeacute regular
En las figuras 7 y 8 se observa que el No de criba tiene efecto significativo sobre la dureza es decir
entre menor abertura tenga la criba la dureza es mucho menor los graacutenulos son maacutes resistentes
mientras que entre mayor sea la abertura los graacutenulos son maacutes fraacutegiles (dureza alta) cabe
mencionar que la mejor dureza obtenida fue con el nuacutemero de malla 33 la presioacuten de vapor de
15 y la temperatura de partiacutecula de 30deg c
Figura 9 Grafica de efectos normales para
porcentaje de aglomerado del cafeacute regular
Figura 10Grafica de interaccioacuten para porcentaje
de aglomerado del cafeacute regular
21
En las figuras 9 y 10 se observa que la temperatura del producto el nuacutemero de criba tiene efecto
significativo sobre el porcentaje de aglomerado entre mayor es el nivel el porcentaje de
aglomerado disminuye determinado que hay maacutes cantidad de polvos finos asiacute mismo si el nivel
de los factores es bajo el porcentaje incremente constantemente Por lo que el comportamiento
del graacutenulo se acopla al incremento o disminucioacuten de estas variables
Monitoreos
Figura 11Grafica de dispersioacuten de la presioacuten del sistema
Figura 12 Grafica del vaciacuteo vs porcentaje de adhesioacuten
En las figuras 11 y 12 se observa el comportamiento del vaciacuteo con las variaciones de aire de
entrada Cabe mencionar que el sistema empleo una sola salida de aire de 1765 rpm Durante los
monitoreos los productos presentaron pegajosidad con entradas de aire menores a 900 rpm
mientras tanto de 1000 a 1150 rpm los productos no presentaron pegajosidad Lo mismo sucedioacute
en el comportamiento del vaciacuteo del sistema para la cual la pegajosidad aumenta y el rendimiento
disminuye con respecto al incremento del vaciacuteo Por lo que esta variable es el factor determinante
y con ello se prueba la hipoacutetesis que la variacioacuten en la presioacuten del sistema genera un arrastre
excesivo de polvos y la humedad no se elimina lo suficiente
120011001000900800700600
08
07
06
05
04
velocidad de entrada( Rpm)
vacio
del
sis
tem
a (
inh
20
)
Graacutefica de dispersioacuten de vacio del sistema vs velocidad de entrada
0
2
4
6
8
10
12
14
0 02 04 06 08 1
D
E A
DH
ESIO
N
VACIO DEL SISTEMA IN H20
22
Figura 13 Graacutefico de humedad relativa del aire
En la figura 13 se aprecia que la humedad relativa del aire inicialmente fue de 66 que
incrementoacute durante los siguientes diacuteas pero fue disminuyendo hasta llegar al 50 Esto debido a
los cambios climaacuteticos cabe mencionar que el equipo no cuenta con un filtrador para retirar el
porcentaje de agua del aire por lo que esta ingresa directamente a la caacutemara de secado siendo
una variable maacutes influyente en la adhesioacuten de los polvos finos
Anaacutelisis de datos
Tabla 5 Anaacutelisis de varianza de dos factores con una sola muestra por grupo
RESUMEN Cuenta Suma Promedio Varianza Fila 1 3 19303 643433333 026902633
Fila 2 3 313 104333333 296443333 Fila 3 3 22318 743933333 275458633 Fila 4 3 2425 808333333 389223333 Fila 5 3 2555 851666667 207763333 Fila 6 3 2888 962666667 216763333
Columna 1 6 51025 850416667 582740417 Columna 2 6 45726 7621 21353864 Columna 3 6 5485 914166667 260997667
Origen de las variaciones
Suma de cuadrados
Grados de libertad
Promedio de los cuadrados F Probabilidad
Valor criacutetico para
F Tratamientos 316103776 5 632207552 297461023 006699316 332583453
Bloques 699763344 2 349881672 164623405 024097493 410282102
Graacutefico de humedad realtva vs lote
0 3 6 9 12 15
lote
50
54
58
62
66
70
74
hu
med
ad
realt
va
23
Error 212534586 10 212534586
Total 598614696 17
En la tabla 5 se muestra el anaacutelisis de varianza de del disentildeo por bloques completamente al azar
de las diferentes concentraciones de azuacutecar por cada tipo de producto Dado que el f de Fisher es
menor que la f tabulada indica que no hay diferencias significativas por lo que se acepta la
hipoacutetesis nula la concentracioacuten de azucares no tiene efecto significativo en la adhesioacuten del cafeacute
ya que la mayoriacutea tuvo un porcentaje de adhesioacuten alta en las tres repeticiones cabe mencionar
que el producto A sin concentracioacuten tambieacuten tuvo adhesioacuten en la suma de cuadrados por bloques
tampoco hubo diferencias significativas
Tabla 6 Anaacutelisis de Varianza para dureza - Suma de Cuadrados Tipo III
Fuente Suma de Cuadrados
Gl Cuadrado Medio
Razoacuten-F Valor-P
EFECTOS PRINCIPALES
APRESION DE VAPOR 005445 1 005445 006 08164
BTAMANtildeO DE PARTICULA 121525 1 121525 1372 00208
CTEMPERATURA DE PARTICULA 471245 1 471245 532 00823
RESIDUOS
354305 4 0885763
TOTAL (CORREGIDO) 204624 7
La tabla 6 muestra el anaacutelisis de varianza del disentildeo factorial en la cual se descompone la
variabilidad de dureza en contribuciones debidas a varios factores Puesto que se ha escogido la
suma de cuadrados Tipo III (por omisioacuten) la contribucioacuten de cada factor se mide eliminando los
efectos de los demaacutes factores Los valores-P prueban la significancia estadiacutestica de cada uno de los
factores Puesto que un valor-P es menor que 005 este factor tiene un efecto estadiacutesticamente
significativo sobre dureza con un 950 de nivel de confianza
24
Figura 14Grafico anova para dureza
En la figura 14 se muestra el grafico anova y se observa la distribucioacuten de la respuesta para los
factores en la cual todas las razones-F se basan en el cuadrado medio del error residual La
mayoriacutea presenta distribucioacuten anova con el valor p mayor a 05 sin embargo para el factor tamantildeo
de partiacutecula el valor es menor a 05 con significancia
Balance de energiacutea
En el balance de materia y energiacutea se obtuvo que la humedad en la salida aglomerado es del 73
cuando hay una entrada de aire de 1550 m3 s con 50 de humedad relativa a una temperatura
de 230degc necesita 1730 KJ kg de calor con una cantidad de aire seco de 2600 kg h para sistema
adiabaacutetico sim embargo el aglomerador no es de este tipo de sistema por lo que se evaluoacute en un
graacutefico psicomeacutetrico (anexo1) encontraacutendose
El aire se calienta a humedad constante (To -T1) Si la caacutemara estuviera aislada y toda la energiacutea
posible se utilizara el aire se enfriariacutea adiabaacuteticamente y la temperatura miacutenima a alcanzar seriacutea la
de bulbo seco de saturacioacuten (Tsat) En realidad la caacutemara no estaacute aislada y no se sigue un
enfriamiento adiabaacutetico El aire sale a una temperatura T2 (ni estaacute saturado ni el proceso es
adiabaacutetico) debido a la baja relacioacuten aire-producto Si el proceso fuera adiabaacutetico saldriacutea a T2
(proceso adiabaacutetico y masas iguales de aire y producto)
ANOVA Graacutefico para DUREZA
-25 -15 -05 05 15 25
Residuos
PRESION DE VAPOR P = 0816415 2
TAMANtildeO DE PARTICULA P = 0020833 54
TEMPERATURA DE PARTICULA P = 0082330 35
25
Optimizacioacuten
De acuerdo a los caacutelculos de balance de materia los flujos de aire de 900 pm a 1100 rpm con una
salida de 1765 rpm mantienen el calor necesario para eliminar la humedad por lo que estas
variables son las que se implementaron y controlaron para la aglomeracioacuten de los diversos
productos
Figura 15 Grafica de rendimientos con flujo de aire de 900 rpm a 1100 rpm
En la figura 15 se observa el comportamiento del rendimiento con las condiciones aire manejadas
que mantuvieron un vaciacuteo de 04 y 05 inicialmente el rendimiento no fue favorable debido a la
humedad relativa sin embargo en los siguientes lotes el rendimiento se mantuvo del 94
mejorando en los siguientes diacuteas al 97 siendo favorable con ello el porcentaje de adhesioacuten
disminuyo al 3 con estas condiciones la caracteriacutestica de porcentaje de aglomerado incremento
al rango oacuteptimo
La optimizacioacuten de las variables de temperatura de salida y tamantildeo de criba consistioacute en la
reduccioacuten de sus rangos de operacioacuten para la cual la dureza mejoroacute apegaacutendose al rango oacuteptimo
925
93
935
94
945
95
955
96
965
0 2 4 6 8 10 12 14
Ren
dim
ien
to
lote
26
42 Conclusiones
Mediante el disentildeo experimentos se encontroacute que el aumento de dos factores temperatura de
salida y el tamantildeo de partiacutecula influyen en el bajo porcentaje de aglomerado y el incremento en la
dureza por que el granulo aglomerado presenta fragilidad y una cantidad de polvos finos Asiacute
mismo con el disentildeo por bloques se determinoacute que la concentracioacuten de azuacutecares de los cafeacutes no
tiene efecto significativo tomando como muestra patroacuten un producto sin concentracioacuten que
tambieacuten presento adhesioacuten en las tres repeticiones Durante el monitoreo se observoacute que los
soacutelidos aglomerados a condiciones de bajo vaciacuteo con humedad relativa del aire baja no
presentaban ninguacuten problema de adhesioacuten mientras que los producto a condiciones de vaciacuteo alto
con humedades por encima de 60 presentaban mayor adhesioacuten en balance de materia se
observoacute que una humedad relativa alta en la salida del equipo necesita mayor calor y cantidad de
aire de entrada para ser eliminado asiacute mismo mediante las eficiencias teacutermicas se evaluoacute el
sistema en una carta psicomeacutetrica y se determinoacute que hay perdida calor en la caacutemara de secado
al no ser adiabaacutetico por lo que la optimizacioacuten del proceso solo fue parcial enfocaacutendose solo a
condiciones del aire de entrada y salida en la que el rendimiento mejoro en un promedio del 96
43 Trabajos Futuros
Derivado al balance y los caacutelculos la humedad relativa es un factor importante en la adhesioacuten del
producto es por ello que el proyecto tiene continuidad en la implementacioacuten de un desumificador
de aire para que el sistema tenga una inyeccioacuten de aire seco el aislamiento (encamisado) de la
caacutemara de secado para evitar pedidas del calor tambieacuten y la determinacioacuten de nuevas condiciones
de operacioacuten debido a los cambios en los flujos aire
44 Recomendaciones
De acuerdo al estudio realizado mediante el disentildeo factorial se determinoacute que la variacioacuten de la
entrada de aire afecta la presioacuten del sistema por lo que se recomienda manejar una sola condicioacuten
de aire para cada producto con respecto a la velocidad de salida ya que el sistema necesita
mantener el equilibrio de las corrientes de aire para que el calor sea necesario y elimine toda la
humedad posible del vapor de agua para evitar que se concentre en la base coacutenica asiacute mismo la
alimentacioacuten de los soacutelidos finos debe tener propiedades caracteriacutesticas oacuteptimas para evitar la
variacioacuten de las condiciones
27
ANEXOS Anexo 1 Equipo aglomerado
Salida de aire
Base coacutenica
Caacutemara de
secado
Lecho
fluidizado
Entrada de
aire caliente
Separador
cicloacutenico
Zona de aspersioacuten de
solidos secos y vapor
de agua
28
Anexo 2 Carta psicomeacutetrica
Fuente Spray Drying Handbook (Masters 1991)
29
Anexo 3 Caacutelculos de velocidad lineal caudales de aire y volumen del equipo
1765 rpm (2πrads)(042)=7763 ms
600 rpm (2πrads)(030) =2638 ms
700 rpm (2πrads)(030)=3078 ms
800 rpm (2πrads)(030) =3518 ms
900 rpm (2πrads)(030) =3965 ms
1000 rpm (2πrads)(030) =4348 ms
1150 rpm (2πrads)(030)=5057ms
Caudal para las diferentes velocidades lineales
1) Q=VS
Q=2638 ms (π 00335m) 2
Q=930 m3s
2) Q=VS
Q=3078ms (π 00335m) 2
Q=1085m3s
3) Q=VS
Q=3518 ms (π 00335m) 2
Q=1240 m3s
4) Q=VS
Q=4348 ms (π 00335m) 2
Q=1550 m3s
5) Q=VS
Q=5057ms (π 00335m) 2
Q=2002 m3s
6) Q=VS
Q=7763 ms (π 0195 m) 2
Q=3708 m3s
30
Velocidad angular de aire (rpm) Caudal (m3s)
600 rpm 93
700 1085
800 1240
1000 1550
1150 2002
1765 3708
Caudales de aire de entrada y salida
Volumen de la caacutemara de secado
V= ℎ1205871199032
v=97 π (21m)
v=140844 m3
V= ℎ1205871199032
v= (09m) (π 21m)
v=2420 m3
Volumen de la base coacutenica
119907 =π r2 h
3
119907 =π (291) lowast 59
3
V=52313 m3
Volumen total del equipo =21734 m3
582 m
59m
582 m
09 m
43m
97 m
31
Anexo 3Caacutelculos de balance de materia y energiacutea
Se determina la velocidad de flujo de aire y la humedad de salida del aglomerador suponiendo
que no hay peacuterdidas de calor en el secador el balance inicia con la alimentacioacuten de 300 kg de
soacutelidos secoh que contienen 0035 kg de humedad totalkg de soacutelido seco hasta un valor de 0002
kg de humedad totalkg de soacutelido seco El polvo fino a granular entra a 35 ordmC y se desea
descargarlo a 32 ordmC El soacutelido seco tiene una capacidad caloriacutefica de 1465 kJkgK que se supone
constante El aire de calentamiento entra a 230 ordmC y con humedad de 0060 kg H2Okg de aire
seco y debe salir a 130
Balance de materia con respecto a la humedad
GH2 LS X1 GH1 LS X2
Reemplazando valores
(060) + 300 (0035)= GH1+ 300 (0002)
El balance de calor para el secador es
GHG2 LS HS1 GHG1 LS HS2 Q
Se calcula la entalpiacutea del aire de entrada HG1
Aglomerador
G1=
TG1=230
H2=
LS=300 KGSh
TS1=35
X1=0035
G2=
TG2=130
H2=060
Ts 2=378
X2=0002
Q
32
HG1=CS 1005188H 1005188(060)
HG1 CS (TG1 T0 ) H
HG1= CS 230 - 0 + 0060(2501) 17306 KJ Kg aire seco
Se calcula la entalpiacutea del aire de salida HG2
C21005188H 1005188 H1
HG1 CS (TG2 T0 ) H
HG1= (1005 + 188 H1 )130 - 0 + H1 (2501)
HG1=130 + 27454 H1
Se calcula las entalpiacuteas de los soacutelidos
HS1 CP S (TS1 T0) X1 CP A ( TS1 T0)
HS1 1465(35 0) 0035 (4187)(35 0) 5713 kJ kg
HS2 CP S (TS2 T0) X2 CP A ( T2 T0)
HS2 1465 (32 ndash 0 ) + 0002(4187)(32 0)=4714 KJ Kg
Reemplazando en el balance de energiacutea
G (17306)+ 300(5713) = G (130 + 27454 H1)+ 300(4714) + 0
G=2600 Kg aire seco por hora
Resolviendo conjuntamente con el balance de materia
G (060) + 300 (0035)= GH1+ 300 (0002)
2600(060) + 105 = 2600 H1 +06
H1=2600(060) +105 + 060 2600
H1=07427 Kg agua kg aire seco
33
Anexo 4Calculo de eficiencias teacutermicas
Datos
T = 230
Ts =147
T0= 30
T sat=45
Eficiencia teacutermica global
Ntermica global= 1198791minus1198792
1198792minus1198790 X 100
Ntermica global = 230minus147
230minus30 100 =415
Eficiencia de evaporacioacuten
Nevaporacion=1198791minus1198792
1198791minus119879119904119886119905
Nevaporacion = 230minus147
230minus45 100 =4486
34
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Waldie B (1991) Growth mechanism and the dependence of granule size on drop size in
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Wolfgang B P (2008) Agglomeration Processes Weinheim Phenomena Technologies
Equipment
[Escriba aquiacute] [Escriba aquiacute]
Tabla de contenido
AGRADECIMIENTOS
RESUMEN
CAPIacuteTULO 1 INTRODUCCIOacuteN 1
11 Estado del Arte 2
12 Planteamiento del Problema 6
13 Objetivos 6
13 Definicioacuten de variables 6
15 Hipoacutetesis 7
16 Justificacioacuten del Proyecto 7
17 Limitaciones y Alcances 8
18 La Empresa 8
CAPIacuteTULO 2 METODOLOGIacuteA 10
21 Eleccioacuten de los factores y los niveles 10
22 Seleccioacuten de la variable de respuesta 10
23 Eleccioacuten del disentildeo experimental 10
24 Realizacioacuten del disentildeo de experimentos 10
25 Monitoreo de los flujos de aire humedad relativa y presioacuten del sistema 10
26 Anaacutelisis de datos 10
27 Anaacutelisis de los efectos de los paraacutemetros operacionales 11
28 Aplicacioacuten del balance de materia y energiacutea 11
29 Optimizacioacuten del proceso 11
CAPIacuteTULO 3 DESARROLLO DEL PROYECTO 12
31 Equipo experimental 12
32 Monitoreos 12
33 Disentildeo de experimentos 12
34 Realizacioacuten del disentildeo de experimentos 14
[Escriba aquiacute] [Escriba aquiacute]
35 Anaacutelisis de datos 15
36 Balance de materia energiacutea 15
37 Optimizacioacuten 17
CAPIacuteTULO 4 RESULTADOS Y CONCLUSIONES 18
41 Resultados 18
42 Conclusiones 26
43 Trabajos Futuros 26
44 Recomendaciones 26
ANEXOS 27
Anexo 1 Equipo aglomerado 27
Anexo 2 Carta psicomeacutetrica 28
Anexo 3 Caacutelculos de velocidad lineal caudales de aire y volumen del equipo 29
Anexo 3Caacutelculos de balance de materia y energiacutea 31
Anexo 4Calculo de eficiencias teacutermicas 33
BIBLIOGRAFIacuteA 34
[Escriba aquiacute] [Escriba aquiacute]
Iacutendice de tablas
Tabla Descripcioacuten Pagina
1 Tratamientos del disentildeo por bloques al azar 12
2 Factores y niveles del Disentildeo factorial 23 13
3 Corridas experimentales del disentildeo 23 13
4 Disentildeo de bloques completamente al azar 14
5 Anaacutelisis de varianza de dos factores con una sola muestra por grupo 23
6 Anaacutelisis de Varianza para dureza - Suma de Cuadrados Tipo III 23
Contenido de figuras
Figura Descripcioacuten Pagina
1 Diagrama de flujo del balance del aglomerador 16
2 Grafica de efectos normales para el cafeacute soluble ABCD 18
3 Grafica de interaccioacuten para cafeacute soluble A 19
4 Grafica de interaccioacuten para cafeacute soluble B 19
5 Grafica de interaccioacuten para cafeacute soluble C 19
6 Grafica de interaccioacuten para cafeacute soluble D 19
7 Grafica de efectos normales para dureza del cafeacute regular 20
8 Grafica de interaccioacuten para dureza del cafeacute regular 20
9 Grafica de efectos normales para porcentaje de aglomerado 20
10 Grafica de interaccioacuten para porcentaje de aglomerado del cafeacute regular 20
11 Grafica de dispersioacuten de la presioacuten del sistema 21
12 Grafica del vaciacuteo vs porcentaje de adhesioacuten 21
13 Graacutefico de humedad relativa del aire 22
14 Grafico anova para dureza 24
15 Grafica de rendimientos con flujo de aire de 900 rpm a 1100 rpm 25
1
CAPIacuteTULO 1 INTRODUCCIOacuteN
Los procesos de aglomeracioacuten han existido desde hace varios antildeos con el fin de acondicionar
fiacutesicamente diferentes tipos de materiales y para diferentes propoacutesitos como es el caso de la
palatizacioacuten del mineral de hierro que es realizada en las siderurgiasPor su parte en la industria
farmaceacuteutica y en la produccioacuten de algunos alimentos como el cafeacute soluble los productos laacutecteos
entre otros la aglomeracioacuten de partiacuteculas finas tiene gran aplicacioacuten ya que permite obtener
graacutenulos de mayor tamantildeo con una estructura de poros abiertos a fin de poder absorber liacutequidos
y facilitar la dispersioacuten inmediata lo permite obtener un producto de alta dispersabilidad fluidez
segregacioacuten densidad fragilidad etc (Wolfgang 2008)
La aglomeracioacuten es un proceso que promueve el incremento de tamantildeo del soacutelido (graacutenulo)
mediante la adhesioacuten de partiacuteculas pequentildeas (soacutelidos finos) sobre otra partiacutecula de mayor tamantildeo
por la accioacuten de un liacutequido ligante en un sistema que presentan dos zonas la zona de aspersioacuten
que es el aacuterea donde el liacutequido aglomerante tiene el primer contacto con las partiacuteculas finas que
colisionan entre siacute formando puentes liacutequidos que al evaporarse dan lugar a enlaces soacutelidos
donde los finos se adhieren a los gruesos (Kumar amp Ramkrishna 1997) Y la zona de dispersioacuten
que es el aacuterea donde se mezclan con aire caliente para el secado Para llevar a cabo esta operacioacuten
se emplean diversos equipos en su mayoriacutea granuladores de lecho fluidizado mezcladores y
secadores de lecho fluido ( Litster J 2003)
Actualmente puede observarse como una combinacioacuten de tres diferentes mecanismos
humectacioacuten y nucleacioacuten consolidacioacuten y coalescencia atricioacuten y rompimiento El aumento del
tamantildeo de partiacuteculas es un teacutermino geneacuterico que engloba las operaciones unitarias relacionadas
con la tecnologiacutea de materiales pulverizados de medios granulares y la mecaacutenica de soacutelidos
(Litster amp Bryan 2004)
La aglomeracioacuten depende de la naturaleza fiacutesica del sistema partiacutecula solidandashliacutequido aglomerante
y de las variables asociadas al equipo De esta forma es importante controlar dichos paraacutemetros
operacionales dado que una mala relacioacuten entre estos traeriacutea problemas en la operacioacuten
2
11 Estado del Arte
El proceso de aglomeracioacuten ha sido estudiado y analizado por varias deacutecadas el disentildeo y anaacutelisis
de tales sistemas permanece enraizado al empirismo debido a que no hay una metodologiacutea para el
disentildeo y operacioacuten de tales procesos asiacute mismos las plantas industriales donde se llevan a cabo
procesos de granulacioacuten y secado por aspersioacuten han enfrentado una serie de problemas
relacionados con la pegajosidad de las partiacuteculas inertes a las paredes de los diversos equipos
empleados incluyendo razones de reciclado pobre control en la calidad del producto obtenido
siendo necesario el reprocesado del producto incrementando el costo de produccioacuten Este
problema tiene su origen en el escaso entendimiento de la influencia de los paraacutemetros
operacionales sobre el proceso (Iveson amp Hapgood 2001)
Investigadores como (Lister amp Waters 1988) (Parveen 2012) han establecido que durante el
proceso de aglomeracioacuten se ve influenciado por la distribucioacuten de tamantildeos de los soacutelidos pues la
polidispersidad de la poblacioacuten de soacutelidos induce al recubrimiento o adhesioacuten de las partiacuteculas
pequentildeas sobre las de mayor tamantildeo Asiacute mismo existe una posible influencia combinada entre el
paraacutemetro temperatura (cuyos niveles de estudio son adecuados para averiguar la influencia de
eacuteste paraacutemetro sobre el comportamiento de crecimiento del aglomerado) y la polidispersidad de
los soacutelidos
(Sastry amp Fuerstenau 1973)Estudiaron que la adhesioacuten de partiacuteculas sin formacioacuten de puentes
(fuerzas de van der Waals o electrostaacuteticas) forman aglomerados relativamente deacutebiles En
cambio los que forman puentes son maacutes fuertes Por su parte (Canela 1996) determino que la
resistencia de los aglomerados depende de las fuerzas fiacutesicas que mantienen unidas a las
partiacuteculas y la magnitud de eacutestas depende del tamantildeo de partiacutecula la carga superficial la
estructura cristalina la proximidad de las partiacuteculas la cantidad de aditivos y de otras
propiedades fisicoquiacutemicas del sistema como lo son la naturaleza quiacutemica de la partiacutecula los
coeficientes de frotamiento interno de la partiacutecula masa volumeacutetrica y fuerza de cohesioacuten
(Schaafsma amp Kossen 2006)Estudiaron la influencia de alimentar el liacutequido aglomerante
atomizado por pulsos y temperatura del medio fluidizante (40 y 60degC) sobre el crecimiento del
aglomerado El aglomerador empleado teniacutea una geometriacutea coacutenica y contaba con un cicloacuten para
limpiar el aire de los finos arrastrados por eacuteste Se emplearon soacutelidos de α-lactosa monohidratada
malla No 110 y como liacutequido aglomerante polyvinylpirrolidona al 8 Los resultados obtenidos
indicaron que el crecimiento del aglomerado se ve influenciado por la humedad presente en el
lecho mientras que encontraron diferentes efectos de la temperatura del medio fluidizante sobre
el crecimiento del aglomerado a baja temperatura 40degC el graacutenulo crece a su tamantildeo final maacutes
raacutepido que a 60degC
(Tan HS Salman AD 2006)Estudiaron la influencia de algunos paraacutemetros operacionales
responsables del crecimiento del aglomerado empleando como soacutelido de trabajo Glass Ballotini
cuya distribucioacuten de tamantildeos estaba comprendida entre 73-375 microacutemetros El agente
3
aglomerante empleado fue Polyentilen Glycol Los paraacutemetros operacionales analizados fueron
tasa de atomizacioacuten del agente aglomerante (288 m3 ∙s-1) temperatura en el lecho de soacutelidos
(28 32 36 y 40degC) presioacuten de atomizacioacuten (15 bar) y velocidad del aire fluidizante (097 m∙s-1)
Los resultados indicaron que el crecimiento del aglomerado depende directamente de la cantidad
relativa del agente aglomerante atomizado sobre el lecho el cual determina la velocidad del
proceso de agregacioacuten Asiacute mismo el crecimiento del aglomerado se ve favorecido con el
incremento en los niveles de temperatura Con referencia al tamantildeo de gota del agente
aglomerante atomizado concluyeron que una gota de mayor tamantildeo incrementa el crecimiento
global del aglomerado mientras que una gota de menor tamantildeo induce a un crecimiento inicial
maacutes raacutepido Finalmente el crecimiento global del aglomerado se reduce al incrementar la
velocidad del aire
(Dolinski 2000) Encontroacute que en el secado de aspersioacuten de zumos de frutas con elevado contenido
de azucares los compuestos tienen temperaturas de transicioacuten viacutetrea bajas presenta problemas
de pegajosidad (stickiness) El teacutermino ldquostickinessrdquo hace referencia a los fenoacutemenos de cohesioacuten
partiacutecula-partiacutecula y de adhesioacuten partiacutecula-pared que presentan los polvos obtenidos que dificulta
su presentacioacuten en estado polvo y mancha las paredes de los cilindros de pulverizacioacuten (Al quedar
en la pared del compartimiento de secado como un jarabe da lugar a bajas producciones del
producto y a problemas operacionales)
(Boonyai 2004) Explica que la mayor causa de la pegajosidad en polvos amorfos de zumos en el
secado por aspersioacuten es la accioacuten plastificante del agua en la superficie que da lugar a la adhesioacuten
y cohesioacuten El alto contenido en azuacutecares de bajo peso molecular y aacutecidos orgaacutenicos disminuye la
temperatura de transicioacuten viacutetrea (Tg) por debajo de la temperatura de preparacioacuten del producto
incluso a la temperatura de salida del secado Esto conlleva a la existencia de un estado pseudo-
liacutequido de material amorfo que es responsable de la cohesioacuten interpartiacuteculas y de la adhesioacuten de
las partiacuteculas a las paredes del cilindro Cuanto mayor sea esta diferencia de temperatura (ΔT=Tp -
Tg) mayor seraacute el grado de pegajosidad
Como puede visualizarse existe un grupo muy amplio de paraacutemetros operacionales que inciden en
el comportamiento del proceso de aglomeracioacuten y los problemas asociados a este Sin embargo la
investigacioacuten y anaacutelisis de este tipo de proceso se centra en los paraacutemetros que se pueden
controlar de manera adecuada pues los equipos empleados para tal investigacioacuten son de tipo
escala piloto o banco los cuales son disentildeados y construidos para manipular un nuacutemero reducido
de paraacutemetros Por su parte se han propuestos teacutecnicas para resolver anomaliacuteas presentadas por
la influencia de variables que se afectan unas con otras
(Espantildea Patente nordm 36848 1967) Propuso un procedimiento para obtener aglomerados fuertes de
cafeacute soluble mediante la reduccioacuten de la temperatura de las partiacuteculas hasta menos 7deg antes de
entrar en contacto con vapor de agua y con humedades de 3 a 4 El enfriamiento se logra con la
inyeccioacuten de co2 liquido en el molino de martillos asiacute mismo demostroacute que la reduccioacuten de
tamantildeo a menos de 54 micras se forman enlaces fuertes y se evita la degradacioacuten o separacioacuten de
los graacutenulos durante el secado en la caacutemara Su metodologiacutea consistioacute en pruebas a diferentes
4
niveles de temperaturas cantidad de vapor humedad y temperatura del producto inicial
obteniendo aglomerados de gran dureza y buena apariencia fiacutesica
(Schaafsma SH 1998) Propuso en su trabajo de investigacioacuten relacionado con la aglomeracioacuten de
soacutelidos un proceso de crecimiento de un aglomerado originado a partir de una gota de liacutequido En
su propuesta describe el crecimiento del aglomerado a partir de dos etapas Inicialmente se
presenta un raacutepido crecimiento que toma lugar por el mojado de las partiacuteculas lo cual resulta en
la formacioacuten de un aglomerado inicial La segunda etapa de crecimiento es iniciado por el
transporte de liacutequido del aglomerado hacia las partiacuteculas que lo rodea El crecimiento del
aglomerado toma lugar por la unioacuten de partiacuteculas Si un poro en la superficie de un aglomerado
estaacute saturado con liacutequido entonces partiacuteculas libres pueden alcanzar la fase liacutequida en el poro y un
puente liacutequido puede ser formado Acorde a este proceso se puede concluir que la distribucioacuten de
tamantildeos de partiacuteculas y porosidad juega un papel importante en el tamantildeo final del aglomerado
Diversos autores han utilizado diferentes aproximaciones ingenieriles para entender y describir el
comportamiento de un proceso de granulacioacuten Un anaacutelisis estadiacutestico de un disentildeo experimental
permite determinar cualitativamente el efecto de un paraacutemetro del proceso sobre el aglomerado
tomando como referencia el tamantildeo promedio de la poblacioacuten de partiacuteculas aglomeradas
(Montgomery 2007) Mientras que el uso de un balance de poblacioacuten permite tratar de manera
fundamental procesos que involucran fenoacutemenos de nacimiento y muerte de partiacuteculas en un
determinado volumen de control (VC) (Hulbert 1967)
(Cryer A S y Scherer NR 2003 ) Implementaron un disentildeo factorial fraccional a frac12 en un
aglomerador coacutenico para evidenciar la influencia de ciertos paraacutemetros importantes relacionados
con la aglomeracioacuten de un producto agroquiacutemico cuya distribucioacuten inicial comprendiacutea tamantildeos
entre 01 a 100 micrones y cuyo diaacutemetro promedio inicial era de 20 micrones El agente
aglomerante empleado fue agua destilada Los paraacutemetros operacionales analizados fueron flujo
de aire (0106-0153 m3 s-1) temperatura de alimentacioacuten del aire (40-60degC) tasa de atomizacioacuten
del agente aglomerante (370x103 -542x103 kg s - 1 ) carga de soacutelidos inicial (25-35kg) y altura de
la boquilla de atomizacioacuten (posiciones 1 y 3) A partir del anaacutelisis estadiacutestico (el cual se realizoacute con
un nivel de significancia de 99) se evidencioacute la significancia de los factores bajo estudio siendo la
tasa de atomizacioacuten y carga de soacutelidos los de mayor efecto mientras que la temperatura y flujo de
aire resultaron marginalmente significativos en el crecimiento del aglomerado mientras que la
altura de la boquilla no influye en el crecimiento del aglomerado
(Riacuteos 2005) Implementoacute un disentildeo factorial 2 a la 3 en un aglomerador de lecho fluidizado coacutenico
para aglomerar soacutelidos de Tamarindo con un diaacutemetro promedio de 784 micrones Los factores
controlables fueron temperatura del aire fluidizante (80-100degC) tiempo de atomizacioacuten (3-5 min)
y masa de soacutelidos cargados al sistema (200-300g) El agente aglomerante empleado fue agua
destilada El anaacutelisis estadiacutestico (realizado con un nivel de significancia del 95) determinoacute que el
tiempo de atomizacioacuten del agente aglomerante fue el principal paraacutemetro que afecta el
crecimiento del aglomerado mientras que la temperatura y carga de soacutelidos no afectan el
crecimiento del aglomerado Cabe resaltar que se probaron los niveles de significancia de 90 y
5
75 con el objetivo de probar los posibles efectos de los paraacutemetros que no resultaran
significativos a un nivel del 95 El resultado obtenido a un nivel de significancia del 90
determinoacute que el tiempo de atomizacioacuten asiacute como la temperatura del aire resultaron
significativos es decir afectan en el crecimiento del aglomerado Asiacute mismo se determinoacute que a
un nivel de significancia del 75 los paraacutemetros tiempo de atomizacioacuten temperatura carga de
soacutelidos asiacute como la interaccioacuten entre la temperatura y carga de soacutelidos afectan el crecimiento del
aglomerado El anaacutelisis realizado a estos niveles de significancia (75 y 90) se evaluaron para
futuros trabajos relacionados con la aglomeracioacuten de soacutelidos de Tamarindo
(Dacanal amp Menegalli 2008) Implementaron un disentildeo factorial fraccional 24-1 en un aglomerador
con geometriacutea coacutenica el cual contaba con un cicloacuten para limpiar el aire de los finos arrastrados
con el objetivo de evidenciar la significancia de ciertos paraacutemetros operacionales que influyen en
el proceso de crecimiento de aglomerados de soacutelidos de acerola (Cerezo de las Antillas) La
poblacioacuten inicial de los soacutelidos contaba con un diaacutemetro promedio inicial de 954 micrones El
agente aglomerante empleado fue agua Los paraacutemetros bajo estudio fueron temperatura del aire
fluidizante (75-90degC) velocidad del aire fluidizante (025-045 ms-1 ) flujo de aire de atomizacioacuten
(050-070 lh-1 ) y altura de la boquilla con respecto al lecho (050-070 m) El anaacutelisis estadiacutestico
(realizado con un nivel de significancia del 95) evidencioacute la influencia de solo la velocidad del aire
sobre el crecimiento del aglomerado Sin embargo los autores expresan que la temperatura del
aire debe afectar el crecimiento del aglomerado pero los niveles ensayados no fueron los
adecuados Cabe resaltar que la altura de la boquilla y flujo de aire en la boquilla no resultaron
significativos es decir no influyeron en el crecimiento del aglomerado
6
12 Planteamiento del Problema
En Cafeacute Tostado de Exportacioacuten durante el proceso de aglomeracioacuten de cafeacute soluble para la
obtencioacuten de granulado efectuado en un secador por aspersioacuten con lecho fluido integrado se
presenta la pegajosidad de los polvos finos a las paredes de la base coacutenica del equipo y conforme
transcurre el tiempo la cantidad adherida se compacta formando capas gruesas llegando al punto
en que el mismo calor en el interior lo derrite y cae en forma de masas elaacutesticas o masas solidas de
gran volumen obstruyendo el paso de los graacutenulos por lo que la produccioacuten se detiene generando
contratiempos al quitar todo el cafeacute compactado Esta anomaliacutea afecta la eficiencia del proceso y
disminuye el rendimiento
La problemaacutetica se da en la produccioacuten de diversos tipos de cafeacute granulado desde mezclados
descafeinados y puros asiacute como en los diversos paraacutemetros de operacioacuten y aunque se han
implementado vibradores de alto rendimiento en la base coacutenica del equipo el problema sigue
teniendo impacto
13 Objetivos General
Optimizar el proceso de aglomeracioacuten de polvos finos de cafeacute soluble para la mejora del
rendimiento
Especiacuteficos
Evaluar el efecto de las variables de operacioacuten sobre el comportamiento de los
aglomerados asiacute como las caracteriacutesticas finales deseadas
Determinar mediante corridas experimentales las variables con mayor incidencia en la
pegajosidad del producto
Optimizar los paraacutemetros operacionales mediante el balance de materia y energiacutea
13 Definicioacuten de variables
Las variables que se manejaran en este proyecto se mencionan a continuacioacuten
Condiciones operativas del sistema temperatura de aire de entrada y salida presioacuten de
vapor flujo de aire de entrada y salida
Propiedades de los soacutelidos iniciales tamantildeo de partiacutecula humedad temperatura y
densidad
Humedad relativa del aire
Presioacuten del sistema y trasferencia de calor
7
15 Hipoacutetesis
1 Los aglomerados pierden cohesioacuten durante el secado debido a que hay un enlace de
partiacuteculas deacutebiles las cuales se separan generando una cantidad de polvos finos que son
arrastradas por la corriente de aire de forma turbulenta hasta la parte inferior dando
lugar a la adhesioacuten y compactacioacuten
2 La variacioacuten de la presioacuten del sistema (vaciacuteo) presenta anomaliacuteas en la distribucioacuten de
aire trayendo consigo alto acarreo de polvos finos por lo que presenta depoacutesitos a las
paredes de la caacutemara de secado
3 La continua variacioacuten de las condiciones de operacioacuten afecta en la formacioacuten y crecimiento
de las partiacuteculas dando lugar al arrastre excesivo de polvos como del medio aglomerante
reflejando en el escaso o nulo crecimiento de la partiacutecula y por ende adhesioacuten a las
paredes
4 La concentracioacuten de azucares tiene efecto significativo en la pegajosidad
16 Justificacioacuten del Proyecto
Hoy en diacutea el control de los procesos de aglomeracioacuten bajo su contexto de granulacioacuten huacutemeda es
muy complejo al llevar a cabo diferentes mecanismos dentro de sistemas que manejan
transferencia de calor transferencia de masa mecaacutenica de fluidos y termodinaacutemica por
consiguiente dependen de las variables de operacioacuten la naturaleza de los soacutelidos y del liacutequido
ligante
El presente proyecto se realiza en una empresa de cafeacute soluble donde se lleva cabo el proceso de
aglomeracioacuten en la cual presenta problemas de pegajosidad de partiacuteculas finas a las paredes del
equipo y el rendimiento se ve afectado El proyecto es seguimiento de un estudio anterior en la
que se analizaron y estudiaron varios tipos de cafeacutes encontraacutendose que los mezclados
presentaban maacutes adhesioacuten que los puros por consiguiente se determinaron las condiciones
oacuteptimas de operacioacuten de acuerdo las especificaciones finales mediante el uso de graficas de
control sin embargo eso no detuvo la problemaacutetica ya que hasta la fecha sigue presenciaacutendose
Siendo necesario estudios maacutes a fondo basado en teacutecnicas experimentales o de modelos
matemaacuteticos para entender la interaccioacuten de una variable sobre el comportamiento
La finalidad de este proyecto es la optimizacioacuten de los paraacutemetros operacionales de las variables
del proceso que inciden en la anomaliacutea Para ello se emplearan herramientas estadiacutesticas (disentildeo
de experimentos) para la evaluacioacuten y determinacioacuten de los efectos de las variables de entrada
(factores) sobre una variable de salida (respuesta) y el balance de materia-energiacutea para el control y
la optimizacioacuten
8
17 Limitaciones y Alcances
Limitaciones
Se respetaran los lineamientos de la empresa por lo que los nombres de los productos a
estudiar seraacuten restringidos y su uso seraacute mediante letras o nuacutemeros
El tiempo de estudio comprenderaacute 3 meses por lo que simplemente se abarcaran los
tipos de cafeacute que se produzcan en ese lapso
Debido a que el proceso es continuo los operarios son los uacutenicos que tienen el control de
las condiciones del equipo por consiguiente se tomaran solo los paraacutemetros empleados
para cada tipo de producto y estas son las que se manejaran en el disentildeo experimental
Alcances
Determinacioacuten de los factores influyentes en la pegajosidad del cafeacute y optimizacioacuten de los
mismos
Control de los paraacutemetros operacionales
Implementacioacuten de acciones de mejora continuacutea para el sistema
18 La Empresa
Cafeacute Tostado de Exportacioacuten tiene su inicio el 13 de Mayo de 1972 en la Ciudad de Tuxtla
Gutieacuterrez Chiapas Es una empresa que pertenece al grupo SANROKE que actualmente se
encuentra ubicada en la ciudad de Coacuterdoba Veracruz Comenzoacute produciendo cafeacute tostado y
molido posteriormente inicia en el proceso de cafeacute soluble logrando obtener otros subproductos
del cafeacute soluble como el aglomerado lechero y capuchino Fue una de las primeras empresas en
su ramo en estar certificada por la norma ISO 90012008 Actualmente cuenta con certificaciones
de labor social medio ambiente calidad orgaacutenicas e inocuidad lo que refleja su cumplimiento de
los estaacutendares internacionales
Es una compantildeiacutea liacuteder por su firme compromiso con la calidad y la satisfaccioacuten del cliente
Sumando hasta el diacutea de hoy deacutecadas de experiencia y dedicacioacuten en la industria del cafeacute El
aumento del consumo de esta bebida en el mundo ha sido paralelo a su desarrollo econoacutemico
representando una gran oportunidad para encontrar nuevos socios y expandir sus actividades
demostrando al resto del mundo coacutemo la disciplina y el trabajo duro conducen al eacutexito
Misioacuten
Elaboracioacuten de productos de la maacutes alta calidad a traveacutes de la seleccioacuten de materia prima superior
y los maacutes altos estaacutendares de manufactura satisfaciendo el gusto de los consumidores generando
beneficios para los accionistas colaboradores clientes proveedores y comunidad en general
9
Visioacuten
Convertirse en liacutederes del mercado nacional y ampliar su presencia en el mercado extranjero con
productos de calidad insuperable con el mejor sabor que proporcione deleite y satisfaccioacuten a
quien los consuma
En cafeacute tostado de exportacioacuten para obtener cafeacute soluble granulado se llevan cabo varias
operaciones unitarias
Tostado se exponen los granos de cafeacute a un calentamiento en el cual provoca inicialmente
una liberacioacuten de agua ligada hasta alcanzar el calor deseado mantenieacutendolo en continuo
movimiento para asegurar un tostado completo del grano cuando finaliza el tostado el
cafeacute es enfriado y almacenado
Molienda y Extraccioacuten para la reduccioacuten del tamantildeo el cafeacute tostado requiere un corte
mediante una accioacuten de compresioacuten y friccioacuten para provocar partiacuteculas de tamantildeo y
forma adecuados Una vez molido se hace la extraccioacuten de solidos solubles aplicando agua
caliente para generar una infusioacuten que obtenga todo el sabor y aroma presente en los
granos
Centrifugacioacuten y evaporacioacuten mediante una maacutequina de fuerza centriacutefuga se elimina la
mayor parte de los residuos que quedan de la extraccioacuten Posteriormente el extracto
liacutequido obtenido entra en la evaporacioacuten donde se elimina la mayor parte de agua y el
producto queda concentrado
Secado el liacutequido es secado mediante un secador por aspersioacuten en una corriente de aire
caliente donde las gotitas finamente al contacto con el calor evaporan el agua
convirtieacutendose en polvo esfeacuterico instantaacuteneo
Aglomeracioacuten es la operacioacuten designada para la formacioacuten de partiacuteculas de mayor
tamantildeo operando sobre la base de re-humidificacioacuten de la superficie del polvo de cafeacute con
vapor de agua en una atmoacutesfera turbulenta de aire caliente de manera que al colisionar
las partiacuteculas entre siacute los finos se adhieren a los gruesos formaacutendose los aglomerados
La variedad de presentaciones y la calidad de sus producto han permitido permanecer en el gusto
del puacuteblico contando con sus tradicionales cafeacutes tostados y molidos los praacutecticos cafeacutes solubles
aglomerados y ahora liofilizado caacutepsulas de cafeacute expreso teacute de cafeacute verde y crema untable
Caferetas Actualmente es liacuteder en el mercado internacional del cafeacute instantaacuteneo liacuteder local y
regional de cafeacute soluble granulado bajo el nombre de cafeacute ldquoLos Portales de Coacuterdoba ldquo
10
CAPIacuteTULO 2 METODOLOGIacuteA
21 Eleccioacuten de los factores y los niveles
Los factores seraacuten las condiciones de operacioacuten del equipo aglomerador de las cuales se
seleccionaran solo las que tengan maacutes impacto en la formacioacuten del granulo y posible influyente en
el problema los niveles estaraacuten definidos como altos y bajos
22 Seleccioacuten de la variable de respuesta
La variable de respuesta estaacute definido como las caracteriacutesticas fisicoquiacutemicas del producto final color densidad humedad dureza y porcentaje de aglomerado pero solo se seleccionaraacuten dos de ellas Tambieacuten se contemplara como respuesta el porcentaje de adhesioacuten
23 Eleccioacuten del disentildeo experimental
La eleccioacuten del disentildeo implicara la consideracioacuten del tamantildeo de la muestra (nuacutemero de reacuteplicas)
El intereacutes se centrara en identificar queacute factores causan esta diferencia y en estimar la magnitud
del cambio de la respuesta Por lo que pueden utilizarse uno o maacutes disentildeos experimentales de
acuerdo a las variables manejadas las cuales pueden ser factorial por bloques completamente al
azar y superficie de respuesta
24 Realizacioacuten del disentildeo de experimentos
Una vez seleccionado el o los disentildeos se ejecutaran para obtener los valores de las respuestas para
la cuales se contara con el apoyo de aacuterea de control de calidad quien proporcionara esta
informacioacuten asiacute como tambieacuten la ayuda de los operarios quienes son los expertos en manejar las
condiciones del equipo Los datos obtenidos se ingresaran a un programa estadiacutestico para
determinar los efectos y obtener las graacuteficas
25 Monitoreo de los flujos de aire humedad relativa y presioacuten del sistema
Se haraacute un monitoreo en los flujos de aire humedad relativa y presioacuten del sistema en lapso de
tiempo adecuado para evaluar el comportamiento de estas variables los datos se registraran en
Excel para la elaboracioacuten de graacuteficas
26 Anaacutelisis de datos
En esta fase se utilizaran programas estadiacutesticos para analizar y comparar los datos a fin de
determinar que los resultados y las conclusiones sean objetivos Se aplicara un anaacutelisis de varianza
11
(anova) la cual puede ser de un solo factor o multifactorial con niveles de significancia
dependiendo del tipo de disentildeo y con ello se haraacute la prueba de hipoacutetesis
27 Anaacutelisis de los efectos de los paraacutemetros operacionales
El anaacutelisis de los efectos de los paraacutemetros operacionales (factores) sobre la variable de
respuesta se efectuara mediante las graacuteficas de interaccioacuten y las graacuteficas de efectos normales que
se obtendraacuten en el software estadiacutestico con la finalidad de determinar coacutemo afecta cada factor
en el comportamiento de una propiedad caracteriacutestica del granulo
28 Aplicacioacuten del balance de materia y energiacutea
Para realizar este caacutelculo primero se haraacuten las conversiones de flujo de aire de velocidad angular a
velocidad lineal para posteriormente calcular el caudal del aire que pasa por los conductos asiacute
mismo se calculara el volumen de la caacutemara de secado y la base conicaEl uso de la carta
psicomeacutetrica seraacute de gran importancia para determinar la humedad absoluta del aire las
eficiencias teacutermicas y la temperatura de saturacioacuten adiabaacutetica Para la entalpia del aire se
utilizaran foacutermulas adecuadas de termodinaacutemica Las formulas del balance de materia y energiacutea
que se utilizara seraacute las establecidas para secadores por aspersioacuten Una vez reunido los valores se
sustituiraacuten para obtener los correspondientes la variable que se necesita encontrar es la cantidad
de humedad relativa y el calor en la salida de la caacutemara de secado
29 Optimizacioacuten del proceso
La optimizacioacuten del proceso se efectuaraacute de acuerdo a los resultados de los monitoreos del flujo
de aire humedad relativa los efectos obtenidos en el disentildeo de experimentos y sobre todo los
caacutelculos de balance de materia ndashenergiacutea
12
CAPIacuteTULO 3 DESARROLLO DEL PROYECTO
31 Equipo experimental
El equipo experimental utilizado fue un secador por aspersioacuten con lecho fluido integrado (Anexo1)
que consta de una caacutemara de secado proyectado sobre una base coacutenica mediante la cual una
corriente de aire caliente es suministrado por un ventilador de entrada creando una atmosfera
turbulenta donde los polvos finos entran en contacto con vapor de agua y mediante el secado se
forman los aglomerados este equipo maneja varias condiciones de operacioacuten que le dan las
caracteriacutesticas al producto Las herramientas estadiacutesticas empleados fueron Excel para el anaacutelisis
de varianza y prueba de hipoacutetesis del disentildeo por bloques al azar minitab para el anaacutelisis de los
efectos de los factores sobre la variable de respuesta y stargrapics para el anaacutelisis de varianza del
segundo disentildeo experimental
32 Monitoreos
Se hizo un monitoreo en los flujos de aire de entrada flujo de salida el vaciacuteo del sistema y la
humedad relativa del aire en un lapso de 5 horas diarias por 10 lotes de produccioacuten evaluando
tambieacuten la adhesioacuten en cada uno de ellos se registraron los datos en Excel mediante estos datos
se elaboroacute una graacutefica de dispersioacuten para ver el comportamiento de estas variables
33 Disentildeo de experimentos
Se utilizoacute un disentildeo de bloques completamente al azar en la cual los tratamientos fueron la
concentracioacuten de azucares con respuesta de porcentaje de adhesioacuten Cabe mencionar que cada
tratamiento indica un tipo de producto por su concentracioacuten
Tabla 1 Tratamientos del disentildeo por bloques al azar
TRATAMIENTO CONCENTRACION
A 0
B 5
C 10
D 15
F 17
Se formularon dos hipoacutetesis
H0=La concentracioacuten de azucares no tiene efecto en la pegajosidad de los polvos finos si F es
menor o igual a la F tabulada
13
H1=La concentracioacuten de azucares tiene efecto significativo si F de Fisher es mayor que la F
tabulada
Se utilizoacute un disentildeo factorial 23 para determinar el efecto de tres condiciones de operacioacuten
(factores) las cuales fueron velocidad de aire temperatura de entrada y temperatura de salida con
dos niveles teniendo como respuestas la dureza del granulo para 5 tipos de cafeacute soluble
Tabla 2 Factores y niveles del Disentildeo factorial 23
TIPOS FACTORES NIVEL BAJO NIVEL ALTO RESPUESTAS
Cafeacute soluble
ABCDF
Temperatura de entrada
217 227 220 212
235 231 236 228
Dureza
Temperatura de salida
133 139 137 134
135 142 138 135
Velocidad de aire
800 849 690 975
1000 850 950 1050
Tambieacuten se empleoacute un disentildeo factorial de 23 para determinar los efectos de tres factores No
Criba del molino de martillos con nivel de 33-55 la presioacuten de vapor con nivel de 15-20 y la
temperatura de producto nivel de 30-35 las respuestas que se eligieron para este disentildeo fue la
dureza del granulo y el porcentaje de aglomerado este experimento se inicioacute empleado la
herramienta estadista minitab en la cual se ingresaron estos factores con sus niveles arrojando 8
corridas por las combinaciones
Tabla 3 Corridas experimentales del disentildeo 23
Factores
corridas Presioacuten de
vapor
NoCriba Temperatura de
partiacutecula
1 15 33 30
2 2 33 30
3 15 54 30
4 2 54 30
5 15 33 35
6 2 33 35
7 15 54 35
8 2 54 35
14
34 Realizacioacuten del disentildeo de experimentos
Para la ejecucioacuten del disentildeo de experimentos se siguioacute con el programa de produccioacuten iniciando
con el disentildeo por bloque completamente al azar la cual se llevoacute en la aglomeracioacuten de 5 tipos de
cafeacute con diferentes concentraciones mencionadas anteriormente desde el arranque del equipo en
la cual los soacutelidos finos iniciales que se cargaron fueron un cafeacute A sin concentracioacuten
posteriormente se cambioacute a los siguientes tipos (BCDF) las condiciones operativas del equipo
estuvieron de la siguiente manera temperaturas de entrada de 190 a 230 temperatura de salida
de 100-140 y velocidad de aire de 600 a 1000 rpm Cada vez que se haciacutea un cambio de producto
se sacoacute la cantidad de solidos finos adheridos de la siguiente manera
(Cantidad alimentada x 98 de rendimiento fijo)- (Cantidad producida)
Mediante esta foacutermula se obtuvo el porcentaje de cada tipo de cafeacute retenido en la base coacutenica
Cantidad adherida x 100
Cantidad alimentada
Los datos quedaron registrados en la tabla 4 donde cada repeticioacuten indica un lote de produccioacuten
diferente
Tabla 4Disentildeo de bloques completamente al azar
REPETICIONES
TRATAMIENTOS I II III
A 625 6033 702
B 1071 859 12
C 7015 6033 927
D 583 95 892
F 992 704 859
G 113 853 905
El primer disentildeo factorial se llevoacute a cabo en la aglomeracioacuten de 4 tipos de cafeacute soluble en la cual
se monitoreo la interaccioacuten de cada factor de acuerdo a los niveles establecidos sobre la respuesta
y se registraron los resultados Las partiacuteculas finas teniacutean las siguientes propiedades iniciales
Densidad 180-210 grcm3
Color 72-84
Humedad 2 a 35
15
Los resultados de los anaacutelisis fisicoquiacutemicos (dureza) fueron proporcionados por el aacuterea de control
de calidad estos datos se ingresaron en minitab y se hizo el anaacutelisis factorial obteniendo las
graacuteficas de interaccioacuten asiacute como tambieacuten la significancia de los efectos
El segundo disentildeo factorial se llevoacute cabo en la aglomeracioacuten de un lote de cafeacute soluble regular con
las siguientes propiedades
Color 72-85
Humedad 2-35
Densidad 190-210
La duracioacuten del lote fue de 10 horas el equipo empleo una velocidad de aire entrada de 900 rpm
con temperatura de 220degc y una velocidad de aire salida de 1765 rpm con temperatura de 135 degC
Se recibioacute ayuda por parte de los operarios para las combinaciones y cada vez que esta se
ejecutaba se tomoacute muestras de 10 grs y se llevoacute a control de calidad para los anaacutelisis de dureza y
porcentaje de aglomerado por cada corrida finalizando este experimento se registraron todos los
resultados en minitab y se hizo el anaacutelisis del disentildeo para las significancias de los factores cabe
mencionar que mediante este programa se obtuvieron las graacuteficas de interaccioacuten
35 Anaacutelisis de datos
Para determinar cualitativamente el efecto de los paraacutemetros del proceso en la aglomeracioacuten de
las partiacuteculas de cafeacute soluble se aplicoacute un anaacutelisis de varianza (ANOVA) con un nivel de
significancia α del 5 a los resultados experimentales La dureza y el porcentaje de
aglomerado se seleccionaron como paraacutemetro de respuestase utilizo el programa de stargrapics
para el anaacutelisis
36 Balance de materia energiacutea
Para el balance de materia y energiacutea primero se hicieron las conversiones de la velocidad angular
del aire de entrada y salida (rpm) a velocidad lineal (ms) empleando la foacutermula
(1rpm) (2π rad)60 x (radio) Asiacute como el caacutelculo del volumen de la caacutemara de secado (anexo 3)
El caacutelculo del caudal de aire de entrada se realizoacute empleando la foacutermula
119876 = 119881 119878
Donde
V=velocidad lineal del aire (ms)
S=aacuterea de la seccioacuten trasversal (m2)
El radio de la seccioacuten transversal para ventilador de entrada fue 0335 y la de salida de 0195
Se sacaron las eficiencias teacutermicas del equipo de la siguiente manera
16
Eficiencia teacutermica global= (11987911198792
1198792119879119900)
Eficiencia de evaporacioacuten= (1198791 1198792
1198791 119879119904119886119905)
Para determinar las temperaturas de saturacioacuten adiabaacutetica (TSAT) y (T0) se utilizoacute la carta psicomeacutetrica (Anexo 2) El balance quedo estructurada de la siguiente forma
Figura 1 Diagrama de flujo del aglomerador
Donde FS1=masa del solido seco (kg)
Ga flujo de aire (kgh)
Ws=contenido de humedad del alimento (kg agua kg solido seco)
Ta=temperatura de entrada
Ta1=temperatura de salida
Ta2=temperatura de solidos
Ga1=flujo de aire entrada
Ga2=flujo salida de aire
H1= humedad relativa del aire entrada
H2=humedad relativa del aire salida
El balance del sistema sin peacuterdidas ni acumulacioacuten quedo de la siguiente manera
FS WS1 +Ga Ha1 = FS WS2 +Ga Ha2
17
Mientras que el balance de energiacutea
FS QS1+ Ga Qa1 = FS QS2 +Ga Qa2 +QL
Donde qs1 y qs2 son las entalpiacuteas del soacutelido entrando y saliendo del secador (KJKg) qa1 y qa2 son
las entalpiacuteas del aire entrando y saliendo del secador (KJKg) qL es el calor perdido (KJ)
El balance con respecto a la humedad se determinoacute mediante la siguiente formula
GH2 LS X1 GH1 LS X2
Donde
GH2= flujo de aire
Ls = flujo de alimentacioacuten
X1= humedad de los soacutelidos iniciales
La entalpia de la salida de aire se calculoacute mediante la foacutermula
HG C2 (TG T0) H
Donde
TG= Temperatura del aire
T0= Temperatura saturacioacuten
H=Entalpia del solido seco
37 Optimizacioacuten
La optimizacioacuten del proceso se llevoacute a cabo en el control de los factores incidentes en la cual se establecieron los rangos a utilizar esto derivado de los caacutelculos de balance y lo obtenido de los efectos en el disentildeo experimental los operarios se apegaron a estas condiciones con sus respectivos rangos y lo llevaron a cabo durante 8 lotes de produccioacuten en ese lapso de tiempo se evaluoacute el comportamiento del rendimiento se registraron los datos y se graficaron
18
CAPIacuteTULO 4 RESULTADOS Y CONCLUSIONES
41 Resultados
Anaacutelisis de efectos disentildeo factorial No1
Figura 2Grafica de efectos normales para el cafeacute soluble ABCD
En la figura 2 se observa la distribucioacuten de los factores A B C para los 4 tipos de cafeacute en la cual la
temperatura de entrada tiene efecto significativo en la dureza con una significancia del 92
mientras que los demaacutes factores no presentaron efectos significativos aunque tambieacuten influyen en
una combinacioacuten para dar la caracteriacutestica fisicoquiacutemica
19
Figura 3Grafica de interaccioacuten para cafeacute
soluble A
Figura 4 Grafica de interaccioacuten para cafeacute
soluble B
Figura 5Grafica de interaccioacuten para cafeacute soluble
C
Figura 6Grafica de interaccioacuten para cafeacute
soluble D
En las figuras 3 4 5 y 6 se muestran el comportamiento de la dureza de acuerdo a los factores
manejados para los cuatro tipos de cafeacute y en cada una de ella se aprecia que los niveles menores
de la temperatura de salida con la temperatura de entrada dieron una dureza igual y por debajo
de 10 asiacute mismo en el factor de velocidad de aire tambieacuten tuvo un comportamiento con niveles
menores Cabe mencionar que ninguna de las combinaciones obtuvo una dureza optima por lo
que se determinoacute que el incremento en la temperatura de salida aumenta la dureza obteniendo
un granulo maacutes fraacutegil
20
Anaacutelisis del disentildeo factorial No2
Figura 7Grafica de efectos normales para
dureza del cafeacute regular
Figura 8Grafica de efectos principales para dureza
del cafeacute regular
En las figuras 7 y 8 se observa que el No de criba tiene efecto significativo sobre la dureza es decir
entre menor abertura tenga la criba la dureza es mucho menor los graacutenulos son maacutes resistentes
mientras que entre mayor sea la abertura los graacutenulos son maacutes fraacutegiles (dureza alta) cabe
mencionar que la mejor dureza obtenida fue con el nuacutemero de malla 33 la presioacuten de vapor de
15 y la temperatura de partiacutecula de 30deg c
Figura 9 Grafica de efectos normales para
porcentaje de aglomerado del cafeacute regular
Figura 10Grafica de interaccioacuten para porcentaje
de aglomerado del cafeacute regular
21
En las figuras 9 y 10 se observa que la temperatura del producto el nuacutemero de criba tiene efecto
significativo sobre el porcentaje de aglomerado entre mayor es el nivel el porcentaje de
aglomerado disminuye determinado que hay maacutes cantidad de polvos finos asiacute mismo si el nivel
de los factores es bajo el porcentaje incremente constantemente Por lo que el comportamiento
del graacutenulo se acopla al incremento o disminucioacuten de estas variables
Monitoreos
Figura 11Grafica de dispersioacuten de la presioacuten del sistema
Figura 12 Grafica del vaciacuteo vs porcentaje de adhesioacuten
En las figuras 11 y 12 se observa el comportamiento del vaciacuteo con las variaciones de aire de
entrada Cabe mencionar que el sistema empleo una sola salida de aire de 1765 rpm Durante los
monitoreos los productos presentaron pegajosidad con entradas de aire menores a 900 rpm
mientras tanto de 1000 a 1150 rpm los productos no presentaron pegajosidad Lo mismo sucedioacute
en el comportamiento del vaciacuteo del sistema para la cual la pegajosidad aumenta y el rendimiento
disminuye con respecto al incremento del vaciacuteo Por lo que esta variable es el factor determinante
y con ello se prueba la hipoacutetesis que la variacioacuten en la presioacuten del sistema genera un arrastre
excesivo de polvos y la humedad no se elimina lo suficiente
120011001000900800700600
08
07
06
05
04
velocidad de entrada( Rpm)
vacio
del
sis
tem
a (
inh
20
)
Graacutefica de dispersioacuten de vacio del sistema vs velocidad de entrada
0
2
4
6
8
10
12
14
0 02 04 06 08 1
D
E A
DH
ESIO
N
VACIO DEL SISTEMA IN H20
22
Figura 13 Graacutefico de humedad relativa del aire
En la figura 13 se aprecia que la humedad relativa del aire inicialmente fue de 66 que
incrementoacute durante los siguientes diacuteas pero fue disminuyendo hasta llegar al 50 Esto debido a
los cambios climaacuteticos cabe mencionar que el equipo no cuenta con un filtrador para retirar el
porcentaje de agua del aire por lo que esta ingresa directamente a la caacutemara de secado siendo
una variable maacutes influyente en la adhesioacuten de los polvos finos
Anaacutelisis de datos
Tabla 5 Anaacutelisis de varianza de dos factores con una sola muestra por grupo
RESUMEN Cuenta Suma Promedio Varianza Fila 1 3 19303 643433333 026902633
Fila 2 3 313 104333333 296443333 Fila 3 3 22318 743933333 275458633 Fila 4 3 2425 808333333 389223333 Fila 5 3 2555 851666667 207763333 Fila 6 3 2888 962666667 216763333
Columna 1 6 51025 850416667 582740417 Columna 2 6 45726 7621 21353864 Columna 3 6 5485 914166667 260997667
Origen de las variaciones
Suma de cuadrados
Grados de libertad
Promedio de los cuadrados F Probabilidad
Valor criacutetico para
F Tratamientos 316103776 5 632207552 297461023 006699316 332583453
Bloques 699763344 2 349881672 164623405 024097493 410282102
Graacutefico de humedad realtva vs lote
0 3 6 9 12 15
lote
50
54
58
62
66
70
74
hu
med
ad
realt
va
23
Error 212534586 10 212534586
Total 598614696 17
En la tabla 5 se muestra el anaacutelisis de varianza de del disentildeo por bloques completamente al azar
de las diferentes concentraciones de azuacutecar por cada tipo de producto Dado que el f de Fisher es
menor que la f tabulada indica que no hay diferencias significativas por lo que se acepta la
hipoacutetesis nula la concentracioacuten de azucares no tiene efecto significativo en la adhesioacuten del cafeacute
ya que la mayoriacutea tuvo un porcentaje de adhesioacuten alta en las tres repeticiones cabe mencionar
que el producto A sin concentracioacuten tambieacuten tuvo adhesioacuten en la suma de cuadrados por bloques
tampoco hubo diferencias significativas
Tabla 6 Anaacutelisis de Varianza para dureza - Suma de Cuadrados Tipo III
Fuente Suma de Cuadrados
Gl Cuadrado Medio
Razoacuten-F Valor-P
EFECTOS PRINCIPALES
APRESION DE VAPOR 005445 1 005445 006 08164
BTAMANtildeO DE PARTICULA 121525 1 121525 1372 00208
CTEMPERATURA DE PARTICULA 471245 1 471245 532 00823
RESIDUOS
354305 4 0885763
TOTAL (CORREGIDO) 204624 7
La tabla 6 muestra el anaacutelisis de varianza del disentildeo factorial en la cual se descompone la
variabilidad de dureza en contribuciones debidas a varios factores Puesto que se ha escogido la
suma de cuadrados Tipo III (por omisioacuten) la contribucioacuten de cada factor se mide eliminando los
efectos de los demaacutes factores Los valores-P prueban la significancia estadiacutestica de cada uno de los
factores Puesto que un valor-P es menor que 005 este factor tiene un efecto estadiacutesticamente
significativo sobre dureza con un 950 de nivel de confianza
24
Figura 14Grafico anova para dureza
En la figura 14 se muestra el grafico anova y se observa la distribucioacuten de la respuesta para los
factores en la cual todas las razones-F se basan en el cuadrado medio del error residual La
mayoriacutea presenta distribucioacuten anova con el valor p mayor a 05 sin embargo para el factor tamantildeo
de partiacutecula el valor es menor a 05 con significancia
Balance de energiacutea
En el balance de materia y energiacutea se obtuvo que la humedad en la salida aglomerado es del 73
cuando hay una entrada de aire de 1550 m3 s con 50 de humedad relativa a una temperatura
de 230degc necesita 1730 KJ kg de calor con una cantidad de aire seco de 2600 kg h para sistema
adiabaacutetico sim embargo el aglomerador no es de este tipo de sistema por lo que se evaluoacute en un
graacutefico psicomeacutetrico (anexo1) encontraacutendose
El aire se calienta a humedad constante (To -T1) Si la caacutemara estuviera aislada y toda la energiacutea
posible se utilizara el aire se enfriariacutea adiabaacuteticamente y la temperatura miacutenima a alcanzar seriacutea la
de bulbo seco de saturacioacuten (Tsat) En realidad la caacutemara no estaacute aislada y no se sigue un
enfriamiento adiabaacutetico El aire sale a una temperatura T2 (ni estaacute saturado ni el proceso es
adiabaacutetico) debido a la baja relacioacuten aire-producto Si el proceso fuera adiabaacutetico saldriacutea a T2
(proceso adiabaacutetico y masas iguales de aire y producto)
ANOVA Graacutefico para DUREZA
-25 -15 -05 05 15 25
Residuos
PRESION DE VAPOR P = 0816415 2
TAMANtildeO DE PARTICULA P = 0020833 54
TEMPERATURA DE PARTICULA P = 0082330 35
25
Optimizacioacuten
De acuerdo a los caacutelculos de balance de materia los flujos de aire de 900 pm a 1100 rpm con una
salida de 1765 rpm mantienen el calor necesario para eliminar la humedad por lo que estas
variables son las que se implementaron y controlaron para la aglomeracioacuten de los diversos
productos
Figura 15 Grafica de rendimientos con flujo de aire de 900 rpm a 1100 rpm
En la figura 15 se observa el comportamiento del rendimiento con las condiciones aire manejadas
que mantuvieron un vaciacuteo de 04 y 05 inicialmente el rendimiento no fue favorable debido a la
humedad relativa sin embargo en los siguientes lotes el rendimiento se mantuvo del 94
mejorando en los siguientes diacuteas al 97 siendo favorable con ello el porcentaje de adhesioacuten
disminuyo al 3 con estas condiciones la caracteriacutestica de porcentaje de aglomerado incremento
al rango oacuteptimo
La optimizacioacuten de las variables de temperatura de salida y tamantildeo de criba consistioacute en la
reduccioacuten de sus rangos de operacioacuten para la cual la dureza mejoroacute apegaacutendose al rango oacuteptimo
925
93
935
94
945
95
955
96
965
0 2 4 6 8 10 12 14
Ren
dim
ien
to
lote
26
42 Conclusiones
Mediante el disentildeo experimentos se encontroacute que el aumento de dos factores temperatura de
salida y el tamantildeo de partiacutecula influyen en el bajo porcentaje de aglomerado y el incremento en la
dureza por que el granulo aglomerado presenta fragilidad y una cantidad de polvos finos Asiacute
mismo con el disentildeo por bloques se determinoacute que la concentracioacuten de azuacutecares de los cafeacutes no
tiene efecto significativo tomando como muestra patroacuten un producto sin concentracioacuten que
tambieacuten presento adhesioacuten en las tres repeticiones Durante el monitoreo se observoacute que los
soacutelidos aglomerados a condiciones de bajo vaciacuteo con humedad relativa del aire baja no
presentaban ninguacuten problema de adhesioacuten mientras que los producto a condiciones de vaciacuteo alto
con humedades por encima de 60 presentaban mayor adhesioacuten en balance de materia se
observoacute que una humedad relativa alta en la salida del equipo necesita mayor calor y cantidad de
aire de entrada para ser eliminado asiacute mismo mediante las eficiencias teacutermicas se evaluoacute el
sistema en una carta psicomeacutetrica y se determinoacute que hay perdida calor en la caacutemara de secado
al no ser adiabaacutetico por lo que la optimizacioacuten del proceso solo fue parcial enfocaacutendose solo a
condiciones del aire de entrada y salida en la que el rendimiento mejoro en un promedio del 96
43 Trabajos Futuros
Derivado al balance y los caacutelculos la humedad relativa es un factor importante en la adhesioacuten del
producto es por ello que el proyecto tiene continuidad en la implementacioacuten de un desumificador
de aire para que el sistema tenga una inyeccioacuten de aire seco el aislamiento (encamisado) de la
caacutemara de secado para evitar pedidas del calor tambieacuten y la determinacioacuten de nuevas condiciones
de operacioacuten debido a los cambios en los flujos aire
44 Recomendaciones
De acuerdo al estudio realizado mediante el disentildeo factorial se determinoacute que la variacioacuten de la
entrada de aire afecta la presioacuten del sistema por lo que se recomienda manejar una sola condicioacuten
de aire para cada producto con respecto a la velocidad de salida ya que el sistema necesita
mantener el equilibrio de las corrientes de aire para que el calor sea necesario y elimine toda la
humedad posible del vapor de agua para evitar que se concentre en la base coacutenica asiacute mismo la
alimentacioacuten de los soacutelidos finos debe tener propiedades caracteriacutesticas oacuteptimas para evitar la
variacioacuten de las condiciones
27
ANEXOS Anexo 1 Equipo aglomerado
Salida de aire
Base coacutenica
Caacutemara de
secado
Lecho
fluidizado
Entrada de
aire caliente
Separador
cicloacutenico
Zona de aspersioacuten de
solidos secos y vapor
de agua
28
Anexo 2 Carta psicomeacutetrica
Fuente Spray Drying Handbook (Masters 1991)
29
Anexo 3 Caacutelculos de velocidad lineal caudales de aire y volumen del equipo
1765 rpm (2πrads)(042)=7763 ms
600 rpm (2πrads)(030) =2638 ms
700 rpm (2πrads)(030)=3078 ms
800 rpm (2πrads)(030) =3518 ms
900 rpm (2πrads)(030) =3965 ms
1000 rpm (2πrads)(030) =4348 ms
1150 rpm (2πrads)(030)=5057ms
Caudal para las diferentes velocidades lineales
1) Q=VS
Q=2638 ms (π 00335m) 2
Q=930 m3s
2) Q=VS
Q=3078ms (π 00335m) 2
Q=1085m3s
3) Q=VS
Q=3518 ms (π 00335m) 2
Q=1240 m3s
4) Q=VS
Q=4348 ms (π 00335m) 2
Q=1550 m3s
5) Q=VS
Q=5057ms (π 00335m) 2
Q=2002 m3s
6) Q=VS
Q=7763 ms (π 0195 m) 2
Q=3708 m3s
30
Velocidad angular de aire (rpm) Caudal (m3s)
600 rpm 93
700 1085
800 1240
1000 1550
1150 2002
1765 3708
Caudales de aire de entrada y salida
Volumen de la caacutemara de secado
V= ℎ1205871199032
v=97 π (21m)
v=140844 m3
V= ℎ1205871199032
v= (09m) (π 21m)
v=2420 m3
Volumen de la base coacutenica
119907 =π r2 h
3
119907 =π (291) lowast 59
3
V=52313 m3
Volumen total del equipo =21734 m3
582 m
59m
582 m
09 m
43m
97 m
31
Anexo 3Caacutelculos de balance de materia y energiacutea
Se determina la velocidad de flujo de aire y la humedad de salida del aglomerador suponiendo
que no hay peacuterdidas de calor en el secador el balance inicia con la alimentacioacuten de 300 kg de
soacutelidos secoh que contienen 0035 kg de humedad totalkg de soacutelido seco hasta un valor de 0002
kg de humedad totalkg de soacutelido seco El polvo fino a granular entra a 35 ordmC y se desea
descargarlo a 32 ordmC El soacutelido seco tiene una capacidad caloriacutefica de 1465 kJkgK que se supone
constante El aire de calentamiento entra a 230 ordmC y con humedad de 0060 kg H2Okg de aire
seco y debe salir a 130
Balance de materia con respecto a la humedad
GH2 LS X1 GH1 LS X2
Reemplazando valores
(060) + 300 (0035)= GH1+ 300 (0002)
El balance de calor para el secador es
GHG2 LS HS1 GHG1 LS HS2 Q
Se calcula la entalpiacutea del aire de entrada HG1
Aglomerador
G1=
TG1=230
H2=
LS=300 KGSh
TS1=35
X1=0035
G2=
TG2=130
H2=060
Ts 2=378
X2=0002
Q
32
HG1=CS 1005188H 1005188(060)
HG1 CS (TG1 T0 ) H
HG1= CS 230 - 0 + 0060(2501) 17306 KJ Kg aire seco
Se calcula la entalpiacutea del aire de salida HG2
C21005188H 1005188 H1
HG1 CS (TG2 T0 ) H
HG1= (1005 + 188 H1 )130 - 0 + H1 (2501)
HG1=130 + 27454 H1
Se calcula las entalpiacuteas de los soacutelidos
HS1 CP S (TS1 T0) X1 CP A ( TS1 T0)
HS1 1465(35 0) 0035 (4187)(35 0) 5713 kJ kg
HS2 CP S (TS2 T0) X2 CP A ( T2 T0)
HS2 1465 (32 ndash 0 ) + 0002(4187)(32 0)=4714 KJ Kg
Reemplazando en el balance de energiacutea
G (17306)+ 300(5713) = G (130 + 27454 H1)+ 300(4714) + 0
G=2600 Kg aire seco por hora
Resolviendo conjuntamente con el balance de materia
G (060) + 300 (0035)= GH1+ 300 (0002)
2600(060) + 105 = 2600 H1 +06
H1=2600(060) +105 + 060 2600
H1=07427 Kg agua kg aire seco
33
Anexo 4Calculo de eficiencias teacutermicas
Datos
T = 230
Ts =147
T0= 30
T sat=45
Eficiencia teacutermica global
Ntermica global= 1198791minus1198792
1198792minus1198790 X 100
Ntermica global = 230minus147
230minus30 100 =415
Eficiencia de evaporacioacuten
Nevaporacion=1198791minus1198792
1198791minus119879119904119886119905
Nevaporacion = 230minus147
230minus45 100 =4486
34
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Equipment
[Escriba aquiacute] [Escriba aquiacute]
35 Anaacutelisis de datos 15
36 Balance de materia energiacutea 15
37 Optimizacioacuten 17
CAPIacuteTULO 4 RESULTADOS Y CONCLUSIONES 18
41 Resultados 18
42 Conclusiones 26
43 Trabajos Futuros 26
44 Recomendaciones 26
ANEXOS 27
Anexo 1 Equipo aglomerado 27
Anexo 2 Carta psicomeacutetrica 28
Anexo 3 Caacutelculos de velocidad lineal caudales de aire y volumen del equipo 29
Anexo 3Caacutelculos de balance de materia y energiacutea 31
Anexo 4Calculo de eficiencias teacutermicas 33
BIBLIOGRAFIacuteA 34
[Escriba aquiacute] [Escriba aquiacute]
Iacutendice de tablas
Tabla Descripcioacuten Pagina
1 Tratamientos del disentildeo por bloques al azar 12
2 Factores y niveles del Disentildeo factorial 23 13
3 Corridas experimentales del disentildeo 23 13
4 Disentildeo de bloques completamente al azar 14
5 Anaacutelisis de varianza de dos factores con una sola muestra por grupo 23
6 Anaacutelisis de Varianza para dureza - Suma de Cuadrados Tipo III 23
Contenido de figuras
Figura Descripcioacuten Pagina
1 Diagrama de flujo del balance del aglomerador 16
2 Grafica de efectos normales para el cafeacute soluble ABCD 18
3 Grafica de interaccioacuten para cafeacute soluble A 19
4 Grafica de interaccioacuten para cafeacute soluble B 19
5 Grafica de interaccioacuten para cafeacute soluble C 19
6 Grafica de interaccioacuten para cafeacute soluble D 19
7 Grafica de efectos normales para dureza del cafeacute regular 20
8 Grafica de interaccioacuten para dureza del cafeacute regular 20
9 Grafica de efectos normales para porcentaje de aglomerado 20
10 Grafica de interaccioacuten para porcentaje de aglomerado del cafeacute regular 20
11 Grafica de dispersioacuten de la presioacuten del sistema 21
12 Grafica del vaciacuteo vs porcentaje de adhesioacuten 21
13 Graacutefico de humedad relativa del aire 22
14 Grafico anova para dureza 24
15 Grafica de rendimientos con flujo de aire de 900 rpm a 1100 rpm 25
1
CAPIacuteTULO 1 INTRODUCCIOacuteN
Los procesos de aglomeracioacuten han existido desde hace varios antildeos con el fin de acondicionar
fiacutesicamente diferentes tipos de materiales y para diferentes propoacutesitos como es el caso de la
palatizacioacuten del mineral de hierro que es realizada en las siderurgiasPor su parte en la industria
farmaceacuteutica y en la produccioacuten de algunos alimentos como el cafeacute soluble los productos laacutecteos
entre otros la aglomeracioacuten de partiacuteculas finas tiene gran aplicacioacuten ya que permite obtener
graacutenulos de mayor tamantildeo con una estructura de poros abiertos a fin de poder absorber liacutequidos
y facilitar la dispersioacuten inmediata lo permite obtener un producto de alta dispersabilidad fluidez
segregacioacuten densidad fragilidad etc (Wolfgang 2008)
La aglomeracioacuten es un proceso que promueve el incremento de tamantildeo del soacutelido (graacutenulo)
mediante la adhesioacuten de partiacuteculas pequentildeas (soacutelidos finos) sobre otra partiacutecula de mayor tamantildeo
por la accioacuten de un liacutequido ligante en un sistema que presentan dos zonas la zona de aspersioacuten
que es el aacuterea donde el liacutequido aglomerante tiene el primer contacto con las partiacuteculas finas que
colisionan entre siacute formando puentes liacutequidos que al evaporarse dan lugar a enlaces soacutelidos
donde los finos se adhieren a los gruesos (Kumar amp Ramkrishna 1997) Y la zona de dispersioacuten
que es el aacuterea donde se mezclan con aire caliente para el secado Para llevar a cabo esta operacioacuten
se emplean diversos equipos en su mayoriacutea granuladores de lecho fluidizado mezcladores y
secadores de lecho fluido ( Litster J 2003)
Actualmente puede observarse como una combinacioacuten de tres diferentes mecanismos
humectacioacuten y nucleacioacuten consolidacioacuten y coalescencia atricioacuten y rompimiento El aumento del
tamantildeo de partiacuteculas es un teacutermino geneacuterico que engloba las operaciones unitarias relacionadas
con la tecnologiacutea de materiales pulverizados de medios granulares y la mecaacutenica de soacutelidos
(Litster amp Bryan 2004)
La aglomeracioacuten depende de la naturaleza fiacutesica del sistema partiacutecula solidandashliacutequido aglomerante
y de las variables asociadas al equipo De esta forma es importante controlar dichos paraacutemetros
operacionales dado que una mala relacioacuten entre estos traeriacutea problemas en la operacioacuten
2
11 Estado del Arte
El proceso de aglomeracioacuten ha sido estudiado y analizado por varias deacutecadas el disentildeo y anaacutelisis
de tales sistemas permanece enraizado al empirismo debido a que no hay una metodologiacutea para el
disentildeo y operacioacuten de tales procesos asiacute mismos las plantas industriales donde se llevan a cabo
procesos de granulacioacuten y secado por aspersioacuten han enfrentado una serie de problemas
relacionados con la pegajosidad de las partiacuteculas inertes a las paredes de los diversos equipos
empleados incluyendo razones de reciclado pobre control en la calidad del producto obtenido
siendo necesario el reprocesado del producto incrementando el costo de produccioacuten Este
problema tiene su origen en el escaso entendimiento de la influencia de los paraacutemetros
operacionales sobre el proceso (Iveson amp Hapgood 2001)
Investigadores como (Lister amp Waters 1988) (Parveen 2012) han establecido que durante el
proceso de aglomeracioacuten se ve influenciado por la distribucioacuten de tamantildeos de los soacutelidos pues la
polidispersidad de la poblacioacuten de soacutelidos induce al recubrimiento o adhesioacuten de las partiacuteculas
pequentildeas sobre las de mayor tamantildeo Asiacute mismo existe una posible influencia combinada entre el
paraacutemetro temperatura (cuyos niveles de estudio son adecuados para averiguar la influencia de
eacuteste paraacutemetro sobre el comportamiento de crecimiento del aglomerado) y la polidispersidad de
los soacutelidos
(Sastry amp Fuerstenau 1973)Estudiaron que la adhesioacuten de partiacuteculas sin formacioacuten de puentes
(fuerzas de van der Waals o electrostaacuteticas) forman aglomerados relativamente deacutebiles En
cambio los que forman puentes son maacutes fuertes Por su parte (Canela 1996) determino que la
resistencia de los aglomerados depende de las fuerzas fiacutesicas que mantienen unidas a las
partiacuteculas y la magnitud de eacutestas depende del tamantildeo de partiacutecula la carga superficial la
estructura cristalina la proximidad de las partiacuteculas la cantidad de aditivos y de otras
propiedades fisicoquiacutemicas del sistema como lo son la naturaleza quiacutemica de la partiacutecula los
coeficientes de frotamiento interno de la partiacutecula masa volumeacutetrica y fuerza de cohesioacuten
(Schaafsma amp Kossen 2006)Estudiaron la influencia de alimentar el liacutequido aglomerante
atomizado por pulsos y temperatura del medio fluidizante (40 y 60degC) sobre el crecimiento del
aglomerado El aglomerador empleado teniacutea una geometriacutea coacutenica y contaba con un cicloacuten para
limpiar el aire de los finos arrastrados por eacuteste Se emplearon soacutelidos de α-lactosa monohidratada
malla No 110 y como liacutequido aglomerante polyvinylpirrolidona al 8 Los resultados obtenidos
indicaron que el crecimiento del aglomerado se ve influenciado por la humedad presente en el
lecho mientras que encontraron diferentes efectos de la temperatura del medio fluidizante sobre
el crecimiento del aglomerado a baja temperatura 40degC el graacutenulo crece a su tamantildeo final maacutes
raacutepido que a 60degC
(Tan HS Salman AD 2006)Estudiaron la influencia de algunos paraacutemetros operacionales
responsables del crecimiento del aglomerado empleando como soacutelido de trabajo Glass Ballotini
cuya distribucioacuten de tamantildeos estaba comprendida entre 73-375 microacutemetros El agente
3
aglomerante empleado fue Polyentilen Glycol Los paraacutemetros operacionales analizados fueron
tasa de atomizacioacuten del agente aglomerante (288 m3 ∙s-1) temperatura en el lecho de soacutelidos
(28 32 36 y 40degC) presioacuten de atomizacioacuten (15 bar) y velocidad del aire fluidizante (097 m∙s-1)
Los resultados indicaron que el crecimiento del aglomerado depende directamente de la cantidad
relativa del agente aglomerante atomizado sobre el lecho el cual determina la velocidad del
proceso de agregacioacuten Asiacute mismo el crecimiento del aglomerado se ve favorecido con el
incremento en los niveles de temperatura Con referencia al tamantildeo de gota del agente
aglomerante atomizado concluyeron que una gota de mayor tamantildeo incrementa el crecimiento
global del aglomerado mientras que una gota de menor tamantildeo induce a un crecimiento inicial
maacutes raacutepido Finalmente el crecimiento global del aglomerado se reduce al incrementar la
velocidad del aire
(Dolinski 2000) Encontroacute que en el secado de aspersioacuten de zumos de frutas con elevado contenido
de azucares los compuestos tienen temperaturas de transicioacuten viacutetrea bajas presenta problemas
de pegajosidad (stickiness) El teacutermino ldquostickinessrdquo hace referencia a los fenoacutemenos de cohesioacuten
partiacutecula-partiacutecula y de adhesioacuten partiacutecula-pared que presentan los polvos obtenidos que dificulta
su presentacioacuten en estado polvo y mancha las paredes de los cilindros de pulverizacioacuten (Al quedar
en la pared del compartimiento de secado como un jarabe da lugar a bajas producciones del
producto y a problemas operacionales)
(Boonyai 2004) Explica que la mayor causa de la pegajosidad en polvos amorfos de zumos en el
secado por aspersioacuten es la accioacuten plastificante del agua en la superficie que da lugar a la adhesioacuten
y cohesioacuten El alto contenido en azuacutecares de bajo peso molecular y aacutecidos orgaacutenicos disminuye la
temperatura de transicioacuten viacutetrea (Tg) por debajo de la temperatura de preparacioacuten del producto
incluso a la temperatura de salida del secado Esto conlleva a la existencia de un estado pseudo-
liacutequido de material amorfo que es responsable de la cohesioacuten interpartiacuteculas y de la adhesioacuten de
las partiacuteculas a las paredes del cilindro Cuanto mayor sea esta diferencia de temperatura (ΔT=Tp -
Tg) mayor seraacute el grado de pegajosidad
Como puede visualizarse existe un grupo muy amplio de paraacutemetros operacionales que inciden en
el comportamiento del proceso de aglomeracioacuten y los problemas asociados a este Sin embargo la
investigacioacuten y anaacutelisis de este tipo de proceso se centra en los paraacutemetros que se pueden
controlar de manera adecuada pues los equipos empleados para tal investigacioacuten son de tipo
escala piloto o banco los cuales son disentildeados y construidos para manipular un nuacutemero reducido
de paraacutemetros Por su parte se han propuestos teacutecnicas para resolver anomaliacuteas presentadas por
la influencia de variables que se afectan unas con otras
(Espantildea Patente nordm 36848 1967) Propuso un procedimiento para obtener aglomerados fuertes de
cafeacute soluble mediante la reduccioacuten de la temperatura de las partiacuteculas hasta menos 7deg antes de
entrar en contacto con vapor de agua y con humedades de 3 a 4 El enfriamiento se logra con la
inyeccioacuten de co2 liquido en el molino de martillos asiacute mismo demostroacute que la reduccioacuten de
tamantildeo a menos de 54 micras se forman enlaces fuertes y se evita la degradacioacuten o separacioacuten de
los graacutenulos durante el secado en la caacutemara Su metodologiacutea consistioacute en pruebas a diferentes
4
niveles de temperaturas cantidad de vapor humedad y temperatura del producto inicial
obteniendo aglomerados de gran dureza y buena apariencia fiacutesica
(Schaafsma SH 1998) Propuso en su trabajo de investigacioacuten relacionado con la aglomeracioacuten de
soacutelidos un proceso de crecimiento de un aglomerado originado a partir de una gota de liacutequido En
su propuesta describe el crecimiento del aglomerado a partir de dos etapas Inicialmente se
presenta un raacutepido crecimiento que toma lugar por el mojado de las partiacuteculas lo cual resulta en
la formacioacuten de un aglomerado inicial La segunda etapa de crecimiento es iniciado por el
transporte de liacutequido del aglomerado hacia las partiacuteculas que lo rodea El crecimiento del
aglomerado toma lugar por la unioacuten de partiacuteculas Si un poro en la superficie de un aglomerado
estaacute saturado con liacutequido entonces partiacuteculas libres pueden alcanzar la fase liacutequida en el poro y un
puente liacutequido puede ser formado Acorde a este proceso se puede concluir que la distribucioacuten de
tamantildeos de partiacuteculas y porosidad juega un papel importante en el tamantildeo final del aglomerado
Diversos autores han utilizado diferentes aproximaciones ingenieriles para entender y describir el
comportamiento de un proceso de granulacioacuten Un anaacutelisis estadiacutestico de un disentildeo experimental
permite determinar cualitativamente el efecto de un paraacutemetro del proceso sobre el aglomerado
tomando como referencia el tamantildeo promedio de la poblacioacuten de partiacuteculas aglomeradas
(Montgomery 2007) Mientras que el uso de un balance de poblacioacuten permite tratar de manera
fundamental procesos que involucran fenoacutemenos de nacimiento y muerte de partiacuteculas en un
determinado volumen de control (VC) (Hulbert 1967)
(Cryer A S y Scherer NR 2003 ) Implementaron un disentildeo factorial fraccional a frac12 en un
aglomerador coacutenico para evidenciar la influencia de ciertos paraacutemetros importantes relacionados
con la aglomeracioacuten de un producto agroquiacutemico cuya distribucioacuten inicial comprendiacutea tamantildeos
entre 01 a 100 micrones y cuyo diaacutemetro promedio inicial era de 20 micrones El agente
aglomerante empleado fue agua destilada Los paraacutemetros operacionales analizados fueron flujo
de aire (0106-0153 m3 s-1) temperatura de alimentacioacuten del aire (40-60degC) tasa de atomizacioacuten
del agente aglomerante (370x103 -542x103 kg s - 1 ) carga de soacutelidos inicial (25-35kg) y altura de
la boquilla de atomizacioacuten (posiciones 1 y 3) A partir del anaacutelisis estadiacutestico (el cual se realizoacute con
un nivel de significancia de 99) se evidencioacute la significancia de los factores bajo estudio siendo la
tasa de atomizacioacuten y carga de soacutelidos los de mayor efecto mientras que la temperatura y flujo de
aire resultaron marginalmente significativos en el crecimiento del aglomerado mientras que la
altura de la boquilla no influye en el crecimiento del aglomerado
(Riacuteos 2005) Implementoacute un disentildeo factorial 2 a la 3 en un aglomerador de lecho fluidizado coacutenico
para aglomerar soacutelidos de Tamarindo con un diaacutemetro promedio de 784 micrones Los factores
controlables fueron temperatura del aire fluidizante (80-100degC) tiempo de atomizacioacuten (3-5 min)
y masa de soacutelidos cargados al sistema (200-300g) El agente aglomerante empleado fue agua
destilada El anaacutelisis estadiacutestico (realizado con un nivel de significancia del 95) determinoacute que el
tiempo de atomizacioacuten del agente aglomerante fue el principal paraacutemetro que afecta el
crecimiento del aglomerado mientras que la temperatura y carga de soacutelidos no afectan el
crecimiento del aglomerado Cabe resaltar que se probaron los niveles de significancia de 90 y
5
75 con el objetivo de probar los posibles efectos de los paraacutemetros que no resultaran
significativos a un nivel del 95 El resultado obtenido a un nivel de significancia del 90
determinoacute que el tiempo de atomizacioacuten asiacute como la temperatura del aire resultaron
significativos es decir afectan en el crecimiento del aglomerado Asiacute mismo se determinoacute que a
un nivel de significancia del 75 los paraacutemetros tiempo de atomizacioacuten temperatura carga de
soacutelidos asiacute como la interaccioacuten entre la temperatura y carga de soacutelidos afectan el crecimiento del
aglomerado El anaacutelisis realizado a estos niveles de significancia (75 y 90) se evaluaron para
futuros trabajos relacionados con la aglomeracioacuten de soacutelidos de Tamarindo
(Dacanal amp Menegalli 2008) Implementaron un disentildeo factorial fraccional 24-1 en un aglomerador
con geometriacutea coacutenica el cual contaba con un cicloacuten para limpiar el aire de los finos arrastrados
con el objetivo de evidenciar la significancia de ciertos paraacutemetros operacionales que influyen en
el proceso de crecimiento de aglomerados de soacutelidos de acerola (Cerezo de las Antillas) La
poblacioacuten inicial de los soacutelidos contaba con un diaacutemetro promedio inicial de 954 micrones El
agente aglomerante empleado fue agua Los paraacutemetros bajo estudio fueron temperatura del aire
fluidizante (75-90degC) velocidad del aire fluidizante (025-045 ms-1 ) flujo de aire de atomizacioacuten
(050-070 lh-1 ) y altura de la boquilla con respecto al lecho (050-070 m) El anaacutelisis estadiacutestico
(realizado con un nivel de significancia del 95) evidencioacute la influencia de solo la velocidad del aire
sobre el crecimiento del aglomerado Sin embargo los autores expresan que la temperatura del
aire debe afectar el crecimiento del aglomerado pero los niveles ensayados no fueron los
adecuados Cabe resaltar que la altura de la boquilla y flujo de aire en la boquilla no resultaron
significativos es decir no influyeron en el crecimiento del aglomerado
6
12 Planteamiento del Problema
En Cafeacute Tostado de Exportacioacuten durante el proceso de aglomeracioacuten de cafeacute soluble para la
obtencioacuten de granulado efectuado en un secador por aspersioacuten con lecho fluido integrado se
presenta la pegajosidad de los polvos finos a las paredes de la base coacutenica del equipo y conforme
transcurre el tiempo la cantidad adherida se compacta formando capas gruesas llegando al punto
en que el mismo calor en el interior lo derrite y cae en forma de masas elaacutesticas o masas solidas de
gran volumen obstruyendo el paso de los graacutenulos por lo que la produccioacuten se detiene generando
contratiempos al quitar todo el cafeacute compactado Esta anomaliacutea afecta la eficiencia del proceso y
disminuye el rendimiento
La problemaacutetica se da en la produccioacuten de diversos tipos de cafeacute granulado desde mezclados
descafeinados y puros asiacute como en los diversos paraacutemetros de operacioacuten y aunque se han
implementado vibradores de alto rendimiento en la base coacutenica del equipo el problema sigue
teniendo impacto
13 Objetivos General
Optimizar el proceso de aglomeracioacuten de polvos finos de cafeacute soluble para la mejora del
rendimiento
Especiacuteficos
Evaluar el efecto de las variables de operacioacuten sobre el comportamiento de los
aglomerados asiacute como las caracteriacutesticas finales deseadas
Determinar mediante corridas experimentales las variables con mayor incidencia en la
pegajosidad del producto
Optimizar los paraacutemetros operacionales mediante el balance de materia y energiacutea
13 Definicioacuten de variables
Las variables que se manejaran en este proyecto se mencionan a continuacioacuten
Condiciones operativas del sistema temperatura de aire de entrada y salida presioacuten de
vapor flujo de aire de entrada y salida
Propiedades de los soacutelidos iniciales tamantildeo de partiacutecula humedad temperatura y
densidad
Humedad relativa del aire
Presioacuten del sistema y trasferencia de calor
7
15 Hipoacutetesis
1 Los aglomerados pierden cohesioacuten durante el secado debido a que hay un enlace de
partiacuteculas deacutebiles las cuales se separan generando una cantidad de polvos finos que son
arrastradas por la corriente de aire de forma turbulenta hasta la parte inferior dando
lugar a la adhesioacuten y compactacioacuten
2 La variacioacuten de la presioacuten del sistema (vaciacuteo) presenta anomaliacuteas en la distribucioacuten de
aire trayendo consigo alto acarreo de polvos finos por lo que presenta depoacutesitos a las
paredes de la caacutemara de secado
3 La continua variacioacuten de las condiciones de operacioacuten afecta en la formacioacuten y crecimiento
de las partiacuteculas dando lugar al arrastre excesivo de polvos como del medio aglomerante
reflejando en el escaso o nulo crecimiento de la partiacutecula y por ende adhesioacuten a las
paredes
4 La concentracioacuten de azucares tiene efecto significativo en la pegajosidad
16 Justificacioacuten del Proyecto
Hoy en diacutea el control de los procesos de aglomeracioacuten bajo su contexto de granulacioacuten huacutemeda es
muy complejo al llevar a cabo diferentes mecanismos dentro de sistemas que manejan
transferencia de calor transferencia de masa mecaacutenica de fluidos y termodinaacutemica por
consiguiente dependen de las variables de operacioacuten la naturaleza de los soacutelidos y del liacutequido
ligante
El presente proyecto se realiza en una empresa de cafeacute soluble donde se lleva cabo el proceso de
aglomeracioacuten en la cual presenta problemas de pegajosidad de partiacuteculas finas a las paredes del
equipo y el rendimiento se ve afectado El proyecto es seguimiento de un estudio anterior en la
que se analizaron y estudiaron varios tipos de cafeacutes encontraacutendose que los mezclados
presentaban maacutes adhesioacuten que los puros por consiguiente se determinaron las condiciones
oacuteptimas de operacioacuten de acuerdo las especificaciones finales mediante el uso de graficas de
control sin embargo eso no detuvo la problemaacutetica ya que hasta la fecha sigue presenciaacutendose
Siendo necesario estudios maacutes a fondo basado en teacutecnicas experimentales o de modelos
matemaacuteticos para entender la interaccioacuten de una variable sobre el comportamiento
La finalidad de este proyecto es la optimizacioacuten de los paraacutemetros operacionales de las variables
del proceso que inciden en la anomaliacutea Para ello se emplearan herramientas estadiacutesticas (disentildeo
de experimentos) para la evaluacioacuten y determinacioacuten de los efectos de las variables de entrada
(factores) sobre una variable de salida (respuesta) y el balance de materia-energiacutea para el control y
la optimizacioacuten
8
17 Limitaciones y Alcances
Limitaciones
Se respetaran los lineamientos de la empresa por lo que los nombres de los productos a
estudiar seraacuten restringidos y su uso seraacute mediante letras o nuacutemeros
El tiempo de estudio comprenderaacute 3 meses por lo que simplemente se abarcaran los
tipos de cafeacute que se produzcan en ese lapso
Debido a que el proceso es continuo los operarios son los uacutenicos que tienen el control de
las condiciones del equipo por consiguiente se tomaran solo los paraacutemetros empleados
para cada tipo de producto y estas son las que se manejaran en el disentildeo experimental
Alcances
Determinacioacuten de los factores influyentes en la pegajosidad del cafeacute y optimizacioacuten de los
mismos
Control de los paraacutemetros operacionales
Implementacioacuten de acciones de mejora continuacutea para el sistema
18 La Empresa
Cafeacute Tostado de Exportacioacuten tiene su inicio el 13 de Mayo de 1972 en la Ciudad de Tuxtla
Gutieacuterrez Chiapas Es una empresa que pertenece al grupo SANROKE que actualmente se
encuentra ubicada en la ciudad de Coacuterdoba Veracruz Comenzoacute produciendo cafeacute tostado y
molido posteriormente inicia en el proceso de cafeacute soluble logrando obtener otros subproductos
del cafeacute soluble como el aglomerado lechero y capuchino Fue una de las primeras empresas en
su ramo en estar certificada por la norma ISO 90012008 Actualmente cuenta con certificaciones
de labor social medio ambiente calidad orgaacutenicas e inocuidad lo que refleja su cumplimiento de
los estaacutendares internacionales
Es una compantildeiacutea liacuteder por su firme compromiso con la calidad y la satisfaccioacuten del cliente
Sumando hasta el diacutea de hoy deacutecadas de experiencia y dedicacioacuten en la industria del cafeacute El
aumento del consumo de esta bebida en el mundo ha sido paralelo a su desarrollo econoacutemico
representando una gran oportunidad para encontrar nuevos socios y expandir sus actividades
demostrando al resto del mundo coacutemo la disciplina y el trabajo duro conducen al eacutexito
Misioacuten
Elaboracioacuten de productos de la maacutes alta calidad a traveacutes de la seleccioacuten de materia prima superior
y los maacutes altos estaacutendares de manufactura satisfaciendo el gusto de los consumidores generando
beneficios para los accionistas colaboradores clientes proveedores y comunidad en general
9
Visioacuten
Convertirse en liacutederes del mercado nacional y ampliar su presencia en el mercado extranjero con
productos de calidad insuperable con el mejor sabor que proporcione deleite y satisfaccioacuten a
quien los consuma
En cafeacute tostado de exportacioacuten para obtener cafeacute soluble granulado se llevan cabo varias
operaciones unitarias
Tostado se exponen los granos de cafeacute a un calentamiento en el cual provoca inicialmente
una liberacioacuten de agua ligada hasta alcanzar el calor deseado mantenieacutendolo en continuo
movimiento para asegurar un tostado completo del grano cuando finaliza el tostado el
cafeacute es enfriado y almacenado
Molienda y Extraccioacuten para la reduccioacuten del tamantildeo el cafeacute tostado requiere un corte
mediante una accioacuten de compresioacuten y friccioacuten para provocar partiacuteculas de tamantildeo y
forma adecuados Una vez molido se hace la extraccioacuten de solidos solubles aplicando agua
caliente para generar una infusioacuten que obtenga todo el sabor y aroma presente en los
granos
Centrifugacioacuten y evaporacioacuten mediante una maacutequina de fuerza centriacutefuga se elimina la
mayor parte de los residuos que quedan de la extraccioacuten Posteriormente el extracto
liacutequido obtenido entra en la evaporacioacuten donde se elimina la mayor parte de agua y el
producto queda concentrado
Secado el liacutequido es secado mediante un secador por aspersioacuten en una corriente de aire
caliente donde las gotitas finamente al contacto con el calor evaporan el agua
convirtieacutendose en polvo esfeacuterico instantaacuteneo
Aglomeracioacuten es la operacioacuten designada para la formacioacuten de partiacuteculas de mayor
tamantildeo operando sobre la base de re-humidificacioacuten de la superficie del polvo de cafeacute con
vapor de agua en una atmoacutesfera turbulenta de aire caliente de manera que al colisionar
las partiacuteculas entre siacute los finos se adhieren a los gruesos formaacutendose los aglomerados
La variedad de presentaciones y la calidad de sus producto han permitido permanecer en el gusto
del puacuteblico contando con sus tradicionales cafeacutes tostados y molidos los praacutecticos cafeacutes solubles
aglomerados y ahora liofilizado caacutepsulas de cafeacute expreso teacute de cafeacute verde y crema untable
Caferetas Actualmente es liacuteder en el mercado internacional del cafeacute instantaacuteneo liacuteder local y
regional de cafeacute soluble granulado bajo el nombre de cafeacute ldquoLos Portales de Coacuterdoba ldquo
10
CAPIacuteTULO 2 METODOLOGIacuteA
21 Eleccioacuten de los factores y los niveles
Los factores seraacuten las condiciones de operacioacuten del equipo aglomerador de las cuales se
seleccionaran solo las que tengan maacutes impacto en la formacioacuten del granulo y posible influyente en
el problema los niveles estaraacuten definidos como altos y bajos
22 Seleccioacuten de la variable de respuesta
La variable de respuesta estaacute definido como las caracteriacutesticas fisicoquiacutemicas del producto final color densidad humedad dureza y porcentaje de aglomerado pero solo se seleccionaraacuten dos de ellas Tambieacuten se contemplara como respuesta el porcentaje de adhesioacuten
23 Eleccioacuten del disentildeo experimental
La eleccioacuten del disentildeo implicara la consideracioacuten del tamantildeo de la muestra (nuacutemero de reacuteplicas)
El intereacutes se centrara en identificar queacute factores causan esta diferencia y en estimar la magnitud
del cambio de la respuesta Por lo que pueden utilizarse uno o maacutes disentildeos experimentales de
acuerdo a las variables manejadas las cuales pueden ser factorial por bloques completamente al
azar y superficie de respuesta
24 Realizacioacuten del disentildeo de experimentos
Una vez seleccionado el o los disentildeos se ejecutaran para obtener los valores de las respuestas para
la cuales se contara con el apoyo de aacuterea de control de calidad quien proporcionara esta
informacioacuten asiacute como tambieacuten la ayuda de los operarios quienes son los expertos en manejar las
condiciones del equipo Los datos obtenidos se ingresaran a un programa estadiacutestico para
determinar los efectos y obtener las graacuteficas
25 Monitoreo de los flujos de aire humedad relativa y presioacuten del sistema
Se haraacute un monitoreo en los flujos de aire humedad relativa y presioacuten del sistema en lapso de
tiempo adecuado para evaluar el comportamiento de estas variables los datos se registraran en
Excel para la elaboracioacuten de graacuteficas
26 Anaacutelisis de datos
En esta fase se utilizaran programas estadiacutesticos para analizar y comparar los datos a fin de
determinar que los resultados y las conclusiones sean objetivos Se aplicara un anaacutelisis de varianza
11
(anova) la cual puede ser de un solo factor o multifactorial con niveles de significancia
dependiendo del tipo de disentildeo y con ello se haraacute la prueba de hipoacutetesis
27 Anaacutelisis de los efectos de los paraacutemetros operacionales
El anaacutelisis de los efectos de los paraacutemetros operacionales (factores) sobre la variable de
respuesta se efectuara mediante las graacuteficas de interaccioacuten y las graacuteficas de efectos normales que
se obtendraacuten en el software estadiacutestico con la finalidad de determinar coacutemo afecta cada factor
en el comportamiento de una propiedad caracteriacutestica del granulo
28 Aplicacioacuten del balance de materia y energiacutea
Para realizar este caacutelculo primero se haraacuten las conversiones de flujo de aire de velocidad angular a
velocidad lineal para posteriormente calcular el caudal del aire que pasa por los conductos asiacute
mismo se calculara el volumen de la caacutemara de secado y la base conicaEl uso de la carta
psicomeacutetrica seraacute de gran importancia para determinar la humedad absoluta del aire las
eficiencias teacutermicas y la temperatura de saturacioacuten adiabaacutetica Para la entalpia del aire se
utilizaran foacutermulas adecuadas de termodinaacutemica Las formulas del balance de materia y energiacutea
que se utilizara seraacute las establecidas para secadores por aspersioacuten Una vez reunido los valores se
sustituiraacuten para obtener los correspondientes la variable que se necesita encontrar es la cantidad
de humedad relativa y el calor en la salida de la caacutemara de secado
29 Optimizacioacuten del proceso
La optimizacioacuten del proceso se efectuaraacute de acuerdo a los resultados de los monitoreos del flujo
de aire humedad relativa los efectos obtenidos en el disentildeo de experimentos y sobre todo los
caacutelculos de balance de materia ndashenergiacutea
12
CAPIacuteTULO 3 DESARROLLO DEL PROYECTO
31 Equipo experimental
El equipo experimental utilizado fue un secador por aspersioacuten con lecho fluido integrado (Anexo1)
que consta de una caacutemara de secado proyectado sobre una base coacutenica mediante la cual una
corriente de aire caliente es suministrado por un ventilador de entrada creando una atmosfera
turbulenta donde los polvos finos entran en contacto con vapor de agua y mediante el secado se
forman los aglomerados este equipo maneja varias condiciones de operacioacuten que le dan las
caracteriacutesticas al producto Las herramientas estadiacutesticas empleados fueron Excel para el anaacutelisis
de varianza y prueba de hipoacutetesis del disentildeo por bloques al azar minitab para el anaacutelisis de los
efectos de los factores sobre la variable de respuesta y stargrapics para el anaacutelisis de varianza del
segundo disentildeo experimental
32 Monitoreos
Se hizo un monitoreo en los flujos de aire de entrada flujo de salida el vaciacuteo del sistema y la
humedad relativa del aire en un lapso de 5 horas diarias por 10 lotes de produccioacuten evaluando
tambieacuten la adhesioacuten en cada uno de ellos se registraron los datos en Excel mediante estos datos
se elaboroacute una graacutefica de dispersioacuten para ver el comportamiento de estas variables
33 Disentildeo de experimentos
Se utilizoacute un disentildeo de bloques completamente al azar en la cual los tratamientos fueron la
concentracioacuten de azucares con respuesta de porcentaje de adhesioacuten Cabe mencionar que cada
tratamiento indica un tipo de producto por su concentracioacuten
Tabla 1 Tratamientos del disentildeo por bloques al azar
TRATAMIENTO CONCENTRACION
A 0
B 5
C 10
D 15
F 17
Se formularon dos hipoacutetesis
H0=La concentracioacuten de azucares no tiene efecto en la pegajosidad de los polvos finos si F es
menor o igual a la F tabulada
13
H1=La concentracioacuten de azucares tiene efecto significativo si F de Fisher es mayor que la F
tabulada
Se utilizoacute un disentildeo factorial 23 para determinar el efecto de tres condiciones de operacioacuten
(factores) las cuales fueron velocidad de aire temperatura de entrada y temperatura de salida con
dos niveles teniendo como respuestas la dureza del granulo para 5 tipos de cafeacute soluble
Tabla 2 Factores y niveles del Disentildeo factorial 23
TIPOS FACTORES NIVEL BAJO NIVEL ALTO RESPUESTAS
Cafeacute soluble
ABCDF
Temperatura de entrada
217 227 220 212
235 231 236 228
Dureza
Temperatura de salida
133 139 137 134
135 142 138 135
Velocidad de aire
800 849 690 975
1000 850 950 1050
Tambieacuten se empleoacute un disentildeo factorial de 23 para determinar los efectos de tres factores No
Criba del molino de martillos con nivel de 33-55 la presioacuten de vapor con nivel de 15-20 y la
temperatura de producto nivel de 30-35 las respuestas que se eligieron para este disentildeo fue la
dureza del granulo y el porcentaje de aglomerado este experimento se inicioacute empleado la
herramienta estadista minitab en la cual se ingresaron estos factores con sus niveles arrojando 8
corridas por las combinaciones
Tabla 3 Corridas experimentales del disentildeo 23
Factores
corridas Presioacuten de
vapor
NoCriba Temperatura de
partiacutecula
1 15 33 30
2 2 33 30
3 15 54 30
4 2 54 30
5 15 33 35
6 2 33 35
7 15 54 35
8 2 54 35
14
34 Realizacioacuten del disentildeo de experimentos
Para la ejecucioacuten del disentildeo de experimentos se siguioacute con el programa de produccioacuten iniciando
con el disentildeo por bloque completamente al azar la cual se llevoacute en la aglomeracioacuten de 5 tipos de
cafeacute con diferentes concentraciones mencionadas anteriormente desde el arranque del equipo en
la cual los soacutelidos finos iniciales que se cargaron fueron un cafeacute A sin concentracioacuten
posteriormente se cambioacute a los siguientes tipos (BCDF) las condiciones operativas del equipo
estuvieron de la siguiente manera temperaturas de entrada de 190 a 230 temperatura de salida
de 100-140 y velocidad de aire de 600 a 1000 rpm Cada vez que se haciacutea un cambio de producto
se sacoacute la cantidad de solidos finos adheridos de la siguiente manera
(Cantidad alimentada x 98 de rendimiento fijo)- (Cantidad producida)
Mediante esta foacutermula se obtuvo el porcentaje de cada tipo de cafeacute retenido en la base coacutenica
Cantidad adherida x 100
Cantidad alimentada
Los datos quedaron registrados en la tabla 4 donde cada repeticioacuten indica un lote de produccioacuten
diferente
Tabla 4Disentildeo de bloques completamente al azar
REPETICIONES
TRATAMIENTOS I II III
A 625 6033 702
B 1071 859 12
C 7015 6033 927
D 583 95 892
F 992 704 859
G 113 853 905
El primer disentildeo factorial se llevoacute a cabo en la aglomeracioacuten de 4 tipos de cafeacute soluble en la cual
se monitoreo la interaccioacuten de cada factor de acuerdo a los niveles establecidos sobre la respuesta
y se registraron los resultados Las partiacuteculas finas teniacutean las siguientes propiedades iniciales
Densidad 180-210 grcm3
Color 72-84
Humedad 2 a 35
15
Los resultados de los anaacutelisis fisicoquiacutemicos (dureza) fueron proporcionados por el aacuterea de control
de calidad estos datos se ingresaron en minitab y se hizo el anaacutelisis factorial obteniendo las
graacuteficas de interaccioacuten asiacute como tambieacuten la significancia de los efectos
El segundo disentildeo factorial se llevoacute cabo en la aglomeracioacuten de un lote de cafeacute soluble regular con
las siguientes propiedades
Color 72-85
Humedad 2-35
Densidad 190-210
La duracioacuten del lote fue de 10 horas el equipo empleo una velocidad de aire entrada de 900 rpm
con temperatura de 220degc y una velocidad de aire salida de 1765 rpm con temperatura de 135 degC
Se recibioacute ayuda por parte de los operarios para las combinaciones y cada vez que esta se
ejecutaba se tomoacute muestras de 10 grs y se llevoacute a control de calidad para los anaacutelisis de dureza y
porcentaje de aglomerado por cada corrida finalizando este experimento se registraron todos los
resultados en minitab y se hizo el anaacutelisis del disentildeo para las significancias de los factores cabe
mencionar que mediante este programa se obtuvieron las graacuteficas de interaccioacuten
35 Anaacutelisis de datos
Para determinar cualitativamente el efecto de los paraacutemetros del proceso en la aglomeracioacuten de
las partiacuteculas de cafeacute soluble se aplicoacute un anaacutelisis de varianza (ANOVA) con un nivel de
significancia α del 5 a los resultados experimentales La dureza y el porcentaje de
aglomerado se seleccionaron como paraacutemetro de respuestase utilizo el programa de stargrapics
para el anaacutelisis
36 Balance de materia energiacutea
Para el balance de materia y energiacutea primero se hicieron las conversiones de la velocidad angular
del aire de entrada y salida (rpm) a velocidad lineal (ms) empleando la foacutermula
(1rpm) (2π rad)60 x (radio) Asiacute como el caacutelculo del volumen de la caacutemara de secado (anexo 3)
El caacutelculo del caudal de aire de entrada se realizoacute empleando la foacutermula
119876 = 119881 119878
Donde
V=velocidad lineal del aire (ms)
S=aacuterea de la seccioacuten trasversal (m2)
El radio de la seccioacuten transversal para ventilador de entrada fue 0335 y la de salida de 0195
Se sacaron las eficiencias teacutermicas del equipo de la siguiente manera
16
Eficiencia teacutermica global= (11987911198792
1198792119879119900)
Eficiencia de evaporacioacuten= (1198791 1198792
1198791 119879119904119886119905)
Para determinar las temperaturas de saturacioacuten adiabaacutetica (TSAT) y (T0) se utilizoacute la carta psicomeacutetrica (Anexo 2) El balance quedo estructurada de la siguiente forma
Figura 1 Diagrama de flujo del aglomerador
Donde FS1=masa del solido seco (kg)
Ga flujo de aire (kgh)
Ws=contenido de humedad del alimento (kg agua kg solido seco)
Ta=temperatura de entrada
Ta1=temperatura de salida
Ta2=temperatura de solidos
Ga1=flujo de aire entrada
Ga2=flujo salida de aire
H1= humedad relativa del aire entrada
H2=humedad relativa del aire salida
El balance del sistema sin peacuterdidas ni acumulacioacuten quedo de la siguiente manera
FS WS1 +Ga Ha1 = FS WS2 +Ga Ha2
17
Mientras que el balance de energiacutea
FS QS1+ Ga Qa1 = FS QS2 +Ga Qa2 +QL
Donde qs1 y qs2 son las entalpiacuteas del soacutelido entrando y saliendo del secador (KJKg) qa1 y qa2 son
las entalpiacuteas del aire entrando y saliendo del secador (KJKg) qL es el calor perdido (KJ)
El balance con respecto a la humedad se determinoacute mediante la siguiente formula
GH2 LS X1 GH1 LS X2
Donde
GH2= flujo de aire
Ls = flujo de alimentacioacuten
X1= humedad de los soacutelidos iniciales
La entalpia de la salida de aire se calculoacute mediante la foacutermula
HG C2 (TG T0) H
Donde
TG= Temperatura del aire
T0= Temperatura saturacioacuten
H=Entalpia del solido seco
37 Optimizacioacuten
La optimizacioacuten del proceso se llevoacute a cabo en el control de los factores incidentes en la cual se establecieron los rangos a utilizar esto derivado de los caacutelculos de balance y lo obtenido de los efectos en el disentildeo experimental los operarios se apegaron a estas condiciones con sus respectivos rangos y lo llevaron a cabo durante 8 lotes de produccioacuten en ese lapso de tiempo se evaluoacute el comportamiento del rendimiento se registraron los datos y se graficaron
18
CAPIacuteTULO 4 RESULTADOS Y CONCLUSIONES
41 Resultados
Anaacutelisis de efectos disentildeo factorial No1
Figura 2Grafica de efectos normales para el cafeacute soluble ABCD
En la figura 2 se observa la distribucioacuten de los factores A B C para los 4 tipos de cafeacute en la cual la
temperatura de entrada tiene efecto significativo en la dureza con una significancia del 92
mientras que los demaacutes factores no presentaron efectos significativos aunque tambieacuten influyen en
una combinacioacuten para dar la caracteriacutestica fisicoquiacutemica
19
Figura 3Grafica de interaccioacuten para cafeacute
soluble A
Figura 4 Grafica de interaccioacuten para cafeacute
soluble B
Figura 5Grafica de interaccioacuten para cafeacute soluble
C
Figura 6Grafica de interaccioacuten para cafeacute
soluble D
En las figuras 3 4 5 y 6 se muestran el comportamiento de la dureza de acuerdo a los factores
manejados para los cuatro tipos de cafeacute y en cada una de ella se aprecia que los niveles menores
de la temperatura de salida con la temperatura de entrada dieron una dureza igual y por debajo
de 10 asiacute mismo en el factor de velocidad de aire tambieacuten tuvo un comportamiento con niveles
menores Cabe mencionar que ninguna de las combinaciones obtuvo una dureza optima por lo
que se determinoacute que el incremento en la temperatura de salida aumenta la dureza obteniendo
un granulo maacutes fraacutegil
20
Anaacutelisis del disentildeo factorial No2
Figura 7Grafica de efectos normales para
dureza del cafeacute regular
Figura 8Grafica de efectos principales para dureza
del cafeacute regular
En las figuras 7 y 8 se observa que el No de criba tiene efecto significativo sobre la dureza es decir
entre menor abertura tenga la criba la dureza es mucho menor los graacutenulos son maacutes resistentes
mientras que entre mayor sea la abertura los graacutenulos son maacutes fraacutegiles (dureza alta) cabe
mencionar que la mejor dureza obtenida fue con el nuacutemero de malla 33 la presioacuten de vapor de
15 y la temperatura de partiacutecula de 30deg c
Figura 9 Grafica de efectos normales para
porcentaje de aglomerado del cafeacute regular
Figura 10Grafica de interaccioacuten para porcentaje
de aglomerado del cafeacute regular
21
En las figuras 9 y 10 se observa que la temperatura del producto el nuacutemero de criba tiene efecto
significativo sobre el porcentaje de aglomerado entre mayor es el nivel el porcentaje de
aglomerado disminuye determinado que hay maacutes cantidad de polvos finos asiacute mismo si el nivel
de los factores es bajo el porcentaje incremente constantemente Por lo que el comportamiento
del graacutenulo se acopla al incremento o disminucioacuten de estas variables
Monitoreos
Figura 11Grafica de dispersioacuten de la presioacuten del sistema
Figura 12 Grafica del vaciacuteo vs porcentaje de adhesioacuten
En las figuras 11 y 12 se observa el comportamiento del vaciacuteo con las variaciones de aire de
entrada Cabe mencionar que el sistema empleo una sola salida de aire de 1765 rpm Durante los
monitoreos los productos presentaron pegajosidad con entradas de aire menores a 900 rpm
mientras tanto de 1000 a 1150 rpm los productos no presentaron pegajosidad Lo mismo sucedioacute
en el comportamiento del vaciacuteo del sistema para la cual la pegajosidad aumenta y el rendimiento
disminuye con respecto al incremento del vaciacuteo Por lo que esta variable es el factor determinante
y con ello se prueba la hipoacutetesis que la variacioacuten en la presioacuten del sistema genera un arrastre
excesivo de polvos y la humedad no se elimina lo suficiente
120011001000900800700600
08
07
06
05
04
velocidad de entrada( Rpm)
vacio
del
sis
tem
a (
inh
20
)
Graacutefica de dispersioacuten de vacio del sistema vs velocidad de entrada
0
2
4
6
8
10
12
14
0 02 04 06 08 1
D
E A
DH
ESIO
N
VACIO DEL SISTEMA IN H20
22
Figura 13 Graacutefico de humedad relativa del aire
En la figura 13 se aprecia que la humedad relativa del aire inicialmente fue de 66 que
incrementoacute durante los siguientes diacuteas pero fue disminuyendo hasta llegar al 50 Esto debido a
los cambios climaacuteticos cabe mencionar que el equipo no cuenta con un filtrador para retirar el
porcentaje de agua del aire por lo que esta ingresa directamente a la caacutemara de secado siendo
una variable maacutes influyente en la adhesioacuten de los polvos finos
Anaacutelisis de datos
Tabla 5 Anaacutelisis de varianza de dos factores con una sola muestra por grupo
RESUMEN Cuenta Suma Promedio Varianza Fila 1 3 19303 643433333 026902633
Fila 2 3 313 104333333 296443333 Fila 3 3 22318 743933333 275458633 Fila 4 3 2425 808333333 389223333 Fila 5 3 2555 851666667 207763333 Fila 6 3 2888 962666667 216763333
Columna 1 6 51025 850416667 582740417 Columna 2 6 45726 7621 21353864 Columna 3 6 5485 914166667 260997667
Origen de las variaciones
Suma de cuadrados
Grados de libertad
Promedio de los cuadrados F Probabilidad
Valor criacutetico para
F Tratamientos 316103776 5 632207552 297461023 006699316 332583453
Bloques 699763344 2 349881672 164623405 024097493 410282102
Graacutefico de humedad realtva vs lote
0 3 6 9 12 15
lote
50
54
58
62
66
70
74
hu
med
ad
realt
va
23
Error 212534586 10 212534586
Total 598614696 17
En la tabla 5 se muestra el anaacutelisis de varianza de del disentildeo por bloques completamente al azar
de las diferentes concentraciones de azuacutecar por cada tipo de producto Dado que el f de Fisher es
menor que la f tabulada indica que no hay diferencias significativas por lo que se acepta la
hipoacutetesis nula la concentracioacuten de azucares no tiene efecto significativo en la adhesioacuten del cafeacute
ya que la mayoriacutea tuvo un porcentaje de adhesioacuten alta en las tres repeticiones cabe mencionar
que el producto A sin concentracioacuten tambieacuten tuvo adhesioacuten en la suma de cuadrados por bloques
tampoco hubo diferencias significativas
Tabla 6 Anaacutelisis de Varianza para dureza - Suma de Cuadrados Tipo III
Fuente Suma de Cuadrados
Gl Cuadrado Medio
Razoacuten-F Valor-P
EFECTOS PRINCIPALES
APRESION DE VAPOR 005445 1 005445 006 08164
BTAMANtildeO DE PARTICULA 121525 1 121525 1372 00208
CTEMPERATURA DE PARTICULA 471245 1 471245 532 00823
RESIDUOS
354305 4 0885763
TOTAL (CORREGIDO) 204624 7
La tabla 6 muestra el anaacutelisis de varianza del disentildeo factorial en la cual se descompone la
variabilidad de dureza en contribuciones debidas a varios factores Puesto que se ha escogido la
suma de cuadrados Tipo III (por omisioacuten) la contribucioacuten de cada factor se mide eliminando los
efectos de los demaacutes factores Los valores-P prueban la significancia estadiacutestica de cada uno de los
factores Puesto que un valor-P es menor que 005 este factor tiene un efecto estadiacutesticamente
significativo sobre dureza con un 950 de nivel de confianza
24
Figura 14Grafico anova para dureza
En la figura 14 se muestra el grafico anova y se observa la distribucioacuten de la respuesta para los
factores en la cual todas las razones-F se basan en el cuadrado medio del error residual La
mayoriacutea presenta distribucioacuten anova con el valor p mayor a 05 sin embargo para el factor tamantildeo
de partiacutecula el valor es menor a 05 con significancia
Balance de energiacutea
En el balance de materia y energiacutea se obtuvo que la humedad en la salida aglomerado es del 73
cuando hay una entrada de aire de 1550 m3 s con 50 de humedad relativa a una temperatura
de 230degc necesita 1730 KJ kg de calor con una cantidad de aire seco de 2600 kg h para sistema
adiabaacutetico sim embargo el aglomerador no es de este tipo de sistema por lo que se evaluoacute en un
graacutefico psicomeacutetrico (anexo1) encontraacutendose
El aire se calienta a humedad constante (To -T1) Si la caacutemara estuviera aislada y toda la energiacutea
posible se utilizara el aire se enfriariacutea adiabaacuteticamente y la temperatura miacutenima a alcanzar seriacutea la
de bulbo seco de saturacioacuten (Tsat) En realidad la caacutemara no estaacute aislada y no se sigue un
enfriamiento adiabaacutetico El aire sale a una temperatura T2 (ni estaacute saturado ni el proceso es
adiabaacutetico) debido a la baja relacioacuten aire-producto Si el proceso fuera adiabaacutetico saldriacutea a T2
(proceso adiabaacutetico y masas iguales de aire y producto)
ANOVA Graacutefico para DUREZA
-25 -15 -05 05 15 25
Residuos
PRESION DE VAPOR P = 0816415 2
TAMANtildeO DE PARTICULA P = 0020833 54
TEMPERATURA DE PARTICULA P = 0082330 35
25
Optimizacioacuten
De acuerdo a los caacutelculos de balance de materia los flujos de aire de 900 pm a 1100 rpm con una
salida de 1765 rpm mantienen el calor necesario para eliminar la humedad por lo que estas
variables son las que se implementaron y controlaron para la aglomeracioacuten de los diversos
productos
Figura 15 Grafica de rendimientos con flujo de aire de 900 rpm a 1100 rpm
En la figura 15 se observa el comportamiento del rendimiento con las condiciones aire manejadas
que mantuvieron un vaciacuteo de 04 y 05 inicialmente el rendimiento no fue favorable debido a la
humedad relativa sin embargo en los siguientes lotes el rendimiento se mantuvo del 94
mejorando en los siguientes diacuteas al 97 siendo favorable con ello el porcentaje de adhesioacuten
disminuyo al 3 con estas condiciones la caracteriacutestica de porcentaje de aglomerado incremento
al rango oacuteptimo
La optimizacioacuten de las variables de temperatura de salida y tamantildeo de criba consistioacute en la
reduccioacuten de sus rangos de operacioacuten para la cual la dureza mejoroacute apegaacutendose al rango oacuteptimo
925
93
935
94
945
95
955
96
965
0 2 4 6 8 10 12 14
Ren
dim
ien
to
lote
26
42 Conclusiones
Mediante el disentildeo experimentos se encontroacute que el aumento de dos factores temperatura de
salida y el tamantildeo de partiacutecula influyen en el bajo porcentaje de aglomerado y el incremento en la
dureza por que el granulo aglomerado presenta fragilidad y una cantidad de polvos finos Asiacute
mismo con el disentildeo por bloques se determinoacute que la concentracioacuten de azuacutecares de los cafeacutes no
tiene efecto significativo tomando como muestra patroacuten un producto sin concentracioacuten que
tambieacuten presento adhesioacuten en las tres repeticiones Durante el monitoreo se observoacute que los
soacutelidos aglomerados a condiciones de bajo vaciacuteo con humedad relativa del aire baja no
presentaban ninguacuten problema de adhesioacuten mientras que los producto a condiciones de vaciacuteo alto
con humedades por encima de 60 presentaban mayor adhesioacuten en balance de materia se
observoacute que una humedad relativa alta en la salida del equipo necesita mayor calor y cantidad de
aire de entrada para ser eliminado asiacute mismo mediante las eficiencias teacutermicas se evaluoacute el
sistema en una carta psicomeacutetrica y se determinoacute que hay perdida calor en la caacutemara de secado
al no ser adiabaacutetico por lo que la optimizacioacuten del proceso solo fue parcial enfocaacutendose solo a
condiciones del aire de entrada y salida en la que el rendimiento mejoro en un promedio del 96
43 Trabajos Futuros
Derivado al balance y los caacutelculos la humedad relativa es un factor importante en la adhesioacuten del
producto es por ello que el proyecto tiene continuidad en la implementacioacuten de un desumificador
de aire para que el sistema tenga una inyeccioacuten de aire seco el aislamiento (encamisado) de la
caacutemara de secado para evitar pedidas del calor tambieacuten y la determinacioacuten de nuevas condiciones
de operacioacuten debido a los cambios en los flujos aire
44 Recomendaciones
De acuerdo al estudio realizado mediante el disentildeo factorial se determinoacute que la variacioacuten de la
entrada de aire afecta la presioacuten del sistema por lo que se recomienda manejar una sola condicioacuten
de aire para cada producto con respecto a la velocidad de salida ya que el sistema necesita
mantener el equilibrio de las corrientes de aire para que el calor sea necesario y elimine toda la
humedad posible del vapor de agua para evitar que se concentre en la base coacutenica asiacute mismo la
alimentacioacuten de los soacutelidos finos debe tener propiedades caracteriacutesticas oacuteptimas para evitar la
variacioacuten de las condiciones
27
ANEXOS Anexo 1 Equipo aglomerado
Salida de aire
Base coacutenica
Caacutemara de
secado
Lecho
fluidizado
Entrada de
aire caliente
Separador
cicloacutenico
Zona de aspersioacuten de
solidos secos y vapor
de agua
28
Anexo 2 Carta psicomeacutetrica
Fuente Spray Drying Handbook (Masters 1991)
29
Anexo 3 Caacutelculos de velocidad lineal caudales de aire y volumen del equipo
1765 rpm (2πrads)(042)=7763 ms
600 rpm (2πrads)(030) =2638 ms
700 rpm (2πrads)(030)=3078 ms
800 rpm (2πrads)(030) =3518 ms
900 rpm (2πrads)(030) =3965 ms
1000 rpm (2πrads)(030) =4348 ms
1150 rpm (2πrads)(030)=5057ms
Caudal para las diferentes velocidades lineales
1) Q=VS
Q=2638 ms (π 00335m) 2
Q=930 m3s
2) Q=VS
Q=3078ms (π 00335m) 2
Q=1085m3s
3) Q=VS
Q=3518 ms (π 00335m) 2
Q=1240 m3s
4) Q=VS
Q=4348 ms (π 00335m) 2
Q=1550 m3s
5) Q=VS
Q=5057ms (π 00335m) 2
Q=2002 m3s
6) Q=VS
Q=7763 ms (π 0195 m) 2
Q=3708 m3s
30
Velocidad angular de aire (rpm) Caudal (m3s)
600 rpm 93
700 1085
800 1240
1000 1550
1150 2002
1765 3708
Caudales de aire de entrada y salida
Volumen de la caacutemara de secado
V= ℎ1205871199032
v=97 π (21m)
v=140844 m3
V= ℎ1205871199032
v= (09m) (π 21m)
v=2420 m3
Volumen de la base coacutenica
119907 =π r2 h
3
119907 =π (291) lowast 59
3
V=52313 m3
Volumen total del equipo =21734 m3
582 m
59m
582 m
09 m
43m
97 m
31
Anexo 3Caacutelculos de balance de materia y energiacutea
Se determina la velocidad de flujo de aire y la humedad de salida del aglomerador suponiendo
que no hay peacuterdidas de calor en el secador el balance inicia con la alimentacioacuten de 300 kg de
soacutelidos secoh que contienen 0035 kg de humedad totalkg de soacutelido seco hasta un valor de 0002
kg de humedad totalkg de soacutelido seco El polvo fino a granular entra a 35 ordmC y se desea
descargarlo a 32 ordmC El soacutelido seco tiene una capacidad caloriacutefica de 1465 kJkgK que se supone
constante El aire de calentamiento entra a 230 ordmC y con humedad de 0060 kg H2Okg de aire
seco y debe salir a 130
Balance de materia con respecto a la humedad
GH2 LS X1 GH1 LS X2
Reemplazando valores
(060) + 300 (0035)= GH1+ 300 (0002)
El balance de calor para el secador es
GHG2 LS HS1 GHG1 LS HS2 Q
Se calcula la entalpiacutea del aire de entrada HG1
Aglomerador
G1=
TG1=230
H2=
LS=300 KGSh
TS1=35
X1=0035
G2=
TG2=130
H2=060
Ts 2=378
X2=0002
Q
32
HG1=CS 1005188H 1005188(060)
HG1 CS (TG1 T0 ) H
HG1= CS 230 - 0 + 0060(2501) 17306 KJ Kg aire seco
Se calcula la entalpiacutea del aire de salida HG2
C21005188H 1005188 H1
HG1 CS (TG2 T0 ) H
HG1= (1005 + 188 H1 )130 - 0 + H1 (2501)
HG1=130 + 27454 H1
Se calcula las entalpiacuteas de los soacutelidos
HS1 CP S (TS1 T0) X1 CP A ( TS1 T0)
HS1 1465(35 0) 0035 (4187)(35 0) 5713 kJ kg
HS2 CP S (TS2 T0) X2 CP A ( T2 T0)
HS2 1465 (32 ndash 0 ) + 0002(4187)(32 0)=4714 KJ Kg
Reemplazando en el balance de energiacutea
G (17306)+ 300(5713) = G (130 + 27454 H1)+ 300(4714) + 0
G=2600 Kg aire seco por hora
Resolviendo conjuntamente con el balance de materia
G (060) + 300 (0035)= GH1+ 300 (0002)
2600(060) + 105 = 2600 H1 +06
H1=2600(060) +105 + 060 2600
H1=07427 Kg agua kg aire seco
33
Anexo 4Calculo de eficiencias teacutermicas
Datos
T = 230
Ts =147
T0= 30
T sat=45
Eficiencia teacutermica global
Ntermica global= 1198791minus1198792
1198792minus1198790 X 100
Ntermica global = 230minus147
230minus30 100 =415
Eficiencia de evaporacioacuten
Nevaporacion=1198791minus1198792
1198791minus119879119904119886119905
Nevaporacion = 230minus147
230minus45 100 =4486
34
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Equipment
[Escriba aquiacute] [Escriba aquiacute]
Iacutendice de tablas
Tabla Descripcioacuten Pagina
1 Tratamientos del disentildeo por bloques al azar 12
2 Factores y niveles del Disentildeo factorial 23 13
3 Corridas experimentales del disentildeo 23 13
4 Disentildeo de bloques completamente al azar 14
5 Anaacutelisis de varianza de dos factores con una sola muestra por grupo 23
6 Anaacutelisis de Varianza para dureza - Suma de Cuadrados Tipo III 23
Contenido de figuras
Figura Descripcioacuten Pagina
1 Diagrama de flujo del balance del aglomerador 16
2 Grafica de efectos normales para el cafeacute soluble ABCD 18
3 Grafica de interaccioacuten para cafeacute soluble A 19
4 Grafica de interaccioacuten para cafeacute soluble B 19
5 Grafica de interaccioacuten para cafeacute soluble C 19
6 Grafica de interaccioacuten para cafeacute soluble D 19
7 Grafica de efectos normales para dureza del cafeacute regular 20
8 Grafica de interaccioacuten para dureza del cafeacute regular 20
9 Grafica de efectos normales para porcentaje de aglomerado 20
10 Grafica de interaccioacuten para porcentaje de aglomerado del cafeacute regular 20
11 Grafica de dispersioacuten de la presioacuten del sistema 21
12 Grafica del vaciacuteo vs porcentaje de adhesioacuten 21
13 Graacutefico de humedad relativa del aire 22
14 Grafico anova para dureza 24
15 Grafica de rendimientos con flujo de aire de 900 rpm a 1100 rpm 25
1
CAPIacuteTULO 1 INTRODUCCIOacuteN
Los procesos de aglomeracioacuten han existido desde hace varios antildeos con el fin de acondicionar
fiacutesicamente diferentes tipos de materiales y para diferentes propoacutesitos como es el caso de la
palatizacioacuten del mineral de hierro que es realizada en las siderurgiasPor su parte en la industria
farmaceacuteutica y en la produccioacuten de algunos alimentos como el cafeacute soluble los productos laacutecteos
entre otros la aglomeracioacuten de partiacuteculas finas tiene gran aplicacioacuten ya que permite obtener
graacutenulos de mayor tamantildeo con una estructura de poros abiertos a fin de poder absorber liacutequidos
y facilitar la dispersioacuten inmediata lo permite obtener un producto de alta dispersabilidad fluidez
segregacioacuten densidad fragilidad etc (Wolfgang 2008)
La aglomeracioacuten es un proceso que promueve el incremento de tamantildeo del soacutelido (graacutenulo)
mediante la adhesioacuten de partiacuteculas pequentildeas (soacutelidos finos) sobre otra partiacutecula de mayor tamantildeo
por la accioacuten de un liacutequido ligante en un sistema que presentan dos zonas la zona de aspersioacuten
que es el aacuterea donde el liacutequido aglomerante tiene el primer contacto con las partiacuteculas finas que
colisionan entre siacute formando puentes liacutequidos que al evaporarse dan lugar a enlaces soacutelidos
donde los finos se adhieren a los gruesos (Kumar amp Ramkrishna 1997) Y la zona de dispersioacuten
que es el aacuterea donde se mezclan con aire caliente para el secado Para llevar a cabo esta operacioacuten
se emplean diversos equipos en su mayoriacutea granuladores de lecho fluidizado mezcladores y
secadores de lecho fluido ( Litster J 2003)
Actualmente puede observarse como una combinacioacuten de tres diferentes mecanismos
humectacioacuten y nucleacioacuten consolidacioacuten y coalescencia atricioacuten y rompimiento El aumento del
tamantildeo de partiacuteculas es un teacutermino geneacuterico que engloba las operaciones unitarias relacionadas
con la tecnologiacutea de materiales pulverizados de medios granulares y la mecaacutenica de soacutelidos
(Litster amp Bryan 2004)
La aglomeracioacuten depende de la naturaleza fiacutesica del sistema partiacutecula solidandashliacutequido aglomerante
y de las variables asociadas al equipo De esta forma es importante controlar dichos paraacutemetros
operacionales dado que una mala relacioacuten entre estos traeriacutea problemas en la operacioacuten
2
11 Estado del Arte
El proceso de aglomeracioacuten ha sido estudiado y analizado por varias deacutecadas el disentildeo y anaacutelisis
de tales sistemas permanece enraizado al empirismo debido a que no hay una metodologiacutea para el
disentildeo y operacioacuten de tales procesos asiacute mismos las plantas industriales donde se llevan a cabo
procesos de granulacioacuten y secado por aspersioacuten han enfrentado una serie de problemas
relacionados con la pegajosidad de las partiacuteculas inertes a las paredes de los diversos equipos
empleados incluyendo razones de reciclado pobre control en la calidad del producto obtenido
siendo necesario el reprocesado del producto incrementando el costo de produccioacuten Este
problema tiene su origen en el escaso entendimiento de la influencia de los paraacutemetros
operacionales sobre el proceso (Iveson amp Hapgood 2001)
Investigadores como (Lister amp Waters 1988) (Parveen 2012) han establecido que durante el
proceso de aglomeracioacuten se ve influenciado por la distribucioacuten de tamantildeos de los soacutelidos pues la
polidispersidad de la poblacioacuten de soacutelidos induce al recubrimiento o adhesioacuten de las partiacuteculas
pequentildeas sobre las de mayor tamantildeo Asiacute mismo existe una posible influencia combinada entre el
paraacutemetro temperatura (cuyos niveles de estudio son adecuados para averiguar la influencia de
eacuteste paraacutemetro sobre el comportamiento de crecimiento del aglomerado) y la polidispersidad de
los soacutelidos
(Sastry amp Fuerstenau 1973)Estudiaron que la adhesioacuten de partiacuteculas sin formacioacuten de puentes
(fuerzas de van der Waals o electrostaacuteticas) forman aglomerados relativamente deacutebiles En
cambio los que forman puentes son maacutes fuertes Por su parte (Canela 1996) determino que la
resistencia de los aglomerados depende de las fuerzas fiacutesicas que mantienen unidas a las
partiacuteculas y la magnitud de eacutestas depende del tamantildeo de partiacutecula la carga superficial la
estructura cristalina la proximidad de las partiacuteculas la cantidad de aditivos y de otras
propiedades fisicoquiacutemicas del sistema como lo son la naturaleza quiacutemica de la partiacutecula los
coeficientes de frotamiento interno de la partiacutecula masa volumeacutetrica y fuerza de cohesioacuten
(Schaafsma amp Kossen 2006)Estudiaron la influencia de alimentar el liacutequido aglomerante
atomizado por pulsos y temperatura del medio fluidizante (40 y 60degC) sobre el crecimiento del
aglomerado El aglomerador empleado teniacutea una geometriacutea coacutenica y contaba con un cicloacuten para
limpiar el aire de los finos arrastrados por eacuteste Se emplearon soacutelidos de α-lactosa monohidratada
malla No 110 y como liacutequido aglomerante polyvinylpirrolidona al 8 Los resultados obtenidos
indicaron que el crecimiento del aglomerado se ve influenciado por la humedad presente en el
lecho mientras que encontraron diferentes efectos de la temperatura del medio fluidizante sobre
el crecimiento del aglomerado a baja temperatura 40degC el graacutenulo crece a su tamantildeo final maacutes
raacutepido que a 60degC
(Tan HS Salman AD 2006)Estudiaron la influencia de algunos paraacutemetros operacionales
responsables del crecimiento del aglomerado empleando como soacutelido de trabajo Glass Ballotini
cuya distribucioacuten de tamantildeos estaba comprendida entre 73-375 microacutemetros El agente
3
aglomerante empleado fue Polyentilen Glycol Los paraacutemetros operacionales analizados fueron
tasa de atomizacioacuten del agente aglomerante (288 m3 ∙s-1) temperatura en el lecho de soacutelidos
(28 32 36 y 40degC) presioacuten de atomizacioacuten (15 bar) y velocidad del aire fluidizante (097 m∙s-1)
Los resultados indicaron que el crecimiento del aglomerado depende directamente de la cantidad
relativa del agente aglomerante atomizado sobre el lecho el cual determina la velocidad del
proceso de agregacioacuten Asiacute mismo el crecimiento del aglomerado se ve favorecido con el
incremento en los niveles de temperatura Con referencia al tamantildeo de gota del agente
aglomerante atomizado concluyeron que una gota de mayor tamantildeo incrementa el crecimiento
global del aglomerado mientras que una gota de menor tamantildeo induce a un crecimiento inicial
maacutes raacutepido Finalmente el crecimiento global del aglomerado se reduce al incrementar la
velocidad del aire
(Dolinski 2000) Encontroacute que en el secado de aspersioacuten de zumos de frutas con elevado contenido
de azucares los compuestos tienen temperaturas de transicioacuten viacutetrea bajas presenta problemas
de pegajosidad (stickiness) El teacutermino ldquostickinessrdquo hace referencia a los fenoacutemenos de cohesioacuten
partiacutecula-partiacutecula y de adhesioacuten partiacutecula-pared que presentan los polvos obtenidos que dificulta
su presentacioacuten en estado polvo y mancha las paredes de los cilindros de pulverizacioacuten (Al quedar
en la pared del compartimiento de secado como un jarabe da lugar a bajas producciones del
producto y a problemas operacionales)
(Boonyai 2004) Explica que la mayor causa de la pegajosidad en polvos amorfos de zumos en el
secado por aspersioacuten es la accioacuten plastificante del agua en la superficie que da lugar a la adhesioacuten
y cohesioacuten El alto contenido en azuacutecares de bajo peso molecular y aacutecidos orgaacutenicos disminuye la
temperatura de transicioacuten viacutetrea (Tg) por debajo de la temperatura de preparacioacuten del producto
incluso a la temperatura de salida del secado Esto conlleva a la existencia de un estado pseudo-
liacutequido de material amorfo que es responsable de la cohesioacuten interpartiacuteculas y de la adhesioacuten de
las partiacuteculas a las paredes del cilindro Cuanto mayor sea esta diferencia de temperatura (ΔT=Tp -
Tg) mayor seraacute el grado de pegajosidad
Como puede visualizarse existe un grupo muy amplio de paraacutemetros operacionales que inciden en
el comportamiento del proceso de aglomeracioacuten y los problemas asociados a este Sin embargo la
investigacioacuten y anaacutelisis de este tipo de proceso se centra en los paraacutemetros que se pueden
controlar de manera adecuada pues los equipos empleados para tal investigacioacuten son de tipo
escala piloto o banco los cuales son disentildeados y construidos para manipular un nuacutemero reducido
de paraacutemetros Por su parte se han propuestos teacutecnicas para resolver anomaliacuteas presentadas por
la influencia de variables que se afectan unas con otras
(Espantildea Patente nordm 36848 1967) Propuso un procedimiento para obtener aglomerados fuertes de
cafeacute soluble mediante la reduccioacuten de la temperatura de las partiacuteculas hasta menos 7deg antes de
entrar en contacto con vapor de agua y con humedades de 3 a 4 El enfriamiento se logra con la
inyeccioacuten de co2 liquido en el molino de martillos asiacute mismo demostroacute que la reduccioacuten de
tamantildeo a menos de 54 micras se forman enlaces fuertes y se evita la degradacioacuten o separacioacuten de
los graacutenulos durante el secado en la caacutemara Su metodologiacutea consistioacute en pruebas a diferentes
4
niveles de temperaturas cantidad de vapor humedad y temperatura del producto inicial
obteniendo aglomerados de gran dureza y buena apariencia fiacutesica
(Schaafsma SH 1998) Propuso en su trabajo de investigacioacuten relacionado con la aglomeracioacuten de
soacutelidos un proceso de crecimiento de un aglomerado originado a partir de una gota de liacutequido En
su propuesta describe el crecimiento del aglomerado a partir de dos etapas Inicialmente se
presenta un raacutepido crecimiento que toma lugar por el mojado de las partiacuteculas lo cual resulta en
la formacioacuten de un aglomerado inicial La segunda etapa de crecimiento es iniciado por el
transporte de liacutequido del aglomerado hacia las partiacuteculas que lo rodea El crecimiento del
aglomerado toma lugar por la unioacuten de partiacuteculas Si un poro en la superficie de un aglomerado
estaacute saturado con liacutequido entonces partiacuteculas libres pueden alcanzar la fase liacutequida en el poro y un
puente liacutequido puede ser formado Acorde a este proceso se puede concluir que la distribucioacuten de
tamantildeos de partiacuteculas y porosidad juega un papel importante en el tamantildeo final del aglomerado
Diversos autores han utilizado diferentes aproximaciones ingenieriles para entender y describir el
comportamiento de un proceso de granulacioacuten Un anaacutelisis estadiacutestico de un disentildeo experimental
permite determinar cualitativamente el efecto de un paraacutemetro del proceso sobre el aglomerado
tomando como referencia el tamantildeo promedio de la poblacioacuten de partiacuteculas aglomeradas
(Montgomery 2007) Mientras que el uso de un balance de poblacioacuten permite tratar de manera
fundamental procesos que involucran fenoacutemenos de nacimiento y muerte de partiacuteculas en un
determinado volumen de control (VC) (Hulbert 1967)
(Cryer A S y Scherer NR 2003 ) Implementaron un disentildeo factorial fraccional a frac12 en un
aglomerador coacutenico para evidenciar la influencia de ciertos paraacutemetros importantes relacionados
con la aglomeracioacuten de un producto agroquiacutemico cuya distribucioacuten inicial comprendiacutea tamantildeos
entre 01 a 100 micrones y cuyo diaacutemetro promedio inicial era de 20 micrones El agente
aglomerante empleado fue agua destilada Los paraacutemetros operacionales analizados fueron flujo
de aire (0106-0153 m3 s-1) temperatura de alimentacioacuten del aire (40-60degC) tasa de atomizacioacuten
del agente aglomerante (370x103 -542x103 kg s - 1 ) carga de soacutelidos inicial (25-35kg) y altura de
la boquilla de atomizacioacuten (posiciones 1 y 3) A partir del anaacutelisis estadiacutestico (el cual se realizoacute con
un nivel de significancia de 99) se evidencioacute la significancia de los factores bajo estudio siendo la
tasa de atomizacioacuten y carga de soacutelidos los de mayor efecto mientras que la temperatura y flujo de
aire resultaron marginalmente significativos en el crecimiento del aglomerado mientras que la
altura de la boquilla no influye en el crecimiento del aglomerado
(Riacuteos 2005) Implementoacute un disentildeo factorial 2 a la 3 en un aglomerador de lecho fluidizado coacutenico
para aglomerar soacutelidos de Tamarindo con un diaacutemetro promedio de 784 micrones Los factores
controlables fueron temperatura del aire fluidizante (80-100degC) tiempo de atomizacioacuten (3-5 min)
y masa de soacutelidos cargados al sistema (200-300g) El agente aglomerante empleado fue agua
destilada El anaacutelisis estadiacutestico (realizado con un nivel de significancia del 95) determinoacute que el
tiempo de atomizacioacuten del agente aglomerante fue el principal paraacutemetro que afecta el
crecimiento del aglomerado mientras que la temperatura y carga de soacutelidos no afectan el
crecimiento del aglomerado Cabe resaltar que se probaron los niveles de significancia de 90 y
5
75 con el objetivo de probar los posibles efectos de los paraacutemetros que no resultaran
significativos a un nivel del 95 El resultado obtenido a un nivel de significancia del 90
determinoacute que el tiempo de atomizacioacuten asiacute como la temperatura del aire resultaron
significativos es decir afectan en el crecimiento del aglomerado Asiacute mismo se determinoacute que a
un nivel de significancia del 75 los paraacutemetros tiempo de atomizacioacuten temperatura carga de
soacutelidos asiacute como la interaccioacuten entre la temperatura y carga de soacutelidos afectan el crecimiento del
aglomerado El anaacutelisis realizado a estos niveles de significancia (75 y 90) se evaluaron para
futuros trabajos relacionados con la aglomeracioacuten de soacutelidos de Tamarindo
(Dacanal amp Menegalli 2008) Implementaron un disentildeo factorial fraccional 24-1 en un aglomerador
con geometriacutea coacutenica el cual contaba con un cicloacuten para limpiar el aire de los finos arrastrados
con el objetivo de evidenciar la significancia de ciertos paraacutemetros operacionales que influyen en
el proceso de crecimiento de aglomerados de soacutelidos de acerola (Cerezo de las Antillas) La
poblacioacuten inicial de los soacutelidos contaba con un diaacutemetro promedio inicial de 954 micrones El
agente aglomerante empleado fue agua Los paraacutemetros bajo estudio fueron temperatura del aire
fluidizante (75-90degC) velocidad del aire fluidizante (025-045 ms-1 ) flujo de aire de atomizacioacuten
(050-070 lh-1 ) y altura de la boquilla con respecto al lecho (050-070 m) El anaacutelisis estadiacutestico
(realizado con un nivel de significancia del 95) evidencioacute la influencia de solo la velocidad del aire
sobre el crecimiento del aglomerado Sin embargo los autores expresan que la temperatura del
aire debe afectar el crecimiento del aglomerado pero los niveles ensayados no fueron los
adecuados Cabe resaltar que la altura de la boquilla y flujo de aire en la boquilla no resultaron
significativos es decir no influyeron en el crecimiento del aglomerado
6
12 Planteamiento del Problema
En Cafeacute Tostado de Exportacioacuten durante el proceso de aglomeracioacuten de cafeacute soluble para la
obtencioacuten de granulado efectuado en un secador por aspersioacuten con lecho fluido integrado se
presenta la pegajosidad de los polvos finos a las paredes de la base coacutenica del equipo y conforme
transcurre el tiempo la cantidad adherida se compacta formando capas gruesas llegando al punto
en que el mismo calor en el interior lo derrite y cae en forma de masas elaacutesticas o masas solidas de
gran volumen obstruyendo el paso de los graacutenulos por lo que la produccioacuten se detiene generando
contratiempos al quitar todo el cafeacute compactado Esta anomaliacutea afecta la eficiencia del proceso y
disminuye el rendimiento
La problemaacutetica se da en la produccioacuten de diversos tipos de cafeacute granulado desde mezclados
descafeinados y puros asiacute como en los diversos paraacutemetros de operacioacuten y aunque se han
implementado vibradores de alto rendimiento en la base coacutenica del equipo el problema sigue
teniendo impacto
13 Objetivos General
Optimizar el proceso de aglomeracioacuten de polvos finos de cafeacute soluble para la mejora del
rendimiento
Especiacuteficos
Evaluar el efecto de las variables de operacioacuten sobre el comportamiento de los
aglomerados asiacute como las caracteriacutesticas finales deseadas
Determinar mediante corridas experimentales las variables con mayor incidencia en la
pegajosidad del producto
Optimizar los paraacutemetros operacionales mediante el balance de materia y energiacutea
13 Definicioacuten de variables
Las variables que se manejaran en este proyecto se mencionan a continuacioacuten
Condiciones operativas del sistema temperatura de aire de entrada y salida presioacuten de
vapor flujo de aire de entrada y salida
Propiedades de los soacutelidos iniciales tamantildeo de partiacutecula humedad temperatura y
densidad
Humedad relativa del aire
Presioacuten del sistema y trasferencia de calor
7
15 Hipoacutetesis
1 Los aglomerados pierden cohesioacuten durante el secado debido a que hay un enlace de
partiacuteculas deacutebiles las cuales se separan generando una cantidad de polvos finos que son
arrastradas por la corriente de aire de forma turbulenta hasta la parte inferior dando
lugar a la adhesioacuten y compactacioacuten
2 La variacioacuten de la presioacuten del sistema (vaciacuteo) presenta anomaliacuteas en la distribucioacuten de
aire trayendo consigo alto acarreo de polvos finos por lo que presenta depoacutesitos a las
paredes de la caacutemara de secado
3 La continua variacioacuten de las condiciones de operacioacuten afecta en la formacioacuten y crecimiento
de las partiacuteculas dando lugar al arrastre excesivo de polvos como del medio aglomerante
reflejando en el escaso o nulo crecimiento de la partiacutecula y por ende adhesioacuten a las
paredes
4 La concentracioacuten de azucares tiene efecto significativo en la pegajosidad
16 Justificacioacuten del Proyecto
Hoy en diacutea el control de los procesos de aglomeracioacuten bajo su contexto de granulacioacuten huacutemeda es
muy complejo al llevar a cabo diferentes mecanismos dentro de sistemas que manejan
transferencia de calor transferencia de masa mecaacutenica de fluidos y termodinaacutemica por
consiguiente dependen de las variables de operacioacuten la naturaleza de los soacutelidos y del liacutequido
ligante
El presente proyecto se realiza en una empresa de cafeacute soluble donde se lleva cabo el proceso de
aglomeracioacuten en la cual presenta problemas de pegajosidad de partiacuteculas finas a las paredes del
equipo y el rendimiento se ve afectado El proyecto es seguimiento de un estudio anterior en la
que se analizaron y estudiaron varios tipos de cafeacutes encontraacutendose que los mezclados
presentaban maacutes adhesioacuten que los puros por consiguiente se determinaron las condiciones
oacuteptimas de operacioacuten de acuerdo las especificaciones finales mediante el uso de graficas de
control sin embargo eso no detuvo la problemaacutetica ya que hasta la fecha sigue presenciaacutendose
Siendo necesario estudios maacutes a fondo basado en teacutecnicas experimentales o de modelos
matemaacuteticos para entender la interaccioacuten de una variable sobre el comportamiento
La finalidad de este proyecto es la optimizacioacuten de los paraacutemetros operacionales de las variables
del proceso que inciden en la anomaliacutea Para ello se emplearan herramientas estadiacutesticas (disentildeo
de experimentos) para la evaluacioacuten y determinacioacuten de los efectos de las variables de entrada
(factores) sobre una variable de salida (respuesta) y el balance de materia-energiacutea para el control y
la optimizacioacuten
8
17 Limitaciones y Alcances
Limitaciones
Se respetaran los lineamientos de la empresa por lo que los nombres de los productos a
estudiar seraacuten restringidos y su uso seraacute mediante letras o nuacutemeros
El tiempo de estudio comprenderaacute 3 meses por lo que simplemente se abarcaran los
tipos de cafeacute que se produzcan en ese lapso
Debido a que el proceso es continuo los operarios son los uacutenicos que tienen el control de
las condiciones del equipo por consiguiente se tomaran solo los paraacutemetros empleados
para cada tipo de producto y estas son las que se manejaran en el disentildeo experimental
Alcances
Determinacioacuten de los factores influyentes en la pegajosidad del cafeacute y optimizacioacuten de los
mismos
Control de los paraacutemetros operacionales
Implementacioacuten de acciones de mejora continuacutea para el sistema
18 La Empresa
Cafeacute Tostado de Exportacioacuten tiene su inicio el 13 de Mayo de 1972 en la Ciudad de Tuxtla
Gutieacuterrez Chiapas Es una empresa que pertenece al grupo SANROKE que actualmente se
encuentra ubicada en la ciudad de Coacuterdoba Veracruz Comenzoacute produciendo cafeacute tostado y
molido posteriormente inicia en el proceso de cafeacute soluble logrando obtener otros subproductos
del cafeacute soluble como el aglomerado lechero y capuchino Fue una de las primeras empresas en
su ramo en estar certificada por la norma ISO 90012008 Actualmente cuenta con certificaciones
de labor social medio ambiente calidad orgaacutenicas e inocuidad lo que refleja su cumplimiento de
los estaacutendares internacionales
Es una compantildeiacutea liacuteder por su firme compromiso con la calidad y la satisfaccioacuten del cliente
Sumando hasta el diacutea de hoy deacutecadas de experiencia y dedicacioacuten en la industria del cafeacute El
aumento del consumo de esta bebida en el mundo ha sido paralelo a su desarrollo econoacutemico
representando una gran oportunidad para encontrar nuevos socios y expandir sus actividades
demostrando al resto del mundo coacutemo la disciplina y el trabajo duro conducen al eacutexito
Misioacuten
Elaboracioacuten de productos de la maacutes alta calidad a traveacutes de la seleccioacuten de materia prima superior
y los maacutes altos estaacutendares de manufactura satisfaciendo el gusto de los consumidores generando
beneficios para los accionistas colaboradores clientes proveedores y comunidad en general
9
Visioacuten
Convertirse en liacutederes del mercado nacional y ampliar su presencia en el mercado extranjero con
productos de calidad insuperable con el mejor sabor que proporcione deleite y satisfaccioacuten a
quien los consuma
En cafeacute tostado de exportacioacuten para obtener cafeacute soluble granulado se llevan cabo varias
operaciones unitarias
Tostado se exponen los granos de cafeacute a un calentamiento en el cual provoca inicialmente
una liberacioacuten de agua ligada hasta alcanzar el calor deseado mantenieacutendolo en continuo
movimiento para asegurar un tostado completo del grano cuando finaliza el tostado el
cafeacute es enfriado y almacenado
Molienda y Extraccioacuten para la reduccioacuten del tamantildeo el cafeacute tostado requiere un corte
mediante una accioacuten de compresioacuten y friccioacuten para provocar partiacuteculas de tamantildeo y
forma adecuados Una vez molido se hace la extraccioacuten de solidos solubles aplicando agua
caliente para generar una infusioacuten que obtenga todo el sabor y aroma presente en los
granos
Centrifugacioacuten y evaporacioacuten mediante una maacutequina de fuerza centriacutefuga se elimina la
mayor parte de los residuos que quedan de la extraccioacuten Posteriormente el extracto
liacutequido obtenido entra en la evaporacioacuten donde se elimina la mayor parte de agua y el
producto queda concentrado
Secado el liacutequido es secado mediante un secador por aspersioacuten en una corriente de aire
caliente donde las gotitas finamente al contacto con el calor evaporan el agua
convirtieacutendose en polvo esfeacuterico instantaacuteneo
Aglomeracioacuten es la operacioacuten designada para la formacioacuten de partiacuteculas de mayor
tamantildeo operando sobre la base de re-humidificacioacuten de la superficie del polvo de cafeacute con
vapor de agua en una atmoacutesfera turbulenta de aire caliente de manera que al colisionar
las partiacuteculas entre siacute los finos se adhieren a los gruesos formaacutendose los aglomerados
La variedad de presentaciones y la calidad de sus producto han permitido permanecer en el gusto
del puacuteblico contando con sus tradicionales cafeacutes tostados y molidos los praacutecticos cafeacutes solubles
aglomerados y ahora liofilizado caacutepsulas de cafeacute expreso teacute de cafeacute verde y crema untable
Caferetas Actualmente es liacuteder en el mercado internacional del cafeacute instantaacuteneo liacuteder local y
regional de cafeacute soluble granulado bajo el nombre de cafeacute ldquoLos Portales de Coacuterdoba ldquo
10
CAPIacuteTULO 2 METODOLOGIacuteA
21 Eleccioacuten de los factores y los niveles
Los factores seraacuten las condiciones de operacioacuten del equipo aglomerador de las cuales se
seleccionaran solo las que tengan maacutes impacto en la formacioacuten del granulo y posible influyente en
el problema los niveles estaraacuten definidos como altos y bajos
22 Seleccioacuten de la variable de respuesta
La variable de respuesta estaacute definido como las caracteriacutesticas fisicoquiacutemicas del producto final color densidad humedad dureza y porcentaje de aglomerado pero solo se seleccionaraacuten dos de ellas Tambieacuten se contemplara como respuesta el porcentaje de adhesioacuten
23 Eleccioacuten del disentildeo experimental
La eleccioacuten del disentildeo implicara la consideracioacuten del tamantildeo de la muestra (nuacutemero de reacuteplicas)
El intereacutes se centrara en identificar queacute factores causan esta diferencia y en estimar la magnitud
del cambio de la respuesta Por lo que pueden utilizarse uno o maacutes disentildeos experimentales de
acuerdo a las variables manejadas las cuales pueden ser factorial por bloques completamente al
azar y superficie de respuesta
24 Realizacioacuten del disentildeo de experimentos
Una vez seleccionado el o los disentildeos se ejecutaran para obtener los valores de las respuestas para
la cuales se contara con el apoyo de aacuterea de control de calidad quien proporcionara esta
informacioacuten asiacute como tambieacuten la ayuda de los operarios quienes son los expertos en manejar las
condiciones del equipo Los datos obtenidos se ingresaran a un programa estadiacutestico para
determinar los efectos y obtener las graacuteficas
25 Monitoreo de los flujos de aire humedad relativa y presioacuten del sistema
Se haraacute un monitoreo en los flujos de aire humedad relativa y presioacuten del sistema en lapso de
tiempo adecuado para evaluar el comportamiento de estas variables los datos se registraran en
Excel para la elaboracioacuten de graacuteficas
26 Anaacutelisis de datos
En esta fase se utilizaran programas estadiacutesticos para analizar y comparar los datos a fin de
determinar que los resultados y las conclusiones sean objetivos Se aplicara un anaacutelisis de varianza
11
(anova) la cual puede ser de un solo factor o multifactorial con niveles de significancia
dependiendo del tipo de disentildeo y con ello se haraacute la prueba de hipoacutetesis
27 Anaacutelisis de los efectos de los paraacutemetros operacionales
El anaacutelisis de los efectos de los paraacutemetros operacionales (factores) sobre la variable de
respuesta se efectuara mediante las graacuteficas de interaccioacuten y las graacuteficas de efectos normales que
se obtendraacuten en el software estadiacutestico con la finalidad de determinar coacutemo afecta cada factor
en el comportamiento de una propiedad caracteriacutestica del granulo
28 Aplicacioacuten del balance de materia y energiacutea
Para realizar este caacutelculo primero se haraacuten las conversiones de flujo de aire de velocidad angular a
velocidad lineal para posteriormente calcular el caudal del aire que pasa por los conductos asiacute
mismo se calculara el volumen de la caacutemara de secado y la base conicaEl uso de la carta
psicomeacutetrica seraacute de gran importancia para determinar la humedad absoluta del aire las
eficiencias teacutermicas y la temperatura de saturacioacuten adiabaacutetica Para la entalpia del aire se
utilizaran foacutermulas adecuadas de termodinaacutemica Las formulas del balance de materia y energiacutea
que se utilizara seraacute las establecidas para secadores por aspersioacuten Una vez reunido los valores se
sustituiraacuten para obtener los correspondientes la variable que se necesita encontrar es la cantidad
de humedad relativa y el calor en la salida de la caacutemara de secado
29 Optimizacioacuten del proceso
La optimizacioacuten del proceso se efectuaraacute de acuerdo a los resultados de los monitoreos del flujo
de aire humedad relativa los efectos obtenidos en el disentildeo de experimentos y sobre todo los
caacutelculos de balance de materia ndashenergiacutea
12
CAPIacuteTULO 3 DESARROLLO DEL PROYECTO
31 Equipo experimental
El equipo experimental utilizado fue un secador por aspersioacuten con lecho fluido integrado (Anexo1)
que consta de una caacutemara de secado proyectado sobre una base coacutenica mediante la cual una
corriente de aire caliente es suministrado por un ventilador de entrada creando una atmosfera
turbulenta donde los polvos finos entran en contacto con vapor de agua y mediante el secado se
forman los aglomerados este equipo maneja varias condiciones de operacioacuten que le dan las
caracteriacutesticas al producto Las herramientas estadiacutesticas empleados fueron Excel para el anaacutelisis
de varianza y prueba de hipoacutetesis del disentildeo por bloques al azar minitab para el anaacutelisis de los
efectos de los factores sobre la variable de respuesta y stargrapics para el anaacutelisis de varianza del
segundo disentildeo experimental
32 Monitoreos
Se hizo un monitoreo en los flujos de aire de entrada flujo de salida el vaciacuteo del sistema y la
humedad relativa del aire en un lapso de 5 horas diarias por 10 lotes de produccioacuten evaluando
tambieacuten la adhesioacuten en cada uno de ellos se registraron los datos en Excel mediante estos datos
se elaboroacute una graacutefica de dispersioacuten para ver el comportamiento de estas variables
33 Disentildeo de experimentos
Se utilizoacute un disentildeo de bloques completamente al azar en la cual los tratamientos fueron la
concentracioacuten de azucares con respuesta de porcentaje de adhesioacuten Cabe mencionar que cada
tratamiento indica un tipo de producto por su concentracioacuten
Tabla 1 Tratamientos del disentildeo por bloques al azar
TRATAMIENTO CONCENTRACION
A 0
B 5
C 10
D 15
F 17
Se formularon dos hipoacutetesis
H0=La concentracioacuten de azucares no tiene efecto en la pegajosidad de los polvos finos si F es
menor o igual a la F tabulada
13
H1=La concentracioacuten de azucares tiene efecto significativo si F de Fisher es mayor que la F
tabulada
Se utilizoacute un disentildeo factorial 23 para determinar el efecto de tres condiciones de operacioacuten
(factores) las cuales fueron velocidad de aire temperatura de entrada y temperatura de salida con
dos niveles teniendo como respuestas la dureza del granulo para 5 tipos de cafeacute soluble
Tabla 2 Factores y niveles del Disentildeo factorial 23
TIPOS FACTORES NIVEL BAJO NIVEL ALTO RESPUESTAS
Cafeacute soluble
ABCDF
Temperatura de entrada
217 227 220 212
235 231 236 228
Dureza
Temperatura de salida
133 139 137 134
135 142 138 135
Velocidad de aire
800 849 690 975
1000 850 950 1050
Tambieacuten se empleoacute un disentildeo factorial de 23 para determinar los efectos de tres factores No
Criba del molino de martillos con nivel de 33-55 la presioacuten de vapor con nivel de 15-20 y la
temperatura de producto nivel de 30-35 las respuestas que se eligieron para este disentildeo fue la
dureza del granulo y el porcentaje de aglomerado este experimento se inicioacute empleado la
herramienta estadista minitab en la cual se ingresaron estos factores con sus niveles arrojando 8
corridas por las combinaciones
Tabla 3 Corridas experimentales del disentildeo 23
Factores
corridas Presioacuten de
vapor
NoCriba Temperatura de
partiacutecula
1 15 33 30
2 2 33 30
3 15 54 30
4 2 54 30
5 15 33 35
6 2 33 35
7 15 54 35
8 2 54 35
14
34 Realizacioacuten del disentildeo de experimentos
Para la ejecucioacuten del disentildeo de experimentos se siguioacute con el programa de produccioacuten iniciando
con el disentildeo por bloque completamente al azar la cual se llevoacute en la aglomeracioacuten de 5 tipos de
cafeacute con diferentes concentraciones mencionadas anteriormente desde el arranque del equipo en
la cual los soacutelidos finos iniciales que se cargaron fueron un cafeacute A sin concentracioacuten
posteriormente se cambioacute a los siguientes tipos (BCDF) las condiciones operativas del equipo
estuvieron de la siguiente manera temperaturas de entrada de 190 a 230 temperatura de salida
de 100-140 y velocidad de aire de 600 a 1000 rpm Cada vez que se haciacutea un cambio de producto
se sacoacute la cantidad de solidos finos adheridos de la siguiente manera
(Cantidad alimentada x 98 de rendimiento fijo)- (Cantidad producida)
Mediante esta foacutermula se obtuvo el porcentaje de cada tipo de cafeacute retenido en la base coacutenica
Cantidad adherida x 100
Cantidad alimentada
Los datos quedaron registrados en la tabla 4 donde cada repeticioacuten indica un lote de produccioacuten
diferente
Tabla 4Disentildeo de bloques completamente al azar
REPETICIONES
TRATAMIENTOS I II III
A 625 6033 702
B 1071 859 12
C 7015 6033 927
D 583 95 892
F 992 704 859
G 113 853 905
El primer disentildeo factorial se llevoacute a cabo en la aglomeracioacuten de 4 tipos de cafeacute soluble en la cual
se monitoreo la interaccioacuten de cada factor de acuerdo a los niveles establecidos sobre la respuesta
y se registraron los resultados Las partiacuteculas finas teniacutean las siguientes propiedades iniciales
Densidad 180-210 grcm3
Color 72-84
Humedad 2 a 35
15
Los resultados de los anaacutelisis fisicoquiacutemicos (dureza) fueron proporcionados por el aacuterea de control
de calidad estos datos se ingresaron en minitab y se hizo el anaacutelisis factorial obteniendo las
graacuteficas de interaccioacuten asiacute como tambieacuten la significancia de los efectos
El segundo disentildeo factorial se llevoacute cabo en la aglomeracioacuten de un lote de cafeacute soluble regular con
las siguientes propiedades
Color 72-85
Humedad 2-35
Densidad 190-210
La duracioacuten del lote fue de 10 horas el equipo empleo una velocidad de aire entrada de 900 rpm
con temperatura de 220degc y una velocidad de aire salida de 1765 rpm con temperatura de 135 degC
Se recibioacute ayuda por parte de los operarios para las combinaciones y cada vez que esta se
ejecutaba se tomoacute muestras de 10 grs y se llevoacute a control de calidad para los anaacutelisis de dureza y
porcentaje de aglomerado por cada corrida finalizando este experimento se registraron todos los
resultados en minitab y se hizo el anaacutelisis del disentildeo para las significancias de los factores cabe
mencionar que mediante este programa se obtuvieron las graacuteficas de interaccioacuten
35 Anaacutelisis de datos
Para determinar cualitativamente el efecto de los paraacutemetros del proceso en la aglomeracioacuten de
las partiacuteculas de cafeacute soluble se aplicoacute un anaacutelisis de varianza (ANOVA) con un nivel de
significancia α del 5 a los resultados experimentales La dureza y el porcentaje de
aglomerado se seleccionaron como paraacutemetro de respuestase utilizo el programa de stargrapics
para el anaacutelisis
36 Balance de materia energiacutea
Para el balance de materia y energiacutea primero se hicieron las conversiones de la velocidad angular
del aire de entrada y salida (rpm) a velocidad lineal (ms) empleando la foacutermula
(1rpm) (2π rad)60 x (radio) Asiacute como el caacutelculo del volumen de la caacutemara de secado (anexo 3)
El caacutelculo del caudal de aire de entrada se realizoacute empleando la foacutermula
119876 = 119881 119878
Donde
V=velocidad lineal del aire (ms)
S=aacuterea de la seccioacuten trasversal (m2)
El radio de la seccioacuten transversal para ventilador de entrada fue 0335 y la de salida de 0195
Se sacaron las eficiencias teacutermicas del equipo de la siguiente manera
16
Eficiencia teacutermica global= (11987911198792
1198792119879119900)
Eficiencia de evaporacioacuten= (1198791 1198792
1198791 119879119904119886119905)
Para determinar las temperaturas de saturacioacuten adiabaacutetica (TSAT) y (T0) se utilizoacute la carta psicomeacutetrica (Anexo 2) El balance quedo estructurada de la siguiente forma
Figura 1 Diagrama de flujo del aglomerador
Donde FS1=masa del solido seco (kg)
Ga flujo de aire (kgh)
Ws=contenido de humedad del alimento (kg agua kg solido seco)
Ta=temperatura de entrada
Ta1=temperatura de salida
Ta2=temperatura de solidos
Ga1=flujo de aire entrada
Ga2=flujo salida de aire
H1= humedad relativa del aire entrada
H2=humedad relativa del aire salida
El balance del sistema sin peacuterdidas ni acumulacioacuten quedo de la siguiente manera
FS WS1 +Ga Ha1 = FS WS2 +Ga Ha2
17
Mientras que el balance de energiacutea
FS QS1+ Ga Qa1 = FS QS2 +Ga Qa2 +QL
Donde qs1 y qs2 son las entalpiacuteas del soacutelido entrando y saliendo del secador (KJKg) qa1 y qa2 son
las entalpiacuteas del aire entrando y saliendo del secador (KJKg) qL es el calor perdido (KJ)
El balance con respecto a la humedad se determinoacute mediante la siguiente formula
GH2 LS X1 GH1 LS X2
Donde
GH2= flujo de aire
Ls = flujo de alimentacioacuten
X1= humedad de los soacutelidos iniciales
La entalpia de la salida de aire se calculoacute mediante la foacutermula
HG C2 (TG T0) H
Donde
TG= Temperatura del aire
T0= Temperatura saturacioacuten
H=Entalpia del solido seco
37 Optimizacioacuten
La optimizacioacuten del proceso se llevoacute a cabo en el control de los factores incidentes en la cual se establecieron los rangos a utilizar esto derivado de los caacutelculos de balance y lo obtenido de los efectos en el disentildeo experimental los operarios se apegaron a estas condiciones con sus respectivos rangos y lo llevaron a cabo durante 8 lotes de produccioacuten en ese lapso de tiempo se evaluoacute el comportamiento del rendimiento se registraron los datos y se graficaron
18
CAPIacuteTULO 4 RESULTADOS Y CONCLUSIONES
41 Resultados
Anaacutelisis de efectos disentildeo factorial No1
Figura 2Grafica de efectos normales para el cafeacute soluble ABCD
En la figura 2 se observa la distribucioacuten de los factores A B C para los 4 tipos de cafeacute en la cual la
temperatura de entrada tiene efecto significativo en la dureza con una significancia del 92
mientras que los demaacutes factores no presentaron efectos significativos aunque tambieacuten influyen en
una combinacioacuten para dar la caracteriacutestica fisicoquiacutemica
19
Figura 3Grafica de interaccioacuten para cafeacute
soluble A
Figura 4 Grafica de interaccioacuten para cafeacute
soluble B
Figura 5Grafica de interaccioacuten para cafeacute soluble
C
Figura 6Grafica de interaccioacuten para cafeacute
soluble D
En las figuras 3 4 5 y 6 se muestran el comportamiento de la dureza de acuerdo a los factores
manejados para los cuatro tipos de cafeacute y en cada una de ella se aprecia que los niveles menores
de la temperatura de salida con la temperatura de entrada dieron una dureza igual y por debajo
de 10 asiacute mismo en el factor de velocidad de aire tambieacuten tuvo un comportamiento con niveles
menores Cabe mencionar que ninguna de las combinaciones obtuvo una dureza optima por lo
que se determinoacute que el incremento en la temperatura de salida aumenta la dureza obteniendo
un granulo maacutes fraacutegil
20
Anaacutelisis del disentildeo factorial No2
Figura 7Grafica de efectos normales para
dureza del cafeacute regular
Figura 8Grafica de efectos principales para dureza
del cafeacute regular
En las figuras 7 y 8 se observa que el No de criba tiene efecto significativo sobre la dureza es decir
entre menor abertura tenga la criba la dureza es mucho menor los graacutenulos son maacutes resistentes
mientras que entre mayor sea la abertura los graacutenulos son maacutes fraacutegiles (dureza alta) cabe
mencionar que la mejor dureza obtenida fue con el nuacutemero de malla 33 la presioacuten de vapor de
15 y la temperatura de partiacutecula de 30deg c
Figura 9 Grafica de efectos normales para
porcentaje de aglomerado del cafeacute regular
Figura 10Grafica de interaccioacuten para porcentaje
de aglomerado del cafeacute regular
21
En las figuras 9 y 10 se observa que la temperatura del producto el nuacutemero de criba tiene efecto
significativo sobre el porcentaje de aglomerado entre mayor es el nivel el porcentaje de
aglomerado disminuye determinado que hay maacutes cantidad de polvos finos asiacute mismo si el nivel
de los factores es bajo el porcentaje incremente constantemente Por lo que el comportamiento
del graacutenulo se acopla al incremento o disminucioacuten de estas variables
Monitoreos
Figura 11Grafica de dispersioacuten de la presioacuten del sistema
Figura 12 Grafica del vaciacuteo vs porcentaje de adhesioacuten
En las figuras 11 y 12 se observa el comportamiento del vaciacuteo con las variaciones de aire de
entrada Cabe mencionar que el sistema empleo una sola salida de aire de 1765 rpm Durante los
monitoreos los productos presentaron pegajosidad con entradas de aire menores a 900 rpm
mientras tanto de 1000 a 1150 rpm los productos no presentaron pegajosidad Lo mismo sucedioacute
en el comportamiento del vaciacuteo del sistema para la cual la pegajosidad aumenta y el rendimiento
disminuye con respecto al incremento del vaciacuteo Por lo que esta variable es el factor determinante
y con ello se prueba la hipoacutetesis que la variacioacuten en la presioacuten del sistema genera un arrastre
excesivo de polvos y la humedad no se elimina lo suficiente
120011001000900800700600
08
07
06
05
04
velocidad de entrada( Rpm)
vacio
del
sis
tem
a (
inh
20
)
Graacutefica de dispersioacuten de vacio del sistema vs velocidad de entrada
0
2
4
6
8
10
12
14
0 02 04 06 08 1
D
E A
DH
ESIO
N
VACIO DEL SISTEMA IN H20
22
Figura 13 Graacutefico de humedad relativa del aire
En la figura 13 se aprecia que la humedad relativa del aire inicialmente fue de 66 que
incrementoacute durante los siguientes diacuteas pero fue disminuyendo hasta llegar al 50 Esto debido a
los cambios climaacuteticos cabe mencionar que el equipo no cuenta con un filtrador para retirar el
porcentaje de agua del aire por lo que esta ingresa directamente a la caacutemara de secado siendo
una variable maacutes influyente en la adhesioacuten de los polvos finos
Anaacutelisis de datos
Tabla 5 Anaacutelisis de varianza de dos factores con una sola muestra por grupo
RESUMEN Cuenta Suma Promedio Varianza Fila 1 3 19303 643433333 026902633
Fila 2 3 313 104333333 296443333 Fila 3 3 22318 743933333 275458633 Fila 4 3 2425 808333333 389223333 Fila 5 3 2555 851666667 207763333 Fila 6 3 2888 962666667 216763333
Columna 1 6 51025 850416667 582740417 Columna 2 6 45726 7621 21353864 Columna 3 6 5485 914166667 260997667
Origen de las variaciones
Suma de cuadrados
Grados de libertad
Promedio de los cuadrados F Probabilidad
Valor criacutetico para
F Tratamientos 316103776 5 632207552 297461023 006699316 332583453
Bloques 699763344 2 349881672 164623405 024097493 410282102
Graacutefico de humedad realtva vs lote
0 3 6 9 12 15
lote
50
54
58
62
66
70
74
hu
med
ad
realt
va
23
Error 212534586 10 212534586
Total 598614696 17
En la tabla 5 se muestra el anaacutelisis de varianza de del disentildeo por bloques completamente al azar
de las diferentes concentraciones de azuacutecar por cada tipo de producto Dado que el f de Fisher es
menor que la f tabulada indica que no hay diferencias significativas por lo que se acepta la
hipoacutetesis nula la concentracioacuten de azucares no tiene efecto significativo en la adhesioacuten del cafeacute
ya que la mayoriacutea tuvo un porcentaje de adhesioacuten alta en las tres repeticiones cabe mencionar
que el producto A sin concentracioacuten tambieacuten tuvo adhesioacuten en la suma de cuadrados por bloques
tampoco hubo diferencias significativas
Tabla 6 Anaacutelisis de Varianza para dureza - Suma de Cuadrados Tipo III
Fuente Suma de Cuadrados
Gl Cuadrado Medio
Razoacuten-F Valor-P
EFECTOS PRINCIPALES
APRESION DE VAPOR 005445 1 005445 006 08164
BTAMANtildeO DE PARTICULA 121525 1 121525 1372 00208
CTEMPERATURA DE PARTICULA 471245 1 471245 532 00823
RESIDUOS
354305 4 0885763
TOTAL (CORREGIDO) 204624 7
La tabla 6 muestra el anaacutelisis de varianza del disentildeo factorial en la cual se descompone la
variabilidad de dureza en contribuciones debidas a varios factores Puesto que se ha escogido la
suma de cuadrados Tipo III (por omisioacuten) la contribucioacuten de cada factor se mide eliminando los
efectos de los demaacutes factores Los valores-P prueban la significancia estadiacutestica de cada uno de los
factores Puesto que un valor-P es menor que 005 este factor tiene un efecto estadiacutesticamente
significativo sobre dureza con un 950 de nivel de confianza
24
Figura 14Grafico anova para dureza
En la figura 14 se muestra el grafico anova y se observa la distribucioacuten de la respuesta para los
factores en la cual todas las razones-F se basan en el cuadrado medio del error residual La
mayoriacutea presenta distribucioacuten anova con el valor p mayor a 05 sin embargo para el factor tamantildeo
de partiacutecula el valor es menor a 05 con significancia
Balance de energiacutea
En el balance de materia y energiacutea se obtuvo que la humedad en la salida aglomerado es del 73
cuando hay una entrada de aire de 1550 m3 s con 50 de humedad relativa a una temperatura
de 230degc necesita 1730 KJ kg de calor con una cantidad de aire seco de 2600 kg h para sistema
adiabaacutetico sim embargo el aglomerador no es de este tipo de sistema por lo que se evaluoacute en un
graacutefico psicomeacutetrico (anexo1) encontraacutendose
El aire se calienta a humedad constante (To -T1) Si la caacutemara estuviera aislada y toda la energiacutea
posible se utilizara el aire se enfriariacutea adiabaacuteticamente y la temperatura miacutenima a alcanzar seriacutea la
de bulbo seco de saturacioacuten (Tsat) En realidad la caacutemara no estaacute aislada y no se sigue un
enfriamiento adiabaacutetico El aire sale a una temperatura T2 (ni estaacute saturado ni el proceso es
adiabaacutetico) debido a la baja relacioacuten aire-producto Si el proceso fuera adiabaacutetico saldriacutea a T2
(proceso adiabaacutetico y masas iguales de aire y producto)
ANOVA Graacutefico para DUREZA
-25 -15 -05 05 15 25
Residuos
PRESION DE VAPOR P = 0816415 2
TAMANtildeO DE PARTICULA P = 0020833 54
TEMPERATURA DE PARTICULA P = 0082330 35
25
Optimizacioacuten
De acuerdo a los caacutelculos de balance de materia los flujos de aire de 900 pm a 1100 rpm con una
salida de 1765 rpm mantienen el calor necesario para eliminar la humedad por lo que estas
variables son las que se implementaron y controlaron para la aglomeracioacuten de los diversos
productos
Figura 15 Grafica de rendimientos con flujo de aire de 900 rpm a 1100 rpm
En la figura 15 se observa el comportamiento del rendimiento con las condiciones aire manejadas
que mantuvieron un vaciacuteo de 04 y 05 inicialmente el rendimiento no fue favorable debido a la
humedad relativa sin embargo en los siguientes lotes el rendimiento se mantuvo del 94
mejorando en los siguientes diacuteas al 97 siendo favorable con ello el porcentaje de adhesioacuten
disminuyo al 3 con estas condiciones la caracteriacutestica de porcentaje de aglomerado incremento
al rango oacuteptimo
La optimizacioacuten de las variables de temperatura de salida y tamantildeo de criba consistioacute en la
reduccioacuten de sus rangos de operacioacuten para la cual la dureza mejoroacute apegaacutendose al rango oacuteptimo
925
93
935
94
945
95
955
96
965
0 2 4 6 8 10 12 14
Ren
dim
ien
to
lote
26
42 Conclusiones
Mediante el disentildeo experimentos se encontroacute que el aumento de dos factores temperatura de
salida y el tamantildeo de partiacutecula influyen en el bajo porcentaje de aglomerado y el incremento en la
dureza por que el granulo aglomerado presenta fragilidad y una cantidad de polvos finos Asiacute
mismo con el disentildeo por bloques se determinoacute que la concentracioacuten de azuacutecares de los cafeacutes no
tiene efecto significativo tomando como muestra patroacuten un producto sin concentracioacuten que
tambieacuten presento adhesioacuten en las tres repeticiones Durante el monitoreo se observoacute que los
soacutelidos aglomerados a condiciones de bajo vaciacuteo con humedad relativa del aire baja no
presentaban ninguacuten problema de adhesioacuten mientras que los producto a condiciones de vaciacuteo alto
con humedades por encima de 60 presentaban mayor adhesioacuten en balance de materia se
observoacute que una humedad relativa alta en la salida del equipo necesita mayor calor y cantidad de
aire de entrada para ser eliminado asiacute mismo mediante las eficiencias teacutermicas se evaluoacute el
sistema en una carta psicomeacutetrica y se determinoacute que hay perdida calor en la caacutemara de secado
al no ser adiabaacutetico por lo que la optimizacioacuten del proceso solo fue parcial enfocaacutendose solo a
condiciones del aire de entrada y salida en la que el rendimiento mejoro en un promedio del 96
43 Trabajos Futuros
Derivado al balance y los caacutelculos la humedad relativa es un factor importante en la adhesioacuten del
producto es por ello que el proyecto tiene continuidad en la implementacioacuten de un desumificador
de aire para que el sistema tenga una inyeccioacuten de aire seco el aislamiento (encamisado) de la
caacutemara de secado para evitar pedidas del calor tambieacuten y la determinacioacuten de nuevas condiciones
de operacioacuten debido a los cambios en los flujos aire
44 Recomendaciones
De acuerdo al estudio realizado mediante el disentildeo factorial se determinoacute que la variacioacuten de la
entrada de aire afecta la presioacuten del sistema por lo que se recomienda manejar una sola condicioacuten
de aire para cada producto con respecto a la velocidad de salida ya que el sistema necesita
mantener el equilibrio de las corrientes de aire para que el calor sea necesario y elimine toda la
humedad posible del vapor de agua para evitar que se concentre en la base coacutenica asiacute mismo la
alimentacioacuten de los soacutelidos finos debe tener propiedades caracteriacutesticas oacuteptimas para evitar la
variacioacuten de las condiciones
27
ANEXOS Anexo 1 Equipo aglomerado
Salida de aire
Base coacutenica
Caacutemara de
secado
Lecho
fluidizado
Entrada de
aire caliente
Separador
cicloacutenico
Zona de aspersioacuten de
solidos secos y vapor
de agua
28
Anexo 2 Carta psicomeacutetrica
Fuente Spray Drying Handbook (Masters 1991)
29
Anexo 3 Caacutelculos de velocidad lineal caudales de aire y volumen del equipo
1765 rpm (2πrads)(042)=7763 ms
600 rpm (2πrads)(030) =2638 ms
700 rpm (2πrads)(030)=3078 ms
800 rpm (2πrads)(030) =3518 ms
900 rpm (2πrads)(030) =3965 ms
1000 rpm (2πrads)(030) =4348 ms
1150 rpm (2πrads)(030)=5057ms
Caudal para las diferentes velocidades lineales
1) Q=VS
Q=2638 ms (π 00335m) 2
Q=930 m3s
2) Q=VS
Q=3078ms (π 00335m) 2
Q=1085m3s
3) Q=VS
Q=3518 ms (π 00335m) 2
Q=1240 m3s
4) Q=VS
Q=4348 ms (π 00335m) 2
Q=1550 m3s
5) Q=VS
Q=5057ms (π 00335m) 2
Q=2002 m3s
6) Q=VS
Q=7763 ms (π 0195 m) 2
Q=3708 m3s
30
Velocidad angular de aire (rpm) Caudal (m3s)
600 rpm 93
700 1085
800 1240
1000 1550
1150 2002
1765 3708
Caudales de aire de entrada y salida
Volumen de la caacutemara de secado
V= ℎ1205871199032
v=97 π (21m)
v=140844 m3
V= ℎ1205871199032
v= (09m) (π 21m)
v=2420 m3
Volumen de la base coacutenica
119907 =π r2 h
3
119907 =π (291) lowast 59
3
V=52313 m3
Volumen total del equipo =21734 m3
582 m
59m
582 m
09 m
43m
97 m
31
Anexo 3Caacutelculos de balance de materia y energiacutea
Se determina la velocidad de flujo de aire y la humedad de salida del aglomerador suponiendo
que no hay peacuterdidas de calor en el secador el balance inicia con la alimentacioacuten de 300 kg de
soacutelidos secoh que contienen 0035 kg de humedad totalkg de soacutelido seco hasta un valor de 0002
kg de humedad totalkg de soacutelido seco El polvo fino a granular entra a 35 ordmC y se desea
descargarlo a 32 ordmC El soacutelido seco tiene una capacidad caloriacutefica de 1465 kJkgK que se supone
constante El aire de calentamiento entra a 230 ordmC y con humedad de 0060 kg H2Okg de aire
seco y debe salir a 130
Balance de materia con respecto a la humedad
GH2 LS X1 GH1 LS X2
Reemplazando valores
(060) + 300 (0035)= GH1+ 300 (0002)
El balance de calor para el secador es
GHG2 LS HS1 GHG1 LS HS2 Q
Se calcula la entalpiacutea del aire de entrada HG1
Aglomerador
G1=
TG1=230
H2=
LS=300 KGSh
TS1=35
X1=0035
G2=
TG2=130
H2=060
Ts 2=378
X2=0002
Q
32
HG1=CS 1005188H 1005188(060)
HG1 CS (TG1 T0 ) H
HG1= CS 230 - 0 + 0060(2501) 17306 KJ Kg aire seco
Se calcula la entalpiacutea del aire de salida HG2
C21005188H 1005188 H1
HG1 CS (TG2 T0 ) H
HG1= (1005 + 188 H1 )130 - 0 + H1 (2501)
HG1=130 + 27454 H1
Se calcula las entalpiacuteas de los soacutelidos
HS1 CP S (TS1 T0) X1 CP A ( TS1 T0)
HS1 1465(35 0) 0035 (4187)(35 0) 5713 kJ kg
HS2 CP S (TS2 T0) X2 CP A ( T2 T0)
HS2 1465 (32 ndash 0 ) + 0002(4187)(32 0)=4714 KJ Kg
Reemplazando en el balance de energiacutea
G (17306)+ 300(5713) = G (130 + 27454 H1)+ 300(4714) + 0
G=2600 Kg aire seco por hora
Resolviendo conjuntamente con el balance de materia
G (060) + 300 (0035)= GH1+ 300 (0002)
2600(060) + 105 = 2600 H1 +06
H1=2600(060) +105 + 060 2600
H1=07427 Kg agua kg aire seco
33
Anexo 4Calculo de eficiencias teacutermicas
Datos
T = 230
Ts =147
T0= 30
T sat=45
Eficiencia teacutermica global
Ntermica global= 1198791minus1198792
1198792minus1198790 X 100
Ntermica global = 230minus147
230minus30 100 =415
Eficiencia de evaporacioacuten
Nevaporacion=1198791minus1198792
1198791minus119879119904119886119905
Nevaporacion = 230minus147
230minus45 100 =4486
34
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Equipment
1
CAPIacuteTULO 1 INTRODUCCIOacuteN
Los procesos de aglomeracioacuten han existido desde hace varios antildeos con el fin de acondicionar
fiacutesicamente diferentes tipos de materiales y para diferentes propoacutesitos como es el caso de la
palatizacioacuten del mineral de hierro que es realizada en las siderurgiasPor su parte en la industria
farmaceacuteutica y en la produccioacuten de algunos alimentos como el cafeacute soluble los productos laacutecteos
entre otros la aglomeracioacuten de partiacuteculas finas tiene gran aplicacioacuten ya que permite obtener
graacutenulos de mayor tamantildeo con una estructura de poros abiertos a fin de poder absorber liacutequidos
y facilitar la dispersioacuten inmediata lo permite obtener un producto de alta dispersabilidad fluidez
segregacioacuten densidad fragilidad etc (Wolfgang 2008)
La aglomeracioacuten es un proceso que promueve el incremento de tamantildeo del soacutelido (graacutenulo)
mediante la adhesioacuten de partiacuteculas pequentildeas (soacutelidos finos) sobre otra partiacutecula de mayor tamantildeo
por la accioacuten de un liacutequido ligante en un sistema que presentan dos zonas la zona de aspersioacuten
que es el aacuterea donde el liacutequido aglomerante tiene el primer contacto con las partiacuteculas finas que
colisionan entre siacute formando puentes liacutequidos que al evaporarse dan lugar a enlaces soacutelidos
donde los finos se adhieren a los gruesos (Kumar amp Ramkrishna 1997) Y la zona de dispersioacuten
que es el aacuterea donde se mezclan con aire caliente para el secado Para llevar a cabo esta operacioacuten
se emplean diversos equipos en su mayoriacutea granuladores de lecho fluidizado mezcladores y
secadores de lecho fluido ( Litster J 2003)
Actualmente puede observarse como una combinacioacuten de tres diferentes mecanismos
humectacioacuten y nucleacioacuten consolidacioacuten y coalescencia atricioacuten y rompimiento El aumento del
tamantildeo de partiacuteculas es un teacutermino geneacuterico que engloba las operaciones unitarias relacionadas
con la tecnologiacutea de materiales pulverizados de medios granulares y la mecaacutenica de soacutelidos
(Litster amp Bryan 2004)
La aglomeracioacuten depende de la naturaleza fiacutesica del sistema partiacutecula solidandashliacutequido aglomerante
y de las variables asociadas al equipo De esta forma es importante controlar dichos paraacutemetros
operacionales dado que una mala relacioacuten entre estos traeriacutea problemas en la operacioacuten
2
11 Estado del Arte
El proceso de aglomeracioacuten ha sido estudiado y analizado por varias deacutecadas el disentildeo y anaacutelisis
de tales sistemas permanece enraizado al empirismo debido a que no hay una metodologiacutea para el
disentildeo y operacioacuten de tales procesos asiacute mismos las plantas industriales donde se llevan a cabo
procesos de granulacioacuten y secado por aspersioacuten han enfrentado una serie de problemas
relacionados con la pegajosidad de las partiacuteculas inertes a las paredes de los diversos equipos
empleados incluyendo razones de reciclado pobre control en la calidad del producto obtenido
siendo necesario el reprocesado del producto incrementando el costo de produccioacuten Este
problema tiene su origen en el escaso entendimiento de la influencia de los paraacutemetros
operacionales sobre el proceso (Iveson amp Hapgood 2001)
Investigadores como (Lister amp Waters 1988) (Parveen 2012) han establecido que durante el
proceso de aglomeracioacuten se ve influenciado por la distribucioacuten de tamantildeos de los soacutelidos pues la
polidispersidad de la poblacioacuten de soacutelidos induce al recubrimiento o adhesioacuten de las partiacuteculas
pequentildeas sobre las de mayor tamantildeo Asiacute mismo existe una posible influencia combinada entre el
paraacutemetro temperatura (cuyos niveles de estudio son adecuados para averiguar la influencia de
eacuteste paraacutemetro sobre el comportamiento de crecimiento del aglomerado) y la polidispersidad de
los soacutelidos
(Sastry amp Fuerstenau 1973)Estudiaron que la adhesioacuten de partiacuteculas sin formacioacuten de puentes
(fuerzas de van der Waals o electrostaacuteticas) forman aglomerados relativamente deacutebiles En
cambio los que forman puentes son maacutes fuertes Por su parte (Canela 1996) determino que la
resistencia de los aglomerados depende de las fuerzas fiacutesicas que mantienen unidas a las
partiacuteculas y la magnitud de eacutestas depende del tamantildeo de partiacutecula la carga superficial la
estructura cristalina la proximidad de las partiacuteculas la cantidad de aditivos y de otras
propiedades fisicoquiacutemicas del sistema como lo son la naturaleza quiacutemica de la partiacutecula los
coeficientes de frotamiento interno de la partiacutecula masa volumeacutetrica y fuerza de cohesioacuten
(Schaafsma amp Kossen 2006)Estudiaron la influencia de alimentar el liacutequido aglomerante
atomizado por pulsos y temperatura del medio fluidizante (40 y 60degC) sobre el crecimiento del
aglomerado El aglomerador empleado teniacutea una geometriacutea coacutenica y contaba con un cicloacuten para
limpiar el aire de los finos arrastrados por eacuteste Se emplearon soacutelidos de α-lactosa monohidratada
malla No 110 y como liacutequido aglomerante polyvinylpirrolidona al 8 Los resultados obtenidos
indicaron que el crecimiento del aglomerado se ve influenciado por la humedad presente en el
lecho mientras que encontraron diferentes efectos de la temperatura del medio fluidizante sobre
el crecimiento del aglomerado a baja temperatura 40degC el graacutenulo crece a su tamantildeo final maacutes
raacutepido que a 60degC
(Tan HS Salman AD 2006)Estudiaron la influencia de algunos paraacutemetros operacionales
responsables del crecimiento del aglomerado empleando como soacutelido de trabajo Glass Ballotini
cuya distribucioacuten de tamantildeos estaba comprendida entre 73-375 microacutemetros El agente
3
aglomerante empleado fue Polyentilen Glycol Los paraacutemetros operacionales analizados fueron
tasa de atomizacioacuten del agente aglomerante (288 m3 ∙s-1) temperatura en el lecho de soacutelidos
(28 32 36 y 40degC) presioacuten de atomizacioacuten (15 bar) y velocidad del aire fluidizante (097 m∙s-1)
Los resultados indicaron que el crecimiento del aglomerado depende directamente de la cantidad
relativa del agente aglomerante atomizado sobre el lecho el cual determina la velocidad del
proceso de agregacioacuten Asiacute mismo el crecimiento del aglomerado se ve favorecido con el
incremento en los niveles de temperatura Con referencia al tamantildeo de gota del agente
aglomerante atomizado concluyeron que una gota de mayor tamantildeo incrementa el crecimiento
global del aglomerado mientras que una gota de menor tamantildeo induce a un crecimiento inicial
maacutes raacutepido Finalmente el crecimiento global del aglomerado se reduce al incrementar la
velocidad del aire
(Dolinski 2000) Encontroacute que en el secado de aspersioacuten de zumos de frutas con elevado contenido
de azucares los compuestos tienen temperaturas de transicioacuten viacutetrea bajas presenta problemas
de pegajosidad (stickiness) El teacutermino ldquostickinessrdquo hace referencia a los fenoacutemenos de cohesioacuten
partiacutecula-partiacutecula y de adhesioacuten partiacutecula-pared que presentan los polvos obtenidos que dificulta
su presentacioacuten en estado polvo y mancha las paredes de los cilindros de pulverizacioacuten (Al quedar
en la pared del compartimiento de secado como un jarabe da lugar a bajas producciones del
producto y a problemas operacionales)
(Boonyai 2004) Explica que la mayor causa de la pegajosidad en polvos amorfos de zumos en el
secado por aspersioacuten es la accioacuten plastificante del agua en la superficie que da lugar a la adhesioacuten
y cohesioacuten El alto contenido en azuacutecares de bajo peso molecular y aacutecidos orgaacutenicos disminuye la
temperatura de transicioacuten viacutetrea (Tg) por debajo de la temperatura de preparacioacuten del producto
incluso a la temperatura de salida del secado Esto conlleva a la existencia de un estado pseudo-
liacutequido de material amorfo que es responsable de la cohesioacuten interpartiacuteculas y de la adhesioacuten de
las partiacuteculas a las paredes del cilindro Cuanto mayor sea esta diferencia de temperatura (ΔT=Tp -
Tg) mayor seraacute el grado de pegajosidad
Como puede visualizarse existe un grupo muy amplio de paraacutemetros operacionales que inciden en
el comportamiento del proceso de aglomeracioacuten y los problemas asociados a este Sin embargo la
investigacioacuten y anaacutelisis de este tipo de proceso se centra en los paraacutemetros que se pueden
controlar de manera adecuada pues los equipos empleados para tal investigacioacuten son de tipo
escala piloto o banco los cuales son disentildeados y construidos para manipular un nuacutemero reducido
de paraacutemetros Por su parte se han propuestos teacutecnicas para resolver anomaliacuteas presentadas por
la influencia de variables que se afectan unas con otras
(Espantildea Patente nordm 36848 1967) Propuso un procedimiento para obtener aglomerados fuertes de
cafeacute soluble mediante la reduccioacuten de la temperatura de las partiacuteculas hasta menos 7deg antes de
entrar en contacto con vapor de agua y con humedades de 3 a 4 El enfriamiento se logra con la
inyeccioacuten de co2 liquido en el molino de martillos asiacute mismo demostroacute que la reduccioacuten de
tamantildeo a menos de 54 micras se forman enlaces fuertes y se evita la degradacioacuten o separacioacuten de
los graacutenulos durante el secado en la caacutemara Su metodologiacutea consistioacute en pruebas a diferentes
4
niveles de temperaturas cantidad de vapor humedad y temperatura del producto inicial
obteniendo aglomerados de gran dureza y buena apariencia fiacutesica
(Schaafsma SH 1998) Propuso en su trabajo de investigacioacuten relacionado con la aglomeracioacuten de
soacutelidos un proceso de crecimiento de un aglomerado originado a partir de una gota de liacutequido En
su propuesta describe el crecimiento del aglomerado a partir de dos etapas Inicialmente se
presenta un raacutepido crecimiento que toma lugar por el mojado de las partiacuteculas lo cual resulta en
la formacioacuten de un aglomerado inicial La segunda etapa de crecimiento es iniciado por el
transporte de liacutequido del aglomerado hacia las partiacuteculas que lo rodea El crecimiento del
aglomerado toma lugar por la unioacuten de partiacuteculas Si un poro en la superficie de un aglomerado
estaacute saturado con liacutequido entonces partiacuteculas libres pueden alcanzar la fase liacutequida en el poro y un
puente liacutequido puede ser formado Acorde a este proceso se puede concluir que la distribucioacuten de
tamantildeos de partiacuteculas y porosidad juega un papel importante en el tamantildeo final del aglomerado
Diversos autores han utilizado diferentes aproximaciones ingenieriles para entender y describir el
comportamiento de un proceso de granulacioacuten Un anaacutelisis estadiacutestico de un disentildeo experimental
permite determinar cualitativamente el efecto de un paraacutemetro del proceso sobre el aglomerado
tomando como referencia el tamantildeo promedio de la poblacioacuten de partiacuteculas aglomeradas
(Montgomery 2007) Mientras que el uso de un balance de poblacioacuten permite tratar de manera
fundamental procesos que involucran fenoacutemenos de nacimiento y muerte de partiacuteculas en un
determinado volumen de control (VC) (Hulbert 1967)
(Cryer A S y Scherer NR 2003 ) Implementaron un disentildeo factorial fraccional a frac12 en un
aglomerador coacutenico para evidenciar la influencia de ciertos paraacutemetros importantes relacionados
con la aglomeracioacuten de un producto agroquiacutemico cuya distribucioacuten inicial comprendiacutea tamantildeos
entre 01 a 100 micrones y cuyo diaacutemetro promedio inicial era de 20 micrones El agente
aglomerante empleado fue agua destilada Los paraacutemetros operacionales analizados fueron flujo
de aire (0106-0153 m3 s-1) temperatura de alimentacioacuten del aire (40-60degC) tasa de atomizacioacuten
del agente aglomerante (370x103 -542x103 kg s - 1 ) carga de soacutelidos inicial (25-35kg) y altura de
la boquilla de atomizacioacuten (posiciones 1 y 3) A partir del anaacutelisis estadiacutestico (el cual se realizoacute con
un nivel de significancia de 99) se evidencioacute la significancia de los factores bajo estudio siendo la
tasa de atomizacioacuten y carga de soacutelidos los de mayor efecto mientras que la temperatura y flujo de
aire resultaron marginalmente significativos en el crecimiento del aglomerado mientras que la
altura de la boquilla no influye en el crecimiento del aglomerado
(Riacuteos 2005) Implementoacute un disentildeo factorial 2 a la 3 en un aglomerador de lecho fluidizado coacutenico
para aglomerar soacutelidos de Tamarindo con un diaacutemetro promedio de 784 micrones Los factores
controlables fueron temperatura del aire fluidizante (80-100degC) tiempo de atomizacioacuten (3-5 min)
y masa de soacutelidos cargados al sistema (200-300g) El agente aglomerante empleado fue agua
destilada El anaacutelisis estadiacutestico (realizado con un nivel de significancia del 95) determinoacute que el
tiempo de atomizacioacuten del agente aglomerante fue el principal paraacutemetro que afecta el
crecimiento del aglomerado mientras que la temperatura y carga de soacutelidos no afectan el
crecimiento del aglomerado Cabe resaltar que se probaron los niveles de significancia de 90 y
5
75 con el objetivo de probar los posibles efectos de los paraacutemetros que no resultaran
significativos a un nivel del 95 El resultado obtenido a un nivel de significancia del 90
determinoacute que el tiempo de atomizacioacuten asiacute como la temperatura del aire resultaron
significativos es decir afectan en el crecimiento del aglomerado Asiacute mismo se determinoacute que a
un nivel de significancia del 75 los paraacutemetros tiempo de atomizacioacuten temperatura carga de
soacutelidos asiacute como la interaccioacuten entre la temperatura y carga de soacutelidos afectan el crecimiento del
aglomerado El anaacutelisis realizado a estos niveles de significancia (75 y 90) se evaluaron para
futuros trabajos relacionados con la aglomeracioacuten de soacutelidos de Tamarindo
(Dacanal amp Menegalli 2008) Implementaron un disentildeo factorial fraccional 24-1 en un aglomerador
con geometriacutea coacutenica el cual contaba con un cicloacuten para limpiar el aire de los finos arrastrados
con el objetivo de evidenciar la significancia de ciertos paraacutemetros operacionales que influyen en
el proceso de crecimiento de aglomerados de soacutelidos de acerola (Cerezo de las Antillas) La
poblacioacuten inicial de los soacutelidos contaba con un diaacutemetro promedio inicial de 954 micrones El
agente aglomerante empleado fue agua Los paraacutemetros bajo estudio fueron temperatura del aire
fluidizante (75-90degC) velocidad del aire fluidizante (025-045 ms-1 ) flujo de aire de atomizacioacuten
(050-070 lh-1 ) y altura de la boquilla con respecto al lecho (050-070 m) El anaacutelisis estadiacutestico
(realizado con un nivel de significancia del 95) evidencioacute la influencia de solo la velocidad del aire
sobre el crecimiento del aglomerado Sin embargo los autores expresan que la temperatura del
aire debe afectar el crecimiento del aglomerado pero los niveles ensayados no fueron los
adecuados Cabe resaltar que la altura de la boquilla y flujo de aire en la boquilla no resultaron
significativos es decir no influyeron en el crecimiento del aglomerado
6
12 Planteamiento del Problema
En Cafeacute Tostado de Exportacioacuten durante el proceso de aglomeracioacuten de cafeacute soluble para la
obtencioacuten de granulado efectuado en un secador por aspersioacuten con lecho fluido integrado se
presenta la pegajosidad de los polvos finos a las paredes de la base coacutenica del equipo y conforme
transcurre el tiempo la cantidad adherida se compacta formando capas gruesas llegando al punto
en que el mismo calor en el interior lo derrite y cae en forma de masas elaacutesticas o masas solidas de
gran volumen obstruyendo el paso de los graacutenulos por lo que la produccioacuten se detiene generando
contratiempos al quitar todo el cafeacute compactado Esta anomaliacutea afecta la eficiencia del proceso y
disminuye el rendimiento
La problemaacutetica se da en la produccioacuten de diversos tipos de cafeacute granulado desde mezclados
descafeinados y puros asiacute como en los diversos paraacutemetros de operacioacuten y aunque se han
implementado vibradores de alto rendimiento en la base coacutenica del equipo el problema sigue
teniendo impacto
13 Objetivos General
Optimizar el proceso de aglomeracioacuten de polvos finos de cafeacute soluble para la mejora del
rendimiento
Especiacuteficos
Evaluar el efecto de las variables de operacioacuten sobre el comportamiento de los
aglomerados asiacute como las caracteriacutesticas finales deseadas
Determinar mediante corridas experimentales las variables con mayor incidencia en la
pegajosidad del producto
Optimizar los paraacutemetros operacionales mediante el balance de materia y energiacutea
13 Definicioacuten de variables
Las variables que se manejaran en este proyecto se mencionan a continuacioacuten
Condiciones operativas del sistema temperatura de aire de entrada y salida presioacuten de
vapor flujo de aire de entrada y salida
Propiedades de los soacutelidos iniciales tamantildeo de partiacutecula humedad temperatura y
densidad
Humedad relativa del aire
Presioacuten del sistema y trasferencia de calor
7
15 Hipoacutetesis
1 Los aglomerados pierden cohesioacuten durante el secado debido a que hay un enlace de
partiacuteculas deacutebiles las cuales se separan generando una cantidad de polvos finos que son
arrastradas por la corriente de aire de forma turbulenta hasta la parte inferior dando
lugar a la adhesioacuten y compactacioacuten
2 La variacioacuten de la presioacuten del sistema (vaciacuteo) presenta anomaliacuteas en la distribucioacuten de
aire trayendo consigo alto acarreo de polvos finos por lo que presenta depoacutesitos a las
paredes de la caacutemara de secado
3 La continua variacioacuten de las condiciones de operacioacuten afecta en la formacioacuten y crecimiento
de las partiacuteculas dando lugar al arrastre excesivo de polvos como del medio aglomerante
reflejando en el escaso o nulo crecimiento de la partiacutecula y por ende adhesioacuten a las
paredes
4 La concentracioacuten de azucares tiene efecto significativo en la pegajosidad
16 Justificacioacuten del Proyecto
Hoy en diacutea el control de los procesos de aglomeracioacuten bajo su contexto de granulacioacuten huacutemeda es
muy complejo al llevar a cabo diferentes mecanismos dentro de sistemas que manejan
transferencia de calor transferencia de masa mecaacutenica de fluidos y termodinaacutemica por
consiguiente dependen de las variables de operacioacuten la naturaleza de los soacutelidos y del liacutequido
ligante
El presente proyecto se realiza en una empresa de cafeacute soluble donde se lleva cabo el proceso de
aglomeracioacuten en la cual presenta problemas de pegajosidad de partiacuteculas finas a las paredes del
equipo y el rendimiento se ve afectado El proyecto es seguimiento de un estudio anterior en la
que se analizaron y estudiaron varios tipos de cafeacutes encontraacutendose que los mezclados
presentaban maacutes adhesioacuten que los puros por consiguiente se determinaron las condiciones
oacuteptimas de operacioacuten de acuerdo las especificaciones finales mediante el uso de graficas de
control sin embargo eso no detuvo la problemaacutetica ya que hasta la fecha sigue presenciaacutendose
Siendo necesario estudios maacutes a fondo basado en teacutecnicas experimentales o de modelos
matemaacuteticos para entender la interaccioacuten de una variable sobre el comportamiento
La finalidad de este proyecto es la optimizacioacuten de los paraacutemetros operacionales de las variables
del proceso que inciden en la anomaliacutea Para ello se emplearan herramientas estadiacutesticas (disentildeo
de experimentos) para la evaluacioacuten y determinacioacuten de los efectos de las variables de entrada
(factores) sobre una variable de salida (respuesta) y el balance de materia-energiacutea para el control y
la optimizacioacuten
8
17 Limitaciones y Alcances
Limitaciones
Se respetaran los lineamientos de la empresa por lo que los nombres de los productos a
estudiar seraacuten restringidos y su uso seraacute mediante letras o nuacutemeros
El tiempo de estudio comprenderaacute 3 meses por lo que simplemente se abarcaran los
tipos de cafeacute que se produzcan en ese lapso
Debido a que el proceso es continuo los operarios son los uacutenicos que tienen el control de
las condiciones del equipo por consiguiente se tomaran solo los paraacutemetros empleados
para cada tipo de producto y estas son las que se manejaran en el disentildeo experimental
Alcances
Determinacioacuten de los factores influyentes en la pegajosidad del cafeacute y optimizacioacuten de los
mismos
Control de los paraacutemetros operacionales
Implementacioacuten de acciones de mejora continuacutea para el sistema
18 La Empresa
Cafeacute Tostado de Exportacioacuten tiene su inicio el 13 de Mayo de 1972 en la Ciudad de Tuxtla
Gutieacuterrez Chiapas Es una empresa que pertenece al grupo SANROKE que actualmente se
encuentra ubicada en la ciudad de Coacuterdoba Veracruz Comenzoacute produciendo cafeacute tostado y
molido posteriormente inicia en el proceso de cafeacute soluble logrando obtener otros subproductos
del cafeacute soluble como el aglomerado lechero y capuchino Fue una de las primeras empresas en
su ramo en estar certificada por la norma ISO 90012008 Actualmente cuenta con certificaciones
de labor social medio ambiente calidad orgaacutenicas e inocuidad lo que refleja su cumplimiento de
los estaacutendares internacionales
Es una compantildeiacutea liacuteder por su firme compromiso con la calidad y la satisfaccioacuten del cliente
Sumando hasta el diacutea de hoy deacutecadas de experiencia y dedicacioacuten en la industria del cafeacute El
aumento del consumo de esta bebida en el mundo ha sido paralelo a su desarrollo econoacutemico
representando una gran oportunidad para encontrar nuevos socios y expandir sus actividades
demostrando al resto del mundo coacutemo la disciplina y el trabajo duro conducen al eacutexito
Misioacuten
Elaboracioacuten de productos de la maacutes alta calidad a traveacutes de la seleccioacuten de materia prima superior
y los maacutes altos estaacutendares de manufactura satisfaciendo el gusto de los consumidores generando
beneficios para los accionistas colaboradores clientes proveedores y comunidad en general
9
Visioacuten
Convertirse en liacutederes del mercado nacional y ampliar su presencia en el mercado extranjero con
productos de calidad insuperable con el mejor sabor que proporcione deleite y satisfaccioacuten a
quien los consuma
En cafeacute tostado de exportacioacuten para obtener cafeacute soluble granulado se llevan cabo varias
operaciones unitarias
Tostado se exponen los granos de cafeacute a un calentamiento en el cual provoca inicialmente
una liberacioacuten de agua ligada hasta alcanzar el calor deseado mantenieacutendolo en continuo
movimiento para asegurar un tostado completo del grano cuando finaliza el tostado el
cafeacute es enfriado y almacenado
Molienda y Extraccioacuten para la reduccioacuten del tamantildeo el cafeacute tostado requiere un corte
mediante una accioacuten de compresioacuten y friccioacuten para provocar partiacuteculas de tamantildeo y
forma adecuados Una vez molido se hace la extraccioacuten de solidos solubles aplicando agua
caliente para generar una infusioacuten que obtenga todo el sabor y aroma presente en los
granos
Centrifugacioacuten y evaporacioacuten mediante una maacutequina de fuerza centriacutefuga se elimina la
mayor parte de los residuos que quedan de la extraccioacuten Posteriormente el extracto
liacutequido obtenido entra en la evaporacioacuten donde se elimina la mayor parte de agua y el
producto queda concentrado
Secado el liacutequido es secado mediante un secador por aspersioacuten en una corriente de aire
caliente donde las gotitas finamente al contacto con el calor evaporan el agua
convirtieacutendose en polvo esfeacuterico instantaacuteneo
Aglomeracioacuten es la operacioacuten designada para la formacioacuten de partiacuteculas de mayor
tamantildeo operando sobre la base de re-humidificacioacuten de la superficie del polvo de cafeacute con
vapor de agua en una atmoacutesfera turbulenta de aire caliente de manera que al colisionar
las partiacuteculas entre siacute los finos se adhieren a los gruesos formaacutendose los aglomerados
La variedad de presentaciones y la calidad de sus producto han permitido permanecer en el gusto
del puacuteblico contando con sus tradicionales cafeacutes tostados y molidos los praacutecticos cafeacutes solubles
aglomerados y ahora liofilizado caacutepsulas de cafeacute expreso teacute de cafeacute verde y crema untable
Caferetas Actualmente es liacuteder en el mercado internacional del cafeacute instantaacuteneo liacuteder local y
regional de cafeacute soluble granulado bajo el nombre de cafeacute ldquoLos Portales de Coacuterdoba ldquo
10
CAPIacuteTULO 2 METODOLOGIacuteA
21 Eleccioacuten de los factores y los niveles
Los factores seraacuten las condiciones de operacioacuten del equipo aglomerador de las cuales se
seleccionaran solo las que tengan maacutes impacto en la formacioacuten del granulo y posible influyente en
el problema los niveles estaraacuten definidos como altos y bajos
22 Seleccioacuten de la variable de respuesta
La variable de respuesta estaacute definido como las caracteriacutesticas fisicoquiacutemicas del producto final color densidad humedad dureza y porcentaje de aglomerado pero solo se seleccionaraacuten dos de ellas Tambieacuten se contemplara como respuesta el porcentaje de adhesioacuten
23 Eleccioacuten del disentildeo experimental
La eleccioacuten del disentildeo implicara la consideracioacuten del tamantildeo de la muestra (nuacutemero de reacuteplicas)
El intereacutes se centrara en identificar queacute factores causan esta diferencia y en estimar la magnitud
del cambio de la respuesta Por lo que pueden utilizarse uno o maacutes disentildeos experimentales de
acuerdo a las variables manejadas las cuales pueden ser factorial por bloques completamente al
azar y superficie de respuesta
24 Realizacioacuten del disentildeo de experimentos
Una vez seleccionado el o los disentildeos se ejecutaran para obtener los valores de las respuestas para
la cuales se contara con el apoyo de aacuterea de control de calidad quien proporcionara esta
informacioacuten asiacute como tambieacuten la ayuda de los operarios quienes son los expertos en manejar las
condiciones del equipo Los datos obtenidos se ingresaran a un programa estadiacutestico para
determinar los efectos y obtener las graacuteficas
25 Monitoreo de los flujos de aire humedad relativa y presioacuten del sistema
Se haraacute un monitoreo en los flujos de aire humedad relativa y presioacuten del sistema en lapso de
tiempo adecuado para evaluar el comportamiento de estas variables los datos se registraran en
Excel para la elaboracioacuten de graacuteficas
26 Anaacutelisis de datos
En esta fase se utilizaran programas estadiacutesticos para analizar y comparar los datos a fin de
determinar que los resultados y las conclusiones sean objetivos Se aplicara un anaacutelisis de varianza
11
(anova) la cual puede ser de un solo factor o multifactorial con niveles de significancia
dependiendo del tipo de disentildeo y con ello se haraacute la prueba de hipoacutetesis
27 Anaacutelisis de los efectos de los paraacutemetros operacionales
El anaacutelisis de los efectos de los paraacutemetros operacionales (factores) sobre la variable de
respuesta se efectuara mediante las graacuteficas de interaccioacuten y las graacuteficas de efectos normales que
se obtendraacuten en el software estadiacutestico con la finalidad de determinar coacutemo afecta cada factor
en el comportamiento de una propiedad caracteriacutestica del granulo
28 Aplicacioacuten del balance de materia y energiacutea
Para realizar este caacutelculo primero se haraacuten las conversiones de flujo de aire de velocidad angular a
velocidad lineal para posteriormente calcular el caudal del aire que pasa por los conductos asiacute
mismo se calculara el volumen de la caacutemara de secado y la base conicaEl uso de la carta
psicomeacutetrica seraacute de gran importancia para determinar la humedad absoluta del aire las
eficiencias teacutermicas y la temperatura de saturacioacuten adiabaacutetica Para la entalpia del aire se
utilizaran foacutermulas adecuadas de termodinaacutemica Las formulas del balance de materia y energiacutea
que se utilizara seraacute las establecidas para secadores por aspersioacuten Una vez reunido los valores se
sustituiraacuten para obtener los correspondientes la variable que se necesita encontrar es la cantidad
de humedad relativa y el calor en la salida de la caacutemara de secado
29 Optimizacioacuten del proceso
La optimizacioacuten del proceso se efectuaraacute de acuerdo a los resultados de los monitoreos del flujo
de aire humedad relativa los efectos obtenidos en el disentildeo de experimentos y sobre todo los
caacutelculos de balance de materia ndashenergiacutea
12
CAPIacuteTULO 3 DESARROLLO DEL PROYECTO
31 Equipo experimental
El equipo experimental utilizado fue un secador por aspersioacuten con lecho fluido integrado (Anexo1)
que consta de una caacutemara de secado proyectado sobre una base coacutenica mediante la cual una
corriente de aire caliente es suministrado por un ventilador de entrada creando una atmosfera
turbulenta donde los polvos finos entran en contacto con vapor de agua y mediante el secado se
forman los aglomerados este equipo maneja varias condiciones de operacioacuten que le dan las
caracteriacutesticas al producto Las herramientas estadiacutesticas empleados fueron Excel para el anaacutelisis
de varianza y prueba de hipoacutetesis del disentildeo por bloques al azar minitab para el anaacutelisis de los
efectos de los factores sobre la variable de respuesta y stargrapics para el anaacutelisis de varianza del
segundo disentildeo experimental
32 Monitoreos
Se hizo un monitoreo en los flujos de aire de entrada flujo de salida el vaciacuteo del sistema y la
humedad relativa del aire en un lapso de 5 horas diarias por 10 lotes de produccioacuten evaluando
tambieacuten la adhesioacuten en cada uno de ellos se registraron los datos en Excel mediante estos datos
se elaboroacute una graacutefica de dispersioacuten para ver el comportamiento de estas variables
33 Disentildeo de experimentos
Se utilizoacute un disentildeo de bloques completamente al azar en la cual los tratamientos fueron la
concentracioacuten de azucares con respuesta de porcentaje de adhesioacuten Cabe mencionar que cada
tratamiento indica un tipo de producto por su concentracioacuten
Tabla 1 Tratamientos del disentildeo por bloques al azar
TRATAMIENTO CONCENTRACION
A 0
B 5
C 10
D 15
F 17
Se formularon dos hipoacutetesis
H0=La concentracioacuten de azucares no tiene efecto en la pegajosidad de los polvos finos si F es
menor o igual a la F tabulada
13
H1=La concentracioacuten de azucares tiene efecto significativo si F de Fisher es mayor que la F
tabulada
Se utilizoacute un disentildeo factorial 23 para determinar el efecto de tres condiciones de operacioacuten
(factores) las cuales fueron velocidad de aire temperatura de entrada y temperatura de salida con
dos niveles teniendo como respuestas la dureza del granulo para 5 tipos de cafeacute soluble
Tabla 2 Factores y niveles del Disentildeo factorial 23
TIPOS FACTORES NIVEL BAJO NIVEL ALTO RESPUESTAS
Cafeacute soluble
ABCDF
Temperatura de entrada
217 227 220 212
235 231 236 228
Dureza
Temperatura de salida
133 139 137 134
135 142 138 135
Velocidad de aire
800 849 690 975
1000 850 950 1050
Tambieacuten se empleoacute un disentildeo factorial de 23 para determinar los efectos de tres factores No
Criba del molino de martillos con nivel de 33-55 la presioacuten de vapor con nivel de 15-20 y la
temperatura de producto nivel de 30-35 las respuestas que se eligieron para este disentildeo fue la
dureza del granulo y el porcentaje de aglomerado este experimento se inicioacute empleado la
herramienta estadista minitab en la cual se ingresaron estos factores con sus niveles arrojando 8
corridas por las combinaciones
Tabla 3 Corridas experimentales del disentildeo 23
Factores
corridas Presioacuten de
vapor
NoCriba Temperatura de
partiacutecula
1 15 33 30
2 2 33 30
3 15 54 30
4 2 54 30
5 15 33 35
6 2 33 35
7 15 54 35
8 2 54 35
14
34 Realizacioacuten del disentildeo de experimentos
Para la ejecucioacuten del disentildeo de experimentos se siguioacute con el programa de produccioacuten iniciando
con el disentildeo por bloque completamente al azar la cual se llevoacute en la aglomeracioacuten de 5 tipos de
cafeacute con diferentes concentraciones mencionadas anteriormente desde el arranque del equipo en
la cual los soacutelidos finos iniciales que se cargaron fueron un cafeacute A sin concentracioacuten
posteriormente se cambioacute a los siguientes tipos (BCDF) las condiciones operativas del equipo
estuvieron de la siguiente manera temperaturas de entrada de 190 a 230 temperatura de salida
de 100-140 y velocidad de aire de 600 a 1000 rpm Cada vez que se haciacutea un cambio de producto
se sacoacute la cantidad de solidos finos adheridos de la siguiente manera
(Cantidad alimentada x 98 de rendimiento fijo)- (Cantidad producida)
Mediante esta foacutermula se obtuvo el porcentaje de cada tipo de cafeacute retenido en la base coacutenica
Cantidad adherida x 100
Cantidad alimentada
Los datos quedaron registrados en la tabla 4 donde cada repeticioacuten indica un lote de produccioacuten
diferente
Tabla 4Disentildeo de bloques completamente al azar
REPETICIONES
TRATAMIENTOS I II III
A 625 6033 702
B 1071 859 12
C 7015 6033 927
D 583 95 892
F 992 704 859
G 113 853 905
El primer disentildeo factorial se llevoacute a cabo en la aglomeracioacuten de 4 tipos de cafeacute soluble en la cual
se monitoreo la interaccioacuten de cada factor de acuerdo a los niveles establecidos sobre la respuesta
y se registraron los resultados Las partiacuteculas finas teniacutean las siguientes propiedades iniciales
Densidad 180-210 grcm3
Color 72-84
Humedad 2 a 35
15
Los resultados de los anaacutelisis fisicoquiacutemicos (dureza) fueron proporcionados por el aacuterea de control
de calidad estos datos se ingresaron en minitab y se hizo el anaacutelisis factorial obteniendo las
graacuteficas de interaccioacuten asiacute como tambieacuten la significancia de los efectos
El segundo disentildeo factorial se llevoacute cabo en la aglomeracioacuten de un lote de cafeacute soluble regular con
las siguientes propiedades
Color 72-85
Humedad 2-35
Densidad 190-210
La duracioacuten del lote fue de 10 horas el equipo empleo una velocidad de aire entrada de 900 rpm
con temperatura de 220degc y una velocidad de aire salida de 1765 rpm con temperatura de 135 degC
Se recibioacute ayuda por parte de los operarios para las combinaciones y cada vez que esta se
ejecutaba se tomoacute muestras de 10 grs y se llevoacute a control de calidad para los anaacutelisis de dureza y
porcentaje de aglomerado por cada corrida finalizando este experimento se registraron todos los
resultados en minitab y se hizo el anaacutelisis del disentildeo para las significancias de los factores cabe
mencionar que mediante este programa se obtuvieron las graacuteficas de interaccioacuten
35 Anaacutelisis de datos
Para determinar cualitativamente el efecto de los paraacutemetros del proceso en la aglomeracioacuten de
las partiacuteculas de cafeacute soluble se aplicoacute un anaacutelisis de varianza (ANOVA) con un nivel de
significancia α del 5 a los resultados experimentales La dureza y el porcentaje de
aglomerado se seleccionaron como paraacutemetro de respuestase utilizo el programa de stargrapics
para el anaacutelisis
36 Balance de materia energiacutea
Para el balance de materia y energiacutea primero se hicieron las conversiones de la velocidad angular
del aire de entrada y salida (rpm) a velocidad lineal (ms) empleando la foacutermula
(1rpm) (2π rad)60 x (radio) Asiacute como el caacutelculo del volumen de la caacutemara de secado (anexo 3)
El caacutelculo del caudal de aire de entrada se realizoacute empleando la foacutermula
119876 = 119881 119878
Donde
V=velocidad lineal del aire (ms)
S=aacuterea de la seccioacuten trasversal (m2)
El radio de la seccioacuten transversal para ventilador de entrada fue 0335 y la de salida de 0195
Se sacaron las eficiencias teacutermicas del equipo de la siguiente manera
16
Eficiencia teacutermica global= (11987911198792
1198792119879119900)
Eficiencia de evaporacioacuten= (1198791 1198792
1198791 119879119904119886119905)
Para determinar las temperaturas de saturacioacuten adiabaacutetica (TSAT) y (T0) se utilizoacute la carta psicomeacutetrica (Anexo 2) El balance quedo estructurada de la siguiente forma
Figura 1 Diagrama de flujo del aglomerador
Donde FS1=masa del solido seco (kg)
Ga flujo de aire (kgh)
Ws=contenido de humedad del alimento (kg agua kg solido seco)
Ta=temperatura de entrada
Ta1=temperatura de salida
Ta2=temperatura de solidos
Ga1=flujo de aire entrada
Ga2=flujo salida de aire
H1= humedad relativa del aire entrada
H2=humedad relativa del aire salida
El balance del sistema sin peacuterdidas ni acumulacioacuten quedo de la siguiente manera
FS WS1 +Ga Ha1 = FS WS2 +Ga Ha2
17
Mientras que el balance de energiacutea
FS QS1+ Ga Qa1 = FS QS2 +Ga Qa2 +QL
Donde qs1 y qs2 son las entalpiacuteas del soacutelido entrando y saliendo del secador (KJKg) qa1 y qa2 son
las entalpiacuteas del aire entrando y saliendo del secador (KJKg) qL es el calor perdido (KJ)
El balance con respecto a la humedad se determinoacute mediante la siguiente formula
GH2 LS X1 GH1 LS X2
Donde
GH2= flujo de aire
Ls = flujo de alimentacioacuten
X1= humedad de los soacutelidos iniciales
La entalpia de la salida de aire se calculoacute mediante la foacutermula
HG C2 (TG T0) H
Donde
TG= Temperatura del aire
T0= Temperatura saturacioacuten
H=Entalpia del solido seco
37 Optimizacioacuten
La optimizacioacuten del proceso se llevoacute a cabo en el control de los factores incidentes en la cual se establecieron los rangos a utilizar esto derivado de los caacutelculos de balance y lo obtenido de los efectos en el disentildeo experimental los operarios se apegaron a estas condiciones con sus respectivos rangos y lo llevaron a cabo durante 8 lotes de produccioacuten en ese lapso de tiempo se evaluoacute el comportamiento del rendimiento se registraron los datos y se graficaron
18
CAPIacuteTULO 4 RESULTADOS Y CONCLUSIONES
41 Resultados
Anaacutelisis de efectos disentildeo factorial No1
Figura 2Grafica de efectos normales para el cafeacute soluble ABCD
En la figura 2 se observa la distribucioacuten de los factores A B C para los 4 tipos de cafeacute en la cual la
temperatura de entrada tiene efecto significativo en la dureza con una significancia del 92
mientras que los demaacutes factores no presentaron efectos significativos aunque tambieacuten influyen en
una combinacioacuten para dar la caracteriacutestica fisicoquiacutemica
19
Figura 3Grafica de interaccioacuten para cafeacute
soluble A
Figura 4 Grafica de interaccioacuten para cafeacute
soluble B
Figura 5Grafica de interaccioacuten para cafeacute soluble
C
Figura 6Grafica de interaccioacuten para cafeacute
soluble D
En las figuras 3 4 5 y 6 se muestran el comportamiento de la dureza de acuerdo a los factores
manejados para los cuatro tipos de cafeacute y en cada una de ella se aprecia que los niveles menores
de la temperatura de salida con la temperatura de entrada dieron una dureza igual y por debajo
de 10 asiacute mismo en el factor de velocidad de aire tambieacuten tuvo un comportamiento con niveles
menores Cabe mencionar que ninguna de las combinaciones obtuvo una dureza optima por lo
que se determinoacute que el incremento en la temperatura de salida aumenta la dureza obteniendo
un granulo maacutes fraacutegil
20
Anaacutelisis del disentildeo factorial No2
Figura 7Grafica de efectos normales para
dureza del cafeacute regular
Figura 8Grafica de efectos principales para dureza
del cafeacute regular
En las figuras 7 y 8 se observa que el No de criba tiene efecto significativo sobre la dureza es decir
entre menor abertura tenga la criba la dureza es mucho menor los graacutenulos son maacutes resistentes
mientras que entre mayor sea la abertura los graacutenulos son maacutes fraacutegiles (dureza alta) cabe
mencionar que la mejor dureza obtenida fue con el nuacutemero de malla 33 la presioacuten de vapor de
15 y la temperatura de partiacutecula de 30deg c
Figura 9 Grafica de efectos normales para
porcentaje de aglomerado del cafeacute regular
Figura 10Grafica de interaccioacuten para porcentaje
de aglomerado del cafeacute regular
21
En las figuras 9 y 10 se observa que la temperatura del producto el nuacutemero de criba tiene efecto
significativo sobre el porcentaje de aglomerado entre mayor es el nivel el porcentaje de
aglomerado disminuye determinado que hay maacutes cantidad de polvos finos asiacute mismo si el nivel
de los factores es bajo el porcentaje incremente constantemente Por lo que el comportamiento
del graacutenulo se acopla al incremento o disminucioacuten de estas variables
Monitoreos
Figura 11Grafica de dispersioacuten de la presioacuten del sistema
Figura 12 Grafica del vaciacuteo vs porcentaje de adhesioacuten
En las figuras 11 y 12 se observa el comportamiento del vaciacuteo con las variaciones de aire de
entrada Cabe mencionar que el sistema empleo una sola salida de aire de 1765 rpm Durante los
monitoreos los productos presentaron pegajosidad con entradas de aire menores a 900 rpm
mientras tanto de 1000 a 1150 rpm los productos no presentaron pegajosidad Lo mismo sucedioacute
en el comportamiento del vaciacuteo del sistema para la cual la pegajosidad aumenta y el rendimiento
disminuye con respecto al incremento del vaciacuteo Por lo que esta variable es el factor determinante
y con ello se prueba la hipoacutetesis que la variacioacuten en la presioacuten del sistema genera un arrastre
excesivo de polvos y la humedad no se elimina lo suficiente
120011001000900800700600
08
07
06
05
04
velocidad de entrada( Rpm)
vacio
del
sis
tem
a (
inh
20
)
Graacutefica de dispersioacuten de vacio del sistema vs velocidad de entrada
0
2
4
6
8
10
12
14
0 02 04 06 08 1
D
E A
DH
ESIO
N
VACIO DEL SISTEMA IN H20
22
Figura 13 Graacutefico de humedad relativa del aire
En la figura 13 se aprecia que la humedad relativa del aire inicialmente fue de 66 que
incrementoacute durante los siguientes diacuteas pero fue disminuyendo hasta llegar al 50 Esto debido a
los cambios climaacuteticos cabe mencionar que el equipo no cuenta con un filtrador para retirar el
porcentaje de agua del aire por lo que esta ingresa directamente a la caacutemara de secado siendo
una variable maacutes influyente en la adhesioacuten de los polvos finos
Anaacutelisis de datos
Tabla 5 Anaacutelisis de varianza de dos factores con una sola muestra por grupo
RESUMEN Cuenta Suma Promedio Varianza Fila 1 3 19303 643433333 026902633
Fila 2 3 313 104333333 296443333 Fila 3 3 22318 743933333 275458633 Fila 4 3 2425 808333333 389223333 Fila 5 3 2555 851666667 207763333 Fila 6 3 2888 962666667 216763333
Columna 1 6 51025 850416667 582740417 Columna 2 6 45726 7621 21353864 Columna 3 6 5485 914166667 260997667
Origen de las variaciones
Suma de cuadrados
Grados de libertad
Promedio de los cuadrados F Probabilidad
Valor criacutetico para
F Tratamientos 316103776 5 632207552 297461023 006699316 332583453
Bloques 699763344 2 349881672 164623405 024097493 410282102
Graacutefico de humedad realtva vs lote
0 3 6 9 12 15
lote
50
54
58
62
66
70
74
hu
med
ad
realt
va
23
Error 212534586 10 212534586
Total 598614696 17
En la tabla 5 se muestra el anaacutelisis de varianza de del disentildeo por bloques completamente al azar
de las diferentes concentraciones de azuacutecar por cada tipo de producto Dado que el f de Fisher es
menor que la f tabulada indica que no hay diferencias significativas por lo que se acepta la
hipoacutetesis nula la concentracioacuten de azucares no tiene efecto significativo en la adhesioacuten del cafeacute
ya que la mayoriacutea tuvo un porcentaje de adhesioacuten alta en las tres repeticiones cabe mencionar
que el producto A sin concentracioacuten tambieacuten tuvo adhesioacuten en la suma de cuadrados por bloques
tampoco hubo diferencias significativas
Tabla 6 Anaacutelisis de Varianza para dureza - Suma de Cuadrados Tipo III
Fuente Suma de Cuadrados
Gl Cuadrado Medio
Razoacuten-F Valor-P
EFECTOS PRINCIPALES
APRESION DE VAPOR 005445 1 005445 006 08164
BTAMANtildeO DE PARTICULA 121525 1 121525 1372 00208
CTEMPERATURA DE PARTICULA 471245 1 471245 532 00823
RESIDUOS
354305 4 0885763
TOTAL (CORREGIDO) 204624 7
La tabla 6 muestra el anaacutelisis de varianza del disentildeo factorial en la cual se descompone la
variabilidad de dureza en contribuciones debidas a varios factores Puesto que se ha escogido la
suma de cuadrados Tipo III (por omisioacuten) la contribucioacuten de cada factor se mide eliminando los
efectos de los demaacutes factores Los valores-P prueban la significancia estadiacutestica de cada uno de los
factores Puesto que un valor-P es menor que 005 este factor tiene un efecto estadiacutesticamente
significativo sobre dureza con un 950 de nivel de confianza
24
Figura 14Grafico anova para dureza
En la figura 14 se muestra el grafico anova y se observa la distribucioacuten de la respuesta para los
factores en la cual todas las razones-F se basan en el cuadrado medio del error residual La
mayoriacutea presenta distribucioacuten anova con el valor p mayor a 05 sin embargo para el factor tamantildeo
de partiacutecula el valor es menor a 05 con significancia
Balance de energiacutea
En el balance de materia y energiacutea se obtuvo que la humedad en la salida aglomerado es del 73
cuando hay una entrada de aire de 1550 m3 s con 50 de humedad relativa a una temperatura
de 230degc necesita 1730 KJ kg de calor con una cantidad de aire seco de 2600 kg h para sistema
adiabaacutetico sim embargo el aglomerador no es de este tipo de sistema por lo que se evaluoacute en un
graacutefico psicomeacutetrico (anexo1) encontraacutendose
El aire se calienta a humedad constante (To -T1) Si la caacutemara estuviera aislada y toda la energiacutea
posible se utilizara el aire se enfriariacutea adiabaacuteticamente y la temperatura miacutenima a alcanzar seriacutea la
de bulbo seco de saturacioacuten (Tsat) En realidad la caacutemara no estaacute aislada y no se sigue un
enfriamiento adiabaacutetico El aire sale a una temperatura T2 (ni estaacute saturado ni el proceso es
adiabaacutetico) debido a la baja relacioacuten aire-producto Si el proceso fuera adiabaacutetico saldriacutea a T2
(proceso adiabaacutetico y masas iguales de aire y producto)
ANOVA Graacutefico para DUREZA
-25 -15 -05 05 15 25
Residuos
PRESION DE VAPOR P = 0816415 2
TAMANtildeO DE PARTICULA P = 0020833 54
TEMPERATURA DE PARTICULA P = 0082330 35
25
Optimizacioacuten
De acuerdo a los caacutelculos de balance de materia los flujos de aire de 900 pm a 1100 rpm con una
salida de 1765 rpm mantienen el calor necesario para eliminar la humedad por lo que estas
variables son las que se implementaron y controlaron para la aglomeracioacuten de los diversos
productos
Figura 15 Grafica de rendimientos con flujo de aire de 900 rpm a 1100 rpm
En la figura 15 se observa el comportamiento del rendimiento con las condiciones aire manejadas
que mantuvieron un vaciacuteo de 04 y 05 inicialmente el rendimiento no fue favorable debido a la
humedad relativa sin embargo en los siguientes lotes el rendimiento se mantuvo del 94
mejorando en los siguientes diacuteas al 97 siendo favorable con ello el porcentaje de adhesioacuten
disminuyo al 3 con estas condiciones la caracteriacutestica de porcentaje de aglomerado incremento
al rango oacuteptimo
La optimizacioacuten de las variables de temperatura de salida y tamantildeo de criba consistioacute en la
reduccioacuten de sus rangos de operacioacuten para la cual la dureza mejoroacute apegaacutendose al rango oacuteptimo
925
93
935
94
945
95
955
96
965
0 2 4 6 8 10 12 14
Ren
dim
ien
to
lote
26
42 Conclusiones
Mediante el disentildeo experimentos se encontroacute que el aumento de dos factores temperatura de
salida y el tamantildeo de partiacutecula influyen en el bajo porcentaje de aglomerado y el incremento en la
dureza por que el granulo aglomerado presenta fragilidad y una cantidad de polvos finos Asiacute
mismo con el disentildeo por bloques se determinoacute que la concentracioacuten de azuacutecares de los cafeacutes no
tiene efecto significativo tomando como muestra patroacuten un producto sin concentracioacuten que
tambieacuten presento adhesioacuten en las tres repeticiones Durante el monitoreo se observoacute que los
soacutelidos aglomerados a condiciones de bajo vaciacuteo con humedad relativa del aire baja no
presentaban ninguacuten problema de adhesioacuten mientras que los producto a condiciones de vaciacuteo alto
con humedades por encima de 60 presentaban mayor adhesioacuten en balance de materia se
observoacute que una humedad relativa alta en la salida del equipo necesita mayor calor y cantidad de
aire de entrada para ser eliminado asiacute mismo mediante las eficiencias teacutermicas se evaluoacute el
sistema en una carta psicomeacutetrica y se determinoacute que hay perdida calor en la caacutemara de secado
al no ser adiabaacutetico por lo que la optimizacioacuten del proceso solo fue parcial enfocaacutendose solo a
condiciones del aire de entrada y salida en la que el rendimiento mejoro en un promedio del 96
43 Trabajos Futuros
Derivado al balance y los caacutelculos la humedad relativa es un factor importante en la adhesioacuten del
producto es por ello que el proyecto tiene continuidad en la implementacioacuten de un desumificador
de aire para que el sistema tenga una inyeccioacuten de aire seco el aislamiento (encamisado) de la
caacutemara de secado para evitar pedidas del calor tambieacuten y la determinacioacuten de nuevas condiciones
de operacioacuten debido a los cambios en los flujos aire
44 Recomendaciones
De acuerdo al estudio realizado mediante el disentildeo factorial se determinoacute que la variacioacuten de la
entrada de aire afecta la presioacuten del sistema por lo que se recomienda manejar una sola condicioacuten
de aire para cada producto con respecto a la velocidad de salida ya que el sistema necesita
mantener el equilibrio de las corrientes de aire para que el calor sea necesario y elimine toda la
humedad posible del vapor de agua para evitar que se concentre en la base coacutenica asiacute mismo la
alimentacioacuten de los soacutelidos finos debe tener propiedades caracteriacutesticas oacuteptimas para evitar la
variacioacuten de las condiciones
27
ANEXOS Anexo 1 Equipo aglomerado
Salida de aire
Base coacutenica
Caacutemara de
secado
Lecho
fluidizado
Entrada de
aire caliente
Separador
cicloacutenico
Zona de aspersioacuten de
solidos secos y vapor
de agua
28
Anexo 2 Carta psicomeacutetrica
Fuente Spray Drying Handbook (Masters 1991)
29
Anexo 3 Caacutelculos de velocidad lineal caudales de aire y volumen del equipo
1765 rpm (2πrads)(042)=7763 ms
600 rpm (2πrads)(030) =2638 ms
700 rpm (2πrads)(030)=3078 ms
800 rpm (2πrads)(030) =3518 ms
900 rpm (2πrads)(030) =3965 ms
1000 rpm (2πrads)(030) =4348 ms
1150 rpm (2πrads)(030)=5057ms
Caudal para las diferentes velocidades lineales
1) Q=VS
Q=2638 ms (π 00335m) 2
Q=930 m3s
2) Q=VS
Q=3078ms (π 00335m) 2
Q=1085m3s
3) Q=VS
Q=3518 ms (π 00335m) 2
Q=1240 m3s
4) Q=VS
Q=4348 ms (π 00335m) 2
Q=1550 m3s
5) Q=VS
Q=5057ms (π 00335m) 2
Q=2002 m3s
6) Q=VS
Q=7763 ms (π 0195 m) 2
Q=3708 m3s
30
Velocidad angular de aire (rpm) Caudal (m3s)
600 rpm 93
700 1085
800 1240
1000 1550
1150 2002
1765 3708
Caudales de aire de entrada y salida
Volumen de la caacutemara de secado
V= ℎ1205871199032
v=97 π (21m)
v=140844 m3
V= ℎ1205871199032
v= (09m) (π 21m)
v=2420 m3
Volumen de la base coacutenica
119907 =π r2 h
3
119907 =π (291) lowast 59
3
V=52313 m3
Volumen total del equipo =21734 m3
582 m
59m
582 m
09 m
43m
97 m
31
Anexo 3Caacutelculos de balance de materia y energiacutea
Se determina la velocidad de flujo de aire y la humedad de salida del aglomerador suponiendo
que no hay peacuterdidas de calor en el secador el balance inicia con la alimentacioacuten de 300 kg de
soacutelidos secoh que contienen 0035 kg de humedad totalkg de soacutelido seco hasta un valor de 0002
kg de humedad totalkg de soacutelido seco El polvo fino a granular entra a 35 ordmC y se desea
descargarlo a 32 ordmC El soacutelido seco tiene una capacidad caloriacutefica de 1465 kJkgK que se supone
constante El aire de calentamiento entra a 230 ordmC y con humedad de 0060 kg H2Okg de aire
seco y debe salir a 130
Balance de materia con respecto a la humedad
GH2 LS X1 GH1 LS X2
Reemplazando valores
(060) + 300 (0035)= GH1+ 300 (0002)
El balance de calor para el secador es
GHG2 LS HS1 GHG1 LS HS2 Q
Se calcula la entalpiacutea del aire de entrada HG1
Aglomerador
G1=
TG1=230
H2=
LS=300 KGSh
TS1=35
X1=0035
G2=
TG2=130
H2=060
Ts 2=378
X2=0002
Q
32
HG1=CS 1005188H 1005188(060)
HG1 CS (TG1 T0 ) H
HG1= CS 230 - 0 + 0060(2501) 17306 KJ Kg aire seco
Se calcula la entalpiacutea del aire de salida HG2
C21005188H 1005188 H1
HG1 CS (TG2 T0 ) H
HG1= (1005 + 188 H1 )130 - 0 + H1 (2501)
HG1=130 + 27454 H1
Se calcula las entalpiacuteas de los soacutelidos
HS1 CP S (TS1 T0) X1 CP A ( TS1 T0)
HS1 1465(35 0) 0035 (4187)(35 0) 5713 kJ kg
HS2 CP S (TS2 T0) X2 CP A ( T2 T0)
HS2 1465 (32 ndash 0 ) + 0002(4187)(32 0)=4714 KJ Kg
Reemplazando en el balance de energiacutea
G (17306)+ 300(5713) = G (130 + 27454 H1)+ 300(4714) + 0
G=2600 Kg aire seco por hora
Resolviendo conjuntamente con el balance de materia
G (060) + 300 (0035)= GH1+ 300 (0002)
2600(060) + 105 = 2600 H1 +06
H1=2600(060) +105 + 060 2600
H1=07427 Kg agua kg aire seco
33
Anexo 4Calculo de eficiencias teacutermicas
Datos
T = 230
Ts =147
T0= 30
T sat=45
Eficiencia teacutermica global
Ntermica global= 1198791minus1198792
1198792minus1198790 X 100
Ntermica global = 230minus147
230minus30 100 =415
Eficiencia de evaporacioacuten
Nevaporacion=1198791minus1198792
1198791minus119879119904119886119905
Nevaporacion = 230minus147
230minus45 100 =4486
34
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2
11 Estado del Arte
El proceso de aglomeracioacuten ha sido estudiado y analizado por varias deacutecadas el disentildeo y anaacutelisis
de tales sistemas permanece enraizado al empirismo debido a que no hay una metodologiacutea para el
disentildeo y operacioacuten de tales procesos asiacute mismos las plantas industriales donde se llevan a cabo
procesos de granulacioacuten y secado por aspersioacuten han enfrentado una serie de problemas
relacionados con la pegajosidad de las partiacuteculas inertes a las paredes de los diversos equipos
empleados incluyendo razones de reciclado pobre control en la calidad del producto obtenido
siendo necesario el reprocesado del producto incrementando el costo de produccioacuten Este
problema tiene su origen en el escaso entendimiento de la influencia de los paraacutemetros
operacionales sobre el proceso (Iveson amp Hapgood 2001)
Investigadores como (Lister amp Waters 1988) (Parveen 2012) han establecido que durante el
proceso de aglomeracioacuten se ve influenciado por la distribucioacuten de tamantildeos de los soacutelidos pues la
polidispersidad de la poblacioacuten de soacutelidos induce al recubrimiento o adhesioacuten de las partiacuteculas
pequentildeas sobre las de mayor tamantildeo Asiacute mismo existe una posible influencia combinada entre el
paraacutemetro temperatura (cuyos niveles de estudio son adecuados para averiguar la influencia de
eacuteste paraacutemetro sobre el comportamiento de crecimiento del aglomerado) y la polidispersidad de
los soacutelidos
(Sastry amp Fuerstenau 1973)Estudiaron que la adhesioacuten de partiacuteculas sin formacioacuten de puentes
(fuerzas de van der Waals o electrostaacuteticas) forman aglomerados relativamente deacutebiles En
cambio los que forman puentes son maacutes fuertes Por su parte (Canela 1996) determino que la
resistencia de los aglomerados depende de las fuerzas fiacutesicas que mantienen unidas a las
partiacuteculas y la magnitud de eacutestas depende del tamantildeo de partiacutecula la carga superficial la
estructura cristalina la proximidad de las partiacuteculas la cantidad de aditivos y de otras
propiedades fisicoquiacutemicas del sistema como lo son la naturaleza quiacutemica de la partiacutecula los
coeficientes de frotamiento interno de la partiacutecula masa volumeacutetrica y fuerza de cohesioacuten
(Schaafsma amp Kossen 2006)Estudiaron la influencia de alimentar el liacutequido aglomerante
atomizado por pulsos y temperatura del medio fluidizante (40 y 60degC) sobre el crecimiento del
aglomerado El aglomerador empleado teniacutea una geometriacutea coacutenica y contaba con un cicloacuten para
limpiar el aire de los finos arrastrados por eacuteste Se emplearon soacutelidos de α-lactosa monohidratada
malla No 110 y como liacutequido aglomerante polyvinylpirrolidona al 8 Los resultados obtenidos
indicaron que el crecimiento del aglomerado se ve influenciado por la humedad presente en el
lecho mientras que encontraron diferentes efectos de la temperatura del medio fluidizante sobre
el crecimiento del aglomerado a baja temperatura 40degC el graacutenulo crece a su tamantildeo final maacutes
raacutepido que a 60degC
(Tan HS Salman AD 2006)Estudiaron la influencia de algunos paraacutemetros operacionales
responsables del crecimiento del aglomerado empleando como soacutelido de trabajo Glass Ballotini
cuya distribucioacuten de tamantildeos estaba comprendida entre 73-375 microacutemetros El agente
3
aglomerante empleado fue Polyentilen Glycol Los paraacutemetros operacionales analizados fueron
tasa de atomizacioacuten del agente aglomerante (288 m3 ∙s-1) temperatura en el lecho de soacutelidos
(28 32 36 y 40degC) presioacuten de atomizacioacuten (15 bar) y velocidad del aire fluidizante (097 m∙s-1)
Los resultados indicaron que el crecimiento del aglomerado depende directamente de la cantidad
relativa del agente aglomerante atomizado sobre el lecho el cual determina la velocidad del
proceso de agregacioacuten Asiacute mismo el crecimiento del aglomerado se ve favorecido con el
incremento en los niveles de temperatura Con referencia al tamantildeo de gota del agente
aglomerante atomizado concluyeron que una gota de mayor tamantildeo incrementa el crecimiento
global del aglomerado mientras que una gota de menor tamantildeo induce a un crecimiento inicial
maacutes raacutepido Finalmente el crecimiento global del aglomerado se reduce al incrementar la
velocidad del aire
(Dolinski 2000) Encontroacute que en el secado de aspersioacuten de zumos de frutas con elevado contenido
de azucares los compuestos tienen temperaturas de transicioacuten viacutetrea bajas presenta problemas
de pegajosidad (stickiness) El teacutermino ldquostickinessrdquo hace referencia a los fenoacutemenos de cohesioacuten
partiacutecula-partiacutecula y de adhesioacuten partiacutecula-pared que presentan los polvos obtenidos que dificulta
su presentacioacuten en estado polvo y mancha las paredes de los cilindros de pulverizacioacuten (Al quedar
en la pared del compartimiento de secado como un jarabe da lugar a bajas producciones del
producto y a problemas operacionales)
(Boonyai 2004) Explica que la mayor causa de la pegajosidad en polvos amorfos de zumos en el
secado por aspersioacuten es la accioacuten plastificante del agua en la superficie que da lugar a la adhesioacuten
y cohesioacuten El alto contenido en azuacutecares de bajo peso molecular y aacutecidos orgaacutenicos disminuye la
temperatura de transicioacuten viacutetrea (Tg) por debajo de la temperatura de preparacioacuten del producto
incluso a la temperatura de salida del secado Esto conlleva a la existencia de un estado pseudo-
liacutequido de material amorfo que es responsable de la cohesioacuten interpartiacuteculas y de la adhesioacuten de
las partiacuteculas a las paredes del cilindro Cuanto mayor sea esta diferencia de temperatura (ΔT=Tp -
Tg) mayor seraacute el grado de pegajosidad
Como puede visualizarse existe un grupo muy amplio de paraacutemetros operacionales que inciden en
el comportamiento del proceso de aglomeracioacuten y los problemas asociados a este Sin embargo la
investigacioacuten y anaacutelisis de este tipo de proceso se centra en los paraacutemetros que se pueden
controlar de manera adecuada pues los equipos empleados para tal investigacioacuten son de tipo
escala piloto o banco los cuales son disentildeados y construidos para manipular un nuacutemero reducido
de paraacutemetros Por su parte se han propuestos teacutecnicas para resolver anomaliacuteas presentadas por
la influencia de variables que se afectan unas con otras
(Espantildea Patente nordm 36848 1967) Propuso un procedimiento para obtener aglomerados fuertes de
cafeacute soluble mediante la reduccioacuten de la temperatura de las partiacuteculas hasta menos 7deg antes de
entrar en contacto con vapor de agua y con humedades de 3 a 4 El enfriamiento se logra con la
inyeccioacuten de co2 liquido en el molino de martillos asiacute mismo demostroacute que la reduccioacuten de
tamantildeo a menos de 54 micras se forman enlaces fuertes y se evita la degradacioacuten o separacioacuten de
los graacutenulos durante el secado en la caacutemara Su metodologiacutea consistioacute en pruebas a diferentes
4
niveles de temperaturas cantidad de vapor humedad y temperatura del producto inicial
obteniendo aglomerados de gran dureza y buena apariencia fiacutesica
(Schaafsma SH 1998) Propuso en su trabajo de investigacioacuten relacionado con la aglomeracioacuten de
soacutelidos un proceso de crecimiento de un aglomerado originado a partir de una gota de liacutequido En
su propuesta describe el crecimiento del aglomerado a partir de dos etapas Inicialmente se
presenta un raacutepido crecimiento que toma lugar por el mojado de las partiacuteculas lo cual resulta en
la formacioacuten de un aglomerado inicial La segunda etapa de crecimiento es iniciado por el
transporte de liacutequido del aglomerado hacia las partiacuteculas que lo rodea El crecimiento del
aglomerado toma lugar por la unioacuten de partiacuteculas Si un poro en la superficie de un aglomerado
estaacute saturado con liacutequido entonces partiacuteculas libres pueden alcanzar la fase liacutequida en el poro y un
puente liacutequido puede ser formado Acorde a este proceso se puede concluir que la distribucioacuten de
tamantildeos de partiacuteculas y porosidad juega un papel importante en el tamantildeo final del aglomerado
Diversos autores han utilizado diferentes aproximaciones ingenieriles para entender y describir el
comportamiento de un proceso de granulacioacuten Un anaacutelisis estadiacutestico de un disentildeo experimental
permite determinar cualitativamente el efecto de un paraacutemetro del proceso sobre el aglomerado
tomando como referencia el tamantildeo promedio de la poblacioacuten de partiacuteculas aglomeradas
(Montgomery 2007) Mientras que el uso de un balance de poblacioacuten permite tratar de manera
fundamental procesos que involucran fenoacutemenos de nacimiento y muerte de partiacuteculas en un
determinado volumen de control (VC) (Hulbert 1967)
(Cryer A S y Scherer NR 2003 ) Implementaron un disentildeo factorial fraccional a frac12 en un
aglomerador coacutenico para evidenciar la influencia de ciertos paraacutemetros importantes relacionados
con la aglomeracioacuten de un producto agroquiacutemico cuya distribucioacuten inicial comprendiacutea tamantildeos
entre 01 a 100 micrones y cuyo diaacutemetro promedio inicial era de 20 micrones El agente
aglomerante empleado fue agua destilada Los paraacutemetros operacionales analizados fueron flujo
de aire (0106-0153 m3 s-1) temperatura de alimentacioacuten del aire (40-60degC) tasa de atomizacioacuten
del agente aglomerante (370x103 -542x103 kg s - 1 ) carga de soacutelidos inicial (25-35kg) y altura de
la boquilla de atomizacioacuten (posiciones 1 y 3) A partir del anaacutelisis estadiacutestico (el cual se realizoacute con
un nivel de significancia de 99) se evidencioacute la significancia de los factores bajo estudio siendo la
tasa de atomizacioacuten y carga de soacutelidos los de mayor efecto mientras que la temperatura y flujo de
aire resultaron marginalmente significativos en el crecimiento del aglomerado mientras que la
altura de la boquilla no influye en el crecimiento del aglomerado
(Riacuteos 2005) Implementoacute un disentildeo factorial 2 a la 3 en un aglomerador de lecho fluidizado coacutenico
para aglomerar soacutelidos de Tamarindo con un diaacutemetro promedio de 784 micrones Los factores
controlables fueron temperatura del aire fluidizante (80-100degC) tiempo de atomizacioacuten (3-5 min)
y masa de soacutelidos cargados al sistema (200-300g) El agente aglomerante empleado fue agua
destilada El anaacutelisis estadiacutestico (realizado con un nivel de significancia del 95) determinoacute que el
tiempo de atomizacioacuten del agente aglomerante fue el principal paraacutemetro que afecta el
crecimiento del aglomerado mientras que la temperatura y carga de soacutelidos no afectan el
crecimiento del aglomerado Cabe resaltar que se probaron los niveles de significancia de 90 y
5
75 con el objetivo de probar los posibles efectos de los paraacutemetros que no resultaran
significativos a un nivel del 95 El resultado obtenido a un nivel de significancia del 90
determinoacute que el tiempo de atomizacioacuten asiacute como la temperatura del aire resultaron
significativos es decir afectan en el crecimiento del aglomerado Asiacute mismo se determinoacute que a
un nivel de significancia del 75 los paraacutemetros tiempo de atomizacioacuten temperatura carga de
soacutelidos asiacute como la interaccioacuten entre la temperatura y carga de soacutelidos afectan el crecimiento del
aglomerado El anaacutelisis realizado a estos niveles de significancia (75 y 90) se evaluaron para
futuros trabajos relacionados con la aglomeracioacuten de soacutelidos de Tamarindo
(Dacanal amp Menegalli 2008) Implementaron un disentildeo factorial fraccional 24-1 en un aglomerador
con geometriacutea coacutenica el cual contaba con un cicloacuten para limpiar el aire de los finos arrastrados
con el objetivo de evidenciar la significancia de ciertos paraacutemetros operacionales que influyen en
el proceso de crecimiento de aglomerados de soacutelidos de acerola (Cerezo de las Antillas) La
poblacioacuten inicial de los soacutelidos contaba con un diaacutemetro promedio inicial de 954 micrones El
agente aglomerante empleado fue agua Los paraacutemetros bajo estudio fueron temperatura del aire
fluidizante (75-90degC) velocidad del aire fluidizante (025-045 ms-1 ) flujo de aire de atomizacioacuten
(050-070 lh-1 ) y altura de la boquilla con respecto al lecho (050-070 m) El anaacutelisis estadiacutestico
(realizado con un nivel de significancia del 95) evidencioacute la influencia de solo la velocidad del aire
sobre el crecimiento del aglomerado Sin embargo los autores expresan que la temperatura del
aire debe afectar el crecimiento del aglomerado pero los niveles ensayados no fueron los
adecuados Cabe resaltar que la altura de la boquilla y flujo de aire en la boquilla no resultaron
significativos es decir no influyeron en el crecimiento del aglomerado
6
12 Planteamiento del Problema
En Cafeacute Tostado de Exportacioacuten durante el proceso de aglomeracioacuten de cafeacute soluble para la
obtencioacuten de granulado efectuado en un secador por aspersioacuten con lecho fluido integrado se
presenta la pegajosidad de los polvos finos a las paredes de la base coacutenica del equipo y conforme
transcurre el tiempo la cantidad adherida se compacta formando capas gruesas llegando al punto
en que el mismo calor en el interior lo derrite y cae en forma de masas elaacutesticas o masas solidas de
gran volumen obstruyendo el paso de los graacutenulos por lo que la produccioacuten se detiene generando
contratiempos al quitar todo el cafeacute compactado Esta anomaliacutea afecta la eficiencia del proceso y
disminuye el rendimiento
La problemaacutetica se da en la produccioacuten de diversos tipos de cafeacute granulado desde mezclados
descafeinados y puros asiacute como en los diversos paraacutemetros de operacioacuten y aunque se han
implementado vibradores de alto rendimiento en la base coacutenica del equipo el problema sigue
teniendo impacto
13 Objetivos General
Optimizar el proceso de aglomeracioacuten de polvos finos de cafeacute soluble para la mejora del
rendimiento
Especiacuteficos
Evaluar el efecto de las variables de operacioacuten sobre el comportamiento de los
aglomerados asiacute como las caracteriacutesticas finales deseadas
Determinar mediante corridas experimentales las variables con mayor incidencia en la
pegajosidad del producto
Optimizar los paraacutemetros operacionales mediante el balance de materia y energiacutea
13 Definicioacuten de variables
Las variables que se manejaran en este proyecto se mencionan a continuacioacuten
Condiciones operativas del sistema temperatura de aire de entrada y salida presioacuten de
vapor flujo de aire de entrada y salida
Propiedades de los soacutelidos iniciales tamantildeo de partiacutecula humedad temperatura y
densidad
Humedad relativa del aire
Presioacuten del sistema y trasferencia de calor
7
15 Hipoacutetesis
1 Los aglomerados pierden cohesioacuten durante el secado debido a que hay un enlace de
partiacuteculas deacutebiles las cuales se separan generando una cantidad de polvos finos que son
arrastradas por la corriente de aire de forma turbulenta hasta la parte inferior dando
lugar a la adhesioacuten y compactacioacuten
2 La variacioacuten de la presioacuten del sistema (vaciacuteo) presenta anomaliacuteas en la distribucioacuten de
aire trayendo consigo alto acarreo de polvos finos por lo que presenta depoacutesitos a las
paredes de la caacutemara de secado
3 La continua variacioacuten de las condiciones de operacioacuten afecta en la formacioacuten y crecimiento
de las partiacuteculas dando lugar al arrastre excesivo de polvos como del medio aglomerante
reflejando en el escaso o nulo crecimiento de la partiacutecula y por ende adhesioacuten a las
paredes
4 La concentracioacuten de azucares tiene efecto significativo en la pegajosidad
16 Justificacioacuten del Proyecto
Hoy en diacutea el control de los procesos de aglomeracioacuten bajo su contexto de granulacioacuten huacutemeda es
muy complejo al llevar a cabo diferentes mecanismos dentro de sistemas que manejan
transferencia de calor transferencia de masa mecaacutenica de fluidos y termodinaacutemica por
consiguiente dependen de las variables de operacioacuten la naturaleza de los soacutelidos y del liacutequido
ligante
El presente proyecto se realiza en una empresa de cafeacute soluble donde se lleva cabo el proceso de
aglomeracioacuten en la cual presenta problemas de pegajosidad de partiacuteculas finas a las paredes del
equipo y el rendimiento se ve afectado El proyecto es seguimiento de un estudio anterior en la
que se analizaron y estudiaron varios tipos de cafeacutes encontraacutendose que los mezclados
presentaban maacutes adhesioacuten que los puros por consiguiente se determinaron las condiciones
oacuteptimas de operacioacuten de acuerdo las especificaciones finales mediante el uso de graficas de
control sin embargo eso no detuvo la problemaacutetica ya que hasta la fecha sigue presenciaacutendose
Siendo necesario estudios maacutes a fondo basado en teacutecnicas experimentales o de modelos
matemaacuteticos para entender la interaccioacuten de una variable sobre el comportamiento
La finalidad de este proyecto es la optimizacioacuten de los paraacutemetros operacionales de las variables
del proceso que inciden en la anomaliacutea Para ello se emplearan herramientas estadiacutesticas (disentildeo
de experimentos) para la evaluacioacuten y determinacioacuten de los efectos de las variables de entrada
(factores) sobre una variable de salida (respuesta) y el balance de materia-energiacutea para el control y
la optimizacioacuten
8
17 Limitaciones y Alcances
Limitaciones
Se respetaran los lineamientos de la empresa por lo que los nombres de los productos a
estudiar seraacuten restringidos y su uso seraacute mediante letras o nuacutemeros
El tiempo de estudio comprenderaacute 3 meses por lo que simplemente se abarcaran los
tipos de cafeacute que se produzcan en ese lapso
Debido a que el proceso es continuo los operarios son los uacutenicos que tienen el control de
las condiciones del equipo por consiguiente se tomaran solo los paraacutemetros empleados
para cada tipo de producto y estas son las que se manejaran en el disentildeo experimental
Alcances
Determinacioacuten de los factores influyentes en la pegajosidad del cafeacute y optimizacioacuten de los
mismos
Control de los paraacutemetros operacionales
Implementacioacuten de acciones de mejora continuacutea para el sistema
18 La Empresa
Cafeacute Tostado de Exportacioacuten tiene su inicio el 13 de Mayo de 1972 en la Ciudad de Tuxtla
Gutieacuterrez Chiapas Es una empresa que pertenece al grupo SANROKE que actualmente se
encuentra ubicada en la ciudad de Coacuterdoba Veracruz Comenzoacute produciendo cafeacute tostado y
molido posteriormente inicia en el proceso de cafeacute soluble logrando obtener otros subproductos
del cafeacute soluble como el aglomerado lechero y capuchino Fue una de las primeras empresas en
su ramo en estar certificada por la norma ISO 90012008 Actualmente cuenta con certificaciones
de labor social medio ambiente calidad orgaacutenicas e inocuidad lo que refleja su cumplimiento de
los estaacutendares internacionales
Es una compantildeiacutea liacuteder por su firme compromiso con la calidad y la satisfaccioacuten del cliente
Sumando hasta el diacutea de hoy deacutecadas de experiencia y dedicacioacuten en la industria del cafeacute El
aumento del consumo de esta bebida en el mundo ha sido paralelo a su desarrollo econoacutemico
representando una gran oportunidad para encontrar nuevos socios y expandir sus actividades
demostrando al resto del mundo coacutemo la disciplina y el trabajo duro conducen al eacutexito
Misioacuten
Elaboracioacuten de productos de la maacutes alta calidad a traveacutes de la seleccioacuten de materia prima superior
y los maacutes altos estaacutendares de manufactura satisfaciendo el gusto de los consumidores generando
beneficios para los accionistas colaboradores clientes proveedores y comunidad en general
9
Visioacuten
Convertirse en liacutederes del mercado nacional y ampliar su presencia en el mercado extranjero con
productos de calidad insuperable con el mejor sabor que proporcione deleite y satisfaccioacuten a
quien los consuma
En cafeacute tostado de exportacioacuten para obtener cafeacute soluble granulado se llevan cabo varias
operaciones unitarias
Tostado se exponen los granos de cafeacute a un calentamiento en el cual provoca inicialmente
una liberacioacuten de agua ligada hasta alcanzar el calor deseado mantenieacutendolo en continuo
movimiento para asegurar un tostado completo del grano cuando finaliza el tostado el
cafeacute es enfriado y almacenado
Molienda y Extraccioacuten para la reduccioacuten del tamantildeo el cafeacute tostado requiere un corte
mediante una accioacuten de compresioacuten y friccioacuten para provocar partiacuteculas de tamantildeo y
forma adecuados Una vez molido se hace la extraccioacuten de solidos solubles aplicando agua
caliente para generar una infusioacuten que obtenga todo el sabor y aroma presente en los
granos
Centrifugacioacuten y evaporacioacuten mediante una maacutequina de fuerza centriacutefuga se elimina la
mayor parte de los residuos que quedan de la extraccioacuten Posteriormente el extracto
liacutequido obtenido entra en la evaporacioacuten donde se elimina la mayor parte de agua y el
producto queda concentrado
Secado el liacutequido es secado mediante un secador por aspersioacuten en una corriente de aire
caliente donde las gotitas finamente al contacto con el calor evaporan el agua
convirtieacutendose en polvo esfeacuterico instantaacuteneo
Aglomeracioacuten es la operacioacuten designada para la formacioacuten de partiacuteculas de mayor
tamantildeo operando sobre la base de re-humidificacioacuten de la superficie del polvo de cafeacute con
vapor de agua en una atmoacutesfera turbulenta de aire caliente de manera que al colisionar
las partiacuteculas entre siacute los finos se adhieren a los gruesos formaacutendose los aglomerados
La variedad de presentaciones y la calidad de sus producto han permitido permanecer en el gusto
del puacuteblico contando con sus tradicionales cafeacutes tostados y molidos los praacutecticos cafeacutes solubles
aglomerados y ahora liofilizado caacutepsulas de cafeacute expreso teacute de cafeacute verde y crema untable
Caferetas Actualmente es liacuteder en el mercado internacional del cafeacute instantaacuteneo liacuteder local y
regional de cafeacute soluble granulado bajo el nombre de cafeacute ldquoLos Portales de Coacuterdoba ldquo
10
CAPIacuteTULO 2 METODOLOGIacuteA
21 Eleccioacuten de los factores y los niveles
Los factores seraacuten las condiciones de operacioacuten del equipo aglomerador de las cuales se
seleccionaran solo las que tengan maacutes impacto en la formacioacuten del granulo y posible influyente en
el problema los niveles estaraacuten definidos como altos y bajos
22 Seleccioacuten de la variable de respuesta
La variable de respuesta estaacute definido como las caracteriacutesticas fisicoquiacutemicas del producto final color densidad humedad dureza y porcentaje de aglomerado pero solo se seleccionaraacuten dos de ellas Tambieacuten se contemplara como respuesta el porcentaje de adhesioacuten
23 Eleccioacuten del disentildeo experimental
La eleccioacuten del disentildeo implicara la consideracioacuten del tamantildeo de la muestra (nuacutemero de reacuteplicas)
El intereacutes se centrara en identificar queacute factores causan esta diferencia y en estimar la magnitud
del cambio de la respuesta Por lo que pueden utilizarse uno o maacutes disentildeos experimentales de
acuerdo a las variables manejadas las cuales pueden ser factorial por bloques completamente al
azar y superficie de respuesta
24 Realizacioacuten del disentildeo de experimentos
Una vez seleccionado el o los disentildeos se ejecutaran para obtener los valores de las respuestas para
la cuales se contara con el apoyo de aacuterea de control de calidad quien proporcionara esta
informacioacuten asiacute como tambieacuten la ayuda de los operarios quienes son los expertos en manejar las
condiciones del equipo Los datos obtenidos se ingresaran a un programa estadiacutestico para
determinar los efectos y obtener las graacuteficas
25 Monitoreo de los flujos de aire humedad relativa y presioacuten del sistema
Se haraacute un monitoreo en los flujos de aire humedad relativa y presioacuten del sistema en lapso de
tiempo adecuado para evaluar el comportamiento de estas variables los datos se registraran en
Excel para la elaboracioacuten de graacuteficas
26 Anaacutelisis de datos
En esta fase se utilizaran programas estadiacutesticos para analizar y comparar los datos a fin de
determinar que los resultados y las conclusiones sean objetivos Se aplicara un anaacutelisis de varianza
11
(anova) la cual puede ser de un solo factor o multifactorial con niveles de significancia
dependiendo del tipo de disentildeo y con ello se haraacute la prueba de hipoacutetesis
27 Anaacutelisis de los efectos de los paraacutemetros operacionales
El anaacutelisis de los efectos de los paraacutemetros operacionales (factores) sobre la variable de
respuesta se efectuara mediante las graacuteficas de interaccioacuten y las graacuteficas de efectos normales que
se obtendraacuten en el software estadiacutestico con la finalidad de determinar coacutemo afecta cada factor
en el comportamiento de una propiedad caracteriacutestica del granulo
28 Aplicacioacuten del balance de materia y energiacutea
Para realizar este caacutelculo primero se haraacuten las conversiones de flujo de aire de velocidad angular a
velocidad lineal para posteriormente calcular el caudal del aire que pasa por los conductos asiacute
mismo se calculara el volumen de la caacutemara de secado y la base conicaEl uso de la carta
psicomeacutetrica seraacute de gran importancia para determinar la humedad absoluta del aire las
eficiencias teacutermicas y la temperatura de saturacioacuten adiabaacutetica Para la entalpia del aire se
utilizaran foacutermulas adecuadas de termodinaacutemica Las formulas del balance de materia y energiacutea
que se utilizara seraacute las establecidas para secadores por aspersioacuten Una vez reunido los valores se
sustituiraacuten para obtener los correspondientes la variable que se necesita encontrar es la cantidad
de humedad relativa y el calor en la salida de la caacutemara de secado
29 Optimizacioacuten del proceso
La optimizacioacuten del proceso se efectuaraacute de acuerdo a los resultados de los monitoreos del flujo
de aire humedad relativa los efectos obtenidos en el disentildeo de experimentos y sobre todo los
caacutelculos de balance de materia ndashenergiacutea
12
CAPIacuteTULO 3 DESARROLLO DEL PROYECTO
31 Equipo experimental
El equipo experimental utilizado fue un secador por aspersioacuten con lecho fluido integrado (Anexo1)
que consta de una caacutemara de secado proyectado sobre una base coacutenica mediante la cual una
corriente de aire caliente es suministrado por un ventilador de entrada creando una atmosfera
turbulenta donde los polvos finos entran en contacto con vapor de agua y mediante el secado se
forman los aglomerados este equipo maneja varias condiciones de operacioacuten que le dan las
caracteriacutesticas al producto Las herramientas estadiacutesticas empleados fueron Excel para el anaacutelisis
de varianza y prueba de hipoacutetesis del disentildeo por bloques al azar minitab para el anaacutelisis de los
efectos de los factores sobre la variable de respuesta y stargrapics para el anaacutelisis de varianza del
segundo disentildeo experimental
32 Monitoreos
Se hizo un monitoreo en los flujos de aire de entrada flujo de salida el vaciacuteo del sistema y la
humedad relativa del aire en un lapso de 5 horas diarias por 10 lotes de produccioacuten evaluando
tambieacuten la adhesioacuten en cada uno de ellos se registraron los datos en Excel mediante estos datos
se elaboroacute una graacutefica de dispersioacuten para ver el comportamiento de estas variables
33 Disentildeo de experimentos
Se utilizoacute un disentildeo de bloques completamente al azar en la cual los tratamientos fueron la
concentracioacuten de azucares con respuesta de porcentaje de adhesioacuten Cabe mencionar que cada
tratamiento indica un tipo de producto por su concentracioacuten
Tabla 1 Tratamientos del disentildeo por bloques al azar
TRATAMIENTO CONCENTRACION
A 0
B 5
C 10
D 15
F 17
Se formularon dos hipoacutetesis
H0=La concentracioacuten de azucares no tiene efecto en la pegajosidad de los polvos finos si F es
menor o igual a la F tabulada
13
H1=La concentracioacuten de azucares tiene efecto significativo si F de Fisher es mayor que la F
tabulada
Se utilizoacute un disentildeo factorial 23 para determinar el efecto de tres condiciones de operacioacuten
(factores) las cuales fueron velocidad de aire temperatura de entrada y temperatura de salida con
dos niveles teniendo como respuestas la dureza del granulo para 5 tipos de cafeacute soluble
Tabla 2 Factores y niveles del Disentildeo factorial 23
TIPOS FACTORES NIVEL BAJO NIVEL ALTO RESPUESTAS
Cafeacute soluble
ABCDF
Temperatura de entrada
217 227 220 212
235 231 236 228
Dureza
Temperatura de salida
133 139 137 134
135 142 138 135
Velocidad de aire
800 849 690 975
1000 850 950 1050
Tambieacuten se empleoacute un disentildeo factorial de 23 para determinar los efectos de tres factores No
Criba del molino de martillos con nivel de 33-55 la presioacuten de vapor con nivel de 15-20 y la
temperatura de producto nivel de 30-35 las respuestas que se eligieron para este disentildeo fue la
dureza del granulo y el porcentaje de aglomerado este experimento se inicioacute empleado la
herramienta estadista minitab en la cual se ingresaron estos factores con sus niveles arrojando 8
corridas por las combinaciones
Tabla 3 Corridas experimentales del disentildeo 23
Factores
corridas Presioacuten de
vapor
NoCriba Temperatura de
partiacutecula
1 15 33 30
2 2 33 30
3 15 54 30
4 2 54 30
5 15 33 35
6 2 33 35
7 15 54 35
8 2 54 35
14
34 Realizacioacuten del disentildeo de experimentos
Para la ejecucioacuten del disentildeo de experimentos se siguioacute con el programa de produccioacuten iniciando
con el disentildeo por bloque completamente al azar la cual se llevoacute en la aglomeracioacuten de 5 tipos de
cafeacute con diferentes concentraciones mencionadas anteriormente desde el arranque del equipo en
la cual los soacutelidos finos iniciales que se cargaron fueron un cafeacute A sin concentracioacuten
posteriormente se cambioacute a los siguientes tipos (BCDF) las condiciones operativas del equipo
estuvieron de la siguiente manera temperaturas de entrada de 190 a 230 temperatura de salida
de 100-140 y velocidad de aire de 600 a 1000 rpm Cada vez que se haciacutea un cambio de producto
se sacoacute la cantidad de solidos finos adheridos de la siguiente manera
(Cantidad alimentada x 98 de rendimiento fijo)- (Cantidad producida)
Mediante esta foacutermula se obtuvo el porcentaje de cada tipo de cafeacute retenido en la base coacutenica
Cantidad adherida x 100
Cantidad alimentada
Los datos quedaron registrados en la tabla 4 donde cada repeticioacuten indica un lote de produccioacuten
diferente
Tabla 4Disentildeo de bloques completamente al azar
REPETICIONES
TRATAMIENTOS I II III
A 625 6033 702
B 1071 859 12
C 7015 6033 927
D 583 95 892
F 992 704 859
G 113 853 905
El primer disentildeo factorial se llevoacute a cabo en la aglomeracioacuten de 4 tipos de cafeacute soluble en la cual
se monitoreo la interaccioacuten de cada factor de acuerdo a los niveles establecidos sobre la respuesta
y se registraron los resultados Las partiacuteculas finas teniacutean las siguientes propiedades iniciales
Densidad 180-210 grcm3
Color 72-84
Humedad 2 a 35
15
Los resultados de los anaacutelisis fisicoquiacutemicos (dureza) fueron proporcionados por el aacuterea de control
de calidad estos datos se ingresaron en minitab y se hizo el anaacutelisis factorial obteniendo las
graacuteficas de interaccioacuten asiacute como tambieacuten la significancia de los efectos
El segundo disentildeo factorial se llevoacute cabo en la aglomeracioacuten de un lote de cafeacute soluble regular con
las siguientes propiedades
Color 72-85
Humedad 2-35
Densidad 190-210
La duracioacuten del lote fue de 10 horas el equipo empleo una velocidad de aire entrada de 900 rpm
con temperatura de 220degc y una velocidad de aire salida de 1765 rpm con temperatura de 135 degC
Se recibioacute ayuda por parte de los operarios para las combinaciones y cada vez que esta se
ejecutaba se tomoacute muestras de 10 grs y se llevoacute a control de calidad para los anaacutelisis de dureza y
porcentaje de aglomerado por cada corrida finalizando este experimento se registraron todos los
resultados en minitab y se hizo el anaacutelisis del disentildeo para las significancias de los factores cabe
mencionar que mediante este programa se obtuvieron las graacuteficas de interaccioacuten
35 Anaacutelisis de datos
Para determinar cualitativamente el efecto de los paraacutemetros del proceso en la aglomeracioacuten de
las partiacuteculas de cafeacute soluble se aplicoacute un anaacutelisis de varianza (ANOVA) con un nivel de
significancia α del 5 a los resultados experimentales La dureza y el porcentaje de
aglomerado se seleccionaron como paraacutemetro de respuestase utilizo el programa de stargrapics
para el anaacutelisis
36 Balance de materia energiacutea
Para el balance de materia y energiacutea primero se hicieron las conversiones de la velocidad angular
del aire de entrada y salida (rpm) a velocidad lineal (ms) empleando la foacutermula
(1rpm) (2π rad)60 x (radio) Asiacute como el caacutelculo del volumen de la caacutemara de secado (anexo 3)
El caacutelculo del caudal de aire de entrada se realizoacute empleando la foacutermula
119876 = 119881 119878
Donde
V=velocidad lineal del aire (ms)
S=aacuterea de la seccioacuten trasversal (m2)
El radio de la seccioacuten transversal para ventilador de entrada fue 0335 y la de salida de 0195
Se sacaron las eficiencias teacutermicas del equipo de la siguiente manera
16
Eficiencia teacutermica global= (11987911198792
1198792119879119900)
Eficiencia de evaporacioacuten= (1198791 1198792
1198791 119879119904119886119905)
Para determinar las temperaturas de saturacioacuten adiabaacutetica (TSAT) y (T0) se utilizoacute la carta psicomeacutetrica (Anexo 2) El balance quedo estructurada de la siguiente forma
Figura 1 Diagrama de flujo del aglomerador
Donde FS1=masa del solido seco (kg)
Ga flujo de aire (kgh)
Ws=contenido de humedad del alimento (kg agua kg solido seco)
Ta=temperatura de entrada
Ta1=temperatura de salida
Ta2=temperatura de solidos
Ga1=flujo de aire entrada
Ga2=flujo salida de aire
H1= humedad relativa del aire entrada
H2=humedad relativa del aire salida
El balance del sistema sin peacuterdidas ni acumulacioacuten quedo de la siguiente manera
FS WS1 +Ga Ha1 = FS WS2 +Ga Ha2
17
Mientras que el balance de energiacutea
FS QS1+ Ga Qa1 = FS QS2 +Ga Qa2 +QL
Donde qs1 y qs2 son las entalpiacuteas del soacutelido entrando y saliendo del secador (KJKg) qa1 y qa2 son
las entalpiacuteas del aire entrando y saliendo del secador (KJKg) qL es el calor perdido (KJ)
El balance con respecto a la humedad se determinoacute mediante la siguiente formula
GH2 LS X1 GH1 LS X2
Donde
GH2= flujo de aire
Ls = flujo de alimentacioacuten
X1= humedad de los soacutelidos iniciales
La entalpia de la salida de aire se calculoacute mediante la foacutermula
HG C2 (TG T0) H
Donde
TG= Temperatura del aire
T0= Temperatura saturacioacuten
H=Entalpia del solido seco
37 Optimizacioacuten
La optimizacioacuten del proceso se llevoacute a cabo en el control de los factores incidentes en la cual se establecieron los rangos a utilizar esto derivado de los caacutelculos de balance y lo obtenido de los efectos en el disentildeo experimental los operarios se apegaron a estas condiciones con sus respectivos rangos y lo llevaron a cabo durante 8 lotes de produccioacuten en ese lapso de tiempo se evaluoacute el comportamiento del rendimiento se registraron los datos y se graficaron
18
CAPIacuteTULO 4 RESULTADOS Y CONCLUSIONES
41 Resultados
Anaacutelisis de efectos disentildeo factorial No1
Figura 2Grafica de efectos normales para el cafeacute soluble ABCD
En la figura 2 se observa la distribucioacuten de los factores A B C para los 4 tipos de cafeacute en la cual la
temperatura de entrada tiene efecto significativo en la dureza con una significancia del 92
mientras que los demaacutes factores no presentaron efectos significativos aunque tambieacuten influyen en
una combinacioacuten para dar la caracteriacutestica fisicoquiacutemica
19
Figura 3Grafica de interaccioacuten para cafeacute
soluble A
Figura 4 Grafica de interaccioacuten para cafeacute
soluble B
Figura 5Grafica de interaccioacuten para cafeacute soluble
C
Figura 6Grafica de interaccioacuten para cafeacute
soluble D
En las figuras 3 4 5 y 6 se muestran el comportamiento de la dureza de acuerdo a los factores
manejados para los cuatro tipos de cafeacute y en cada una de ella se aprecia que los niveles menores
de la temperatura de salida con la temperatura de entrada dieron una dureza igual y por debajo
de 10 asiacute mismo en el factor de velocidad de aire tambieacuten tuvo un comportamiento con niveles
menores Cabe mencionar que ninguna de las combinaciones obtuvo una dureza optima por lo
que se determinoacute que el incremento en la temperatura de salida aumenta la dureza obteniendo
un granulo maacutes fraacutegil
20
Anaacutelisis del disentildeo factorial No2
Figura 7Grafica de efectos normales para
dureza del cafeacute regular
Figura 8Grafica de efectos principales para dureza
del cafeacute regular
En las figuras 7 y 8 se observa que el No de criba tiene efecto significativo sobre la dureza es decir
entre menor abertura tenga la criba la dureza es mucho menor los graacutenulos son maacutes resistentes
mientras que entre mayor sea la abertura los graacutenulos son maacutes fraacutegiles (dureza alta) cabe
mencionar que la mejor dureza obtenida fue con el nuacutemero de malla 33 la presioacuten de vapor de
15 y la temperatura de partiacutecula de 30deg c
Figura 9 Grafica de efectos normales para
porcentaje de aglomerado del cafeacute regular
Figura 10Grafica de interaccioacuten para porcentaje
de aglomerado del cafeacute regular
21
En las figuras 9 y 10 se observa que la temperatura del producto el nuacutemero de criba tiene efecto
significativo sobre el porcentaje de aglomerado entre mayor es el nivel el porcentaje de
aglomerado disminuye determinado que hay maacutes cantidad de polvos finos asiacute mismo si el nivel
de los factores es bajo el porcentaje incremente constantemente Por lo que el comportamiento
del graacutenulo se acopla al incremento o disminucioacuten de estas variables
Monitoreos
Figura 11Grafica de dispersioacuten de la presioacuten del sistema
Figura 12 Grafica del vaciacuteo vs porcentaje de adhesioacuten
En las figuras 11 y 12 se observa el comportamiento del vaciacuteo con las variaciones de aire de
entrada Cabe mencionar que el sistema empleo una sola salida de aire de 1765 rpm Durante los
monitoreos los productos presentaron pegajosidad con entradas de aire menores a 900 rpm
mientras tanto de 1000 a 1150 rpm los productos no presentaron pegajosidad Lo mismo sucedioacute
en el comportamiento del vaciacuteo del sistema para la cual la pegajosidad aumenta y el rendimiento
disminuye con respecto al incremento del vaciacuteo Por lo que esta variable es el factor determinante
y con ello se prueba la hipoacutetesis que la variacioacuten en la presioacuten del sistema genera un arrastre
excesivo de polvos y la humedad no se elimina lo suficiente
120011001000900800700600
08
07
06
05
04
velocidad de entrada( Rpm)
vacio
del
sis
tem
a (
inh
20
)
Graacutefica de dispersioacuten de vacio del sistema vs velocidad de entrada
0
2
4
6
8
10
12
14
0 02 04 06 08 1
D
E A
DH
ESIO
N
VACIO DEL SISTEMA IN H20
22
Figura 13 Graacutefico de humedad relativa del aire
En la figura 13 se aprecia que la humedad relativa del aire inicialmente fue de 66 que
incrementoacute durante los siguientes diacuteas pero fue disminuyendo hasta llegar al 50 Esto debido a
los cambios climaacuteticos cabe mencionar que el equipo no cuenta con un filtrador para retirar el
porcentaje de agua del aire por lo que esta ingresa directamente a la caacutemara de secado siendo
una variable maacutes influyente en la adhesioacuten de los polvos finos
Anaacutelisis de datos
Tabla 5 Anaacutelisis de varianza de dos factores con una sola muestra por grupo
RESUMEN Cuenta Suma Promedio Varianza Fila 1 3 19303 643433333 026902633
Fila 2 3 313 104333333 296443333 Fila 3 3 22318 743933333 275458633 Fila 4 3 2425 808333333 389223333 Fila 5 3 2555 851666667 207763333 Fila 6 3 2888 962666667 216763333
Columna 1 6 51025 850416667 582740417 Columna 2 6 45726 7621 21353864 Columna 3 6 5485 914166667 260997667
Origen de las variaciones
Suma de cuadrados
Grados de libertad
Promedio de los cuadrados F Probabilidad
Valor criacutetico para
F Tratamientos 316103776 5 632207552 297461023 006699316 332583453
Bloques 699763344 2 349881672 164623405 024097493 410282102
Graacutefico de humedad realtva vs lote
0 3 6 9 12 15
lote
50
54
58
62
66
70
74
hu
med
ad
realt
va
23
Error 212534586 10 212534586
Total 598614696 17
En la tabla 5 se muestra el anaacutelisis de varianza de del disentildeo por bloques completamente al azar
de las diferentes concentraciones de azuacutecar por cada tipo de producto Dado que el f de Fisher es
menor que la f tabulada indica que no hay diferencias significativas por lo que se acepta la
hipoacutetesis nula la concentracioacuten de azucares no tiene efecto significativo en la adhesioacuten del cafeacute
ya que la mayoriacutea tuvo un porcentaje de adhesioacuten alta en las tres repeticiones cabe mencionar
que el producto A sin concentracioacuten tambieacuten tuvo adhesioacuten en la suma de cuadrados por bloques
tampoco hubo diferencias significativas
Tabla 6 Anaacutelisis de Varianza para dureza - Suma de Cuadrados Tipo III
Fuente Suma de Cuadrados
Gl Cuadrado Medio
Razoacuten-F Valor-P
EFECTOS PRINCIPALES
APRESION DE VAPOR 005445 1 005445 006 08164
BTAMANtildeO DE PARTICULA 121525 1 121525 1372 00208
CTEMPERATURA DE PARTICULA 471245 1 471245 532 00823
RESIDUOS
354305 4 0885763
TOTAL (CORREGIDO) 204624 7
La tabla 6 muestra el anaacutelisis de varianza del disentildeo factorial en la cual se descompone la
variabilidad de dureza en contribuciones debidas a varios factores Puesto que se ha escogido la
suma de cuadrados Tipo III (por omisioacuten) la contribucioacuten de cada factor se mide eliminando los
efectos de los demaacutes factores Los valores-P prueban la significancia estadiacutestica de cada uno de los
factores Puesto que un valor-P es menor que 005 este factor tiene un efecto estadiacutesticamente
significativo sobre dureza con un 950 de nivel de confianza
24
Figura 14Grafico anova para dureza
En la figura 14 se muestra el grafico anova y se observa la distribucioacuten de la respuesta para los
factores en la cual todas las razones-F se basan en el cuadrado medio del error residual La
mayoriacutea presenta distribucioacuten anova con el valor p mayor a 05 sin embargo para el factor tamantildeo
de partiacutecula el valor es menor a 05 con significancia
Balance de energiacutea
En el balance de materia y energiacutea se obtuvo que la humedad en la salida aglomerado es del 73
cuando hay una entrada de aire de 1550 m3 s con 50 de humedad relativa a una temperatura
de 230degc necesita 1730 KJ kg de calor con una cantidad de aire seco de 2600 kg h para sistema
adiabaacutetico sim embargo el aglomerador no es de este tipo de sistema por lo que se evaluoacute en un
graacutefico psicomeacutetrico (anexo1) encontraacutendose
El aire se calienta a humedad constante (To -T1) Si la caacutemara estuviera aislada y toda la energiacutea
posible se utilizara el aire se enfriariacutea adiabaacuteticamente y la temperatura miacutenima a alcanzar seriacutea la
de bulbo seco de saturacioacuten (Tsat) En realidad la caacutemara no estaacute aislada y no se sigue un
enfriamiento adiabaacutetico El aire sale a una temperatura T2 (ni estaacute saturado ni el proceso es
adiabaacutetico) debido a la baja relacioacuten aire-producto Si el proceso fuera adiabaacutetico saldriacutea a T2
(proceso adiabaacutetico y masas iguales de aire y producto)
ANOVA Graacutefico para DUREZA
-25 -15 -05 05 15 25
Residuos
PRESION DE VAPOR P = 0816415 2
TAMANtildeO DE PARTICULA P = 0020833 54
TEMPERATURA DE PARTICULA P = 0082330 35
25
Optimizacioacuten
De acuerdo a los caacutelculos de balance de materia los flujos de aire de 900 pm a 1100 rpm con una
salida de 1765 rpm mantienen el calor necesario para eliminar la humedad por lo que estas
variables son las que se implementaron y controlaron para la aglomeracioacuten de los diversos
productos
Figura 15 Grafica de rendimientos con flujo de aire de 900 rpm a 1100 rpm
En la figura 15 se observa el comportamiento del rendimiento con las condiciones aire manejadas
que mantuvieron un vaciacuteo de 04 y 05 inicialmente el rendimiento no fue favorable debido a la
humedad relativa sin embargo en los siguientes lotes el rendimiento se mantuvo del 94
mejorando en los siguientes diacuteas al 97 siendo favorable con ello el porcentaje de adhesioacuten
disminuyo al 3 con estas condiciones la caracteriacutestica de porcentaje de aglomerado incremento
al rango oacuteptimo
La optimizacioacuten de las variables de temperatura de salida y tamantildeo de criba consistioacute en la
reduccioacuten de sus rangos de operacioacuten para la cual la dureza mejoroacute apegaacutendose al rango oacuteptimo
925
93
935
94
945
95
955
96
965
0 2 4 6 8 10 12 14
Ren
dim
ien
to
lote
26
42 Conclusiones
Mediante el disentildeo experimentos se encontroacute que el aumento de dos factores temperatura de
salida y el tamantildeo de partiacutecula influyen en el bajo porcentaje de aglomerado y el incremento en la
dureza por que el granulo aglomerado presenta fragilidad y una cantidad de polvos finos Asiacute
mismo con el disentildeo por bloques se determinoacute que la concentracioacuten de azuacutecares de los cafeacutes no
tiene efecto significativo tomando como muestra patroacuten un producto sin concentracioacuten que
tambieacuten presento adhesioacuten en las tres repeticiones Durante el monitoreo se observoacute que los
soacutelidos aglomerados a condiciones de bajo vaciacuteo con humedad relativa del aire baja no
presentaban ninguacuten problema de adhesioacuten mientras que los producto a condiciones de vaciacuteo alto
con humedades por encima de 60 presentaban mayor adhesioacuten en balance de materia se
observoacute que una humedad relativa alta en la salida del equipo necesita mayor calor y cantidad de
aire de entrada para ser eliminado asiacute mismo mediante las eficiencias teacutermicas se evaluoacute el
sistema en una carta psicomeacutetrica y se determinoacute que hay perdida calor en la caacutemara de secado
al no ser adiabaacutetico por lo que la optimizacioacuten del proceso solo fue parcial enfocaacutendose solo a
condiciones del aire de entrada y salida en la que el rendimiento mejoro en un promedio del 96
43 Trabajos Futuros
Derivado al balance y los caacutelculos la humedad relativa es un factor importante en la adhesioacuten del
producto es por ello que el proyecto tiene continuidad en la implementacioacuten de un desumificador
de aire para que el sistema tenga una inyeccioacuten de aire seco el aislamiento (encamisado) de la
caacutemara de secado para evitar pedidas del calor tambieacuten y la determinacioacuten de nuevas condiciones
de operacioacuten debido a los cambios en los flujos aire
44 Recomendaciones
De acuerdo al estudio realizado mediante el disentildeo factorial se determinoacute que la variacioacuten de la
entrada de aire afecta la presioacuten del sistema por lo que se recomienda manejar una sola condicioacuten
de aire para cada producto con respecto a la velocidad de salida ya que el sistema necesita
mantener el equilibrio de las corrientes de aire para que el calor sea necesario y elimine toda la
humedad posible del vapor de agua para evitar que se concentre en la base coacutenica asiacute mismo la
alimentacioacuten de los soacutelidos finos debe tener propiedades caracteriacutesticas oacuteptimas para evitar la
variacioacuten de las condiciones
27
ANEXOS Anexo 1 Equipo aglomerado
Salida de aire
Base coacutenica
Caacutemara de
secado
Lecho
fluidizado
Entrada de
aire caliente
Separador
cicloacutenico
Zona de aspersioacuten de
solidos secos y vapor
de agua
28
Anexo 2 Carta psicomeacutetrica
Fuente Spray Drying Handbook (Masters 1991)
29
Anexo 3 Caacutelculos de velocidad lineal caudales de aire y volumen del equipo
1765 rpm (2πrads)(042)=7763 ms
600 rpm (2πrads)(030) =2638 ms
700 rpm (2πrads)(030)=3078 ms
800 rpm (2πrads)(030) =3518 ms
900 rpm (2πrads)(030) =3965 ms
1000 rpm (2πrads)(030) =4348 ms
1150 rpm (2πrads)(030)=5057ms
Caudal para las diferentes velocidades lineales
1) Q=VS
Q=2638 ms (π 00335m) 2
Q=930 m3s
2) Q=VS
Q=3078ms (π 00335m) 2
Q=1085m3s
3) Q=VS
Q=3518 ms (π 00335m) 2
Q=1240 m3s
4) Q=VS
Q=4348 ms (π 00335m) 2
Q=1550 m3s
5) Q=VS
Q=5057ms (π 00335m) 2
Q=2002 m3s
6) Q=VS
Q=7763 ms (π 0195 m) 2
Q=3708 m3s
30
Velocidad angular de aire (rpm) Caudal (m3s)
600 rpm 93
700 1085
800 1240
1000 1550
1150 2002
1765 3708
Caudales de aire de entrada y salida
Volumen de la caacutemara de secado
V= ℎ1205871199032
v=97 π (21m)
v=140844 m3
V= ℎ1205871199032
v= (09m) (π 21m)
v=2420 m3
Volumen de la base coacutenica
119907 =π r2 h
3
119907 =π (291) lowast 59
3
V=52313 m3
Volumen total del equipo =21734 m3
582 m
59m
582 m
09 m
43m
97 m
31
Anexo 3Caacutelculos de balance de materia y energiacutea
Se determina la velocidad de flujo de aire y la humedad de salida del aglomerador suponiendo
que no hay peacuterdidas de calor en el secador el balance inicia con la alimentacioacuten de 300 kg de
soacutelidos secoh que contienen 0035 kg de humedad totalkg de soacutelido seco hasta un valor de 0002
kg de humedad totalkg de soacutelido seco El polvo fino a granular entra a 35 ordmC y se desea
descargarlo a 32 ordmC El soacutelido seco tiene una capacidad caloriacutefica de 1465 kJkgK que se supone
constante El aire de calentamiento entra a 230 ordmC y con humedad de 0060 kg H2Okg de aire
seco y debe salir a 130
Balance de materia con respecto a la humedad
GH2 LS X1 GH1 LS X2
Reemplazando valores
(060) + 300 (0035)= GH1+ 300 (0002)
El balance de calor para el secador es
GHG2 LS HS1 GHG1 LS HS2 Q
Se calcula la entalpiacutea del aire de entrada HG1
Aglomerador
G1=
TG1=230
H2=
LS=300 KGSh
TS1=35
X1=0035
G2=
TG2=130
H2=060
Ts 2=378
X2=0002
Q
32
HG1=CS 1005188H 1005188(060)
HG1 CS (TG1 T0 ) H
HG1= CS 230 - 0 + 0060(2501) 17306 KJ Kg aire seco
Se calcula la entalpiacutea del aire de salida HG2
C21005188H 1005188 H1
HG1 CS (TG2 T0 ) H
HG1= (1005 + 188 H1 )130 - 0 + H1 (2501)
HG1=130 + 27454 H1
Se calcula las entalpiacuteas de los soacutelidos
HS1 CP S (TS1 T0) X1 CP A ( TS1 T0)
HS1 1465(35 0) 0035 (4187)(35 0) 5713 kJ kg
HS2 CP S (TS2 T0) X2 CP A ( T2 T0)
HS2 1465 (32 ndash 0 ) + 0002(4187)(32 0)=4714 KJ Kg
Reemplazando en el balance de energiacutea
G (17306)+ 300(5713) = G (130 + 27454 H1)+ 300(4714) + 0
G=2600 Kg aire seco por hora
Resolviendo conjuntamente con el balance de materia
G (060) + 300 (0035)= GH1+ 300 (0002)
2600(060) + 105 = 2600 H1 +06
H1=2600(060) +105 + 060 2600
H1=07427 Kg agua kg aire seco
33
Anexo 4Calculo de eficiencias teacutermicas
Datos
T = 230
Ts =147
T0= 30
T sat=45
Eficiencia teacutermica global
Ntermica global= 1198791minus1198792
1198792minus1198790 X 100
Ntermica global = 230minus147
230minus30 100 =415
Eficiencia de evaporacioacuten
Nevaporacion=1198791minus1198792
1198791minus119879119904119886119905
Nevaporacion = 230minus147
230minus45 100 =4486
34
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3
aglomerante empleado fue Polyentilen Glycol Los paraacutemetros operacionales analizados fueron
tasa de atomizacioacuten del agente aglomerante (288 m3 ∙s-1) temperatura en el lecho de soacutelidos
(28 32 36 y 40degC) presioacuten de atomizacioacuten (15 bar) y velocidad del aire fluidizante (097 m∙s-1)
Los resultados indicaron que el crecimiento del aglomerado depende directamente de la cantidad
relativa del agente aglomerante atomizado sobre el lecho el cual determina la velocidad del
proceso de agregacioacuten Asiacute mismo el crecimiento del aglomerado se ve favorecido con el
incremento en los niveles de temperatura Con referencia al tamantildeo de gota del agente
aglomerante atomizado concluyeron que una gota de mayor tamantildeo incrementa el crecimiento
global del aglomerado mientras que una gota de menor tamantildeo induce a un crecimiento inicial
maacutes raacutepido Finalmente el crecimiento global del aglomerado se reduce al incrementar la
velocidad del aire
(Dolinski 2000) Encontroacute que en el secado de aspersioacuten de zumos de frutas con elevado contenido
de azucares los compuestos tienen temperaturas de transicioacuten viacutetrea bajas presenta problemas
de pegajosidad (stickiness) El teacutermino ldquostickinessrdquo hace referencia a los fenoacutemenos de cohesioacuten
partiacutecula-partiacutecula y de adhesioacuten partiacutecula-pared que presentan los polvos obtenidos que dificulta
su presentacioacuten en estado polvo y mancha las paredes de los cilindros de pulverizacioacuten (Al quedar
en la pared del compartimiento de secado como un jarabe da lugar a bajas producciones del
producto y a problemas operacionales)
(Boonyai 2004) Explica que la mayor causa de la pegajosidad en polvos amorfos de zumos en el
secado por aspersioacuten es la accioacuten plastificante del agua en la superficie que da lugar a la adhesioacuten
y cohesioacuten El alto contenido en azuacutecares de bajo peso molecular y aacutecidos orgaacutenicos disminuye la
temperatura de transicioacuten viacutetrea (Tg) por debajo de la temperatura de preparacioacuten del producto
incluso a la temperatura de salida del secado Esto conlleva a la existencia de un estado pseudo-
liacutequido de material amorfo que es responsable de la cohesioacuten interpartiacuteculas y de la adhesioacuten de
las partiacuteculas a las paredes del cilindro Cuanto mayor sea esta diferencia de temperatura (ΔT=Tp -
Tg) mayor seraacute el grado de pegajosidad
Como puede visualizarse existe un grupo muy amplio de paraacutemetros operacionales que inciden en
el comportamiento del proceso de aglomeracioacuten y los problemas asociados a este Sin embargo la
investigacioacuten y anaacutelisis de este tipo de proceso se centra en los paraacutemetros que se pueden
controlar de manera adecuada pues los equipos empleados para tal investigacioacuten son de tipo
escala piloto o banco los cuales son disentildeados y construidos para manipular un nuacutemero reducido
de paraacutemetros Por su parte se han propuestos teacutecnicas para resolver anomaliacuteas presentadas por
la influencia de variables que se afectan unas con otras
(Espantildea Patente nordm 36848 1967) Propuso un procedimiento para obtener aglomerados fuertes de
cafeacute soluble mediante la reduccioacuten de la temperatura de las partiacuteculas hasta menos 7deg antes de
entrar en contacto con vapor de agua y con humedades de 3 a 4 El enfriamiento se logra con la
inyeccioacuten de co2 liquido en el molino de martillos asiacute mismo demostroacute que la reduccioacuten de
tamantildeo a menos de 54 micras se forman enlaces fuertes y se evita la degradacioacuten o separacioacuten de
los graacutenulos durante el secado en la caacutemara Su metodologiacutea consistioacute en pruebas a diferentes
4
niveles de temperaturas cantidad de vapor humedad y temperatura del producto inicial
obteniendo aglomerados de gran dureza y buena apariencia fiacutesica
(Schaafsma SH 1998) Propuso en su trabajo de investigacioacuten relacionado con la aglomeracioacuten de
soacutelidos un proceso de crecimiento de un aglomerado originado a partir de una gota de liacutequido En
su propuesta describe el crecimiento del aglomerado a partir de dos etapas Inicialmente se
presenta un raacutepido crecimiento que toma lugar por el mojado de las partiacuteculas lo cual resulta en
la formacioacuten de un aglomerado inicial La segunda etapa de crecimiento es iniciado por el
transporte de liacutequido del aglomerado hacia las partiacuteculas que lo rodea El crecimiento del
aglomerado toma lugar por la unioacuten de partiacuteculas Si un poro en la superficie de un aglomerado
estaacute saturado con liacutequido entonces partiacuteculas libres pueden alcanzar la fase liacutequida en el poro y un
puente liacutequido puede ser formado Acorde a este proceso se puede concluir que la distribucioacuten de
tamantildeos de partiacuteculas y porosidad juega un papel importante en el tamantildeo final del aglomerado
Diversos autores han utilizado diferentes aproximaciones ingenieriles para entender y describir el
comportamiento de un proceso de granulacioacuten Un anaacutelisis estadiacutestico de un disentildeo experimental
permite determinar cualitativamente el efecto de un paraacutemetro del proceso sobre el aglomerado
tomando como referencia el tamantildeo promedio de la poblacioacuten de partiacuteculas aglomeradas
(Montgomery 2007) Mientras que el uso de un balance de poblacioacuten permite tratar de manera
fundamental procesos que involucran fenoacutemenos de nacimiento y muerte de partiacuteculas en un
determinado volumen de control (VC) (Hulbert 1967)
(Cryer A S y Scherer NR 2003 ) Implementaron un disentildeo factorial fraccional a frac12 en un
aglomerador coacutenico para evidenciar la influencia de ciertos paraacutemetros importantes relacionados
con la aglomeracioacuten de un producto agroquiacutemico cuya distribucioacuten inicial comprendiacutea tamantildeos
entre 01 a 100 micrones y cuyo diaacutemetro promedio inicial era de 20 micrones El agente
aglomerante empleado fue agua destilada Los paraacutemetros operacionales analizados fueron flujo
de aire (0106-0153 m3 s-1) temperatura de alimentacioacuten del aire (40-60degC) tasa de atomizacioacuten
del agente aglomerante (370x103 -542x103 kg s - 1 ) carga de soacutelidos inicial (25-35kg) y altura de
la boquilla de atomizacioacuten (posiciones 1 y 3) A partir del anaacutelisis estadiacutestico (el cual se realizoacute con
un nivel de significancia de 99) se evidencioacute la significancia de los factores bajo estudio siendo la
tasa de atomizacioacuten y carga de soacutelidos los de mayor efecto mientras que la temperatura y flujo de
aire resultaron marginalmente significativos en el crecimiento del aglomerado mientras que la
altura de la boquilla no influye en el crecimiento del aglomerado
(Riacuteos 2005) Implementoacute un disentildeo factorial 2 a la 3 en un aglomerador de lecho fluidizado coacutenico
para aglomerar soacutelidos de Tamarindo con un diaacutemetro promedio de 784 micrones Los factores
controlables fueron temperatura del aire fluidizante (80-100degC) tiempo de atomizacioacuten (3-5 min)
y masa de soacutelidos cargados al sistema (200-300g) El agente aglomerante empleado fue agua
destilada El anaacutelisis estadiacutestico (realizado con un nivel de significancia del 95) determinoacute que el
tiempo de atomizacioacuten del agente aglomerante fue el principal paraacutemetro que afecta el
crecimiento del aglomerado mientras que la temperatura y carga de soacutelidos no afectan el
crecimiento del aglomerado Cabe resaltar que se probaron los niveles de significancia de 90 y
5
75 con el objetivo de probar los posibles efectos de los paraacutemetros que no resultaran
significativos a un nivel del 95 El resultado obtenido a un nivel de significancia del 90
determinoacute que el tiempo de atomizacioacuten asiacute como la temperatura del aire resultaron
significativos es decir afectan en el crecimiento del aglomerado Asiacute mismo se determinoacute que a
un nivel de significancia del 75 los paraacutemetros tiempo de atomizacioacuten temperatura carga de
soacutelidos asiacute como la interaccioacuten entre la temperatura y carga de soacutelidos afectan el crecimiento del
aglomerado El anaacutelisis realizado a estos niveles de significancia (75 y 90) se evaluaron para
futuros trabajos relacionados con la aglomeracioacuten de soacutelidos de Tamarindo
(Dacanal amp Menegalli 2008) Implementaron un disentildeo factorial fraccional 24-1 en un aglomerador
con geometriacutea coacutenica el cual contaba con un cicloacuten para limpiar el aire de los finos arrastrados
con el objetivo de evidenciar la significancia de ciertos paraacutemetros operacionales que influyen en
el proceso de crecimiento de aglomerados de soacutelidos de acerola (Cerezo de las Antillas) La
poblacioacuten inicial de los soacutelidos contaba con un diaacutemetro promedio inicial de 954 micrones El
agente aglomerante empleado fue agua Los paraacutemetros bajo estudio fueron temperatura del aire
fluidizante (75-90degC) velocidad del aire fluidizante (025-045 ms-1 ) flujo de aire de atomizacioacuten
(050-070 lh-1 ) y altura de la boquilla con respecto al lecho (050-070 m) El anaacutelisis estadiacutestico
(realizado con un nivel de significancia del 95) evidencioacute la influencia de solo la velocidad del aire
sobre el crecimiento del aglomerado Sin embargo los autores expresan que la temperatura del
aire debe afectar el crecimiento del aglomerado pero los niveles ensayados no fueron los
adecuados Cabe resaltar que la altura de la boquilla y flujo de aire en la boquilla no resultaron
significativos es decir no influyeron en el crecimiento del aglomerado
6
12 Planteamiento del Problema
En Cafeacute Tostado de Exportacioacuten durante el proceso de aglomeracioacuten de cafeacute soluble para la
obtencioacuten de granulado efectuado en un secador por aspersioacuten con lecho fluido integrado se
presenta la pegajosidad de los polvos finos a las paredes de la base coacutenica del equipo y conforme
transcurre el tiempo la cantidad adherida se compacta formando capas gruesas llegando al punto
en que el mismo calor en el interior lo derrite y cae en forma de masas elaacutesticas o masas solidas de
gran volumen obstruyendo el paso de los graacutenulos por lo que la produccioacuten se detiene generando
contratiempos al quitar todo el cafeacute compactado Esta anomaliacutea afecta la eficiencia del proceso y
disminuye el rendimiento
La problemaacutetica se da en la produccioacuten de diversos tipos de cafeacute granulado desde mezclados
descafeinados y puros asiacute como en los diversos paraacutemetros de operacioacuten y aunque se han
implementado vibradores de alto rendimiento en la base coacutenica del equipo el problema sigue
teniendo impacto
13 Objetivos General
Optimizar el proceso de aglomeracioacuten de polvos finos de cafeacute soluble para la mejora del
rendimiento
Especiacuteficos
Evaluar el efecto de las variables de operacioacuten sobre el comportamiento de los
aglomerados asiacute como las caracteriacutesticas finales deseadas
Determinar mediante corridas experimentales las variables con mayor incidencia en la
pegajosidad del producto
Optimizar los paraacutemetros operacionales mediante el balance de materia y energiacutea
13 Definicioacuten de variables
Las variables que se manejaran en este proyecto se mencionan a continuacioacuten
Condiciones operativas del sistema temperatura de aire de entrada y salida presioacuten de
vapor flujo de aire de entrada y salida
Propiedades de los soacutelidos iniciales tamantildeo de partiacutecula humedad temperatura y
densidad
Humedad relativa del aire
Presioacuten del sistema y trasferencia de calor
7
15 Hipoacutetesis
1 Los aglomerados pierden cohesioacuten durante el secado debido a que hay un enlace de
partiacuteculas deacutebiles las cuales se separan generando una cantidad de polvos finos que son
arrastradas por la corriente de aire de forma turbulenta hasta la parte inferior dando
lugar a la adhesioacuten y compactacioacuten
2 La variacioacuten de la presioacuten del sistema (vaciacuteo) presenta anomaliacuteas en la distribucioacuten de
aire trayendo consigo alto acarreo de polvos finos por lo que presenta depoacutesitos a las
paredes de la caacutemara de secado
3 La continua variacioacuten de las condiciones de operacioacuten afecta en la formacioacuten y crecimiento
de las partiacuteculas dando lugar al arrastre excesivo de polvos como del medio aglomerante
reflejando en el escaso o nulo crecimiento de la partiacutecula y por ende adhesioacuten a las
paredes
4 La concentracioacuten de azucares tiene efecto significativo en la pegajosidad
16 Justificacioacuten del Proyecto
Hoy en diacutea el control de los procesos de aglomeracioacuten bajo su contexto de granulacioacuten huacutemeda es
muy complejo al llevar a cabo diferentes mecanismos dentro de sistemas que manejan
transferencia de calor transferencia de masa mecaacutenica de fluidos y termodinaacutemica por
consiguiente dependen de las variables de operacioacuten la naturaleza de los soacutelidos y del liacutequido
ligante
El presente proyecto se realiza en una empresa de cafeacute soluble donde se lleva cabo el proceso de
aglomeracioacuten en la cual presenta problemas de pegajosidad de partiacuteculas finas a las paredes del
equipo y el rendimiento se ve afectado El proyecto es seguimiento de un estudio anterior en la
que se analizaron y estudiaron varios tipos de cafeacutes encontraacutendose que los mezclados
presentaban maacutes adhesioacuten que los puros por consiguiente se determinaron las condiciones
oacuteptimas de operacioacuten de acuerdo las especificaciones finales mediante el uso de graficas de
control sin embargo eso no detuvo la problemaacutetica ya que hasta la fecha sigue presenciaacutendose
Siendo necesario estudios maacutes a fondo basado en teacutecnicas experimentales o de modelos
matemaacuteticos para entender la interaccioacuten de una variable sobre el comportamiento
La finalidad de este proyecto es la optimizacioacuten de los paraacutemetros operacionales de las variables
del proceso que inciden en la anomaliacutea Para ello se emplearan herramientas estadiacutesticas (disentildeo
de experimentos) para la evaluacioacuten y determinacioacuten de los efectos de las variables de entrada
(factores) sobre una variable de salida (respuesta) y el balance de materia-energiacutea para el control y
la optimizacioacuten
8
17 Limitaciones y Alcances
Limitaciones
Se respetaran los lineamientos de la empresa por lo que los nombres de los productos a
estudiar seraacuten restringidos y su uso seraacute mediante letras o nuacutemeros
El tiempo de estudio comprenderaacute 3 meses por lo que simplemente se abarcaran los
tipos de cafeacute que se produzcan en ese lapso
Debido a que el proceso es continuo los operarios son los uacutenicos que tienen el control de
las condiciones del equipo por consiguiente se tomaran solo los paraacutemetros empleados
para cada tipo de producto y estas son las que se manejaran en el disentildeo experimental
Alcances
Determinacioacuten de los factores influyentes en la pegajosidad del cafeacute y optimizacioacuten de los
mismos
Control de los paraacutemetros operacionales
Implementacioacuten de acciones de mejora continuacutea para el sistema
18 La Empresa
Cafeacute Tostado de Exportacioacuten tiene su inicio el 13 de Mayo de 1972 en la Ciudad de Tuxtla
Gutieacuterrez Chiapas Es una empresa que pertenece al grupo SANROKE que actualmente se
encuentra ubicada en la ciudad de Coacuterdoba Veracruz Comenzoacute produciendo cafeacute tostado y
molido posteriormente inicia en el proceso de cafeacute soluble logrando obtener otros subproductos
del cafeacute soluble como el aglomerado lechero y capuchino Fue una de las primeras empresas en
su ramo en estar certificada por la norma ISO 90012008 Actualmente cuenta con certificaciones
de labor social medio ambiente calidad orgaacutenicas e inocuidad lo que refleja su cumplimiento de
los estaacutendares internacionales
Es una compantildeiacutea liacuteder por su firme compromiso con la calidad y la satisfaccioacuten del cliente
Sumando hasta el diacutea de hoy deacutecadas de experiencia y dedicacioacuten en la industria del cafeacute El
aumento del consumo de esta bebida en el mundo ha sido paralelo a su desarrollo econoacutemico
representando una gran oportunidad para encontrar nuevos socios y expandir sus actividades
demostrando al resto del mundo coacutemo la disciplina y el trabajo duro conducen al eacutexito
Misioacuten
Elaboracioacuten de productos de la maacutes alta calidad a traveacutes de la seleccioacuten de materia prima superior
y los maacutes altos estaacutendares de manufactura satisfaciendo el gusto de los consumidores generando
beneficios para los accionistas colaboradores clientes proveedores y comunidad en general
9
Visioacuten
Convertirse en liacutederes del mercado nacional y ampliar su presencia en el mercado extranjero con
productos de calidad insuperable con el mejor sabor que proporcione deleite y satisfaccioacuten a
quien los consuma
En cafeacute tostado de exportacioacuten para obtener cafeacute soluble granulado se llevan cabo varias
operaciones unitarias
Tostado se exponen los granos de cafeacute a un calentamiento en el cual provoca inicialmente
una liberacioacuten de agua ligada hasta alcanzar el calor deseado mantenieacutendolo en continuo
movimiento para asegurar un tostado completo del grano cuando finaliza el tostado el
cafeacute es enfriado y almacenado
Molienda y Extraccioacuten para la reduccioacuten del tamantildeo el cafeacute tostado requiere un corte
mediante una accioacuten de compresioacuten y friccioacuten para provocar partiacuteculas de tamantildeo y
forma adecuados Una vez molido se hace la extraccioacuten de solidos solubles aplicando agua
caliente para generar una infusioacuten que obtenga todo el sabor y aroma presente en los
granos
Centrifugacioacuten y evaporacioacuten mediante una maacutequina de fuerza centriacutefuga se elimina la
mayor parte de los residuos que quedan de la extraccioacuten Posteriormente el extracto
liacutequido obtenido entra en la evaporacioacuten donde se elimina la mayor parte de agua y el
producto queda concentrado
Secado el liacutequido es secado mediante un secador por aspersioacuten en una corriente de aire
caliente donde las gotitas finamente al contacto con el calor evaporan el agua
convirtieacutendose en polvo esfeacuterico instantaacuteneo
Aglomeracioacuten es la operacioacuten designada para la formacioacuten de partiacuteculas de mayor
tamantildeo operando sobre la base de re-humidificacioacuten de la superficie del polvo de cafeacute con
vapor de agua en una atmoacutesfera turbulenta de aire caliente de manera que al colisionar
las partiacuteculas entre siacute los finos se adhieren a los gruesos formaacutendose los aglomerados
La variedad de presentaciones y la calidad de sus producto han permitido permanecer en el gusto
del puacuteblico contando con sus tradicionales cafeacutes tostados y molidos los praacutecticos cafeacutes solubles
aglomerados y ahora liofilizado caacutepsulas de cafeacute expreso teacute de cafeacute verde y crema untable
Caferetas Actualmente es liacuteder en el mercado internacional del cafeacute instantaacuteneo liacuteder local y
regional de cafeacute soluble granulado bajo el nombre de cafeacute ldquoLos Portales de Coacuterdoba ldquo
10
CAPIacuteTULO 2 METODOLOGIacuteA
21 Eleccioacuten de los factores y los niveles
Los factores seraacuten las condiciones de operacioacuten del equipo aglomerador de las cuales se
seleccionaran solo las que tengan maacutes impacto en la formacioacuten del granulo y posible influyente en
el problema los niveles estaraacuten definidos como altos y bajos
22 Seleccioacuten de la variable de respuesta
La variable de respuesta estaacute definido como las caracteriacutesticas fisicoquiacutemicas del producto final color densidad humedad dureza y porcentaje de aglomerado pero solo se seleccionaraacuten dos de ellas Tambieacuten se contemplara como respuesta el porcentaje de adhesioacuten
23 Eleccioacuten del disentildeo experimental
La eleccioacuten del disentildeo implicara la consideracioacuten del tamantildeo de la muestra (nuacutemero de reacuteplicas)
El intereacutes se centrara en identificar queacute factores causan esta diferencia y en estimar la magnitud
del cambio de la respuesta Por lo que pueden utilizarse uno o maacutes disentildeos experimentales de
acuerdo a las variables manejadas las cuales pueden ser factorial por bloques completamente al
azar y superficie de respuesta
24 Realizacioacuten del disentildeo de experimentos
Una vez seleccionado el o los disentildeos se ejecutaran para obtener los valores de las respuestas para
la cuales se contara con el apoyo de aacuterea de control de calidad quien proporcionara esta
informacioacuten asiacute como tambieacuten la ayuda de los operarios quienes son los expertos en manejar las
condiciones del equipo Los datos obtenidos se ingresaran a un programa estadiacutestico para
determinar los efectos y obtener las graacuteficas
25 Monitoreo de los flujos de aire humedad relativa y presioacuten del sistema
Se haraacute un monitoreo en los flujos de aire humedad relativa y presioacuten del sistema en lapso de
tiempo adecuado para evaluar el comportamiento de estas variables los datos se registraran en
Excel para la elaboracioacuten de graacuteficas
26 Anaacutelisis de datos
En esta fase se utilizaran programas estadiacutesticos para analizar y comparar los datos a fin de
determinar que los resultados y las conclusiones sean objetivos Se aplicara un anaacutelisis de varianza
11
(anova) la cual puede ser de un solo factor o multifactorial con niveles de significancia
dependiendo del tipo de disentildeo y con ello se haraacute la prueba de hipoacutetesis
27 Anaacutelisis de los efectos de los paraacutemetros operacionales
El anaacutelisis de los efectos de los paraacutemetros operacionales (factores) sobre la variable de
respuesta se efectuara mediante las graacuteficas de interaccioacuten y las graacuteficas de efectos normales que
se obtendraacuten en el software estadiacutestico con la finalidad de determinar coacutemo afecta cada factor
en el comportamiento de una propiedad caracteriacutestica del granulo
28 Aplicacioacuten del balance de materia y energiacutea
Para realizar este caacutelculo primero se haraacuten las conversiones de flujo de aire de velocidad angular a
velocidad lineal para posteriormente calcular el caudal del aire que pasa por los conductos asiacute
mismo se calculara el volumen de la caacutemara de secado y la base conicaEl uso de la carta
psicomeacutetrica seraacute de gran importancia para determinar la humedad absoluta del aire las
eficiencias teacutermicas y la temperatura de saturacioacuten adiabaacutetica Para la entalpia del aire se
utilizaran foacutermulas adecuadas de termodinaacutemica Las formulas del balance de materia y energiacutea
que se utilizara seraacute las establecidas para secadores por aspersioacuten Una vez reunido los valores se
sustituiraacuten para obtener los correspondientes la variable que se necesita encontrar es la cantidad
de humedad relativa y el calor en la salida de la caacutemara de secado
29 Optimizacioacuten del proceso
La optimizacioacuten del proceso se efectuaraacute de acuerdo a los resultados de los monitoreos del flujo
de aire humedad relativa los efectos obtenidos en el disentildeo de experimentos y sobre todo los
caacutelculos de balance de materia ndashenergiacutea
12
CAPIacuteTULO 3 DESARROLLO DEL PROYECTO
31 Equipo experimental
El equipo experimental utilizado fue un secador por aspersioacuten con lecho fluido integrado (Anexo1)
que consta de una caacutemara de secado proyectado sobre una base coacutenica mediante la cual una
corriente de aire caliente es suministrado por un ventilador de entrada creando una atmosfera
turbulenta donde los polvos finos entran en contacto con vapor de agua y mediante el secado se
forman los aglomerados este equipo maneja varias condiciones de operacioacuten que le dan las
caracteriacutesticas al producto Las herramientas estadiacutesticas empleados fueron Excel para el anaacutelisis
de varianza y prueba de hipoacutetesis del disentildeo por bloques al azar minitab para el anaacutelisis de los
efectos de los factores sobre la variable de respuesta y stargrapics para el anaacutelisis de varianza del
segundo disentildeo experimental
32 Monitoreos
Se hizo un monitoreo en los flujos de aire de entrada flujo de salida el vaciacuteo del sistema y la
humedad relativa del aire en un lapso de 5 horas diarias por 10 lotes de produccioacuten evaluando
tambieacuten la adhesioacuten en cada uno de ellos se registraron los datos en Excel mediante estos datos
se elaboroacute una graacutefica de dispersioacuten para ver el comportamiento de estas variables
33 Disentildeo de experimentos
Se utilizoacute un disentildeo de bloques completamente al azar en la cual los tratamientos fueron la
concentracioacuten de azucares con respuesta de porcentaje de adhesioacuten Cabe mencionar que cada
tratamiento indica un tipo de producto por su concentracioacuten
Tabla 1 Tratamientos del disentildeo por bloques al azar
TRATAMIENTO CONCENTRACION
A 0
B 5
C 10
D 15
F 17
Se formularon dos hipoacutetesis
H0=La concentracioacuten de azucares no tiene efecto en la pegajosidad de los polvos finos si F es
menor o igual a la F tabulada
13
H1=La concentracioacuten de azucares tiene efecto significativo si F de Fisher es mayor que la F
tabulada
Se utilizoacute un disentildeo factorial 23 para determinar el efecto de tres condiciones de operacioacuten
(factores) las cuales fueron velocidad de aire temperatura de entrada y temperatura de salida con
dos niveles teniendo como respuestas la dureza del granulo para 5 tipos de cafeacute soluble
Tabla 2 Factores y niveles del Disentildeo factorial 23
TIPOS FACTORES NIVEL BAJO NIVEL ALTO RESPUESTAS
Cafeacute soluble
ABCDF
Temperatura de entrada
217 227 220 212
235 231 236 228
Dureza
Temperatura de salida
133 139 137 134
135 142 138 135
Velocidad de aire
800 849 690 975
1000 850 950 1050
Tambieacuten se empleoacute un disentildeo factorial de 23 para determinar los efectos de tres factores No
Criba del molino de martillos con nivel de 33-55 la presioacuten de vapor con nivel de 15-20 y la
temperatura de producto nivel de 30-35 las respuestas que se eligieron para este disentildeo fue la
dureza del granulo y el porcentaje de aglomerado este experimento se inicioacute empleado la
herramienta estadista minitab en la cual se ingresaron estos factores con sus niveles arrojando 8
corridas por las combinaciones
Tabla 3 Corridas experimentales del disentildeo 23
Factores
corridas Presioacuten de
vapor
NoCriba Temperatura de
partiacutecula
1 15 33 30
2 2 33 30
3 15 54 30
4 2 54 30
5 15 33 35
6 2 33 35
7 15 54 35
8 2 54 35
14
34 Realizacioacuten del disentildeo de experimentos
Para la ejecucioacuten del disentildeo de experimentos se siguioacute con el programa de produccioacuten iniciando
con el disentildeo por bloque completamente al azar la cual se llevoacute en la aglomeracioacuten de 5 tipos de
cafeacute con diferentes concentraciones mencionadas anteriormente desde el arranque del equipo en
la cual los soacutelidos finos iniciales que se cargaron fueron un cafeacute A sin concentracioacuten
posteriormente se cambioacute a los siguientes tipos (BCDF) las condiciones operativas del equipo
estuvieron de la siguiente manera temperaturas de entrada de 190 a 230 temperatura de salida
de 100-140 y velocidad de aire de 600 a 1000 rpm Cada vez que se haciacutea un cambio de producto
se sacoacute la cantidad de solidos finos adheridos de la siguiente manera
(Cantidad alimentada x 98 de rendimiento fijo)- (Cantidad producida)
Mediante esta foacutermula se obtuvo el porcentaje de cada tipo de cafeacute retenido en la base coacutenica
Cantidad adherida x 100
Cantidad alimentada
Los datos quedaron registrados en la tabla 4 donde cada repeticioacuten indica un lote de produccioacuten
diferente
Tabla 4Disentildeo de bloques completamente al azar
REPETICIONES
TRATAMIENTOS I II III
A 625 6033 702
B 1071 859 12
C 7015 6033 927
D 583 95 892
F 992 704 859
G 113 853 905
El primer disentildeo factorial se llevoacute a cabo en la aglomeracioacuten de 4 tipos de cafeacute soluble en la cual
se monitoreo la interaccioacuten de cada factor de acuerdo a los niveles establecidos sobre la respuesta
y se registraron los resultados Las partiacuteculas finas teniacutean las siguientes propiedades iniciales
Densidad 180-210 grcm3
Color 72-84
Humedad 2 a 35
15
Los resultados de los anaacutelisis fisicoquiacutemicos (dureza) fueron proporcionados por el aacuterea de control
de calidad estos datos se ingresaron en minitab y se hizo el anaacutelisis factorial obteniendo las
graacuteficas de interaccioacuten asiacute como tambieacuten la significancia de los efectos
El segundo disentildeo factorial se llevoacute cabo en la aglomeracioacuten de un lote de cafeacute soluble regular con
las siguientes propiedades
Color 72-85
Humedad 2-35
Densidad 190-210
La duracioacuten del lote fue de 10 horas el equipo empleo una velocidad de aire entrada de 900 rpm
con temperatura de 220degc y una velocidad de aire salida de 1765 rpm con temperatura de 135 degC
Se recibioacute ayuda por parte de los operarios para las combinaciones y cada vez que esta se
ejecutaba se tomoacute muestras de 10 grs y se llevoacute a control de calidad para los anaacutelisis de dureza y
porcentaje de aglomerado por cada corrida finalizando este experimento se registraron todos los
resultados en minitab y se hizo el anaacutelisis del disentildeo para las significancias de los factores cabe
mencionar que mediante este programa se obtuvieron las graacuteficas de interaccioacuten
35 Anaacutelisis de datos
Para determinar cualitativamente el efecto de los paraacutemetros del proceso en la aglomeracioacuten de
las partiacuteculas de cafeacute soluble se aplicoacute un anaacutelisis de varianza (ANOVA) con un nivel de
significancia α del 5 a los resultados experimentales La dureza y el porcentaje de
aglomerado se seleccionaron como paraacutemetro de respuestase utilizo el programa de stargrapics
para el anaacutelisis
36 Balance de materia energiacutea
Para el balance de materia y energiacutea primero se hicieron las conversiones de la velocidad angular
del aire de entrada y salida (rpm) a velocidad lineal (ms) empleando la foacutermula
(1rpm) (2π rad)60 x (radio) Asiacute como el caacutelculo del volumen de la caacutemara de secado (anexo 3)
El caacutelculo del caudal de aire de entrada se realizoacute empleando la foacutermula
119876 = 119881 119878
Donde
V=velocidad lineal del aire (ms)
S=aacuterea de la seccioacuten trasversal (m2)
El radio de la seccioacuten transversal para ventilador de entrada fue 0335 y la de salida de 0195
Se sacaron las eficiencias teacutermicas del equipo de la siguiente manera
16
Eficiencia teacutermica global= (11987911198792
1198792119879119900)
Eficiencia de evaporacioacuten= (1198791 1198792
1198791 119879119904119886119905)
Para determinar las temperaturas de saturacioacuten adiabaacutetica (TSAT) y (T0) se utilizoacute la carta psicomeacutetrica (Anexo 2) El balance quedo estructurada de la siguiente forma
Figura 1 Diagrama de flujo del aglomerador
Donde FS1=masa del solido seco (kg)
Ga flujo de aire (kgh)
Ws=contenido de humedad del alimento (kg agua kg solido seco)
Ta=temperatura de entrada
Ta1=temperatura de salida
Ta2=temperatura de solidos
Ga1=flujo de aire entrada
Ga2=flujo salida de aire
H1= humedad relativa del aire entrada
H2=humedad relativa del aire salida
El balance del sistema sin peacuterdidas ni acumulacioacuten quedo de la siguiente manera
FS WS1 +Ga Ha1 = FS WS2 +Ga Ha2
17
Mientras que el balance de energiacutea
FS QS1+ Ga Qa1 = FS QS2 +Ga Qa2 +QL
Donde qs1 y qs2 son las entalpiacuteas del soacutelido entrando y saliendo del secador (KJKg) qa1 y qa2 son
las entalpiacuteas del aire entrando y saliendo del secador (KJKg) qL es el calor perdido (KJ)
El balance con respecto a la humedad se determinoacute mediante la siguiente formula
GH2 LS X1 GH1 LS X2
Donde
GH2= flujo de aire
Ls = flujo de alimentacioacuten
X1= humedad de los soacutelidos iniciales
La entalpia de la salida de aire se calculoacute mediante la foacutermula
HG C2 (TG T0) H
Donde
TG= Temperatura del aire
T0= Temperatura saturacioacuten
H=Entalpia del solido seco
37 Optimizacioacuten
La optimizacioacuten del proceso se llevoacute a cabo en el control de los factores incidentes en la cual se establecieron los rangos a utilizar esto derivado de los caacutelculos de balance y lo obtenido de los efectos en el disentildeo experimental los operarios se apegaron a estas condiciones con sus respectivos rangos y lo llevaron a cabo durante 8 lotes de produccioacuten en ese lapso de tiempo se evaluoacute el comportamiento del rendimiento se registraron los datos y se graficaron
18
CAPIacuteTULO 4 RESULTADOS Y CONCLUSIONES
41 Resultados
Anaacutelisis de efectos disentildeo factorial No1
Figura 2Grafica de efectos normales para el cafeacute soluble ABCD
En la figura 2 se observa la distribucioacuten de los factores A B C para los 4 tipos de cafeacute en la cual la
temperatura de entrada tiene efecto significativo en la dureza con una significancia del 92
mientras que los demaacutes factores no presentaron efectos significativos aunque tambieacuten influyen en
una combinacioacuten para dar la caracteriacutestica fisicoquiacutemica
19
Figura 3Grafica de interaccioacuten para cafeacute
soluble A
Figura 4 Grafica de interaccioacuten para cafeacute
soluble B
Figura 5Grafica de interaccioacuten para cafeacute soluble
C
Figura 6Grafica de interaccioacuten para cafeacute
soluble D
En las figuras 3 4 5 y 6 se muestran el comportamiento de la dureza de acuerdo a los factores
manejados para los cuatro tipos de cafeacute y en cada una de ella se aprecia que los niveles menores
de la temperatura de salida con la temperatura de entrada dieron una dureza igual y por debajo
de 10 asiacute mismo en el factor de velocidad de aire tambieacuten tuvo un comportamiento con niveles
menores Cabe mencionar que ninguna de las combinaciones obtuvo una dureza optima por lo
que se determinoacute que el incremento en la temperatura de salida aumenta la dureza obteniendo
un granulo maacutes fraacutegil
20
Anaacutelisis del disentildeo factorial No2
Figura 7Grafica de efectos normales para
dureza del cafeacute regular
Figura 8Grafica de efectos principales para dureza
del cafeacute regular
En las figuras 7 y 8 se observa que el No de criba tiene efecto significativo sobre la dureza es decir
entre menor abertura tenga la criba la dureza es mucho menor los graacutenulos son maacutes resistentes
mientras que entre mayor sea la abertura los graacutenulos son maacutes fraacutegiles (dureza alta) cabe
mencionar que la mejor dureza obtenida fue con el nuacutemero de malla 33 la presioacuten de vapor de
15 y la temperatura de partiacutecula de 30deg c
Figura 9 Grafica de efectos normales para
porcentaje de aglomerado del cafeacute regular
Figura 10Grafica de interaccioacuten para porcentaje
de aglomerado del cafeacute regular
21
En las figuras 9 y 10 se observa que la temperatura del producto el nuacutemero de criba tiene efecto
significativo sobre el porcentaje de aglomerado entre mayor es el nivel el porcentaje de
aglomerado disminuye determinado que hay maacutes cantidad de polvos finos asiacute mismo si el nivel
de los factores es bajo el porcentaje incremente constantemente Por lo que el comportamiento
del graacutenulo se acopla al incremento o disminucioacuten de estas variables
Monitoreos
Figura 11Grafica de dispersioacuten de la presioacuten del sistema
Figura 12 Grafica del vaciacuteo vs porcentaje de adhesioacuten
En las figuras 11 y 12 se observa el comportamiento del vaciacuteo con las variaciones de aire de
entrada Cabe mencionar que el sistema empleo una sola salida de aire de 1765 rpm Durante los
monitoreos los productos presentaron pegajosidad con entradas de aire menores a 900 rpm
mientras tanto de 1000 a 1150 rpm los productos no presentaron pegajosidad Lo mismo sucedioacute
en el comportamiento del vaciacuteo del sistema para la cual la pegajosidad aumenta y el rendimiento
disminuye con respecto al incremento del vaciacuteo Por lo que esta variable es el factor determinante
y con ello se prueba la hipoacutetesis que la variacioacuten en la presioacuten del sistema genera un arrastre
excesivo de polvos y la humedad no se elimina lo suficiente
120011001000900800700600
08
07
06
05
04
velocidad de entrada( Rpm)
vacio
del
sis
tem
a (
inh
20
)
Graacutefica de dispersioacuten de vacio del sistema vs velocidad de entrada
0
2
4
6
8
10
12
14
0 02 04 06 08 1
D
E A
DH
ESIO
N
VACIO DEL SISTEMA IN H20
22
Figura 13 Graacutefico de humedad relativa del aire
En la figura 13 se aprecia que la humedad relativa del aire inicialmente fue de 66 que
incrementoacute durante los siguientes diacuteas pero fue disminuyendo hasta llegar al 50 Esto debido a
los cambios climaacuteticos cabe mencionar que el equipo no cuenta con un filtrador para retirar el
porcentaje de agua del aire por lo que esta ingresa directamente a la caacutemara de secado siendo
una variable maacutes influyente en la adhesioacuten de los polvos finos
Anaacutelisis de datos
Tabla 5 Anaacutelisis de varianza de dos factores con una sola muestra por grupo
RESUMEN Cuenta Suma Promedio Varianza Fila 1 3 19303 643433333 026902633
Fila 2 3 313 104333333 296443333 Fila 3 3 22318 743933333 275458633 Fila 4 3 2425 808333333 389223333 Fila 5 3 2555 851666667 207763333 Fila 6 3 2888 962666667 216763333
Columna 1 6 51025 850416667 582740417 Columna 2 6 45726 7621 21353864 Columna 3 6 5485 914166667 260997667
Origen de las variaciones
Suma de cuadrados
Grados de libertad
Promedio de los cuadrados F Probabilidad
Valor criacutetico para
F Tratamientos 316103776 5 632207552 297461023 006699316 332583453
Bloques 699763344 2 349881672 164623405 024097493 410282102
Graacutefico de humedad realtva vs lote
0 3 6 9 12 15
lote
50
54
58
62
66
70
74
hu
med
ad
realt
va
23
Error 212534586 10 212534586
Total 598614696 17
En la tabla 5 se muestra el anaacutelisis de varianza de del disentildeo por bloques completamente al azar
de las diferentes concentraciones de azuacutecar por cada tipo de producto Dado que el f de Fisher es
menor que la f tabulada indica que no hay diferencias significativas por lo que se acepta la
hipoacutetesis nula la concentracioacuten de azucares no tiene efecto significativo en la adhesioacuten del cafeacute
ya que la mayoriacutea tuvo un porcentaje de adhesioacuten alta en las tres repeticiones cabe mencionar
que el producto A sin concentracioacuten tambieacuten tuvo adhesioacuten en la suma de cuadrados por bloques
tampoco hubo diferencias significativas
Tabla 6 Anaacutelisis de Varianza para dureza - Suma de Cuadrados Tipo III
Fuente Suma de Cuadrados
Gl Cuadrado Medio
Razoacuten-F Valor-P
EFECTOS PRINCIPALES
APRESION DE VAPOR 005445 1 005445 006 08164
BTAMANtildeO DE PARTICULA 121525 1 121525 1372 00208
CTEMPERATURA DE PARTICULA 471245 1 471245 532 00823
RESIDUOS
354305 4 0885763
TOTAL (CORREGIDO) 204624 7
La tabla 6 muestra el anaacutelisis de varianza del disentildeo factorial en la cual se descompone la
variabilidad de dureza en contribuciones debidas a varios factores Puesto que se ha escogido la
suma de cuadrados Tipo III (por omisioacuten) la contribucioacuten de cada factor se mide eliminando los
efectos de los demaacutes factores Los valores-P prueban la significancia estadiacutestica de cada uno de los
factores Puesto que un valor-P es menor que 005 este factor tiene un efecto estadiacutesticamente
significativo sobre dureza con un 950 de nivel de confianza
24
Figura 14Grafico anova para dureza
En la figura 14 se muestra el grafico anova y se observa la distribucioacuten de la respuesta para los
factores en la cual todas las razones-F se basan en el cuadrado medio del error residual La
mayoriacutea presenta distribucioacuten anova con el valor p mayor a 05 sin embargo para el factor tamantildeo
de partiacutecula el valor es menor a 05 con significancia
Balance de energiacutea
En el balance de materia y energiacutea se obtuvo que la humedad en la salida aglomerado es del 73
cuando hay una entrada de aire de 1550 m3 s con 50 de humedad relativa a una temperatura
de 230degc necesita 1730 KJ kg de calor con una cantidad de aire seco de 2600 kg h para sistema
adiabaacutetico sim embargo el aglomerador no es de este tipo de sistema por lo que se evaluoacute en un
graacutefico psicomeacutetrico (anexo1) encontraacutendose
El aire se calienta a humedad constante (To -T1) Si la caacutemara estuviera aislada y toda la energiacutea
posible se utilizara el aire se enfriariacutea adiabaacuteticamente y la temperatura miacutenima a alcanzar seriacutea la
de bulbo seco de saturacioacuten (Tsat) En realidad la caacutemara no estaacute aislada y no se sigue un
enfriamiento adiabaacutetico El aire sale a una temperatura T2 (ni estaacute saturado ni el proceso es
adiabaacutetico) debido a la baja relacioacuten aire-producto Si el proceso fuera adiabaacutetico saldriacutea a T2
(proceso adiabaacutetico y masas iguales de aire y producto)
ANOVA Graacutefico para DUREZA
-25 -15 -05 05 15 25
Residuos
PRESION DE VAPOR P = 0816415 2
TAMANtildeO DE PARTICULA P = 0020833 54
TEMPERATURA DE PARTICULA P = 0082330 35
25
Optimizacioacuten
De acuerdo a los caacutelculos de balance de materia los flujos de aire de 900 pm a 1100 rpm con una
salida de 1765 rpm mantienen el calor necesario para eliminar la humedad por lo que estas
variables son las que se implementaron y controlaron para la aglomeracioacuten de los diversos
productos
Figura 15 Grafica de rendimientos con flujo de aire de 900 rpm a 1100 rpm
En la figura 15 se observa el comportamiento del rendimiento con las condiciones aire manejadas
que mantuvieron un vaciacuteo de 04 y 05 inicialmente el rendimiento no fue favorable debido a la
humedad relativa sin embargo en los siguientes lotes el rendimiento se mantuvo del 94
mejorando en los siguientes diacuteas al 97 siendo favorable con ello el porcentaje de adhesioacuten
disminuyo al 3 con estas condiciones la caracteriacutestica de porcentaje de aglomerado incremento
al rango oacuteptimo
La optimizacioacuten de las variables de temperatura de salida y tamantildeo de criba consistioacute en la
reduccioacuten de sus rangos de operacioacuten para la cual la dureza mejoroacute apegaacutendose al rango oacuteptimo
925
93
935
94
945
95
955
96
965
0 2 4 6 8 10 12 14
Ren
dim
ien
to
lote
26
42 Conclusiones
Mediante el disentildeo experimentos se encontroacute que el aumento de dos factores temperatura de
salida y el tamantildeo de partiacutecula influyen en el bajo porcentaje de aglomerado y el incremento en la
dureza por que el granulo aglomerado presenta fragilidad y una cantidad de polvos finos Asiacute
mismo con el disentildeo por bloques se determinoacute que la concentracioacuten de azuacutecares de los cafeacutes no
tiene efecto significativo tomando como muestra patroacuten un producto sin concentracioacuten que
tambieacuten presento adhesioacuten en las tres repeticiones Durante el monitoreo se observoacute que los
soacutelidos aglomerados a condiciones de bajo vaciacuteo con humedad relativa del aire baja no
presentaban ninguacuten problema de adhesioacuten mientras que los producto a condiciones de vaciacuteo alto
con humedades por encima de 60 presentaban mayor adhesioacuten en balance de materia se
observoacute que una humedad relativa alta en la salida del equipo necesita mayor calor y cantidad de
aire de entrada para ser eliminado asiacute mismo mediante las eficiencias teacutermicas se evaluoacute el
sistema en una carta psicomeacutetrica y se determinoacute que hay perdida calor en la caacutemara de secado
al no ser adiabaacutetico por lo que la optimizacioacuten del proceso solo fue parcial enfocaacutendose solo a
condiciones del aire de entrada y salida en la que el rendimiento mejoro en un promedio del 96
43 Trabajos Futuros
Derivado al balance y los caacutelculos la humedad relativa es un factor importante en la adhesioacuten del
producto es por ello que el proyecto tiene continuidad en la implementacioacuten de un desumificador
de aire para que el sistema tenga una inyeccioacuten de aire seco el aislamiento (encamisado) de la
caacutemara de secado para evitar pedidas del calor tambieacuten y la determinacioacuten de nuevas condiciones
de operacioacuten debido a los cambios en los flujos aire
44 Recomendaciones
De acuerdo al estudio realizado mediante el disentildeo factorial se determinoacute que la variacioacuten de la
entrada de aire afecta la presioacuten del sistema por lo que se recomienda manejar una sola condicioacuten
de aire para cada producto con respecto a la velocidad de salida ya que el sistema necesita
mantener el equilibrio de las corrientes de aire para que el calor sea necesario y elimine toda la
humedad posible del vapor de agua para evitar que se concentre en la base coacutenica asiacute mismo la
alimentacioacuten de los soacutelidos finos debe tener propiedades caracteriacutesticas oacuteptimas para evitar la
variacioacuten de las condiciones
27
ANEXOS Anexo 1 Equipo aglomerado
Salida de aire
Base coacutenica
Caacutemara de
secado
Lecho
fluidizado
Entrada de
aire caliente
Separador
cicloacutenico
Zona de aspersioacuten de
solidos secos y vapor
de agua
28
Anexo 2 Carta psicomeacutetrica
Fuente Spray Drying Handbook (Masters 1991)
29
Anexo 3 Caacutelculos de velocidad lineal caudales de aire y volumen del equipo
1765 rpm (2πrads)(042)=7763 ms
600 rpm (2πrads)(030) =2638 ms
700 rpm (2πrads)(030)=3078 ms
800 rpm (2πrads)(030) =3518 ms
900 rpm (2πrads)(030) =3965 ms
1000 rpm (2πrads)(030) =4348 ms
1150 rpm (2πrads)(030)=5057ms
Caudal para las diferentes velocidades lineales
1) Q=VS
Q=2638 ms (π 00335m) 2
Q=930 m3s
2) Q=VS
Q=3078ms (π 00335m) 2
Q=1085m3s
3) Q=VS
Q=3518 ms (π 00335m) 2
Q=1240 m3s
4) Q=VS
Q=4348 ms (π 00335m) 2
Q=1550 m3s
5) Q=VS
Q=5057ms (π 00335m) 2
Q=2002 m3s
6) Q=VS
Q=7763 ms (π 0195 m) 2
Q=3708 m3s
30
Velocidad angular de aire (rpm) Caudal (m3s)
600 rpm 93
700 1085
800 1240
1000 1550
1150 2002
1765 3708
Caudales de aire de entrada y salida
Volumen de la caacutemara de secado
V= ℎ1205871199032
v=97 π (21m)
v=140844 m3
V= ℎ1205871199032
v= (09m) (π 21m)
v=2420 m3
Volumen de la base coacutenica
119907 =π r2 h
3
119907 =π (291) lowast 59
3
V=52313 m3
Volumen total del equipo =21734 m3
582 m
59m
582 m
09 m
43m
97 m
31
Anexo 3Caacutelculos de balance de materia y energiacutea
Se determina la velocidad de flujo de aire y la humedad de salida del aglomerador suponiendo
que no hay peacuterdidas de calor en el secador el balance inicia con la alimentacioacuten de 300 kg de
soacutelidos secoh que contienen 0035 kg de humedad totalkg de soacutelido seco hasta un valor de 0002
kg de humedad totalkg de soacutelido seco El polvo fino a granular entra a 35 ordmC y se desea
descargarlo a 32 ordmC El soacutelido seco tiene una capacidad caloriacutefica de 1465 kJkgK que se supone
constante El aire de calentamiento entra a 230 ordmC y con humedad de 0060 kg H2Okg de aire
seco y debe salir a 130
Balance de materia con respecto a la humedad
GH2 LS X1 GH1 LS X2
Reemplazando valores
(060) + 300 (0035)= GH1+ 300 (0002)
El balance de calor para el secador es
GHG2 LS HS1 GHG1 LS HS2 Q
Se calcula la entalpiacutea del aire de entrada HG1
Aglomerador
G1=
TG1=230
H2=
LS=300 KGSh
TS1=35
X1=0035
G2=
TG2=130
H2=060
Ts 2=378
X2=0002
Q
32
HG1=CS 1005188H 1005188(060)
HG1 CS (TG1 T0 ) H
HG1= CS 230 - 0 + 0060(2501) 17306 KJ Kg aire seco
Se calcula la entalpiacutea del aire de salida HG2
C21005188H 1005188 H1
HG1 CS (TG2 T0 ) H
HG1= (1005 + 188 H1 )130 - 0 + H1 (2501)
HG1=130 + 27454 H1
Se calcula las entalpiacuteas de los soacutelidos
HS1 CP S (TS1 T0) X1 CP A ( TS1 T0)
HS1 1465(35 0) 0035 (4187)(35 0) 5713 kJ kg
HS2 CP S (TS2 T0) X2 CP A ( T2 T0)
HS2 1465 (32 ndash 0 ) + 0002(4187)(32 0)=4714 KJ Kg
Reemplazando en el balance de energiacutea
G (17306)+ 300(5713) = G (130 + 27454 H1)+ 300(4714) + 0
G=2600 Kg aire seco por hora
Resolviendo conjuntamente con el balance de materia
G (060) + 300 (0035)= GH1+ 300 (0002)
2600(060) + 105 = 2600 H1 +06
H1=2600(060) +105 + 060 2600
H1=07427 Kg agua kg aire seco
33
Anexo 4Calculo de eficiencias teacutermicas
Datos
T = 230
Ts =147
T0= 30
T sat=45
Eficiencia teacutermica global
Ntermica global= 1198791minus1198792
1198792minus1198790 X 100
Ntermica global = 230minus147
230minus30 100 =415
Eficiencia de evaporacioacuten
Nevaporacion=1198791minus1198792
1198791minus119879119904119886119905
Nevaporacion = 230minus147
230minus45 100 =4486
34
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4
niveles de temperaturas cantidad de vapor humedad y temperatura del producto inicial
obteniendo aglomerados de gran dureza y buena apariencia fiacutesica
(Schaafsma SH 1998) Propuso en su trabajo de investigacioacuten relacionado con la aglomeracioacuten de
soacutelidos un proceso de crecimiento de un aglomerado originado a partir de una gota de liacutequido En
su propuesta describe el crecimiento del aglomerado a partir de dos etapas Inicialmente se
presenta un raacutepido crecimiento que toma lugar por el mojado de las partiacuteculas lo cual resulta en
la formacioacuten de un aglomerado inicial La segunda etapa de crecimiento es iniciado por el
transporte de liacutequido del aglomerado hacia las partiacuteculas que lo rodea El crecimiento del
aglomerado toma lugar por la unioacuten de partiacuteculas Si un poro en la superficie de un aglomerado
estaacute saturado con liacutequido entonces partiacuteculas libres pueden alcanzar la fase liacutequida en el poro y un
puente liacutequido puede ser formado Acorde a este proceso se puede concluir que la distribucioacuten de
tamantildeos de partiacuteculas y porosidad juega un papel importante en el tamantildeo final del aglomerado
Diversos autores han utilizado diferentes aproximaciones ingenieriles para entender y describir el
comportamiento de un proceso de granulacioacuten Un anaacutelisis estadiacutestico de un disentildeo experimental
permite determinar cualitativamente el efecto de un paraacutemetro del proceso sobre el aglomerado
tomando como referencia el tamantildeo promedio de la poblacioacuten de partiacuteculas aglomeradas
(Montgomery 2007) Mientras que el uso de un balance de poblacioacuten permite tratar de manera
fundamental procesos que involucran fenoacutemenos de nacimiento y muerte de partiacuteculas en un
determinado volumen de control (VC) (Hulbert 1967)
(Cryer A S y Scherer NR 2003 ) Implementaron un disentildeo factorial fraccional a frac12 en un
aglomerador coacutenico para evidenciar la influencia de ciertos paraacutemetros importantes relacionados
con la aglomeracioacuten de un producto agroquiacutemico cuya distribucioacuten inicial comprendiacutea tamantildeos
entre 01 a 100 micrones y cuyo diaacutemetro promedio inicial era de 20 micrones El agente
aglomerante empleado fue agua destilada Los paraacutemetros operacionales analizados fueron flujo
de aire (0106-0153 m3 s-1) temperatura de alimentacioacuten del aire (40-60degC) tasa de atomizacioacuten
del agente aglomerante (370x103 -542x103 kg s - 1 ) carga de soacutelidos inicial (25-35kg) y altura de
la boquilla de atomizacioacuten (posiciones 1 y 3) A partir del anaacutelisis estadiacutestico (el cual se realizoacute con
un nivel de significancia de 99) se evidencioacute la significancia de los factores bajo estudio siendo la
tasa de atomizacioacuten y carga de soacutelidos los de mayor efecto mientras que la temperatura y flujo de
aire resultaron marginalmente significativos en el crecimiento del aglomerado mientras que la
altura de la boquilla no influye en el crecimiento del aglomerado
(Riacuteos 2005) Implementoacute un disentildeo factorial 2 a la 3 en un aglomerador de lecho fluidizado coacutenico
para aglomerar soacutelidos de Tamarindo con un diaacutemetro promedio de 784 micrones Los factores
controlables fueron temperatura del aire fluidizante (80-100degC) tiempo de atomizacioacuten (3-5 min)
y masa de soacutelidos cargados al sistema (200-300g) El agente aglomerante empleado fue agua
destilada El anaacutelisis estadiacutestico (realizado con un nivel de significancia del 95) determinoacute que el
tiempo de atomizacioacuten del agente aglomerante fue el principal paraacutemetro que afecta el
crecimiento del aglomerado mientras que la temperatura y carga de soacutelidos no afectan el
crecimiento del aglomerado Cabe resaltar que se probaron los niveles de significancia de 90 y
5
75 con el objetivo de probar los posibles efectos de los paraacutemetros que no resultaran
significativos a un nivel del 95 El resultado obtenido a un nivel de significancia del 90
determinoacute que el tiempo de atomizacioacuten asiacute como la temperatura del aire resultaron
significativos es decir afectan en el crecimiento del aglomerado Asiacute mismo se determinoacute que a
un nivel de significancia del 75 los paraacutemetros tiempo de atomizacioacuten temperatura carga de
soacutelidos asiacute como la interaccioacuten entre la temperatura y carga de soacutelidos afectan el crecimiento del
aglomerado El anaacutelisis realizado a estos niveles de significancia (75 y 90) se evaluaron para
futuros trabajos relacionados con la aglomeracioacuten de soacutelidos de Tamarindo
(Dacanal amp Menegalli 2008) Implementaron un disentildeo factorial fraccional 24-1 en un aglomerador
con geometriacutea coacutenica el cual contaba con un cicloacuten para limpiar el aire de los finos arrastrados
con el objetivo de evidenciar la significancia de ciertos paraacutemetros operacionales que influyen en
el proceso de crecimiento de aglomerados de soacutelidos de acerola (Cerezo de las Antillas) La
poblacioacuten inicial de los soacutelidos contaba con un diaacutemetro promedio inicial de 954 micrones El
agente aglomerante empleado fue agua Los paraacutemetros bajo estudio fueron temperatura del aire
fluidizante (75-90degC) velocidad del aire fluidizante (025-045 ms-1 ) flujo de aire de atomizacioacuten
(050-070 lh-1 ) y altura de la boquilla con respecto al lecho (050-070 m) El anaacutelisis estadiacutestico
(realizado con un nivel de significancia del 95) evidencioacute la influencia de solo la velocidad del aire
sobre el crecimiento del aglomerado Sin embargo los autores expresan que la temperatura del
aire debe afectar el crecimiento del aglomerado pero los niveles ensayados no fueron los
adecuados Cabe resaltar que la altura de la boquilla y flujo de aire en la boquilla no resultaron
significativos es decir no influyeron en el crecimiento del aglomerado
6
12 Planteamiento del Problema
En Cafeacute Tostado de Exportacioacuten durante el proceso de aglomeracioacuten de cafeacute soluble para la
obtencioacuten de granulado efectuado en un secador por aspersioacuten con lecho fluido integrado se
presenta la pegajosidad de los polvos finos a las paredes de la base coacutenica del equipo y conforme
transcurre el tiempo la cantidad adherida se compacta formando capas gruesas llegando al punto
en que el mismo calor en el interior lo derrite y cae en forma de masas elaacutesticas o masas solidas de
gran volumen obstruyendo el paso de los graacutenulos por lo que la produccioacuten se detiene generando
contratiempos al quitar todo el cafeacute compactado Esta anomaliacutea afecta la eficiencia del proceso y
disminuye el rendimiento
La problemaacutetica se da en la produccioacuten de diversos tipos de cafeacute granulado desde mezclados
descafeinados y puros asiacute como en los diversos paraacutemetros de operacioacuten y aunque se han
implementado vibradores de alto rendimiento en la base coacutenica del equipo el problema sigue
teniendo impacto
13 Objetivos General
Optimizar el proceso de aglomeracioacuten de polvos finos de cafeacute soluble para la mejora del
rendimiento
Especiacuteficos
Evaluar el efecto de las variables de operacioacuten sobre el comportamiento de los
aglomerados asiacute como las caracteriacutesticas finales deseadas
Determinar mediante corridas experimentales las variables con mayor incidencia en la
pegajosidad del producto
Optimizar los paraacutemetros operacionales mediante el balance de materia y energiacutea
13 Definicioacuten de variables
Las variables que se manejaran en este proyecto se mencionan a continuacioacuten
Condiciones operativas del sistema temperatura de aire de entrada y salida presioacuten de
vapor flujo de aire de entrada y salida
Propiedades de los soacutelidos iniciales tamantildeo de partiacutecula humedad temperatura y
densidad
Humedad relativa del aire
Presioacuten del sistema y trasferencia de calor
7
15 Hipoacutetesis
1 Los aglomerados pierden cohesioacuten durante el secado debido a que hay un enlace de
partiacuteculas deacutebiles las cuales se separan generando una cantidad de polvos finos que son
arrastradas por la corriente de aire de forma turbulenta hasta la parte inferior dando
lugar a la adhesioacuten y compactacioacuten
2 La variacioacuten de la presioacuten del sistema (vaciacuteo) presenta anomaliacuteas en la distribucioacuten de
aire trayendo consigo alto acarreo de polvos finos por lo que presenta depoacutesitos a las
paredes de la caacutemara de secado
3 La continua variacioacuten de las condiciones de operacioacuten afecta en la formacioacuten y crecimiento
de las partiacuteculas dando lugar al arrastre excesivo de polvos como del medio aglomerante
reflejando en el escaso o nulo crecimiento de la partiacutecula y por ende adhesioacuten a las
paredes
4 La concentracioacuten de azucares tiene efecto significativo en la pegajosidad
16 Justificacioacuten del Proyecto
Hoy en diacutea el control de los procesos de aglomeracioacuten bajo su contexto de granulacioacuten huacutemeda es
muy complejo al llevar a cabo diferentes mecanismos dentro de sistemas que manejan
transferencia de calor transferencia de masa mecaacutenica de fluidos y termodinaacutemica por
consiguiente dependen de las variables de operacioacuten la naturaleza de los soacutelidos y del liacutequido
ligante
El presente proyecto se realiza en una empresa de cafeacute soluble donde se lleva cabo el proceso de
aglomeracioacuten en la cual presenta problemas de pegajosidad de partiacuteculas finas a las paredes del
equipo y el rendimiento se ve afectado El proyecto es seguimiento de un estudio anterior en la
que se analizaron y estudiaron varios tipos de cafeacutes encontraacutendose que los mezclados
presentaban maacutes adhesioacuten que los puros por consiguiente se determinaron las condiciones
oacuteptimas de operacioacuten de acuerdo las especificaciones finales mediante el uso de graficas de
control sin embargo eso no detuvo la problemaacutetica ya que hasta la fecha sigue presenciaacutendose
Siendo necesario estudios maacutes a fondo basado en teacutecnicas experimentales o de modelos
matemaacuteticos para entender la interaccioacuten de una variable sobre el comportamiento
La finalidad de este proyecto es la optimizacioacuten de los paraacutemetros operacionales de las variables
del proceso que inciden en la anomaliacutea Para ello se emplearan herramientas estadiacutesticas (disentildeo
de experimentos) para la evaluacioacuten y determinacioacuten de los efectos de las variables de entrada
(factores) sobre una variable de salida (respuesta) y el balance de materia-energiacutea para el control y
la optimizacioacuten
8
17 Limitaciones y Alcances
Limitaciones
Se respetaran los lineamientos de la empresa por lo que los nombres de los productos a
estudiar seraacuten restringidos y su uso seraacute mediante letras o nuacutemeros
El tiempo de estudio comprenderaacute 3 meses por lo que simplemente se abarcaran los
tipos de cafeacute que se produzcan en ese lapso
Debido a que el proceso es continuo los operarios son los uacutenicos que tienen el control de
las condiciones del equipo por consiguiente se tomaran solo los paraacutemetros empleados
para cada tipo de producto y estas son las que se manejaran en el disentildeo experimental
Alcances
Determinacioacuten de los factores influyentes en la pegajosidad del cafeacute y optimizacioacuten de los
mismos
Control de los paraacutemetros operacionales
Implementacioacuten de acciones de mejora continuacutea para el sistema
18 La Empresa
Cafeacute Tostado de Exportacioacuten tiene su inicio el 13 de Mayo de 1972 en la Ciudad de Tuxtla
Gutieacuterrez Chiapas Es una empresa que pertenece al grupo SANROKE que actualmente se
encuentra ubicada en la ciudad de Coacuterdoba Veracruz Comenzoacute produciendo cafeacute tostado y
molido posteriormente inicia en el proceso de cafeacute soluble logrando obtener otros subproductos
del cafeacute soluble como el aglomerado lechero y capuchino Fue una de las primeras empresas en
su ramo en estar certificada por la norma ISO 90012008 Actualmente cuenta con certificaciones
de labor social medio ambiente calidad orgaacutenicas e inocuidad lo que refleja su cumplimiento de
los estaacutendares internacionales
Es una compantildeiacutea liacuteder por su firme compromiso con la calidad y la satisfaccioacuten del cliente
Sumando hasta el diacutea de hoy deacutecadas de experiencia y dedicacioacuten en la industria del cafeacute El
aumento del consumo de esta bebida en el mundo ha sido paralelo a su desarrollo econoacutemico
representando una gran oportunidad para encontrar nuevos socios y expandir sus actividades
demostrando al resto del mundo coacutemo la disciplina y el trabajo duro conducen al eacutexito
Misioacuten
Elaboracioacuten de productos de la maacutes alta calidad a traveacutes de la seleccioacuten de materia prima superior
y los maacutes altos estaacutendares de manufactura satisfaciendo el gusto de los consumidores generando
beneficios para los accionistas colaboradores clientes proveedores y comunidad en general
9
Visioacuten
Convertirse en liacutederes del mercado nacional y ampliar su presencia en el mercado extranjero con
productos de calidad insuperable con el mejor sabor que proporcione deleite y satisfaccioacuten a
quien los consuma
En cafeacute tostado de exportacioacuten para obtener cafeacute soluble granulado se llevan cabo varias
operaciones unitarias
Tostado se exponen los granos de cafeacute a un calentamiento en el cual provoca inicialmente
una liberacioacuten de agua ligada hasta alcanzar el calor deseado mantenieacutendolo en continuo
movimiento para asegurar un tostado completo del grano cuando finaliza el tostado el
cafeacute es enfriado y almacenado
Molienda y Extraccioacuten para la reduccioacuten del tamantildeo el cafeacute tostado requiere un corte
mediante una accioacuten de compresioacuten y friccioacuten para provocar partiacuteculas de tamantildeo y
forma adecuados Una vez molido se hace la extraccioacuten de solidos solubles aplicando agua
caliente para generar una infusioacuten que obtenga todo el sabor y aroma presente en los
granos
Centrifugacioacuten y evaporacioacuten mediante una maacutequina de fuerza centriacutefuga se elimina la
mayor parte de los residuos que quedan de la extraccioacuten Posteriormente el extracto
liacutequido obtenido entra en la evaporacioacuten donde se elimina la mayor parte de agua y el
producto queda concentrado
Secado el liacutequido es secado mediante un secador por aspersioacuten en una corriente de aire
caliente donde las gotitas finamente al contacto con el calor evaporan el agua
convirtieacutendose en polvo esfeacuterico instantaacuteneo
Aglomeracioacuten es la operacioacuten designada para la formacioacuten de partiacuteculas de mayor
tamantildeo operando sobre la base de re-humidificacioacuten de la superficie del polvo de cafeacute con
vapor de agua en una atmoacutesfera turbulenta de aire caliente de manera que al colisionar
las partiacuteculas entre siacute los finos se adhieren a los gruesos formaacutendose los aglomerados
La variedad de presentaciones y la calidad de sus producto han permitido permanecer en el gusto
del puacuteblico contando con sus tradicionales cafeacutes tostados y molidos los praacutecticos cafeacutes solubles
aglomerados y ahora liofilizado caacutepsulas de cafeacute expreso teacute de cafeacute verde y crema untable
Caferetas Actualmente es liacuteder en el mercado internacional del cafeacute instantaacuteneo liacuteder local y
regional de cafeacute soluble granulado bajo el nombre de cafeacute ldquoLos Portales de Coacuterdoba ldquo
10
CAPIacuteTULO 2 METODOLOGIacuteA
21 Eleccioacuten de los factores y los niveles
Los factores seraacuten las condiciones de operacioacuten del equipo aglomerador de las cuales se
seleccionaran solo las que tengan maacutes impacto en la formacioacuten del granulo y posible influyente en
el problema los niveles estaraacuten definidos como altos y bajos
22 Seleccioacuten de la variable de respuesta
La variable de respuesta estaacute definido como las caracteriacutesticas fisicoquiacutemicas del producto final color densidad humedad dureza y porcentaje de aglomerado pero solo se seleccionaraacuten dos de ellas Tambieacuten se contemplara como respuesta el porcentaje de adhesioacuten
23 Eleccioacuten del disentildeo experimental
La eleccioacuten del disentildeo implicara la consideracioacuten del tamantildeo de la muestra (nuacutemero de reacuteplicas)
El intereacutes se centrara en identificar queacute factores causan esta diferencia y en estimar la magnitud
del cambio de la respuesta Por lo que pueden utilizarse uno o maacutes disentildeos experimentales de
acuerdo a las variables manejadas las cuales pueden ser factorial por bloques completamente al
azar y superficie de respuesta
24 Realizacioacuten del disentildeo de experimentos
Una vez seleccionado el o los disentildeos se ejecutaran para obtener los valores de las respuestas para
la cuales se contara con el apoyo de aacuterea de control de calidad quien proporcionara esta
informacioacuten asiacute como tambieacuten la ayuda de los operarios quienes son los expertos en manejar las
condiciones del equipo Los datos obtenidos se ingresaran a un programa estadiacutestico para
determinar los efectos y obtener las graacuteficas
25 Monitoreo de los flujos de aire humedad relativa y presioacuten del sistema
Se haraacute un monitoreo en los flujos de aire humedad relativa y presioacuten del sistema en lapso de
tiempo adecuado para evaluar el comportamiento de estas variables los datos se registraran en
Excel para la elaboracioacuten de graacuteficas
26 Anaacutelisis de datos
En esta fase se utilizaran programas estadiacutesticos para analizar y comparar los datos a fin de
determinar que los resultados y las conclusiones sean objetivos Se aplicara un anaacutelisis de varianza
11
(anova) la cual puede ser de un solo factor o multifactorial con niveles de significancia
dependiendo del tipo de disentildeo y con ello se haraacute la prueba de hipoacutetesis
27 Anaacutelisis de los efectos de los paraacutemetros operacionales
El anaacutelisis de los efectos de los paraacutemetros operacionales (factores) sobre la variable de
respuesta se efectuara mediante las graacuteficas de interaccioacuten y las graacuteficas de efectos normales que
se obtendraacuten en el software estadiacutestico con la finalidad de determinar coacutemo afecta cada factor
en el comportamiento de una propiedad caracteriacutestica del granulo
28 Aplicacioacuten del balance de materia y energiacutea
Para realizar este caacutelculo primero se haraacuten las conversiones de flujo de aire de velocidad angular a
velocidad lineal para posteriormente calcular el caudal del aire que pasa por los conductos asiacute
mismo se calculara el volumen de la caacutemara de secado y la base conicaEl uso de la carta
psicomeacutetrica seraacute de gran importancia para determinar la humedad absoluta del aire las
eficiencias teacutermicas y la temperatura de saturacioacuten adiabaacutetica Para la entalpia del aire se
utilizaran foacutermulas adecuadas de termodinaacutemica Las formulas del balance de materia y energiacutea
que se utilizara seraacute las establecidas para secadores por aspersioacuten Una vez reunido los valores se
sustituiraacuten para obtener los correspondientes la variable que se necesita encontrar es la cantidad
de humedad relativa y el calor en la salida de la caacutemara de secado
29 Optimizacioacuten del proceso
La optimizacioacuten del proceso se efectuaraacute de acuerdo a los resultados de los monitoreos del flujo
de aire humedad relativa los efectos obtenidos en el disentildeo de experimentos y sobre todo los
caacutelculos de balance de materia ndashenergiacutea
12
CAPIacuteTULO 3 DESARROLLO DEL PROYECTO
31 Equipo experimental
El equipo experimental utilizado fue un secador por aspersioacuten con lecho fluido integrado (Anexo1)
que consta de una caacutemara de secado proyectado sobre una base coacutenica mediante la cual una
corriente de aire caliente es suministrado por un ventilador de entrada creando una atmosfera
turbulenta donde los polvos finos entran en contacto con vapor de agua y mediante el secado se
forman los aglomerados este equipo maneja varias condiciones de operacioacuten que le dan las
caracteriacutesticas al producto Las herramientas estadiacutesticas empleados fueron Excel para el anaacutelisis
de varianza y prueba de hipoacutetesis del disentildeo por bloques al azar minitab para el anaacutelisis de los
efectos de los factores sobre la variable de respuesta y stargrapics para el anaacutelisis de varianza del
segundo disentildeo experimental
32 Monitoreos
Se hizo un monitoreo en los flujos de aire de entrada flujo de salida el vaciacuteo del sistema y la
humedad relativa del aire en un lapso de 5 horas diarias por 10 lotes de produccioacuten evaluando
tambieacuten la adhesioacuten en cada uno de ellos se registraron los datos en Excel mediante estos datos
se elaboroacute una graacutefica de dispersioacuten para ver el comportamiento de estas variables
33 Disentildeo de experimentos
Se utilizoacute un disentildeo de bloques completamente al azar en la cual los tratamientos fueron la
concentracioacuten de azucares con respuesta de porcentaje de adhesioacuten Cabe mencionar que cada
tratamiento indica un tipo de producto por su concentracioacuten
Tabla 1 Tratamientos del disentildeo por bloques al azar
TRATAMIENTO CONCENTRACION
A 0
B 5
C 10
D 15
F 17
Se formularon dos hipoacutetesis
H0=La concentracioacuten de azucares no tiene efecto en la pegajosidad de los polvos finos si F es
menor o igual a la F tabulada
13
H1=La concentracioacuten de azucares tiene efecto significativo si F de Fisher es mayor que la F
tabulada
Se utilizoacute un disentildeo factorial 23 para determinar el efecto de tres condiciones de operacioacuten
(factores) las cuales fueron velocidad de aire temperatura de entrada y temperatura de salida con
dos niveles teniendo como respuestas la dureza del granulo para 5 tipos de cafeacute soluble
Tabla 2 Factores y niveles del Disentildeo factorial 23
TIPOS FACTORES NIVEL BAJO NIVEL ALTO RESPUESTAS
Cafeacute soluble
ABCDF
Temperatura de entrada
217 227 220 212
235 231 236 228
Dureza
Temperatura de salida
133 139 137 134
135 142 138 135
Velocidad de aire
800 849 690 975
1000 850 950 1050
Tambieacuten se empleoacute un disentildeo factorial de 23 para determinar los efectos de tres factores No
Criba del molino de martillos con nivel de 33-55 la presioacuten de vapor con nivel de 15-20 y la
temperatura de producto nivel de 30-35 las respuestas que se eligieron para este disentildeo fue la
dureza del granulo y el porcentaje de aglomerado este experimento se inicioacute empleado la
herramienta estadista minitab en la cual se ingresaron estos factores con sus niveles arrojando 8
corridas por las combinaciones
Tabla 3 Corridas experimentales del disentildeo 23
Factores
corridas Presioacuten de
vapor
NoCriba Temperatura de
partiacutecula
1 15 33 30
2 2 33 30
3 15 54 30
4 2 54 30
5 15 33 35
6 2 33 35
7 15 54 35
8 2 54 35
14
34 Realizacioacuten del disentildeo de experimentos
Para la ejecucioacuten del disentildeo de experimentos se siguioacute con el programa de produccioacuten iniciando
con el disentildeo por bloque completamente al azar la cual se llevoacute en la aglomeracioacuten de 5 tipos de
cafeacute con diferentes concentraciones mencionadas anteriormente desde el arranque del equipo en
la cual los soacutelidos finos iniciales que se cargaron fueron un cafeacute A sin concentracioacuten
posteriormente se cambioacute a los siguientes tipos (BCDF) las condiciones operativas del equipo
estuvieron de la siguiente manera temperaturas de entrada de 190 a 230 temperatura de salida
de 100-140 y velocidad de aire de 600 a 1000 rpm Cada vez que se haciacutea un cambio de producto
se sacoacute la cantidad de solidos finos adheridos de la siguiente manera
(Cantidad alimentada x 98 de rendimiento fijo)- (Cantidad producida)
Mediante esta foacutermula se obtuvo el porcentaje de cada tipo de cafeacute retenido en la base coacutenica
Cantidad adherida x 100
Cantidad alimentada
Los datos quedaron registrados en la tabla 4 donde cada repeticioacuten indica un lote de produccioacuten
diferente
Tabla 4Disentildeo de bloques completamente al azar
REPETICIONES
TRATAMIENTOS I II III
A 625 6033 702
B 1071 859 12
C 7015 6033 927
D 583 95 892
F 992 704 859
G 113 853 905
El primer disentildeo factorial se llevoacute a cabo en la aglomeracioacuten de 4 tipos de cafeacute soluble en la cual
se monitoreo la interaccioacuten de cada factor de acuerdo a los niveles establecidos sobre la respuesta
y se registraron los resultados Las partiacuteculas finas teniacutean las siguientes propiedades iniciales
Densidad 180-210 grcm3
Color 72-84
Humedad 2 a 35
15
Los resultados de los anaacutelisis fisicoquiacutemicos (dureza) fueron proporcionados por el aacuterea de control
de calidad estos datos se ingresaron en minitab y se hizo el anaacutelisis factorial obteniendo las
graacuteficas de interaccioacuten asiacute como tambieacuten la significancia de los efectos
El segundo disentildeo factorial se llevoacute cabo en la aglomeracioacuten de un lote de cafeacute soluble regular con
las siguientes propiedades
Color 72-85
Humedad 2-35
Densidad 190-210
La duracioacuten del lote fue de 10 horas el equipo empleo una velocidad de aire entrada de 900 rpm
con temperatura de 220degc y una velocidad de aire salida de 1765 rpm con temperatura de 135 degC
Se recibioacute ayuda por parte de los operarios para las combinaciones y cada vez que esta se
ejecutaba se tomoacute muestras de 10 grs y se llevoacute a control de calidad para los anaacutelisis de dureza y
porcentaje de aglomerado por cada corrida finalizando este experimento se registraron todos los
resultados en minitab y se hizo el anaacutelisis del disentildeo para las significancias de los factores cabe
mencionar que mediante este programa se obtuvieron las graacuteficas de interaccioacuten
35 Anaacutelisis de datos
Para determinar cualitativamente el efecto de los paraacutemetros del proceso en la aglomeracioacuten de
las partiacuteculas de cafeacute soluble se aplicoacute un anaacutelisis de varianza (ANOVA) con un nivel de
significancia α del 5 a los resultados experimentales La dureza y el porcentaje de
aglomerado se seleccionaron como paraacutemetro de respuestase utilizo el programa de stargrapics
para el anaacutelisis
36 Balance de materia energiacutea
Para el balance de materia y energiacutea primero se hicieron las conversiones de la velocidad angular
del aire de entrada y salida (rpm) a velocidad lineal (ms) empleando la foacutermula
(1rpm) (2π rad)60 x (radio) Asiacute como el caacutelculo del volumen de la caacutemara de secado (anexo 3)
El caacutelculo del caudal de aire de entrada se realizoacute empleando la foacutermula
119876 = 119881 119878
Donde
V=velocidad lineal del aire (ms)
S=aacuterea de la seccioacuten trasversal (m2)
El radio de la seccioacuten transversal para ventilador de entrada fue 0335 y la de salida de 0195
Se sacaron las eficiencias teacutermicas del equipo de la siguiente manera
16
Eficiencia teacutermica global= (11987911198792
1198792119879119900)
Eficiencia de evaporacioacuten= (1198791 1198792
1198791 119879119904119886119905)
Para determinar las temperaturas de saturacioacuten adiabaacutetica (TSAT) y (T0) se utilizoacute la carta psicomeacutetrica (Anexo 2) El balance quedo estructurada de la siguiente forma
Figura 1 Diagrama de flujo del aglomerador
Donde FS1=masa del solido seco (kg)
Ga flujo de aire (kgh)
Ws=contenido de humedad del alimento (kg agua kg solido seco)
Ta=temperatura de entrada
Ta1=temperatura de salida
Ta2=temperatura de solidos
Ga1=flujo de aire entrada
Ga2=flujo salida de aire
H1= humedad relativa del aire entrada
H2=humedad relativa del aire salida
El balance del sistema sin peacuterdidas ni acumulacioacuten quedo de la siguiente manera
FS WS1 +Ga Ha1 = FS WS2 +Ga Ha2
17
Mientras que el balance de energiacutea
FS QS1+ Ga Qa1 = FS QS2 +Ga Qa2 +QL
Donde qs1 y qs2 son las entalpiacuteas del soacutelido entrando y saliendo del secador (KJKg) qa1 y qa2 son
las entalpiacuteas del aire entrando y saliendo del secador (KJKg) qL es el calor perdido (KJ)
El balance con respecto a la humedad se determinoacute mediante la siguiente formula
GH2 LS X1 GH1 LS X2
Donde
GH2= flujo de aire
Ls = flujo de alimentacioacuten
X1= humedad de los soacutelidos iniciales
La entalpia de la salida de aire se calculoacute mediante la foacutermula
HG C2 (TG T0) H
Donde
TG= Temperatura del aire
T0= Temperatura saturacioacuten
H=Entalpia del solido seco
37 Optimizacioacuten
La optimizacioacuten del proceso se llevoacute a cabo en el control de los factores incidentes en la cual se establecieron los rangos a utilizar esto derivado de los caacutelculos de balance y lo obtenido de los efectos en el disentildeo experimental los operarios se apegaron a estas condiciones con sus respectivos rangos y lo llevaron a cabo durante 8 lotes de produccioacuten en ese lapso de tiempo se evaluoacute el comportamiento del rendimiento se registraron los datos y se graficaron
18
CAPIacuteTULO 4 RESULTADOS Y CONCLUSIONES
41 Resultados
Anaacutelisis de efectos disentildeo factorial No1
Figura 2Grafica de efectos normales para el cafeacute soluble ABCD
En la figura 2 se observa la distribucioacuten de los factores A B C para los 4 tipos de cafeacute en la cual la
temperatura de entrada tiene efecto significativo en la dureza con una significancia del 92
mientras que los demaacutes factores no presentaron efectos significativos aunque tambieacuten influyen en
una combinacioacuten para dar la caracteriacutestica fisicoquiacutemica
19
Figura 3Grafica de interaccioacuten para cafeacute
soluble A
Figura 4 Grafica de interaccioacuten para cafeacute
soluble B
Figura 5Grafica de interaccioacuten para cafeacute soluble
C
Figura 6Grafica de interaccioacuten para cafeacute
soluble D
En las figuras 3 4 5 y 6 se muestran el comportamiento de la dureza de acuerdo a los factores
manejados para los cuatro tipos de cafeacute y en cada una de ella se aprecia que los niveles menores
de la temperatura de salida con la temperatura de entrada dieron una dureza igual y por debajo
de 10 asiacute mismo en el factor de velocidad de aire tambieacuten tuvo un comportamiento con niveles
menores Cabe mencionar que ninguna de las combinaciones obtuvo una dureza optima por lo
que se determinoacute que el incremento en la temperatura de salida aumenta la dureza obteniendo
un granulo maacutes fraacutegil
20
Anaacutelisis del disentildeo factorial No2
Figura 7Grafica de efectos normales para
dureza del cafeacute regular
Figura 8Grafica de efectos principales para dureza
del cafeacute regular
En las figuras 7 y 8 se observa que el No de criba tiene efecto significativo sobre la dureza es decir
entre menor abertura tenga la criba la dureza es mucho menor los graacutenulos son maacutes resistentes
mientras que entre mayor sea la abertura los graacutenulos son maacutes fraacutegiles (dureza alta) cabe
mencionar que la mejor dureza obtenida fue con el nuacutemero de malla 33 la presioacuten de vapor de
15 y la temperatura de partiacutecula de 30deg c
Figura 9 Grafica de efectos normales para
porcentaje de aglomerado del cafeacute regular
Figura 10Grafica de interaccioacuten para porcentaje
de aglomerado del cafeacute regular
21
En las figuras 9 y 10 se observa que la temperatura del producto el nuacutemero de criba tiene efecto
significativo sobre el porcentaje de aglomerado entre mayor es el nivel el porcentaje de
aglomerado disminuye determinado que hay maacutes cantidad de polvos finos asiacute mismo si el nivel
de los factores es bajo el porcentaje incremente constantemente Por lo que el comportamiento
del graacutenulo se acopla al incremento o disminucioacuten de estas variables
Monitoreos
Figura 11Grafica de dispersioacuten de la presioacuten del sistema
Figura 12 Grafica del vaciacuteo vs porcentaje de adhesioacuten
En las figuras 11 y 12 se observa el comportamiento del vaciacuteo con las variaciones de aire de
entrada Cabe mencionar que el sistema empleo una sola salida de aire de 1765 rpm Durante los
monitoreos los productos presentaron pegajosidad con entradas de aire menores a 900 rpm
mientras tanto de 1000 a 1150 rpm los productos no presentaron pegajosidad Lo mismo sucedioacute
en el comportamiento del vaciacuteo del sistema para la cual la pegajosidad aumenta y el rendimiento
disminuye con respecto al incremento del vaciacuteo Por lo que esta variable es el factor determinante
y con ello se prueba la hipoacutetesis que la variacioacuten en la presioacuten del sistema genera un arrastre
excesivo de polvos y la humedad no se elimina lo suficiente
120011001000900800700600
08
07
06
05
04
velocidad de entrada( Rpm)
vacio
del
sis
tem
a (
inh
20
)
Graacutefica de dispersioacuten de vacio del sistema vs velocidad de entrada
0
2
4
6
8
10
12
14
0 02 04 06 08 1
D
E A
DH
ESIO
N
VACIO DEL SISTEMA IN H20
22
Figura 13 Graacutefico de humedad relativa del aire
En la figura 13 se aprecia que la humedad relativa del aire inicialmente fue de 66 que
incrementoacute durante los siguientes diacuteas pero fue disminuyendo hasta llegar al 50 Esto debido a
los cambios climaacuteticos cabe mencionar que el equipo no cuenta con un filtrador para retirar el
porcentaje de agua del aire por lo que esta ingresa directamente a la caacutemara de secado siendo
una variable maacutes influyente en la adhesioacuten de los polvos finos
Anaacutelisis de datos
Tabla 5 Anaacutelisis de varianza de dos factores con una sola muestra por grupo
RESUMEN Cuenta Suma Promedio Varianza Fila 1 3 19303 643433333 026902633
Fila 2 3 313 104333333 296443333 Fila 3 3 22318 743933333 275458633 Fila 4 3 2425 808333333 389223333 Fila 5 3 2555 851666667 207763333 Fila 6 3 2888 962666667 216763333
Columna 1 6 51025 850416667 582740417 Columna 2 6 45726 7621 21353864 Columna 3 6 5485 914166667 260997667
Origen de las variaciones
Suma de cuadrados
Grados de libertad
Promedio de los cuadrados F Probabilidad
Valor criacutetico para
F Tratamientos 316103776 5 632207552 297461023 006699316 332583453
Bloques 699763344 2 349881672 164623405 024097493 410282102
Graacutefico de humedad realtva vs lote
0 3 6 9 12 15
lote
50
54
58
62
66
70
74
hu
med
ad
realt
va
23
Error 212534586 10 212534586
Total 598614696 17
En la tabla 5 se muestra el anaacutelisis de varianza de del disentildeo por bloques completamente al azar
de las diferentes concentraciones de azuacutecar por cada tipo de producto Dado que el f de Fisher es
menor que la f tabulada indica que no hay diferencias significativas por lo que se acepta la
hipoacutetesis nula la concentracioacuten de azucares no tiene efecto significativo en la adhesioacuten del cafeacute
ya que la mayoriacutea tuvo un porcentaje de adhesioacuten alta en las tres repeticiones cabe mencionar
que el producto A sin concentracioacuten tambieacuten tuvo adhesioacuten en la suma de cuadrados por bloques
tampoco hubo diferencias significativas
Tabla 6 Anaacutelisis de Varianza para dureza - Suma de Cuadrados Tipo III
Fuente Suma de Cuadrados
Gl Cuadrado Medio
Razoacuten-F Valor-P
EFECTOS PRINCIPALES
APRESION DE VAPOR 005445 1 005445 006 08164
BTAMANtildeO DE PARTICULA 121525 1 121525 1372 00208
CTEMPERATURA DE PARTICULA 471245 1 471245 532 00823
RESIDUOS
354305 4 0885763
TOTAL (CORREGIDO) 204624 7
La tabla 6 muestra el anaacutelisis de varianza del disentildeo factorial en la cual se descompone la
variabilidad de dureza en contribuciones debidas a varios factores Puesto que se ha escogido la
suma de cuadrados Tipo III (por omisioacuten) la contribucioacuten de cada factor se mide eliminando los
efectos de los demaacutes factores Los valores-P prueban la significancia estadiacutestica de cada uno de los
factores Puesto que un valor-P es menor que 005 este factor tiene un efecto estadiacutesticamente
significativo sobre dureza con un 950 de nivel de confianza
24
Figura 14Grafico anova para dureza
En la figura 14 se muestra el grafico anova y se observa la distribucioacuten de la respuesta para los
factores en la cual todas las razones-F se basan en el cuadrado medio del error residual La
mayoriacutea presenta distribucioacuten anova con el valor p mayor a 05 sin embargo para el factor tamantildeo
de partiacutecula el valor es menor a 05 con significancia
Balance de energiacutea
En el balance de materia y energiacutea se obtuvo que la humedad en la salida aglomerado es del 73
cuando hay una entrada de aire de 1550 m3 s con 50 de humedad relativa a una temperatura
de 230degc necesita 1730 KJ kg de calor con una cantidad de aire seco de 2600 kg h para sistema
adiabaacutetico sim embargo el aglomerador no es de este tipo de sistema por lo que se evaluoacute en un
graacutefico psicomeacutetrico (anexo1) encontraacutendose
El aire se calienta a humedad constante (To -T1) Si la caacutemara estuviera aislada y toda la energiacutea
posible se utilizara el aire se enfriariacutea adiabaacuteticamente y la temperatura miacutenima a alcanzar seriacutea la
de bulbo seco de saturacioacuten (Tsat) En realidad la caacutemara no estaacute aislada y no se sigue un
enfriamiento adiabaacutetico El aire sale a una temperatura T2 (ni estaacute saturado ni el proceso es
adiabaacutetico) debido a la baja relacioacuten aire-producto Si el proceso fuera adiabaacutetico saldriacutea a T2
(proceso adiabaacutetico y masas iguales de aire y producto)
ANOVA Graacutefico para DUREZA
-25 -15 -05 05 15 25
Residuos
PRESION DE VAPOR P = 0816415 2
TAMANtildeO DE PARTICULA P = 0020833 54
TEMPERATURA DE PARTICULA P = 0082330 35
25
Optimizacioacuten
De acuerdo a los caacutelculos de balance de materia los flujos de aire de 900 pm a 1100 rpm con una
salida de 1765 rpm mantienen el calor necesario para eliminar la humedad por lo que estas
variables son las que se implementaron y controlaron para la aglomeracioacuten de los diversos
productos
Figura 15 Grafica de rendimientos con flujo de aire de 900 rpm a 1100 rpm
En la figura 15 se observa el comportamiento del rendimiento con las condiciones aire manejadas
que mantuvieron un vaciacuteo de 04 y 05 inicialmente el rendimiento no fue favorable debido a la
humedad relativa sin embargo en los siguientes lotes el rendimiento se mantuvo del 94
mejorando en los siguientes diacuteas al 97 siendo favorable con ello el porcentaje de adhesioacuten
disminuyo al 3 con estas condiciones la caracteriacutestica de porcentaje de aglomerado incremento
al rango oacuteptimo
La optimizacioacuten de las variables de temperatura de salida y tamantildeo de criba consistioacute en la
reduccioacuten de sus rangos de operacioacuten para la cual la dureza mejoroacute apegaacutendose al rango oacuteptimo
925
93
935
94
945
95
955
96
965
0 2 4 6 8 10 12 14
Ren
dim
ien
to
lote
26
42 Conclusiones
Mediante el disentildeo experimentos se encontroacute que el aumento de dos factores temperatura de
salida y el tamantildeo de partiacutecula influyen en el bajo porcentaje de aglomerado y el incremento en la
dureza por que el granulo aglomerado presenta fragilidad y una cantidad de polvos finos Asiacute
mismo con el disentildeo por bloques se determinoacute que la concentracioacuten de azuacutecares de los cafeacutes no
tiene efecto significativo tomando como muestra patroacuten un producto sin concentracioacuten que
tambieacuten presento adhesioacuten en las tres repeticiones Durante el monitoreo se observoacute que los
soacutelidos aglomerados a condiciones de bajo vaciacuteo con humedad relativa del aire baja no
presentaban ninguacuten problema de adhesioacuten mientras que los producto a condiciones de vaciacuteo alto
con humedades por encima de 60 presentaban mayor adhesioacuten en balance de materia se
observoacute que una humedad relativa alta en la salida del equipo necesita mayor calor y cantidad de
aire de entrada para ser eliminado asiacute mismo mediante las eficiencias teacutermicas se evaluoacute el
sistema en una carta psicomeacutetrica y se determinoacute que hay perdida calor en la caacutemara de secado
al no ser adiabaacutetico por lo que la optimizacioacuten del proceso solo fue parcial enfocaacutendose solo a
condiciones del aire de entrada y salida en la que el rendimiento mejoro en un promedio del 96
43 Trabajos Futuros
Derivado al balance y los caacutelculos la humedad relativa es un factor importante en la adhesioacuten del
producto es por ello que el proyecto tiene continuidad en la implementacioacuten de un desumificador
de aire para que el sistema tenga una inyeccioacuten de aire seco el aislamiento (encamisado) de la
caacutemara de secado para evitar pedidas del calor tambieacuten y la determinacioacuten de nuevas condiciones
de operacioacuten debido a los cambios en los flujos aire
44 Recomendaciones
De acuerdo al estudio realizado mediante el disentildeo factorial se determinoacute que la variacioacuten de la
entrada de aire afecta la presioacuten del sistema por lo que se recomienda manejar una sola condicioacuten
de aire para cada producto con respecto a la velocidad de salida ya que el sistema necesita
mantener el equilibrio de las corrientes de aire para que el calor sea necesario y elimine toda la
humedad posible del vapor de agua para evitar que se concentre en la base coacutenica asiacute mismo la
alimentacioacuten de los soacutelidos finos debe tener propiedades caracteriacutesticas oacuteptimas para evitar la
variacioacuten de las condiciones
27
ANEXOS Anexo 1 Equipo aglomerado
Salida de aire
Base coacutenica
Caacutemara de
secado
Lecho
fluidizado
Entrada de
aire caliente
Separador
cicloacutenico
Zona de aspersioacuten de
solidos secos y vapor
de agua
28
Anexo 2 Carta psicomeacutetrica
Fuente Spray Drying Handbook (Masters 1991)
29
Anexo 3 Caacutelculos de velocidad lineal caudales de aire y volumen del equipo
1765 rpm (2πrads)(042)=7763 ms
600 rpm (2πrads)(030) =2638 ms
700 rpm (2πrads)(030)=3078 ms
800 rpm (2πrads)(030) =3518 ms
900 rpm (2πrads)(030) =3965 ms
1000 rpm (2πrads)(030) =4348 ms
1150 rpm (2πrads)(030)=5057ms
Caudal para las diferentes velocidades lineales
1) Q=VS
Q=2638 ms (π 00335m) 2
Q=930 m3s
2) Q=VS
Q=3078ms (π 00335m) 2
Q=1085m3s
3) Q=VS
Q=3518 ms (π 00335m) 2
Q=1240 m3s
4) Q=VS
Q=4348 ms (π 00335m) 2
Q=1550 m3s
5) Q=VS
Q=5057ms (π 00335m) 2
Q=2002 m3s
6) Q=VS
Q=7763 ms (π 0195 m) 2
Q=3708 m3s
30
Velocidad angular de aire (rpm) Caudal (m3s)
600 rpm 93
700 1085
800 1240
1000 1550
1150 2002
1765 3708
Caudales de aire de entrada y salida
Volumen de la caacutemara de secado
V= ℎ1205871199032
v=97 π (21m)
v=140844 m3
V= ℎ1205871199032
v= (09m) (π 21m)
v=2420 m3
Volumen de la base coacutenica
119907 =π r2 h
3
119907 =π (291) lowast 59
3
V=52313 m3
Volumen total del equipo =21734 m3
582 m
59m
582 m
09 m
43m
97 m
31
Anexo 3Caacutelculos de balance de materia y energiacutea
Se determina la velocidad de flujo de aire y la humedad de salida del aglomerador suponiendo
que no hay peacuterdidas de calor en el secador el balance inicia con la alimentacioacuten de 300 kg de
soacutelidos secoh que contienen 0035 kg de humedad totalkg de soacutelido seco hasta un valor de 0002
kg de humedad totalkg de soacutelido seco El polvo fino a granular entra a 35 ordmC y se desea
descargarlo a 32 ordmC El soacutelido seco tiene una capacidad caloriacutefica de 1465 kJkgK que se supone
constante El aire de calentamiento entra a 230 ordmC y con humedad de 0060 kg H2Okg de aire
seco y debe salir a 130
Balance de materia con respecto a la humedad
GH2 LS X1 GH1 LS X2
Reemplazando valores
(060) + 300 (0035)= GH1+ 300 (0002)
El balance de calor para el secador es
GHG2 LS HS1 GHG1 LS HS2 Q
Se calcula la entalpiacutea del aire de entrada HG1
Aglomerador
G1=
TG1=230
H2=
LS=300 KGSh
TS1=35
X1=0035
G2=
TG2=130
H2=060
Ts 2=378
X2=0002
Q
32
HG1=CS 1005188H 1005188(060)
HG1 CS (TG1 T0 ) H
HG1= CS 230 - 0 + 0060(2501) 17306 KJ Kg aire seco
Se calcula la entalpiacutea del aire de salida HG2
C21005188H 1005188 H1
HG1 CS (TG2 T0 ) H
HG1= (1005 + 188 H1 )130 - 0 + H1 (2501)
HG1=130 + 27454 H1
Se calcula las entalpiacuteas de los soacutelidos
HS1 CP S (TS1 T0) X1 CP A ( TS1 T0)
HS1 1465(35 0) 0035 (4187)(35 0) 5713 kJ kg
HS2 CP S (TS2 T0) X2 CP A ( T2 T0)
HS2 1465 (32 ndash 0 ) + 0002(4187)(32 0)=4714 KJ Kg
Reemplazando en el balance de energiacutea
G (17306)+ 300(5713) = G (130 + 27454 H1)+ 300(4714) + 0
G=2600 Kg aire seco por hora
Resolviendo conjuntamente con el balance de materia
G (060) + 300 (0035)= GH1+ 300 (0002)
2600(060) + 105 = 2600 H1 +06
H1=2600(060) +105 + 060 2600
H1=07427 Kg agua kg aire seco
33
Anexo 4Calculo de eficiencias teacutermicas
Datos
T = 230
Ts =147
T0= 30
T sat=45
Eficiencia teacutermica global
Ntermica global= 1198791minus1198792
1198792minus1198790 X 100
Ntermica global = 230minus147
230minus30 100 =415
Eficiencia de evaporacioacuten
Nevaporacion=1198791minus1198792
1198791minus119879119904119886119905
Nevaporacion = 230minus147
230minus45 100 =4486
34
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Equipment
5
75 con el objetivo de probar los posibles efectos de los paraacutemetros que no resultaran
significativos a un nivel del 95 El resultado obtenido a un nivel de significancia del 90
determinoacute que el tiempo de atomizacioacuten asiacute como la temperatura del aire resultaron
significativos es decir afectan en el crecimiento del aglomerado Asiacute mismo se determinoacute que a
un nivel de significancia del 75 los paraacutemetros tiempo de atomizacioacuten temperatura carga de
soacutelidos asiacute como la interaccioacuten entre la temperatura y carga de soacutelidos afectan el crecimiento del
aglomerado El anaacutelisis realizado a estos niveles de significancia (75 y 90) se evaluaron para
futuros trabajos relacionados con la aglomeracioacuten de soacutelidos de Tamarindo
(Dacanal amp Menegalli 2008) Implementaron un disentildeo factorial fraccional 24-1 en un aglomerador
con geometriacutea coacutenica el cual contaba con un cicloacuten para limpiar el aire de los finos arrastrados
con el objetivo de evidenciar la significancia de ciertos paraacutemetros operacionales que influyen en
el proceso de crecimiento de aglomerados de soacutelidos de acerola (Cerezo de las Antillas) La
poblacioacuten inicial de los soacutelidos contaba con un diaacutemetro promedio inicial de 954 micrones El
agente aglomerante empleado fue agua Los paraacutemetros bajo estudio fueron temperatura del aire
fluidizante (75-90degC) velocidad del aire fluidizante (025-045 ms-1 ) flujo de aire de atomizacioacuten
(050-070 lh-1 ) y altura de la boquilla con respecto al lecho (050-070 m) El anaacutelisis estadiacutestico
(realizado con un nivel de significancia del 95) evidencioacute la influencia de solo la velocidad del aire
sobre el crecimiento del aglomerado Sin embargo los autores expresan que la temperatura del
aire debe afectar el crecimiento del aglomerado pero los niveles ensayados no fueron los
adecuados Cabe resaltar que la altura de la boquilla y flujo de aire en la boquilla no resultaron
significativos es decir no influyeron en el crecimiento del aglomerado
6
12 Planteamiento del Problema
En Cafeacute Tostado de Exportacioacuten durante el proceso de aglomeracioacuten de cafeacute soluble para la
obtencioacuten de granulado efectuado en un secador por aspersioacuten con lecho fluido integrado se
presenta la pegajosidad de los polvos finos a las paredes de la base coacutenica del equipo y conforme
transcurre el tiempo la cantidad adherida se compacta formando capas gruesas llegando al punto
en que el mismo calor en el interior lo derrite y cae en forma de masas elaacutesticas o masas solidas de
gran volumen obstruyendo el paso de los graacutenulos por lo que la produccioacuten se detiene generando
contratiempos al quitar todo el cafeacute compactado Esta anomaliacutea afecta la eficiencia del proceso y
disminuye el rendimiento
La problemaacutetica se da en la produccioacuten de diversos tipos de cafeacute granulado desde mezclados
descafeinados y puros asiacute como en los diversos paraacutemetros de operacioacuten y aunque se han
implementado vibradores de alto rendimiento en la base coacutenica del equipo el problema sigue
teniendo impacto
13 Objetivos General
Optimizar el proceso de aglomeracioacuten de polvos finos de cafeacute soluble para la mejora del
rendimiento
Especiacuteficos
Evaluar el efecto de las variables de operacioacuten sobre el comportamiento de los
aglomerados asiacute como las caracteriacutesticas finales deseadas
Determinar mediante corridas experimentales las variables con mayor incidencia en la
pegajosidad del producto
Optimizar los paraacutemetros operacionales mediante el balance de materia y energiacutea
13 Definicioacuten de variables
Las variables que se manejaran en este proyecto se mencionan a continuacioacuten
Condiciones operativas del sistema temperatura de aire de entrada y salida presioacuten de
vapor flujo de aire de entrada y salida
Propiedades de los soacutelidos iniciales tamantildeo de partiacutecula humedad temperatura y
densidad
Humedad relativa del aire
Presioacuten del sistema y trasferencia de calor
7
15 Hipoacutetesis
1 Los aglomerados pierden cohesioacuten durante el secado debido a que hay un enlace de
partiacuteculas deacutebiles las cuales se separan generando una cantidad de polvos finos que son
arrastradas por la corriente de aire de forma turbulenta hasta la parte inferior dando
lugar a la adhesioacuten y compactacioacuten
2 La variacioacuten de la presioacuten del sistema (vaciacuteo) presenta anomaliacuteas en la distribucioacuten de
aire trayendo consigo alto acarreo de polvos finos por lo que presenta depoacutesitos a las
paredes de la caacutemara de secado
3 La continua variacioacuten de las condiciones de operacioacuten afecta en la formacioacuten y crecimiento
de las partiacuteculas dando lugar al arrastre excesivo de polvos como del medio aglomerante
reflejando en el escaso o nulo crecimiento de la partiacutecula y por ende adhesioacuten a las
paredes
4 La concentracioacuten de azucares tiene efecto significativo en la pegajosidad
16 Justificacioacuten del Proyecto
Hoy en diacutea el control de los procesos de aglomeracioacuten bajo su contexto de granulacioacuten huacutemeda es
muy complejo al llevar a cabo diferentes mecanismos dentro de sistemas que manejan
transferencia de calor transferencia de masa mecaacutenica de fluidos y termodinaacutemica por
consiguiente dependen de las variables de operacioacuten la naturaleza de los soacutelidos y del liacutequido
ligante
El presente proyecto se realiza en una empresa de cafeacute soluble donde se lleva cabo el proceso de
aglomeracioacuten en la cual presenta problemas de pegajosidad de partiacuteculas finas a las paredes del
equipo y el rendimiento se ve afectado El proyecto es seguimiento de un estudio anterior en la
que se analizaron y estudiaron varios tipos de cafeacutes encontraacutendose que los mezclados
presentaban maacutes adhesioacuten que los puros por consiguiente se determinaron las condiciones
oacuteptimas de operacioacuten de acuerdo las especificaciones finales mediante el uso de graficas de
control sin embargo eso no detuvo la problemaacutetica ya que hasta la fecha sigue presenciaacutendose
Siendo necesario estudios maacutes a fondo basado en teacutecnicas experimentales o de modelos
matemaacuteticos para entender la interaccioacuten de una variable sobre el comportamiento
La finalidad de este proyecto es la optimizacioacuten de los paraacutemetros operacionales de las variables
del proceso que inciden en la anomaliacutea Para ello se emplearan herramientas estadiacutesticas (disentildeo
de experimentos) para la evaluacioacuten y determinacioacuten de los efectos de las variables de entrada
(factores) sobre una variable de salida (respuesta) y el balance de materia-energiacutea para el control y
la optimizacioacuten
8
17 Limitaciones y Alcances
Limitaciones
Se respetaran los lineamientos de la empresa por lo que los nombres de los productos a
estudiar seraacuten restringidos y su uso seraacute mediante letras o nuacutemeros
El tiempo de estudio comprenderaacute 3 meses por lo que simplemente se abarcaran los
tipos de cafeacute que se produzcan en ese lapso
Debido a que el proceso es continuo los operarios son los uacutenicos que tienen el control de
las condiciones del equipo por consiguiente se tomaran solo los paraacutemetros empleados
para cada tipo de producto y estas son las que se manejaran en el disentildeo experimental
Alcances
Determinacioacuten de los factores influyentes en la pegajosidad del cafeacute y optimizacioacuten de los
mismos
Control de los paraacutemetros operacionales
Implementacioacuten de acciones de mejora continuacutea para el sistema
18 La Empresa
Cafeacute Tostado de Exportacioacuten tiene su inicio el 13 de Mayo de 1972 en la Ciudad de Tuxtla
Gutieacuterrez Chiapas Es una empresa que pertenece al grupo SANROKE que actualmente se
encuentra ubicada en la ciudad de Coacuterdoba Veracruz Comenzoacute produciendo cafeacute tostado y
molido posteriormente inicia en el proceso de cafeacute soluble logrando obtener otros subproductos
del cafeacute soluble como el aglomerado lechero y capuchino Fue una de las primeras empresas en
su ramo en estar certificada por la norma ISO 90012008 Actualmente cuenta con certificaciones
de labor social medio ambiente calidad orgaacutenicas e inocuidad lo que refleja su cumplimiento de
los estaacutendares internacionales
Es una compantildeiacutea liacuteder por su firme compromiso con la calidad y la satisfaccioacuten del cliente
Sumando hasta el diacutea de hoy deacutecadas de experiencia y dedicacioacuten en la industria del cafeacute El
aumento del consumo de esta bebida en el mundo ha sido paralelo a su desarrollo econoacutemico
representando una gran oportunidad para encontrar nuevos socios y expandir sus actividades
demostrando al resto del mundo coacutemo la disciplina y el trabajo duro conducen al eacutexito
Misioacuten
Elaboracioacuten de productos de la maacutes alta calidad a traveacutes de la seleccioacuten de materia prima superior
y los maacutes altos estaacutendares de manufactura satisfaciendo el gusto de los consumidores generando
beneficios para los accionistas colaboradores clientes proveedores y comunidad en general
9
Visioacuten
Convertirse en liacutederes del mercado nacional y ampliar su presencia en el mercado extranjero con
productos de calidad insuperable con el mejor sabor que proporcione deleite y satisfaccioacuten a
quien los consuma
En cafeacute tostado de exportacioacuten para obtener cafeacute soluble granulado se llevan cabo varias
operaciones unitarias
Tostado se exponen los granos de cafeacute a un calentamiento en el cual provoca inicialmente
una liberacioacuten de agua ligada hasta alcanzar el calor deseado mantenieacutendolo en continuo
movimiento para asegurar un tostado completo del grano cuando finaliza el tostado el
cafeacute es enfriado y almacenado
Molienda y Extraccioacuten para la reduccioacuten del tamantildeo el cafeacute tostado requiere un corte
mediante una accioacuten de compresioacuten y friccioacuten para provocar partiacuteculas de tamantildeo y
forma adecuados Una vez molido se hace la extraccioacuten de solidos solubles aplicando agua
caliente para generar una infusioacuten que obtenga todo el sabor y aroma presente en los
granos
Centrifugacioacuten y evaporacioacuten mediante una maacutequina de fuerza centriacutefuga se elimina la
mayor parte de los residuos que quedan de la extraccioacuten Posteriormente el extracto
liacutequido obtenido entra en la evaporacioacuten donde se elimina la mayor parte de agua y el
producto queda concentrado
Secado el liacutequido es secado mediante un secador por aspersioacuten en una corriente de aire
caliente donde las gotitas finamente al contacto con el calor evaporan el agua
convirtieacutendose en polvo esfeacuterico instantaacuteneo
Aglomeracioacuten es la operacioacuten designada para la formacioacuten de partiacuteculas de mayor
tamantildeo operando sobre la base de re-humidificacioacuten de la superficie del polvo de cafeacute con
vapor de agua en una atmoacutesfera turbulenta de aire caliente de manera que al colisionar
las partiacuteculas entre siacute los finos se adhieren a los gruesos formaacutendose los aglomerados
La variedad de presentaciones y la calidad de sus producto han permitido permanecer en el gusto
del puacuteblico contando con sus tradicionales cafeacutes tostados y molidos los praacutecticos cafeacutes solubles
aglomerados y ahora liofilizado caacutepsulas de cafeacute expreso teacute de cafeacute verde y crema untable
Caferetas Actualmente es liacuteder en el mercado internacional del cafeacute instantaacuteneo liacuteder local y
regional de cafeacute soluble granulado bajo el nombre de cafeacute ldquoLos Portales de Coacuterdoba ldquo
10
CAPIacuteTULO 2 METODOLOGIacuteA
21 Eleccioacuten de los factores y los niveles
Los factores seraacuten las condiciones de operacioacuten del equipo aglomerador de las cuales se
seleccionaran solo las que tengan maacutes impacto en la formacioacuten del granulo y posible influyente en
el problema los niveles estaraacuten definidos como altos y bajos
22 Seleccioacuten de la variable de respuesta
La variable de respuesta estaacute definido como las caracteriacutesticas fisicoquiacutemicas del producto final color densidad humedad dureza y porcentaje de aglomerado pero solo se seleccionaraacuten dos de ellas Tambieacuten se contemplara como respuesta el porcentaje de adhesioacuten
23 Eleccioacuten del disentildeo experimental
La eleccioacuten del disentildeo implicara la consideracioacuten del tamantildeo de la muestra (nuacutemero de reacuteplicas)
El intereacutes se centrara en identificar queacute factores causan esta diferencia y en estimar la magnitud
del cambio de la respuesta Por lo que pueden utilizarse uno o maacutes disentildeos experimentales de
acuerdo a las variables manejadas las cuales pueden ser factorial por bloques completamente al
azar y superficie de respuesta
24 Realizacioacuten del disentildeo de experimentos
Una vez seleccionado el o los disentildeos se ejecutaran para obtener los valores de las respuestas para
la cuales se contara con el apoyo de aacuterea de control de calidad quien proporcionara esta
informacioacuten asiacute como tambieacuten la ayuda de los operarios quienes son los expertos en manejar las
condiciones del equipo Los datos obtenidos se ingresaran a un programa estadiacutestico para
determinar los efectos y obtener las graacuteficas
25 Monitoreo de los flujos de aire humedad relativa y presioacuten del sistema
Se haraacute un monitoreo en los flujos de aire humedad relativa y presioacuten del sistema en lapso de
tiempo adecuado para evaluar el comportamiento de estas variables los datos se registraran en
Excel para la elaboracioacuten de graacuteficas
26 Anaacutelisis de datos
En esta fase se utilizaran programas estadiacutesticos para analizar y comparar los datos a fin de
determinar que los resultados y las conclusiones sean objetivos Se aplicara un anaacutelisis de varianza
11
(anova) la cual puede ser de un solo factor o multifactorial con niveles de significancia
dependiendo del tipo de disentildeo y con ello se haraacute la prueba de hipoacutetesis
27 Anaacutelisis de los efectos de los paraacutemetros operacionales
El anaacutelisis de los efectos de los paraacutemetros operacionales (factores) sobre la variable de
respuesta se efectuara mediante las graacuteficas de interaccioacuten y las graacuteficas de efectos normales que
se obtendraacuten en el software estadiacutestico con la finalidad de determinar coacutemo afecta cada factor
en el comportamiento de una propiedad caracteriacutestica del granulo
28 Aplicacioacuten del balance de materia y energiacutea
Para realizar este caacutelculo primero se haraacuten las conversiones de flujo de aire de velocidad angular a
velocidad lineal para posteriormente calcular el caudal del aire que pasa por los conductos asiacute
mismo se calculara el volumen de la caacutemara de secado y la base conicaEl uso de la carta
psicomeacutetrica seraacute de gran importancia para determinar la humedad absoluta del aire las
eficiencias teacutermicas y la temperatura de saturacioacuten adiabaacutetica Para la entalpia del aire se
utilizaran foacutermulas adecuadas de termodinaacutemica Las formulas del balance de materia y energiacutea
que se utilizara seraacute las establecidas para secadores por aspersioacuten Una vez reunido los valores se
sustituiraacuten para obtener los correspondientes la variable que se necesita encontrar es la cantidad
de humedad relativa y el calor en la salida de la caacutemara de secado
29 Optimizacioacuten del proceso
La optimizacioacuten del proceso se efectuaraacute de acuerdo a los resultados de los monitoreos del flujo
de aire humedad relativa los efectos obtenidos en el disentildeo de experimentos y sobre todo los
caacutelculos de balance de materia ndashenergiacutea
12
CAPIacuteTULO 3 DESARROLLO DEL PROYECTO
31 Equipo experimental
El equipo experimental utilizado fue un secador por aspersioacuten con lecho fluido integrado (Anexo1)
que consta de una caacutemara de secado proyectado sobre una base coacutenica mediante la cual una
corriente de aire caliente es suministrado por un ventilador de entrada creando una atmosfera
turbulenta donde los polvos finos entran en contacto con vapor de agua y mediante el secado se
forman los aglomerados este equipo maneja varias condiciones de operacioacuten que le dan las
caracteriacutesticas al producto Las herramientas estadiacutesticas empleados fueron Excel para el anaacutelisis
de varianza y prueba de hipoacutetesis del disentildeo por bloques al azar minitab para el anaacutelisis de los
efectos de los factores sobre la variable de respuesta y stargrapics para el anaacutelisis de varianza del
segundo disentildeo experimental
32 Monitoreos
Se hizo un monitoreo en los flujos de aire de entrada flujo de salida el vaciacuteo del sistema y la
humedad relativa del aire en un lapso de 5 horas diarias por 10 lotes de produccioacuten evaluando
tambieacuten la adhesioacuten en cada uno de ellos se registraron los datos en Excel mediante estos datos
se elaboroacute una graacutefica de dispersioacuten para ver el comportamiento de estas variables
33 Disentildeo de experimentos
Se utilizoacute un disentildeo de bloques completamente al azar en la cual los tratamientos fueron la
concentracioacuten de azucares con respuesta de porcentaje de adhesioacuten Cabe mencionar que cada
tratamiento indica un tipo de producto por su concentracioacuten
Tabla 1 Tratamientos del disentildeo por bloques al azar
TRATAMIENTO CONCENTRACION
A 0
B 5
C 10
D 15
F 17
Se formularon dos hipoacutetesis
H0=La concentracioacuten de azucares no tiene efecto en la pegajosidad de los polvos finos si F es
menor o igual a la F tabulada
13
H1=La concentracioacuten de azucares tiene efecto significativo si F de Fisher es mayor que la F
tabulada
Se utilizoacute un disentildeo factorial 23 para determinar el efecto de tres condiciones de operacioacuten
(factores) las cuales fueron velocidad de aire temperatura de entrada y temperatura de salida con
dos niveles teniendo como respuestas la dureza del granulo para 5 tipos de cafeacute soluble
Tabla 2 Factores y niveles del Disentildeo factorial 23
TIPOS FACTORES NIVEL BAJO NIVEL ALTO RESPUESTAS
Cafeacute soluble
ABCDF
Temperatura de entrada
217 227 220 212
235 231 236 228
Dureza
Temperatura de salida
133 139 137 134
135 142 138 135
Velocidad de aire
800 849 690 975
1000 850 950 1050
Tambieacuten se empleoacute un disentildeo factorial de 23 para determinar los efectos de tres factores No
Criba del molino de martillos con nivel de 33-55 la presioacuten de vapor con nivel de 15-20 y la
temperatura de producto nivel de 30-35 las respuestas que se eligieron para este disentildeo fue la
dureza del granulo y el porcentaje de aglomerado este experimento se inicioacute empleado la
herramienta estadista minitab en la cual se ingresaron estos factores con sus niveles arrojando 8
corridas por las combinaciones
Tabla 3 Corridas experimentales del disentildeo 23
Factores
corridas Presioacuten de
vapor
NoCriba Temperatura de
partiacutecula
1 15 33 30
2 2 33 30
3 15 54 30
4 2 54 30
5 15 33 35
6 2 33 35
7 15 54 35
8 2 54 35
14
34 Realizacioacuten del disentildeo de experimentos
Para la ejecucioacuten del disentildeo de experimentos se siguioacute con el programa de produccioacuten iniciando
con el disentildeo por bloque completamente al azar la cual se llevoacute en la aglomeracioacuten de 5 tipos de
cafeacute con diferentes concentraciones mencionadas anteriormente desde el arranque del equipo en
la cual los soacutelidos finos iniciales que se cargaron fueron un cafeacute A sin concentracioacuten
posteriormente se cambioacute a los siguientes tipos (BCDF) las condiciones operativas del equipo
estuvieron de la siguiente manera temperaturas de entrada de 190 a 230 temperatura de salida
de 100-140 y velocidad de aire de 600 a 1000 rpm Cada vez que se haciacutea un cambio de producto
se sacoacute la cantidad de solidos finos adheridos de la siguiente manera
(Cantidad alimentada x 98 de rendimiento fijo)- (Cantidad producida)
Mediante esta foacutermula se obtuvo el porcentaje de cada tipo de cafeacute retenido en la base coacutenica
Cantidad adherida x 100
Cantidad alimentada
Los datos quedaron registrados en la tabla 4 donde cada repeticioacuten indica un lote de produccioacuten
diferente
Tabla 4Disentildeo de bloques completamente al azar
REPETICIONES
TRATAMIENTOS I II III
A 625 6033 702
B 1071 859 12
C 7015 6033 927
D 583 95 892
F 992 704 859
G 113 853 905
El primer disentildeo factorial se llevoacute a cabo en la aglomeracioacuten de 4 tipos de cafeacute soluble en la cual
se monitoreo la interaccioacuten de cada factor de acuerdo a los niveles establecidos sobre la respuesta
y se registraron los resultados Las partiacuteculas finas teniacutean las siguientes propiedades iniciales
Densidad 180-210 grcm3
Color 72-84
Humedad 2 a 35
15
Los resultados de los anaacutelisis fisicoquiacutemicos (dureza) fueron proporcionados por el aacuterea de control
de calidad estos datos se ingresaron en minitab y se hizo el anaacutelisis factorial obteniendo las
graacuteficas de interaccioacuten asiacute como tambieacuten la significancia de los efectos
El segundo disentildeo factorial se llevoacute cabo en la aglomeracioacuten de un lote de cafeacute soluble regular con
las siguientes propiedades
Color 72-85
Humedad 2-35
Densidad 190-210
La duracioacuten del lote fue de 10 horas el equipo empleo una velocidad de aire entrada de 900 rpm
con temperatura de 220degc y una velocidad de aire salida de 1765 rpm con temperatura de 135 degC
Se recibioacute ayuda por parte de los operarios para las combinaciones y cada vez que esta se
ejecutaba se tomoacute muestras de 10 grs y se llevoacute a control de calidad para los anaacutelisis de dureza y
porcentaje de aglomerado por cada corrida finalizando este experimento se registraron todos los
resultados en minitab y se hizo el anaacutelisis del disentildeo para las significancias de los factores cabe
mencionar que mediante este programa se obtuvieron las graacuteficas de interaccioacuten
35 Anaacutelisis de datos
Para determinar cualitativamente el efecto de los paraacutemetros del proceso en la aglomeracioacuten de
las partiacuteculas de cafeacute soluble se aplicoacute un anaacutelisis de varianza (ANOVA) con un nivel de
significancia α del 5 a los resultados experimentales La dureza y el porcentaje de
aglomerado se seleccionaron como paraacutemetro de respuestase utilizo el programa de stargrapics
para el anaacutelisis
36 Balance de materia energiacutea
Para el balance de materia y energiacutea primero se hicieron las conversiones de la velocidad angular
del aire de entrada y salida (rpm) a velocidad lineal (ms) empleando la foacutermula
(1rpm) (2π rad)60 x (radio) Asiacute como el caacutelculo del volumen de la caacutemara de secado (anexo 3)
El caacutelculo del caudal de aire de entrada se realizoacute empleando la foacutermula
119876 = 119881 119878
Donde
V=velocidad lineal del aire (ms)
S=aacuterea de la seccioacuten trasversal (m2)
El radio de la seccioacuten transversal para ventilador de entrada fue 0335 y la de salida de 0195
Se sacaron las eficiencias teacutermicas del equipo de la siguiente manera
16
Eficiencia teacutermica global= (11987911198792
1198792119879119900)
Eficiencia de evaporacioacuten= (1198791 1198792
1198791 119879119904119886119905)
Para determinar las temperaturas de saturacioacuten adiabaacutetica (TSAT) y (T0) se utilizoacute la carta psicomeacutetrica (Anexo 2) El balance quedo estructurada de la siguiente forma
Figura 1 Diagrama de flujo del aglomerador
Donde FS1=masa del solido seco (kg)
Ga flujo de aire (kgh)
Ws=contenido de humedad del alimento (kg agua kg solido seco)
Ta=temperatura de entrada
Ta1=temperatura de salida
Ta2=temperatura de solidos
Ga1=flujo de aire entrada
Ga2=flujo salida de aire
H1= humedad relativa del aire entrada
H2=humedad relativa del aire salida
El balance del sistema sin peacuterdidas ni acumulacioacuten quedo de la siguiente manera
FS WS1 +Ga Ha1 = FS WS2 +Ga Ha2
17
Mientras que el balance de energiacutea
FS QS1+ Ga Qa1 = FS QS2 +Ga Qa2 +QL
Donde qs1 y qs2 son las entalpiacuteas del soacutelido entrando y saliendo del secador (KJKg) qa1 y qa2 son
las entalpiacuteas del aire entrando y saliendo del secador (KJKg) qL es el calor perdido (KJ)
El balance con respecto a la humedad se determinoacute mediante la siguiente formula
GH2 LS X1 GH1 LS X2
Donde
GH2= flujo de aire
Ls = flujo de alimentacioacuten
X1= humedad de los soacutelidos iniciales
La entalpia de la salida de aire se calculoacute mediante la foacutermula
HG C2 (TG T0) H
Donde
TG= Temperatura del aire
T0= Temperatura saturacioacuten
H=Entalpia del solido seco
37 Optimizacioacuten
La optimizacioacuten del proceso se llevoacute a cabo en el control de los factores incidentes en la cual se establecieron los rangos a utilizar esto derivado de los caacutelculos de balance y lo obtenido de los efectos en el disentildeo experimental los operarios se apegaron a estas condiciones con sus respectivos rangos y lo llevaron a cabo durante 8 lotes de produccioacuten en ese lapso de tiempo se evaluoacute el comportamiento del rendimiento se registraron los datos y se graficaron
18
CAPIacuteTULO 4 RESULTADOS Y CONCLUSIONES
41 Resultados
Anaacutelisis de efectos disentildeo factorial No1
Figura 2Grafica de efectos normales para el cafeacute soluble ABCD
En la figura 2 se observa la distribucioacuten de los factores A B C para los 4 tipos de cafeacute en la cual la
temperatura de entrada tiene efecto significativo en la dureza con una significancia del 92
mientras que los demaacutes factores no presentaron efectos significativos aunque tambieacuten influyen en
una combinacioacuten para dar la caracteriacutestica fisicoquiacutemica
19
Figura 3Grafica de interaccioacuten para cafeacute
soluble A
Figura 4 Grafica de interaccioacuten para cafeacute
soluble B
Figura 5Grafica de interaccioacuten para cafeacute soluble
C
Figura 6Grafica de interaccioacuten para cafeacute
soluble D
En las figuras 3 4 5 y 6 se muestran el comportamiento de la dureza de acuerdo a los factores
manejados para los cuatro tipos de cafeacute y en cada una de ella se aprecia que los niveles menores
de la temperatura de salida con la temperatura de entrada dieron una dureza igual y por debajo
de 10 asiacute mismo en el factor de velocidad de aire tambieacuten tuvo un comportamiento con niveles
menores Cabe mencionar que ninguna de las combinaciones obtuvo una dureza optima por lo
que se determinoacute que el incremento en la temperatura de salida aumenta la dureza obteniendo
un granulo maacutes fraacutegil
20
Anaacutelisis del disentildeo factorial No2
Figura 7Grafica de efectos normales para
dureza del cafeacute regular
Figura 8Grafica de efectos principales para dureza
del cafeacute regular
En las figuras 7 y 8 se observa que el No de criba tiene efecto significativo sobre la dureza es decir
entre menor abertura tenga la criba la dureza es mucho menor los graacutenulos son maacutes resistentes
mientras que entre mayor sea la abertura los graacutenulos son maacutes fraacutegiles (dureza alta) cabe
mencionar que la mejor dureza obtenida fue con el nuacutemero de malla 33 la presioacuten de vapor de
15 y la temperatura de partiacutecula de 30deg c
Figura 9 Grafica de efectos normales para
porcentaje de aglomerado del cafeacute regular
Figura 10Grafica de interaccioacuten para porcentaje
de aglomerado del cafeacute regular
21
En las figuras 9 y 10 se observa que la temperatura del producto el nuacutemero de criba tiene efecto
significativo sobre el porcentaje de aglomerado entre mayor es el nivel el porcentaje de
aglomerado disminuye determinado que hay maacutes cantidad de polvos finos asiacute mismo si el nivel
de los factores es bajo el porcentaje incremente constantemente Por lo que el comportamiento
del graacutenulo se acopla al incremento o disminucioacuten de estas variables
Monitoreos
Figura 11Grafica de dispersioacuten de la presioacuten del sistema
Figura 12 Grafica del vaciacuteo vs porcentaje de adhesioacuten
En las figuras 11 y 12 se observa el comportamiento del vaciacuteo con las variaciones de aire de
entrada Cabe mencionar que el sistema empleo una sola salida de aire de 1765 rpm Durante los
monitoreos los productos presentaron pegajosidad con entradas de aire menores a 900 rpm
mientras tanto de 1000 a 1150 rpm los productos no presentaron pegajosidad Lo mismo sucedioacute
en el comportamiento del vaciacuteo del sistema para la cual la pegajosidad aumenta y el rendimiento
disminuye con respecto al incremento del vaciacuteo Por lo que esta variable es el factor determinante
y con ello se prueba la hipoacutetesis que la variacioacuten en la presioacuten del sistema genera un arrastre
excesivo de polvos y la humedad no se elimina lo suficiente
120011001000900800700600
08
07
06
05
04
velocidad de entrada( Rpm)
vacio
del
sis
tem
a (
inh
20
)
Graacutefica de dispersioacuten de vacio del sistema vs velocidad de entrada
0
2
4
6
8
10
12
14
0 02 04 06 08 1
D
E A
DH
ESIO
N
VACIO DEL SISTEMA IN H20
22
Figura 13 Graacutefico de humedad relativa del aire
En la figura 13 se aprecia que la humedad relativa del aire inicialmente fue de 66 que
incrementoacute durante los siguientes diacuteas pero fue disminuyendo hasta llegar al 50 Esto debido a
los cambios climaacuteticos cabe mencionar que el equipo no cuenta con un filtrador para retirar el
porcentaje de agua del aire por lo que esta ingresa directamente a la caacutemara de secado siendo
una variable maacutes influyente en la adhesioacuten de los polvos finos
Anaacutelisis de datos
Tabla 5 Anaacutelisis de varianza de dos factores con una sola muestra por grupo
RESUMEN Cuenta Suma Promedio Varianza Fila 1 3 19303 643433333 026902633
Fila 2 3 313 104333333 296443333 Fila 3 3 22318 743933333 275458633 Fila 4 3 2425 808333333 389223333 Fila 5 3 2555 851666667 207763333 Fila 6 3 2888 962666667 216763333
Columna 1 6 51025 850416667 582740417 Columna 2 6 45726 7621 21353864 Columna 3 6 5485 914166667 260997667
Origen de las variaciones
Suma de cuadrados
Grados de libertad
Promedio de los cuadrados F Probabilidad
Valor criacutetico para
F Tratamientos 316103776 5 632207552 297461023 006699316 332583453
Bloques 699763344 2 349881672 164623405 024097493 410282102
Graacutefico de humedad realtva vs lote
0 3 6 9 12 15
lote
50
54
58
62
66
70
74
hu
med
ad
realt
va
23
Error 212534586 10 212534586
Total 598614696 17
En la tabla 5 se muestra el anaacutelisis de varianza de del disentildeo por bloques completamente al azar
de las diferentes concentraciones de azuacutecar por cada tipo de producto Dado que el f de Fisher es
menor que la f tabulada indica que no hay diferencias significativas por lo que se acepta la
hipoacutetesis nula la concentracioacuten de azucares no tiene efecto significativo en la adhesioacuten del cafeacute
ya que la mayoriacutea tuvo un porcentaje de adhesioacuten alta en las tres repeticiones cabe mencionar
que el producto A sin concentracioacuten tambieacuten tuvo adhesioacuten en la suma de cuadrados por bloques
tampoco hubo diferencias significativas
Tabla 6 Anaacutelisis de Varianza para dureza - Suma de Cuadrados Tipo III
Fuente Suma de Cuadrados
Gl Cuadrado Medio
Razoacuten-F Valor-P
EFECTOS PRINCIPALES
APRESION DE VAPOR 005445 1 005445 006 08164
BTAMANtildeO DE PARTICULA 121525 1 121525 1372 00208
CTEMPERATURA DE PARTICULA 471245 1 471245 532 00823
RESIDUOS
354305 4 0885763
TOTAL (CORREGIDO) 204624 7
La tabla 6 muestra el anaacutelisis de varianza del disentildeo factorial en la cual se descompone la
variabilidad de dureza en contribuciones debidas a varios factores Puesto que se ha escogido la
suma de cuadrados Tipo III (por omisioacuten) la contribucioacuten de cada factor se mide eliminando los
efectos de los demaacutes factores Los valores-P prueban la significancia estadiacutestica de cada uno de los
factores Puesto que un valor-P es menor que 005 este factor tiene un efecto estadiacutesticamente
significativo sobre dureza con un 950 de nivel de confianza
24
Figura 14Grafico anova para dureza
En la figura 14 se muestra el grafico anova y se observa la distribucioacuten de la respuesta para los
factores en la cual todas las razones-F se basan en el cuadrado medio del error residual La
mayoriacutea presenta distribucioacuten anova con el valor p mayor a 05 sin embargo para el factor tamantildeo
de partiacutecula el valor es menor a 05 con significancia
Balance de energiacutea
En el balance de materia y energiacutea se obtuvo que la humedad en la salida aglomerado es del 73
cuando hay una entrada de aire de 1550 m3 s con 50 de humedad relativa a una temperatura
de 230degc necesita 1730 KJ kg de calor con una cantidad de aire seco de 2600 kg h para sistema
adiabaacutetico sim embargo el aglomerador no es de este tipo de sistema por lo que se evaluoacute en un
graacutefico psicomeacutetrico (anexo1) encontraacutendose
El aire se calienta a humedad constante (To -T1) Si la caacutemara estuviera aislada y toda la energiacutea
posible se utilizara el aire se enfriariacutea adiabaacuteticamente y la temperatura miacutenima a alcanzar seriacutea la
de bulbo seco de saturacioacuten (Tsat) En realidad la caacutemara no estaacute aislada y no se sigue un
enfriamiento adiabaacutetico El aire sale a una temperatura T2 (ni estaacute saturado ni el proceso es
adiabaacutetico) debido a la baja relacioacuten aire-producto Si el proceso fuera adiabaacutetico saldriacutea a T2
(proceso adiabaacutetico y masas iguales de aire y producto)
ANOVA Graacutefico para DUREZA
-25 -15 -05 05 15 25
Residuos
PRESION DE VAPOR P = 0816415 2
TAMANtildeO DE PARTICULA P = 0020833 54
TEMPERATURA DE PARTICULA P = 0082330 35
25
Optimizacioacuten
De acuerdo a los caacutelculos de balance de materia los flujos de aire de 900 pm a 1100 rpm con una
salida de 1765 rpm mantienen el calor necesario para eliminar la humedad por lo que estas
variables son las que se implementaron y controlaron para la aglomeracioacuten de los diversos
productos
Figura 15 Grafica de rendimientos con flujo de aire de 900 rpm a 1100 rpm
En la figura 15 se observa el comportamiento del rendimiento con las condiciones aire manejadas
que mantuvieron un vaciacuteo de 04 y 05 inicialmente el rendimiento no fue favorable debido a la
humedad relativa sin embargo en los siguientes lotes el rendimiento se mantuvo del 94
mejorando en los siguientes diacuteas al 97 siendo favorable con ello el porcentaje de adhesioacuten
disminuyo al 3 con estas condiciones la caracteriacutestica de porcentaje de aglomerado incremento
al rango oacuteptimo
La optimizacioacuten de las variables de temperatura de salida y tamantildeo de criba consistioacute en la
reduccioacuten de sus rangos de operacioacuten para la cual la dureza mejoroacute apegaacutendose al rango oacuteptimo
925
93
935
94
945
95
955
96
965
0 2 4 6 8 10 12 14
Ren
dim
ien
to
lote
26
42 Conclusiones
Mediante el disentildeo experimentos se encontroacute que el aumento de dos factores temperatura de
salida y el tamantildeo de partiacutecula influyen en el bajo porcentaje de aglomerado y el incremento en la
dureza por que el granulo aglomerado presenta fragilidad y una cantidad de polvos finos Asiacute
mismo con el disentildeo por bloques se determinoacute que la concentracioacuten de azuacutecares de los cafeacutes no
tiene efecto significativo tomando como muestra patroacuten un producto sin concentracioacuten que
tambieacuten presento adhesioacuten en las tres repeticiones Durante el monitoreo se observoacute que los
soacutelidos aglomerados a condiciones de bajo vaciacuteo con humedad relativa del aire baja no
presentaban ninguacuten problema de adhesioacuten mientras que los producto a condiciones de vaciacuteo alto
con humedades por encima de 60 presentaban mayor adhesioacuten en balance de materia se
observoacute que una humedad relativa alta en la salida del equipo necesita mayor calor y cantidad de
aire de entrada para ser eliminado asiacute mismo mediante las eficiencias teacutermicas se evaluoacute el
sistema en una carta psicomeacutetrica y se determinoacute que hay perdida calor en la caacutemara de secado
al no ser adiabaacutetico por lo que la optimizacioacuten del proceso solo fue parcial enfocaacutendose solo a
condiciones del aire de entrada y salida en la que el rendimiento mejoro en un promedio del 96
43 Trabajos Futuros
Derivado al balance y los caacutelculos la humedad relativa es un factor importante en la adhesioacuten del
producto es por ello que el proyecto tiene continuidad en la implementacioacuten de un desumificador
de aire para que el sistema tenga una inyeccioacuten de aire seco el aislamiento (encamisado) de la
caacutemara de secado para evitar pedidas del calor tambieacuten y la determinacioacuten de nuevas condiciones
de operacioacuten debido a los cambios en los flujos aire
44 Recomendaciones
De acuerdo al estudio realizado mediante el disentildeo factorial se determinoacute que la variacioacuten de la
entrada de aire afecta la presioacuten del sistema por lo que se recomienda manejar una sola condicioacuten
de aire para cada producto con respecto a la velocidad de salida ya que el sistema necesita
mantener el equilibrio de las corrientes de aire para que el calor sea necesario y elimine toda la
humedad posible del vapor de agua para evitar que se concentre en la base coacutenica asiacute mismo la
alimentacioacuten de los soacutelidos finos debe tener propiedades caracteriacutesticas oacuteptimas para evitar la
variacioacuten de las condiciones
27
ANEXOS Anexo 1 Equipo aglomerado
Salida de aire
Base coacutenica
Caacutemara de
secado
Lecho
fluidizado
Entrada de
aire caliente
Separador
cicloacutenico
Zona de aspersioacuten de
solidos secos y vapor
de agua
28
Anexo 2 Carta psicomeacutetrica
Fuente Spray Drying Handbook (Masters 1991)
29
Anexo 3 Caacutelculos de velocidad lineal caudales de aire y volumen del equipo
1765 rpm (2πrads)(042)=7763 ms
600 rpm (2πrads)(030) =2638 ms
700 rpm (2πrads)(030)=3078 ms
800 rpm (2πrads)(030) =3518 ms
900 rpm (2πrads)(030) =3965 ms
1000 rpm (2πrads)(030) =4348 ms
1150 rpm (2πrads)(030)=5057ms
Caudal para las diferentes velocidades lineales
1) Q=VS
Q=2638 ms (π 00335m) 2
Q=930 m3s
2) Q=VS
Q=3078ms (π 00335m) 2
Q=1085m3s
3) Q=VS
Q=3518 ms (π 00335m) 2
Q=1240 m3s
4) Q=VS
Q=4348 ms (π 00335m) 2
Q=1550 m3s
5) Q=VS
Q=5057ms (π 00335m) 2
Q=2002 m3s
6) Q=VS
Q=7763 ms (π 0195 m) 2
Q=3708 m3s
30
Velocidad angular de aire (rpm) Caudal (m3s)
600 rpm 93
700 1085
800 1240
1000 1550
1150 2002
1765 3708
Caudales de aire de entrada y salida
Volumen de la caacutemara de secado
V= ℎ1205871199032
v=97 π (21m)
v=140844 m3
V= ℎ1205871199032
v= (09m) (π 21m)
v=2420 m3
Volumen de la base coacutenica
119907 =π r2 h
3
119907 =π (291) lowast 59
3
V=52313 m3
Volumen total del equipo =21734 m3
582 m
59m
582 m
09 m
43m
97 m
31
Anexo 3Caacutelculos de balance de materia y energiacutea
Se determina la velocidad de flujo de aire y la humedad de salida del aglomerador suponiendo
que no hay peacuterdidas de calor en el secador el balance inicia con la alimentacioacuten de 300 kg de
soacutelidos secoh que contienen 0035 kg de humedad totalkg de soacutelido seco hasta un valor de 0002
kg de humedad totalkg de soacutelido seco El polvo fino a granular entra a 35 ordmC y se desea
descargarlo a 32 ordmC El soacutelido seco tiene una capacidad caloriacutefica de 1465 kJkgK que se supone
constante El aire de calentamiento entra a 230 ordmC y con humedad de 0060 kg H2Okg de aire
seco y debe salir a 130
Balance de materia con respecto a la humedad
GH2 LS X1 GH1 LS X2
Reemplazando valores
(060) + 300 (0035)= GH1+ 300 (0002)
El balance de calor para el secador es
GHG2 LS HS1 GHG1 LS HS2 Q
Se calcula la entalpiacutea del aire de entrada HG1
Aglomerador
G1=
TG1=230
H2=
LS=300 KGSh
TS1=35
X1=0035
G2=
TG2=130
H2=060
Ts 2=378
X2=0002
Q
32
HG1=CS 1005188H 1005188(060)
HG1 CS (TG1 T0 ) H
HG1= CS 230 - 0 + 0060(2501) 17306 KJ Kg aire seco
Se calcula la entalpiacutea del aire de salida HG2
C21005188H 1005188 H1
HG1 CS (TG2 T0 ) H
HG1= (1005 + 188 H1 )130 - 0 + H1 (2501)
HG1=130 + 27454 H1
Se calcula las entalpiacuteas de los soacutelidos
HS1 CP S (TS1 T0) X1 CP A ( TS1 T0)
HS1 1465(35 0) 0035 (4187)(35 0) 5713 kJ kg
HS2 CP S (TS2 T0) X2 CP A ( T2 T0)
HS2 1465 (32 ndash 0 ) + 0002(4187)(32 0)=4714 KJ Kg
Reemplazando en el balance de energiacutea
G (17306)+ 300(5713) = G (130 + 27454 H1)+ 300(4714) + 0
G=2600 Kg aire seco por hora
Resolviendo conjuntamente con el balance de materia
G (060) + 300 (0035)= GH1+ 300 (0002)
2600(060) + 105 = 2600 H1 +06
H1=2600(060) +105 + 060 2600
H1=07427 Kg agua kg aire seco
33
Anexo 4Calculo de eficiencias teacutermicas
Datos
T = 230
Ts =147
T0= 30
T sat=45
Eficiencia teacutermica global
Ntermica global= 1198791minus1198792
1198792minus1198790 X 100
Ntermica global = 230minus147
230minus30 100 =415
Eficiencia de evaporacioacuten
Nevaporacion=1198791minus1198792
1198791minus119879119904119886119905
Nevaporacion = 230minus147
230minus45 100 =4486
34
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6
12 Planteamiento del Problema
En Cafeacute Tostado de Exportacioacuten durante el proceso de aglomeracioacuten de cafeacute soluble para la
obtencioacuten de granulado efectuado en un secador por aspersioacuten con lecho fluido integrado se
presenta la pegajosidad de los polvos finos a las paredes de la base coacutenica del equipo y conforme
transcurre el tiempo la cantidad adherida se compacta formando capas gruesas llegando al punto
en que el mismo calor en el interior lo derrite y cae en forma de masas elaacutesticas o masas solidas de
gran volumen obstruyendo el paso de los graacutenulos por lo que la produccioacuten se detiene generando
contratiempos al quitar todo el cafeacute compactado Esta anomaliacutea afecta la eficiencia del proceso y
disminuye el rendimiento
La problemaacutetica se da en la produccioacuten de diversos tipos de cafeacute granulado desde mezclados
descafeinados y puros asiacute como en los diversos paraacutemetros de operacioacuten y aunque se han
implementado vibradores de alto rendimiento en la base coacutenica del equipo el problema sigue
teniendo impacto
13 Objetivos General
Optimizar el proceso de aglomeracioacuten de polvos finos de cafeacute soluble para la mejora del
rendimiento
Especiacuteficos
Evaluar el efecto de las variables de operacioacuten sobre el comportamiento de los
aglomerados asiacute como las caracteriacutesticas finales deseadas
Determinar mediante corridas experimentales las variables con mayor incidencia en la
pegajosidad del producto
Optimizar los paraacutemetros operacionales mediante el balance de materia y energiacutea
13 Definicioacuten de variables
Las variables que se manejaran en este proyecto se mencionan a continuacioacuten
Condiciones operativas del sistema temperatura de aire de entrada y salida presioacuten de
vapor flujo de aire de entrada y salida
Propiedades de los soacutelidos iniciales tamantildeo de partiacutecula humedad temperatura y
densidad
Humedad relativa del aire
Presioacuten del sistema y trasferencia de calor
7
15 Hipoacutetesis
1 Los aglomerados pierden cohesioacuten durante el secado debido a que hay un enlace de
partiacuteculas deacutebiles las cuales se separan generando una cantidad de polvos finos que son
arrastradas por la corriente de aire de forma turbulenta hasta la parte inferior dando
lugar a la adhesioacuten y compactacioacuten
2 La variacioacuten de la presioacuten del sistema (vaciacuteo) presenta anomaliacuteas en la distribucioacuten de
aire trayendo consigo alto acarreo de polvos finos por lo que presenta depoacutesitos a las
paredes de la caacutemara de secado
3 La continua variacioacuten de las condiciones de operacioacuten afecta en la formacioacuten y crecimiento
de las partiacuteculas dando lugar al arrastre excesivo de polvos como del medio aglomerante
reflejando en el escaso o nulo crecimiento de la partiacutecula y por ende adhesioacuten a las
paredes
4 La concentracioacuten de azucares tiene efecto significativo en la pegajosidad
16 Justificacioacuten del Proyecto
Hoy en diacutea el control de los procesos de aglomeracioacuten bajo su contexto de granulacioacuten huacutemeda es
muy complejo al llevar a cabo diferentes mecanismos dentro de sistemas que manejan
transferencia de calor transferencia de masa mecaacutenica de fluidos y termodinaacutemica por
consiguiente dependen de las variables de operacioacuten la naturaleza de los soacutelidos y del liacutequido
ligante
El presente proyecto se realiza en una empresa de cafeacute soluble donde se lleva cabo el proceso de
aglomeracioacuten en la cual presenta problemas de pegajosidad de partiacuteculas finas a las paredes del
equipo y el rendimiento se ve afectado El proyecto es seguimiento de un estudio anterior en la
que se analizaron y estudiaron varios tipos de cafeacutes encontraacutendose que los mezclados
presentaban maacutes adhesioacuten que los puros por consiguiente se determinaron las condiciones
oacuteptimas de operacioacuten de acuerdo las especificaciones finales mediante el uso de graficas de
control sin embargo eso no detuvo la problemaacutetica ya que hasta la fecha sigue presenciaacutendose
Siendo necesario estudios maacutes a fondo basado en teacutecnicas experimentales o de modelos
matemaacuteticos para entender la interaccioacuten de una variable sobre el comportamiento
La finalidad de este proyecto es la optimizacioacuten de los paraacutemetros operacionales de las variables
del proceso que inciden en la anomaliacutea Para ello se emplearan herramientas estadiacutesticas (disentildeo
de experimentos) para la evaluacioacuten y determinacioacuten de los efectos de las variables de entrada
(factores) sobre una variable de salida (respuesta) y el balance de materia-energiacutea para el control y
la optimizacioacuten
8
17 Limitaciones y Alcances
Limitaciones
Se respetaran los lineamientos de la empresa por lo que los nombres de los productos a
estudiar seraacuten restringidos y su uso seraacute mediante letras o nuacutemeros
El tiempo de estudio comprenderaacute 3 meses por lo que simplemente se abarcaran los
tipos de cafeacute que se produzcan en ese lapso
Debido a que el proceso es continuo los operarios son los uacutenicos que tienen el control de
las condiciones del equipo por consiguiente se tomaran solo los paraacutemetros empleados
para cada tipo de producto y estas son las que se manejaran en el disentildeo experimental
Alcances
Determinacioacuten de los factores influyentes en la pegajosidad del cafeacute y optimizacioacuten de los
mismos
Control de los paraacutemetros operacionales
Implementacioacuten de acciones de mejora continuacutea para el sistema
18 La Empresa
Cafeacute Tostado de Exportacioacuten tiene su inicio el 13 de Mayo de 1972 en la Ciudad de Tuxtla
Gutieacuterrez Chiapas Es una empresa que pertenece al grupo SANROKE que actualmente se
encuentra ubicada en la ciudad de Coacuterdoba Veracruz Comenzoacute produciendo cafeacute tostado y
molido posteriormente inicia en el proceso de cafeacute soluble logrando obtener otros subproductos
del cafeacute soluble como el aglomerado lechero y capuchino Fue una de las primeras empresas en
su ramo en estar certificada por la norma ISO 90012008 Actualmente cuenta con certificaciones
de labor social medio ambiente calidad orgaacutenicas e inocuidad lo que refleja su cumplimiento de
los estaacutendares internacionales
Es una compantildeiacutea liacuteder por su firme compromiso con la calidad y la satisfaccioacuten del cliente
Sumando hasta el diacutea de hoy deacutecadas de experiencia y dedicacioacuten en la industria del cafeacute El
aumento del consumo de esta bebida en el mundo ha sido paralelo a su desarrollo econoacutemico
representando una gran oportunidad para encontrar nuevos socios y expandir sus actividades
demostrando al resto del mundo coacutemo la disciplina y el trabajo duro conducen al eacutexito
Misioacuten
Elaboracioacuten de productos de la maacutes alta calidad a traveacutes de la seleccioacuten de materia prima superior
y los maacutes altos estaacutendares de manufactura satisfaciendo el gusto de los consumidores generando
beneficios para los accionistas colaboradores clientes proveedores y comunidad en general
9
Visioacuten
Convertirse en liacutederes del mercado nacional y ampliar su presencia en el mercado extranjero con
productos de calidad insuperable con el mejor sabor que proporcione deleite y satisfaccioacuten a
quien los consuma
En cafeacute tostado de exportacioacuten para obtener cafeacute soluble granulado se llevan cabo varias
operaciones unitarias
Tostado se exponen los granos de cafeacute a un calentamiento en el cual provoca inicialmente
una liberacioacuten de agua ligada hasta alcanzar el calor deseado mantenieacutendolo en continuo
movimiento para asegurar un tostado completo del grano cuando finaliza el tostado el
cafeacute es enfriado y almacenado
Molienda y Extraccioacuten para la reduccioacuten del tamantildeo el cafeacute tostado requiere un corte
mediante una accioacuten de compresioacuten y friccioacuten para provocar partiacuteculas de tamantildeo y
forma adecuados Una vez molido se hace la extraccioacuten de solidos solubles aplicando agua
caliente para generar una infusioacuten que obtenga todo el sabor y aroma presente en los
granos
Centrifugacioacuten y evaporacioacuten mediante una maacutequina de fuerza centriacutefuga se elimina la
mayor parte de los residuos que quedan de la extraccioacuten Posteriormente el extracto
liacutequido obtenido entra en la evaporacioacuten donde se elimina la mayor parte de agua y el
producto queda concentrado
Secado el liacutequido es secado mediante un secador por aspersioacuten en una corriente de aire
caliente donde las gotitas finamente al contacto con el calor evaporan el agua
convirtieacutendose en polvo esfeacuterico instantaacuteneo
Aglomeracioacuten es la operacioacuten designada para la formacioacuten de partiacuteculas de mayor
tamantildeo operando sobre la base de re-humidificacioacuten de la superficie del polvo de cafeacute con
vapor de agua en una atmoacutesfera turbulenta de aire caliente de manera que al colisionar
las partiacuteculas entre siacute los finos se adhieren a los gruesos formaacutendose los aglomerados
La variedad de presentaciones y la calidad de sus producto han permitido permanecer en el gusto
del puacuteblico contando con sus tradicionales cafeacutes tostados y molidos los praacutecticos cafeacutes solubles
aglomerados y ahora liofilizado caacutepsulas de cafeacute expreso teacute de cafeacute verde y crema untable
Caferetas Actualmente es liacuteder en el mercado internacional del cafeacute instantaacuteneo liacuteder local y
regional de cafeacute soluble granulado bajo el nombre de cafeacute ldquoLos Portales de Coacuterdoba ldquo
10
CAPIacuteTULO 2 METODOLOGIacuteA
21 Eleccioacuten de los factores y los niveles
Los factores seraacuten las condiciones de operacioacuten del equipo aglomerador de las cuales se
seleccionaran solo las que tengan maacutes impacto en la formacioacuten del granulo y posible influyente en
el problema los niveles estaraacuten definidos como altos y bajos
22 Seleccioacuten de la variable de respuesta
La variable de respuesta estaacute definido como las caracteriacutesticas fisicoquiacutemicas del producto final color densidad humedad dureza y porcentaje de aglomerado pero solo se seleccionaraacuten dos de ellas Tambieacuten se contemplara como respuesta el porcentaje de adhesioacuten
23 Eleccioacuten del disentildeo experimental
La eleccioacuten del disentildeo implicara la consideracioacuten del tamantildeo de la muestra (nuacutemero de reacuteplicas)
El intereacutes se centrara en identificar queacute factores causan esta diferencia y en estimar la magnitud
del cambio de la respuesta Por lo que pueden utilizarse uno o maacutes disentildeos experimentales de
acuerdo a las variables manejadas las cuales pueden ser factorial por bloques completamente al
azar y superficie de respuesta
24 Realizacioacuten del disentildeo de experimentos
Una vez seleccionado el o los disentildeos se ejecutaran para obtener los valores de las respuestas para
la cuales se contara con el apoyo de aacuterea de control de calidad quien proporcionara esta
informacioacuten asiacute como tambieacuten la ayuda de los operarios quienes son los expertos en manejar las
condiciones del equipo Los datos obtenidos se ingresaran a un programa estadiacutestico para
determinar los efectos y obtener las graacuteficas
25 Monitoreo de los flujos de aire humedad relativa y presioacuten del sistema
Se haraacute un monitoreo en los flujos de aire humedad relativa y presioacuten del sistema en lapso de
tiempo adecuado para evaluar el comportamiento de estas variables los datos se registraran en
Excel para la elaboracioacuten de graacuteficas
26 Anaacutelisis de datos
En esta fase se utilizaran programas estadiacutesticos para analizar y comparar los datos a fin de
determinar que los resultados y las conclusiones sean objetivos Se aplicara un anaacutelisis de varianza
11
(anova) la cual puede ser de un solo factor o multifactorial con niveles de significancia
dependiendo del tipo de disentildeo y con ello se haraacute la prueba de hipoacutetesis
27 Anaacutelisis de los efectos de los paraacutemetros operacionales
El anaacutelisis de los efectos de los paraacutemetros operacionales (factores) sobre la variable de
respuesta se efectuara mediante las graacuteficas de interaccioacuten y las graacuteficas de efectos normales que
se obtendraacuten en el software estadiacutestico con la finalidad de determinar coacutemo afecta cada factor
en el comportamiento de una propiedad caracteriacutestica del granulo
28 Aplicacioacuten del balance de materia y energiacutea
Para realizar este caacutelculo primero se haraacuten las conversiones de flujo de aire de velocidad angular a
velocidad lineal para posteriormente calcular el caudal del aire que pasa por los conductos asiacute
mismo se calculara el volumen de la caacutemara de secado y la base conicaEl uso de la carta
psicomeacutetrica seraacute de gran importancia para determinar la humedad absoluta del aire las
eficiencias teacutermicas y la temperatura de saturacioacuten adiabaacutetica Para la entalpia del aire se
utilizaran foacutermulas adecuadas de termodinaacutemica Las formulas del balance de materia y energiacutea
que se utilizara seraacute las establecidas para secadores por aspersioacuten Una vez reunido los valores se
sustituiraacuten para obtener los correspondientes la variable que se necesita encontrar es la cantidad
de humedad relativa y el calor en la salida de la caacutemara de secado
29 Optimizacioacuten del proceso
La optimizacioacuten del proceso se efectuaraacute de acuerdo a los resultados de los monitoreos del flujo
de aire humedad relativa los efectos obtenidos en el disentildeo de experimentos y sobre todo los
caacutelculos de balance de materia ndashenergiacutea
12
CAPIacuteTULO 3 DESARROLLO DEL PROYECTO
31 Equipo experimental
El equipo experimental utilizado fue un secador por aspersioacuten con lecho fluido integrado (Anexo1)
que consta de una caacutemara de secado proyectado sobre una base coacutenica mediante la cual una
corriente de aire caliente es suministrado por un ventilador de entrada creando una atmosfera
turbulenta donde los polvos finos entran en contacto con vapor de agua y mediante el secado se
forman los aglomerados este equipo maneja varias condiciones de operacioacuten que le dan las
caracteriacutesticas al producto Las herramientas estadiacutesticas empleados fueron Excel para el anaacutelisis
de varianza y prueba de hipoacutetesis del disentildeo por bloques al azar minitab para el anaacutelisis de los
efectos de los factores sobre la variable de respuesta y stargrapics para el anaacutelisis de varianza del
segundo disentildeo experimental
32 Monitoreos
Se hizo un monitoreo en los flujos de aire de entrada flujo de salida el vaciacuteo del sistema y la
humedad relativa del aire en un lapso de 5 horas diarias por 10 lotes de produccioacuten evaluando
tambieacuten la adhesioacuten en cada uno de ellos se registraron los datos en Excel mediante estos datos
se elaboroacute una graacutefica de dispersioacuten para ver el comportamiento de estas variables
33 Disentildeo de experimentos
Se utilizoacute un disentildeo de bloques completamente al azar en la cual los tratamientos fueron la
concentracioacuten de azucares con respuesta de porcentaje de adhesioacuten Cabe mencionar que cada
tratamiento indica un tipo de producto por su concentracioacuten
Tabla 1 Tratamientos del disentildeo por bloques al azar
TRATAMIENTO CONCENTRACION
A 0
B 5
C 10
D 15
F 17
Se formularon dos hipoacutetesis
H0=La concentracioacuten de azucares no tiene efecto en la pegajosidad de los polvos finos si F es
menor o igual a la F tabulada
13
H1=La concentracioacuten de azucares tiene efecto significativo si F de Fisher es mayor que la F
tabulada
Se utilizoacute un disentildeo factorial 23 para determinar el efecto de tres condiciones de operacioacuten
(factores) las cuales fueron velocidad de aire temperatura de entrada y temperatura de salida con
dos niveles teniendo como respuestas la dureza del granulo para 5 tipos de cafeacute soluble
Tabla 2 Factores y niveles del Disentildeo factorial 23
TIPOS FACTORES NIVEL BAJO NIVEL ALTO RESPUESTAS
Cafeacute soluble
ABCDF
Temperatura de entrada
217 227 220 212
235 231 236 228
Dureza
Temperatura de salida
133 139 137 134
135 142 138 135
Velocidad de aire
800 849 690 975
1000 850 950 1050
Tambieacuten se empleoacute un disentildeo factorial de 23 para determinar los efectos de tres factores No
Criba del molino de martillos con nivel de 33-55 la presioacuten de vapor con nivel de 15-20 y la
temperatura de producto nivel de 30-35 las respuestas que se eligieron para este disentildeo fue la
dureza del granulo y el porcentaje de aglomerado este experimento se inicioacute empleado la
herramienta estadista minitab en la cual se ingresaron estos factores con sus niveles arrojando 8
corridas por las combinaciones
Tabla 3 Corridas experimentales del disentildeo 23
Factores
corridas Presioacuten de
vapor
NoCriba Temperatura de
partiacutecula
1 15 33 30
2 2 33 30
3 15 54 30
4 2 54 30
5 15 33 35
6 2 33 35
7 15 54 35
8 2 54 35
14
34 Realizacioacuten del disentildeo de experimentos
Para la ejecucioacuten del disentildeo de experimentos se siguioacute con el programa de produccioacuten iniciando
con el disentildeo por bloque completamente al azar la cual se llevoacute en la aglomeracioacuten de 5 tipos de
cafeacute con diferentes concentraciones mencionadas anteriormente desde el arranque del equipo en
la cual los soacutelidos finos iniciales que se cargaron fueron un cafeacute A sin concentracioacuten
posteriormente se cambioacute a los siguientes tipos (BCDF) las condiciones operativas del equipo
estuvieron de la siguiente manera temperaturas de entrada de 190 a 230 temperatura de salida
de 100-140 y velocidad de aire de 600 a 1000 rpm Cada vez que se haciacutea un cambio de producto
se sacoacute la cantidad de solidos finos adheridos de la siguiente manera
(Cantidad alimentada x 98 de rendimiento fijo)- (Cantidad producida)
Mediante esta foacutermula se obtuvo el porcentaje de cada tipo de cafeacute retenido en la base coacutenica
Cantidad adherida x 100
Cantidad alimentada
Los datos quedaron registrados en la tabla 4 donde cada repeticioacuten indica un lote de produccioacuten
diferente
Tabla 4Disentildeo de bloques completamente al azar
REPETICIONES
TRATAMIENTOS I II III
A 625 6033 702
B 1071 859 12
C 7015 6033 927
D 583 95 892
F 992 704 859
G 113 853 905
El primer disentildeo factorial se llevoacute a cabo en la aglomeracioacuten de 4 tipos de cafeacute soluble en la cual
se monitoreo la interaccioacuten de cada factor de acuerdo a los niveles establecidos sobre la respuesta
y se registraron los resultados Las partiacuteculas finas teniacutean las siguientes propiedades iniciales
Densidad 180-210 grcm3
Color 72-84
Humedad 2 a 35
15
Los resultados de los anaacutelisis fisicoquiacutemicos (dureza) fueron proporcionados por el aacuterea de control
de calidad estos datos se ingresaron en minitab y se hizo el anaacutelisis factorial obteniendo las
graacuteficas de interaccioacuten asiacute como tambieacuten la significancia de los efectos
El segundo disentildeo factorial se llevoacute cabo en la aglomeracioacuten de un lote de cafeacute soluble regular con
las siguientes propiedades
Color 72-85
Humedad 2-35
Densidad 190-210
La duracioacuten del lote fue de 10 horas el equipo empleo una velocidad de aire entrada de 900 rpm
con temperatura de 220degc y una velocidad de aire salida de 1765 rpm con temperatura de 135 degC
Se recibioacute ayuda por parte de los operarios para las combinaciones y cada vez que esta se
ejecutaba se tomoacute muestras de 10 grs y se llevoacute a control de calidad para los anaacutelisis de dureza y
porcentaje de aglomerado por cada corrida finalizando este experimento se registraron todos los
resultados en minitab y se hizo el anaacutelisis del disentildeo para las significancias de los factores cabe
mencionar que mediante este programa se obtuvieron las graacuteficas de interaccioacuten
35 Anaacutelisis de datos
Para determinar cualitativamente el efecto de los paraacutemetros del proceso en la aglomeracioacuten de
las partiacuteculas de cafeacute soluble se aplicoacute un anaacutelisis de varianza (ANOVA) con un nivel de
significancia α del 5 a los resultados experimentales La dureza y el porcentaje de
aglomerado se seleccionaron como paraacutemetro de respuestase utilizo el programa de stargrapics
para el anaacutelisis
36 Balance de materia energiacutea
Para el balance de materia y energiacutea primero se hicieron las conversiones de la velocidad angular
del aire de entrada y salida (rpm) a velocidad lineal (ms) empleando la foacutermula
(1rpm) (2π rad)60 x (radio) Asiacute como el caacutelculo del volumen de la caacutemara de secado (anexo 3)
El caacutelculo del caudal de aire de entrada se realizoacute empleando la foacutermula
119876 = 119881 119878
Donde
V=velocidad lineal del aire (ms)
S=aacuterea de la seccioacuten trasversal (m2)
El radio de la seccioacuten transversal para ventilador de entrada fue 0335 y la de salida de 0195
Se sacaron las eficiencias teacutermicas del equipo de la siguiente manera
16
Eficiencia teacutermica global= (11987911198792
1198792119879119900)
Eficiencia de evaporacioacuten= (1198791 1198792
1198791 119879119904119886119905)
Para determinar las temperaturas de saturacioacuten adiabaacutetica (TSAT) y (T0) se utilizoacute la carta psicomeacutetrica (Anexo 2) El balance quedo estructurada de la siguiente forma
Figura 1 Diagrama de flujo del aglomerador
Donde FS1=masa del solido seco (kg)
Ga flujo de aire (kgh)
Ws=contenido de humedad del alimento (kg agua kg solido seco)
Ta=temperatura de entrada
Ta1=temperatura de salida
Ta2=temperatura de solidos
Ga1=flujo de aire entrada
Ga2=flujo salida de aire
H1= humedad relativa del aire entrada
H2=humedad relativa del aire salida
El balance del sistema sin peacuterdidas ni acumulacioacuten quedo de la siguiente manera
FS WS1 +Ga Ha1 = FS WS2 +Ga Ha2
17
Mientras que el balance de energiacutea
FS QS1+ Ga Qa1 = FS QS2 +Ga Qa2 +QL
Donde qs1 y qs2 son las entalpiacuteas del soacutelido entrando y saliendo del secador (KJKg) qa1 y qa2 son
las entalpiacuteas del aire entrando y saliendo del secador (KJKg) qL es el calor perdido (KJ)
El balance con respecto a la humedad se determinoacute mediante la siguiente formula
GH2 LS X1 GH1 LS X2
Donde
GH2= flujo de aire
Ls = flujo de alimentacioacuten
X1= humedad de los soacutelidos iniciales
La entalpia de la salida de aire se calculoacute mediante la foacutermula
HG C2 (TG T0) H
Donde
TG= Temperatura del aire
T0= Temperatura saturacioacuten
H=Entalpia del solido seco
37 Optimizacioacuten
La optimizacioacuten del proceso se llevoacute a cabo en el control de los factores incidentes en la cual se establecieron los rangos a utilizar esto derivado de los caacutelculos de balance y lo obtenido de los efectos en el disentildeo experimental los operarios se apegaron a estas condiciones con sus respectivos rangos y lo llevaron a cabo durante 8 lotes de produccioacuten en ese lapso de tiempo se evaluoacute el comportamiento del rendimiento se registraron los datos y se graficaron
18
CAPIacuteTULO 4 RESULTADOS Y CONCLUSIONES
41 Resultados
Anaacutelisis de efectos disentildeo factorial No1
Figura 2Grafica de efectos normales para el cafeacute soluble ABCD
En la figura 2 se observa la distribucioacuten de los factores A B C para los 4 tipos de cafeacute en la cual la
temperatura de entrada tiene efecto significativo en la dureza con una significancia del 92
mientras que los demaacutes factores no presentaron efectos significativos aunque tambieacuten influyen en
una combinacioacuten para dar la caracteriacutestica fisicoquiacutemica
19
Figura 3Grafica de interaccioacuten para cafeacute
soluble A
Figura 4 Grafica de interaccioacuten para cafeacute
soluble B
Figura 5Grafica de interaccioacuten para cafeacute soluble
C
Figura 6Grafica de interaccioacuten para cafeacute
soluble D
En las figuras 3 4 5 y 6 se muestran el comportamiento de la dureza de acuerdo a los factores
manejados para los cuatro tipos de cafeacute y en cada una de ella se aprecia que los niveles menores
de la temperatura de salida con la temperatura de entrada dieron una dureza igual y por debajo
de 10 asiacute mismo en el factor de velocidad de aire tambieacuten tuvo un comportamiento con niveles
menores Cabe mencionar que ninguna de las combinaciones obtuvo una dureza optima por lo
que se determinoacute que el incremento en la temperatura de salida aumenta la dureza obteniendo
un granulo maacutes fraacutegil
20
Anaacutelisis del disentildeo factorial No2
Figura 7Grafica de efectos normales para
dureza del cafeacute regular
Figura 8Grafica de efectos principales para dureza
del cafeacute regular
En las figuras 7 y 8 se observa que el No de criba tiene efecto significativo sobre la dureza es decir
entre menor abertura tenga la criba la dureza es mucho menor los graacutenulos son maacutes resistentes
mientras que entre mayor sea la abertura los graacutenulos son maacutes fraacutegiles (dureza alta) cabe
mencionar que la mejor dureza obtenida fue con el nuacutemero de malla 33 la presioacuten de vapor de
15 y la temperatura de partiacutecula de 30deg c
Figura 9 Grafica de efectos normales para
porcentaje de aglomerado del cafeacute regular
Figura 10Grafica de interaccioacuten para porcentaje
de aglomerado del cafeacute regular
21
En las figuras 9 y 10 se observa que la temperatura del producto el nuacutemero de criba tiene efecto
significativo sobre el porcentaje de aglomerado entre mayor es el nivel el porcentaje de
aglomerado disminuye determinado que hay maacutes cantidad de polvos finos asiacute mismo si el nivel
de los factores es bajo el porcentaje incremente constantemente Por lo que el comportamiento
del graacutenulo se acopla al incremento o disminucioacuten de estas variables
Monitoreos
Figura 11Grafica de dispersioacuten de la presioacuten del sistema
Figura 12 Grafica del vaciacuteo vs porcentaje de adhesioacuten
En las figuras 11 y 12 se observa el comportamiento del vaciacuteo con las variaciones de aire de
entrada Cabe mencionar que el sistema empleo una sola salida de aire de 1765 rpm Durante los
monitoreos los productos presentaron pegajosidad con entradas de aire menores a 900 rpm
mientras tanto de 1000 a 1150 rpm los productos no presentaron pegajosidad Lo mismo sucedioacute
en el comportamiento del vaciacuteo del sistema para la cual la pegajosidad aumenta y el rendimiento
disminuye con respecto al incremento del vaciacuteo Por lo que esta variable es el factor determinante
y con ello se prueba la hipoacutetesis que la variacioacuten en la presioacuten del sistema genera un arrastre
excesivo de polvos y la humedad no se elimina lo suficiente
120011001000900800700600
08
07
06
05
04
velocidad de entrada( Rpm)
vacio
del
sis
tem
a (
inh
20
)
Graacutefica de dispersioacuten de vacio del sistema vs velocidad de entrada
0
2
4
6
8
10
12
14
0 02 04 06 08 1
D
E A
DH
ESIO
N
VACIO DEL SISTEMA IN H20
22
Figura 13 Graacutefico de humedad relativa del aire
En la figura 13 se aprecia que la humedad relativa del aire inicialmente fue de 66 que
incrementoacute durante los siguientes diacuteas pero fue disminuyendo hasta llegar al 50 Esto debido a
los cambios climaacuteticos cabe mencionar que el equipo no cuenta con un filtrador para retirar el
porcentaje de agua del aire por lo que esta ingresa directamente a la caacutemara de secado siendo
una variable maacutes influyente en la adhesioacuten de los polvos finos
Anaacutelisis de datos
Tabla 5 Anaacutelisis de varianza de dos factores con una sola muestra por grupo
RESUMEN Cuenta Suma Promedio Varianza Fila 1 3 19303 643433333 026902633
Fila 2 3 313 104333333 296443333 Fila 3 3 22318 743933333 275458633 Fila 4 3 2425 808333333 389223333 Fila 5 3 2555 851666667 207763333 Fila 6 3 2888 962666667 216763333
Columna 1 6 51025 850416667 582740417 Columna 2 6 45726 7621 21353864 Columna 3 6 5485 914166667 260997667
Origen de las variaciones
Suma de cuadrados
Grados de libertad
Promedio de los cuadrados F Probabilidad
Valor criacutetico para
F Tratamientos 316103776 5 632207552 297461023 006699316 332583453
Bloques 699763344 2 349881672 164623405 024097493 410282102
Graacutefico de humedad realtva vs lote
0 3 6 9 12 15
lote
50
54
58
62
66
70
74
hu
med
ad
realt
va
23
Error 212534586 10 212534586
Total 598614696 17
En la tabla 5 se muestra el anaacutelisis de varianza de del disentildeo por bloques completamente al azar
de las diferentes concentraciones de azuacutecar por cada tipo de producto Dado que el f de Fisher es
menor que la f tabulada indica que no hay diferencias significativas por lo que se acepta la
hipoacutetesis nula la concentracioacuten de azucares no tiene efecto significativo en la adhesioacuten del cafeacute
ya que la mayoriacutea tuvo un porcentaje de adhesioacuten alta en las tres repeticiones cabe mencionar
que el producto A sin concentracioacuten tambieacuten tuvo adhesioacuten en la suma de cuadrados por bloques
tampoco hubo diferencias significativas
Tabla 6 Anaacutelisis de Varianza para dureza - Suma de Cuadrados Tipo III
Fuente Suma de Cuadrados
Gl Cuadrado Medio
Razoacuten-F Valor-P
EFECTOS PRINCIPALES
APRESION DE VAPOR 005445 1 005445 006 08164
BTAMANtildeO DE PARTICULA 121525 1 121525 1372 00208
CTEMPERATURA DE PARTICULA 471245 1 471245 532 00823
RESIDUOS
354305 4 0885763
TOTAL (CORREGIDO) 204624 7
La tabla 6 muestra el anaacutelisis de varianza del disentildeo factorial en la cual se descompone la
variabilidad de dureza en contribuciones debidas a varios factores Puesto que se ha escogido la
suma de cuadrados Tipo III (por omisioacuten) la contribucioacuten de cada factor se mide eliminando los
efectos de los demaacutes factores Los valores-P prueban la significancia estadiacutestica de cada uno de los
factores Puesto que un valor-P es menor que 005 este factor tiene un efecto estadiacutesticamente
significativo sobre dureza con un 950 de nivel de confianza
24
Figura 14Grafico anova para dureza
En la figura 14 se muestra el grafico anova y se observa la distribucioacuten de la respuesta para los
factores en la cual todas las razones-F se basan en el cuadrado medio del error residual La
mayoriacutea presenta distribucioacuten anova con el valor p mayor a 05 sin embargo para el factor tamantildeo
de partiacutecula el valor es menor a 05 con significancia
Balance de energiacutea
En el balance de materia y energiacutea se obtuvo que la humedad en la salida aglomerado es del 73
cuando hay una entrada de aire de 1550 m3 s con 50 de humedad relativa a una temperatura
de 230degc necesita 1730 KJ kg de calor con una cantidad de aire seco de 2600 kg h para sistema
adiabaacutetico sim embargo el aglomerador no es de este tipo de sistema por lo que se evaluoacute en un
graacutefico psicomeacutetrico (anexo1) encontraacutendose
El aire se calienta a humedad constante (To -T1) Si la caacutemara estuviera aislada y toda la energiacutea
posible se utilizara el aire se enfriariacutea adiabaacuteticamente y la temperatura miacutenima a alcanzar seriacutea la
de bulbo seco de saturacioacuten (Tsat) En realidad la caacutemara no estaacute aislada y no se sigue un
enfriamiento adiabaacutetico El aire sale a una temperatura T2 (ni estaacute saturado ni el proceso es
adiabaacutetico) debido a la baja relacioacuten aire-producto Si el proceso fuera adiabaacutetico saldriacutea a T2
(proceso adiabaacutetico y masas iguales de aire y producto)
ANOVA Graacutefico para DUREZA
-25 -15 -05 05 15 25
Residuos
PRESION DE VAPOR P = 0816415 2
TAMANtildeO DE PARTICULA P = 0020833 54
TEMPERATURA DE PARTICULA P = 0082330 35
25
Optimizacioacuten
De acuerdo a los caacutelculos de balance de materia los flujos de aire de 900 pm a 1100 rpm con una
salida de 1765 rpm mantienen el calor necesario para eliminar la humedad por lo que estas
variables son las que se implementaron y controlaron para la aglomeracioacuten de los diversos
productos
Figura 15 Grafica de rendimientos con flujo de aire de 900 rpm a 1100 rpm
En la figura 15 se observa el comportamiento del rendimiento con las condiciones aire manejadas
que mantuvieron un vaciacuteo de 04 y 05 inicialmente el rendimiento no fue favorable debido a la
humedad relativa sin embargo en los siguientes lotes el rendimiento se mantuvo del 94
mejorando en los siguientes diacuteas al 97 siendo favorable con ello el porcentaje de adhesioacuten
disminuyo al 3 con estas condiciones la caracteriacutestica de porcentaje de aglomerado incremento
al rango oacuteptimo
La optimizacioacuten de las variables de temperatura de salida y tamantildeo de criba consistioacute en la
reduccioacuten de sus rangos de operacioacuten para la cual la dureza mejoroacute apegaacutendose al rango oacuteptimo
925
93
935
94
945
95
955
96
965
0 2 4 6 8 10 12 14
Ren
dim
ien
to
lote
26
42 Conclusiones
Mediante el disentildeo experimentos se encontroacute que el aumento de dos factores temperatura de
salida y el tamantildeo de partiacutecula influyen en el bajo porcentaje de aglomerado y el incremento en la
dureza por que el granulo aglomerado presenta fragilidad y una cantidad de polvos finos Asiacute
mismo con el disentildeo por bloques se determinoacute que la concentracioacuten de azuacutecares de los cafeacutes no
tiene efecto significativo tomando como muestra patroacuten un producto sin concentracioacuten que
tambieacuten presento adhesioacuten en las tres repeticiones Durante el monitoreo se observoacute que los
soacutelidos aglomerados a condiciones de bajo vaciacuteo con humedad relativa del aire baja no
presentaban ninguacuten problema de adhesioacuten mientras que los producto a condiciones de vaciacuteo alto
con humedades por encima de 60 presentaban mayor adhesioacuten en balance de materia se
observoacute que una humedad relativa alta en la salida del equipo necesita mayor calor y cantidad de
aire de entrada para ser eliminado asiacute mismo mediante las eficiencias teacutermicas se evaluoacute el
sistema en una carta psicomeacutetrica y se determinoacute que hay perdida calor en la caacutemara de secado
al no ser adiabaacutetico por lo que la optimizacioacuten del proceso solo fue parcial enfocaacutendose solo a
condiciones del aire de entrada y salida en la que el rendimiento mejoro en un promedio del 96
43 Trabajos Futuros
Derivado al balance y los caacutelculos la humedad relativa es un factor importante en la adhesioacuten del
producto es por ello que el proyecto tiene continuidad en la implementacioacuten de un desumificador
de aire para que el sistema tenga una inyeccioacuten de aire seco el aislamiento (encamisado) de la
caacutemara de secado para evitar pedidas del calor tambieacuten y la determinacioacuten de nuevas condiciones
de operacioacuten debido a los cambios en los flujos aire
44 Recomendaciones
De acuerdo al estudio realizado mediante el disentildeo factorial se determinoacute que la variacioacuten de la
entrada de aire afecta la presioacuten del sistema por lo que se recomienda manejar una sola condicioacuten
de aire para cada producto con respecto a la velocidad de salida ya que el sistema necesita
mantener el equilibrio de las corrientes de aire para que el calor sea necesario y elimine toda la
humedad posible del vapor de agua para evitar que se concentre en la base coacutenica asiacute mismo la
alimentacioacuten de los soacutelidos finos debe tener propiedades caracteriacutesticas oacuteptimas para evitar la
variacioacuten de las condiciones
27
ANEXOS Anexo 1 Equipo aglomerado
Salida de aire
Base coacutenica
Caacutemara de
secado
Lecho
fluidizado
Entrada de
aire caliente
Separador
cicloacutenico
Zona de aspersioacuten de
solidos secos y vapor
de agua
28
Anexo 2 Carta psicomeacutetrica
Fuente Spray Drying Handbook (Masters 1991)
29
Anexo 3 Caacutelculos de velocidad lineal caudales de aire y volumen del equipo
1765 rpm (2πrads)(042)=7763 ms
600 rpm (2πrads)(030) =2638 ms
700 rpm (2πrads)(030)=3078 ms
800 rpm (2πrads)(030) =3518 ms
900 rpm (2πrads)(030) =3965 ms
1000 rpm (2πrads)(030) =4348 ms
1150 rpm (2πrads)(030)=5057ms
Caudal para las diferentes velocidades lineales
1) Q=VS
Q=2638 ms (π 00335m) 2
Q=930 m3s
2) Q=VS
Q=3078ms (π 00335m) 2
Q=1085m3s
3) Q=VS
Q=3518 ms (π 00335m) 2
Q=1240 m3s
4) Q=VS
Q=4348 ms (π 00335m) 2
Q=1550 m3s
5) Q=VS
Q=5057ms (π 00335m) 2
Q=2002 m3s
6) Q=VS
Q=7763 ms (π 0195 m) 2
Q=3708 m3s
30
Velocidad angular de aire (rpm) Caudal (m3s)
600 rpm 93
700 1085
800 1240
1000 1550
1150 2002
1765 3708
Caudales de aire de entrada y salida
Volumen de la caacutemara de secado
V= ℎ1205871199032
v=97 π (21m)
v=140844 m3
V= ℎ1205871199032
v= (09m) (π 21m)
v=2420 m3
Volumen de la base coacutenica
119907 =π r2 h
3
119907 =π (291) lowast 59
3
V=52313 m3
Volumen total del equipo =21734 m3
582 m
59m
582 m
09 m
43m
97 m
31
Anexo 3Caacutelculos de balance de materia y energiacutea
Se determina la velocidad de flujo de aire y la humedad de salida del aglomerador suponiendo
que no hay peacuterdidas de calor en el secador el balance inicia con la alimentacioacuten de 300 kg de
soacutelidos secoh que contienen 0035 kg de humedad totalkg de soacutelido seco hasta un valor de 0002
kg de humedad totalkg de soacutelido seco El polvo fino a granular entra a 35 ordmC y se desea
descargarlo a 32 ordmC El soacutelido seco tiene una capacidad caloriacutefica de 1465 kJkgK que se supone
constante El aire de calentamiento entra a 230 ordmC y con humedad de 0060 kg H2Okg de aire
seco y debe salir a 130
Balance de materia con respecto a la humedad
GH2 LS X1 GH1 LS X2
Reemplazando valores
(060) + 300 (0035)= GH1+ 300 (0002)
El balance de calor para el secador es
GHG2 LS HS1 GHG1 LS HS2 Q
Se calcula la entalpiacutea del aire de entrada HG1
Aglomerador
G1=
TG1=230
H2=
LS=300 KGSh
TS1=35
X1=0035
G2=
TG2=130
H2=060
Ts 2=378
X2=0002
Q
32
HG1=CS 1005188H 1005188(060)
HG1 CS (TG1 T0 ) H
HG1= CS 230 - 0 + 0060(2501) 17306 KJ Kg aire seco
Se calcula la entalpiacutea del aire de salida HG2
C21005188H 1005188 H1
HG1 CS (TG2 T0 ) H
HG1= (1005 + 188 H1 )130 - 0 + H1 (2501)
HG1=130 + 27454 H1
Se calcula las entalpiacuteas de los soacutelidos
HS1 CP S (TS1 T0) X1 CP A ( TS1 T0)
HS1 1465(35 0) 0035 (4187)(35 0) 5713 kJ kg
HS2 CP S (TS2 T0) X2 CP A ( T2 T0)
HS2 1465 (32 ndash 0 ) + 0002(4187)(32 0)=4714 KJ Kg
Reemplazando en el balance de energiacutea
G (17306)+ 300(5713) = G (130 + 27454 H1)+ 300(4714) + 0
G=2600 Kg aire seco por hora
Resolviendo conjuntamente con el balance de materia
G (060) + 300 (0035)= GH1+ 300 (0002)
2600(060) + 105 = 2600 H1 +06
H1=2600(060) +105 + 060 2600
H1=07427 Kg agua kg aire seco
33
Anexo 4Calculo de eficiencias teacutermicas
Datos
T = 230
Ts =147
T0= 30
T sat=45
Eficiencia teacutermica global
Ntermica global= 1198791minus1198792
1198792minus1198790 X 100
Ntermica global = 230minus147
230minus30 100 =415
Eficiencia de evaporacioacuten
Nevaporacion=1198791minus1198792
1198791minus119879119904119886119905
Nevaporacion = 230minus147
230minus45 100 =4486
34
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7
15 Hipoacutetesis
1 Los aglomerados pierden cohesioacuten durante el secado debido a que hay un enlace de
partiacuteculas deacutebiles las cuales se separan generando una cantidad de polvos finos que son
arrastradas por la corriente de aire de forma turbulenta hasta la parte inferior dando
lugar a la adhesioacuten y compactacioacuten
2 La variacioacuten de la presioacuten del sistema (vaciacuteo) presenta anomaliacuteas en la distribucioacuten de
aire trayendo consigo alto acarreo de polvos finos por lo que presenta depoacutesitos a las
paredes de la caacutemara de secado
3 La continua variacioacuten de las condiciones de operacioacuten afecta en la formacioacuten y crecimiento
de las partiacuteculas dando lugar al arrastre excesivo de polvos como del medio aglomerante
reflejando en el escaso o nulo crecimiento de la partiacutecula y por ende adhesioacuten a las
paredes
4 La concentracioacuten de azucares tiene efecto significativo en la pegajosidad
16 Justificacioacuten del Proyecto
Hoy en diacutea el control de los procesos de aglomeracioacuten bajo su contexto de granulacioacuten huacutemeda es
muy complejo al llevar a cabo diferentes mecanismos dentro de sistemas que manejan
transferencia de calor transferencia de masa mecaacutenica de fluidos y termodinaacutemica por
consiguiente dependen de las variables de operacioacuten la naturaleza de los soacutelidos y del liacutequido
ligante
El presente proyecto se realiza en una empresa de cafeacute soluble donde se lleva cabo el proceso de
aglomeracioacuten en la cual presenta problemas de pegajosidad de partiacuteculas finas a las paredes del
equipo y el rendimiento se ve afectado El proyecto es seguimiento de un estudio anterior en la
que se analizaron y estudiaron varios tipos de cafeacutes encontraacutendose que los mezclados
presentaban maacutes adhesioacuten que los puros por consiguiente se determinaron las condiciones
oacuteptimas de operacioacuten de acuerdo las especificaciones finales mediante el uso de graficas de
control sin embargo eso no detuvo la problemaacutetica ya que hasta la fecha sigue presenciaacutendose
Siendo necesario estudios maacutes a fondo basado en teacutecnicas experimentales o de modelos
matemaacuteticos para entender la interaccioacuten de una variable sobre el comportamiento
La finalidad de este proyecto es la optimizacioacuten de los paraacutemetros operacionales de las variables
del proceso que inciden en la anomaliacutea Para ello se emplearan herramientas estadiacutesticas (disentildeo
de experimentos) para la evaluacioacuten y determinacioacuten de los efectos de las variables de entrada
(factores) sobre una variable de salida (respuesta) y el balance de materia-energiacutea para el control y
la optimizacioacuten
8
17 Limitaciones y Alcances
Limitaciones
Se respetaran los lineamientos de la empresa por lo que los nombres de los productos a
estudiar seraacuten restringidos y su uso seraacute mediante letras o nuacutemeros
El tiempo de estudio comprenderaacute 3 meses por lo que simplemente se abarcaran los
tipos de cafeacute que se produzcan en ese lapso
Debido a que el proceso es continuo los operarios son los uacutenicos que tienen el control de
las condiciones del equipo por consiguiente se tomaran solo los paraacutemetros empleados
para cada tipo de producto y estas son las que se manejaran en el disentildeo experimental
Alcances
Determinacioacuten de los factores influyentes en la pegajosidad del cafeacute y optimizacioacuten de los
mismos
Control de los paraacutemetros operacionales
Implementacioacuten de acciones de mejora continuacutea para el sistema
18 La Empresa
Cafeacute Tostado de Exportacioacuten tiene su inicio el 13 de Mayo de 1972 en la Ciudad de Tuxtla
Gutieacuterrez Chiapas Es una empresa que pertenece al grupo SANROKE que actualmente se
encuentra ubicada en la ciudad de Coacuterdoba Veracruz Comenzoacute produciendo cafeacute tostado y
molido posteriormente inicia en el proceso de cafeacute soluble logrando obtener otros subproductos
del cafeacute soluble como el aglomerado lechero y capuchino Fue una de las primeras empresas en
su ramo en estar certificada por la norma ISO 90012008 Actualmente cuenta con certificaciones
de labor social medio ambiente calidad orgaacutenicas e inocuidad lo que refleja su cumplimiento de
los estaacutendares internacionales
Es una compantildeiacutea liacuteder por su firme compromiso con la calidad y la satisfaccioacuten del cliente
Sumando hasta el diacutea de hoy deacutecadas de experiencia y dedicacioacuten en la industria del cafeacute El
aumento del consumo de esta bebida en el mundo ha sido paralelo a su desarrollo econoacutemico
representando una gran oportunidad para encontrar nuevos socios y expandir sus actividades
demostrando al resto del mundo coacutemo la disciplina y el trabajo duro conducen al eacutexito
Misioacuten
Elaboracioacuten de productos de la maacutes alta calidad a traveacutes de la seleccioacuten de materia prima superior
y los maacutes altos estaacutendares de manufactura satisfaciendo el gusto de los consumidores generando
beneficios para los accionistas colaboradores clientes proveedores y comunidad en general
9
Visioacuten
Convertirse en liacutederes del mercado nacional y ampliar su presencia en el mercado extranjero con
productos de calidad insuperable con el mejor sabor que proporcione deleite y satisfaccioacuten a
quien los consuma
En cafeacute tostado de exportacioacuten para obtener cafeacute soluble granulado se llevan cabo varias
operaciones unitarias
Tostado se exponen los granos de cafeacute a un calentamiento en el cual provoca inicialmente
una liberacioacuten de agua ligada hasta alcanzar el calor deseado mantenieacutendolo en continuo
movimiento para asegurar un tostado completo del grano cuando finaliza el tostado el
cafeacute es enfriado y almacenado
Molienda y Extraccioacuten para la reduccioacuten del tamantildeo el cafeacute tostado requiere un corte
mediante una accioacuten de compresioacuten y friccioacuten para provocar partiacuteculas de tamantildeo y
forma adecuados Una vez molido se hace la extraccioacuten de solidos solubles aplicando agua
caliente para generar una infusioacuten que obtenga todo el sabor y aroma presente en los
granos
Centrifugacioacuten y evaporacioacuten mediante una maacutequina de fuerza centriacutefuga se elimina la
mayor parte de los residuos que quedan de la extraccioacuten Posteriormente el extracto
liacutequido obtenido entra en la evaporacioacuten donde se elimina la mayor parte de agua y el
producto queda concentrado
Secado el liacutequido es secado mediante un secador por aspersioacuten en una corriente de aire
caliente donde las gotitas finamente al contacto con el calor evaporan el agua
convirtieacutendose en polvo esfeacuterico instantaacuteneo
Aglomeracioacuten es la operacioacuten designada para la formacioacuten de partiacuteculas de mayor
tamantildeo operando sobre la base de re-humidificacioacuten de la superficie del polvo de cafeacute con
vapor de agua en una atmoacutesfera turbulenta de aire caliente de manera que al colisionar
las partiacuteculas entre siacute los finos se adhieren a los gruesos formaacutendose los aglomerados
La variedad de presentaciones y la calidad de sus producto han permitido permanecer en el gusto
del puacuteblico contando con sus tradicionales cafeacutes tostados y molidos los praacutecticos cafeacutes solubles
aglomerados y ahora liofilizado caacutepsulas de cafeacute expreso teacute de cafeacute verde y crema untable
Caferetas Actualmente es liacuteder en el mercado internacional del cafeacute instantaacuteneo liacuteder local y
regional de cafeacute soluble granulado bajo el nombre de cafeacute ldquoLos Portales de Coacuterdoba ldquo
10
CAPIacuteTULO 2 METODOLOGIacuteA
21 Eleccioacuten de los factores y los niveles
Los factores seraacuten las condiciones de operacioacuten del equipo aglomerador de las cuales se
seleccionaran solo las que tengan maacutes impacto en la formacioacuten del granulo y posible influyente en
el problema los niveles estaraacuten definidos como altos y bajos
22 Seleccioacuten de la variable de respuesta
La variable de respuesta estaacute definido como las caracteriacutesticas fisicoquiacutemicas del producto final color densidad humedad dureza y porcentaje de aglomerado pero solo se seleccionaraacuten dos de ellas Tambieacuten se contemplara como respuesta el porcentaje de adhesioacuten
23 Eleccioacuten del disentildeo experimental
La eleccioacuten del disentildeo implicara la consideracioacuten del tamantildeo de la muestra (nuacutemero de reacuteplicas)
El intereacutes se centrara en identificar queacute factores causan esta diferencia y en estimar la magnitud
del cambio de la respuesta Por lo que pueden utilizarse uno o maacutes disentildeos experimentales de
acuerdo a las variables manejadas las cuales pueden ser factorial por bloques completamente al
azar y superficie de respuesta
24 Realizacioacuten del disentildeo de experimentos
Una vez seleccionado el o los disentildeos se ejecutaran para obtener los valores de las respuestas para
la cuales se contara con el apoyo de aacuterea de control de calidad quien proporcionara esta
informacioacuten asiacute como tambieacuten la ayuda de los operarios quienes son los expertos en manejar las
condiciones del equipo Los datos obtenidos se ingresaran a un programa estadiacutestico para
determinar los efectos y obtener las graacuteficas
25 Monitoreo de los flujos de aire humedad relativa y presioacuten del sistema
Se haraacute un monitoreo en los flujos de aire humedad relativa y presioacuten del sistema en lapso de
tiempo adecuado para evaluar el comportamiento de estas variables los datos se registraran en
Excel para la elaboracioacuten de graacuteficas
26 Anaacutelisis de datos
En esta fase se utilizaran programas estadiacutesticos para analizar y comparar los datos a fin de
determinar que los resultados y las conclusiones sean objetivos Se aplicara un anaacutelisis de varianza
11
(anova) la cual puede ser de un solo factor o multifactorial con niveles de significancia
dependiendo del tipo de disentildeo y con ello se haraacute la prueba de hipoacutetesis
27 Anaacutelisis de los efectos de los paraacutemetros operacionales
El anaacutelisis de los efectos de los paraacutemetros operacionales (factores) sobre la variable de
respuesta se efectuara mediante las graacuteficas de interaccioacuten y las graacuteficas de efectos normales que
se obtendraacuten en el software estadiacutestico con la finalidad de determinar coacutemo afecta cada factor
en el comportamiento de una propiedad caracteriacutestica del granulo
28 Aplicacioacuten del balance de materia y energiacutea
Para realizar este caacutelculo primero se haraacuten las conversiones de flujo de aire de velocidad angular a
velocidad lineal para posteriormente calcular el caudal del aire que pasa por los conductos asiacute
mismo se calculara el volumen de la caacutemara de secado y la base conicaEl uso de la carta
psicomeacutetrica seraacute de gran importancia para determinar la humedad absoluta del aire las
eficiencias teacutermicas y la temperatura de saturacioacuten adiabaacutetica Para la entalpia del aire se
utilizaran foacutermulas adecuadas de termodinaacutemica Las formulas del balance de materia y energiacutea
que se utilizara seraacute las establecidas para secadores por aspersioacuten Una vez reunido los valores se
sustituiraacuten para obtener los correspondientes la variable que se necesita encontrar es la cantidad
de humedad relativa y el calor en la salida de la caacutemara de secado
29 Optimizacioacuten del proceso
La optimizacioacuten del proceso se efectuaraacute de acuerdo a los resultados de los monitoreos del flujo
de aire humedad relativa los efectos obtenidos en el disentildeo de experimentos y sobre todo los
caacutelculos de balance de materia ndashenergiacutea
12
CAPIacuteTULO 3 DESARROLLO DEL PROYECTO
31 Equipo experimental
El equipo experimental utilizado fue un secador por aspersioacuten con lecho fluido integrado (Anexo1)
que consta de una caacutemara de secado proyectado sobre una base coacutenica mediante la cual una
corriente de aire caliente es suministrado por un ventilador de entrada creando una atmosfera
turbulenta donde los polvos finos entran en contacto con vapor de agua y mediante el secado se
forman los aglomerados este equipo maneja varias condiciones de operacioacuten que le dan las
caracteriacutesticas al producto Las herramientas estadiacutesticas empleados fueron Excel para el anaacutelisis
de varianza y prueba de hipoacutetesis del disentildeo por bloques al azar minitab para el anaacutelisis de los
efectos de los factores sobre la variable de respuesta y stargrapics para el anaacutelisis de varianza del
segundo disentildeo experimental
32 Monitoreos
Se hizo un monitoreo en los flujos de aire de entrada flujo de salida el vaciacuteo del sistema y la
humedad relativa del aire en un lapso de 5 horas diarias por 10 lotes de produccioacuten evaluando
tambieacuten la adhesioacuten en cada uno de ellos se registraron los datos en Excel mediante estos datos
se elaboroacute una graacutefica de dispersioacuten para ver el comportamiento de estas variables
33 Disentildeo de experimentos
Se utilizoacute un disentildeo de bloques completamente al azar en la cual los tratamientos fueron la
concentracioacuten de azucares con respuesta de porcentaje de adhesioacuten Cabe mencionar que cada
tratamiento indica un tipo de producto por su concentracioacuten
Tabla 1 Tratamientos del disentildeo por bloques al azar
TRATAMIENTO CONCENTRACION
A 0
B 5
C 10
D 15
F 17
Se formularon dos hipoacutetesis
H0=La concentracioacuten de azucares no tiene efecto en la pegajosidad de los polvos finos si F es
menor o igual a la F tabulada
13
H1=La concentracioacuten de azucares tiene efecto significativo si F de Fisher es mayor que la F
tabulada
Se utilizoacute un disentildeo factorial 23 para determinar el efecto de tres condiciones de operacioacuten
(factores) las cuales fueron velocidad de aire temperatura de entrada y temperatura de salida con
dos niveles teniendo como respuestas la dureza del granulo para 5 tipos de cafeacute soluble
Tabla 2 Factores y niveles del Disentildeo factorial 23
TIPOS FACTORES NIVEL BAJO NIVEL ALTO RESPUESTAS
Cafeacute soluble
ABCDF
Temperatura de entrada
217 227 220 212
235 231 236 228
Dureza
Temperatura de salida
133 139 137 134
135 142 138 135
Velocidad de aire
800 849 690 975
1000 850 950 1050
Tambieacuten se empleoacute un disentildeo factorial de 23 para determinar los efectos de tres factores No
Criba del molino de martillos con nivel de 33-55 la presioacuten de vapor con nivel de 15-20 y la
temperatura de producto nivel de 30-35 las respuestas que se eligieron para este disentildeo fue la
dureza del granulo y el porcentaje de aglomerado este experimento se inicioacute empleado la
herramienta estadista minitab en la cual se ingresaron estos factores con sus niveles arrojando 8
corridas por las combinaciones
Tabla 3 Corridas experimentales del disentildeo 23
Factores
corridas Presioacuten de
vapor
NoCriba Temperatura de
partiacutecula
1 15 33 30
2 2 33 30
3 15 54 30
4 2 54 30
5 15 33 35
6 2 33 35
7 15 54 35
8 2 54 35
14
34 Realizacioacuten del disentildeo de experimentos
Para la ejecucioacuten del disentildeo de experimentos se siguioacute con el programa de produccioacuten iniciando
con el disentildeo por bloque completamente al azar la cual se llevoacute en la aglomeracioacuten de 5 tipos de
cafeacute con diferentes concentraciones mencionadas anteriormente desde el arranque del equipo en
la cual los soacutelidos finos iniciales que se cargaron fueron un cafeacute A sin concentracioacuten
posteriormente se cambioacute a los siguientes tipos (BCDF) las condiciones operativas del equipo
estuvieron de la siguiente manera temperaturas de entrada de 190 a 230 temperatura de salida
de 100-140 y velocidad de aire de 600 a 1000 rpm Cada vez que se haciacutea un cambio de producto
se sacoacute la cantidad de solidos finos adheridos de la siguiente manera
(Cantidad alimentada x 98 de rendimiento fijo)- (Cantidad producida)
Mediante esta foacutermula se obtuvo el porcentaje de cada tipo de cafeacute retenido en la base coacutenica
Cantidad adherida x 100
Cantidad alimentada
Los datos quedaron registrados en la tabla 4 donde cada repeticioacuten indica un lote de produccioacuten
diferente
Tabla 4Disentildeo de bloques completamente al azar
REPETICIONES
TRATAMIENTOS I II III
A 625 6033 702
B 1071 859 12
C 7015 6033 927
D 583 95 892
F 992 704 859
G 113 853 905
El primer disentildeo factorial se llevoacute a cabo en la aglomeracioacuten de 4 tipos de cafeacute soluble en la cual
se monitoreo la interaccioacuten de cada factor de acuerdo a los niveles establecidos sobre la respuesta
y se registraron los resultados Las partiacuteculas finas teniacutean las siguientes propiedades iniciales
Densidad 180-210 grcm3
Color 72-84
Humedad 2 a 35
15
Los resultados de los anaacutelisis fisicoquiacutemicos (dureza) fueron proporcionados por el aacuterea de control
de calidad estos datos se ingresaron en minitab y se hizo el anaacutelisis factorial obteniendo las
graacuteficas de interaccioacuten asiacute como tambieacuten la significancia de los efectos
El segundo disentildeo factorial se llevoacute cabo en la aglomeracioacuten de un lote de cafeacute soluble regular con
las siguientes propiedades
Color 72-85
Humedad 2-35
Densidad 190-210
La duracioacuten del lote fue de 10 horas el equipo empleo una velocidad de aire entrada de 900 rpm
con temperatura de 220degc y una velocidad de aire salida de 1765 rpm con temperatura de 135 degC
Se recibioacute ayuda por parte de los operarios para las combinaciones y cada vez que esta se
ejecutaba se tomoacute muestras de 10 grs y se llevoacute a control de calidad para los anaacutelisis de dureza y
porcentaje de aglomerado por cada corrida finalizando este experimento se registraron todos los
resultados en minitab y se hizo el anaacutelisis del disentildeo para las significancias de los factores cabe
mencionar que mediante este programa se obtuvieron las graacuteficas de interaccioacuten
35 Anaacutelisis de datos
Para determinar cualitativamente el efecto de los paraacutemetros del proceso en la aglomeracioacuten de
las partiacuteculas de cafeacute soluble se aplicoacute un anaacutelisis de varianza (ANOVA) con un nivel de
significancia α del 5 a los resultados experimentales La dureza y el porcentaje de
aglomerado se seleccionaron como paraacutemetro de respuestase utilizo el programa de stargrapics
para el anaacutelisis
36 Balance de materia energiacutea
Para el balance de materia y energiacutea primero se hicieron las conversiones de la velocidad angular
del aire de entrada y salida (rpm) a velocidad lineal (ms) empleando la foacutermula
(1rpm) (2π rad)60 x (radio) Asiacute como el caacutelculo del volumen de la caacutemara de secado (anexo 3)
El caacutelculo del caudal de aire de entrada se realizoacute empleando la foacutermula
119876 = 119881 119878
Donde
V=velocidad lineal del aire (ms)
S=aacuterea de la seccioacuten trasversal (m2)
El radio de la seccioacuten transversal para ventilador de entrada fue 0335 y la de salida de 0195
Se sacaron las eficiencias teacutermicas del equipo de la siguiente manera
16
Eficiencia teacutermica global= (11987911198792
1198792119879119900)
Eficiencia de evaporacioacuten= (1198791 1198792
1198791 119879119904119886119905)
Para determinar las temperaturas de saturacioacuten adiabaacutetica (TSAT) y (T0) se utilizoacute la carta psicomeacutetrica (Anexo 2) El balance quedo estructurada de la siguiente forma
Figura 1 Diagrama de flujo del aglomerador
Donde FS1=masa del solido seco (kg)
Ga flujo de aire (kgh)
Ws=contenido de humedad del alimento (kg agua kg solido seco)
Ta=temperatura de entrada
Ta1=temperatura de salida
Ta2=temperatura de solidos
Ga1=flujo de aire entrada
Ga2=flujo salida de aire
H1= humedad relativa del aire entrada
H2=humedad relativa del aire salida
El balance del sistema sin peacuterdidas ni acumulacioacuten quedo de la siguiente manera
FS WS1 +Ga Ha1 = FS WS2 +Ga Ha2
17
Mientras que el balance de energiacutea
FS QS1+ Ga Qa1 = FS QS2 +Ga Qa2 +QL
Donde qs1 y qs2 son las entalpiacuteas del soacutelido entrando y saliendo del secador (KJKg) qa1 y qa2 son
las entalpiacuteas del aire entrando y saliendo del secador (KJKg) qL es el calor perdido (KJ)
El balance con respecto a la humedad se determinoacute mediante la siguiente formula
GH2 LS X1 GH1 LS X2
Donde
GH2= flujo de aire
Ls = flujo de alimentacioacuten
X1= humedad de los soacutelidos iniciales
La entalpia de la salida de aire se calculoacute mediante la foacutermula
HG C2 (TG T0) H
Donde
TG= Temperatura del aire
T0= Temperatura saturacioacuten
H=Entalpia del solido seco
37 Optimizacioacuten
La optimizacioacuten del proceso se llevoacute a cabo en el control de los factores incidentes en la cual se establecieron los rangos a utilizar esto derivado de los caacutelculos de balance y lo obtenido de los efectos en el disentildeo experimental los operarios se apegaron a estas condiciones con sus respectivos rangos y lo llevaron a cabo durante 8 lotes de produccioacuten en ese lapso de tiempo se evaluoacute el comportamiento del rendimiento se registraron los datos y se graficaron
18
CAPIacuteTULO 4 RESULTADOS Y CONCLUSIONES
41 Resultados
Anaacutelisis de efectos disentildeo factorial No1
Figura 2Grafica de efectos normales para el cafeacute soluble ABCD
En la figura 2 se observa la distribucioacuten de los factores A B C para los 4 tipos de cafeacute en la cual la
temperatura de entrada tiene efecto significativo en la dureza con una significancia del 92
mientras que los demaacutes factores no presentaron efectos significativos aunque tambieacuten influyen en
una combinacioacuten para dar la caracteriacutestica fisicoquiacutemica
19
Figura 3Grafica de interaccioacuten para cafeacute
soluble A
Figura 4 Grafica de interaccioacuten para cafeacute
soluble B
Figura 5Grafica de interaccioacuten para cafeacute soluble
C
Figura 6Grafica de interaccioacuten para cafeacute
soluble D
En las figuras 3 4 5 y 6 se muestran el comportamiento de la dureza de acuerdo a los factores
manejados para los cuatro tipos de cafeacute y en cada una de ella se aprecia que los niveles menores
de la temperatura de salida con la temperatura de entrada dieron una dureza igual y por debajo
de 10 asiacute mismo en el factor de velocidad de aire tambieacuten tuvo un comportamiento con niveles
menores Cabe mencionar que ninguna de las combinaciones obtuvo una dureza optima por lo
que se determinoacute que el incremento en la temperatura de salida aumenta la dureza obteniendo
un granulo maacutes fraacutegil
20
Anaacutelisis del disentildeo factorial No2
Figura 7Grafica de efectos normales para
dureza del cafeacute regular
Figura 8Grafica de efectos principales para dureza
del cafeacute regular
En las figuras 7 y 8 se observa que el No de criba tiene efecto significativo sobre la dureza es decir
entre menor abertura tenga la criba la dureza es mucho menor los graacutenulos son maacutes resistentes
mientras que entre mayor sea la abertura los graacutenulos son maacutes fraacutegiles (dureza alta) cabe
mencionar que la mejor dureza obtenida fue con el nuacutemero de malla 33 la presioacuten de vapor de
15 y la temperatura de partiacutecula de 30deg c
Figura 9 Grafica de efectos normales para
porcentaje de aglomerado del cafeacute regular
Figura 10Grafica de interaccioacuten para porcentaje
de aglomerado del cafeacute regular
21
En las figuras 9 y 10 se observa que la temperatura del producto el nuacutemero de criba tiene efecto
significativo sobre el porcentaje de aglomerado entre mayor es el nivel el porcentaje de
aglomerado disminuye determinado que hay maacutes cantidad de polvos finos asiacute mismo si el nivel
de los factores es bajo el porcentaje incremente constantemente Por lo que el comportamiento
del graacutenulo se acopla al incremento o disminucioacuten de estas variables
Monitoreos
Figura 11Grafica de dispersioacuten de la presioacuten del sistema
Figura 12 Grafica del vaciacuteo vs porcentaje de adhesioacuten
En las figuras 11 y 12 se observa el comportamiento del vaciacuteo con las variaciones de aire de
entrada Cabe mencionar que el sistema empleo una sola salida de aire de 1765 rpm Durante los
monitoreos los productos presentaron pegajosidad con entradas de aire menores a 900 rpm
mientras tanto de 1000 a 1150 rpm los productos no presentaron pegajosidad Lo mismo sucedioacute
en el comportamiento del vaciacuteo del sistema para la cual la pegajosidad aumenta y el rendimiento
disminuye con respecto al incremento del vaciacuteo Por lo que esta variable es el factor determinante
y con ello se prueba la hipoacutetesis que la variacioacuten en la presioacuten del sistema genera un arrastre
excesivo de polvos y la humedad no se elimina lo suficiente
120011001000900800700600
08
07
06
05
04
velocidad de entrada( Rpm)
vacio
del
sis
tem
a (
inh
20
)
Graacutefica de dispersioacuten de vacio del sistema vs velocidad de entrada
0
2
4
6
8
10
12
14
0 02 04 06 08 1
D
E A
DH
ESIO
N
VACIO DEL SISTEMA IN H20
22
Figura 13 Graacutefico de humedad relativa del aire
En la figura 13 se aprecia que la humedad relativa del aire inicialmente fue de 66 que
incrementoacute durante los siguientes diacuteas pero fue disminuyendo hasta llegar al 50 Esto debido a
los cambios climaacuteticos cabe mencionar que el equipo no cuenta con un filtrador para retirar el
porcentaje de agua del aire por lo que esta ingresa directamente a la caacutemara de secado siendo
una variable maacutes influyente en la adhesioacuten de los polvos finos
Anaacutelisis de datos
Tabla 5 Anaacutelisis de varianza de dos factores con una sola muestra por grupo
RESUMEN Cuenta Suma Promedio Varianza Fila 1 3 19303 643433333 026902633
Fila 2 3 313 104333333 296443333 Fila 3 3 22318 743933333 275458633 Fila 4 3 2425 808333333 389223333 Fila 5 3 2555 851666667 207763333 Fila 6 3 2888 962666667 216763333
Columna 1 6 51025 850416667 582740417 Columna 2 6 45726 7621 21353864 Columna 3 6 5485 914166667 260997667
Origen de las variaciones
Suma de cuadrados
Grados de libertad
Promedio de los cuadrados F Probabilidad
Valor criacutetico para
F Tratamientos 316103776 5 632207552 297461023 006699316 332583453
Bloques 699763344 2 349881672 164623405 024097493 410282102
Graacutefico de humedad realtva vs lote
0 3 6 9 12 15
lote
50
54
58
62
66
70
74
hu
med
ad
realt
va
23
Error 212534586 10 212534586
Total 598614696 17
En la tabla 5 se muestra el anaacutelisis de varianza de del disentildeo por bloques completamente al azar
de las diferentes concentraciones de azuacutecar por cada tipo de producto Dado que el f de Fisher es
menor que la f tabulada indica que no hay diferencias significativas por lo que se acepta la
hipoacutetesis nula la concentracioacuten de azucares no tiene efecto significativo en la adhesioacuten del cafeacute
ya que la mayoriacutea tuvo un porcentaje de adhesioacuten alta en las tres repeticiones cabe mencionar
que el producto A sin concentracioacuten tambieacuten tuvo adhesioacuten en la suma de cuadrados por bloques
tampoco hubo diferencias significativas
Tabla 6 Anaacutelisis de Varianza para dureza - Suma de Cuadrados Tipo III
Fuente Suma de Cuadrados
Gl Cuadrado Medio
Razoacuten-F Valor-P
EFECTOS PRINCIPALES
APRESION DE VAPOR 005445 1 005445 006 08164
BTAMANtildeO DE PARTICULA 121525 1 121525 1372 00208
CTEMPERATURA DE PARTICULA 471245 1 471245 532 00823
RESIDUOS
354305 4 0885763
TOTAL (CORREGIDO) 204624 7
La tabla 6 muestra el anaacutelisis de varianza del disentildeo factorial en la cual se descompone la
variabilidad de dureza en contribuciones debidas a varios factores Puesto que se ha escogido la
suma de cuadrados Tipo III (por omisioacuten) la contribucioacuten de cada factor se mide eliminando los
efectos de los demaacutes factores Los valores-P prueban la significancia estadiacutestica de cada uno de los
factores Puesto que un valor-P es menor que 005 este factor tiene un efecto estadiacutesticamente
significativo sobre dureza con un 950 de nivel de confianza
24
Figura 14Grafico anova para dureza
En la figura 14 se muestra el grafico anova y se observa la distribucioacuten de la respuesta para los
factores en la cual todas las razones-F se basan en el cuadrado medio del error residual La
mayoriacutea presenta distribucioacuten anova con el valor p mayor a 05 sin embargo para el factor tamantildeo
de partiacutecula el valor es menor a 05 con significancia
Balance de energiacutea
En el balance de materia y energiacutea se obtuvo que la humedad en la salida aglomerado es del 73
cuando hay una entrada de aire de 1550 m3 s con 50 de humedad relativa a una temperatura
de 230degc necesita 1730 KJ kg de calor con una cantidad de aire seco de 2600 kg h para sistema
adiabaacutetico sim embargo el aglomerador no es de este tipo de sistema por lo que se evaluoacute en un
graacutefico psicomeacutetrico (anexo1) encontraacutendose
El aire se calienta a humedad constante (To -T1) Si la caacutemara estuviera aislada y toda la energiacutea
posible se utilizara el aire se enfriariacutea adiabaacuteticamente y la temperatura miacutenima a alcanzar seriacutea la
de bulbo seco de saturacioacuten (Tsat) En realidad la caacutemara no estaacute aislada y no se sigue un
enfriamiento adiabaacutetico El aire sale a una temperatura T2 (ni estaacute saturado ni el proceso es
adiabaacutetico) debido a la baja relacioacuten aire-producto Si el proceso fuera adiabaacutetico saldriacutea a T2
(proceso adiabaacutetico y masas iguales de aire y producto)
ANOVA Graacutefico para DUREZA
-25 -15 -05 05 15 25
Residuos
PRESION DE VAPOR P = 0816415 2
TAMANtildeO DE PARTICULA P = 0020833 54
TEMPERATURA DE PARTICULA P = 0082330 35
25
Optimizacioacuten
De acuerdo a los caacutelculos de balance de materia los flujos de aire de 900 pm a 1100 rpm con una
salida de 1765 rpm mantienen el calor necesario para eliminar la humedad por lo que estas
variables son las que se implementaron y controlaron para la aglomeracioacuten de los diversos
productos
Figura 15 Grafica de rendimientos con flujo de aire de 900 rpm a 1100 rpm
En la figura 15 se observa el comportamiento del rendimiento con las condiciones aire manejadas
que mantuvieron un vaciacuteo de 04 y 05 inicialmente el rendimiento no fue favorable debido a la
humedad relativa sin embargo en los siguientes lotes el rendimiento se mantuvo del 94
mejorando en los siguientes diacuteas al 97 siendo favorable con ello el porcentaje de adhesioacuten
disminuyo al 3 con estas condiciones la caracteriacutestica de porcentaje de aglomerado incremento
al rango oacuteptimo
La optimizacioacuten de las variables de temperatura de salida y tamantildeo de criba consistioacute en la
reduccioacuten de sus rangos de operacioacuten para la cual la dureza mejoroacute apegaacutendose al rango oacuteptimo
925
93
935
94
945
95
955
96
965
0 2 4 6 8 10 12 14
Ren
dim
ien
to
lote
26
42 Conclusiones
Mediante el disentildeo experimentos se encontroacute que el aumento de dos factores temperatura de
salida y el tamantildeo de partiacutecula influyen en el bajo porcentaje de aglomerado y el incremento en la
dureza por que el granulo aglomerado presenta fragilidad y una cantidad de polvos finos Asiacute
mismo con el disentildeo por bloques se determinoacute que la concentracioacuten de azuacutecares de los cafeacutes no
tiene efecto significativo tomando como muestra patroacuten un producto sin concentracioacuten que
tambieacuten presento adhesioacuten en las tres repeticiones Durante el monitoreo se observoacute que los
soacutelidos aglomerados a condiciones de bajo vaciacuteo con humedad relativa del aire baja no
presentaban ninguacuten problema de adhesioacuten mientras que los producto a condiciones de vaciacuteo alto
con humedades por encima de 60 presentaban mayor adhesioacuten en balance de materia se
observoacute que una humedad relativa alta en la salida del equipo necesita mayor calor y cantidad de
aire de entrada para ser eliminado asiacute mismo mediante las eficiencias teacutermicas se evaluoacute el
sistema en una carta psicomeacutetrica y se determinoacute que hay perdida calor en la caacutemara de secado
al no ser adiabaacutetico por lo que la optimizacioacuten del proceso solo fue parcial enfocaacutendose solo a
condiciones del aire de entrada y salida en la que el rendimiento mejoro en un promedio del 96
43 Trabajos Futuros
Derivado al balance y los caacutelculos la humedad relativa es un factor importante en la adhesioacuten del
producto es por ello que el proyecto tiene continuidad en la implementacioacuten de un desumificador
de aire para que el sistema tenga una inyeccioacuten de aire seco el aislamiento (encamisado) de la
caacutemara de secado para evitar pedidas del calor tambieacuten y la determinacioacuten de nuevas condiciones
de operacioacuten debido a los cambios en los flujos aire
44 Recomendaciones
De acuerdo al estudio realizado mediante el disentildeo factorial se determinoacute que la variacioacuten de la
entrada de aire afecta la presioacuten del sistema por lo que se recomienda manejar una sola condicioacuten
de aire para cada producto con respecto a la velocidad de salida ya que el sistema necesita
mantener el equilibrio de las corrientes de aire para que el calor sea necesario y elimine toda la
humedad posible del vapor de agua para evitar que se concentre en la base coacutenica asiacute mismo la
alimentacioacuten de los soacutelidos finos debe tener propiedades caracteriacutesticas oacuteptimas para evitar la
variacioacuten de las condiciones
27
ANEXOS Anexo 1 Equipo aglomerado
Salida de aire
Base coacutenica
Caacutemara de
secado
Lecho
fluidizado
Entrada de
aire caliente
Separador
cicloacutenico
Zona de aspersioacuten de
solidos secos y vapor
de agua
28
Anexo 2 Carta psicomeacutetrica
Fuente Spray Drying Handbook (Masters 1991)
29
Anexo 3 Caacutelculos de velocidad lineal caudales de aire y volumen del equipo
1765 rpm (2πrads)(042)=7763 ms
600 rpm (2πrads)(030) =2638 ms
700 rpm (2πrads)(030)=3078 ms
800 rpm (2πrads)(030) =3518 ms
900 rpm (2πrads)(030) =3965 ms
1000 rpm (2πrads)(030) =4348 ms
1150 rpm (2πrads)(030)=5057ms
Caudal para las diferentes velocidades lineales
1) Q=VS
Q=2638 ms (π 00335m) 2
Q=930 m3s
2) Q=VS
Q=3078ms (π 00335m) 2
Q=1085m3s
3) Q=VS
Q=3518 ms (π 00335m) 2
Q=1240 m3s
4) Q=VS
Q=4348 ms (π 00335m) 2
Q=1550 m3s
5) Q=VS
Q=5057ms (π 00335m) 2
Q=2002 m3s
6) Q=VS
Q=7763 ms (π 0195 m) 2
Q=3708 m3s
30
Velocidad angular de aire (rpm) Caudal (m3s)
600 rpm 93
700 1085
800 1240
1000 1550
1150 2002
1765 3708
Caudales de aire de entrada y salida
Volumen de la caacutemara de secado
V= ℎ1205871199032
v=97 π (21m)
v=140844 m3
V= ℎ1205871199032
v= (09m) (π 21m)
v=2420 m3
Volumen de la base coacutenica
119907 =π r2 h
3
119907 =π (291) lowast 59
3
V=52313 m3
Volumen total del equipo =21734 m3
582 m
59m
582 m
09 m
43m
97 m
31
Anexo 3Caacutelculos de balance de materia y energiacutea
Se determina la velocidad de flujo de aire y la humedad de salida del aglomerador suponiendo
que no hay peacuterdidas de calor en el secador el balance inicia con la alimentacioacuten de 300 kg de
soacutelidos secoh que contienen 0035 kg de humedad totalkg de soacutelido seco hasta un valor de 0002
kg de humedad totalkg de soacutelido seco El polvo fino a granular entra a 35 ordmC y se desea
descargarlo a 32 ordmC El soacutelido seco tiene una capacidad caloriacutefica de 1465 kJkgK que se supone
constante El aire de calentamiento entra a 230 ordmC y con humedad de 0060 kg H2Okg de aire
seco y debe salir a 130
Balance de materia con respecto a la humedad
GH2 LS X1 GH1 LS X2
Reemplazando valores
(060) + 300 (0035)= GH1+ 300 (0002)
El balance de calor para el secador es
GHG2 LS HS1 GHG1 LS HS2 Q
Se calcula la entalpiacutea del aire de entrada HG1
Aglomerador
G1=
TG1=230
H2=
LS=300 KGSh
TS1=35
X1=0035
G2=
TG2=130
H2=060
Ts 2=378
X2=0002
Q
32
HG1=CS 1005188H 1005188(060)
HG1 CS (TG1 T0 ) H
HG1= CS 230 - 0 + 0060(2501) 17306 KJ Kg aire seco
Se calcula la entalpiacutea del aire de salida HG2
C21005188H 1005188 H1
HG1 CS (TG2 T0 ) H
HG1= (1005 + 188 H1 )130 - 0 + H1 (2501)
HG1=130 + 27454 H1
Se calcula las entalpiacuteas de los soacutelidos
HS1 CP S (TS1 T0) X1 CP A ( TS1 T0)
HS1 1465(35 0) 0035 (4187)(35 0) 5713 kJ kg
HS2 CP S (TS2 T0) X2 CP A ( T2 T0)
HS2 1465 (32 ndash 0 ) + 0002(4187)(32 0)=4714 KJ Kg
Reemplazando en el balance de energiacutea
G (17306)+ 300(5713) = G (130 + 27454 H1)+ 300(4714) + 0
G=2600 Kg aire seco por hora
Resolviendo conjuntamente con el balance de materia
G (060) + 300 (0035)= GH1+ 300 (0002)
2600(060) + 105 = 2600 H1 +06
H1=2600(060) +105 + 060 2600
H1=07427 Kg agua kg aire seco
33
Anexo 4Calculo de eficiencias teacutermicas
Datos
T = 230
Ts =147
T0= 30
T sat=45
Eficiencia teacutermica global
Ntermica global= 1198791minus1198792
1198792minus1198790 X 100
Ntermica global = 230minus147
230minus30 100 =415
Eficiencia de evaporacioacuten
Nevaporacion=1198791minus1198792
1198791minus119879119904119886119905
Nevaporacion = 230minus147
230minus45 100 =4486
34
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Equipment
8
17 Limitaciones y Alcances
Limitaciones
Se respetaran los lineamientos de la empresa por lo que los nombres de los productos a
estudiar seraacuten restringidos y su uso seraacute mediante letras o nuacutemeros
El tiempo de estudio comprenderaacute 3 meses por lo que simplemente se abarcaran los
tipos de cafeacute que se produzcan en ese lapso
Debido a que el proceso es continuo los operarios son los uacutenicos que tienen el control de
las condiciones del equipo por consiguiente se tomaran solo los paraacutemetros empleados
para cada tipo de producto y estas son las que se manejaran en el disentildeo experimental
Alcances
Determinacioacuten de los factores influyentes en la pegajosidad del cafeacute y optimizacioacuten de los
mismos
Control de los paraacutemetros operacionales
Implementacioacuten de acciones de mejora continuacutea para el sistema
18 La Empresa
Cafeacute Tostado de Exportacioacuten tiene su inicio el 13 de Mayo de 1972 en la Ciudad de Tuxtla
Gutieacuterrez Chiapas Es una empresa que pertenece al grupo SANROKE que actualmente se
encuentra ubicada en la ciudad de Coacuterdoba Veracruz Comenzoacute produciendo cafeacute tostado y
molido posteriormente inicia en el proceso de cafeacute soluble logrando obtener otros subproductos
del cafeacute soluble como el aglomerado lechero y capuchino Fue una de las primeras empresas en
su ramo en estar certificada por la norma ISO 90012008 Actualmente cuenta con certificaciones
de labor social medio ambiente calidad orgaacutenicas e inocuidad lo que refleja su cumplimiento de
los estaacutendares internacionales
Es una compantildeiacutea liacuteder por su firme compromiso con la calidad y la satisfaccioacuten del cliente
Sumando hasta el diacutea de hoy deacutecadas de experiencia y dedicacioacuten en la industria del cafeacute El
aumento del consumo de esta bebida en el mundo ha sido paralelo a su desarrollo econoacutemico
representando una gran oportunidad para encontrar nuevos socios y expandir sus actividades
demostrando al resto del mundo coacutemo la disciplina y el trabajo duro conducen al eacutexito
Misioacuten
Elaboracioacuten de productos de la maacutes alta calidad a traveacutes de la seleccioacuten de materia prima superior
y los maacutes altos estaacutendares de manufactura satisfaciendo el gusto de los consumidores generando
beneficios para los accionistas colaboradores clientes proveedores y comunidad en general
9
Visioacuten
Convertirse en liacutederes del mercado nacional y ampliar su presencia en el mercado extranjero con
productos de calidad insuperable con el mejor sabor que proporcione deleite y satisfaccioacuten a
quien los consuma
En cafeacute tostado de exportacioacuten para obtener cafeacute soluble granulado se llevan cabo varias
operaciones unitarias
Tostado se exponen los granos de cafeacute a un calentamiento en el cual provoca inicialmente
una liberacioacuten de agua ligada hasta alcanzar el calor deseado mantenieacutendolo en continuo
movimiento para asegurar un tostado completo del grano cuando finaliza el tostado el
cafeacute es enfriado y almacenado
Molienda y Extraccioacuten para la reduccioacuten del tamantildeo el cafeacute tostado requiere un corte
mediante una accioacuten de compresioacuten y friccioacuten para provocar partiacuteculas de tamantildeo y
forma adecuados Una vez molido se hace la extraccioacuten de solidos solubles aplicando agua
caliente para generar una infusioacuten que obtenga todo el sabor y aroma presente en los
granos
Centrifugacioacuten y evaporacioacuten mediante una maacutequina de fuerza centriacutefuga se elimina la
mayor parte de los residuos que quedan de la extraccioacuten Posteriormente el extracto
liacutequido obtenido entra en la evaporacioacuten donde se elimina la mayor parte de agua y el
producto queda concentrado
Secado el liacutequido es secado mediante un secador por aspersioacuten en una corriente de aire
caliente donde las gotitas finamente al contacto con el calor evaporan el agua
convirtieacutendose en polvo esfeacuterico instantaacuteneo
Aglomeracioacuten es la operacioacuten designada para la formacioacuten de partiacuteculas de mayor
tamantildeo operando sobre la base de re-humidificacioacuten de la superficie del polvo de cafeacute con
vapor de agua en una atmoacutesfera turbulenta de aire caliente de manera que al colisionar
las partiacuteculas entre siacute los finos se adhieren a los gruesos formaacutendose los aglomerados
La variedad de presentaciones y la calidad de sus producto han permitido permanecer en el gusto
del puacuteblico contando con sus tradicionales cafeacutes tostados y molidos los praacutecticos cafeacutes solubles
aglomerados y ahora liofilizado caacutepsulas de cafeacute expreso teacute de cafeacute verde y crema untable
Caferetas Actualmente es liacuteder en el mercado internacional del cafeacute instantaacuteneo liacuteder local y
regional de cafeacute soluble granulado bajo el nombre de cafeacute ldquoLos Portales de Coacuterdoba ldquo
10
CAPIacuteTULO 2 METODOLOGIacuteA
21 Eleccioacuten de los factores y los niveles
Los factores seraacuten las condiciones de operacioacuten del equipo aglomerador de las cuales se
seleccionaran solo las que tengan maacutes impacto en la formacioacuten del granulo y posible influyente en
el problema los niveles estaraacuten definidos como altos y bajos
22 Seleccioacuten de la variable de respuesta
La variable de respuesta estaacute definido como las caracteriacutesticas fisicoquiacutemicas del producto final color densidad humedad dureza y porcentaje de aglomerado pero solo se seleccionaraacuten dos de ellas Tambieacuten se contemplara como respuesta el porcentaje de adhesioacuten
23 Eleccioacuten del disentildeo experimental
La eleccioacuten del disentildeo implicara la consideracioacuten del tamantildeo de la muestra (nuacutemero de reacuteplicas)
El intereacutes se centrara en identificar queacute factores causan esta diferencia y en estimar la magnitud
del cambio de la respuesta Por lo que pueden utilizarse uno o maacutes disentildeos experimentales de
acuerdo a las variables manejadas las cuales pueden ser factorial por bloques completamente al
azar y superficie de respuesta
24 Realizacioacuten del disentildeo de experimentos
Una vez seleccionado el o los disentildeos se ejecutaran para obtener los valores de las respuestas para
la cuales se contara con el apoyo de aacuterea de control de calidad quien proporcionara esta
informacioacuten asiacute como tambieacuten la ayuda de los operarios quienes son los expertos en manejar las
condiciones del equipo Los datos obtenidos se ingresaran a un programa estadiacutestico para
determinar los efectos y obtener las graacuteficas
25 Monitoreo de los flujos de aire humedad relativa y presioacuten del sistema
Se haraacute un monitoreo en los flujos de aire humedad relativa y presioacuten del sistema en lapso de
tiempo adecuado para evaluar el comportamiento de estas variables los datos se registraran en
Excel para la elaboracioacuten de graacuteficas
26 Anaacutelisis de datos
En esta fase se utilizaran programas estadiacutesticos para analizar y comparar los datos a fin de
determinar que los resultados y las conclusiones sean objetivos Se aplicara un anaacutelisis de varianza
11
(anova) la cual puede ser de un solo factor o multifactorial con niveles de significancia
dependiendo del tipo de disentildeo y con ello se haraacute la prueba de hipoacutetesis
27 Anaacutelisis de los efectos de los paraacutemetros operacionales
El anaacutelisis de los efectos de los paraacutemetros operacionales (factores) sobre la variable de
respuesta se efectuara mediante las graacuteficas de interaccioacuten y las graacuteficas de efectos normales que
se obtendraacuten en el software estadiacutestico con la finalidad de determinar coacutemo afecta cada factor
en el comportamiento de una propiedad caracteriacutestica del granulo
28 Aplicacioacuten del balance de materia y energiacutea
Para realizar este caacutelculo primero se haraacuten las conversiones de flujo de aire de velocidad angular a
velocidad lineal para posteriormente calcular el caudal del aire que pasa por los conductos asiacute
mismo se calculara el volumen de la caacutemara de secado y la base conicaEl uso de la carta
psicomeacutetrica seraacute de gran importancia para determinar la humedad absoluta del aire las
eficiencias teacutermicas y la temperatura de saturacioacuten adiabaacutetica Para la entalpia del aire se
utilizaran foacutermulas adecuadas de termodinaacutemica Las formulas del balance de materia y energiacutea
que se utilizara seraacute las establecidas para secadores por aspersioacuten Una vez reunido los valores se
sustituiraacuten para obtener los correspondientes la variable que se necesita encontrar es la cantidad
de humedad relativa y el calor en la salida de la caacutemara de secado
29 Optimizacioacuten del proceso
La optimizacioacuten del proceso se efectuaraacute de acuerdo a los resultados de los monitoreos del flujo
de aire humedad relativa los efectos obtenidos en el disentildeo de experimentos y sobre todo los
caacutelculos de balance de materia ndashenergiacutea
12
CAPIacuteTULO 3 DESARROLLO DEL PROYECTO
31 Equipo experimental
El equipo experimental utilizado fue un secador por aspersioacuten con lecho fluido integrado (Anexo1)
que consta de una caacutemara de secado proyectado sobre una base coacutenica mediante la cual una
corriente de aire caliente es suministrado por un ventilador de entrada creando una atmosfera
turbulenta donde los polvos finos entran en contacto con vapor de agua y mediante el secado se
forman los aglomerados este equipo maneja varias condiciones de operacioacuten que le dan las
caracteriacutesticas al producto Las herramientas estadiacutesticas empleados fueron Excel para el anaacutelisis
de varianza y prueba de hipoacutetesis del disentildeo por bloques al azar minitab para el anaacutelisis de los
efectos de los factores sobre la variable de respuesta y stargrapics para el anaacutelisis de varianza del
segundo disentildeo experimental
32 Monitoreos
Se hizo un monitoreo en los flujos de aire de entrada flujo de salida el vaciacuteo del sistema y la
humedad relativa del aire en un lapso de 5 horas diarias por 10 lotes de produccioacuten evaluando
tambieacuten la adhesioacuten en cada uno de ellos se registraron los datos en Excel mediante estos datos
se elaboroacute una graacutefica de dispersioacuten para ver el comportamiento de estas variables
33 Disentildeo de experimentos
Se utilizoacute un disentildeo de bloques completamente al azar en la cual los tratamientos fueron la
concentracioacuten de azucares con respuesta de porcentaje de adhesioacuten Cabe mencionar que cada
tratamiento indica un tipo de producto por su concentracioacuten
Tabla 1 Tratamientos del disentildeo por bloques al azar
TRATAMIENTO CONCENTRACION
A 0
B 5
C 10
D 15
F 17
Se formularon dos hipoacutetesis
H0=La concentracioacuten de azucares no tiene efecto en la pegajosidad de los polvos finos si F es
menor o igual a la F tabulada
13
H1=La concentracioacuten de azucares tiene efecto significativo si F de Fisher es mayor que la F
tabulada
Se utilizoacute un disentildeo factorial 23 para determinar el efecto de tres condiciones de operacioacuten
(factores) las cuales fueron velocidad de aire temperatura de entrada y temperatura de salida con
dos niveles teniendo como respuestas la dureza del granulo para 5 tipos de cafeacute soluble
Tabla 2 Factores y niveles del Disentildeo factorial 23
TIPOS FACTORES NIVEL BAJO NIVEL ALTO RESPUESTAS
Cafeacute soluble
ABCDF
Temperatura de entrada
217 227 220 212
235 231 236 228
Dureza
Temperatura de salida
133 139 137 134
135 142 138 135
Velocidad de aire
800 849 690 975
1000 850 950 1050
Tambieacuten se empleoacute un disentildeo factorial de 23 para determinar los efectos de tres factores No
Criba del molino de martillos con nivel de 33-55 la presioacuten de vapor con nivel de 15-20 y la
temperatura de producto nivel de 30-35 las respuestas que se eligieron para este disentildeo fue la
dureza del granulo y el porcentaje de aglomerado este experimento se inicioacute empleado la
herramienta estadista minitab en la cual se ingresaron estos factores con sus niveles arrojando 8
corridas por las combinaciones
Tabla 3 Corridas experimentales del disentildeo 23
Factores
corridas Presioacuten de
vapor
NoCriba Temperatura de
partiacutecula
1 15 33 30
2 2 33 30
3 15 54 30
4 2 54 30
5 15 33 35
6 2 33 35
7 15 54 35
8 2 54 35
14
34 Realizacioacuten del disentildeo de experimentos
Para la ejecucioacuten del disentildeo de experimentos se siguioacute con el programa de produccioacuten iniciando
con el disentildeo por bloque completamente al azar la cual se llevoacute en la aglomeracioacuten de 5 tipos de
cafeacute con diferentes concentraciones mencionadas anteriormente desde el arranque del equipo en
la cual los soacutelidos finos iniciales que se cargaron fueron un cafeacute A sin concentracioacuten
posteriormente se cambioacute a los siguientes tipos (BCDF) las condiciones operativas del equipo
estuvieron de la siguiente manera temperaturas de entrada de 190 a 230 temperatura de salida
de 100-140 y velocidad de aire de 600 a 1000 rpm Cada vez que se haciacutea un cambio de producto
se sacoacute la cantidad de solidos finos adheridos de la siguiente manera
(Cantidad alimentada x 98 de rendimiento fijo)- (Cantidad producida)
Mediante esta foacutermula se obtuvo el porcentaje de cada tipo de cafeacute retenido en la base coacutenica
Cantidad adherida x 100
Cantidad alimentada
Los datos quedaron registrados en la tabla 4 donde cada repeticioacuten indica un lote de produccioacuten
diferente
Tabla 4Disentildeo de bloques completamente al azar
REPETICIONES
TRATAMIENTOS I II III
A 625 6033 702
B 1071 859 12
C 7015 6033 927
D 583 95 892
F 992 704 859
G 113 853 905
El primer disentildeo factorial se llevoacute a cabo en la aglomeracioacuten de 4 tipos de cafeacute soluble en la cual
se monitoreo la interaccioacuten de cada factor de acuerdo a los niveles establecidos sobre la respuesta
y se registraron los resultados Las partiacuteculas finas teniacutean las siguientes propiedades iniciales
Densidad 180-210 grcm3
Color 72-84
Humedad 2 a 35
15
Los resultados de los anaacutelisis fisicoquiacutemicos (dureza) fueron proporcionados por el aacuterea de control
de calidad estos datos se ingresaron en minitab y se hizo el anaacutelisis factorial obteniendo las
graacuteficas de interaccioacuten asiacute como tambieacuten la significancia de los efectos
El segundo disentildeo factorial se llevoacute cabo en la aglomeracioacuten de un lote de cafeacute soluble regular con
las siguientes propiedades
Color 72-85
Humedad 2-35
Densidad 190-210
La duracioacuten del lote fue de 10 horas el equipo empleo una velocidad de aire entrada de 900 rpm
con temperatura de 220degc y una velocidad de aire salida de 1765 rpm con temperatura de 135 degC
Se recibioacute ayuda por parte de los operarios para las combinaciones y cada vez que esta se
ejecutaba se tomoacute muestras de 10 grs y se llevoacute a control de calidad para los anaacutelisis de dureza y
porcentaje de aglomerado por cada corrida finalizando este experimento se registraron todos los
resultados en minitab y se hizo el anaacutelisis del disentildeo para las significancias de los factores cabe
mencionar que mediante este programa se obtuvieron las graacuteficas de interaccioacuten
35 Anaacutelisis de datos
Para determinar cualitativamente el efecto de los paraacutemetros del proceso en la aglomeracioacuten de
las partiacuteculas de cafeacute soluble se aplicoacute un anaacutelisis de varianza (ANOVA) con un nivel de
significancia α del 5 a los resultados experimentales La dureza y el porcentaje de
aglomerado se seleccionaron como paraacutemetro de respuestase utilizo el programa de stargrapics
para el anaacutelisis
36 Balance de materia energiacutea
Para el balance de materia y energiacutea primero se hicieron las conversiones de la velocidad angular
del aire de entrada y salida (rpm) a velocidad lineal (ms) empleando la foacutermula
(1rpm) (2π rad)60 x (radio) Asiacute como el caacutelculo del volumen de la caacutemara de secado (anexo 3)
El caacutelculo del caudal de aire de entrada se realizoacute empleando la foacutermula
119876 = 119881 119878
Donde
V=velocidad lineal del aire (ms)
S=aacuterea de la seccioacuten trasversal (m2)
El radio de la seccioacuten transversal para ventilador de entrada fue 0335 y la de salida de 0195
Se sacaron las eficiencias teacutermicas del equipo de la siguiente manera
16
Eficiencia teacutermica global= (11987911198792
1198792119879119900)
Eficiencia de evaporacioacuten= (1198791 1198792
1198791 119879119904119886119905)
Para determinar las temperaturas de saturacioacuten adiabaacutetica (TSAT) y (T0) se utilizoacute la carta psicomeacutetrica (Anexo 2) El balance quedo estructurada de la siguiente forma
Figura 1 Diagrama de flujo del aglomerador
Donde FS1=masa del solido seco (kg)
Ga flujo de aire (kgh)
Ws=contenido de humedad del alimento (kg agua kg solido seco)
Ta=temperatura de entrada
Ta1=temperatura de salida
Ta2=temperatura de solidos
Ga1=flujo de aire entrada
Ga2=flujo salida de aire
H1= humedad relativa del aire entrada
H2=humedad relativa del aire salida
El balance del sistema sin peacuterdidas ni acumulacioacuten quedo de la siguiente manera
FS WS1 +Ga Ha1 = FS WS2 +Ga Ha2
17
Mientras que el balance de energiacutea
FS QS1+ Ga Qa1 = FS QS2 +Ga Qa2 +QL
Donde qs1 y qs2 son las entalpiacuteas del soacutelido entrando y saliendo del secador (KJKg) qa1 y qa2 son
las entalpiacuteas del aire entrando y saliendo del secador (KJKg) qL es el calor perdido (KJ)
El balance con respecto a la humedad se determinoacute mediante la siguiente formula
GH2 LS X1 GH1 LS X2
Donde
GH2= flujo de aire
Ls = flujo de alimentacioacuten
X1= humedad de los soacutelidos iniciales
La entalpia de la salida de aire se calculoacute mediante la foacutermula
HG C2 (TG T0) H
Donde
TG= Temperatura del aire
T0= Temperatura saturacioacuten
H=Entalpia del solido seco
37 Optimizacioacuten
La optimizacioacuten del proceso se llevoacute a cabo en el control de los factores incidentes en la cual se establecieron los rangos a utilizar esto derivado de los caacutelculos de balance y lo obtenido de los efectos en el disentildeo experimental los operarios se apegaron a estas condiciones con sus respectivos rangos y lo llevaron a cabo durante 8 lotes de produccioacuten en ese lapso de tiempo se evaluoacute el comportamiento del rendimiento se registraron los datos y se graficaron
18
CAPIacuteTULO 4 RESULTADOS Y CONCLUSIONES
41 Resultados
Anaacutelisis de efectos disentildeo factorial No1
Figura 2Grafica de efectos normales para el cafeacute soluble ABCD
En la figura 2 se observa la distribucioacuten de los factores A B C para los 4 tipos de cafeacute en la cual la
temperatura de entrada tiene efecto significativo en la dureza con una significancia del 92
mientras que los demaacutes factores no presentaron efectos significativos aunque tambieacuten influyen en
una combinacioacuten para dar la caracteriacutestica fisicoquiacutemica
19
Figura 3Grafica de interaccioacuten para cafeacute
soluble A
Figura 4 Grafica de interaccioacuten para cafeacute
soluble B
Figura 5Grafica de interaccioacuten para cafeacute soluble
C
Figura 6Grafica de interaccioacuten para cafeacute
soluble D
En las figuras 3 4 5 y 6 se muestran el comportamiento de la dureza de acuerdo a los factores
manejados para los cuatro tipos de cafeacute y en cada una de ella se aprecia que los niveles menores
de la temperatura de salida con la temperatura de entrada dieron una dureza igual y por debajo
de 10 asiacute mismo en el factor de velocidad de aire tambieacuten tuvo un comportamiento con niveles
menores Cabe mencionar que ninguna de las combinaciones obtuvo una dureza optima por lo
que se determinoacute que el incremento en la temperatura de salida aumenta la dureza obteniendo
un granulo maacutes fraacutegil
20
Anaacutelisis del disentildeo factorial No2
Figura 7Grafica de efectos normales para
dureza del cafeacute regular
Figura 8Grafica de efectos principales para dureza
del cafeacute regular
En las figuras 7 y 8 se observa que el No de criba tiene efecto significativo sobre la dureza es decir
entre menor abertura tenga la criba la dureza es mucho menor los graacutenulos son maacutes resistentes
mientras que entre mayor sea la abertura los graacutenulos son maacutes fraacutegiles (dureza alta) cabe
mencionar que la mejor dureza obtenida fue con el nuacutemero de malla 33 la presioacuten de vapor de
15 y la temperatura de partiacutecula de 30deg c
Figura 9 Grafica de efectos normales para
porcentaje de aglomerado del cafeacute regular
Figura 10Grafica de interaccioacuten para porcentaje
de aglomerado del cafeacute regular
21
En las figuras 9 y 10 se observa que la temperatura del producto el nuacutemero de criba tiene efecto
significativo sobre el porcentaje de aglomerado entre mayor es el nivel el porcentaje de
aglomerado disminuye determinado que hay maacutes cantidad de polvos finos asiacute mismo si el nivel
de los factores es bajo el porcentaje incremente constantemente Por lo que el comportamiento
del graacutenulo se acopla al incremento o disminucioacuten de estas variables
Monitoreos
Figura 11Grafica de dispersioacuten de la presioacuten del sistema
Figura 12 Grafica del vaciacuteo vs porcentaje de adhesioacuten
En las figuras 11 y 12 se observa el comportamiento del vaciacuteo con las variaciones de aire de
entrada Cabe mencionar que el sistema empleo una sola salida de aire de 1765 rpm Durante los
monitoreos los productos presentaron pegajosidad con entradas de aire menores a 900 rpm
mientras tanto de 1000 a 1150 rpm los productos no presentaron pegajosidad Lo mismo sucedioacute
en el comportamiento del vaciacuteo del sistema para la cual la pegajosidad aumenta y el rendimiento
disminuye con respecto al incremento del vaciacuteo Por lo que esta variable es el factor determinante
y con ello se prueba la hipoacutetesis que la variacioacuten en la presioacuten del sistema genera un arrastre
excesivo de polvos y la humedad no se elimina lo suficiente
120011001000900800700600
08
07
06
05
04
velocidad de entrada( Rpm)
vacio
del
sis
tem
a (
inh
20
)
Graacutefica de dispersioacuten de vacio del sistema vs velocidad de entrada
0
2
4
6
8
10
12
14
0 02 04 06 08 1
D
E A
DH
ESIO
N
VACIO DEL SISTEMA IN H20
22
Figura 13 Graacutefico de humedad relativa del aire
En la figura 13 se aprecia que la humedad relativa del aire inicialmente fue de 66 que
incrementoacute durante los siguientes diacuteas pero fue disminuyendo hasta llegar al 50 Esto debido a
los cambios climaacuteticos cabe mencionar que el equipo no cuenta con un filtrador para retirar el
porcentaje de agua del aire por lo que esta ingresa directamente a la caacutemara de secado siendo
una variable maacutes influyente en la adhesioacuten de los polvos finos
Anaacutelisis de datos
Tabla 5 Anaacutelisis de varianza de dos factores con una sola muestra por grupo
RESUMEN Cuenta Suma Promedio Varianza Fila 1 3 19303 643433333 026902633
Fila 2 3 313 104333333 296443333 Fila 3 3 22318 743933333 275458633 Fila 4 3 2425 808333333 389223333 Fila 5 3 2555 851666667 207763333 Fila 6 3 2888 962666667 216763333
Columna 1 6 51025 850416667 582740417 Columna 2 6 45726 7621 21353864 Columna 3 6 5485 914166667 260997667
Origen de las variaciones
Suma de cuadrados
Grados de libertad
Promedio de los cuadrados F Probabilidad
Valor criacutetico para
F Tratamientos 316103776 5 632207552 297461023 006699316 332583453
Bloques 699763344 2 349881672 164623405 024097493 410282102
Graacutefico de humedad realtva vs lote
0 3 6 9 12 15
lote
50
54
58
62
66
70
74
hu
med
ad
realt
va
23
Error 212534586 10 212534586
Total 598614696 17
En la tabla 5 se muestra el anaacutelisis de varianza de del disentildeo por bloques completamente al azar
de las diferentes concentraciones de azuacutecar por cada tipo de producto Dado que el f de Fisher es
menor que la f tabulada indica que no hay diferencias significativas por lo que se acepta la
hipoacutetesis nula la concentracioacuten de azucares no tiene efecto significativo en la adhesioacuten del cafeacute
ya que la mayoriacutea tuvo un porcentaje de adhesioacuten alta en las tres repeticiones cabe mencionar
que el producto A sin concentracioacuten tambieacuten tuvo adhesioacuten en la suma de cuadrados por bloques
tampoco hubo diferencias significativas
Tabla 6 Anaacutelisis de Varianza para dureza - Suma de Cuadrados Tipo III
Fuente Suma de Cuadrados
Gl Cuadrado Medio
Razoacuten-F Valor-P
EFECTOS PRINCIPALES
APRESION DE VAPOR 005445 1 005445 006 08164
BTAMANtildeO DE PARTICULA 121525 1 121525 1372 00208
CTEMPERATURA DE PARTICULA 471245 1 471245 532 00823
RESIDUOS
354305 4 0885763
TOTAL (CORREGIDO) 204624 7
La tabla 6 muestra el anaacutelisis de varianza del disentildeo factorial en la cual se descompone la
variabilidad de dureza en contribuciones debidas a varios factores Puesto que se ha escogido la
suma de cuadrados Tipo III (por omisioacuten) la contribucioacuten de cada factor se mide eliminando los
efectos de los demaacutes factores Los valores-P prueban la significancia estadiacutestica de cada uno de los
factores Puesto que un valor-P es menor que 005 este factor tiene un efecto estadiacutesticamente
significativo sobre dureza con un 950 de nivel de confianza
24
Figura 14Grafico anova para dureza
En la figura 14 se muestra el grafico anova y se observa la distribucioacuten de la respuesta para los
factores en la cual todas las razones-F se basan en el cuadrado medio del error residual La
mayoriacutea presenta distribucioacuten anova con el valor p mayor a 05 sin embargo para el factor tamantildeo
de partiacutecula el valor es menor a 05 con significancia
Balance de energiacutea
En el balance de materia y energiacutea se obtuvo que la humedad en la salida aglomerado es del 73
cuando hay una entrada de aire de 1550 m3 s con 50 de humedad relativa a una temperatura
de 230degc necesita 1730 KJ kg de calor con una cantidad de aire seco de 2600 kg h para sistema
adiabaacutetico sim embargo el aglomerador no es de este tipo de sistema por lo que se evaluoacute en un
graacutefico psicomeacutetrico (anexo1) encontraacutendose
El aire se calienta a humedad constante (To -T1) Si la caacutemara estuviera aislada y toda la energiacutea
posible se utilizara el aire se enfriariacutea adiabaacuteticamente y la temperatura miacutenima a alcanzar seriacutea la
de bulbo seco de saturacioacuten (Tsat) En realidad la caacutemara no estaacute aislada y no se sigue un
enfriamiento adiabaacutetico El aire sale a una temperatura T2 (ni estaacute saturado ni el proceso es
adiabaacutetico) debido a la baja relacioacuten aire-producto Si el proceso fuera adiabaacutetico saldriacutea a T2
(proceso adiabaacutetico y masas iguales de aire y producto)
ANOVA Graacutefico para DUREZA
-25 -15 -05 05 15 25
Residuos
PRESION DE VAPOR P = 0816415 2
TAMANtildeO DE PARTICULA P = 0020833 54
TEMPERATURA DE PARTICULA P = 0082330 35
25
Optimizacioacuten
De acuerdo a los caacutelculos de balance de materia los flujos de aire de 900 pm a 1100 rpm con una
salida de 1765 rpm mantienen el calor necesario para eliminar la humedad por lo que estas
variables son las que se implementaron y controlaron para la aglomeracioacuten de los diversos
productos
Figura 15 Grafica de rendimientos con flujo de aire de 900 rpm a 1100 rpm
En la figura 15 se observa el comportamiento del rendimiento con las condiciones aire manejadas
que mantuvieron un vaciacuteo de 04 y 05 inicialmente el rendimiento no fue favorable debido a la
humedad relativa sin embargo en los siguientes lotes el rendimiento se mantuvo del 94
mejorando en los siguientes diacuteas al 97 siendo favorable con ello el porcentaje de adhesioacuten
disminuyo al 3 con estas condiciones la caracteriacutestica de porcentaje de aglomerado incremento
al rango oacuteptimo
La optimizacioacuten de las variables de temperatura de salida y tamantildeo de criba consistioacute en la
reduccioacuten de sus rangos de operacioacuten para la cual la dureza mejoroacute apegaacutendose al rango oacuteptimo
925
93
935
94
945
95
955
96
965
0 2 4 6 8 10 12 14
Ren
dim
ien
to
lote
26
42 Conclusiones
Mediante el disentildeo experimentos se encontroacute que el aumento de dos factores temperatura de
salida y el tamantildeo de partiacutecula influyen en el bajo porcentaje de aglomerado y el incremento en la
dureza por que el granulo aglomerado presenta fragilidad y una cantidad de polvos finos Asiacute
mismo con el disentildeo por bloques se determinoacute que la concentracioacuten de azuacutecares de los cafeacutes no
tiene efecto significativo tomando como muestra patroacuten un producto sin concentracioacuten que
tambieacuten presento adhesioacuten en las tres repeticiones Durante el monitoreo se observoacute que los
soacutelidos aglomerados a condiciones de bajo vaciacuteo con humedad relativa del aire baja no
presentaban ninguacuten problema de adhesioacuten mientras que los producto a condiciones de vaciacuteo alto
con humedades por encima de 60 presentaban mayor adhesioacuten en balance de materia se
observoacute que una humedad relativa alta en la salida del equipo necesita mayor calor y cantidad de
aire de entrada para ser eliminado asiacute mismo mediante las eficiencias teacutermicas se evaluoacute el
sistema en una carta psicomeacutetrica y se determinoacute que hay perdida calor en la caacutemara de secado
al no ser adiabaacutetico por lo que la optimizacioacuten del proceso solo fue parcial enfocaacutendose solo a
condiciones del aire de entrada y salida en la que el rendimiento mejoro en un promedio del 96
43 Trabajos Futuros
Derivado al balance y los caacutelculos la humedad relativa es un factor importante en la adhesioacuten del
producto es por ello que el proyecto tiene continuidad en la implementacioacuten de un desumificador
de aire para que el sistema tenga una inyeccioacuten de aire seco el aislamiento (encamisado) de la
caacutemara de secado para evitar pedidas del calor tambieacuten y la determinacioacuten de nuevas condiciones
de operacioacuten debido a los cambios en los flujos aire
44 Recomendaciones
De acuerdo al estudio realizado mediante el disentildeo factorial se determinoacute que la variacioacuten de la
entrada de aire afecta la presioacuten del sistema por lo que se recomienda manejar una sola condicioacuten
de aire para cada producto con respecto a la velocidad de salida ya que el sistema necesita
mantener el equilibrio de las corrientes de aire para que el calor sea necesario y elimine toda la
humedad posible del vapor de agua para evitar que se concentre en la base coacutenica asiacute mismo la
alimentacioacuten de los soacutelidos finos debe tener propiedades caracteriacutesticas oacuteptimas para evitar la
variacioacuten de las condiciones
27
ANEXOS Anexo 1 Equipo aglomerado
Salida de aire
Base coacutenica
Caacutemara de
secado
Lecho
fluidizado
Entrada de
aire caliente
Separador
cicloacutenico
Zona de aspersioacuten de
solidos secos y vapor
de agua
28
Anexo 2 Carta psicomeacutetrica
Fuente Spray Drying Handbook (Masters 1991)
29
Anexo 3 Caacutelculos de velocidad lineal caudales de aire y volumen del equipo
1765 rpm (2πrads)(042)=7763 ms
600 rpm (2πrads)(030) =2638 ms
700 rpm (2πrads)(030)=3078 ms
800 rpm (2πrads)(030) =3518 ms
900 rpm (2πrads)(030) =3965 ms
1000 rpm (2πrads)(030) =4348 ms
1150 rpm (2πrads)(030)=5057ms
Caudal para las diferentes velocidades lineales
1) Q=VS
Q=2638 ms (π 00335m) 2
Q=930 m3s
2) Q=VS
Q=3078ms (π 00335m) 2
Q=1085m3s
3) Q=VS
Q=3518 ms (π 00335m) 2
Q=1240 m3s
4) Q=VS
Q=4348 ms (π 00335m) 2
Q=1550 m3s
5) Q=VS
Q=5057ms (π 00335m) 2
Q=2002 m3s
6) Q=VS
Q=7763 ms (π 0195 m) 2
Q=3708 m3s
30
Velocidad angular de aire (rpm) Caudal (m3s)
600 rpm 93
700 1085
800 1240
1000 1550
1150 2002
1765 3708
Caudales de aire de entrada y salida
Volumen de la caacutemara de secado
V= ℎ1205871199032
v=97 π (21m)
v=140844 m3
V= ℎ1205871199032
v= (09m) (π 21m)
v=2420 m3
Volumen de la base coacutenica
119907 =π r2 h
3
119907 =π (291) lowast 59
3
V=52313 m3
Volumen total del equipo =21734 m3
582 m
59m
582 m
09 m
43m
97 m
31
Anexo 3Caacutelculos de balance de materia y energiacutea
Se determina la velocidad de flujo de aire y la humedad de salida del aglomerador suponiendo
que no hay peacuterdidas de calor en el secador el balance inicia con la alimentacioacuten de 300 kg de
soacutelidos secoh que contienen 0035 kg de humedad totalkg de soacutelido seco hasta un valor de 0002
kg de humedad totalkg de soacutelido seco El polvo fino a granular entra a 35 ordmC y se desea
descargarlo a 32 ordmC El soacutelido seco tiene una capacidad caloriacutefica de 1465 kJkgK que se supone
constante El aire de calentamiento entra a 230 ordmC y con humedad de 0060 kg H2Okg de aire
seco y debe salir a 130
Balance de materia con respecto a la humedad
GH2 LS X1 GH1 LS X2
Reemplazando valores
(060) + 300 (0035)= GH1+ 300 (0002)
El balance de calor para el secador es
GHG2 LS HS1 GHG1 LS HS2 Q
Se calcula la entalpiacutea del aire de entrada HG1
Aglomerador
G1=
TG1=230
H2=
LS=300 KGSh
TS1=35
X1=0035
G2=
TG2=130
H2=060
Ts 2=378
X2=0002
Q
32
HG1=CS 1005188H 1005188(060)
HG1 CS (TG1 T0 ) H
HG1= CS 230 - 0 + 0060(2501) 17306 KJ Kg aire seco
Se calcula la entalpiacutea del aire de salida HG2
C21005188H 1005188 H1
HG1 CS (TG2 T0 ) H
HG1= (1005 + 188 H1 )130 - 0 + H1 (2501)
HG1=130 + 27454 H1
Se calcula las entalpiacuteas de los soacutelidos
HS1 CP S (TS1 T0) X1 CP A ( TS1 T0)
HS1 1465(35 0) 0035 (4187)(35 0) 5713 kJ kg
HS2 CP S (TS2 T0) X2 CP A ( T2 T0)
HS2 1465 (32 ndash 0 ) + 0002(4187)(32 0)=4714 KJ Kg
Reemplazando en el balance de energiacutea
G (17306)+ 300(5713) = G (130 + 27454 H1)+ 300(4714) + 0
G=2600 Kg aire seco por hora
Resolviendo conjuntamente con el balance de materia
G (060) + 300 (0035)= GH1+ 300 (0002)
2600(060) + 105 = 2600 H1 +06
H1=2600(060) +105 + 060 2600
H1=07427 Kg agua kg aire seco
33
Anexo 4Calculo de eficiencias teacutermicas
Datos
T = 230
Ts =147
T0= 30
T sat=45
Eficiencia teacutermica global
Ntermica global= 1198791minus1198792
1198792minus1198790 X 100
Ntermica global = 230minus147
230minus30 100 =415
Eficiencia de evaporacioacuten
Nevaporacion=1198791minus1198792
1198791minus119879119904119886119905
Nevaporacion = 230minus147
230minus45 100 =4486
34
BIBLIOGRAFIacuteA Litster J (2003) Scaleup of wet granulation processes Powder and Tecnology 130 35-40
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9
Visioacuten
Convertirse en liacutederes del mercado nacional y ampliar su presencia en el mercado extranjero con
productos de calidad insuperable con el mejor sabor que proporcione deleite y satisfaccioacuten a
quien los consuma
En cafeacute tostado de exportacioacuten para obtener cafeacute soluble granulado se llevan cabo varias
operaciones unitarias
Tostado se exponen los granos de cafeacute a un calentamiento en el cual provoca inicialmente
una liberacioacuten de agua ligada hasta alcanzar el calor deseado mantenieacutendolo en continuo
movimiento para asegurar un tostado completo del grano cuando finaliza el tostado el
cafeacute es enfriado y almacenado
Molienda y Extraccioacuten para la reduccioacuten del tamantildeo el cafeacute tostado requiere un corte
mediante una accioacuten de compresioacuten y friccioacuten para provocar partiacuteculas de tamantildeo y
forma adecuados Una vez molido se hace la extraccioacuten de solidos solubles aplicando agua
caliente para generar una infusioacuten que obtenga todo el sabor y aroma presente en los
granos
Centrifugacioacuten y evaporacioacuten mediante una maacutequina de fuerza centriacutefuga se elimina la
mayor parte de los residuos que quedan de la extraccioacuten Posteriormente el extracto
liacutequido obtenido entra en la evaporacioacuten donde se elimina la mayor parte de agua y el
producto queda concentrado
Secado el liacutequido es secado mediante un secador por aspersioacuten en una corriente de aire
caliente donde las gotitas finamente al contacto con el calor evaporan el agua
convirtieacutendose en polvo esfeacuterico instantaacuteneo
Aglomeracioacuten es la operacioacuten designada para la formacioacuten de partiacuteculas de mayor
tamantildeo operando sobre la base de re-humidificacioacuten de la superficie del polvo de cafeacute con
vapor de agua en una atmoacutesfera turbulenta de aire caliente de manera que al colisionar
las partiacuteculas entre siacute los finos se adhieren a los gruesos formaacutendose los aglomerados
La variedad de presentaciones y la calidad de sus producto han permitido permanecer en el gusto
del puacuteblico contando con sus tradicionales cafeacutes tostados y molidos los praacutecticos cafeacutes solubles
aglomerados y ahora liofilizado caacutepsulas de cafeacute expreso teacute de cafeacute verde y crema untable
Caferetas Actualmente es liacuteder en el mercado internacional del cafeacute instantaacuteneo liacuteder local y
regional de cafeacute soluble granulado bajo el nombre de cafeacute ldquoLos Portales de Coacuterdoba ldquo
10
CAPIacuteTULO 2 METODOLOGIacuteA
21 Eleccioacuten de los factores y los niveles
Los factores seraacuten las condiciones de operacioacuten del equipo aglomerador de las cuales se
seleccionaran solo las que tengan maacutes impacto en la formacioacuten del granulo y posible influyente en
el problema los niveles estaraacuten definidos como altos y bajos
22 Seleccioacuten de la variable de respuesta
La variable de respuesta estaacute definido como las caracteriacutesticas fisicoquiacutemicas del producto final color densidad humedad dureza y porcentaje de aglomerado pero solo se seleccionaraacuten dos de ellas Tambieacuten se contemplara como respuesta el porcentaje de adhesioacuten
23 Eleccioacuten del disentildeo experimental
La eleccioacuten del disentildeo implicara la consideracioacuten del tamantildeo de la muestra (nuacutemero de reacuteplicas)
El intereacutes se centrara en identificar queacute factores causan esta diferencia y en estimar la magnitud
del cambio de la respuesta Por lo que pueden utilizarse uno o maacutes disentildeos experimentales de
acuerdo a las variables manejadas las cuales pueden ser factorial por bloques completamente al
azar y superficie de respuesta
24 Realizacioacuten del disentildeo de experimentos
Una vez seleccionado el o los disentildeos se ejecutaran para obtener los valores de las respuestas para
la cuales se contara con el apoyo de aacuterea de control de calidad quien proporcionara esta
informacioacuten asiacute como tambieacuten la ayuda de los operarios quienes son los expertos en manejar las
condiciones del equipo Los datos obtenidos se ingresaran a un programa estadiacutestico para
determinar los efectos y obtener las graacuteficas
25 Monitoreo de los flujos de aire humedad relativa y presioacuten del sistema
Se haraacute un monitoreo en los flujos de aire humedad relativa y presioacuten del sistema en lapso de
tiempo adecuado para evaluar el comportamiento de estas variables los datos se registraran en
Excel para la elaboracioacuten de graacuteficas
26 Anaacutelisis de datos
En esta fase se utilizaran programas estadiacutesticos para analizar y comparar los datos a fin de
determinar que los resultados y las conclusiones sean objetivos Se aplicara un anaacutelisis de varianza
11
(anova) la cual puede ser de un solo factor o multifactorial con niveles de significancia
dependiendo del tipo de disentildeo y con ello se haraacute la prueba de hipoacutetesis
27 Anaacutelisis de los efectos de los paraacutemetros operacionales
El anaacutelisis de los efectos de los paraacutemetros operacionales (factores) sobre la variable de
respuesta se efectuara mediante las graacuteficas de interaccioacuten y las graacuteficas de efectos normales que
se obtendraacuten en el software estadiacutestico con la finalidad de determinar coacutemo afecta cada factor
en el comportamiento de una propiedad caracteriacutestica del granulo
28 Aplicacioacuten del balance de materia y energiacutea
Para realizar este caacutelculo primero se haraacuten las conversiones de flujo de aire de velocidad angular a
velocidad lineal para posteriormente calcular el caudal del aire que pasa por los conductos asiacute
mismo se calculara el volumen de la caacutemara de secado y la base conicaEl uso de la carta
psicomeacutetrica seraacute de gran importancia para determinar la humedad absoluta del aire las
eficiencias teacutermicas y la temperatura de saturacioacuten adiabaacutetica Para la entalpia del aire se
utilizaran foacutermulas adecuadas de termodinaacutemica Las formulas del balance de materia y energiacutea
que se utilizara seraacute las establecidas para secadores por aspersioacuten Una vez reunido los valores se
sustituiraacuten para obtener los correspondientes la variable que se necesita encontrar es la cantidad
de humedad relativa y el calor en la salida de la caacutemara de secado
29 Optimizacioacuten del proceso
La optimizacioacuten del proceso se efectuaraacute de acuerdo a los resultados de los monitoreos del flujo
de aire humedad relativa los efectos obtenidos en el disentildeo de experimentos y sobre todo los
caacutelculos de balance de materia ndashenergiacutea
12
CAPIacuteTULO 3 DESARROLLO DEL PROYECTO
31 Equipo experimental
El equipo experimental utilizado fue un secador por aspersioacuten con lecho fluido integrado (Anexo1)
que consta de una caacutemara de secado proyectado sobre una base coacutenica mediante la cual una
corriente de aire caliente es suministrado por un ventilador de entrada creando una atmosfera
turbulenta donde los polvos finos entran en contacto con vapor de agua y mediante el secado se
forman los aglomerados este equipo maneja varias condiciones de operacioacuten que le dan las
caracteriacutesticas al producto Las herramientas estadiacutesticas empleados fueron Excel para el anaacutelisis
de varianza y prueba de hipoacutetesis del disentildeo por bloques al azar minitab para el anaacutelisis de los
efectos de los factores sobre la variable de respuesta y stargrapics para el anaacutelisis de varianza del
segundo disentildeo experimental
32 Monitoreos
Se hizo un monitoreo en los flujos de aire de entrada flujo de salida el vaciacuteo del sistema y la
humedad relativa del aire en un lapso de 5 horas diarias por 10 lotes de produccioacuten evaluando
tambieacuten la adhesioacuten en cada uno de ellos se registraron los datos en Excel mediante estos datos
se elaboroacute una graacutefica de dispersioacuten para ver el comportamiento de estas variables
33 Disentildeo de experimentos
Se utilizoacute un disentildeo de bloques completamente al azar en la cual los tratamientos fueron la
concentracioacuten de azucares con respuesta de porcentaje de adhesioacuten Cabe mencionar que cada
tratamiento indica un tipo de producto por su concentracioacuten
Tabla 1 Tratamientos del disentildeo por bloques al azar
TRATAMIENTO CONCENTRACION
A 0
B 5
C 10
D 15
F 17
Se formularon dos hipoacutetesis
H0=La concentracioacuten de azucares no tiene efecto en la pegajosidad de los polvos finos si F es
menor o igual a la F tabulada
13
H1=La concentracioacuten de azucares tiene efecto significativo si F de Fisher es mayor que la F
tabulada
Se utilizoacute un disentildeo factorial 23 para determinar el efecto de tres condiciones de operacioacuten
(factores) las cuales fueron velocidad de aire temperatura de entrada y temperatura de salida con
dos niveles teniendo como respuestas la dureza del granulo para 5 tipos de cafeacute soluble
Tabla 2 Factores y niveles del Disentildeo factorial 23
TIPOS FACTORES NIVEL BAJO NIVEL ALTO RESPUESTAS
Cafeacute soluble
ABCDF
Temperatura de entrada
217 227 220 212
235 231 236 228
Dureza
Temperatura de salida
133 139 137 134
135 142 138 135
Velocidad de aire
800 849 690 975
1000 850 950 1050
Tambieacuten se empleoacute un disentildeo factorial de 23 para determinar los efectos de tres factores No
Criba del molino de martillos con nivel de 33-55 la presioacuten de vapor con nivel de 15-20 y la
temperatura de producto nivel de 30-35 las respuestas que se eligieron para este disentildeo fue la
dureza del granulo y el porcentaje de aglomerado este experimento se inicioacute empleado la
herramienta estadista minitab en la cual se ingresaron estos factores con sus niveles arrojando 8
corridas por las combinaciones
Tabla 3 Corridas experimentales del disentildeo 23
Factores
corridas Presioacuten de
vapor
NoCriba Temperatura de
partiacutecula
1 15 33 30
2 2 33 30
3 15 54 30
4 2 54 30
5 15 33 35
6 2 33 35
7 15 54 35
8 2 54 35
14
34 Realizacioacuten del disentildeo de experimentos
Para la ejecucioacuten del disentildeo de experimentos se siguioacute con el programa de produccioacuten iniciando
con el disentildeo por bloque completamente al azar la cual se llevoacute en la aglomeracioacuten de 5 tipos de
cafeacute con diferentes concentraciones mencionadas anteriormente desde el arranque del equipo en
la cual los soacutelidos finos iniciales que se cargaron fueron un cafeacute A sin concentracioacuten
posteriormente se cambioacute a los siguientes tipos (BCDF) las condiciones operativas del equipo
estuvieron de la siguiente manera temperaturas de entrada de 190 a 230 temperatura de salida
de 100-140 y velocidad de aire de 600 a 1000 rpm Cada vez que se haciacutea un cambio de producto
se sacoacute la cantidad de solidos finos adheridos de la siguiente manera
(Cantidad alimentada x 98 de rendimiento fijo)- (Cantidad producida)
Mediante esta foacutermula se obtuvo el porcentaje de cada tipo de cafeacute retenido en la base coacutenica
Cantidad adherida x 100
Cantidad alimentada
Los datos quedaron registrados en la tabla 4 donde cada repeticioacuten indica un lote de produccioacuten
diferente
Tabla 4Disentildeo de bloques completamente al azar
REPETICIONES
TRATAMIENTOS I II III
A 625 6033 702
B 1071 859 12
C 7015 6033 927
D 583 95 892
F 992 704 859
G 113 853 905
El primer disentildeo factorial se llevoacute a cabo en la aglomeracioacuten de 4 tipos de cafeacute soluble en la cual
se monitoreo la interaccioacuten de cada factor de acuerdo a los niveles establecidos sobre la respuesta
y se registraron los resultados Las partiacuteculas finas teniacutean las siguientes propiedades iniciales
Densidad 180-210 grcm3
Color 72-84
Humedad 2 a 35
15
Los resultados de los anaacutelisis fisicoquiacutemicos (dureza) fueron proporcionados por el aacuterea de control
de calidad estos datos se ingresaron en minitab y se hizo el anaacutelisis factorial obteniendo las
graacuteficas de interaccioacuten asiacute como tambieacuten la significancia de los efectos
El segundo disentildeo factorial se llevoacute cabo en la aglomeracioacuten de un lote de cafeacute soluble regular con
las siguientes propiedades
Color 72-85
Humedad 2-35
Densidad 190-210
La duracioacuten del lote fue de 10 horas el equipo empleo una velocidad de aire entrada de 900 rpm
con temperatura de 220degc y una velocidad de aire salida de 1765 rpm con temperatura de 135 degC
Se recibioacute ayuda por parte de los operarios para las combinaciones y cada vez que esta se
ejecutaba se tomoacute muestras de 10 grs y se llevoacute a control de calidad para los anaacutelisis de dureza y
porcentaje de aglomerado por cada corrida finalizando este experimento se registraron todos los
resultados en minitab y se hizo el anaacutelisis del disentildeo para las significancias de los factores cabe
mencionar que mediante este programa se obtuvieron las graacuteficas de interaccioacuten
35 Anaacutelisis de datos
Para determinar cualitativamente el efecto de los paraacutemetros del proceso en la aglomeracioacuten de
las partiacuteculas de cafeacute soluble se aplicoacute un anaacutelisis de varianza (ANOVA) con un nivel de
significancia α del 5 a los resultados experimentales La dureza y el porcentaje de
aglomerado se seleccionaron como paraacutemetro de respuestase utilizo el programa de stargrapics
para el anaacutelisis
36 Balance de materia energiacutea
Para el balance de materia y energiacutea primero se hicieron las conversiones de la velocidad angular
del aire de entrada y salida (rpm) a velocidad lineal (ms) empleando la foacutermula
(1rpm) (2π rad)60 x (radio) Asiacute como el caacutelculo del volumen de la caacutemara de secado (anexo 3)
El caacutelculo del caudal de aire de entrada se realizoacute empleando la foacutermula
119876 = 119881 119878
Donde
V=velocidad lineal del aire (ms)
S=aacuterea de la seccioacuten trasversal (m2)
El radio de la seccioacuten transversal para ventilador de entrada fue 0335 y la de salida de 0195
Se sacaron las eficiencias teacutermicas del equipo de la siguiente manera
16
Eficiencia teacutermica global= (11987911198792
1198792119879119900)
Eficiencia de evaporacioacuten= (1198791 1198792
1198791 119879119904119886119905)
Para determinar las temperaturas de saturacioacuten adiabaacutetica (TSAT) y (T0) se utilizoacute la carta psicomeacutetrica (Anexo 2) El balance quedo estructurada de la siguiente forma
Figura 1 Diagrama de flujo del aglomerador
Donde FS1=masa del solido seco (kg)
Ga flujo de aire (kgh)
Ws=contenido de humedad del alimento (kg agua kg solido seco)
Ta=temperatura de entrada
Ta1=temperatura de salida
Ta2=temperatura de solidos
Ga1=flujo de aire entrada
Ga2=flujo salida de aire
H1= humedad relativa del aire entrada
H2=humedad relativa del aire salida
El balance del sistema sin peacuterdidas ni acumulacioacuten quedo de la siguiente manera
FS WS1 +Ga Ha1 = FS WS2 +Ga Ha2
17
Mientras que el balance de energiacutea
FS QS1+ Ga Qa1 = FS QS2 +Ga Qa2 +QL
Donde qs1 y qs2 son las entalpiacuteas del soacutelido entrando y saliendo del secador (KJKg) qa1 y qa2 son
las entalpiacuteas del aire entrando y saliendo del secador (KJKg) qL es el calor perdido (KJ)
El balance con respecto a la humedad se determinoacute mediante la siguiente formula
GH2 LS X1 GH1 LS X2
Donde
GH2= flujo de aire
Ls = flujo de alimentacioacuten
X1= humedad de los soacutelidos iniciales
La entalpia de la salida de aire se calculoacute mediante la foacutermula
HG C2 (TG T0) H
Donde
TG= Temperatura del aire
T0= Temperatura saturacioacuten
H=Entalpia del solido seco
37 Optimizacioacuten
La optimizacioacuten del proceso se llevoacute a cabo en el control de los factores incidentes en la cual se establecieron los rangos a utilizar esto derivado de los caacutelculos de balance y lo obtenido de los efectos en el disentildeo experimental los operarios se apegaron a estas condiciones con sus respectivos rangos y lo llevaron a cabo durante 8 lotes de produccioacuten en ese lapso de tiempo se evaluoacute el comportamiento del rendimiento se registraron los datos y se graficaron
18
CAPIacuteTULO 4 RESULTADOS Y CONCLUSIONES
41 Resultados
Anaacutelisis de efectos disentildeo factorial No1
Figura 2Grafica de efectos normales para el cafeacute soluble ABCD
En la figura 2 se observa la distribucioacuten de los factores A B C para los 4 tipos de cafeacute en la cual la
temperatura de entrada tiene efecto significativo en la dureza con una significancia del 92
mientras que los demaacutes factores no presentaron efectos significativos aunque tambieacuten influyen en
una combinacioacuten para dar la caracteriacutestica fisicoquiacutemica
19
Figura 3Grafica de interaccioacuten para cafeacute
soluble A
Figura 4 Grafica de interaccioacuten para cafeacute
soluble B
Figura 5Grafica de interaccioacuten para cafeacute soluble
C
Figura 6Grafica de interaccioacuten para cafeacute
soluble D
En las figuras 3 4 5 y 6 se muestran el comportamiento de la dureza de acuerdo a los factores
manejados para los cuatro tipos de cafeacute y en cada una de ella se aprecia que los niveles menores
de la temperatura de salida con la temperatura de entrada dieron una dureza igual y por debajo
de 10 asiacute mismo en el factor de velocidad de aire tambieacuten tuvo un comportamiento con niveles
menores Cabe mencionar que ninguna de las combinaciones obtuvo una dureza optima por lo
que se determinoacute que el incremento en la temperatura de salida aumenta la dureza obteniendo
un granulo maacutes fraacutegil
20
Anaacutelisis del disentildeo factorial No2
Figura 7Grafica de efectos normales para
dureza del cafeacute regular
Figura 8Grafica de efectos principales para dureza
del cafeacute regular
En las figuras 7 y 8 se observa que el No de criba tiene efecto significativo sobre la dureza es decir
entre menor abertura tenga la criba la dureza es mucho menor los graacutenulos son maacutes resistentes
mientras que entre mayor sea la abertura los graacutenulos son maacutes fraacutegiles (dureza alta) cabe
mencionar que la mejor dureza obtenida fue con el nuacutemero de malla 33 la presioacuten de vapor de
15 y la temperatura de partiacutecula de 30deg c
Figura 9 Grafica de efectos normales para
porcentaje de aglomerado del cafeacute regular
Figura 10Grafica de interaccioacuten para porcentaje
de aglomerado del cafeacute regular
21
En las figuras 9 y 10 se observa que la temperatura del producto el nuacutemero de criba tiene efecto
significativo sobre el porcentaje de aglomerado entre mayor es el nivel el porcentaje de
aglomerado disminuye determinado que hay maacutes cantidad de polvos finos asiacute mismo si el nivel
de los factores es bajo el porcentaje incremente constantemente Por lo que el comportamiento
del graacutenulo se acopla al incremento o disminucioacuten de estas variables
Monitoreos
Figura 11Grafica de dispersioacuten de la presioacuten del sistema
Figura 12 Grafica del vaciacuteo vs porcentaje de adhesioacuten
En las figuras 11 y 12 se observa el comportamiento del vaciacuteo con las variaciones de aire de
entrada Cabe mencionar que el sistema empleo una sola salida de aire de 1765 rpm Durante los
monitoreos los productos presentaron pegajosidad con entradas de aire menores a 900 rpm
mientras tanto de 1000 a 1150 rpm los productos no presentaron pegajosidad Lo mismo sucedioacute
en el comportamiento del vaciacuteo del sistema para la cual la pegajosidad aumenta y el rendimiento
disminuye con respecto al incremento del vaciacuteo Por lo que esta variable es el factor determinante
y con ello se prueba la hipoacutetesis que la variacioacuten en la presioacuten del sistema genera un arrastre
excesivo de polvos y la humedad no se elimina lo suficiente
120011001000900800700600
08
07
06
05
04
velocidad de entrada( Rpm)
vacio
del
sis
tem
a (
inh
20
)
Graacutefica de dispersioacuten de vacio del sistema vs velocidad de entrada
0
2
4
6
8
10
12
14
0 02 04 06 08 1
D
E A
DH
ESIO
N
VACIO DEL SISTEMA IN H20
22
Figura 13 Graacutefico de humedad relativa del aire
En la figura 13 se aprecia que la humedad relativa del aire inicialmente fue de 66 que
incrementoacute durante los siguientes diacuteas pero fue disminuyendo hasta llegar al 50 Esto debido a
los cambios climaacuteticos cabe mencionar que el equipo no cuenta con un filtrador para retirar el
porcentaje de agua del aire por lo que esta ingresa directamente a la caacutemara de secado siendo
una variable maacutes influyente en la adhesioacuten de los polvos finos
Anaacutelisis de datos
Tabla 5 Anaacutelisis de varianza de dos factores con una sola muestra por grupo
RESUMEN Cuenta Suma Promedio Varianza Fila 1 3 19303 643433333 026902633
Fila 2 3 313 104333333 296443333 Fila 3 3 22318 743933333 275458633 Fila 4 3 2425 808333333 389223333 Fila 5 3 2555 851666667 207763333 Fila 6 3 2888 962666667 216763333
Columna 1 6 51025 850416667 582740417 Columna 2 6 45726 7621 21353864 Columna 3 6 5485 914166667 260997667
Origen de las variaciones
Suma de cuadrados
Grados de libertad
Promedio de los cuadrados F Probabilidad
Valor criacutetico para
F Tratamientos 316103776 5 632207552 297461023 006699316 332583453
Bloques 699763344 2 349881672 164623405 024097493 410282102
Graacutefico de humedad realtva vs lote
0 3 6 9 12 15
lote
50
54
58
62
66
70
74
hu
med
ad
realt
va
23
Error 212534586 10 212534586
Total 598614696 17
En la tabla 5 se muestra el anaacutelisis de varianza de del disentildeo por bloques completamente al azar
de las diferentes concentraciones de azuacutecar por cada tipo de producto Dado que el f de Fisher es
menor que la f tabulada indica que no hay diferencias significativas por lo que se acepta la
hipoacutetesis nula la concentracioacuten de azucares no tiene efecto significativo en la adhesioacuten del cafeacute
ya que la mayoriacutea tuvo un porcentaje de adhesioacuten alta en las tres repeticiones cabe mencionar
que el producto A sin concentracioacuten tambieacuten tuvo adhesioacuten en la suma de cuadrados por bloques
tampoco hubo diferencias significativas
Tabla 6 Anaacutelisis de Varianza para dureza - Suma de Cuadrados Tipo III
Fuente Suma de Cuadrados
Gl Cuadrado Medio
Razoacuten-F Valor-P
EFECTOS PRINCIPALES
APRESION DE VAPOR 005445 1 005445 006 08164
BTAMANtildeO DE PARTICULA 121525 1 121525 1372 00208
CTEMPERATURA DE PARTICULA 471245 1 471245 532 00823
RESIDUOS
354305 4 0885763
TOTAL (CORREGIDO) 204624 7
La tabla 6 muestra el anaacutelisis de varianza del disentildeo factorial en la cual se descompone la
variabilidad de dureza en contribuciones debidas a varios factores Puesto que se ha escogido la
suma de cuadrados Tipo III (por omisioacuten) la contribucioacuten de cada factor se mide eliminando los
efectos de los demaacutes factores Los valores-P prueban la significancia estadiacutestica de cada uno de los
factores Puesto que un valor-P es menor que 005 este factor tiene un efecto estadiacutesticamente
significativo sobre dureza con un 950 de nivel de confianza
24
Figura 14Grafico anova para dureza
En la figura 14 se muestra el grafico anova y se observa la distribucioacuten de la respuesta para los
factores en la cual todas las razones-F se basan en el cuadrado medio del error residual La
mayoriacutea presenta distribucioacuten anova con el valor p mayor a 05 sin embargo para el factor tamantildeo
de partiacutecula el valor es menor a 05 con significancia
Balance de energiacutea
En el balance de materia y energiacutea se obtuvo que la humedad en la salida aglomerado es del 73
cuando hay una entrada de aire de 1550 m3 s con 50 de humedad relativa a una temperatura
de 230degc necesita 1730 KJ kg de calor con una cantidad de aire seco de 2600 kg h para sistema
adiabaacutetico sim embargo el aglomerador no es de este tipo de sistema por lo que se evaluoacute en un
graacutefico psicomeacutetrico (anexo1) encontraacutendose
El aire se calienta a humedad constante (To -T1) Si la caacutemara estuviera aislada y toda la energiacutea
posible se utilizara el aire se enfriariacutea adiabaacuteticamente y la temperatura miacutenima a alcanzar seriacutea la
de bulbo seco de saturacioacuten (Tsat) En realidad la caacutemara no estaacute aislada y no se sigue un
enfriamiento adiabaacutetico El aire sale a una temperatura T2 (ni estaacute saturado ni el proceso es
adiabaacutetico) debido a la baja relacioacuten aire-producto Si el proceso fuera adiabaacutetico saldriacutea a T2
(proceso adiabaacutetico y masas iguales de aire y producto)
ANOVA Graacutefico para DUREZA
-25 -15 -05 05 15 25
Residuos
PRESION DE VAPOR P = 0816415 2
TAMANtildeO DE PARTICULA P = 0020833 54
TEMPERATURA DE PARTICULA P = 0082330 35
25
Optimizacioacuten
De acuerdo a los caacutelculos de balance de materia los flujos de aire de 900 pm a 1100 rpm con una
salida de 1765 rpm mantienen el calor necesario para eliminar la humedad por lo que estas
variables son las que se implementaron y controlaron para la aglomeracioacuten de los diversos
productos
Figura 15 Grafica de rendimientos con flujo de aire de 900 rpm a 1100 rpm
En la figura 15 se observa el comportamiento del rendimiento con las condiciones aire manejadas
que mantuvieron un vaciacuteo de 04 y 05 inicialmente el rendimiento no fue favorable debido a la
humedad relativa sin embargo en los siguientes lotes el rendimiento se mantuvo del 94
mejorando en los siguientes diacuteas al 97 siendo favorable con ello el porcentaje de adhesioacuten
disminuyo al 3 con estas condiciones la caracteriacutestica de porcentaje de aglomerado incremento
al rango oacuteptimo
La optimizacioacuten de las variables de temperatura de salida y tamantildeo de criba consistioacute en la
reduccioacuten de sus rangos de operacioacuten para la cual la dureza mejoroacute apegaacutendose al rango oacuteptimo
925
93
935
94
945
95
955
96
965
0 2 4 6 8 10 12 14
Ren
dim
ien
to
lote
26
42 Conclusiones
Mediante el disentildeo experimentos se encontroacute que el aumento de dos factores temperatura de
salida y el tamantildeo de partiacutecula influyen en el bajo porcentaje de aglomerado y el incremento en la
dureza por que el granulo aglomerado presenta fragilidad y una cantidad de polvos finos Asiacute
mismo con el disentildeo por bloques se determinoacute que la concentracioacuten de azuacutecares de los cafeacutes no
tiene efecto significativo tomando como muestra patroacuten un producto sin concentracioacuten que
tambieacuten presento adhesioacuten en las tres repeticiones Durante el monitoreo se observoacute que los
soacutelidos aglomerados a condiciones de bajo vaciacuteo con humedad relativa del aire baja no
presentaban ninguacuten problema de adhesioacuten mientras que los producto a condiciones de vaciacuteo alto
con humedades por encima de 60 presentaban mayor adhesioacuten en balance de materia se
observoacute que una humedad relativa alta en la salida del equipo necesita mayor calor y cantidad de
aire de entrada para ser eliminado asiacute mismo mediante las eficiencias teacutermicas se evaluoacute el
sistema en una carta psicomeacutetrica y se determinoacute que hay perdida calor en la caacutemara de secado
al no ser adiabaacutetico por lo que la optimizacioacuten del proceso solo fue parcial enfocaacutendose solo a
condiciones del aire de entrada y salida en la que el rendimiento mejoro en un promedio del 96
43 Trabajos Futuros
Derivado al balance y los caacutelculos la humedad relativa es un factor importante en la adhesioacuten del
producto es por ello que el proyecto tiene continuidad en la implementacioacuten de un desumificador
de aire para que el sistema tenga una inyeccioacuten de aire seco el aislamiento (encamisado) de la
caacutemara de secado para evitar pedidas del calor tambieacuten y la determinacioacuten de nuevas condiciones
de operacioacuten debido a los cambios en los flujos aire
44 Recomendaciones
De acuerdo al estudio realizado mediante el disentildeo factorial se determinoacute que la variacioacuten de la
entrada de aire afecta la presioacuten del sistema por lo que se recomienda manejar una sola condicioacuten
de aire para cada producto con respecto a la velocidad de salida ya que el sistema necesita
mantener el equilibrio de las corrientes de aire para que el calor sea necesario y elimine toda la
humedad posible del vapor de agua para evitar que se concentre en la base coacutenica asiacute mismo la
alimentacioacuten de los soacutelidos finos debe tener propiedades caracteriacutesticas oacuteptimas para evitar la
variacioacuten de las condiciones
27
ANEXOS Anexo 1 Equipo aglomerado
Salida de aire
Base coacutenica
Caacutemara de
secado
Lecho
fluidizado
Entrada de
aire caliente
Separador
cicloacutenico
Zona de aspersioacuten de
solidos secos y vapor
de agua
28
Anexo 2 Carta psicomeacutetrica
Fuente Spray Drying Handbook (Masters 1991)
29
Anexo 3 Caacutelculos de velocidad lineal caudales de aire y volumen del equipo
1765 rpm (2πrads)(042)=7763 ms
600 rpm (2πrads)(030) =2638 ms
700 rpm (2πrads)(030)=3078 ms
800 rpm (2πrads)(030) =3518 ms
900 rpm (2πrads)(030) =3965 ms
1000 rpm (2πrads)(030) =4348 ms
1150 rpm (2πrads)(030)=5057ms
Caudal para las diferentes velocidades lineales
1) Q=VS
Q=2638 ms (π 00335m) 2
Q=930 m3s
2) Q=VS
Q=3078ms (π 00335m) 2
Q=1085m3s
3) Q=VS
Q=3518 ms (π 00335m) 2
Q=1240 m3s
4) Q=VS
Q=4348 ms (π 00335m) 2
Q=1550 m3s
5) Q=VS
Q=5057ms (π 00335m) 2
Q=2002 m3s
6) Q=VS
Q=7763 ms (π 0195 m) 2
Q=3708 m3s
30
Velocidad angular de aire (rpm) Caudal (m3s)
600 rpm 93
700 1085
800 1240
1000 1550
1150 2002
1765 3708
Caudales de aire de entrada y salida
Volumen de la caacutemara de secado
V= ℎ1205871199032
v=97 π (21m)
v=140844 m3
V= ℎ1205871199032
v= (09m) (π 21m)
v=2420 m3
Volumen de la base coacutenica
119907 =π r2 h
3
119907 =π (291) lowast 59
3
V=52313 m3
Volumen total del equipo =21734 m3
582 m
59m
582 m
09 m
43m
97 m
31
Anexo 3Caacutelculos de balance de materia y energiacutea
Se determina la velocidad de flujo de aire y la humedad de salida del aglomerador suponiendo
que no hay peacuterdidas de calor en el secador el balance inicia con la alimentacioacuten de 300 kg de
soacutelidos secoh que contienen 0035 kg de humedad totalkg de soacutelido seco hasta un valor de 0002
kg de humedad totalkg de soacutelido seco El polvo fino a granular entra a 35 ordmC y se desea
descargarlo a 32 ordmC El soacutelido seco tiene una capacidad caloriacutefica de 1465 kJkgK que se supone
constante El aire de calentamiento entra a 230 ordmC y con humedad de 0060 kg H2Okg de aire
seco y debe salir a 130
Balance de materia con respecto a la humedad
GH2 LS X1 GH1 LS X2
Reemplazando valores
(060) + 300 (0035)= GH1+ 300 (0002)
El balance de calor para el secador es
GHG2 LS HS1 GHG1 LS HS2 Q
Se calcula la entalpiacutea del aire de entrada HG1
Aglomerador
G1=
TG1=230
H2=
LS=300 KGSh
TS1=35
X1=0035
G2=
TG2=130
H2=060
Ts 2=378
X2=0002
Q
32
HG1=CS 1005188H 1005188(060)
HG1 CS (TG1 T0 ) H
HG1= CS 230 - 0 + 0060(2501) 17306 KJ Kg aire seco
Se calcula la entalpiacutea del aire de salida HG2
C21005188H 1005188 H1
HG1 CS (TG2 T0 ) H
HG1= (1005 + 188 H1 )130 - 0 + H1 (2501)
HG1=130 + 27454 H1
Se calcula las entalpiacuteas de los soacutelidos
HS1 CP S (TS1 T0) X1 CP A ( TS1 T0)
HS1 1465(35 0) 0035 (4187)(35 0) 5713 kJ kg
HS2 CP S (TS2 T0) X2 CP A ( T2 T0)
HS2 1465 (32 ndash 0 ) + 0002(4187)(32 0)=4714 KJ Kg
Reemplazando en el balance de energiacutea
G (17306)+ 300(5713) = G (130 + 27454 H1)+ 300(4714) + 0
G=2600 Kg aire seco por hora
Resolviendo conjuntamente con el balance de materia
G (060) + 300 (0035)= GH1+ 300 (0002)
2600(060) + 105 = 2600 H1 +06
H1=2600(060) +105 + 060 2600
H1=07427 Kg agua kg aire seco
33
Anexo 4Calculo de eficiencias teacutermicas
Datos
T = 230
Ts =147
T0= 30
T sat=45
Eficiencia teacutermica global
Ntermica global= 1198791minus1198792
1198792minus1198790 X 100
Ntermica global = 230minus147
230minus30 100 =415
Eficiencia de evaporacioacuten
Nevaporacion=1198791minus1198792
1198791minus119879119904119886119905
Nevaporacion = 230minus147
230minus45 100 =4486
34
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10
CAPIacuteTULO 2 METODOLOGIacuteA
21 Eleccioacuten de los factores y los niveles
Los factores seraacuten las condiciones de operacioacuten del equipo aglomerador de las cuales se
seleccionaran solo las que tengan maacutes impacto en la formacioacuten del granulo y posible influyente en
el problema los niveles estaraacuten definidos como altos y bajos
22 Seleccioacuten de la variable de respuesta
La variable de respuesta estaacute definido como las caracteriacutesticas fisicoquiacutemicas del producto final color densidad humedad dureza y porcentaje de aglomerado pero solo se seleccionaraacuten dos de ellas Tambieacuten se contemplara como respuesta el porcentaje de adhesioacuten
23 Eleccioacuten del disentildeo experimental
La eleccioacuten del disentildeo implicara la consideracioacuten del tamantildeo de la muestra (nuacutemero de reacuteplicas)
El intereacutes se centrara en identificar queacute factores causan esta diferencia y en estimar la magnitud
del cambio de la respuesta Por lo que pueden utilizarse uno o maacutes disentildeos experimentales de
acuerdo a las variables manejadas las cuales pueden ser factorial por bloques completamente al
azar y superficie de respuesta
24 Realizacioacuten del disentildeo de experimentos
Una vez seleccionado el o los disentildeos se ejecutaran para obtener los valores de las respuestas para
la cuales se contara con el apoyo de aacuterea de control de calidad quien proporcionara esta
informacioacuten asiacute como tambieacuten la ayuda de los operarios quienes son los expertos en manejar las
condiciones del equipo Los datos obtenidos se ingresaran a un programa estadiacutestico para
determinar los efectos y obtener las graacuteficas
25 Monitoreo de los flujos de aire humedad relativa y presioacuten del sistema
Se haraacute un monitoreo en los flujos de aire humedad relativa y presioacuten del sistema en lapso de
tiempo adecuado para evaluar el comportamiento de estas variables los datos se registraran en
Excel para la elaboracioacuten de graacuteficas
26 Anaacutelisis de datos
En esta fase se utilizaran programas estadiacutesticos para analizar y comparar los datos a fin de
determinar que los resultados y las conclusiones sean objetivos Se aplicara un anaacutelisis de varianza
11
(anova) la cual puede ser de un solo factor o multifactorial con niveles de significancia
dependiendo del tipo de disentildeo y con ello se haraacute la prueba de hipoacutetesis
27 Anaacutelisis de los efectos de los paraacutemetros operacionales
El anaacutelisis de los efectos de los paraacutemetros operacionales (factores) sobre la variable de
respuesta se efectuara mediante las graacuteficas de interaccioacuten y las graacuteficas de efectos normales que
se obtendraacuten en el software estadiacutestico con la finalidad de determinar coacutemo afecta cada factor
en el comportamiento de una propiedad caracteriacutestica del granulo
28 Aplicacioacuten del balance de materia y energiacutea
Para realizar este caacutelculo primero se haraacuten las conversiones de flujo de aire de velocidad angular a
velocidad lineal para posteriormente calcular el caudal del aire que pasa por los conductos asiacute
mismo se calculara el volumen de la caacutemara de secado y la base conicaEl uso de la carta
psicomeacutetrica seraacute de gran importancia para determinar la humedad absoluta del aire las
eficiencias teacutermicas y la temperatura de saturacioacuten adiabaacutetica Para la entalpia del aire se
utilizaran foacutermulas adecuadas de termodinaacutemica Las formulas del balance de materia y energiacutea
que se utilizara seraacute las establecidas para secadores por aspersioacuten Una vez reunido los valores se
sustituiraacuten para obtener los correspondientes la variable que se necesita encontrar es la cantidad
de humedad relativa y el calor en la salida de la caacutemara de secado
29 Optimizacioacuten del proceso
La optimizacioacuten del proceso se efectuaraacute de acuerdo a los resultados de los monitoreos del flujo
de aire humedad relativa los efectos obtenidos en el disentildeo de experimentos y sobre todo los
caacutelculos de balance de materia ndashenergiacutea
12
CAPIacuteTULO 3 DESARROLLO DEL PROYECTO
31 Equipo experimental
El equipo experimental utilizado fue un secador por aspersioacuten con lecho fluido integrado (Anexo1)
que consta de una caacutemara de secado proyectado sobre una base coacutenica mediante la cual una
corriente de aire caliente es suministrado por un ventilador de entrada creando una atmosfera
turbulenta donde los polvos finos entran en contacto con vapor de agua y mediante el secado se
forman los aglomerados este equipo maneja varias condiciones de operacioacuten que le dan las
caracteriacutesticas al producto Las herramientas estadiacutesticas empleados fueron Excel para el anaacutelisis
de varianza y prueba de hipoacutetesis del disentildeo por bloques al azar minitab para el anaacutelisis de los
efectos de los factores sobre la variable de respuesta y stargrapics para el anaacutelisis de varianza del
segundo disentildeo experimental
32 Monitoreos
Se hizo un monitoreo en los flujos de aire de entrada flujo de salida el vaciacuteo del sistema y la
humedad relativa del aire en un lapso de 5 horas diarias por 10 lotes de produccioacuten evaluando
tambieacuten la adhesioacuten en cada uno de ellos se registraron los datos en Excel mediante estos datos
se elaboroacute una graacutefica de dispersioacuten para ver el comportamiento de estas variables
33 Disentildeo de experimentos
Se utilizoacute un disentildeo de bloques completamente al azar en la cual los tratamientos fueron la
concentracioacuten de azucares con respuesta de porcentaje de adhesioacuten Cabe mencionar que cada
tratamiento indica un tipo de producto por su concentracioacuten
Tabla 1 Tratamientos del disentildeo por bloques al azar
TRATAMIENTO CONCENTRACION
A 0
B 5
C 10
D 15
F 17
Se formularon dos hipoacutetesis
H0=La concentracioacuten de azucares no tiene efecto en la pegajosidad de los polvos finos si F es
menor o igual a la F tabulada
13
H1=La concentracioacuten de azucares tiene efecto significativo si F de Fisher es mayor que la F
tabulada
Se utilizoacute un disentildeo factorial 23 para determinar el efecto de tres condiciones de operacioacuten
(factores) las cuales fueron velocidad de aire temperatura de entrada y temperatura de salida con
dos niveles teniendo como respuestas la dureza del granulo para 5 tipos de cafeacute soluble
Tabla 2 Factores y niveles del Disentildeo factorial 23
TIPOS FACTORES NIVEL BAJO NIVEL ALTO RESPUESTAS
Cafeacute soluble
ABCDF
Temperatura de entrada
217 227 220 212
235 231 236 228
Dureza
Temperatura de salida
133 139 137 134
135 142 138 135
Velocidad de aire
800 849 690 975
1000 850 950 1050
Tambieacuten se empleoacute un disentildeo factorial de 23 para determinar los efectos de tres factores No
Criba del molino de martillos con nivel de 33-55 la presioacuten de vapor con nivel de 15-20 y la
temperatura de producto nivel de 30-35 las respuestas que se eligieron para este disentildeo fue la
dureza del granulo y el porcentaje de aglomerado este experimento se inicioacute empleado la
herramienta estadista minitab en la cual se ingresaron estos factores con sus niveles arrojando 8
corridas por las combinaciones
Tabla 3 Corridas experimentales del disentildeo 23
Factores
corridas Presioacuten de
vapor
NoCriba Temperatura de
partiacutecula
1 15 33 30
2 2 33 30
3 15 54 30
4 2 54 30
5 15 33 35
6 2 33 35
7 15 54 35
8 2 54 35
14
34 Realizacioacuten del disentildeo de experimentos
Para la ejecucioacuten del disentildeo de experimentos se siguioacute con el programa de produccioacuten iniciando
con el disentildeo por bloque completamente al azar la cual se llevoacute en la aglomeracioacuten de 5 tipos de
cafeacute con diferentes concentraciones mencionadas anteriormente desde el arranque del equipo en
la cual los soacutelidos finos iniciales que se cargaron fueron un cafeacute A sin concentracioacuten
posteriormente se cambioacute a los siguientes tipos (BCDF) las condiciones operativas del equipo
estuvieron de la siguiente manera temperaturas de entrada de 190 a 230 temperatura de salida
de 100-140 y velocidad de aire de 600 a 1000 rpm Cada vez que se haciacutea un cambio de producto
se sacoacute la cantidad de solidos finos adheridos de la siguiente manera
(Cantidad alimentada x 98 de rendimiento fijo)- (Cantidad producida)
Mediante esta foacutermula se obtuvo el porcentaje de cada tipo de cafeacute retenido en la base coacutenica
Cantidad adherida x 100
Cantidad alimentada
Los datos quedaron registrados en la tabla 4 donde cada repeticioacuten indica un lote de produccioacuten
diferente
Tabla 4Disentildeo de bloques completamente al azar
REPETICIONES
TRATAMIENTOS I II III
A 625 6033 702
B 1071 859 12
C 7015 6033 927
D 583 95 892
F 992 704 859
G 113 853 905
El primer disentildeo factorial se llevoacute a cabo en la aglomeracioacuten de 4 tipos de cafeacute soluble en la cual
se monitoreo la interaccioacuten de cada factor de acuerdo a los niveles establecidos sobre la respuesta
y se registraron los resultados Las partiacuteculas finas teniacutean las siguientes propiedades iniciales
Densidad 180-210 grcm3
Color 72-84
Humedad 2 a 35
15
Los resultados de los anaacutelisis fisicoquiacutemicos (dureza) fueron proporcionados por el aacuterea de control
de calidad estos datos se ingresaron en minitab y se hizo el anaacutelisis factorial obteniendo las
graacuteficas de interaccioacuten asiacute como tambieacuten la significancia de los efectos
El segundo disentildeo factorial se llevoacute cabo en la aglomeracioacuten de un lote de cafeacute soluble regular con
las siguientes propiedades
Color 72-85
Humedad 2-35
Densidad 190-210
La duracioacuten del lote fue de 10 horas el equipo empleo una velocidad de aire entrada de 900 rpm
con temperatura de 220degc y una velocidad de aire salida de 1765 rpm con temperatura de 135 degC
Se recibioacute ayuda por parte de los operarios para las combinaciones y cada vez que esta se
ejecutaba se tomoacute muestras de 10 grs y se llevoacute a control de calidad para los anaacutelisis de dureza y
porcentaje de aglomerado por cada corrida finalizando este experimento se registraron todos los
resultados en minitab y se hizo el anaacutelisis del disentildeo para las significancias de los factores cabe
mencionar que mediante este programa se obtuvieron las graacuteficas de interaccioacuten
35 Anaacutelisis de datos
Para determinar cualitativamente el efecto de los paraacutemetros del proceso en la aglomeracioacuten de
las partiacuteculas de cafeacute soluble se aplicoacute un anaacutelisis de varianza (ANOVA) con un nivel de
significancia α del 5 a los resultados experimentales La dureza y el porcentaje de
aglomerado se seleccionaron como paraacutemetro de respuestase utilizo el programa de stargrapics
para el anaacutelisis
36 Balance de materia energiacutea
Para el balance de materia y energiacutea primero se hicieron las conversiones de la velocidad angular
del aire de entrada y salida (rpm) a velocidad lineal (ms) empleando la foacutermula
(1rpm) (2π rad)60 x (radio) Asiacute como el caacutelculo del volumen de la caacutemara de secado (anexo 3)
El caacutelculo del caudal de aire de entrada se realizoacute empleando la foacutermula
119876 = 119881 119878
Donde
V=velocidad lineal del aire (ms)
S=aacuterea de la seccioacuten trasversal (m2)
El radio de la seccioacuten transversal para ventilador de entrada fue 0335 y la de salida de 0195
Se sacaron las eficiencias teacutermicas del equipo de la siguiente manera
16
Eficiencia teacutermica global= (11987911198792
1198792119879119900)
Eficiencia de evaporacioacuten= (1198791 1198792
1198791 119879119904119886119905)
Para determinar las temperaturas de saturacioacuten adiabaacutetica (TSAT) y (T0) se utilizoacute la carta psicomeacutetrica (Anexo 2) El balance quedo estructurada de la siguiente forma
Figura 1 Diagrama de flujo del aglomerador
Donde FS1=masa del solido seco (kg)
Ga flujo de aire (kgh)
Ws=contenido de humedad del alimento (kg agua kg solido seco)
Ta=temperatura de entrada
Ta1=temperatura de salida
Ta2=temperatura de solidos
Ga1=flujo de aire entrada
Ga2=flujo salida de aire
H1= humedad relativa del aire entrada
H2=humedad relativa del aire salida
El balance del sistema sin peacuterdidas ni acumulacioacuten quedo de la siguiente manera
FS WS1 +Ga Ha1 = FS WS2 +Ga Ha2
17
Mientras que el balance de energiacutea
FS QS1+ Ga Qa1 = FS QS2 +Ga Qa2 +QL
Donde qs1 y qs2 son las entalpiacuteas del soacutelido entrando y saliendo del secador (KJKg) qa1 y qa2 son
las entalpiacuteas del aire entrando y saliendo del secador (KJKg) qL es el calor perdido (KJ)
El balance con respecto a la humedad se determinoacute mediante la siguiente formula
GH2 LS X1 GH1 LS X2
Donde
GH2= flujo de aire
Ls = flujo de alimentacioacuten
X1= humedad de los soacutelidos iniciales
La entalpia de la salida de aire se calculoacute mediante la foacutermula
HG C2 (TG T0) H
Donde
TG= Temperatura del aire
T0= Temperatura saturacioacuten
H=Entalpia del solido seco
37 Optimizacioacuten
La optimizacioacuten del proceso se llevoacute a cabo en el control de los factores incidentes en la cual se establecieron los rangos a utilizar esto derivado de los caacutelculos de balance y lo obtenido de los efectos en el disentildeo experimental los operarios se apegaron a estas condiciones con sus respectivos rangos y lo llevaron a cabo durante 8 lotes de produccioacuten en ese lapso de tiempo se evaluoacute el comportamiento del rendimiento se registraron los datos y se graficaron
18
CAPIacuteTULO 4 RESULTADOS Y CONCLUSIONES
41 Resultados
Anaacutelisis de efectos disentildeo factorial No1
Figura 2Grafica de efectos normales para el cafeacute soluble ABCD
En la figura 2 se observa la distribucioacuten de los factores A B C para los 4 tipos de cafeacute en la cual la
temperatura de entrada tiene efecto significativo en la dureza con una significancia del 92
mientras que los demaacutes factores no presentaron efectos significativos aunque tambieacuten influyen en
una combinacioacuten para dar la caracteriacutestica fisicoquiacutemica
19
Figura 3Grafica de interaccioacuten para cafeacute
soluble A
Figura 4 Grafica de interaccioacuten para cafeacute
soluble B
Figura 5Grafica de interaccioacuten para cafeacute soluble
C
Figura 6Grafica de interaccioacuten para cafeacute
soluble D
En las figuras 3 4 5 y 6 se muestran el comportamiento de la dureza de acuerdo a los factores
manejados para los cuatro tipos de cafeacute y en cada una de ella se aprecia que los niveles menores
de la temperatura de salida con la temperatura de entrada dieron una dureza igual y por debajo
de 10 asiacute mismo en el factor de velocidad de aire tambieacuten tuvo un comportamiento con niveles
menores Cabe mencionar que ninguna de las combinaciones obtuvo una dureza optima por lo
que se determinoacute que el incremento en la temperatura de salida aumenta la dureza obteniendo
un granulo maacutes fraacutegil
20
Anaacutelisis del disentildeo factorial No2
Figura 7Grafica de efectos normales para
dureza del cafeacute regular
Figura 8Grafica de efectos principales para dureza
del cafeacute regular
En las figuras 7 y 8 se observa que el No de criba tiene efecto significativo sobre la dureza es decir
entre menor abertura tenga la criba la dureza es mucho menor los graacutenulos son maacutes resistentes
mientras que entre mayor sea la abertura los graacutenulos son maacutes fraacutegiles (dureza alta) cabe
mencionar que la mejor dureza obtenida fue con el nuacutemero de malla 33 la presioacuten de vapor de
15 y la temperatura de partiacutecula de 30deg c
Figura 9 Grafica de efectos normales para
porcentaje de aglomerado del cafeacute regular
Figura 10Grafica de interaccioacuten para porcentaje
de aglomerado del cafeacute regular
21
En las figuras 9 y 10 se observa que la temperatura del producto el nuacutemero de criba tiene efecto
significativo sobre el porcentaje de aglomerado entre mayor es el nivel el porcentaje de
aglomerado disminuye determinado que hay maacutes cantidad de polvos finos asiacute mismo si el nivel
de los factores es bajo el porcentaje incremente constantemente Por lo que el comportamiento
del graacutenulo se acopla al incremento o disminucioacuten de estas variables
Monitoreos
Figura 11Grafica de dispersioacuten de la presioacuten del sistema
Figura 12 Grafica del vaciacuteo vs porcentaje de adhesioacuten
En las figuras 11 y 12 se observa el comportamiento del vaciacuteo con las variaciones de aire de
entrada Cabe mencionar que el sistema empleo una sola salida de aire de 1765 rpm Durante los
monitoreos los productos presentaron pegajosidad con entradas de aire menores a 900 rpm
mientras tanto de 1000 a 1150 rpm los productos no presentaron pegajosidad Lo mismo sucedioacute
en el comportamiento del vaciacuteo del sistema para la cual la pegajosidad aumenta y el rendimiento
disminuye con respecto al incremento del vaciacuteo Por lo que esta variable es el factor determinante
y con ello se prueba la hipoacutetesis que la variacioacuten en la presioacuten del sistema genera un arrastre
excesivo de polvos y la humedad no se elimina lo suficiente
120011001000900800700600
08
07
06
05
04
velocidad de entrada( Rpm)
vacio
del
sis
tem
a (
inh
20
)
Graacutefica de dispersioacuten de vacio del sistema vs velocidad de entrada
0
2
4
6
8
10
12
14
0 02 04 06 08 1
D
E A
DH
ESIO
N
VACIO DEL SISTEMA IN H20
22
Figura 13 Graacutefico de humedad relativa del aire
En la figura 13 se aprecia que la humedad relativa del aire inicialmente fue de 66 que
incrementoacute durante los siguientes diacuteas pero fue disminuyendo hasta llegar al 50 Esto debido a
los cambios climaacuteticos cabe mencionar que el equipo no cuenta con un filtrador para retirar el
porcentaje de agua del aire por lo que esta ingresa directamente a la caacutemara de secado siendo
una variable maacutes influyente en la adhesioacuten de los polvos finos
Anaacutelisis de datos
Tabla 5 Anaacutelisis de varianza de dos factores con una sola muestra por grupo
RESUMEN Cuenta Suma Promedio Varianza Fila 1 3 19303 643433333 026902633
Fila 2 3 313 104333333 296443333 Fila 3 3 22318 743933333 275458633 Fila 4 3 2425 808333333 389223333 Fila 5 3 2555 851666667 207763333 Fila 6 3 2888 962666667 216763333
Columna 1 6 51025 850416667 582740417 Columna 2 6 45726 7621 21353864 Columna 3 6 5485 914166667 260997667
Origen de las variaciones
Suma de cuadrados
Grados de libertad
Promedio de los cuadrados F Probabilidad
Valor criacutetico para
F Tratamientos 316103776 5 632207552 297461023 006699316 332583453
Bloques 699763344 2 349881672 164623405 024097493 410282102
Graacutefico de humedad realtva vs lote
0 3 6 9 12 15
lote
50
54
58
62
66
70
74
hu
med
ad
realt
va
23
Error 212534586 10 212534586
Total 598614696 17
En la tabla 5 se muestra el anaacutelisis de varianza de del disentildeo por bloques completamente al azar
de las diferentes concentraciones de azuacutecar por cada tipo de producto Dado que el f de Fisher es
menor que la f tabulada indica que no hay diferencias significativas por lo que se acepta la
hipoacutetesis nula la concentracioacuten de azucares no tiene efecto significativo en la adhesioacuten del cafeacute
ya que la mayoriacutea tuvo un porcentaje de adhesioacuten alta en las tres repeticiones cabe mencionar
que el producto A sin concentracioacuten tambieacuten tuvo adhesioacuten en la suma de cuadrados por bloques
tampoco hubo diferencias significativas
Tabla 6 Anaacutelisis de Varianza para dureza - Suma de Cuadrados Tipo III
Fuente Suma de Cuadrados
Gl Cuadrado Medio
Razoacuten-F Valor-P
EFECTOS PRINCIPALES
APRESION DE VAPOR 005445 1 005445 006 08164
BTAMANtildeO DE PARTICULA 121525 1 121525 1372 00208
CTEMPERATURA DE PARTICULA 471245 1 471245 532 00823
RESIDUOS
354305 4 0885763
TOTAL (CORREGIDO) 204624 7
La tabla 6 muestra el anaacutelisis de varianza del disentildeo factorial en la cual se descompone la
variabilidad de dureza en contribuciones debidas a varios factores Puesto que se ha escogido la
suma de cuadrados Tipo III (por omisioacuten) la contribucioacuten de cada factor se mide eliminando los
efectos de los demaacutes factores Los valores-P prueban la significancia estadiacutestica de cada uno de los
factores Puesto que un valor-P es menor que 005 este factor tiene un efecto estadiacutesticamente
significativo sobre dureza con un 950 de nivel de confianza
24
Figura 14Grafico anova para dureza
En la figura 14 se muestra el grafico anova y se observa la distribucioacuten de la respuesta para los
factores en la cual todas las razones-F se basan en el cuadrado medio del error residual La
mayoriacutea presenta distribucioacuten anova con el valor p mayor a 05 sin embargo para el factor tamantildeo
de partiacutecula el valor es menor a 05 con significancia
Balance de energiacutea
En el balance de materia y energiacutea se obtuvo que la humedad en la salida aglomerado es del 73
cuando hay una entrada de aire de 1550 m3 s con 50 de humedad relativa a una temperatura
de 230degc necesita 1730 KJ kg de calor con una cantidad de aire seco de 2600 kg h para sistema
adiabaacutetico sim embargo el aglomerador no es de este tipo de sistema por lo que se evaluoacute en un
graacutefico psicomeacutetrico (anexo1) encontraacutendose
El aire se calienta a humedad constante (To -T1) Si la caacutemara estuviera aislada y toda la energiacutea
posible se utilizara el aire se enfriariacutea adiabaacuteticamente y la temperatura miacutenima a alcanzar seriacutea la
de bulbo seco de saturacioacuten (Tsat) En realidad la caacutemara no estaacute aislada y no se sigue un
enfriamiento adiabaacutetico El aire sale a una temperatura T2 (ni estaacute saturado ni el proceso es
adiabaacutetico) debido a la baja relacioacuten aire-producto Si el proceso fuera adiabaacutetico saldriacutea a T2
(proceso adiabaacutetico y masas iguales de aire y producto)
ANOVA Graacutefico para DUREZA
-25 -15 -05 05 15 25
Residuos
PRESION DE VAPOR P = 0816415 2
TAMANtildeO DE PARTICULA P = 0020833 54
TEMPERATURA DE PARTICULA P = 0082330 35
25
Optimizacioacuten
De acuerdo a los caacutelculos de balance de materia los flujos de aire de 900 pm a 1100 rpm con una
salida de 1765 rpm mantienen el calor necesario para eliminar la humedad por lo que estas
variables son las que se implementaron y controlaron para la aglomeracioacuten de los diversos
productos
Figura 15 Grafica de rendimientos con flujo de aire de 900 rpm a 1100 rpm
En la figura 15 se observa el comportamiento del rendimiento con las condiciones aire manejadas
que mantuvieron un vaciacuteo de 04 y 05 inicialmente el rendimiento no fue favorable debido a la
humedad relativa sin embargo en los siguientes lotes el rendimiento se mantuvo del 94
mejorando en los siguientes diacuteas al 97 siendo favorable con ello el porcentaje de adhesioacuten
disminuyo al 3 con estas condiciones la caracteriacutestica de porcentaje de aglomerado incremento
al rango oacuteptimo
La optimizacioacuten de las variables de temperatura de salida y tamantildeo de criba consistioacute en la
reduccioacuten de sus rangos de operacioacuten para la cual la dureza mejoroacute apegaacutendose al rango oacuteptimo
925
93
935
94
945
95
955
96
965
0 2 4 6 8 10 12 14
Ren
dim
ien
to
lote
26
42 Conclusiones
Mediante el disentildeo experimentos se encontroacute que el aumento de dos factores temperatura de
salida y el tamantildeo de partiacutecula influyen en el bajo porcentaje de aglomerado y el incremento en la
dureza por que el granulo aglomerado presenta fragilidad y una cantidad de polvos finos Asiacute
mismo con el disentildeo por bloques se determinoacute que la concentracioacuten de azuacutecares de los cafeacutes no
tiene efecto significativo tomando como muestra patroacuten un producto sin concentracioacuten que
tambieacuten presento adhesioacuten en las tres repeticiones Durante el monitoreo se observoacute que los
soacutelidos aglomerados a condiciones de bajo vaciacuteo con humedad relativa del aire baja no
presentaban ninguacuten problema de adhesioacuten mientras que los producto a condiciones de vaciacuteo alto
con humedades por encima de 60 presentaban mayor adhesioacuten en balance de materia se
observoacute que una humedad relativa alta en la salida del equipo necesita mayor calor y cantidad de
aire de entrada para ser eliminado asiacute mismo mediante las eficiencias teacutermicas se evaluoacute el
sistema en una carta psicomeacutetrica y se determinoacute que hay perdida calor en la caacutemara de secado
al no ser adiabaacutetico por lo que la optimizacioacuten del proceso solo fue parcial enfocaacutendose solo a
condiciones del aire de entrada y salida en la que el rendimiento mejoro en un promedio del 96
43 Trabajos Futuros
Derivado al balance y los caacutelculos la humedad relativa es un factor importante en la adhesioacuten del
producto es por ello que el proyecto tiene continuidad en la implementacioacuten de un desumificador
de aire para que el sistema tenga una inyeccioacuten de aire seco el aislamiento (encamisado) de la
caacutemara de secado para evitar pedidas del calor tambieacuten y la determinacioacuten de nuevas condiciones
de operacioacuten debido a los cambios en los flujos aire
44 Recomendaciones
De acuerdo al estudio realizado mediante el disentildeo factorial se determinoacute que la variacioacuten de la
entrada de aire afecta la presioacuten del sistema por lo que se recomienda manejar una sola condicioacuten
de aire para cada producto con respecto a la velocidad de salida ya que el sistema necesita
mantener el equilibrio de las corrientes de aire para que el calor sea necesario y elimine toda la
humedad posible del vapor de agua para evitar que se concentre en la base coacutenica asiacute mismo la
alimentacioacuten de los soacutelidos finos debe tener propiedades caracteriacutesticas oacuteptimas para evitar la
variacioacuten de las condiciones
27
ANEXOS Anexo 1 Equipo aglomerado
Salida de aire
Base coacutenica
Caacutemara de
secado
Lecho
fluidizado
Entrada de
aire caliente
Separador
cicloacutenico
Zona de aspersioacuten de
solidos secos y vapor
de agua
28
Anexo 2 Carta psicomeacutetrica
Fuente Spray Drying Handbook (Masters 1991)
29
Anexo 3 Caacutelculos de velocidad lineal caudales de aire y volumen del equipo
1765 rpm (2πrads)(042)=7763 ms
600 rpm (2πrads)(030) =2638 ms
700 rpm (2πrads)(030)=3078 ms
800 rpm (2πrads)(030) =3518 ms
900 rpm (2πrads)(030) =3965 ms
1000 rpm (2πrads)(030) =4348 ms
1150 rpm (2πrads)(030)=5057ms
Caudal para las diferentes velocidades lineales
1) Q=VS
Q=2638 ms (π 00335m) 2
Q=930 m3s
2) Q=VS
Q=3078ms (π 00335m) 2
Q=1085m3s
3) Q=VS
Q=3518 ms (π 00335m) 2
Q=1240 m3s
4) Q=VS
Q=4348 ms (π 00335m) 2
Q=1550 m3s
5) Q=VS
Q=5057ms (π 00335m) 2
Q=2002 m3s
6) Q=VS
Q=7763 ms (π 0195 m) 2
Q=3708 m3s
30
Velocidad angular de aire (rpm) Caudal (m3s)
600 rpm 93
700 1085
800 1240
1000 1550
1150 2002
1765 3708
Caudales de aire de entrada y salida
Volumen de la caacutemara de secado
V= ℎ1205871199032
v=97 π (21m)
v=140844 m3
V= ℎ1205871199032
v= (09m) (π 21m)
v=2420 m3
Volumen de la base coacutenica
119907 =π r2 h
3
119907 =π (291) lowast 59
3
V=52313 m3
Volumen total del equipo =21734 m3
582 m
59m
582 m
09 m
43m
97 m
31
Anexo 3Caacutelculos de balance de materia y energiacutea
Se determina la velocidad de flujo de aire y la humedad de salida del aglomerador suponiendo
que no hay peacuterdidas de calor en el secador el balance inicia con la alimentacioacuten de 300 kg de
soacutelidos secoh que contienen 0035 kg de humedad totalkg de soacutelido seco hasta un valor de 0002
kg de humedad totalkg de soacutelido seco El polvo fino a granular entra a 35 ordmC y se desea
descargarlo a 32 ordmC El soacutelido seco tiene una capacidad caloriacutefica de 1465 kJkgK que se supone
constante El aire de calentamiento entra a 230 ordmC y con humedad de 0060 kg H2Okg de aire
seco y debe salir a 130
Balance de materia con respecto a la humedad
GH2 LS X1 GH1 LS X2
Reemplazando valores
(060) + 300 (0035)= GH1+ 300 (0002)
El balance de calor para el secador es
GHG2 LS HS1 GHG1 LS HS2 Q
Se calcula la entalpiacutea del aire de entrada HG1
Aglomerador
G1=
TG1=230
H2=
LS=300 KGSh
TS1=35
X1=0035
G2=
TG2=130
H2=060
Ts 2=378
X2=0002
Q
32
HG1=CS 1005188H 1005188(060)
HG1 CS (TG1 T0 ) H
HG1= CS 230 - 0 + 0060(2501) 17306 KJ Kg aire seco
Se calcula la entalpiacutea del aire de salida HG2
C21005188H 1005188 H1
HG1 CS (TG2 T0 ) H
HG1= (1005 + 188 H1 )130 - 0 + H1 (2501)
HG1=130 + 27454 H1
Se calcula las entalpiacuteas de los soacutelidos
HS1 CP S (TS1 T0) X1 CP A ( TS1 T0)
HS1 1465(35 0) 0035 (4187)(35 0) 5713 kJ kg
HS2 CP S (TS2 T0) X2 CP A ( T2 T0)
HS2 1465 (32 ndash 0 ) + 0002(4187)(32 0)=4714 KJ Kg
Reemplazando en el balance de energiacutea
G (17306)+ 300(5713) = G (130 + 27454 H1)+ 300(4714) + 0
G=2600 Kg aire seco por hora
Resolviendo conjuntamente con el balance de materia
G (060) + 300 (0035)= GH1+ 300 (0002)
2600(060) + 105 = 2600 H1 +06
H1=2600(060) +105 + 060 2600
H1=07427 Kg agua kg aire seco
33
Anexo 4Calculo de eficiencias teacutermicas
Datos
T = 230
Ts =147
T0= 30
T sat=45
Eficiencia teacutermica global
Ntermica global= 1198791minus1198792
1198792minus1198790 X 100
Ntermica global = 230minus147
230minus30 100 =415
Eficiencia de evaporacioacuten
Nevaporacion=1198791minus1198792
1198791minus119879119904119886119905
Nevaporacion = 230minus147
230minus45 100 =4486
34
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Equipment
11
(anova) la cual puede ser de un solo factor o multifactorial con niveles de significancia
dependiendo del tipo de disentildeo y con ello se haraacute la prueba de hipoacutetesis
27 Anaacutelisis de los efectos de los paraacutemetros operacionales
El anaacutelisis de los efectos de los paraacutemetros operacionales (factores) sobre la variable de
respuesta se efectuara mediante las graacuteficas de interaccioacuten y las graacuteficas de efectos normales que
se obtendraacuten en el software estadiacutestico con la finalidad de determinar coacutemo afecta cada factor
en el comportamiento de una propiedad caracteriacutestica del granulo
28 Aplicacioacuten del balance de materia y energiacutea
Para realizar este caacutelculo primero se haraacuten las conversiones de flujo de aire de velocidad angular a
velocidad lineal para posteriormente calcular el caudal del aire que pasa por los conductos asiacute
mismo se calculara el volumen de la caacutemara de secado y la base conicaEl uso de la carta
psicomeacutetrica seraacute de gran importancia para determinar la humedad absoluta del aire las
eficiencias teacutermicas y la temperatura de saturacioacuten adiabaacutetica Para la entalpia del aire se
utilizaran foacutermulas adecuadas de termodinaacutemica Las formulas del balance de materia y energiacutea
que se utilizara seraacute las establecidas para secadores por aspersioacuten Una vez reunido los valores se
sustituiraacuten para obtener los correspondientes la variable que se necesita encontrar es la cantidad
de humedad relativa y el calor en la salida de la caacutemara de secado
29 Optimizacioacuten del proceso
La optimizacioacuten del proceso se efectuaraacute de acuerdo a los resultados de los monitoreos del flujo
de aire humedad relativa los efectos obtenidos en el disentildeo de experimentos y sobre todo los
caacutelculos de balance de materia ndashenergiacutea
12
CAPIacuteTULO 3 DESARROLLO DEL PROYECTO
31 Equipo experimental
El equipo experimental utilizado fue un secador por aspersioacuten con lecho fluido integrado (Anexo1)
que consta de una caacutemara de secado proyectado sobre una base coacutenica mediante la cual una
corriente de aire caliente es suministrado por un ventilador de entrada creando una atmosfera
turbulenta donde los polvos finos entran en contacto con vapor de agua y mediante el secado se
forman los aglomerados este equipo maneja varias condiciones de operacioacuten que le dan las
caracteriacutesticas al producto Las herramientas estadiacutesticas empleados fueron Excel para el anaacutelisis
de varianza y prueba de hipoacutetesis del disentildeo por bloques al azar minitab para el anaacutelisis de los
efectos de los factores sobre la variable de respuesta y stargrapics para el anaacutelisis de varianza del
segundo disentildeo experimental
32 Monitoreos
Se hizo un monitoreo en los flujos de aire de entrada flujo de salida el vaciacuteo del sistema y la
humedad relativa del aire en un lapso de 5 horas diarias por 10 lotes de produccioacuten evaluando
tambieacuten la adhesioacuten en cada uno de ellos se registraron los datos en Excel mediante estos datos
se elaboroacute una graacutefica de dispersioacuten para ver el comportamiento de estas variables
33 Disentildeo de experimentos
Se utilizoacute un disentildeo de bloques completamente al azar en la cual los tratamientos fueron la
concentracioacuten de azucares con respuesta de porcentaje de adhesioacuten Cabe mencionar que cada
tratamiento indica un tipo de producto por su concentracioacuten
Tabla 1 Tratamientos del disentildeo por bloques al azar
TRATAMIENTO CONCENTRACION
A 0
B 5
C 10
D 15
F 17
Se formularon dos hipoacutetesis
H0=La concentracioacuten de azucares no tiene efecto en la pegajosidad de los polvos finos si F es
menor o igual a la F tabulada
13
H1=La concentracioacuten de azucares tiene efecto significativo si F de Fisher es mayor que la F
tabulada
Se utilizoacute un disentildeo factorial 23 para determinar el efecto de tres condiciones de operacioacuten
(factores) las cuales fueron velocidad de aire temperatura de entrada y temperatura de salida con
dos niveles teniendo como respuestas la dureza del granulo para 5 tipos de cafeacute soluble
Tabla 2 Factores y niveles del Disentildeo factorial 23
TIPOS FACTORES NIVEL BAJO NIVEL ALTO RESPUESTAS
Cafeacute soluble
ABCDF
Temperatura de entrada
217 227 220 212
235 231 236 228
Dureza
Temperatura de salida
133 139 137 134
135 142 138 135
Velocidad de aire
800 849 690 975
1000 850 950 1050
Tambieacuten se empleoacute un disentildeo factorial de 23 para determinar los efectos de tres factores No
Criba del molino de martillos con nivel de 33-55 la presioacuten de vapor con nivel de 15-20 y la
temperatura de producto nivel de 30-35 las respuestas que se eligieron para este disentildeo fue la
dureza del granulo y el porcentaje de aglomerado este experimento se inicioacute empleado la
herramienta estadista minitab en la cual se ingresaron estos factores con sus niveles arrojando 8
corridas por las combinaciones
Tabla 3 Corridas experimentales del disentildeo 23
Factores
corridas Presioacuten de
vapor
NoCriba Temperatura de
partiacutecula
1 15 33 30
2 2 33 30
3 15 54 30
4 2 54 30
5 15 33 35
6 2 33 35
7 15 54 35
8 2 54 35
14
34 Realizacioacuten del disentildeo de experimentos
Para la ejecucioacuten del disentildeo de experimentos se siguioacute con el programa de produccioacuten iniciando
con el disentildeo por bloque completamente al azar la cual se llevoacute en la aglomeracioacuten de 5 tipos de
cafeacute con diferentes concentraciones mencionadas anteriormente desde el arranque del equipo en
la cual los soacutelidos finos iniciales que se cargaron fueron un cafeacute A sin concentracioacuten
posteriormente se cambioacute a los siguientes tipos (BCDF) las condiciones operativas del equipo
estuvieron de la siguiente manera temperaturas de entrada de 190 a 230 temperatura de salida
de 100-140 y velocidad de aire de 600 a 1000 rpm Cada vez que se haciacutea un cambio de producto
se sacoacute la cantidad de solidos finos adheridos de la siguiente manera
(Cantidad alimentada x 98 de rendimiento fijo)- (Cantidad producida)
Mediante esta foacutermula se obtuvo el porcentaje de cada tipo de cafeacute retenido en la base coacutenica
Cantidad adherida x 100
Cantidad alimentada
Los datos quedaron registrados en la tabla 4 donde cada repeticioacuten indica un lote de produccioacuten
diferente
Tabla 4Disentildeo de bloques completamente al azar
REPETICIONES
TRATAMIENTOS I II III
A 625 6033 702
B 1071 859 12
C 7015 6033 927
D 583 95 892
F 992 704 859
G 113 853 905
El primer disentildeo factorial se llevoacute a cabo en la aglomeracioacuten de 4 tipos de cafeacute soluble en la cual
se monitoreo la interaccioacuten de cada factor de acuerdo a los niveles establecidos sobre la respuesta
y se registraron los resultados Las partiacuteculas finas teniacutean las siguientes propiedades iniciales
Densidad 180-210 grcm3
Color 72-84
Humedad 2 a 35
15
Los resultados de los anaacutelisis fisicoquiacutemicos (dureza) fueron proporcionados por el aacuterea de control
de calidad estos datos se ingresaron en minitab y se hizo el anaacutelisis factorial obteniendo las
graacuteficas de interaccioacuten asiacute como tambieacuten la significancia de los efectos
El segundo disentildeo factorial se llevoacute cabo en la aglomeracioacuten de un lote de cafeacute soluble regular con
las siguientes propiedades
Color 72-85
Humedad 2-35
Densidad 190-210
La duracioacuten del lote fue de 10 horas el equipo empleo una velocidad de aire entrada de 900 rpm
con temperatura de 220degc y una velocidad de aire salida de 1765 rpm con temperatura de 135 degC
Se recibioacute ayuda por parte de los operarios para las combinaciones y cada vez que esta se
ejecutaba se tomoacute muestras de 10 grs y se llevoacute a control de calidad para los anaacutelisis de dureza y
porcentaje de aglomerado por cada corrida finalizando este experimento se registraron todos los
resultados en minitab y se hizo el anaacutelisis del disentildeo para las significancias de los factores cabe
mencionar que mediante este programa se obtuvieron las graacuteficas de interaccioacuten
35 Anaacutelisis de datos
Para determinar cualitativamente el efecto de los paraacutemetros del proceso en la aglomeracioacuten de
las partiacuteculas de cafeacute soluble se aplicoacute un anaacutelisis de varianza (ANOVA) con un nivel de
significancia α del 5 a los resultados experimentales La dureza y el porcentaje de
aglomerado se seleccionaron como paraacutemetro de respuestase utilizo el programa de stargrapics
para el anaacutelisis
36 Balance de materia energiacutea
Para el balance de materia y energiacutea primero se hicieron las conversiones de la velocidad angular
del aire de entrada y salida (rpm) a velocidad lineal (ms) empleando la foacutermula
(1rpm) (2π rad)60 x (radio) Asiacute como el caacutelculo del volumen de la caacutemara de secado (anexo 3)
El caacutelculo del caudal de aire de entrada se realizoacute empleando la foacutermula
119876 = 119881 119878
Donde
V=velocidad lineal del aire (ms)
S=aacuterea de la seccioacuten trasversal (m2)
El radio de la seccioacuten transversal para ventilador de entrada fue 0335 y la de salida de 0195
Se sacaron las eficiencias teacutermicas del equipo de la siguiente manera
16
Eficiencia teacutermica global= (11987911198792
1198792119879119900)
Eficiencia de evaporacioacuten= (1198791 1198792
1198791 119879119904119886119905)
Para determinar las temperaturas de saturacioacuten adiabaacutetica (TSAT) y (T0) se utilizoacute la carta psicomeacutetrica (Anexo 2) El balance quedo estructurada de la siguiente forma
Figura 1 Diagrama de flujo del aglomerador
Donde FS1=masa del solido seco (kg)
Ga flujo de aire (kgh)
Ws=contenido de humedad del alimento (kg agua kg solido seco)
Ta=temperatura de entrada
Ta1=temperatura de salida
Ta2=temperatura de solidos
Ga1=flujo de aire entrada
Ga2=flujo salida de aire
H1= humedad relativa del aire entrada
H2=humedad relativa del aire salida
El balance del sistema sin peacuterdidas ni acumulacioacuten quedo de la siguiente manera
FS WS1 +Ga Ha1 = FS WS2 +Ga Ha2
17
Mientras que el balance de energiacutea
FS QS1+ Ga Qa1 = FS QS2 +Ga Qa2 +QL
Donde qs1 y qs2 son las entalpiacuteas del soacutelido entrando y saliendo del secador (KJKg) qa1 y qa2 son
las entalpiacuteas del aire entrando y saliendo del secador (KJKg) qL es el calor perdido (KJ)
El balance con respecto a la humedad se determinoacute mediante la siguiente formula
GH2 LS X1 GH1 LS X2
Donde
GH2= flujo de aire
Ls = flujo de alimentacioacuten
X1= humedad de los soacutelidos iniciales
La entalpia de la salida de aire se calculoacute mediante la foacutermula
HG C2 (TG T0) H
Donde
TG= Temperatura del aire
T0= Temperatura saturacioacuten
H=Entalpia del solido seco
37 Optimizacioacuten
La optimizacioacuten del proceso se llevoacute a cabo en el control de los factores incidentes en la cual se establecieron los rangos a utilizar esto derivado de los caacutelculos de balance y lo obtenido de los efectos en el disentildeo experimental los operarios se apegaron a estas condiciones con sus respectivos rangos y lo llevaron a cabo durante 8 lotes de produccioacuten en ese lapso de tiempo se evaluoacute el comportamiento del rendimiento se registraron los datos y se graficaron
18
CAPIacuteTULO 4 RESULTADOS Y CONCLUSIONES
41 Resultados
Anaacutelisis de efectos disentildeo factorial No1
Figura 2Grafica de efectos normales para el cafeacute soluble ABCD
En la figura 2 se observa la distribucioacuten de los factores A B C para los 4 tipos de cafeacute en la cual la
temperatura de entrada tiene efecto significativo en la dureza con una significancia del 92
mientras que los demaacutes factores no presentaron efectos significativos aunque tambieacuten influyen en
una combinacioacuten para dar la caracteriacutestica fisicoquiacutemica
19
Figura 3Grafica de interaccioacuten para cafeacute
soluble A
Figura 4 Grafica de interaccioacuten para cafeacute
soluble B
Figura 5Grafica de interaccioacuten para cafeacute soluble
C
Figura 6Grafica de interaccioacuten para cafeacute
soluble D
En las figuras 3 4 5 y 6 se muestran el comportamiento de la dureza de acuerdo a los factores
manejados para los cuatro tipos de cafeacute y en cada una de ella se aprecia que los niveles menores
de la temperatura de salida con la temperatura de entrada dieron una dureza igual y por debajo
de 10 asiacute mismo en el factor de velocidad de aire tambieacuten tuvo un comportamiento con niveles
menores Cabe mencionar que ninguna de las combinaciones obtuvo una dureza optima por lo
que se determinoacute que el incremento en la temperatura de salida aumenta la dureza obteniendo
un granulo maacutes fraacutegil
20
Anaacutelisis del disentildeo factorial No2
Figura 7Grafica de efectos normales para
dureza del cafeacute regular
Figura 8Grafica de efectos principales para dureza
del cafeacute regular
En las figuras 7 y 8 se observa que el No de criba tiene efecto significativo sobre la dureza es decir
entre menor abertura tenga la criba la dureza es mucho menor los graacutenulos son maacutes resistentes
mientras que entre mayor sea la abertura los graacutenulos son maacutes fraacutegiles (dureza alta) cabe
mencionar que la mejor dureza obtenida fue con el nuacutemero de malla 33 la presioacuten de vapor de
15 y la temperatura de partiacutecula de 30deg c
Figura 9 Grafica de efectos normales para
porcentaje de aglomerado del cafeacute regular
Figura 10Grafica de interaccioacuten para porcentaje
de aglomerado del cafeacute regular
21
En las figuras 9 y 10 se observa que la temperatura del producto el nuacutemero de criba tiene efecto
significativo sobre el porcentaje de aglomerado entre mayor es el nivel el porcentaje de
aglomerado disminuye determinado que hay maacutes cantidad de polvos finos asiacute mismo si el nivel
de los factores es bajo el porcentaje incremente constantemente Por lo que el comportamiento
del graacutenulo se acopla al incremento o disminucioacuten de estas variables
Monitoreos
Figura 11Grafica de dispersioacuten de la presioacuten del sistema
Figura 12 Grafica del vaciacuteo vs porcentaje de adhesioacuten
En las figuras 11 y 12 se observa el comportamiento del vaciacuteo con las variaciones de aire de
entrada Cabe mencionar que el sistema empleo una sola salida de aire de 1765 rpm Durante los
monitoreos los productos presentaron pegajosidad con entradas de aire menores a 900 rpm
mientras tanto de 1000 a 1150 rpm los productos no presentaron pegajosidad Lo mismo sucedioacute
en el comportamiento del vaciacuteo del sistema para la cual la pegajosidad aumenta y el rendimiento
disminuye con respecto al incremento del vaciacuteo Por lo que esta variable es el factor determinante
y con ello se prueba la hipoacutetesis que la variacioacuten en la presioacuten del sistema genera un arrastre
excesivo de polvos y la humedad no se elimina lo suficiente
120011001000900800700600
08
07
06
05
04
velocidad de entrada( Rpm)
vacio
del
sis
tem
a (
inh
20
)
Graacutefica de dispersioacuten de vacio del sistema vs velocidad de entrada
0
2
4
6
8
10
12
14
0 02 04 06 08 1
D
E A
DH
ESIO
N
VACIO DEL SISTEMA IN H20
22
Figura 13 Graacutefico de humedad relativa del aire
En la figura 13 se aprecia que la humedad relativa del aire inicialmente fue de 66 que
incrementoacute durante los siguientes diacuteas pero fue disminuyendo hasta llegar al 50 Esto debido a
los cambios climaacuteticos cabe mencionar que el equipo no cuenta con un filtrador para retirar el
porcentaje de agua del aire por lo que esta ingresa directamente a la caacutemara de secado siendo
una variable maacutes influyente en la adhesioacuten de los polvos finos
Anaacutelisis de datos
Tabla 5 Anaacutelisis de varianza de dos factores con una sola muestra por grupo
RESUMEN Cuenta Suma Promedio Varianza Fila 1 3 19303 643433333 026902633
Fila 2 3 313 104333333 296443333 Fila 3 3 22318 743933333 275458633 Fila 4 3 2425 808333333 389223333 Fila 5 3 2555 851666667 207763333 Fila 6 3 2888 962666667 216763333
Columna 1 6 51025 850416667 582740417 Columna 2 6 45726 7621 21353864 Columna 3 6 5485 914166667 260997667
Origen de las variaciones
Suma de cuadrados
Grados de libertad
Promedio de los cuadrados F Probabilidad
Valor criacutetico para
F Tratamientos 316103776 5 632207552 297461023 006699316 332583453
Bloques 699763344 2 349881672 164623405 024097493 410282102
Graacutefico de humedad realtva vs lote
0 3 6 9 12 15
lote
50
54
58
62
66
70
74
hu
med
ad
realt
va
23
Error 212534586 10 212534586
Total 598614696 17
En la tabla 5 se muestra el anaacutelisis de varianza de del disentildeo por bloques completamente al azar
de las diferentes concentraciones de azuacutecar por cada tipo de producto Dado que el f de Fisher es
menor que la f tabulada indica que no hay diferencias significativas por lo que se acepta la
hipoacutetesis nula la concentracioacuten de azucares no tiene efecto significativo en la adhesioacuten del cafeacute
ya que la mayoriacutea tuvo un porcentaje de adhesioacuten alta en las tres repeticiones cabe mencionar
que el producto A sin concentracioacuten tambieacuten tuvo adhesioacuten en la suma de cuadrados por bloques
tampoco hubo diferencias significativas
Tabla 6 Anaacutelisis de Varianza para dureza - Suma de Cuadrados Tipo III
Fuente Suma de Cuadrados
Gl Cuadrado Medio
Razoacuten-F Valor-P
EFECTOS PRINCIPALES
APRESION DE VAPOR 005445 1 005445 006 08164
BTAMANtildeO DE PARTICULA 121525 1 121525 1372 00208
CTEMPERATURA DE PARTICULA 471245 1 471245 532 00823
RESIDUOS
354305 4 0885763
TOTAL (CORREGIDO) 204624 7
La tabla 6 muestra el anaacutelisis de varianza del disentildeo factorial en la cual se descompone la
variabilidad de dureza en contribuciones debidas a varios factores Puesto que se ha escogido la
suma de cuadrados Tipo III (por omisioacuten) la contribucioacuten de cada factor se mide eliminando los
efectos de los demaacutes factores Los valores-P prueban la significancia estadiacutestica de cada uno de los
factores Puesto que un valor-P es menor que 005 este factor tiene un efecto estadiacutesticamente
significativo sobre dureza con un 950 de nivel de confianza
24
Figura 14Grafico anova para dureza
En la figura 14 se muestra el grafico anova y se observa la distribucioacuten de la respuesta para los
factores en la cual todas las razones-F se basan en el cuadrado medio del error residual La
mayoriacutea presenta distribucioacuten anova con el valor p mayor a 05 sin embargo para el factor tamantildeo
de partiacutecula el valor es menor a 05 con significancia
Balance de energiacutea
En el balance de materia y energiacutea se obtuvo que la humedad en la salida aglomerado es del 73
cuando hay una entrada de aire de 1550 m3 s con 50 de humedad relativa a una temperatura
de 230degc necesita 1730 KJ kg de calor con una cantidad de aire seco de 2600 kg h para sistema
adiabaacutetico sim embargo el aglomerador no es de este tipo de sistema por lo que se evaluoacute en un
graacutefico psicomeacutetrico (anexo1) encontraacutendose
El aire se calienta a humedad constante (To -T1) Si la caacutemara estuviera aislada y toda la energiacutea
posible se utilizara el aire se enfriariacutea adiabaacuteticamente y la temperatura miacutenima a alcanzar seriacutea la
de bulbo seco de saturacioacuten (Tsat) En realidad la caacutemara no estaacute aislada y no se sigue un
enfriamiento adiabaacutetico El aire sale a una temperatura T2 (ni estaacute saturado ni el proceso es
adiabaacutetico) debido a la baja relacioacuten aire-producto Si el proceso fuera adiabaacutetico saldriacutea a T2
(proceso adiabaacutetico y masas iguales de aire y producto)
ANOVA Graacutefico para DUREZA
-25 -15 -05 05 15 25
Residuos
PRESION DE VAPOR P = 0816415 2
TAMANtildeO DE PARTICULA P = 0020833 54
TEMPERATURA DE PARTICULA P = 0082330 35
25
Optimizacioacuten
De acuerdo a los caacutelculos de balance de materia los flujos de aire de 900 pm a 1100 rpm con una
salida de 1765 rpm mantienen el calor necesario para eliminar la humedad por lo que estas
variables son las que se implementaron y controlaron para la aglomeracioacuten de los diversos
productos
Figura 15 Grafica de rendimientos con flujo de aire de 900 rpm a 1100 rpm
En la figura 15 se observa el comportamiento del rendimiento con las condiciones aire manejadas
que mantuvieron un vaciacuteo de 04 y 05 inicialmente el rendimiento no fue favorable debido a la
humedad relativa sin embargo en los siguientes lotes el rendimiento se mantuvo del 94
mejorando en los siguientes diacuteas al 97 siendo favorable con ello el porcentaje de adhesioacuten
disminuyo al 3 con estas condiciones la caracteriacutestica de porcentaje de aglomerado incremento
al rango oacuteptimo
La optimizacioacuten de las variables de temperatura de salida y tamantildeo de criba consistioacute en la
reduccioacuten de sus rangos de operacioacuten para la cual la dureza mejoroacute apegaacutendose al rango oacuteptimo
925
93
935
94
945
95
955
96
965
0 2 4 6 8 10 12 14
Ren
dim
ien
to
lote
26
42 Conclusiones
Mediante el disentildeo experimentos se encontroacute que el aumento de dos factores temperatura de
salida y el tamantildeo de partiacutecula influyen en el bajo porcentaje de aglomerado y el incremento en la
dureza por que el granulo aglomerado presenta fragilidad y una cantidad de polvos finos Asiacute
mismo con el disentildeo por bloques se determinoacute que la concentracioacuten de azuacutecares de los cafeacutes no
tiene efecto significativo tomando como muestra patroacuten un producto sin concentracioacuten que
tambieacuten presento adhesioacuten en las tres repeticiones Durante el monitoreo se observoacute que los
soacutelidos aglomerados a condiciones de bajo vaciacuteo con humedad relativa del aire baja no
presentaban ninguacuten problema de adhesioacuten mientras que los producto a condiciones de vaciacuteo alto
con humedades por encima de 60 presentaban mayor adhesioacuten en balance de materia se
observoacute que una humedad relativa alta en la salida del equipo necesita mayor calor y cantidad de
aire de entrada para ser eliminado asiacute mismo mediante las eficiencias teacutermicas se evaluoacute el
sistema en una carta psicomeacutetrica y se determinoacute que hay perdida calor en la caacutemara de secado
al no ser adiabaacutetico por lo que la optimizacioacuten del proceso solo fue parcial enfocaacutendose solo a
condiciones del aire de entrada y salida en la que el rendimiento mejoro en un promedio del 96
43 Trabajos Futuros
Derivado al balance y los caacutelculos la humedad relativa es un factor importante en la adhesioacuten del
producto es por ello que el proyecto tiene continuidad en la implementacioacuten de un desumificador
de aire para que el sistema tenga una inyeccioacuten de aire seco el aislamiento (encamisado) de la
caacutemara de secado para evitar pedidas del calor tambieacuten y la determinacioacuten de nuevas condiciones
de operacioacuten debido a los cambios en los flujos aire
44 Recomendaciones
De acuerdo al estudio realizado mediante el disentildeo factorial se determinoacute que la variacioacuten de la
entrada de aire afecta la presioacuten del sistema por lo que se recomienda manejar una sola condicioacuten
de aire para cada producto con respecto a la velocidad de salida ya que el sistema necesita
mantener el equilibrio de las corrientes de aire para que el calor sea necesario y elimine toda la
humedad posible del vapor de agua para evitar que se concentre en la base coacutenica asiacute mismo la
alimentacioacuten de los soacutelidos finos debe tener propiedades caracteriacutesticas oacuteptimas para evitar la
variacioacuten de las condiciones
27
ANEXOS Anexo 1 Equipo aglomerado
Salida de aire
Base coacutenica
Caacutemara de
secado
Lecho
fluidizado
Entrada de
aire caliente
Separador
cicloacutenico
Zona de aspersioacuten de
solidos secos y vapor
de agua
28
Anexo 2 Carta psicomeacutetrica
Fuente Spray Drying Handbook (Masters 1991)
29
Anexo 3 Caacutelculos de velocidad lineal caudales de aire y volumen del equipo
1765 rpm (2πrads)(042)=7763 ms
600 rpm (2πrads)(030) =2638 ms
700 rpm (2πrads)(030)=3078 ms
800 rpm (2πrads)(030) =3518 ms
900 rpm (2πrads)(030) =3965 ms
1000 rpm (2πrads)(030) =4348 ms
1150 rpm (2πrads)(030)=5057ms
Caudal para las diferentes velocidades lineales
1) Q=VS
Q=2638 ms (π 00335m) 2
Q=930 m3s
2) Q=VS
Q=3078ms (π 00335m) 2
Q=1085m3s
3) Q=VS
Q=3518 ms (π 00335m) 2
Q=1240 m3s
4) Q=VS
Q=4348 ms (π 00335m) 2
Q=1550 m3s
5) Q=VS
Q=5057ms (π 00335m) 2
Q=2002 m3s
6) Q=VS
Q=7763 ms (π 0195 m) 2
Q=3708 m3s
30
Velocidad angular de aire (rpm) Caudal (m3s)
600 rpm 93
700 1085
800 1240
1000 1550
1150 2002
1765 3708
Caudales de aire de entrada y salida
Volumen de la caacutemara de secado
V= ℎ1205871199032
v=97 π (21m)
v=140844 m3
V= ℎ1205871199032
v= (09m) (π 21m)
v=2420 m3
Volumen de la base coacutenica
119907 =π r2 h
3
119907 =π (291) lowast 59
3
V=52313 m3
Volumen total del equipo =21734 m3
582 m
59m
582 m
09 m
43m
97 m
31
Anexo 3Caacutelculos de balance de materia y energiacutea
Se determina la velocidad de flujo de aire y la humedad de salida del aglomerador suponiendo
que no hay peacuterdidas de calor en el secador el balance inicia con la alimentacioacuten de 300 kg de
soacutelidos secoh que contienen 0035 kg de humedad totalkg de soacutelido seco hasta un valor de 0002
kg de humedad totalkg de soacutelido seco El polvo fino a granular entra a 35 ordmC y se desea
descargarlo a 32 ordmC El soacutelido seco tiene una capacidad caloriacutefica de 1465 kJkgK que se supone
constante El aire de calentamiento entra a 230 ordmC y con humedad de 0060 kg H2Okg de aire
seco y debe salir a 130
Balance de materia con respecto a la humedad
GH2 LS X1 GH1 LS X2
Reemplazando valores
(060) + 300 (0035)= GH1+ 300 (0002)
El balance de calor para el secador es
GHG2 LS HS1 GHG1 LS HS2 Q
Se calcula la entalpiacutea del aire de entrada HG1
Aglomerador
G1=
TG1=230
H2=
LS=300 KGSh
TS1=35
X1=0035
G2=
TG2=130
H2=060
Ts 2=378
X2=0002
Q
32
HG1=CS 1005188H 1005188(060)
HG1 CS (TG1 T0 ) H
HG1= CS 230 - 0 + 0060(2501) 17306 KJ Kg aire seco
Se calcula la entalpiacutea del aire de salida HG2
C21005188H 1005188 H1
HG1 CS (TG2 T0 ) H
HG1= (1005 + 188 H1 )130 - 0 + H1 (2501)
HG1=130 + 27454 H1
Se calcula las entalpiacuteas de los soacutelidos
HS1 CP S (TS1 T0) X1 CP A ( TS1 T0)
HS1 1465(35 0) 0035 (4187)(35 0) 5713 kJ kg
HS2 CP S (TS2 T0) X2 CP A ( T2 T0)
HS2 1465 (32 ndash 0 ) + 0002(4187)(32 0)=4714 KJ Kg
Reemplazando en el balance de energiacutea
G (17306)+ 300(5713) = G (130 + 27454 H1)+ 300(4714) + 0
G=2600 Kg aire seco por hora
Resolviendo conjuntamente con el balance de materia
G (060) + 300 (0035)= GH1+ 300 (0002)
2600(060) + 105 = 2600 H1 +06
H1=2600(060) +105 + 060 2600
H1=07427 Kg agua kg aire seco
33
Anexo 4Calculo de eficiencias teacutermicas
Datos
T = 230
Ts =147
T0= 30
T sat=45
Eficiencia teacutermica global
Ntermica global= 1198791minus1198792
1198792minus1198790 X 100
Ntermica global = 230minus147
230minus30 100 =415
Eficiencia de evaporacioacuten
Nevaporacion=1198791minus1198792
1198791minus119879119904119886119905
Nevaporacion = 230minus147
230minus45 100 =4486
34
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Equipment
12
CAPIacuteTULO 3 DESARROLLO DEL PROYECTO
31 Equipo experimental
El equipo experimental utilizado fue un secador por aspersioacuten con lecho fluido integrado (Anexo1)
que consta de una caacutemara de secado proyectado sobre una base coacutenica mediante la cual una
corriente de aire caliente es suministrado por un ventilador de entrada creando una atmosfera
turbulenta donde los polvos finos entran en contacto con vapor de agua y mediante el secado se
forman los aglomerados este equipo maneja varias condiciones de operacioacuten que le dan las
caracteriacutesticas al producto Las herramientas estadiacutesticas empleados fueron Excel para el anaacutelisis
de varianza y prueba de hipoacutetesis del disentildeo por bloques al azar minitab para el anaacutelisis de los
efectos de los factores sobre la variable de respuesta y stargrapics para el anaacutelisis de varianza del
segundo disentildeo experimental
32 Monitoreos
Se hizo un monitoreo en los flujos de aire de entrada flujo de salida el vaciacuteo del sistema y la
humedad relativa del aire en un lapso de 5 horas diarias por 10 lotes de produccioacuten evaluando
tambieacuten la adhesioacuten en cada uno de ellos se registraron los datos en Excel mediante estos datos
se elaboroacute una graacutefica de dispersioacuten para ver el comportamiento de estas variables
33 Disentildeo de experimentos
Se utilizoacute un disentildeo de bloques completamente al azar en la cual los tratamientos fueron la
concentracioacuten de azucares con respuesta de porcentaje de adhesioacuten Cabe mencionar que cada
tratamiento indica un tipo de producto por su concentracioacuten
Tabla 1 Tratamientos del disentildeo por bloques al azar
TRATAMIENTO CONCENTRACION
A 0
B 5
C 10
D 15
F 17
Se formularon dos hipoacutetesis
H0=La concentracioacuten de azucares no tiene efecto en la pegajosidad de los polvos finos si F es
menor o igual a la F tabulada
13
H1=La concentracioacuten de azucares tiene efecto significativo si F de Fisher es mayor que la F
tabulada
Se utilizoacute un disentildeo factorial 23 para determinar el efecto de tres condiciones de operacioacuten
(factores) las cuales fueron velocidad de aire temperatura de entrada y temperatura de salida con
dos niveles teniendo como respuestas la dureza del granulo para 5 tipos de cafeacute soluble
Tabla 2 Factores y niveles del Disentildeo factorial 23
TIPOS FACTORES NIVEL BAJO NIVEL ALTO RESPUESTAS
Cafeacute soluble
ABCDF
Temperatura de entrada
217 227 220 212
235 231 236 228
Dureza
Temperatura de salida
133 139 137 134
135 142 138 135
Velocidad de aire
800 849 690 975
1000 850 950 1050
Tambieacuten se empleoacute un disentildeo factorial de 23 para determinar los efectos de tres factores No
Criba del molino de martillos con nivel de 33-55 la presioacuten de vapor con nivel de 15-20 y la
temperatura de producto nivel de 30-35 las respuestas que se eligieron para este disentildeo fue la
dureza del granulo y el porcentaje de aglomerado este experimento se inicioacute empleado la
herramienta estadista minitab en la cual se ingresaron estos factores con sus niveles arrojando 8
corridas por las combinaciones
Tabla 3 Corridas experimentales del disentildeo 23
Factores
corridas Presioacuten de
vapor
NoCriba Temperatura de
partiacutecula
1 15 33 30
2 2 33 30
3 15 54 30
4 2 54 30
5 15 33 35
6 2 33 35
7 15 54 35
8 2 54 35
14
34 Realizacioacuten del disentildeo de experimentos
Para la ejecucioacuten del disentildeo de experimentos se siguioacute con el programa de produccioacuten iniciando
con el disentildeo por bloque completamente al azar la cual se llevoacute en la aglomeracioacuten de 5 tipos de
cafeacute con diferentes concentraciones mencionadas anteriormente desde el arranque del equipo en
la cual los soacutelidos finos iniciales que se cargaron fueron un cafeacute A sin concentracioacuten
posteriormente se cambioacute a los siguientes tipos (BCDF) las condiciones operativas del equipo
estuvieron de la siguiente manera temperaturas de entrada de 190 a 230 temperatura de salida
de 100-140 y velocidad de aire de 600 a 1000 rpm Cada vez que se haciacutea un cambio de producto
se sacoacute la cantidad de solidos finos adheridos de la siguiente manera
(Cantidad alimentada x 98 de rendimiento fijo)- (Cantidad producida)
Mediante esta foacutermula se obtuvo el porcentaje de cada tipo de cafeacute retenido en la base coacutenica
Cantidad adherida x 100
Cantidad alimentada
Los datos quedaron registrados en la tabla 4 donde cada repeticioacuten indica un lote de produccioacuten
diferente
Tabla 4Disentildeo de bloques completamente al azar
REPETICIONES
TRATAMIENTOS I II III
A 625 6033 702
B 1071 859 12
C 7015 6033 927
D 583 95 892
F 992 704 859
G 113 853 905
El primer disentildeo factorial se llevoacute a cabo en la aglomeracioacuten de 4 tipos de cafeacute soluble en la cual
se monitoreo la interaccioacuten de cada factor de acuerdo a los niveles establecidos sobre la respuesta
y se registraron los resultados Las partiacuteculas finas teniacutean las siguientes propiedades iniciales
Densidad 180-210 grcm3
Color 72-84
Humedad 2 a 35
15
Los resultados de los anaacutelisis fisicoquiacutemicos (dureza) fueron proporcionados por el aacuterea de control
de calidad estos datos se ingresaron en minitab y se hizo el anaacutelisis factorial obteniendo las
graacuteficas de interaccioacuten asiacute como tambieacuten la significancia de los efectos
El segundo disentildeo factorial se llevoacute cabo en la aglomeracioacuten de un lote de cafeacute soluble regular con
las siguientes propiedades
Color 72-85
Humedad 2-35
Densidad 190-210
La duracioacuten del lote fue de 10 horas el equipo empleo una velocidad de aire entrada de 900 rpm
con temperatura de 220degc y una velocidad de aire salida de 1765 rpm con temperatura de 135 degC
Se recibioacute ayuda por parte de los operarios para las combinaciones y cada vez que esta se
ejecutaba se tomoacute muestras de 10 grs y se llevoacute a control de calidad para los anaacutelisis de dureza y
porcentaje de aglomerado por cada corrida finalizando este experimento se registraron todos los
resultados en minitab y se hizo el anaacutelisis del disentildeo para las significancias de los factores cabe
mencionar que mediante este programa se obtuvieron las graacuteficas de interaccioacuten
35 Anaacutelisis de datos
Para determinar cualitativamente el efecto de los paraacutemetros del proceso en la aglomeracioacuten de
las partiacuteculas de cafeacute soluble se aplicoacute un anaacutelisis de varianza (ANOVA) con un nivel de
significancia α del 5 a los resultados experimentales La dureza y el porcentaje de
aglomerado se seleccionaron como paraacutemetro de respuestase utilizo el programa de stargrapics
para el anaacutelisis
36 Balance de materia energiacutea
Para el balance de materia y energiacutea primero se hicieron las conversiones de la velocidad angular
del aire de entrada y salida (rpm) a velocidad lineal (ms) empleando la foacutermula
(1rpm) (2π rad)60 x (radio) Asiacute como el caacutelculo del volumen de la caacutemara de secado (anexo 3)
El caacutelculo del caudal de aire de entrada se realizoacute empleando la foacutermula
119876 = 119881 119878
Donde
V=velocidad lineal del aire (ms)
S=aacuterea de la seccioacuten trasversal (m2)
El radio de la seccioacuten transversal para ventilador de entrada fue 0335 y la de salida de 0195
Se sacaron las eficiencias teacutermicas del equipo de la siguiente manera
16
Eficiencia teacutermica global= (11987911198792
1198792119879119900)
Eficiencia de evaporacioacuten= (1198791 1198792
1198791 119879119904119886119905)
Para determinar las temperaturas de saturacioacuten adiabaacutetica (TSAT) y (T0) se utilizoacute la carta psicomeacutetrica (Anexo 2) El balance quedo estructurada de la siguiente forma
Figura 1 Diagrama de flujo del aglomerador
Donde FS1=masa del solido seco (kg)
Ga flujo de aire (kgh)
Ws=contenido de humedad del alimento (kg agua kg solido seco)
Ta=temperatura de entrada
Ta1=temperatura de salida
Ta2=temperatura de solidos
Ga1=flujo de aire entrada
Ga2=flujo salida de aire
H1= humedad relativa del aire entrada
H2=humedad relativa del aire salida
El balance del sistema sin peacuterdidas ni acumulacioacuten quedo de la siguiente manera
FS WS1 +Ga Ha1 = FS WS2 +Ga Ha2
17
Mientras que el balance de energiacutea
FS QS1+ Ga Qa1 = FS QS2 +Ga Qa2 +QL
Donde qs1 y qs2 son las entalpiacuteas del soacutelido entrando y saliendo del secador (KJKg) qa1 y qa2 son
las entalpiacuteas del aire entrando y saliendo del secador (KJKg) qL es el calor perdido (KJ)
El balance con respecto a la humedad se determinoacute mediante la siguiente formula
GH2 LS X1 GH1 LS X2
Donde
GH2= flujo de aire
Ls = flujo de alimentacioacuten
X1= humedad de los soacutelidos iniciales
La entalpia de la salida de aire se calculoacute mediante la foacutermula
HG C2 (TG T0) H
Donde
TG= Temperatura del aire
T0= Temperatura saturacioacuten
H=Entalpia del solido seco
37 Optimizacioacuten
La optimizacioacuten del proceso se llevoacute a cabo en el control de los factores incidentes en la cual se establecieron los rangos a utilizar esto derivado de los caacutelculos de balance y lo obtenido de los efectos en el disentildeo experimental los operarios se apegaron a estas condiciones con sus respectivos rangos y lo llevaron a cabo durante 8 lotes de produccioacuten en ese lapso de tiempo se evaluoacute el comportamiento del rendimiento se registraron los datos y se graficaron
18
CAPIacuteTULO 4 RESULTADOS Y CONCLUSIONES
41 Resultados
Anaacutelisis de efectos disentildeo factorial No1
Figura 2Grafica de efectos normales para el cafeacute soluble ABCD
En la figura 2 se observa la distribucioacuten de los factores A B C para los 4 tipos de cafeacute en la cual la
temperatura de entrada tiene efecto significativo en la dureza con una significancia del 92
mientras que los demaacutes factores no presentaron efectos significativos aunque tambieacuten influyen en
una combinacioacuten para dar la caracteriacutestica fisicoquiacutemica
19
Figura 3Grafica de interaccioacuten para cafeacute
soluble A
Figura 4 Grafica de interaccioacuten para cafeacute
soluble B
Figura 5Grafica de interaccioacuten para cafeacute soluble
C
Figura 6Grafica de interaccioacuten para cafeacute
soluble D
En las figuras 3 4 5 y 6 se muestran el comportamiento de la dureza de acuerdo a los factores
manejados para los cuatro tipos de cafeacute y en cada una de ella se aprecia que los niveles menores
de la temperatura de salida con la temperatura de entrada dieron una dureza igual y por debajo
de 10 asiacute mismo en el factor de velocidad de aire tambieacuten tuvo un comportamiento con niveles
menores Cabe mencionar que ninguna de las combinaciones obtuvo una dureza optima por lo
que se determinoacute que el incremento en la temperatura de salida aumenta la dureza obteniendo
un granulo maacutes fraacutegil
20
Anaacutelisis del disentildeo factorial No2
Figura 7Grafica de efectos normales para
dureza del cafeacute regular
Figura 8Grafica de efectos principales para dureza
del cafeacute regular
En las figuras 7 y 8 se observa que el No de criba tiene efecto significativo sobre la dureza es decir
entre menor abertura tenga la criba la dureza es mucho menor los graacutenulos son maacutes resistentes
mientras que entre mayor sea la abertura los graacutenulos son maacutes fraacutegiles (dureza alta) cabe
mencionar que la mejor dureza obtenida fue con el nuacutemero de malla 33 la presioacuten de vapor de
15 y la temperatura de partiacutecula de 30deg c
Figura 9 Grafica de efectos normales para
porcentaje de aglomerado del cafeacute regular
Figura 10Grafica de interaccioacuten para porcentaje
de aglomerado del cafeacute regular
21
En las figuras 9 y 10 se observa que la temperatura del producto el nuacutemero de criba tiene efecto
significativo sobre el porcentaje de aglomerado entre mayor es el nivel el porcentaje de
aglomerado disminuye determinado que hay maacutes cantidad de polvos finos asiacute mismo si el nivel
de los factores es bajo el porcentaje incremente constantemente Por lo que el comportamiento
del graacutenulo se acopla al incremento o disminucioacuten de estas variables
Monitoreos
Figura 11Grafica de dispersioacuten de la presioacuten del sistema
Figura 12 Grafica del vaciacuteo vs porcentaje de adhesioacuten
En las figuras 11 y 12 se observa el comportamiento del vaciacuteo con las variaciones de aire de
entrada Cabe mencionar que el sistema empleo una sola salida de aire de 1765 rpm Durante los
monitoreos los productos presentaron pegajosidad con entradas de aire menores a 900 rpm
mientras tanto de 1000 a 1150 rpm los productos no presentaron pegajosidad Lo mismo sucedioacute
en el comportamiento del vaciacuteo del sistema para la cual la pegajosidad aumenta y el rendimiento
disminuye con respecto al incremento del vaciacuteo Por lo que esta variable es el factor determinante
y con ello se prueba la hipoacutetesis que la variacioacuten en la presioacuten del sistema genera un arrastre
excesivo de polvos y la humedad no se elimina lo suficiente
120011001000900800700600
08
07
06
05
04
velocidad de entrada( Rpm)
vacio
del
sis
tem
a (
inh
20
)
Graacutefica de dispersioacuten de vacio del sistema vs velocidad de entrada
0
2
4
6
8
10
12
14
0 02 04 06 08 1
D
E A
DH
ESIO
N
VACIO DEL SISTEMA IN H20
22
Figura 13 Graacutefico de humedad relativa del aire
En la figura 13 se aprecia que la humedad relativa del aire inicialmente fue de 66 que
incrementoacute durante los siguientes diacuteas pero fue disminuyendo hasta llegar al 50 Esto debido a
los cambios climaacuteticos cabe mencionar que el equipo no cuenta con un filtrador para retirar el
porcentaje de agua del aire por lo que esta ingresa directamente a la caacutemara de secado siendo
una variable maacutes influyente en la adhesioacuten de los polvos finos
Anaacutelisis de datos
Tabla 5 Anaacutelisis de varianza de dos factores con una sola muestra por grupo
RESUMEN Cuenta Suma Promedio Varianza Fila 1 3 19303 643433333 026902633
Fila 2 3 313 104333333 296443333 Fila 3 3 22318 743933333 275458633 Fila 4 3 2425 808333333 389223333 Fila 5 3 2555 851666667 207763333 Fila 6 3 2888 962666667 216763333
Columna 1 6 51025 850416667 582740417 Columna 2 6 45726 7621 21353864 Columna 3 6 5485 914166667 260997667
Origen de las variaciones
Suma de cuadrados
Grados de libertad
Promedio de los cuadrados F Probabilidad
Valor criacutetico para
F Tratamientos 316103776 5 632207552 297461023 006699316 332583453
Bloques 699763344 2 349881672 164623405 024097493 410282102
Graacutefico de humedad realtva vs lote
0 3 6 9 12 15
lote
50
54
58
62
66
70
74
hu
med
ad
realt
va
23
Error 212534586 10 212534586
Total 598614696 17
En la tabla 5 se muestra el anaacutelisis de varianza de del disentildeo por bloques completamente al azar
de las diferentes concentraciones de azuacutecar por cada tipo de producto Dado que el f de Fisher es
menor que la f tabulada indica que no hay diferencias significativas por lo que se acepta la
hipoacutetesis nula la concentracioacuten de azucares no tiene efecto significativo en la adhesioacuten del cafeacute
ya que la mayoriacutea tuvo un porcentaje de adhesioacuten alta en las tres repeticiones cabe mencionar
que el producto A sin concentracioacuten tambieacuten tuvo adhesioacuten en la suma de cuadrados por bloques
tampoco hubo diferencias significativas
Tabla 6 Anaacutelisis de Varianza para dureza - Suma de Cuadrados Tipo III
Fuente Suma de Cuadrados
Gl Cuadrado Medio
Razoacuten-F Valor-P
EFECTOS PRINCIPALES
APRESION DE VAPOR 005445 1 005445 006 08164
BTAMANtildeO DE PARTICULA 121525 1 121525 1372 00208
CTEMPERATURA DE PARTICULA 471245 1 471245 532 00823
RESIDUOS
354305 4 0885763
TOTAL (CORREGIDO) 204624 7
La tabla 6 muestra el anaacutelisis de varianza del disentildeo factorial en la cual se descompone la
variabilidad de dureza en contribuciones debidas a varios factores Puesto que se ha escogido la
suma de cuadrados Tipo III (por omisioacuten) la contribucioacuten de cada factor se mide eliminando los
efectos de los demaacutes factores Los valores-P prueban la significancia estadiacutestica de cada uno de los
factores Puesto que un valor-P es menor que 005 este factor tiene un efecto estadiacutesticamente
significativo sobre dureza con un 950 de nivel de confianza
24
Figura 14Grafico anova para dureza
En la figura 14 se muestra el grafico anova y se observa la distribucioacuten de la respuesta para los
factores en la cual todas las razones-F se basan en el cuadrado medio del error residual La
mayoriacutea presenta distribucioacuten anova con el valor p mayor a 05 sin embargo para el factor tamantildeo
de partiacutecula el valor es menor a 05 con significancia
Balance de energiacutea
En el balance de materia y energiacutea se obtuvo que la humedad en la salida aglomerado es del 73
cuando hay una entrada de aire de 1550 m3 s con 50 de humedad relativa a una temperatura
de 230degc necesita 1730 KJ kg de calor con una cantidad de aire seco de 2600 kg h para sistema
adiabaacutetico sim embargo el aglomerador no es de este tipo de sistema por lo que se evaluoacute en un
graacutefico psicomeacutetrico (anexo1) encontraacutendose
El aire se calienta a humedad constante (To -T1) Si la caacutemara estuviera aislada y toda la energiacutea
posible se utilizara el aire se enfriariacutea adiabaacuteticamente y la temperatura miacutenima a alcanzar seriacutea la
de bulbo seco de saturacioacuten (Tsat) En realidad la caacutemara no estaacute aislada y no se sigue un
enfriamiento adiabaacutetico El aire sale a una temperatura T2 (ni estaacute saturado ni el proceso es
adiabaacutetico) debido a la baja relacioacuten aire-producto Si el proceso fuera adiabaacutetico saldriacutea a T2
(proceso adiabaacutetico y masas iguales de aire y producto)
ANOVA Graacutefico para DUREZA
-25 -15 -05 05 15 25
Residuos
PRESION DE VAPOR P = 0816415 2
TAMANtildeO DE PARTICULA P = 0020833 54
TEMPERATURA DE PARTICULA P = 0082330 35
25
Optimizacioacuten
De acuerdo a los caacutelculos de balance de materia los flujos de aire de 900 pm a 1100 rpm con una
salida de 1765 rpm mantienen el calor necesario para eliminar la humedad por lo que estas
variables son las que se implementaron y controlaron para la aglomeracioacuten de los diversos
productos
Figura 15 Grafica de rendimientos con flujo de aire de 900 rpm a 1100 rpm
En la figura 15 se observa el comportamiento del rendimiento con las condiciones aire manejadas
que mantuvieron un vaciacuteo de 04 y 05 inicialmente el rendimiento no fue favorable debido a la
humedad relativa sin embargo en los siguientes lotes el rendimiento se mantuvo del 94
mejorando en los siguientes diacuteas al 97 siendo favorable con ello el porcentaje de adhesioacuten
disminuyo al 3 con estas condiciones la caracteriacutestica de porcentaje de aglomerado incremento
al rango oacuteptimo
La optimizacioacuten de las variables de temperatura de salida y tamantildeo de criba consistioacute en la
reduccioacuten de sus rangos de operacioacuten para la cual la dureza mejoroacute apegaacutendose al rango oacuteptimo
925
93
935
94
945
95
955
96
965
0 2 4 6 8 10 12 14
Ren
dim
ien
to
lote
26
42 Conclusiones
Mediante el disentildeo experimentos se encontroacute que el aumento de dos factores temperatura de
salida y el tamantildeo de partiacutecula influyen en el bajo porcentaje de aglomerado y el incremento en la
dureza por que el granulo aglomerado presenta fragilidad y una cantidad de polvos finos Asiacute
mismo con el disentildeo por bloques se determinoacute que la concentracioacuten de azuacutecares de los cafeacutes no
tiene efecto significativo tomando como muestra patroacuten un producto sin concentracioacuten que
tambieacuten presento adhesioacuten en las tres repeticiones Durante el monitoreo se observoacute que los
soacutelidos aglomerados a condiciones de bajo vaciacuteo con humedad relativa del aire baja no
presentaban ninguacuten problema de adhesioacuten mientras que los producto a condiciones de vaciacuteo alto
con humedades por encima de 60 presentaban mayor adhesioacuten en balance de materia se
observoacute que una humedad relativa alta en la salida del equipo necesita mayor calor y cantidad de
aire de entrada para ser eliminado asiacute mismo mediante las eficiencias teacutermicas se evaluoacute el
sistema en una carta psicomeacutetrica y se determinoacute que hay perdida calor en la caacutemara de secado
al no ser adiabaacutetico por lo que la optimizacioacuten del proceso solo fue parcial enfocaacutendose solo a
condiciones del aire de entrada y salida en la que el rendimiento mejoro en un promedio del 96
43 Trabajos Futuros
Derivado al balance y los caacutelculos la humedad relativa es un factor importante en la adhesioacuten del
producto es por ello que el proyecto tiene continuidad en la implementacioacuten de un desumificador
de aire para que el sistema tenga una inyeccioacuten de aire seco el aislamiento (encamisado) de la
caacutemara de secado para evitar pedidas del calor tambieacuten y la determinacioacuten de nuevas condiciones
de operacioacuten debido a los cambios en los flujos aire
44 Recomendaciones
De acuerdo al estudio realizado mediante el disentildeo factorial se determinoacute que la variacioacuten de la
entrada de aire afecta la presioacuten del sistema por lo que se recomienda manejar una sola condicioacuten
de aire para cada producto con respecto a la velocidad de salida ya que el sistema necesita
mantener el equilibrio de las corrientes de aire para que el calor sea necesario y elimine toda la
humedad posible del vapor de agua para evitar que se concentre en la base coacutenica asiacute mismo la
alimentacioacuten de los soacutelidos finos debe tener propiedades caracteriacutesticas oacuteptimas para evitar la
variacioacuten de las condiciones
27
ANEXOS Anexo 1 Equipo aglomerado
Salida de aire
Base coacutenica
Caacutemara de
secado
Lecho
fluidizado
Entrada de
aire caliente
Separador
cicloacutenico
Zona de aspersioacuten de
solidos secos y vapor
de agua
28
Anexo 2 Carta psicomeacutetrica
Fuente Spray Drying Handbook (Masters 1991)
29
Anexo 3 Caacutelculos de velocidad lineal caudales de aire y volumen del equipo
1765 rpm (2πrads)(042)=7763 ms
600 rpm (2πrads)(030) =2638 ms
700 rpm (2πrads)(030)=3078 ms
800 rpm (2πrads)(030) =3518 ms
900 rpm (2πrads)(030) =3965 ms
1000 rpm (2πrads)(030) =4348 ms
1150 rpm (2πrads)(030)=5057ms
Caudal para las diferentes velocidades lineales
1) Q=VS
Q=2638 ms (π 00335m) 2
Q=930 m3s
2) Q=VS
Q=3078ms (π 00335m) 2
Q=1085m3s
3) Q=VS
Q=3518 ms (π 00335m) 2
Q=1240 m3s
4) Q=VS
Q=4348 ms (π 00335m) 2
Q=1550 m3s
5) Q=VS
Q=5057ms (π 00335m) 2
Q=2002 m3s
6) Q=VS
Q=7763 ms (π 0195 m) 2
Q=3708 m3s
30
Velocidad angular de aire (rpm) Caudal (m3s)
600 rpm 93
700 1085
800 1240
1000 1550
1150 2002
1765 3708
Caudales de aire de entrada y salida
Volumen de la caacutemara de secado
V= ℎ1205871199032
v=97 π (21m)
v=140844 m3
V= ℎ1205871199032
v= (09m) (π 21m)
v=2420 m3
Volumen de la base coacutenica
119907 =π r2 h
3
119907 =π (291) lowast 59
3
V=52313 m3
Volumen total del equipo =21734 m3
582 m
59m
582 m
09 m
43m
97 m
31
Anexo 3Caacutelculos de balance de materia y energiacutea
Se determina la velocidad de flujo de aire y la humedad de salida del aglomerador suponiendo
que no hay peacuterdidas de calor en el secador el balance inicia con la alimentacioacuten de 300 kg de
soacutelidos secoh que contienen 0035 kg de humedad totalkg de soacutelido seco hasta un valor de 0002
kg de humedad totalkg de soacutelido seco El polvo fino a granular entra a 35 ordmC y se desea
descargarlo a 32 ordmC El soacutelido seco tiene una capacidad caloriacutefica de 1465 kJkgK que se supone
constante El aire de calentamiento entra a 230 ordmC y con humedad de 0060 kg H2Okg de aire
seco y debe salir a 130
Balance de materia con respecto a la humedad
GH2 LS X1 GH1 LS X2
Reemplazando valores
(060) + 300 (0035)= GH1+ 300 (0002)
El balance de calor para el secador es
GHG2 LS HS1 GHG1 LS HS2 Q
Se calcula la entalpiacutea del aire de entrada HG1
Aglomerador
G1=
TG1=230
H2=
LS=300 KGSh
TS1=35
X1=0035
G2=
TG2=130
H2=060
Ts 2=378
X2=0002
Q
32
HG1=CS 1005188H 1005188(060)
HG1 CS (TG1 T0 ) H
HG1= CS 230 - 0 + 0060(2501) 17306 KJ Kg aire seco
Se calcula la entalpiacutea del aire de salida HG2
C21005188H 1005188 H1
HG1 CS (TG2 T0 ) H
HG1= (1005 + 188 H1 )130 - 0 + H1 (2501)
HG1=130 + 27454 H1
Se calcula las entalpiacuteas de los soacutelidos
HS1 CP S (TS1 T0) X1 CP A ( TS1 T0)
HS1 1465(35 0) 0035 (4187)(35 0) 5713 kJ kg
HS2 CP S (TS2 T0) X2 CP A ( T2 T0)
HS2 1465 (32 ndash 0 ) + 0002(4187)(32 0)=4714 KJ Kg
Reemplazando en el balance de energiacutea
G (17306)+ 300(5713) = G (130 + 27454 H1)+ 300(4714) + 0
G=2600 Kg aire seco por hora
Resolviendo conjuntamente con el balance de materia
G (060) + 300 (0035)= GH1+ 300 (0002)
2600(060) + 105 = 2600 H1 +06
H1=2600(060) +105 + 060 2600
H1=07427 Kg agua kg aire seco
33
Anexo 4Calculo de eficiencias teacutermicas
Datos
T = 230
Ts =147
T0= 30
T sat=45
Eficiencia teacutermica global
Ntermica global= 1198791minus1198792
1198792minus1198790 X 100
Ntermica global = 230minus147
230minus30 100 =415
Eficiencia de evaporacioacuten
Nevaporacion=1198791minus1198792
1198791minus119879119904119886119905
Nevaporacion = 230minus147
230minus45 100 =4486
34
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13
H1=La concentracioacuten de azucares tiene efecto significativo si F de Fisher es mayor que la F
tabulada
Se utilizoacute un disentildeo factorial 23 para determinar el efecto de tres condiciones de operacioacuten
(factores) las cuales fueron velocidad de aire temperatura de entrada y temperatura de salida con
dos niveles teniendo como respuestas la dureza del granulo para 5 tipos de cafeacute soluble
Tabla 2 Factores y niveles del Disentildeo factorial 23
TIPOS FACTORES NIVEL BAJO NIVEL ALTO RESPUESTAS
Cafeacute soluble
ABCDF
Temperatura de entrada
217 227 220 212
235 231 236 228
Dureza
Temperatura de salida
133 139 137 134
135 142 138 135
Velocidad de aire
800 849 690 975
1000 850 950 1050
Tambieacuten se empleoacute un disentildeo factorial de 23 para determinar los efectos de tres factores No
Criba del molino de martillos con nivel de 33-55 la presioacuten de vapor con nivel de 15-20 y la
temperatura de producto nivel de 30-35 las respuestas que se eligieron para este disentildeo fue la
dureza del granulo y el porcentaje de aglomerado este experimento se inicioacute empleado la
herramienta estadista minitab en la cual se ingresaron estos factores con sus niveles arrojando 8
corridas por las combinaciones
Tabla 3 Corridas experimentales del disentildeo 23
Factores
corridas Presioacuten de
vapor
NoCriba Temperatura de
partiacutecula
1 15 33 30
2 2 33 30
3 15 54 30
4 2 54 30
5 15 33 35
6 2 33 35
7 15 54 35
8 2 54 35
14
34 Realizacioacuten del disentildeo de experimentos
Para la ejecucioacuten del disentildeo de experimentos se siguioacute con el programa de produccioacuten iniciando
con el disentildeo por bloque completamente al azar la cual se llevoacute en la aglomeracioacuten de 5 tipos de
cafeacute con diferentes concentraciones mencionadas anteriormente desde el arranque del equipo en
la cual los soacutelidos finos iniciales que se cargaron fueron un cafeacute A sin concentracioacuten
posteriormente se cambioacute a los siguientes tipos (BCDF) las condiciones operativas del equipo
estuvieron de la siguiente manera temperaturas de entrada de 190 a 230 temperatura de salida
de 100-140 y velocidad de aire de 600 a 1000 rpm Cada vez que se haciacutea un cambio de producto
se sacoacute la cantidad de solidos finos adheridos de la siguiente manera
(Cantidad alimentada x 98 de rendimiento fijo)- (Cantidad producida)
Mediante esta foacutermula se obtuvo el porcentaje de cada tipo de cafeacute retenido en la base coacutenica
Cantidad adherida x 100
Cantidad alimentada
Los datos quedaron registrados en la tabla 4 donde cada repeticioacuten indica un lote de produccioacuten
diferente
Tabla 4Disentildeo de bloques completamente al azar
REPETICIONES
TRATAMIENTOS I II III
A 625 6033 702
B 1071 859 12
C 7015 6033 927
D 583 95 892
F 992 704 859
G 113 853 905
El primer disentildeo factorial se llevoacute a cabo en la aglomeracioacuten de 4 tipos de cafeacute soluble en la cual
se monitoreo la interaccioacuten de cada factor de acuerdo a los niveles establecidos sobre la respuesta
y se registraron los resultados Las partiacuteculas finas teniacutean las siguientes propiedades iniciales
Densidad 180-210 grcm3
Color 72-84
Humedad 2 a 35
15
Los resultados de los anaacutelisis fisicoquiacutemicos (dureza) fueron proporcionados por el aacuterea de control
de calidad estos datos se ingresaron en minitab y se hizo el anaacutelisis factorial obteniendo las
graacuteficas de interaccioacuten asiacute como tambieacuten la significancia de los efectos
El segundo disentildeo factorial se llevoacute cabo en la aglomeracioacuten de un lote de cafeacute soluble regular con
las siguientes propiedades
Color 72-85
Humedad 2-35
Densidad 190-210
La duracioacuten del lote fue de 10 horas el equipo empleo una velocidad de aire entrada de 900 rpm
con temperatura de 220degc y una velocidad de aire salida de 1765 rpm con temperatura de 135 degC
Se recibioacute ayuda por parte de los operarios para las combinaciones y cada vez que esta se
ejecutaba se tomoacute muestras de 10 grs y se llevoacute a control de calidad para los anaacutelisis de dureza y
porcentaje de aglomerado por cada corrida finalizando este experimento se registraron todos los
resultados en minitab y se hizo el anaacutelisis del disentildeo para las significancias de los factores cabe
mencionar que mediante este programa se obtuvieron las graacuteficas de interaccioacuten
35 Anaacutelisis de datos
Para determinar cualitativamente el efecto de los paraacutemetros del proceso en la aglomeracioacuten de
las partiacuteculas de cafeacute soluble se aplicoacute un anaacutelisis de varianza (ANOVA) con un nivel de
significancia α del 5 a los resultados experimentales La dureza y el porcentaje de
aglomerado se seleccionaron como paraacutemetro de respuestase utilizo el programa de stargrapics
para el anaacutelisis
36 Balance de materia energiacutea
Para el balance de materia y energiacutea primero se hicieron las conversiones de la velocidad angular
del aire de entrada y salida (rpm) a velocidad lineal (ms) empleando la foacutermula
(1rpm) (2π rad)60 x (radio) Asiacute como el caacutelculo del volumen de la caacutemara de secado (anexo 3)
El caacutelculo del caudal de aire de entrada se realizoacute empleando la foacutermula
119876 = 119881 119878
Donde
V=velocidad lineal del aire (ms)
S=aacuterea de la seccioacuten trasversal (m2)
El radio de la seccioacuten transversal para ventilador de entrada fue 0335 y la de salida de 0195
Se sacaron las eficiencias teacutermicas del equipo de la siguiente manera
16
Eficiencia teacutermica global= (11987911198792
1198792119879119900)
Eficiencia de evaporacioacuten= (1198791 1198792
1198791 119879119904119886119905)
Para determinar las temperaturas de saturacioacuten adiabaacutetica (TSAT) y (T0) se utilizoacute la carta psicomeacutetrica (Anexo 2) El balance quedo estructurada de la siguiente forma
Figura 1 Diagrama de flujo del aglomerador
Donde FS1=masa del solido seco (kg)
Ga flujo de aire (kgh)
Ws=contenido de humedad del alimento (kg agua kg solido seco)
Ta=temperatura de entrada
Ta1=temperatura de salida
Ta2=temperatura de solidos
Ga1=flujo de aire entrada
Ga2=flujo salida de aire
H1= humedad relativa del aire entrada
H2=humedad relativa del aire salida
El balance del sistema sin peacuterdidas ni acumulacioacuten quedo de la siguiente manera
FS WS1 +Ga Ha1 = FS WS2 +Ga Ha2
17
Mientras que el balance de energiacutea
FS QS1+ Ga Qa1 = FS QS2 +Ga Qa2 +QL
Donde qs1 y qs2 son las entalpiacuteas del soacutelido entrando y saliendo del secador (KJKg) qa1 y qa2 son
las entalpiacuteas del aire entrando y saliendo del secador (KJKg) qL es el calor perdido (KJ)
El balance con respecto a la humedad se determinoacute mediante la siguiente formula
GH2 LS X1 GH1 LS X2
Donde
GH2= flujo de aire
Ls = flujo de alimentacioacuten
X1= humedad de los soacutelidos iniciales
La entalpia de la salida de aire se calculoacute mediante la foacutermula
HG C2 (TG T0) H
Donde
TG= Temperatura del aire
T0= Temperatura saturacioacuten
H=Entalpia del solido seco
37 Optimizacioacuten
La optimizacioacuten del proceso se llevoacute a cabo en el control de los factores incidentes en la cual se establecieron los rangos a utilizar esto derivado de los caacutelculos de balance y lo obtenido de los efectos en el disentildeo experimental los operarios se apegaron a estas condiciones con sus respectivos rangos y lo llevaron a cabo durante 8 lotes de produccioacuten en ese lapso de tiempo se evaluoacute el comportamiento del rendimiento se registraron los datos y se graficaron
18
CAPIacuteTULO 4 RESULTADOS Y CONCLUSIONES
41 Resultados
Anaacutelisis de efectos disentildeo factorial No1
Figura 2Grafica de efectos normales para el cafeacute soluble ABCD
En la figura 2 se observa la distribucioacuten de los factores A B C para los 4 tipos de cafeacute en la cual la
temperatura de entrada tiene efecto significativo en la dureza con una significancia del 92
mientras que los demaacutes factores no presentaron efectos significativos aunque tambieacuten influyen en
una combinacioacuten para dar la caracteriacutestica fisicoquiacutemica
19
Figura 3Grafica de interaccioacuten para cafeacute
soluble A
Figura 4 Grafica de interaccioacuten para cafeacute
soluble B
Figura 5Grafica de interaccioacuten para cafeacute soluble
C
Figura 6Grafica de interaccioacuten para cafeacute
soluble D
En las figuras 3 4 5 y 6 se muestran el comportamiento de la dureza de acuerdo a los factores
manejados para los cuatro tipos de cafeacute y en cada una de ella se aprecia que los niveles menores
de la temperatura de salida con la temperatura de entrada dieron una dureza igual y por debajo
de 10 asiacute mismo en el factor de velocidad de aire tambieacuten tuvo un comportamiento con niveles
menores Cabe mencionar que ninguna de las combinaciones obtuvo una dureza optima por lo
que se determinoacute que el incremento en la temperatura de salida aumenta la dureza obteniendo
un granulo maacutes fraacutegil
20
Anaacutelisis del disentildeo factorial No2
Figura 7Grafica de efectos normales para
dureza del cafeacute regular
Figura 8Grafica de efectos principales para dureza
del cafeacute regular
En las figuras 7 y 8 se observa que el No de criba tiene efecto significativo sobre la dureza es decir
entre menor abertura tenga la criba la dureza es mucho menor los graacutenulos son maacutes resistentes
mientras que entre mayor sea la abertura los graacutenulos son maacutes fraacutegiles (dureza alta) cabe
mencionar que la mejor dureza obtenida fue con el nuacutemero de malla 33 la presioacuten de vapor de
15 y la temperatura de partiacutecula de 30deg c
Figura 9 Grafica de efectos normales para
porcentaje de aglomerado del cafeacute regular
Figura 10Grafica de interaccioacuten para porcentaje
de aglomerado del cafeacute regular
21
En las figuras 9 y 10 se observa que la temperatura del producto el nuacutemero de criba tiene efecto
significativo sobre el porcentaje de aglomerado entre mayor es el nivel el porcentaje de
aglomerado disminuye determinado que hay maacutes cantidad de polvos finos asiacute mismo si el nivel
de los factores es bajo el porcentaje incremente constantemente Por lo que el comportamiento
del graacutenulo se acopla al incremento o disminucioacuten de estas variables
Monitoreos
Figura 11Grafica de dispersioacuten de la presioacuten del sistema
Figura 12 Grafica del vaciacuteo vs porcentaje de adhesioacuten
En las figuras 11 y 12 se observa el comportamiento del vaciacuteo con las variaciones de aire de
entrada Cabe mencionar que el sistema empleo una sola salida de aire de 1765 rpm Durante los
monitoreos los productos presentaron pegajosidad con entradas de aire menores a 900 rpm
mientras tanto de 1000 a 1150 rpm los productos no presentaron pegajosidad Lo mismo sucedioacute
en el comportamiento del vaciacuteo del sistema para la cual la pegajosidad aumenta y el rendimiento
disminuye con respecto al incremento del vaciacuteo Por lo que esta variable es el factor determinante
y con ello se prueba la hipoacutetesis que la variacioacuten en la presioacuten del sistema genera un arrastre
excesivo de polvos y la humedad no se elimina lo suficiente
120011001000900800700600
08
07
06
05
04
velocidad de entrada( Rpm)
vacio
del
sis
tem
a (
inh
20
)
Graacutefica de dispersioacuten de vacio del sistema vs velocidad de entrada
0
2
4
6
8
10
12
14
0 02 04 06 08 1
D
E A
DH
ESIO
N
VACIO DEL SISTEMA IN H20
22
Figura 13 Graacutefico de humedad relativa del aire
En la figura 13 se aprecia que la humedad relativa del aire inicialmente fue de 66 que
incrementoacute durante los siguientes diacuteas pero fue disminuyendo hasta llegar al 50 Esto debido a
los cambios climaacuteticos cabe mencionar que el equipo no cuenta con un filtrador para retirar el
porcentaje de agua del aire por lo que esta ingresa directamente a la caacutemara de secado siendo
una variable maacutes influyente en la adhesioacuten de los polvos finos
Anaacutelisis de datos
Tabla 5 Anaacutelisis de varianza de dos factores con una sola muestra por grupo
RESUMEN Cuenta Suma Promedio Varianza Fila 1 3 19303 643433333 026902633
Fila 2 3 313 104333333 296443333 Fila 3 3 22318 743933333 275458633 Fila 4 3 2425 808333333 389223333 Fila 5 3 2555 851666667 207763333 Fila 6 3 2888 962666667 216763333
Columna 1 6 51025 850416667 582740417 Columna 2 6 45726 7621 21353864 Columna 3 6 5485 914166667 260997667
Origen de las variaciones
Suma de cuadrados
Grados de libertad
Promedio de los cuadrados F Probabilidad
Valor criacutetico para
F Tratamientos 316103776 5 632207552 297461023 006699316 332583453
Bloques 699763344 2 349881672 164623405 024097493 410282102
Graacutefico de humedad realtva vs lote
0 3 6 9 12 15
lote
50
54
58
62
66
70
74
hu
med
ad
realt
va
23
Error 212534586 10 212534586
Total 598614696 17
En la tabla 5 se muestra el anaacutelisis de varianza de del disentildeo por bloques completamente al azar
de las diferentes concentraciones de azuacutecar por cada tipo de producto Dado que el f de Fisher es
menor que la f tabulada indica que no hay diferencias significativas por lo que se acepta la
hipoacutetesis nula la concentracioacuten de azucares no tiene efecto significativo en la adhesioacuten del cafeacute
ya que la mayoriacutea tuvo un porcentaje de adhesioacuten alta en las tres repeticiones cabe mencionar
que el producto A sin concentracioacuten tambieacuten tuvo adhesioacuten en la suma de cuadrados por bloques
tampoco hubo diferencias significativas
Tabla 6 Anaacutelisis de Varianza para dureza - Suma de Cuadrados Tipo III
Fuente Suma de Cuadrados
Gl Cuadrado Medio
Razoacuten-F Valor-P
EFECTOS PRINCIPALES
APRESION DE VAPOR 005445 1 005445 006 08164
BTAMANtildeO DE PARTICULA 121525 1 121525 1372 00208
CTEMPERATURA DE PARTICULA 471245 1 471245 532 00823
RESIDUOS
354305 4 0885763
TOTAL (CORREGIDO) 204624 7
La tabla 6 muestra el anaacutelisis de varianza del disentildeo factorial en la cual se descompone la
variabilidad de dureza en contribuciones debidas a varios factores Puesto que se ha escogido la
suma de cuadrados Tipo III (por omisioacuten) la contribucioacuten de cada factor se mide eliminando los
efectos de los demaacutes factores Los valores-P prueban la significancia estadiacutestica de cada uno de los
factores Puesto que un valor-P es menor que 005 este factor tiene un efecto estadiacutesticamente
significativo sobre dureza con un 950 de nivel de confianza
24
Figura 14Grafico anova para dureza
En la figura 14 se muestra el grafico anova y se observa la distribucioacuten de la respuesta para los
factores en la cual todas las razones-F se basan en el cuadrado medio del error residual La
mayoriacutea presenta distribucioacuten anova con el valor p mayor a 05 sin embargo para el factor tamantildeo
de partiacutecula el valor es menor a 05 con significancia
Balance de energiacutea
En el balance de materia y energiacutea se obtuvo que la humedad en la salida aglomerado es del 73
cuando hay una entrada de aire de 1550 m3 s con 50 de humedad relativa a una temperatura
de 230degc necesita 1730 KJ kg de calor con una cantidad de aire seco de 2600 kg h para sistema
adiabaacutetico sim embargo el aglomerador no es de este tipo de sistema por lo que se evaluoacute en un
graacutefico psicomeacutetrico (anexo1) encontraacutendose
El aire se calienta a humedad constante (To -T1) Si la caacutemara estuviera aislada y toda la energiacutea
posible se utilizara el aire se enfriariacutea adiabaacuteticamente y la temperatura miacutenima a alcanzar seriacutea la
de bulbo seco de saturacioacuten (Tsat) En realidad la caacutemara no estaacute aislada y no se sigue un
enfriamiento adiabaacutetico El aire sale a una temperatura T2 (ni estaacute saturado ni el proceso es
adiabaacutetico) debido a la baja relacioacuten aire-producto Si el proceso fuera adiabaacutetico saldriacutea a T2
(proceso adiabaacutetico y masas iguales de aire y producto)
ANOVA Graacutefico para DUREZA
-25 -15 -05 05 15 25
Residuos
PRESION DE VAPOR P = 0816415 2
TAMANtildeO DE PARTICULA P = 0020833 54
TEMPERATURA DE PARTICULA P = 0082330 35
25
Optimizacioacuten
De acuerdo a los caacutelculos de balance de materia los flujos de aire de 900 pm a 1100 rpm con una
salida de 1765 rpm mantienen el calor necesario para eliminar la humedad por lo que estas
variables son las que se implementaron y controlaron para la aglomeracioacuten de los diversos
productos
Figura 15 Grafica de rendimientos con flujo de aire de 900 rpm a 1100 rpm
En la figura 15 se observa el comportamiento del rendimiento con las condiciones aire manejadas
que mantuvieron un vaciacuteo de 04 y 05 inicialmente el rendimiento no fue favorable debido a la
humedad relativa sin embargo en los siguientes lotes el rendimiento se mantuvo del 94
mejorando en los siguientes diacuteas al 97 siendo favorable con ello el porcentaje de adhesioacuten
disminuyo al 3 con estas condiciones la caracteriacutestica de porcentaje de aglomerado incremento
al rango oacuteptimo
La optimizacioacuten de las variables de temperatura de salida y tamantildeo de criba consistioacute en la
reduccioacuten de sus rangos de operacioacuten para la cual la dureza mejoroacute apegaacutendose al rango oacuteptimo
925
93
935
94
945
95
955
96
965
0 2 4 6 8 10 12 14
Ren
dim
ien
to
lote
26
42 Conclusiones
Mediante el disentildeo experimentos se encontroacute que el aumento de dos factores temperatura de
salida y el tamantildeo de partiacutecula influyen en el bajo porcentaje de aglomerado y el incremento en la
dureza por que el granulo aglomerado presenta fragilidad y una cantidad de polvos finos Asiacute
mismo con el disentildeo por bloques se determinoacute que la concentracioacuten de azuacutecares de los cafeacutes no
tiene efecto significativo tomando como muestra patroacuten un producto sin concentracioacuten que
tambieacuten presento adhesioacuten en las tres repeticiones Durante el monitoreo se observoacute que los
soacutelidos aglomerados a condiciones de bajo vaciacuteo con humedad relativa del aire baja no
presentaban ninguacuten problema de adhesioacuten mientras que los producto a condiciones de vaciacuteo alto
con humedades por encima de 60 presentaban mayor adhesioacuten en balance de materia se
observoacute que una humedad relativa alta en la salida del equipo necesita mayor calor y cantidad de
aire de entrada para ser eliminado asiacute mismo mediante las eficiencias teacutermicas se evaluoacute el
sistema en una carta psicomeacutetrica y se determinoacute que hay perdida calor en la caacutemara de secado
al no ser adiabaacutetico por lo que la optimizacioacuten del proceso solo fue parcial enfocaacutendose solo a
condiciones del aire de entrada y salida en la que el rendimiento mejoro en un promedio del 96
43 Trabajos Futuros
Derivado al balance y los caacutelculos la humedad relativa es un factor importante en la adhesioacuten del
producto es por ello que el proyecto tiene continuidad en la implementacioacuten de un desumificador
de aire para que el sistema tenga una inyeccioacuten de aire seco el aislamiento (encamisado) de la
caacutemara de secado para evitar pedidas del calor tambieacuten y la determinacioacuten de nuevas condiciones
de operacioacuten debido a los cambios en los flujos aire
44 Recomendaciones
De acuerdo al estudio realizado mediante el disentildeo factorial se determinoacute que la variacioacuten de la
entrada de aire afecta la presioacuten del sistema por lo que se recomienda manejar una sola condicioacuten
de aire para cada producto con respecto a la velocidad de salida ya que el sistema necesita
mantener el equilibrio de las corrientes de aire para que el calor sea necesario y elimine toda la
humedad posible del vapor de agua para evitar que se concentre en la base coacutenica asiacute mismo la
alimentacioacuten de los soacutelidos finos debe tener propiedades caracteriacutesticas oacuteptimas para evitar la
variacioacuten de las condiciones
27
ANEXOS Anexo 1 Equipo aglomerado
Salida de aire
Base coacutenica
Caacutemara de
secado
Lecho
fluidizado
Entrada de
aire caliente
Separador
cicloacutenico
Zona de aspersioacuten de
solidos secos y vapor
de agua
28
Anexo 2 Carta psicomeacutetrica
Fuente Spray Drying Handbook (Masters 1991)
29
Anexo 3 Caacutelculos de velocidad lineal caudales de aire y volumen del equipo
1765 rpm (2πrads)(042)=7763 ms
600 rpm (2πrads)(030) =2638 ms
700 rpm (2πrads)(030)=3078 ms
800 rpm (2πrads)(030) =3518 ms
900 rpm (2πrads)(030) =3965 ms
1000 rpm (2πrads)(030) =4348 ms
1150 rpm (2πrads)(030)=5057ms
Caudal para las diferentes velocidades lineales
1) Q=VS
Q=2638 ms (π 00335m) 2
Q=930 m3s
2) Q=VS
Q=3078ms (π 00335m) 2
Q=1085m3s
3) Q=VS
Q=3518 ms (π 00335m) 2
Q=1240 m3s
4) Q=VS
Q=4348 ms (π 00335m) 2
Q=1550 m3s
5) Q=VS
Q=5057ms (π 00335m) 2
Q=2002 m3s
6) Q=VS
Q=7763 ms (π 0195 m) 2
Q=3708 m3s
30
Velocidad angular de aire (rpm) Caudal (m3s)
600 rpm 93
700 1085
800 1240
1000 1550
1150 2002
1765 3708
Caudales de aire de entrada y salida
Volumen de la caacutemara de secado
V= ℎ1205871199032
v=97 π (21m)
v=140844 m3
V= ℎ1205871199032
v= (09m) (π 21m)
v=2420 m3
Volumen de la base coacutenica
119907 =π r2 h
3
119907 =π (291) lowast 59
3
V=52313 m3
Volumen total del equipo =21734 m3
582 m
59m
582 m
09 m
43m
97 m
31
Anexo 3Caacutelculos de balance de materia y energiacutea
Se determina la velocidad de flujo de aire y la humedad de salida del aglomerador suponiendo
que no hay peacuterdidas de calor en el secador el balance inicia con la alimentacioacuten de 300 kg de
soacutelidos secoh que contienen 0035 kg de humedad totalkg de soacutelido seco hasta un valor de 0002
kg de humedad totalkg de soacutelido seco El polvo fino a granular entra a 35 ordmC y se desea
descargarlo a 32 ordmC El soacutelido seco tiene una capacidad caloriacutefica de 1465 kJkgK que se supone
constante El aire de calentamiento entra a 230 ordmC y con humedad de 0060 kg H2Okg de aire
seco y debe salir a 130
Balance de materia con respecto a la humedad
GH2 LS X1 GH1 LS X2
Reemplazando valores
(060) + 300 (0035)= GH1+ 300 (0002)
El balance de calor para el secador es
GHG2 LS HS1 GHG1 LS HS2 Q
Se calcula la entalpiacutea del aire de entrada HG1
Aglomerador
G1=
TG1=230
H2=
LS=300 KGSh
TS1=35
X1=0035
G2=
TG2=130
H2=060
Ts 2=378
X2=0002
Q
32
HG1=CS 1005188H 1005188(060)
HG1 CS (TG1 T0 ) H
HG1= CS 230 - 0 + 0060(2501) 17306 KJ Kg aire seco
Se calcula la entalpiacutea del aire de salida HG2
C21005188H 1005188 H1
HG1 CS (TG2 T0 ) H
HG1= (1005 + 188 H1 )130 - 0 + H1 (2501)
HG1=130 + 27454 H1
Se calcula las entalpiacuteas de los soacutelidos
HS1 CP S (TS1 T0) X1 CP A ( TS1 T0)
HS1 1465(35 0) 0035 (4187)(35 0) 5713 kJ kg
HS2 CP S (TS2 T0) X2 CP A ( T2 T0)
HS2 1465 (32 ndash 0 ) + 0002(4187)(32 0)=4714 KJ Kg
Reemplazando en el balance de energiacutea
G (17306)+ 300(5713) = G (130 + 27454 H1)+ 300(4714) + 0
G=2600 Kg aire seco por hora
Resolviendo conjuntamente con el balance de materia
G (060) + 300 (0035)= GH1+ 300 (0002)
2600(060) + 105 = 2600 H1 +06
H1=2600(060) +105 + 060 2600
H1=07427 Kg agua kg aire seco
33
Anexo 4Calculo de eficiencias teacutermicas
Datos
T = 230
Ts =147
T0= 30
T sat=45
Eficiencia teacutermica global
Ntermica global= 1198791minus1198792
1198792minus1198790 X 100
Ntermica global = 230minus147
230minus30 100 =415
Eficiencia de evaporacioacuten
Nevaporacion=1198791minus1198792
1198791minus119879119904119886119905
Nevaporacion = 230minus147
230minus45 100 =4486
34
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Equipment
14
34 Realizacioacuten del disentildeo de experimentos
Para la ejecucioacuten del disentildeo de experimentos se siguioacute con el programa de produccioacuten iniciando
con el disentildeo por bloque completamente al azar la cual se llevoacute en la aglomeracioacuten de 5 tipos de
cafeacute con diferentes concentraciones mencionadas anteriormente desde el arranque del equipo en
la cual los soacutelidos finos iniciales que se cargaron fueron un cafeacute A sin concentracioacuten
posteriormente se cambioacute a los siguientes tipos (BCDF) las condiciones operativas del equipo
estuvieron de la siguiente manera temperaturas de entrada de 190 a 230 temperatura de salida
de 100-140 y velocidad de aire de 600 a 1000 rpm Cada vez que se haciacutea un cambio de producto
se sacoacute la cantidad de solidos finos adheridos de la siguiente manera
(Cantidad alimentada x 98 de rendimiento fijo)- (Cantidad producida)
Mediante esta foacutermula se obtuvo el porcentaje de cada tipo de cafeacute retenido en la base coacutenica
Cantidad adherida x 100
Cantidad alimentada
Los datos quedaron registrados en la tabla 4 donde cada repeticioacuten indica un lote de produccioacuten
diferente
Tabla 4Disentildeo de bloques completamente al azar
REPETICIONES
TRATAMIENTOS I II III
A 625 6033 702
B 1071 859 12
C 7015 6033 927
D 583 95 892
F 992 704 859
G 113 853 905
El primer disentildeo factorial se llevoacute a cabo en la aglomeracioacuten de 4 tipos de cafeacute soluble en la cual
se monitoreo la interaccioacuten de cada factor de acuerdo a los niveles establecidos sobre la respuesta
y se registraron los resultados Las partiacuteculas finas teniacutean las siguientes propiedades iniciales
Densidad 180-210 grcm3
Color 72-84
Humedad 2 a 35
15
Los resultados de los anaacutelisis fisicoquiacutemicos (dureza) fueron proporcionados por el aacuterea de control
de calidad estos datos se ingresaron en minitab y se hizo el anaacutelisis factorial obteniendo las
graacuteficas de interaccioacuten asiacute como tambieacuten la significancia de los efectos
El segundo disentildeo factorial se llevoacute cabo en la aglomeracioacuten de un lote de cafeacute soluble regular con
las siguientes propiedades
Color 72-85
Humedad 2-35
Densidad 190-210
La duracioacuten del lote fue de 10 horas el equipo empleo una velocidad de aire entrada de 900 rpm
con temperatura de 220degc y una velocidad de aire salida de 1765 rpm con temperatura de 135 degC
Se recibioacute ayuda por parte de los operarios para las combinaciones y cada vez que esta se
ejecutaba se tomoacute muestras de 10 grs y se llevoacute a control de calidad para los anaacutelisis de dureza y
porcentaje de aglomerado por cada corrida finalizando este experimento se registraron todos los
resultados en minitab y se hizo el anaacutelisis del disentildeo para las significancias de los factores cabe
mencionar que mediante este programa se obtuvieron las graacuteficas de interaccioacuten
35 Anaacutelisis de datos
Para determinar cualitativamente el efecto de los paraacutemetros del proceso en la aglomeracioacuten de
las partiacuteculas de cafeacute soluble se aplicoacute un anaacutelisis de varianza (ANOVA) con un nivel de
significancia α del 5 a los resultados experimentales La dureza y el porcentaje de
aglomerado se seleccionaron como paraacutemetro de respuestase utilizo el programa de stargrapics
para el anaacutelisis
36 Balance de materia energiacutea
Para el balance de materia y energiacutea primero se hicieron las conversiones de la velocidad angular
del aire de entrada y salida (rpm) a velocidad lineal (ms) empleando la foacutermula
(1rpm) (2π rad)60 x (radio) Asiacute como el caacutelculo del volumen de la caacutemara de secado (anexo 3)
El caacutelculo del caudal de aire de entrada se realizoacute empleando la foacutermula
119876 = 119881 119878
Donde
V=velocidad lineal del aire (ms)
S=aacuterea de la seccioacuten trasversal (m2)
El radio de la seccioacuten transversal para ventilador de entrada fue 0335 y la de salida de 0195
Se sacaron las eficiencias teacutermicas del equipo de la siguiente manera
16
Eficiencia teacutermica global= (11987911198792
1198792119879119900)
Eficiencia de evaporacioacuten= (1198791 1198792
1198791 119879119904119886119905)
Para determinar las temperaturas de saturacioacuten adiabaacutetica (TSAT) y (T0) se utilizoacute la carta psicomeacutetrica (Anexo 2) El balance quedo estructurada de la siguiente forma
Figura 1 Diagrama de flujo del aglomerador
Donde FS1=masa del solido seco (kg)
Ga flujo de aire (kgh)
Ws=contenido de humedad del alimento (kg agua kg solido seco)
Ta=temperatura de entrada
Ta1=temperatura de salida
Ta2=temperatura de solidos
Ga1=flujo de aire entrada
Ga2=flujo salida de aire
H1= humedad relativa del aire entrada
H2=humedad relativa del aire salida
El balance del sistema sin peacuterdidas ni acumulacioacuten quedo de la siguiente manera
FS WS1 +Ga Ha1 = FS WS2 +Ga Ha2
17
Mientras que el balance de energiacutea
FS QS1+ Ga Qa1 = FS QS2 +Ga Qa2 +QL
Donde qs1 y qs2 son las entalpiacuteas del soacutelido entrando y saliendo del secador (KJKg) qa1 y qa2 son
las entalpiacuteas del aire entrando y saliendo del secador (KJKg) qL es el calor perdido (KJ)
El balance con respecto a la humedad se determinoacute mediante la siguiente formula
GH2 LS X1 GH1 LS X2
Donde
GH2= flujo de aire
Ls = flujo de alimentacioacuten
X1= humedad de los soacutelidos iniciales
La entalpia de la salida de aire se calculoacute mediante la foacutermula
HG C2 (TG T0) H
Donde
TG= Temperatura del aire
T0= Temperatura saturacioacuten
H=Entalpia del solido seco
37 Optimizacioacuten
La optimizacioacuten del proceso se llevoacute a cabo en el control de los factores incidentes en la cual se establecieron los rangos a utilizar esto derivado de los caacutelculos de balance y lo obtenido de los efectos en el disentildeo experimental los operarios se apegaron a estas condiciones con sus respectivos rangos y lo llevaron a cabo durante 8 lotes de produccioacuten en ese lapso de tiempo se evaluoacute el comportamiento del rendimiento se registraron los datos y se graficaron
18
CAPIacuteTULO 4 RESULTADOS Y CONCLUSIONES
41 Resultados
Anaacutelisis de efectos disentildeo factorial No1
Figura 2Grafica de efectos normales para el cafeacute soluble ABCD
En la figura 2 se observa la distribucioacuten de los factores A B C para los 4 tipos de cafeacute en la cual la
temperatura de entrada tiene efecto significativo en la dureza con una significancia del 92
mientras que los demaacutes factores no presentaron efectos significativos aunque tambieacuten influyen en
una combinacioacuten para dar la caracteriacutestica fisicoquiacutemica
19
Figura 3Grafica de interaccioacuten para cafeacute
soluble A
Figura 4 Grafica de interaccioacuten para cafeacute
soluble B
Figura 5Grafica de interaccioacuten para cafeacute soluble
C
Figura 6Grafica de interaccioacuten para cafeacute
soluble D
En las figuras 3 4 5 y 6 se muestran el comportamiento de la dureza de acuerdo a los factores
manejados para los cuatro tipos de cafeacute y en cada una de ella se aprecia que los niveles menores
de la temperatura de salida con la temperatura de entrada dieron una dureza igual y por debajo
de 10 asiacute mismo en el factor de velocidad de aire tambieacuten tuvo un comportamiento con niveles
menores Cabe mencionar que ninguna de las combinaciones obtuvo una dureza optima por lo
que se determinoacute que el incremento en la temperatura de salida aumenta la dureza obteniendo
un granulo maacutes fraacutegil
20
Anaacutelisis del disentildeo factorial No2
Figura 7Grafica de efectos normales para
dureza del cafeacute regular
Figura 8Grafica de efectos principales para dureza
del cafeacute regular
En las figuras 7 y 8 se observa que el No de criba tiene efecto significativo sobre la dureza es decir
entre menor abertura tenga la criba la dureza es mucho menor los graacutenulos son maacutes resistentes
mientras que entre mayor sea la abertura los graacutenulos son maacutes fraacutegiles (dureza alta) cabe
mencionar que la mejor dureza obtenida fue con el nuacutemero de malla 33 la presioacuten de vapor de
15 y la temperatura de partiacutecula de 30deg c
Figura 9 Grafica de efectos normales para
porcentaje de aglomerado del cafeacute regular
Figura 10Grafica de interaccioacuten para porcentaje
de aglomerado del cafeacute regular
21
En las figuras 9 y 10 se observa que la temperatura del producto el nuacutemero de criba tiene efecto
significativo sobre el porcentaje de aglomerado entre mayor es el nivel el porcentaje de
aglomerado disminuye determinado que hay maacutes cantidad de polvos finos asiacute mismo si el nivel
de los factores es bajo el porcentaje incremente constantemente Por lo que el comportamiento
del graacutenulo se acopla al incremento o disminucioacuten de estas variables
Monitoreos
Figura 11Grafica de dispersioacuten de la presioacuten del sistema
Figura 12 Grafica del vaciacuteo vs porcentaje de adhesioacuten
En las figuras 11 y 12 se observa el comportamiento del vaciacuteo con las variaciones de aire de
entrada Cabe mencionar que el sistema empleo una sola salida de aire de 1765 rpm Durante los
monitoreos los productos presentaron pegajosidad con entradas de aire menores a 900 rpm
mientras tanto de 1000 a 1150 rpm los productos no presentaron pegajosidad Lo mismo sucedioacute
en el comportamiento del vaciacuteo del sistema para la cual la pegajosidad aumenta y el rendimiento
disminuye con respecto al incremento del vaciacuteo Por lo que esta variable es el factor determinante
y con ello se prueba la hipoacutetesis que la variacioacuten en la presioacuten del sistema genera un arrastre
excesivo de polvos y la humedad no se elimina lo suficiente
120011001000900800700600
08
07
06
05
04
velocidad de entrada( Rpm)
vacio
del
sis
tem
a (
inh
20
)
Graacutefica de dispersioacuten de vacio del sistema vs velocidad de entrada
0
2
4
6
8
10
12
14
0 02 04 06 08 1
D
E A
DH
ESIO
N
VACIO DEL SISTEMA IN H20
22
Figura 13 Graacutefico de humedad relativa del aire
En la figura 13 se aprecia que la humedad relativa del aire inicialmente fue de 66 que
incrementoacute durante los siguientes diacuteas pero fue disminuyendo hasta llegar al 50 Esto debido a
los cambios climaacuteticos cabe mencionar que el equipo no cuenta con un filtrador para retirar el
porcentaje de agua del aire por lo que esta ingresa directamente a la caacutemara de secado siendo
una variable maacutes influyente en la adhesioacuten de los polvos finos
Anaacutelisis de datos
Tabla 5 Anaacutelisis de varianza de dos factores con una sola muestra por grupo
RESUMEN Cuenta Suma Promedio Varianza Fila 1 3 19303 643433333 026902633
Fila 2 3 313 104333333 296443333 Fila 3 3 22318 743933333 275458633 Fila 4 3 2425 808333333 389223333 Fila 5 3 2555 851666667 207763333 Fila 6 3 2888 962666667 216763333
Columna 1 6 51025 850416667 582740417 Columna 2 6 45726 7621 21353864 Columna 3 6 5485 914166667 260997667
Origen de las variaciones
Suma de cuadrados
Grados de libertad
Promedio de los cuadrados F Probabilidad
Valor criacutetico para
F Tratamientos 316103776 5 632207552 297461023 006699316 332583453
Bloques 699763344 2 349881672 164623405 024097493 410282102
Graacutefico de humedad realtva vs lote
0 3 6 9 12 15
lote
50
54
58
62
66
70
74
hu
med
ad
realt
va
23
Error 212534586 10 212534586
Total 598614696 17
En la tabla 5 se muestra el anaacutelisis de varianza de del disentildeo por bloques completamente al azar
de las diferentes concentraciones de azuacutecar por cada tipo de producto Dado que el f de Fisher es
menor que la f tabulada indica que no hay diferencias significativas por lo que se acepta la
hipoacutetesis nula la concentracioacuten de azucares no tiene efecto significativo en la adhesioacuten del cafeacute
ya que la mayoriacutea tuvo un porcentaje de adhesioacuten alta en las tres repeticiones cabe mencionar
que el producto A sin concentracioacuten tambieacuten tuvo adhesioacuten en la suma de cuadrados por bloques
tampoco hubo diferencias significativas
Tabla 6 Anaacutelisis de Varianza para dureza - Suma de Cuadrados Tipo III
Fuente Suma de Cuadrados
Gl Cuadrado Medio
Razoacuten-F Valor-P
EFECTOS PRINCIPALES
APRESION DE VAPOR 005445 1 005445 006 08164
BTAMANtildeO DE PARTICULA 121525 1 121525 1372 00208
CTEMPERATURA DE PARTICULA 471245 1 471245 532 00823
RESIDUOS
354305 4 0885763
TOTAL (CORREGIDO) 204624 7
La tabla 6 muestra el anaacutelisis de varianza del disentildeo factorial en la cual se descompone la
variabilidad de dureza en contribuciones debidas a varios factores Puesto que se ha escogido la
suma de cuadrados Tipo III (por omisioacuten) la contribucioacuten de cada factor se mide eliminando los
efectos de los demaacutes factores Los valores-P prueban la significancia estadiacutestica de cada uno de los
factores Puesto que un valor-P es menor que 005 este factor tiene un efecto estadiacutesticamente
significativo sobre dureza con un 950 de nivel de confianza
24
Figura 14Grafico anova para dureza
En la figura 14 se muestra el grafico anova y se observa la distribucioacuten de la respuesta para los
factores en la cual todas las razones-F se basan en el cuadrado medio del error residual La
mayoriacutea presenta distribucioacuten anova con el valor p mayor a 05 sin embargo para el factor tamantildeo
de partiacutecula el valor es menor a 05 con significancia
Balance de energiacutea
En el balance de materia y energiacutea se obtuvo que la humedad en la salida aglomerado es del 73
cuando hay una entrada de aire de 1550 m3 s con 50 de humedad relativa a una temperatura
de 230degc necesita 1730 KJ kg de calor con una cantidad de aire seco de 2600 kg h para sistema
adiabaacutetico sim embargo el aglomerador no es de este tipo de sistema por lo que se evaluoacute en un
graacutefico psicomeacutetrico (anexo1) encontraacutendose
El aire se calienta a humedad constante (To -T1) Si la caacutemara estuviera aislada y toda la energiacutea
posible se utilizara el aire se enfriariacutea adiabaacuteticamente y la temperatura miacutenima a alcanzar seriacutea la
de bulbo seco de saturacioacuten (Tsat) En realidad la caacutemara no estaacute aislada y no se sigue un
enfriamiento adiabaacutetico El aire sale a una temperatura T2 (ni estaacute saturado ni el proceso es
adiabaacutetico) debido a la baja relacioacuten aire-producto Si el proceso fuera adiabaacutetico saldriacutea a T2
(proceso adiabaacutetico y masas iguales de aire y producto)
ANOVA Graacutefico para DUREZA
-25 -15 -05 05 15 25
Residuos
PRESION DE VAPOR P = 0816415 2
TAMANtildeO DE PARTICULA P = 0020833 54
TEMPERATURA DE PARTICULA P = 0082330 35
25
Optimizacioacuten
De acuerdo a los caacutelculos de balance de materia los flujos de aire de 900 pm a 1100 rpm con una
salida de 1765 rpm mantienen el calor necesario para eliminar la humedad por lo que estas
variables son las que se implementaron y controlaron para la aglomeracioacuten de los diversos
productos
Figura 15 Grafica de rendimientos con flujo de aire de 900 rpm a 1100 rpm
En la figura 15 se observa el comportamiento del rendimiento con las condiciones aire manejadas
que mantuvieron un vaciacuteo de 04 y 05 inicialmente el rendimiento no fue favorable debido a la
humedad relativa sin embargo en los siguientes lotes el rendimiento se mantuvo del 94
mejorando en los siguientes diacuteas al 97 siendo favorable con ello el porcentaje de adhesioacuten
disminuyo al 3 con estas condiciones la caracteriacutestica de porcentaje de aglomerado incremento
al rango oacuteptimo
La optimizacioacuten de las variables de temperatura de salida y tamantildeo de criba consistioacute en la
reduccioacuten de sus rangos de operacioacuten para la cual la dureza mejoroacute apegaacutendose al rango oacuteptimo
925
93
935
94
945
95
955
96
965
0 2 4 6 8 10 12 14
Ren
dim
ien
to
lote
26
42 Conclusiones
Mediante el disentildeo experimentos se encontroacute que el aumento de dos factores temperatura de
salida y el tamantildeo de partiacutecula influyen en el bajo porcentaje de aglomerado y el incremento en la
dureza por que el granulo aglomerado presenta fragilidad y una cantidad de polvos finos Asiacute
mismo con el disentildeo por bloques se determinoacute que la concentracioacuten de azuacutecares de los cafeacutes no
tiene efecto significativo tomando como muestra patroacuten un producto sin concentracioacuten que
tambieacuten presento adhesioacuten en las tres repeticiones Durante el monitoreo se observoacute que los
soacutelidos aglomerados a condiciones de bajo vaciacuteo con humedad relativa del aire baja no
presentaban ninguacuten problema de adhesioacuten mientras que los producto a condiciones de vaciacuteo alto
con humedades por encima de 60 presentaban mayor adhesioacuten en balance de materia se
observoacute que una humedad relativa alta en la salida del equipo necesita mayor calor y cantidad de
aire de entrada para ser eliminado asiacute mismo mediante las eficiencias teacutermicas se evaluoacute el
sistema en una carta psicomeacutetrica y se determinoacute que hay perdida calor en la caacutemara de secado
al no ser adiabaacutetico por lo que la optimizacioacuten del proceso solo fue parcial enfocaacutendose solo a
condiciones del aire de entrada y salida en la que el rendimiento mejoro en un promedio del 96
43 Trabajos Futuros
Derivado al balance y los caacutelculos la humedad relativa es un factor importante en la adhesioacuten del
producto es por ello que el proyecto tiene continuidad en la implementacioacuten de un desumificador
de aire para que el sistema tenga una inyeccioacuten de aire seco el aislamiento (encamisado) de la
caacutemara de secado para evitar pedidas del calor tambieacuten y la determinacioacuten de nuevas condiciones
de operacioacuten debido a los cambios en los flujos aire
44 Recomendaciones
De acuerdo al estudio realizado mediante el disentildeo factorial se determinoacute que la variacioacuten de la
entrada de aire afecta la presioacuten del sistema por lo que se recomienda manejar una sola condicioacuten
de aire para cada producto con respecto a la velocidad de salida ya que el sistema necesita
mantener el equilibrio de las corrientes de aire para que el calor sea necesario y elimine toda la
humedad posible del vapor de agua para evitar que se concentre en la base coacutenica asiacute mismo la
alimentacioacuten de los soacutelidos finos debe tener propiedades caracteriacutesticas oacuteptimas para evitar la
variacioacuten de las condiciones
27
ANEXOS Anexo 1 Equipo aglomerado
Salida de aire
Base coacutenica
Caacutemara de
secado
Lecho
fluidizado
Entrada de
aire caliente
Separador
cicloacutenico
Zona de aspersioacuten de
solidos secos y vapor
de agua
28
Anexo 2 Carta psicomeacutetrica
Fuente Spray Drying Handbook (Masters 1991)
29
Anexo 3 Caacutelculos de velocidad lineal caudales de aire y volumen del equipo
1765 rpm (2πrads)(042)=7763 ms
600 rpm (2πrads)(030) =2638 ms
700 rpm (2πrads)(030)=3078 ms
800 rpm (2πrads)(030) =3518 ms
900 rpm (2πrads)(030) =3965 ms
1000 rpm (2πrads)(030) =4348 ms
1150 rpm (2πrads)(030)=5057ms
Caudal para las diferentes velocidades lineales
1) Q=VS
Q=2638 ms (π 00335m) 2
Q=930 m3s
2) Q=VS
Q=3078ms (π 00335m) 2
Q=1085m3s
3) Q=VS
Q=3518 ms (π 00335m) 2
Q=1240 m3s
4) Q=VS
Q=4348 ms (π 00335m) 2
Q=1550 m3s
5) Q=VS
Q=5057ms (π 00335m) 2
Q=2002 m3s
6) Q=VS
Q=7763 ms (π 0195 m) 2
Q=3708 m3s
30
Velocidad angular de aire (rpm) Caudal (m3s)
600 rpm 93
700 1085
800 1240
1000 1550
1150 2002
1765 3708
Caudales de aire de entrada y salida
Volumen de la caacutemara de secado
V= ℎ1205871199032
v=97 π (21m)
v=140844 m3
V= ℎ1205871199032
v= (09m) (π 21m)
v=2420 m3
Volumen de la base coacutenica
119907 =π r2 h
3
119907 =π (291) lowast 59
3
V=52313 m3
Volumen total del equipo =21734 m3
582 m
59m
582 m
09 m
43m
97 m
31
Anexo 3Caacutelculos de balance de materia y energiacutea
Se determina la velocidad de flujo de aire y la humedad de salida del aglomerador suponiendo
que no hay peacuterdidas de calor en el secador el balance inicia con la alimentacioacuten de 300 kg de
soacutelidos secoh que contienen 0035 kg de humedad totalkg de soacutelido seco hasta un valor de 0002
kg de humedad totalkg de soacutelido seco El polvo fino a granular entra a 35 ordmC y se desea
descargarlo a 32 ordmC El soacutelido seco tiene una capacidad caloriacutefica de 1465 kJkgK que se supone
constante El aire de calentamiento entra a 230 ordmC y con humedad de 0060 kg H2Okg de aire
seco y debe salir a 130
Balance de materia con respecto a la humedad
GH2 LS X1 GH1 LS X2
Reemplazando valores
(060) + 300 (0035)= GH1+ 300 (0002)
El balance de calor para el secador es
GHG2 LS HS1 GHG1 LS HS2 Q
Se calcula la entalpiacutea del aire de entrada HG1
Aglomerador
G1=
TG1=230
H2=
LS=300 KGSh
TS1=35
X1=0035
G2=
TG2=130
H2=060
Ts 2=378
X2=0002
Q
32
HG1=CS 1005188H 1005188(060)
HG1 CS (TG1 T0 ) H
HG1= CS 230 - 0 + 0060(2501) 17306 KJ Kg aire seco
Se calcula la entalpiacutea del aire de salida HG2
C21005188H 1005188 H1
HG1 CS (TG2 T0 ) H
HG1= (1005 + 188 H1 )130 - 0 + H1 (2501)
HG1=130 + 27454 H1
Se calcula las entalpiacuteas de los soacutelidos
HS1 CP S (TS1 T0) X1 CP A ( TS1 T0)
HS1 1465(35 0) 0035 (4187)(35 0) 5713 kJ kg
HS2 CP S (TS2 T0) X2 CP A ( T2 T0)
HS2 1465 (32 ndash 0 ) + 0002(4187)(32 0)=4714 KJ Kg
Reemplazando en el balance de energiacutea
G (17306)+ 300(5713) = G (130 + 27454 H1)+ 300(4714) + 0
G=2600 Kg aire seco por hora
Resolviendo conjuntamente con el balance de materia
G (060) + 300 (0035)= GH1+ 300 (0002)
2600(060) + 105 = 2600 H1 +06
H1=2600(060) +105 + 060 2600
H1=07427 Kg agua kg aire seco
33
Anexo 4Calculo de eficiencias teacutermicas
Datos
T = 230
Ts =147
T0= 30
T sat=45
Eficiencia teacutermica global
Ntermica global= 1198791minus1198792
1198792minus1198790 X 100
Ntermica global = 230minus147
230minus30 100 =415
Eficiencia de evaporacioacuten
Nevaporacion=1198791minus1198792
1198791minus119879119904119886119905
Nevaporacion = 230minus147
230minus45 100 =4486
34
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Equipment
15
Los resultados de los anaacutelisis fisicoquiacutemicos (dureza) fueron proporcionados por el aacuterea de control
de calidad estos datos se ingresaron en minitab y se hizo el anaacutelisis factorial obteniendo las
graacuteficas de interaccioacuten asiacute como tambieacuten la significancia de los efectos
El segundo disentildeo factorial se llevoacute cabo en la aglomeracioacuten de un lote de cafeacute soluble regular con
las siguientes propiedades
Color 72-85
Humedad 2-35
Densidad 190-210
La duracioacuten del lote fue de 10 horas el equipo empleo una velocidad de aire entrada de 900 rpm
con temperatura de 220degc y una velocidad de aire salida de 1765 rpm con temperatura de 135 degC
Se recibioacute ayuda por parte de los operarios para las combinaciones y cada vez que esta se
ejecutaba se tomoacute muestras de 10 grs y se llevoacute a control de calidad para los anaacutelisis de dureza y
porcentaje de aglomerado por cada corrida finalizando este experimento se registraron todos los
resultados en minitab y se hizo el anaacutelisis del disentildeo para las significancias de los factores cabe
mencionar que mediante este programa se obtuvieron las graacuteficas de interaccioacuten
35 Anaacutelisis de datos
Para determinar cualitativamente el efecto de los paraacutemetros del proceso en la aglomeracioacuten de
las partiacuteculas de cafeacute soluble se aplicoacute un anaacutelisis de varianza (ANOVA) con un nivel de
significancia α del 5 a los resultados experimentales La dureza y el porcentaje de
aglomerado se seleccionaron como paraacutemetro de respuestase utilizo el programa de stargrapics
para el anaacutelisis
36 Balance de materia energiacutea
Para el balance de materia y energiacutea primero se hicieron las conversiones de la velocidad angular
del aire de entrada y salida (rpm) a velocidad lineal (ms) empleando la foacutermula
(1rpm) (2π rad)60 x (radio) Asiacute como el caacutelculo del volumen de la caacutemara de secado (anexo 3)
El caacutelculo del caudal de aire de entrada se realizoacute empleando la foacutermula
119876 = 119881 119878
Donde
V=velocidad lineal del aire (ms)
S=aacuterea de la seccioacuten trasversal (m2)
El radio de la seccioacuten transversal para ventilador de entrada fue 0335 y la de salida de 0195
Se sacaron las eficiencias teacutermicas del equipo de la siguiente manera
16
Eficiencia teacutermica global= (11987911198792
1198792119879119900)
Eficiencia de evaporacioacuten= (1198791 1198792
1198791 119879119904119886119905)
Para determinar las temperaturas de saturacioacuten adiabaacutetica (TSAT) y (T0) se utilizoacute la carta psicomeacutetrica (Anexo 2) El balance quedo estructurada de la siguiente forma
Figura 1 Diagrama de flujo del aglomerador
Donde FS1=masa del solido seco (kg)
Ga flujo de aire (kgh)
Ws=contenido de humedad del alimento (kg agua kg solido seco)
Ta=temperatura de entrada
Ta1=temperatura de salida
Ta2=temperatura de solidos
Ga1=flujo de aire entrada
Ga2=flujo salida de aire
H1= humedad relativa del aire entrada
H2=humedad relativa del aire salida
El balance del sistema sin peacuterdidas ni acumulacioacuten quedo de la siguiente manera
FS WS1 +Ga Ha1 = FS WS2 +Ga Ha2
17
Mientras que el balance de energiacutea
FS QS1+ Ga Qa1 = FS QS2 +Ga Qa2 +QL
Donde qs1 y qs2 son las entalpiacuteas del soacutelido entrando y saliendo del secador (KJKg) qa1 y qa2 son
las entalpiacuteas del aire entrando y saliendo del secador (KJKg) qL es el calor perdido (KJ)
El balance con respecto a la humedad se determinoacute mediante la siguiente formula
GH2 LS X1 GH1 LS X2
Donde
GH2= flujo de aire
Ls = flujo de alimentacioacuten
X1= humedad de los soacutelidos iniciales
La entalpia de la salida de aire se calculoacute mediante la foacutermula
HG C2 (TG T0) H
Donde
TG= Temperatura del aire
T0= Temperatura saturacioacuten
H=Entalpia del solido seco
37 Optimizacioacuten
La optimizacioacuten del proceso se llevoacute a cabo en el control de los factores incidentes en la cual se establecieron los rangos a utilizar esto derivado de los caacutelculos de balance y lo obtenido de los efectos en el disentildeo experimental los operarios se apegaron a estas condiciones con sus respectivos rangos y lo llevaron a cabo durante 8 lotes de produccioacuten en ese lapso de tiempo se evaluoacute el comportamiento del rendimiento se registraron los datos y se graficaron
18
CAPIacuteTULO 4 RESULTADOS Y CONCLUSIONES
41 Resultados
Anaacutelisis de efectos disentildeo factorial No1
Figura 2Grafica de efectos normales para el cafeacute soluble ABCD
En la figura 2 se observa la distribucioacuten de los factores A B C para los 4 tipos de cafeacute en la cual la
temperatura de entrada tiene efecto significativo en la dureza con una significancia del 92
mientras que los demaacutes factores no presentaron efectos significativos aunque tambieacuten influyen en
una combinacioacuten para dar la caracteriacutestica fisicoquiacutemica
19
Figura 3Grafica de interaccioacuten para cafeacute
soluble A
Figura 4 Grafica de interaccioacuten para cafeacute
soluble B
Figura 5Grafica de interaccioacuten para cafeacute soluble
C
Figura 6Grafica de interaccioacuten para cafeacute
soluble D
En las figuras 3 4 5 y 6 se muestran el comportamiento de la dureza de acuerdo a los factores
manejados para los cuatro tipos de cafeacute y en cada una de ella se aprecia que los niveles menores
de la temperatura de salida con la temperatura de entrada dieron una dureza igual y por debajo
de 10 asiacute mismo en el factor de velocidad de aire tambieacuten tuvo un comportamiento con niveles
menores Cabe mencionar que ninguna de las combinaciones obtuvo una dureza optima por lo
que se determinoacute que el incremento en la temperatura de salida aumenta la dureza obteniendo
un granulo maacutes fraacutegil
20
Anaacutelisis del disentildeo factorial No2
Figura 7Grafica de efectos normales para
dureza del cafeacute regular
Figura 8Grafica de efectos principales para dureza
del cafeacute regular
En las figuras 7 y 8 se observa que el No de criba tiene efecto significativo sobre la dureza es decir
entre menor abertura tenga la criba la dureza es mucho menor los graacutenulos son maacutes resistentes
mientras que entre mayor sea la abertura los graacutenulos son maacutes fraacutegiles (dureza alta) cabe
mencionar que la mejor dureza obtenida fue con el nuacutemero de malla 33 la presioacuten de vapor de
15 y la temperatura de partiacutecula de 30deg c
Figura 9 Grafica de efectos normales para
porcentaje de aglomerado del cafeacute regular
Figura 10Grafica de interaccioacuten para porcentaje
de aglomerado del cafeacute regular
21
En las figuras 9 y 10 se observa que la temperatura del producto el nuacutemero de criba tiene efecto
significativo sobre el porcentaje de aglomerado entre mayor es el nivel el porcentaje de
aglomerado disminuye determinado que hay maacutes cantidad de polvos finos asiacute mismo si el nivel
de los factores es bajo el porcentaje incremente constantemente Por lo que el comportamiento
del graacutenulo se acopla al incremento o disminucioacuten de estas variables
Monitoreos
Figura 11Grafica de dispersioacuten de la presioacuten del sistema
Figura 12 Grafica del vaciacuteo vs porcentaje de adhesioacuten
En las figuras 11 y 12 se observa el comportamiento del vaciacuteo con las variaciones de aire de
entrada Cabe mencionar que el sistema empleo una sola salida de aire de 1765 rpm Durante los
monitoreos los productos presentaron pegajosidad con entradas de aire menores a 900 rpm
mientras tanto de 1000 a 1150 rpm los productos no presentaron pegajosidad Lo mismo sucedioacute
en el comportamiento del vaciacuteo del sistema para la cual la pegajosidad aumenta y el rendimiento
disminuye con respecto al incremento del vaciacuteo Por lo que esta variable es el factor determinante
y con ello se prueba la hipoacutetesis que la variacioacuten en la presioacuten del sistema genera un arrastre
excesivo de polvos y la humedad no se elimina lo suficiente
120011001000900800700600
08
07
06
05
04
velocidad de entrada( Rpm)
vacio
del
sis
tem
a (
inh
20
)
Graacutefica de dispersioacuten de vacio del sistema vs velocidad de entrada
0
2
4
6
8
10
12
14
0 02 04 06 08 1
D
E A
DH
ESIO
N
VACIO DEL SISTEMA IN H20
22
Figura 13 Graacutefico de humedad relativa del aire
En la figura 13 se aprecia que la humedad relativa del aire inicialmente fue de 66 que
incrementoacute durante los siguientes diacuteas pero fue disminuyendo hasta llegar al 50 Esto debido a
los cambios climaacuteticos cabe mencionar que el equipo no cuenta con un filtrador para retirar el
porcentaje de agua del aire por lo que esta ingresa directamente a la caacutemara de secado siendo
una variable maacutes influyente en la adhesioacuten de los polvos finos
Anaacutelisis de datos
Tabla 5 Anaacutelisis de varianza de dos factores con una sola muestra por grupo
RESUMEN Cuenta Suma Promedio Varianza Fila 1 3 19303 643433333 026902633
Fila 2 3 313 104333333 296443333 Fila 3 3 22318 743933333 275458633 Fila 4 3 2425 808333333 389223333 Fila 5 3 2555 851666667 207763333 Fila 6 3 2888 962666667 216763333
Columna 1 6 51025 850416667 582740417 Columna 2 6 45726 7621 21353864 Columna 3 6 5485 914166667 260997667
Origen de las variaciones
Suma de cuadrados
Grados de libertad
Promedio de los cuadrados F Probabilidad
Valor criacutetico para
F Tratamientos 316103776 5 632207552 297461023 006699316 332583453
Bloques 699763344 2 349881672 164623405 024097493 410282102
Graacutefico de humedad realtva vs lote
0 3 6 9 12 15
lote
50
54
58
62
66
70
74
hu
med
ad
realt
va
23
Error 212534586 10 212534586
Total 598614696 17
En la tabla 5 se muestra el anaacutelisis de varianza de del disentildeo por bloques completamente al azar
de las diferentes concentraciones de azuacutecar por cada tipo de producto Dado que el f de Fisher es
menor que la f tabulada indica que no hay diferencias significativas por lo que se acepta la
hipoacutetesis nula la concentracioacuten de azucares no tiene efecto significativo en la adhesioacuten del cafeacute
ya que la mayoriacutea tuvo un porcentaje de adhesioacuten alta en las tres repeticiones cabe mencionar
que el producto A sin concentracioacuten tambieacuten tuvo adhesioacuten en la suma de cuadrados por bloques
tampoco hubo diferencias significativas
Tabla 6 Anaacutelisis de Varianza para dureza - Suma de Cuadrados Tipo III
Fuente Suma de Cuadrados
Gl Cuadrado Medio
Razoacuten-F Valor-P
EFECTOS PRINCIPALES
APRESION DE VAPOR 005445 1 005445 006 08164
BTAMANtildeO DE PARTICULA 121525 1 121525 1372 00208
CTEMPERATURA DE PARTICULA 471245 1 471245 532 00823
RESIDUOS
354305 4 0885763
TOTAL (CORREGIDO) 204624 7
La tabla 6 muestra el anaacutelisis de varianza del disentildeo factorial en la cual se descompone la
variabilidad de dureza en contribuciones debidas a varios factores Puesto que se ha escogido la
suma de cuadrados Tipo III (por omisioacuten) la contribucioacuten de cada factor se mide eliminando los
efectos de los demaacutes factores Los valores-P prueban la significancia estadiacutestica de cada uno de los
factores Puesto que un valor-P es menor que 005 este factor tiene un efecto estadiacutesticamente
significativo sobre dureza con un 950 de nivel de confianza
24
Figura 14Grafico anova para dureza
En la figura 14 se muestra el grafico anova y se observa la distribucioacuten de la respuesta para los
factores en la cual todas las razones-F se basan en el cuadrado medio del error residual La
mayoriacutea presenta distribucioacuten anova con el valor p mayor a 05 sin embargo para el factor tamantildeo
de partiacutecula el valor es menor a 05 con significancia
Balance de energiacutea
En el balance de materia y energiacutea se obtuvo que la humedad en la salida aglomerado es del 73
cuando hay una entrada de aire de 1550 m3 s con 50 de humedad relativa a una temperatura
de 230degc necesita 1730 KJ kg de calor con una cantidad de aire seco de 2600 kg h para sistema
adiabaacutetico sim embargo el aglomerador no es de este tipo de sistema por lo que se evaluoacute en un
graacutefico psicomeacutetrico (anexo1) encontraacutendose
El aire se calienta a humedad constante (To -T1) Si la caacutemara estuviera aislada y toda la energiacutea
posible se utilizara el aire se enfriariacutea adiabaacuteticamente y la temperatura miacutenima a alcanzar seriacutea la
de bulbo seco de saturacioacuten (Tsat) En realidad la caacutemara no estaacute aislada y no se sigue un
enfriamiento adiabaacutetico El aire sale a una temperatura T2 (ni estaacute saturado ni el proceso es
adiabaacutetico) debido a la baja relacioacuten aire-producto Si el proceso fuera adiabaacutetico saldriacutea a T2
(proceso adiabaacutetico y masas iguales de aire y producto)
ANOVA Graacutefico para DUREZA
-25 -15 -05 05 15 25
Residuos
PRESION DE VAPOR P = 0816415 2
TAMANtildeO DE PARTICULA P = 0020833 54
TEMPERATURA DE PARTICULA P = 0082330 35
25
Optimizacioacuten
De acuerdo a los caacutelculos de balance de materia los flujos de aire de 900 pm a 1100 rpm con una
salida de 1765 rpm mantienen el calor necesario para eliminar la humedad por lo que estas
variables son las que se implementaron y controlaron para la aglomeracioacuten de los diversos
productos
Figura 15 Grafica de rendimientos con flujo de aire de 900 rpm a 1100 rpm
En la figura 15 se observa el comportamiento del rendimiento con las condiciones aire manejadas
que mantuvieron un vaciacuteo de 04 y 05 inicialmente el rendimiento no fue favorable debido a la
humedad relativa sin embargo en los siguientes lotes el rendimiento se mantuvo del 94
mejorando en los siguientes diacuteas al 97 siendo favorable con ello el porcentaje de adhesioacuten
disminuyo al 3 con estas condiciones la caracteriacutestica de porcentaje de aglomerado incremento
al rango oacuteptimo
La optimizacioacuten de las variables de temperatura de salida y tamantildeo de criba consistioacute en la
reduccioacuten de sus rangos de operacioacuten para la cual la dureza mejoroacute apegaacutendose al rango oacuteptimo
925
93
935
94
945
95
955
96
965
0 2 4 6 8 10 12 14
Ren
dim
ien
to
lote
26
42 Conclusiones
Mediante el disentildeo experimentos se encontroacute que el aumento de dos factores temperatura de
salida y el tamantildeo de partiacutecula influyen en el bajo porcentaje de aglomerado y el incremento en la
dureza por que el granulo aglomerado presenta fragilidad y una cantidad de polvos finos Asiacute
mismo con el disentildeo por bloques se determinoacute que la concentracioacuten de azuacutecares de los cafeacutes no
tiene efecto significativo tomando como muestra patroacuten un producto sin concentracioacuten que
tambieacuten presento adhesioacuten en las tres repeticiones Durante el monitoreo se observoacute que los
soacutelidos aglomerados a condiciones de bajo vaciacuteo con humedad relativa del aire baja no
presentaban ninguacuten problema de adhesioacuten mientras que los producto a condiciones de vaciacuteo alto
con humedades por encima de 60 presentaban mayor adhesioacuten en balance de materia se
observoacute que una humedad relativa alta en la salida del equipo necesita mayor calor y cantidad de
aire de entrada para ser eliminado asiacute mismo mediante las eficiencias teacutermicas se evaluoacute el
sistema en una carta psicomeacutetrica y se determinoacute que hay perdida calor en la caacutemara de secado
al no ser adiabaacutetico por lo que la optimizacioacuten del proceso solo fue parcial enfocaacutendose solo a
condiciones del aire de entrada y salida en la que el rendimiento mejoro en un promedio del 96
43 Trabajos Futuros
Derivado al balance y los caacutelculos la humedad relativa es un factor importante en la adhesioacuten del
producto es por ello que el proyecto tiene continuidad en la implementacioacuten de un desumificador
de aire para que el sistema tenga una inyeccioacuten de aire seco el aislamiento (encamisado) de la
caacutemara de secado para evitar pedidas del calor tambieacuten y la determinacioacuten de nuevas condiciones
de operacioacuten debido a los cambios en los flujos aire
44 Recomendaciones
De acuerdo al estudio realizado mediante el disentildeo factorial se determinoacute que la variacioacuten de la
entrada de aire afecta la presioacuten del sistema por lo que se recomienda manejar una sola condicioacuten
de aire para cada producto con respecto a la velocidad de salida ya que el sistema necesita
mantener el equilibrio de las corrientes de aire para que el calor sea necesario y elimine toda la
humedad posible del vapor de agua para evitar que se concentre en la base coacutenica asiacute mismo la
alimentacioacuten de los soacutelidos finos debe tener propiedades caracteriacutesticas oacuteptimas para evitar la
variacioacuten de las condiciones
27
ANEXOS Anexo 1 Equipo aglomerado
Salida de aire
Base coacutenica
Caacutemara de
secado
Lecho
fluidizado
Entrada de
aire caliente
Separador
cicloacutenico
Zona de aspersioacuten de
solidos secos y vapor
de agua
28
Anexo 2 Carta psicomeacutetrica
Fuente Spray Drying Handbook (Masters 1991)
29
Anexo 3 Caacutelculos de velocidad lineal caudales de aire y volumen del equipo
1765 rpm (2πrads)(042)=7763 ms
600 rpm (2πrads)(030) =2638 ms
700 rpm (2πrads)(030)=3078 ms
800 rpm (2πrads)(030) =3518 ms
900 rpm (2πrads)(030) =3965 ms
1000 rpm (2πrads)(030) =4348 ms
1150 rpm (2πrads)(030)=5057ms
Caudal para las diferentes velocidades lineales
1) Q=VS
Q=2638 ms (π 00335m) 2
Q=930 m3s
2) Q=VS
Q=3078ms (π 00335m) 2
Q=1085m3s
3) Q=VS
Q=3518 ms (π 00335m) 2
Q=1240 m3s
4) Q=VS
Q=4348 ms (π 00335m) 2
Q=1550 m3s
5) Q=VS
Q=5057ms (π 00335m) 2
Q=2002 m3s
6) Q=VS
Q=7763 ms (π 0195 m) 2
Q=3708 m3s
30
Velocidad angular de aire (rpm) Caudal (m3s)
600 rpm 93
700 1085
800 1240
1000 1550
1150 2002
1765 3708
Caudales de aire de entrada y salida
Volumen de la caacutemara de secado
V= ℎ1205871199032
v=97 π (21m)
v=140844 m3
V= ℎ1205871199032
v= (09m) (π 21m)
v=2420 m3
Volumen de la base coacutenica
119907 =π r2 h
3
119907 =π (291) lowast 59
3
V=52313 m3
Volumen total del equipo =21734 m3
582 m
59m
582 m
09 m
43m
97 m
31
Anexo 3Caacutelculos de balance de materia y energiacutea
Se determina la velocidad de flujo de aire y la humedad de salida del aglomerador suponiendo
que no hay peacuterdidas de calor en el secador el balance inicia con la alimentacioacuten de 300 kg de
soacutelidos secoh que contienen 0035 kg de humedad totalkg de soacutelido seco hasta un valor de 0002
kg de humedad totalkg de soacutelido seco El polvo fino a granular entra a 35 ordmC y se desea
descargarlo a 32 ordmC El soacutelido seco tiene una capacidad caloriacutefica de 1465 kJkgK que se supone
constante El aire de calentamiento entra a 230 ordmC y con humedad de 0060 kg H2Okg de aire
seco y debe salir a 130
Balance de materia con respecto a la humedad
GH2 LS X1 GH1 LS X2
Reemplazando valores
(060) + 300 (0035)= GH1+ 300 (0002)
El balance de calor para el secador es
GHG2 LS HS1 GHG1 LS HS2 Q
Se calcula la entalpiacutea del aire de entrada HG1
Aglomerador
G1=
TG1=230
H2=
LS=300 KGSh
TS1=35
X1=0035
G2=
TG2=130
H2=060
Ts 2=378
X2=0002
Q
32
HG1=CS 1005188H 1005188(060)
HG1 CS (TG1 T0 ) H
HG1= CS 230 - 0 + 0060(2501) 17306 KJ Kg aire seco
Se calcula la entalpiacutea del aire de salida HG2
C21005188H 1005188 H1
HG1 CS (TG2 T0 ) H
HG1= (1005 + 188 H1 )130 - 0 + H1 (2501)
HG1=130 + 27454 H1
Se calcula las entalpiacuteas de los soacutelidos
HS1 CP S (TS1 T0) X1 CP A ( TS1 T0)
HS1 1465(35 0) 0035 (4187)(35 0) 5713 kJ kg
HS2 CP S (TS2 T0) X2 CP A ( T2 T0)
HS2 1465 (32 ndash 0 ) + 0002(4187)(32 0)=4714 KJ Kg
Reemplazando en el balance de energiacutea
G (17306)+ 300(5713) = G (130 + 27454 H1)+ 300(4714) + 0
G=2600 Kg aire seco por hora
Resolviendo conjuntamente con el balance de materia
G (060) + 300 (0035)= GH1+ 300 (0002)
2600(060) + 105 = 2600 H1 +06
H1=2600(060) +105 + 060 2600
H1=07427 Kg agua kg aire seco
33
Anexo 4Calculo de eficiencias teacutermicas
Datos
T = 230
Ts =147
T0= 30
T sat=45
Eficiencia teacutermica global
Ntermica global= 1198791minus1198792
1198792minus1198790 X 100
Ntermica global = 230minus147
230minus30 100 =415
Eficiencia de evaporacioacuten
Nevaporacion=1198791minus1198792
1198791minus119879119904119886119905
Nevaporacion = 230minus147
230minus45 100 =4486
34
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Equipment
16
Eficiencia teacutermica global= (11987911198792
1198792119879119900)
Eficiencia de evaporacioacuten= (1198791 1198792
1198791 119879119904119886119905)
Para determinar las temperaturas de saturacioacuten adiabaacutetica (TSAT) y (T0) se utilizoacute la carta psicomeacutetrica (Anexo 2) El balance quedo estructurada de la siguiente forma
Figura 1 Diagrama de flujo del aglomerador
Donde FS1=masa del solido seco (kg)
Ga flujo de aire (kgh)
Ws=contenido de humedad del alimento (kg agua kg solido seco)
Ta=temperatura de entrada
Ta1=temperatura de salida
Ta2=temperatura de solidos
Ga1=flujo de aire entrada
Ga2=flujo salida de aire
H1= humedad relativa del aire entrada
H2=humedad relativa del aire salida
El balance del sistema sin peacuterdidas ni acumulacioacuten quedo de la siguiente manera
FS WS1 +Ga Ha1 = FS WS2 +Ga Ha2
17
Mientras que el balance de energiacutea
FS QS1+ Ga Qa1 = FS QS2 +Ga Qa2 +QL
Donde qs1 y qs2 son las entalpiacuteas del soacutelido entrando y saliendo del secador (KJKg) qa1 y qa2 son
las entalpiacuteas del aire entrando y saliendo del secador (KJKg) qL es el calor perdido (KJ)
El balance con respecto a la humedad se determinoacute mediante la siguiente formula
GH2 LS X1 GH1 LS X2
Donde
GH2= flujo de aire
Ls = flujo de alimentacioacuten
X1= humedad de los soacutelidos iniciales
La entalpia de la salida de aire se calculoacute mediante la foacutermula
HG C2 (TG T0) H
Donde
TG= Temperatura del aire
T0= Temperatura saturacioacuten
H=Entalpia del solido seco
37 Optimizacioacuten
La optimizacioacuten del proceso se llevoacute a cabo en el control de los factores incidentes en la cual se establecieron los rangos a utilizar esto derivado de los caacutelculos de balance y lo obtenido de los efectos en el disentildeo experimental los operarios se apegaron a estas condiciones con sus respectivos rangos y lo llevaron a cabo durante 8 lotes de produccioacuten en ese lapso de tiempo se evaluoacute el comportamiento del rendimiento se registraron los datos y se graficaron
18
CAPIacuteTULO 4 RESULTADOS Y CONCLUSIONES
41 Resultados
Anaacutelisis de efectos disentildeo factorial No1
Figura 2Grafica de efectos normales para el cafeacute soluble ABCD
En la figura 2 se observa la distribucioacuten de los factores A B C para los 4 tipos de cafeacute en la cual la
temperatura de entrada tiene efecto significativo en la dureza con una significancia del 92
mientras que los demaacutes factores no presentaron efectos significativos aunque tambieacuten influyen en
una combinacioacuten para dar la caracteriacutestica fisicoquiacutemica
19
Figura 3Grafica de interaccioacuten para cafeacute
soluble A
Figura 4 Grafica de interaccioacuten para cafeacute
soluble B
Figura 5Grafica de interaccioacuten para cafeacute soluble
C
Figura 6Grafica de interaccioacuten para cafeacute
soluble D
En las figuras 3 4 5 y 6 se muestran el comportamiento de la dureza de acuerdo a los factores
manejados para los cuatro tipos de cafeacute y en cada una de ella se aprecia que los niveles menores
de la temperatura de salida con la temperatura de entrada dieron una dureza igual y por debajo
de 10 asiacute mismo en el factor de velocidad de aire tambieacuten tuvo un comportamiento con niveles
menores Cabe mencionar que ninguna de las combinaciones obtuvo una dureza optima por lo
que se determinoacute que el incremento en la temperatura de salida aumenta la dureza obteniendo
un granulo maacutes fraacutegil
20
Anaacutelisis del disentildeo factorial No2
Figura 7Grafica de efectos normales para
dureza del cafeacute regular
Figura 8Grafica de efectos principales para dureza
del cafeacute regular
En las figuras 7 y 8 se observa que el No de criba tiene efecto significativo sobre la dureza es decir
entre menor abertura tenga la criba la dureza es mucho menor los graacutenulos son maacutes resistentes
mientras que entre mayor sea la abertura los graacutenulos son maacutes fraacutegiles (dureza alta) cabe
mencionar que la mejor dureza obtenida fue con el nuacutemero de malla 33 la presioacuten de vapor de
15 y la temperatura de partiacutecula de 30deg c
Figura 9 Grafica de efectos normales para
porcentaje de aglomerado del cafeacute regular
Figura 10Grafica de interaccioacuten para porcentaje
de aglomerado del cafeacute regular
21
En las figuras 9 y 10 se observa que la temperatura del producto el nuacutemero de criba tiene efecto
significativo sobre el porcentaje de aglomerado entre mayor es el nivel el porcentaje de
aglomerado disminuye determinado que hay maacutes cantidad de polvos finos asiacute mismo si el nivel
de los factores es bajo el porcentaje incremente constantemente Por lo que el comportamiento
del graacutenulo se acopla al incremento o disminucioacuten de estas variables
Monitoreos
Figura 11Grafica de dispersioacuten de la presioacuten del sistema
Figura 12 Grafica del vaciacuteo vs porcentaje de adhesioacuten
En las figuras 11 y 12 se observa el comportamiento del vaciacuteo con las variaciones de aire de
entrada Cabe mencionar que el sistema empleo una sola salida de aire de 1765 rpm Durante los
monitoreos los productos presentaron pegajosidad con entradas de aire menores a 900 rpm
mientras tanto de 1000 a 1150 rpm los productos no presentaron pegajosidad Lo mismo sucedioacute
en el comportamiento del vaciacuteo del sistema para la cual la pegajosidad aumenta y el rendimiento
disminuye con respecto al incremento del vaciacuteo Por lo que esta variable es el factor determinante
y con ello se prueba la hipoacutetesis que la variacioacuten en la presioacuten del sistema genera un arrastre
excesivo de polvos y la humedad no se elimina lo suficiente
120011001000900800700600
08
07
06
05
04
velocidad de entrada( Rpm)
vacio
del
sis
tem
a (
inh
20
)
Graacutefica de dispersioacuten de vacio del sistema vs velocidad de entrada
0
2
4
6
8
10
12
14
0 02 04 06 08 1
D
E A
DH
ESIO
N
VACIO DEL SISTEMA IN H20
22
Figura 13 Graacutefico de humedad relativa del aire
En la figura 13 se aprecia que la humedad relativa del aire inicialmente fue de 66 que
incrementoacute durante los siguientes diacuteas pero fue disminuyendo hasta llegar al 50 Esto debido a
los cambios climaacuteticos cabe mencionar que el equipo no cuenta con un filtrador para retirar el
porcentaje de agua del aire por lo que esta ingresa directamente a la caacutemara de secado siendo
una variable maacutes influyente en la adhesioacuten de los polvos finos
Anaacutelisis de datos
Tabla 5 Anaacutelisis de varianza de dos factores con una sola muestra por grupo
RESUMEN Cuenta Suma Promedio Varianza Fila 1 3 19303 643433333 026902633
Fila 2 3 313 104333333 296443333 Fila 3 3 22318 743933333 275458633 Fila 4 3 2425 808333333 389223333 Fila 5 3 2555 851666667 207763333 Fila 6 3 2888 962666667 216763333
Columna 1 6 51025 850416667 582740417 Columna 2 6 45726 7621 21353864 Columna 3 6 5485 914166667 260997667
Origen de las variaciones
Suma de cuadrados
Grados de libertad
Promedio de los cuadrados F Probabilidad
Valor criacutetico para
F Tratamientos 316103776 5 632207552 297461023 006699316 332583453
Bloques 699763344 2 349881672 164623405 024097493 410282102
Graacutefico de humedad realtva vs lote
0 3 6 9 12 15
lote
50
54
58
62
66
70
74
hu
med
ad
realt
va
23
Error 212534586 10 212534586
Total 598614696 17
En la tabla 5 se muestra el anaacutelisis de varianza de del disentildeo por bloques completamente al azar
de las diferentes concentraciones de azuacutecar por cada tipo de producto Dado que el f de Fisher es
menor que la f tabulada indica que no hay diferencias significativas por lo que se acepta la
hipoacutetesis nula la concentracioacuten de azucares no tiene efecto significativo en la adhesioacuten del cafeacute
ya que la mayoriacutea tuvo un porcentaje de adhesioacuten alta en las tres repeticiones cabe mencionar
que el producto A sin concentracioacuten tambieacuten tuvo adhesioacuten en la suma de cuadrados por bloques
tampoco hubo diferencias significativas
Tabla 6 Anaacutelisis de Varianza para dureza - Suma de Cuadrados Tipo III
Fuente Suma de Cuadrados
Gl Cuadrado Medio
Razoacuten-F Valor-P
EFECTOS PRINCIPALES
APRESION DE VAPOR 005445 1 005445 006 08164
BTAMANtildeO DE PARTICULA 121525 1 121525 1372 00208
CTEMPERATURA DE PARTICULA 471245 1 471245 532 00823
RESIDUOS
354305 4 0885763
TOTAL (CORREGIDO) 204624 7
La tabla 6 muestra el anaacutelisis de varianza del disentildeo factorial en la cual se descompone la
variabilidad de dureza en contribuciones debidas a varios factores Puesto que se ha escogido la
suma de cuadrados Tipo III (por omisioacuten) la contribucioacuten de cada factor se mide eliminando los
efectos de los demaacutes factores Los valores-P prueban la significancia estadiacutestica de cada uno de los
factores Puesto que un valor-P es menor que 005 este factor tiene un efecto estadiacutesticamente
significativo sobre dureza con un 950 de nivel de confianza
24
Figura 14Grafico anova para dureza
En la figura 14 se muestra el grafico anova y se observa la distribucioacuten de la respuesta para los
factores en la cual todas las razones-F se basan en el cuadrado medio del error residual La
mayoriacutea presenta distribucioacuten anova con el valor p mayor a 05 sin embargo para el factor tamantildeo
de partiacutecula el valor es menor a 05 con significancia
Balance de energiacutea
En el balance de materia y energiacutea se obtuvo que la humedad en la salida aglomerado es del 73
cuando hay una entrada de aire de 1550 m3 s con 50 de humedad relativa a una temperatura
de 230degc necesita 1730 KJ kg de calor con una cantidad de aire seco de 2600 kg h para sistema
adiabaacutetico sim embargo el aglomerador no es de este tipo de sistema por lo que se evaluoacute en un
graacutefico psicomeacutetrico (anexo1) encontraacutendose
El aire se calienta a humedad constante (To -T1) Si la caacutemara estuviera aislada y toda la energiacutea
posible se utilizara el aire se enfriariacutea adiabaacuteticamente y la temperatura miacutenima a alcanzar seriacutea la
de bulbo seco de saturacioacuten (Tsat) En realidad la caacutemara no estaacute aislada y no se sigue un
enfriamiento adiabaacutetico El aire sale a una temperatura T2 (ni estaacute saturado ni el proceso es
adiabaacutetico) debido a la baja relacioacuten aire-producto Si el proceso fuera adiabaacutetico saldriacutea a T2
(proceso adiabaacutetico y masas iguales de aire y producto)
ANOVA Graacutefico para DUREZA
-25 -15 -05 05 15 25
Residuos
PRESION DE VAPOR P = 0816415 2
TAMANtildeO DE PARTICULA P = 0020833 54
TEMPERATURA DE PARTICULA P = 0082330 35
25
Optimizacioacuten
De acuerdo a los caacutelculos de balance de materia los flujos de aire de 900 pm a 1100 rpm con una
salida de 1765 rpm mantienen el calor necesario para eliminar la humedad por lo que estas
variables son las que se implementaron y controlaron para la aglomeracioacuten de los diversos
productos
Figura 15 Grafica de rendimientos con flujo de aire de 900 rpm a 1100 rpm
En la figura 15 se observa el comportamiento del rendimiento con las condiciones aire manejadas
que mantuvieron un vaciacuteo de 04 y 05 inicialmente el rendimiento no fue favorable debido a la
humedad relativa sin embargo en los siguientes lotes el rendimiento se mantuvo del 94
mejorando en los siguientes diacuteas al 97 siendo favorable con ello el porcentaje de adhesioacuten
disminuyo al 3 con estas condiciones la caracteriacutestica de porcentaje de aglomerado incremento
al rango oacuteptimo
La optimizacioacuten de las variables de temperatura de salida y tamantildeo de criba consistioacute en la
reduccioacuten de sus rangos de operacioacuten para la cual la dureza mejoroacute apegaacutendose al rango oacuteptimo
925
93
935
94
945
95
955
96
965
0 2 4 6 8 10 12 14
Ren
dim
ien
to
lote
26
42 Conclusiones
Mediante el disentildeo experimentos se encontroacute que el aumento de dos factores temperatura de
salida y el tamantildeo de partiacutecula influyen en el bajo porcentaje de aglomerado y el incremento en la
dureza por que el granulo aglomerado presenta fragilidad y una cantidad de polvos finos Asiacute
mismo con el disentildeo por bloques se determinoacute que la concentracioacuten de azuacutecares de los cafeacutes no
tiene efecto significativo tomando como muestra patroacuten un producto sin concentracioacuten que
tambieacuten presento adhesioacuten en las tres repeticiones Durante el monitoreo se observoacute que los
soacutelidos aglomerados a condiciones de bajo vaciacuteo con humedad relativa del aire baja no
presentaban ninguacuten problema de adhesioacuten mientras que los producto a condiciones de vaciacuteo alto
con humedades por encima de 60 presentaban mayor adhesioacuten en balance de materia se
observoacute que una humedad relativa alta en la salida del equipo necesita mayor calor y cantidad de
aire de entrada para ser eliminado asiacute mismo mediante las eficiencias teacutermicas se evaluoacute el
sistema en una carta psicomeacutetrica y se determinoacute que hay perdida calor en la caacutemara de secado
al no ser adiabaacutetico por lo que la optimizacioacuten del proceso solo fue parcial enfocaacutendose solo a
condiciones del aire de entrada y salida en la que el rendimiento mejoro en un promedio del 96
43 Trabajos Futuros
Derivado al balance y los caacutelculos la humedad relativa es un factor importante en la adhesioacuten del
producto es por ello que el proyecto tiene continuidad en la implementacioacuten de un desumificador
de aire para que el sistema tenga una inyeccioacuten de aire seco el aislamiento (encamisado) de la
caacutemara de secado para evitar pedidas del calor tambieacuten y la determinacioacuten de nuevas condiciones
de operacioacuten debido a los cambios en los flujos aire
44 Recomendaciones
De acuerdo al estudio realizado mediante el disentildeo factorial se determinoacute que la variacioacuten de la
entrada de aire afecta la presioacuten del sistema por lo que se recomienda manejar una sola condicioacuten
de aire para cada producto con respecto a la velocidad de salida ya que el sistema necesita
mantener el equilibrio de las corrientes de aire para que el calor sea necesario y elimine toda la
humedad posible del vapor de agua para evitar que se concentre en la base coacutenica asiacute mismo la
alimentacioacuten de los soacutelidos finos debe tener propiedades caracteriacutesticas oacuteptimas para evitar la
variacioacuten de las condiciones
27
ANEXOS Anexo 1 Equipo aglomerado
Salida de aire
Base coacutenica
Caacutemara de
secado
Lecho
fluidizado
Entrada de
aire caliente
Separador
cicloacutenico
Zona de aspersioacuten de
solidos secos y vapor
de agua
28
Anexo 2 Carta psicomeacutetrica
Fuente Spray Drying Handbook (Masters 1991)
29
Anexo 3 Caacutelculos de velocidad lineal caudales de aire y volumen del equipo
1765 rpm (2πrads)(042)=7763 ms
600 rpm (2πrads)(030) =2638 ms
700 rpm (2πrads)(030)=3078 ms
800 rpm (2πrads)(030) =3518 ms
900 rpm (2πrads)(030) =3965 ms
1000 rpm (2πrads)(030) =4348 ms
1150 rpm (2πrads)(030)=5057ms
Caudal para las diferentes velocidades lineales
1) Q=VS
Q=2638 ms (π 00335m) 2
Q=930 m3s
2) Q=VS
Q=3078ms (π 00335m) 2
Q=1085m3s
3) Q=VS
Q=3518 ms (π 00335m) 2
Q=1240 m3s
4) Q=VS
Q=4348 ms (π 00335m) 2
Q=1550 m3s
5) Q=VS
Q=5057ms (π 00335m) 2
Q=2002 m3s
6) Q=VS
Q=7763 ms (π 0195 m) 2
Q=3708 m3s
30
Velocidad angular de aire (rpm) Caudal (m3s)
600 rpm 93
700 1085
800 1240
1000 1550
1150 2002
1765 3708
Caudales de aire de entrada y salida
Volumen de la caacutemara de secado
V= ℎ1205871199032
v=97 π (21m)
v=140844 m3
V= ℎ1205871199032
v= (09m) (π 21m)
v=2420 m3
Volumen de la base coacutenica
119907 =π r2 h
3
119907 =π (291) lowast 59
3
V=52313 m3
Volumen total del equipo =21734 m3
582 m
59m
582 m
09 m
43m
97 m
31
Anexo 3Caacutelculos de balance de materia y energiacutea
Se determina la velocidad de flujo de aire y la humedad de salida del aglomerador suponiendo
que no hay peacuterdidas de calor en el secador el balance inicia con la alimentacioacuten de 300 kg de
soacutelidos secoh que contienen 0035 kg de humedad totalkg de soacutelido seco hasta un valor de 0002
kg de humedad totalkg de soacutelido seco El polvo fino a granular entra a 35 ordmC y se desea
descargarlo a 32 ordmC El soacutelido seco tiene una capacidad caloriacutefica de 1465 kJkgK que se supone
constante El aire de calentamiento entra a 230 ordmC y con humedad de 0060 kg H2Okg de aire
seco y debe salir a 130
Balance de materia con respecto a la humedad
GH2 LS X1 GH1 LS X2
Reemplazando valores
(060) + 300 (0035)= GH1+ 300 (0002)
El balance de calor para el secador es
GHG2 LS HS1 GHG1 LS HS2 Q
Se calcula la entalpiacutea del aire de entrada HG1
Aglomerador
G1=
TG1=230
H2=
LS=300 KGSh
TS1=35
X1=0035
G2=
TG2=130
H2=060
Ts 2=378
X2=0002
Q
32
HG1=CS 1005188H 1005188(060)
HG1 CS (TG1 T0 ) H
HG1= CS 230 - 0 + 0060(2501) 17306 KJ Kg aire seco
Se calcula la entalpiacutea del aire de salida HG2
C21005188H 1005188 H1
HG1 CS (TG2 T0 ) H
HG1= (1005 + 188 H1 )130 - 0 + H1 (2501)
HG1=130 + 27454 H1
Se calcula las entalpiacuteas de los soacutelidos
HS1 CP S (TS1 T0) X1 CP A ( TS1 T0)
HS1 1465(35 0) 0035 (4187)(35 0) 5713 kJ kg
HS2 CP S (TS2 T0) X2 CP A ( T2 T0)
HS2 1465 (32 ndash 0 ) + 0002(4187)(32 0)=4714 KJ Kg
Reemplazando en el balance de energiacutea
G (17306)+ 300(5713) = G (130 + 27454 H1)+ 300(4714) + 0
G=2600 Kg aire seco por hora
Resolviendo conjuntamente con el balance de materia
G (060) + 300 (0035)= GH1+ 300 (0002)
2600(060) + 105 = 2600 H1 +06
H1=2600(060) +105 + 060 2600
H1=07427 Kg agua kg aire seco
33
Anexo 4Calculo de eficiencias teacutermicas
Datos
T = 230
Ts =147
T0= 30
T sat=45
Eficiencia teacutermica global
Ntermica global= 1198791minus1198792
1198792minus1198790 X 100
Ntermica global = 230minus147
230minus30 100 =415
Eficiencia de evaporacioacuten
Nevaporacion=1198791minus1198792
1198791minus119879119904119886119905
Nevaporacion = 230minus147
230minus45 100 =4486
34
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Wolfgang B P (2008) Agglomeration Processes Weinheim Phenomena Technologies
Equipment
17
Mientras que el balance de energiacutea
FS QS1+ Ga Qa1 = FS QS2 +Ga Qa2 +QL
Donde qs1 y qs2 son las entalpiacuteas del soacutelido entrando y saliendo del secador (KJKg) qa1 y qa2 son
las entalpiacuteas del aire entrando y saliendo del secador (KJKg) qL es el calor perdido (KJ)
El balance con respecto a la humedad se determinoacute mediante la siguiente formula
GH2 LS X1 GH1 LS X2
Donde
GH2= flujo de aire
Ls = flujo de alimentacioacuten
X1= humedad de los soacutelidos iniciales
La entalpia de la salida de aire se calculoacute mediante la foacutermula
HG C2 (TG T0) H
Donde
TG= Temperatura del aire
T0= Temperatura saturacioacuten
H=Entalpia del solido seco
37 Optimizacioacuten
La optimizacioacuten del proceso se llevoacute a cabo en el control de los factores incidentes en la cual se establecieron los rangos a utilizar esto derivado de los caacutelculos de balance y lo obtenido de los efectos en el disentildeo experimental los operarios se apegaron a estas condiciones con sus respectivos rangos y lo llevaron a cabo durante 8 lotes de produccioacuten en ese lapso de tiempo se evaluoacute el comportamiento del rendimiento se registraron los datos y se graficaron
18
CAPIacuteTULO 4 RESULTADOS Y CONCLUSIONES
41 Resultados
Anaacutelisis de efectos disentildeo factorial No1
Figura 2Grafica de efectos normales para el cafeacute soluble ABCD
En la figura 2 se observa la distribucioacuten de los factores A B C para los 4 tipos de cafeacute en la cual la
temperatura de entrada tiene efecto significativo en la dureza con una significancia del 92
mientras que los demaacutes factores no presentaron efectos significativos aunque tambieacuten influyen en
una combinacioacuten para dar la caracteriacutestica fisicoquiacutemica
19
Figura 3Grafica de interaccioacuten para cafeacute
soluble A
Figura 4 Grafica de interaccioacuten para cafeacute
soluble B
Figura 5Grafica de interaccioacuten para cafeacute soluble
C
Figura 6Grafica de interaccioacuten para cafeacute
soluble D
En las figuras 3 4 5 y 6 se muestran el comportamiento de la dureza de acuerdo a los factores
manejados para los cuatro tipos de cafeacute y en cada una de ella se aprecia que los niveles menores
de la temperatura de salida con la temperatura de entrada dieron una dureza igual y por debajo
de 10 asiacute mismo en el factor de velocidad de aire tambieacuten tuvo un comportamiento con niveles
menores Cabe mencionar que ninguna de las combinaciones obtuvo una dureza optima por lo
que se determinoacute que el incremento en la temperatura de salida aumenta la dureza obteniendo
un granulo maacutes fraacutegil
20
Anaacutelisis del disentildeo factorial No2
Figura 7Grafica de efectos normales para
dureza del cafeacute regular
Figura 8Grafica de efectos principales para dureza
del cafeacute regular
En las figuras 7 y 8 se observa que el No de criba tiene efecto significativo sobre la dureza es decir
entre menor abertura tenga la criba la dureza es mucho menor los graacutenulos son maacutes resistentes
mientras que entre mayor sea la abertura los graacutenulos son maacutes fraacutegiles (dureza alta) cabe
mencionar que la mejor dureza obtenida fue con el nuacutemero de malla 33 la presioacuten de vapor de
15 y la temperatura de partiacutecula de 30deg c
Figura 9 Grafica de efectos normales para
porcentaje de aglomerado del cafeacute regular
Figura 10Grafica de interaccioacuten para porcentaje
de aglomerado del cafeacute regular
21
En las figuras 9 y 10 se observa que la temperatura del producto el nuacutemero de criba tiene efecto
significativo sobre el porcentaje de aglomerado entre mayor es el nivel el porcentaje de
aglomerado disminuye determinado que hay maacutes cantidad de polvos finos asiacute mismo si el nivel
de los factores es bajo el porcentaje incremente constantemente Por lo que el comportamiento
del graacutenulo se acopla al incremento o disminucioacuten de estas variables
Monitoreos
Figura 11Grafica de dispersioacuten de la presioacuten del sistema
Figura 12 Grafica del vaciacuteo vs porcentaje de adhesioacuten
En las figuras 11 y 12 se observa el comportamiento del vaciacuteo con las variaciones de aire de
entrada Cabe mencionar que el sistema empleo una sola salida de aire de 1765 rpm Durante los
monitoreos los productos presentaron pegajosidad con entradas de aire menores a 900 rpm
mientras tanto de 1000 a 1150 rpm los productos no presentaron pegajosidad Lo mismo sucedioacute
en el comportamiento del vaciacuteo del sistema para la cual la pegajosidad aumenta y el rendimiento
disminuye con respecto al incremento del vaciacuteo Por lo que esta variable es el factor determinante
y con ello se prueba la hipoacutetesis que la variacioacuten en la presioacuten del sistema genera un arrastre
excesivo de polvos y la humedad no se elimina lo suficiente
120011001000900800700600
08
07
06
05
04
velocidad de entrada( Rpm)
vacio
del
sis
tem
a (
inh
20
)
Graacutefica de dispersioacuten de vacio del sistema vs velocidad de entrada
0
2
4
6
8
10
12
14
0 02 04 06 08 1
D
E A
DH
ESIO
N
VACIO DEL SISTEMA IN H20
22
Figura 13 Graacutefico de humedad relativa del aire
En la figura 13 se aprecia que la humedad relativa del aire inicialmente fue de 66 que
incrementoacute durante los siguientes diacuteas pero fue disminuyendo hasta llegar al 50 Esto debido a
los cambios climaacuteticos cabe mencionar que el equipo no cuenta con un filtrador para retirar el
porcentaje de agua del aire por lo que esta ingresa directamente a la caacutemara de secado siendo
una variable maacutes influyente en la adhesioacuten de los polvos finos
Anaacutelisis de datos
Tabla 5 Anaacutelisis de varianza de dos factores con una sola muestra por grupo
RESUMEN Cuenta Suma Promedio Varianza Fila 1 3 19303 643433333 026902633
Fila 2 3 313 104333333 296443333 Fila 3 3 22318 743933333 275458633 Fila 4 3 2425 808333333 389223333 Fila 5 3 2555 851666667 207763333 Fila 6 3 2888 962666667 216763333
Columna 1 6 51025 850416667 582740417 Columna 2 6 45726 7621 21353864 Columna 3 6 5485 914166667 260997667
Origen de las variaciones
Suma de cuadrados
Grados de libertad
Promedio de los cuadrados F Probabilidad
Valor criacutetico para
F Tratamientos 316103776 5 632207552 297461023 006699316 332583453
Bloques 699763344 2 349881672 164623405 024097493 410282102
Graacutefico de humedad realtva vs lote
0 3 6 9 12 15
lote
50
54
58
62
66
70
74
hu
med
ad
realt
va
23
Error 212534586 10 212534586
Total 598614696 17
En la tabla 5 se muestra el anaacutelisis de varianza de del disentildeo por bloques completamente al azar
de las diferentes concentraciones de azuacutecar por cada tipo de producto Dado que el f de Fisher es
menor que la f tabulada indica que no hay diferencias significativas por lo que se acepta la
hipoacutetesis nula la concentracioacuten de azucares no tiene efecto significativo en la adhesioacuten del cafeacute
ya que la mayoriacutea tuvo un porcentaje de adhesioacuten alta en las tres repeticiones cabe mencionar
que el producto A sin concentracioacuten tambieacuten tuvo adhesioacuten en la suma de cuadrados por bloques
tampoco hubo diferencias significativas
Tabla 6 Anaacutelisis de Varianza para dureza - Suma de Cuadrados Tipo III
Fuente Suma de Cuadrados
Gl Cuadrado Medio
Razoacuten-F Valor-P
EFECTOS PRINCIPALES
APRESION DE VAPOR 005445 1 005445 006 08164
BTAMANtildeO DE PARTICULA 121525 1 121525 1372 00208
CTEMPERATURA DE PARTICULA 471245 1 471245 532 00823
RESIDUOS
354305 4 0885763
TOTAL (CORREGIDO) 204624 7
La tabla 6 muestra el anaacutelisis de varianza del disentildeo factorial en la cual se descompone la
variabilidad de dureza en contribuciones debidas a varios factores Puesto que se ha escogido la
suma de cuadrados Tipo III (por omisioacuten) la contribucioacuten de cada factor se mide eliminando los
efectos de los demaacutes factores Los valores-P prueban la significancia estadiacutestica de cada uno de los
factores Puesto que un valor-P es menor que 005 este factor tiene un efecto estadiacutesticamente
significativo sobre dureza con un 950 de nivel de confianza
24
Figura 14Grafico anova para dureza
En la figura 14 se muestra el grafico anova y se observa la distribucioacuten de la respuesta para los
factores en la cual todas las razones-F se basan en el cuadrado medio del error residual La
mayoriacutea presenta distribucioacuten anova con el valor p mayor a 05 sin embargo para el factor tamantildeo
de partiacutecula el valor es menor a 05 con significancia
Balance de energiacutea
En el balance de materia y energiacutea se obtuvo que la humedad en la salida aglomerado es del 73
cuando hay una entrada de aire de 1550 m3 s con 50 de humedad relativa a una temperatura
de 230degc necesita 1730 KJ kg de calor con una cantidad de aire seco de 2600 kg h para sistema
adiabaacutetico sim embargo el aglomerador no es de este tipo de sistema por lo que se evaluoacute en un
graacutefico psicomeacutetrico (anexo1) encontraacutendose
El aire se calienta a humedad constante (To -T1) Si la caacutemara estuviera aislada y toda la energiacutea
posible se utilizara el aire se enfriariacutea adiabaacuteticamente y la temperatura miacutenima a alcanzar seriacutea la
de bulbo seco de saturacioacuten (Tsat) En realidad la caacutemara no estaacute aislada y no se sigue un
enfriamiento adiabaacutetico El aire sale a una temperatura T2 (ni estaacute saturado ni el proceso es
adiabaacutetico) debido a la baja relacioacuten aire-producto Si el proceso fuera adiabaacutetico saldriacutea a T2
(proceso adiabaacutetico y masas iguales de aire y producto)
ANOVA Graacutefico para DUREZA
-25 -15 -05 05 15 25
Residuos
PRESION DE VAPOR P = 0816415 2
TAMANtildeO DE PARTICULA P = 0020833 54
TEMPERATURA DE PARTICULA P = 0082330 35
25
Optimizacioacuten
De acuerdo a los caacutelculos de balance de materia los flujos de aire de 900 pm a 1100 rpm con una
salida de 1765 rpm mantienen el calor necesario para eliminar la humedad por lo que estas
variables son las que se implementaron y controlaron para la aglomeracioacuten de los diversos
productos
Figura 15 Grafica de rendimientos con flujo de aire de 900 rpm a 1100 rpm
En la figura 15 se observa el comportamiento del rendimiento con las condiciones aire manejadas
que mantuvieron un vaciacuteo de 04 y 05 inicialmente el rendimiento no fue favorable debido a la
humedad relativa sin embargo en los siguientes lotes el rendimiento se mantuvo del 94
mejorando en los siguientes diacuteas al 97 siendo favorable con ello el porcentaje de adhesioacuten
disminuyo al 3 con estas condiciones la caracteriacutestica de porcentaje de aglomerado incremento
al rango oacuteptimo
La optimizacioacuten de las variables de temperatura de salida y tamantildeo de criba consistioacute en la
reduccioacuten de sus rangos de operacioacuten para la cual la dureza mejoroacute apegaacutendose al rango oacuteptimo
925
93
935
94
945
95
955
96
965
0 2 4 6 8 10 12 14
Ren
dim
ien
to
lote
26
42 Conclusiones
Mediante el disentildeo experimentos se encontroacute que el aumento de dos factores temperatura de
salida y el tamantildeo de partiacutecula influyen en el bajo porcentaje de aglomerado y el incremento en la
dureza por que el granulo aglomerado presenta fragilidad y una cantidad de polvos finos Asiacute
mismo con el disentildeo por bloques se determinoacute que la concentracioacuten de azuacutecares de los cafeacutes no
tiene efecto significativo tomando como muestra patroacuten un producto sin concentracioacuten que
tambieacuten presento adhesioacuten en las tres repeticiones Durante el monitoreo se observoacute que los
soacutelidos aglomerados a condiciones de bajo vaciacuteo con humedad relativa del aire baja no
presentaban ninguacuten problema de adhesioacuten mientras que los producto a condiciones de vaciacuteo alto
con humedades por encima de 60 presentaban mayor adhesioacuten en balance de materia se
observoacute que una humedad relativa alta en la salida del equipo necesita mayor calor y cantidad de
aire de entrada para ser eliminado asiacute mismo mediante las eficiencias teacutermicas se evaluoacute el
sistema en una carta psicomeacutetrica y se determinoacute que hay perdida calor en la caacutemara de secado
al no ser adiabaacutetico por lo que la optimizacioacuten del proceso solo fue parcial enfocaacutendose solo a
condiciones del aire de entrada y salida en la que el rendimiento mejoro en un promedio del 96
43 Trabajos Futuros
Derivado al balance y los caacutelculos la humedad relativa es un factor importante en la adhesioacuten del
producto es por ello que el proyecto tiene continuidad en la implementacioacuten de un desumificador
de aire para que el sistema tenga una inyeccioacuten de aire seco el aislamiento (encamisado) de la
caacutemara de secado para evitar pedidas del calor tambieacuten y la determinacioacuten de nuevas condiciones
de operacioacuten debido a los cambios en los flujos aire
44 Recomendaciones
De acuerdo al estudio realizado mediante el disentildeo factorial se determinoacute que la variacioacuten de la
entrada de aire afecta la presioacuten del sistema por lo que se recomienda manejar una sola condicioacuten
de aire para cada producto con respecto a la velocidad de salida ya que el sistema necesita
mantener el equilibrio de las corrientes de aire para que el calor sea necesario y elimine toda la
humedad posible del vapor de agua para evitar que se concentre en la base coacutenica asiacute mismo la
alimentacioacuten de los soacutelidos finos debe tener propiedades caracteriacutesticas oacuteptimas para evitar la
variacioacuten de las condiciones
27
ANEXOS Anexo 1 Equipo aglomerado
Salida de aire
Base coacutenica
Caacutemara de
secado
Lecho
fluidizado
Entrada de
aire caliente
Separador
cicloacutenico
Zona de aspersioacuten de
solidos secos y vapor
de agua
28
Anexo 2 Carta psicomeacutetrica
Fuente Spray Drying Handbook (Masters 1991)
29
Anexo 3 Caacutelculos de velocidad lineal caudales de aire y volumen del equipo
1765 rpm (2πrads)(042)=7763 ms
600 rpm (2πrads)(030) =2638 ms
700 rpm (2πrads)(030)=3078 ms
800 rpm (2πrads)(030) =3518 ms
900 rpm (2πrads)(030) =3965 ms
1000 rpm (2πrads)(030) =4348 ms
1150 rpm (2πrads)(030)=5057ms
Caudal para las diferentes velocidades lineales
1) Q=VS
Q=2638 ms (π 00335m) 2
Q=930 m3s
2) Q=VS
Q=3078ms (π 00335m) 2
Q=1085m3s
3) Q=VS
Q=3518 ms (π 00335m) 2
Q=1240 m3s
4) Q=VS
Q=4348 ms (π 00335m) 2
Q=1550 m3s
5) Q=VS
Q=5057ms (π 00335m) 2
Q=2002 m3s
6) Q=VS
Q=7763 ms (π 0195 m) 2
Q=3708 m3s
30
Velocidad angular de aire (rpm) Caudal (m3s)
600 rpm 93
700 1085
800 1240
1000 1550
1150 2002
1765 3708
Caudales de aire de entrada y salida
Volumen de la caacutemara de secado
V= ℎ1205871199032
v=97 π (21m)
v=140844 m3
V= ℎ1205871199032
v= (09m) (π 21m)
v=2420 m3
Volumen de la base coacutenica
119907 =π r2 h
3
119907 =π (291) lowast 59
3
V=52313 m3
Volumen total del equipo =21734 m3
582 m
59m
582 m
09 m
43m
97 m
31
Anexo 3Caacutelculos de balance de materia y energiacutea
Se determina la velocidad de flujo de aire y la humedad de salida del aglomerador suponiendo
que no hay peacuterdidas de calor en el secador el balance inicia con la alimentacioacuten de 300 kg de
soacutelidos secoh que contienen 0035 kg de humedad totalkg de soacutelido seco hasta un valor de 0002
kg de humedad totalkg de soacutelido seco El polvo fino a granular entra a 35 ordmC y se desea
descargarlo a 32 ordmC El soacutelido seco tiene una capacidad caloriacutefica de 1465 kJkgK que se supone
constante El aire de calentamiento entra a 230 ordmC y con humedad de 0060 kg H2Okg de aire
seco y debe salir a 130
Balance de materia con respecto a la humedad
GH2 LS X1 GH1 LS X2
Reemplazando valores
(060) + 300 (0035)= GH1+ 300 (0002)
El balance de calor para el secador es
GHG2 LS HS1 GHG1 LS HS2 Q
Se calcula la entalpiacutea del aire de entrada HG1
Aglomerador
G1=
TG1=230
H2=
LS=300 KGSh
TS1=35
X1=0035
G2=
TG2=130
H2=060
Ts 2=378
X2=0002
Q
32
HG1=CS 1005188H 1005188(060)
HG1 CS (TG1 T0 ) H
HG1= CS 230 - 0 + 0060(2501) 17306 KJ Kg aire seco
Se calcula la entalpiacutea del aire de salida HG2
C21005188H 1005188 H1
HG1 CS (TG2 T0 ) H
HG1= (1005 + 188 H1 )130 - 0 + H1 (2501)
HG1=130 + 27454 H1
Se calcula las entalpiacuteas de los soacutelidos
HS1 CP S (TS1 T0) X1 CP A ( TS1 T0)
HS1 1465(35 0) 0035 (4187)(35 0) 5713 kJ kg
HS2 CP S (TS2 T0) X2 CP A ( T2 T0)
HS2 1465 (32 ndash 0 ) + 0002(4187)(32 0)=4714 KJ Kg
Reemplazando en el balance de energiacutea
G (17306)+ 300(5713) = G (130 + 27454 H1)+ 300(4714) + 0
G=2600 Kg aire seco por hora
Resolviendo conjuntamente con el balance de materia
G (060) + 300 (0035)= GH1+ 300 (0002)
2600(060) + 105 = 2600 H1 +06
H1=2600(060) +105 + 060 2600
H1=07427 Kg agua kg aire seco
33
Anexo 4Calculo de eficiencias teacutermicas
Datos
T = 230
Ts =147
T0= 30
T sat=45
Eficiencia teacutermica global
Ntermica global= 1198791minus1198792
1198792minus1198790 X 100
Ntermica global = 230minus147
230minus30 100 =415
Eficiencia de evaporacioacuten
Nevaporacion=1198791minus1198792
1198791minus119879119904119886119905
Nevaporacion = 230minus147
230minus45 100 =4486
34
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Wolfgang B P (2008) Agglomeration Processes Weinheim Phenomena Technologies
Equipment
18
CAPIacuteTULO 4 RESULTADOS Y CONCLUSIONES
41 Resultados
Anaacutelisis de efectos disentildeo factorial No1
Figura 2Grafica de efectos normales para el cafeacute soluble ABCD
En la figura 2 se observa la distribucioacuten de los factores A B C para los 4 tipos de cafeacute en la cual la
temperatura de entrada tiene efecto significativo en la dureza con una significancia del 92
mientras que los demaacutes factores no presentaron efectos significativos aunque tambieacuten influyen en
una combinacioacuten para dar la caracteriacutestica fisicoquiacutemica
19
Figura 3Grafica de interaccioacuten para cafeacute
soluble A
Figura 4 Grafica de interaccioacuten para cafeacute
soluble B
Figura 5Grafica de interaccioacuten para cafeacute soluble
C
Figura 6Grafica de interaccioacuten para cafeacute
soluble D
En las figuras 3 4 5 y 6 se muestran el comportamiento de la dureza de acuerdo a los factores
manejados para los cuatro tipos de cafeacute y en cada una de ella se aprecia que los niveles menores
de la temperatura de salida con la temperatura de entrada dieron una dureza igual y por debajo
de 10 asiacute mismo en el factor de velocidad de aire tambieacuten tuvo un comportamiento con niveles
menores Cabe mencionar que ninguna de las combinaciones obtuvo una dureza optima por lo
que se determinoacute que el incremento en la temperatura de salida aumenta la dureza obteniendo
un granulo maacutes fraacutegil
20
Anaacutelisis del disentildeo factorial No2
Figura 7Grafica de efectos normales para
dureza del cafeacute regular
Figura 8Grafica de efectos principales para dureza
del cafeacute regular
En las figuras 7 y 8 se observa que el No de criba tiene efecto significativo sobre la dureza es decir
entre menor abertura tenga la criba la dureza es mucho menor los graacutenulos son maacutes resistentes
mientras que entre mayor sea la abertura los graacutenulos son maacutes fraacutegiles (dureza alta) cabe
mencionar que la mejor dureza obtenida fue con el nuacutemero de malla 33 la presioacuten de vapor de
15 y la temperatura de partiacutecula de 30deg c
Figura 9 Grafica de efectos normales para
porcentaje de aglomerado del cafeacute regular
Figura 10Grafica de interaccioacuten para porcentaje
de aglomerado del cafeacute regular
21
En las figuras 9 y 10 se observa que la temperatura del producto el nuacutemero de criba tiene efecto
significativo sobre el porcentaje de aglomerado entre mayor es el nivel el porcentaje de
aglomerado disminuye determinado que hay maacutes cantidad de polvos finos asiacute mismo si el nivel
de los factores es bajo el porcentaje incremente constantemente Por lo que el comportamiento
del graacutenulo se acopla al incremento o disminucioacuten de estas variables
Monitoreos
Figura 11Grafica de dispersioacuten de la presioacuten del sistema
Figura 12 Grafica del vaciacuteo vs porcentaje de adhesioacuten
En las figuras 11 y 12 se observa el comportamiento del vaciacuteo con las variaciones de aire de
entrada Cabe mencionar que el sistema empleo una sola salida de aire de 1765 rpm Durante los
monitoreos los productos presentaron pegajosidad con entradas de aire menores a 900 rpm
mientras tanto de 1000 a 1150 rpm los productos no presentaron pegajosidad Lo mismo sucedioacute
en el comportamiento del vaciacuteo del sistema para la cual la pegajosidad aumenta y el rendimiento
disminuye con respecto al incremento del vaciacuteo Por lo que esta variable es el factor determinante
y con ello se prueba la hipoacutetesis que la variacioacuten en la presioacuten del sistema genera un arrastre
excesivo de polvos y la humedad no se elimina lo suficiente
120011001000900800700600
08
07
06
05
04
velocidad de entrada( Rpm)
vacio
del
sis
tem
a (
inh
20
)
Graacutefica de dispersioacuten de vacio del sistema vs velocidad de entrada
0
2
4
6
8
10
12
14
0 02 04 06 08 1
D
E A
DH
ESIO
N
VACIO DEL SISTEMA IN H20
22
Figura 13 Graacutefico de humedad relativa del aire
En la figura 13 se aprecia que la humedad relativa del aire inicialmente fue de 66 que
incrementoacute durante los siguientes diacuteas pero fue disminuyendo hasta llegar al 50 Esto debido a
los cambios climaacuteticos cabe mencionar que el equipo no cuenta con un filtrador para retirar el
porcentaje de agua del aire por lo que esta ingresa directamente a la caacutemara de secado siendo
una variable maacutes influyente en la adhesioacuten de los polvos finos
Anaacutelisis de datos
Tabla 5 Anaacutelisis de varianza de dos factores con una sola muestra por grupo
RESUMEN Cuenta Suma Promedio Varianza Fila 1 3 19303 643433333 026902633
Fila 2 3 313 104333333 296443333 Fila 3 3 22318 743933333 275458633 Fila 4 3 2425 808333333 389223333 Fila 5 3 2555 851666667 207763333 Fila 6 3 2888 962666667 216763333
Columna 1 6 51025 850416667 582740417 Columna 2 6 45726 7621 21353864 Columna 3 6 5485 914166667 260997667
Origen de las variaciones
Suma de cuadrados
Grados de libertad
Promedio de los cuadrados F Probabilidad
Valor criacutetico para
F Tratamientos 316103776 5 632207552 297461023 006699316 332583453
Bloques 699763344 2 349881672 164623405 024097493 410282102
Graacutefico de humedad realtva vs lote
0 3 6 9 12 15
lote
50
54
58
62
66
70
74
hu
med
ad
realt
va
23
Error 212534586 10 212534586
Total 598614696 17
En la tabla 5 se muestra el anaacutelisis de varianza de del disentildeo por bloques completamente al azar
de las diferentes concentraciones de azuacutecar por cada tipo de producto Dado que el f de Fisher es
menor que la f tabulada indica que no hay diferencias significativas por lo que se acepta la
hipoacutetesis nula la concentracioacuten de azucares no tiene efecto significativo en la adhesioacuten del cafeacute
ya que la mayoriacutea tuvo un porcentaje de adhesioacuten alta en las tres repeticiones cabe mencionar
que el producto A sin concentracioacuten tambieacuten tuvo adhesioacuten en la suma de cuadrados por bloques
tampoco hubo diferencias significativas
Tabla 6 Anaacutelisis de Varianza para dureza - Suma de Cuadrados Tipo III
Fuente Suma de Cuadrados
Gl Cuadrado Medio
Razoacuten-F Valor-P
EFECTOS PRINCIPALES
APRESION DE VAPOR 005445 1 005445 006 08164
BTAMANtildeO DE PARTICULA 121525 1 121525 1372 00208
CTEMPERATURA DE PARTICULA 471245 1 471245 532 00823
RESIDUOS
354305 4 0885763
TOTAL (CORREGIDO) 204624 7
La tabla 6 muestra el anaacutelisis de varianza del disentildeo factorial en la cual se descompone la
variabilidad de dureza en contribuciones debidas a varios factores Puesto que se ha escogido la
suma de cuadrados Tipo III (por omisioacuten) la contribucioacuten de cada factor se mide eliminando los
efectos de los demaacutes factores Los valores-P prueban la significancia estadiacutestica de cada uno de los
factores Puesto que un valor-P es menor que 005 este factor tiene un efecto estadiacutesticamente
significativo sobre dureza con un 950 de nivel de confianza
24
Figura 14Grafico anova para dureza
En la figura 14 se muestra el grafico anova y se observa la distribucioacuten de la respuesta para los
factores en la cual todas las razones-F se basan en el cuadrado medio del error residual La
mayoriacutea presenta distribucioacuten anova con el valor p mayor a 05 sin embargo para el factor tamantildeo
de partiacutecula el valor es menor a 05 con significancia
Balance de energiacutea
En el balance de materia y energiacutea se obtuvo que la humedad en la salida aglomerado es del 73
cuando hay una entrada de aire de 1550 m3 s con 50 de humedad relativa a una temperatura
de 230degc necesita 1730 KJ kg de calor con una cantidad de aire seco de 2600 kg h para sistema
adiabaacutetico sim embargo el aglomerador no es de este tipo de sistema por lo que se evaluoacute en un
graacutefico psicomeacutetrico (anexo1) encontraacutendose
El aire se calienta a humedad constante (To -T1) Si la caacutemara estuviera aislada y toda la energiacutea
posible se utilizara el aire se enfriariacutea adiabaacuteticamente y la temperatura miacutenima a alcanzar seriacutea la
de bulbo seco de saturacioacuten (Tsat) En realidad la caacutemara no estaacute aislada y no se sigue un
enfriamiento adiabaacutetico El aire sale a una temperatura T2 (ni estaacute saturado ni el proceso es
adiabaacutetico) debido a la baja relacioacuten aire-producto Si el proceso fuera adiabaacutetico saldriacutea a T2
(proceso adiabaacutetico y masas iguales de aire y producto)
ANOVA Graacutefico para DUREZA
-25 -15 -05 05 15 25
Residuos
PRESION DE VAPOR P = 0816415 2
TAMANtildeO DE PARTICULA P = 0020833 54
TEMPERATURA DE PARTICULA P = 0082330 35
25
Optimizacioacuten
De acuerdo a los caacutelculos de balance de materia los flujos de aire de 900 pm a 1100 rpm con una
salida de 1765 rpm mantienen el calor necesario para eliminar la humedad por lo que estas
variables son las que se implementaron y controlaron para la aglomeracioacuten de los diversos
productos
Figura 15 Grafica de rendimientos con flujo de aire de 900 rpm a 1100 rpm
En la figura 15 se observa el comportamiento del rendimiento con las condiciones aire manejadas
que mantuvieron un vaciacuteo de 04 y 05 inicialmente el rendimiento no fue favorable debido a la
humedad relativa sin embargo en los siguientes lotes el rendimiento se mantuvo del 94
mejorando en los siguientes diacuteas al 97 siendo favorable con ello el porcentaje de adhesioacuten
disminuyo al 3 con estas condiciones la caracteriacutestica de porcentaje de aglomerado incremento
al rango oacuteptimo
La optimizacioacuten de las variables de temperatura de salida y tamantildeo de criba consistioacute en la
reduccioacuten de sus rangos de operacioacuten para la cual la dureza mejoroacute apegaacutendose al rango oacuteptimo
925
93
935
94
945
95
955
96
965
0 2 4 6 8 10 12 14
Ren
dim
ien
to
lote
26
42 Conclusiones
Mediante el disentildeo experimentos se encontroacute que el aumento de dos factores temperatura de
salida y el tamantildeo de partiacutecula influyen en el bajo porcentaje de aglomerado y el incremento en la
dureza por que el granulo aglomerado presenta fragilidad y una cantidad de polvos finos Asiacute
mismo con el disentildeo por bloques se determinoacute que la concentracioacuten de azuacutecares de los cafeacutes no
tiene efecto significativo tomando como muestra patroacuten un producto sin concentracioacuten que
tambieacuten presento adhesioacuten en las tres repeticiones Durante el monitoreo se observoacute que los
soacutelidos aglomerados a condiciones de bajo vaciacuteo con humedad relativa del aire baja no
presentaban ninguacuten problema de adhesioacuten mientras que los producto a condiciones de vaciacuteo alto
con humedades por encima de 60 presentaban mayor adhesioacuten en balance de materia se
observoacute que una humedad relativa alta en la salida del equipo necesita mayor calor y cantidad de
aire de entrada para ser eliminado asiacute mismo mediante las eficiencias teacutermicas se evaluoacute el
sistema en una carta psicomeacutetrica y se determinoacute que hay perdida calor en la caacutemara de secado
al no ser adiabaacutetico por lo que la optimizacioacuten del proceso solo fue parcial enfocaacutendose solo a
condiciones del aire de entrada y salida en la que el rendimiento mejoro en un promedio del 96
43 Trabajos Futuros
Derivado al balance y los caacutelculos la humedad relativa es un factor importante en la adhesioacuten del
producto es por ello que el proyecto tiene continuidad en la implementacioacuten de un desumificador
de aire para que el sistema tenga una inyeccioacuten de aire seco el aislamiento (encamisado) de la
caacutemara de secado para evitar pedidas del calor tambieacuten y la determinacioacuten de nuevas condiciones
de operacioacuten debido a los cambios en los flujos aire
44 Recomendaciones
De acuerdo al estudio realizado mediante el disentildeo factorial se determinoacute que la variacioacuten de la
entrada de aire afecta la presioacuten del sistema por lo que se recomienda manejar una sola condicioacuten
de aire para cada producto con respecto a la velocidad de salida ya que el sistema necesita
mantener el equilibrio de las corrientes de aire para que el calor sea necesario y elimine toda la
humedad posible del vapor de agua para evitar que se concentre en la base coacutenica asiacute mismo la
alimentacioacuten de los soacutelidos finos debe tener propiedades caracteriacutesticas oacuteptimas para evitar la
variacioacuten de las condiciones
27
ANEXOS Anexo 1 Equipo aglomerado
Salida de aire
Base coacutenica
Caacutemara de
secado
Lecho
fluidizado
Entrada de
aire caliente
Separador
cicloacutenico
Zona de aspersioacuten de
solidos secos y vapor
de agua
28
Anexo 2 Carta psicomeacutetrica
Fuente Spray Drying Handbook (Masters 1991)
29
Anexo 3 Caacutelculos de velocidad lineal caudales de aire y volumen del equipo
1765 rpm (2πrads)(042)=7763 ms
600 rpm (2πrads)(030) =2638 ms
700 rpm (2πrads)(030)=3078 ms
800 rpm (2πrads)(030) =3518 ms
900 rpm (2πrads)(030) =3965 ms
1000 rpm (2πrads)(030) =4348 ms
1150 rpm (2πrads)(030)=5057ms
Caudal para las diferentes velocidades lineales
1) Q=VS
Q=2638 ms (π 00335m) 2
Q=930 m3s
2) Q=VS
Q=3078ms (π 00335m) 2
Q=1085m3s
3) Q=VS
Q=3518 ms (π 00335m) 2
Q=1240 m3s
4) Q=VS
Q=4348 ms (π 00335m) 2
Q=1550 m3s
5) Q=VS
Q=5057ms (π 00335m) 2
Q=2002 m3s
6) Q=VS
Q=7763 ms (π 0195 m) 2
Q=3708 m3s
30
Velocidad angular de aire (rpm) Caudal (m3s)
600 rpm 93
700 1085
800 1240
1000 1550
1150 2002
1765 3708
Caudales de aire de entrada y salida
Volumen de la caacutemara de secado
V= ℎ1205871199032
v=97 π (21m)
v=140844 m3
V= ℎ1205871199032
v= (09m) (π 21m)
v=2420 m3
Volumen de la base coacutenica
119907 =π r2 h
3
119907 =π (291) lowast 59
3
V=52313 m3
Volumen total del equipo =21734 m3
582 m
59m
582 m
09 m
43m
97 m
31
Anexo 3Caacutelculos de balance de materia y energiacutea
Se determina la velocidad de flujo de aire y la humedad de salida del aglomerador suponiendo
que no hay peacuterdidas de calor en el secador el balance inicia con la alimentacioacuten de 300 kg de
soacutelidos secoh que contienen 0035 kg de humedad totalkg de soacutelido seco hasta un valor de 0002
kg de humedad totalkg de soacutelido seco El polvo fino a granular entra a 35 ordmC y se desea
descargarlo a 32 ordmC El soacutelido seco tiene una capacidad caloriacutefica de 1465 kJkgK que se supone
constante El aire de calentamiento entra a 230 ordmC y con humedad de 0060 kg H2Okg de aire
seco y debe salir a 130
Balance de materia con respecto a la humedad
GH2 LS X1 GH1 LS X2
Reemplazando valores
(060) + 300 (0035)= GH1+ 300 (0002)
El balance de calor para el secador es
GHG2 LS HS1 GHG1 LS HS2 Q
Se calcula la entalpiacutea del aire de entrada HG1
Aglomerador
G1=
TG1=230
H2=
LS=300 KGSh
TS1=35
X1=0035
G2=
TG2=130
H2=060
Ts 2=378
X2=0002
Q
32
HG1=CS 1005188H 1005188(060)
HG1 CS (TG1 T0 ) H
HG1= CS 230 - 0 + 0060(2501) 17306 KJ Kg aire seco
Se calcula la entalpiacutea del aire de salida HG2
C21005188H 1005188 H1
HG1 CS (TG2 T0 ) H
HG1= (1005 + 188 H1 )130 - 0 + H1 (2501)
HG1=130 + 27454 H1
Se calcula las entalpiacuteas de los soacutelidos
HS1 CP S (TS1 T0) X1 CP A ( TS1 T0)
HS1 1465(35 0) 0035 (4187)(35 0) 5713 kJ kg
HS2 CP S (TS2 T0) X2 CP A ( T2 T0)
HS2 1465 (32 ndash 0 ) + 0002(4187)(32 0)=4714 KJ Kg
Reemplazando en el balance de energiacutea
G (17306)+ 300(5713) = G (130 + 27454 H1)+ 300(4714) + 0
G=2600 Kg aire seco por hora
Resolviendo conjuntamente con el balance de materia
G (060) + 300 (0035)= GH1+ 300 (0002)
2600(060) + 105 = 2600 H1 +06
H1=2600(060) +105 + 060 2600
H1=07427 Kg agua kg aire seco
33
Anexo 4Calculo de eficiencias teacutermicas
Datos
T = 230
Ts =147
T0= 30
T sat=45
Eficiencia teacutermica global
Ntermica global= 1198791minus1198792
1198792minus1198790 X 100
Ntermica global = 230minus147
230minus30 100 =415
Eficiencia de evaporacioacuten
Nevaporacion=1198791minus1198792
1198791minus119879119904119886119905
Nevaporacion = 230minus147
230minus45 100 =4486
34
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Equipment
19
Figura 3Grafica de interaccioacuten para cafeacute
soluble A
Figura 4 Grafica de interaccioacuten para cafeacute
soluble B
Figura 5Grafica de interaccioacuten para cafeacute soluble
C
Figura 6Grafica de interaccioacuten para cafeacute
soluble D
En las figuras 3 4 5 y 6 se muestran el comportamiento de la dureza de acuerdo a los factores
manejados para los cuatro tipos de cafeacute y en cada una de ella se aprecia que los niveles menores
de la temperatura de salida con la temperatura de entrada dieron una dureza igual y por debajo
de 10 asiacute mismo en el factor de velocidad de aire tambieacuten tuvo un comportamiento con niveles
menores Cabe mencionar que ninguna de las combinaciones obtuvo una dureza optima por lo
que se determinoacute que el incremento en la temperatura de salida aumenta la dureza obteniendo
un granulo maacutes fraacutegil
20
Anaacutelisis del disentildeo factorial No2
Figura 7Grafica de efectos normales para
dureza del cafeacute regular
Figura 8Grafica de efectos principales para dureza
del cafeacute regular
En las figuras 7 y 8 se observa que el No de criba tiene efecto significativo sobre la dureza es decir
entre menor abertura tenga la criba la dureza es mucho menor los graacutenulos son maacutes resistentes
mientras que entre mayor sea la abertura los graacutenulos son maacutes fraacutegiles (dureza alta) cabe
mencionar que la mejor dureza obtenida fue con el nuacutemero de malla 33 la presioacuten de vapor de
15 y la temperatura de partiacutecula de 30deg c
Figura 9 Grafica de efectos normales para
porcentaje de aglomerado del cafeacute regular
Figura 10Grafica de interaccioacuten para porcentaje
de aglomerado del cafeacute regular
21
En las figuras 9 y 10 se observa que la temperatura del producto el nuacutemero de criba tiene efecto
significativo sobre el porcentaje de aglomerado entre mayor es el nivel el porcentaje de
aglomerado disminuye determinado que hay maacutes cantidad de polvos finos asiacute mismo si el nivel
de los factores es bajo el porcentaje incremente constantemente Por lo que el comportamiento
del graacutenulo se acopla al incremento o disminucioacuten de estas variables
Monitoreos
Figura 11Grafica de dispersioacuten de la presioacuten del sistema
Figura 12 Grafica del vaciacuteo vs porcentaje de adhesioacuten
En las figuras 11 y 12 se observa el comportamiento del vaciacuteo con las variaciones de aire de
entrada Cabe mencionar que el sistema empleo una sola salida de aire de 1765 rpm Durante los
monitoreos los productos presentaron pegajosidad con entradas de aire menores a 900 rpm
mientras tanto de 1000 a 1150 rpm los productos no presentaron pegajosidad Lo mismo sucedioacute
en el comportamiento del vaciacuteo del sistema para la cual la pegajosidad aumenta y el rendimiento
disminuye con respecto al incremento del vaciacuteo Por lo que esta variable es el factor determinante
y con ello se prueba la hipoacutetesis que la variacioacuten en la presioacuten del sistema genera un arrastre
excesivo de polvos y la humedad no se elimina lo suficiente
120011001000900800700600
08
07
06
05
04
velocidad de entrada( Rpm)
vacio
del
sis
tem
a (
inh
20
)
Graacutefica de dispersioacuten de vacio del sistema vs velocidad de entrada
0
2
4
6
8
10
12
14
0 02 04 06 08 1
D
E A
DH
ESIO
N
VACIO DEL SISTEMA IN H20
22
Figura 13 Graacutefico de humedad relativa del aire
En la figura 13 se aprecia que la humedad relativa del aire inicialmente fue de 66 que
incrementoacute durante los siguientes diacuteas pero fue disminuyendo hasta llegar al 50 Esto debido a
los cambios climaacuteticos cabe mencionar que el equipo no cuenta con un filtrador para retirar el
porcentaje de agua del aire por lo que esta ingresa directamente a la caacutemara de secado siendo
una variable maacutes influyente en la adhesioacuten de los polvos finos
Anaacutelisis de datos
Tabla 5 Anaacutelisis de varianza de dos factores con una sola muestra por grupo
RESUMEN Cuenta Suma Promedio Varianza Fila 1 3 19303 643433333 026902633
Fila 2 3 313 104333333 296443333 Fila 3 3 22318 743933333 275458633 Fila 4 3 2425 808333333 389223333 Fila 5 3 2555 851666667 207763333 Fila 6 3 2888 962666667 216763333
Columna 1 6 51025 850416667 582740417 Columna 2 6 45726 7621 21353864 Columna 3 6 5485 914166667 260997667
Origen de las variaciones
Suma de cuadrados
Grados de libertad
Promedio de los cuadrados F Probabilidad
Valor criacutetico para
F Tratamientos 316103776 5 632207552 297461023 006699316 332583453
Bloques 699763344 2 349881672 164623405 024097493 410282102
Graacutefico de humedad realtva vs lote
0 3 6 9 12 15
lote
50
54
58
62
66
70
74
hu
med
ad
realt
va
23
Error 212534586 10 212534586
Total 598614696 17
En la tabla 5 se muestra el anaacutelisis de varianza de del disentildeo por bloques completamente al azar
de las diferentes concentraciones de azuacutecar por cada tipo de producto Dado que el f de Fisher es
menor que la f tabulada indica que no hay diferencias significativas por lo que se acepta la
hipoacutetesis nula la concentracioacuten de azucares no tiene efecto significativo en la adhesioacuten del cafeacute
ya que la mayoriacutea tuvo un porcentaje de adhesioacuten alta en las tres repeticiones cabe mencionar
que el producto A sin concentracioacuten tambieacuten tuvo adhesioacuten en la suma de cuadrados por bloques
tampoco hubo diferencias significativas
Tabla 6 Anaacutelisis de Varianza para dureza - Suma de Cuadrados Tipo III
Fuente Suma de Cuadrados
Gl Cuadrado Medio
Razoacuten-F Valor-P
EFECTOS PRINCIPALES
APRESION DE VAPOR 005445 1 005445 006 08164
BTAMANtildeO DE PARTICULA 121525 1 121525 1372 00208
CTEMPERATURA DE PARTICULA 471245 1 471245 532 00823
RESIDUOS
354305 4 0885763
TOTAL (CORREGIDO) 204624 7
La tabla 6 muestra el anaacutelisis de varianza del disentildeo factorial en la cual se descompone la
variabilidad de dureza en contribuciones debidas a varios factores Puesto que se ha escogido la
suma de cuadrados Tipo III (por omisioacuten) la contribucioacuten de cada factor se mide eliminando los
efectos de los demaacutes factores Los valores-P prueban la significancia estadiacutestica de cada uno de los
factores Puesto que un valor-P es menor que 005 este factor tiene un efecto estadiacutesticamente
significativo sobre dureza con un 950 de nivel de confianza
24
Figura 14Grafico anova para dureza
En la figura 14 se muestra el grafico anova y se observa la distribucioacuten de la respuesta para los
factores en la cual todas las razones-F se basan en el cuadrado medio del error residual La
mayoriacutea presenta distribucioacuten anova con el valor p mayor a 05 sin embargo para el factor tamantildeo
de partiacutecula el valor es menor a 05 con significancia
Balance de energiacutea
En el balance de materia y energiacutea se obtuvo que la humedad en la salida aglomerado es del 73
cuando hay una entrada de aire de 1550 m3 s con 50 de humedad relativa a una temperatura
de 230degc necesita 1730 KJ kg de calor con una cantidad de aire seco de 2600 kg h para sistema
adiabaacutetico sim embargo el aglomerador no es de este tipo de sistema por lo que se evaluoacute en un
graacutefico psicomeacutetrico (anexo1) encontraacutendose
El aire se calienta a humedad constante (To -T1) Si la caacutemara estuviera aislada y toda la energiacutea
posible se utilizara el aire se enfriariacutea adiabaacuteticamente y la temperatura miacutenima a alcanzar seriacutea la
de bulbo seco de saturacioacuten (Tsat) En realidad la caacutemara no estaacute aislada y no se sigue un
enfriamiento adiabaacutetico El aire sale a una temperatura T2 (ni estaacute saturado ni el proceso es
adiabaacutetico) debido a la baja relacioacuten aire-producto Si el proceso fuera adiabaacutetico saldriacutea a T2
(proceso adiabaacutetico y masas iguales de aire y producto)
ANOVA Graacutefico para DUREZA
-25 -15 -05 05 15 25
Residuos
PRESION DE VAPOR P = 0816415 2
TAMANtildeO DE PARTICULA P = 0020833 54
TEMPERATURA DE PARTICULA P = 0082330 35
25
Optimizacioacuten
De acuerdo a los caacutelculos de balance de materia los flujos de aire de 900 pm a 1100 rpm con una
salida de 1765 rpm mantienen el calor necesario para eliminar la humedad por lo que estas
variables son las que se implementaron y controlaron para la aglomeracioacuten de los diversos
productos
Figura 15 Grafica de rendimientos con flujo de aire de 900 rpm a 1100 rpm
En la figura 15 se observa el comportamiento del rendimiento con las condiciones aire manejadas
que mantuvieron un vaciacuteo de 04 y 05 inicialmente el rendimiento no fue favorable debido a la
humedad relativa sin embargo en los siguientes lotes el rendimiento se mantuvo del 94
mejorando en los siguientes diacuteas al 97 siendo favorable con ello el porcentaje de adhesioacuten
disminuyo al 3 con estas condiciones la caracteriacutestica de porcentaje de aglomerado incremento
al rango oacuteptimo
La optimizacioacuten de las variables de temperatura de salida y tamantildeo de criba consistioacute en la
reduccioacuten de sus rangos de operacioacuten para la cual la dureza mejoroacute apegaacutendose al rango oacuteptimo
925
93
935
94
945
95
955
96
965
0 2 4 6 8 10 12 14
Ren
dim
ien
to
lote
26
42 Conclusiones
Mediante el disentildeo experimentos se encontroacute que el aumento de dos factores temperatura de
salida y el tamantildeo de partiacutecula influyen en el bajo porcentaje de aglomerado y el incremento en la
dureza por que el granulo aglomerado presenta fragilidad y una cantidad de polvos finos Asiacute
mismo con el disentildeo por bloques se determinoacute que la concentracioacuten de azuacutecares de los cafeacutes no
tiene efecto significativo tomando como muestra patroacuten un producto sin concentracioacuten que
tambieacuten presento adhesioacuten en las tres repeticiones Durante el monitoreo se observoacute que los
soacutelidos aglomerados a condiciones de bajo vaciacuteo con humedad relativa del aire baja no
presentaban ninguacuten problema de adhesioacuten mientras que los producto a condiciones de vaciacuteo alto
con humedades por encima de 60 presentaban mayor adhesioacuten en balance de materia se
observoacute que una humedad relativa alta en la salida del equipo necesita mayor calor y cantidad de
aire de entrada para ser eliminado asiacute mismo mediante las eficiencias teacutermicas se evaluoacute el
sistema en una carta psicomeacutetrica y se determinoacute que hay perdida calor en la caacutemara de secado
al no ser adiabaacutetico por lo que la optimizacioacuten del proceso solo fue parcial enfocaacutendose solo a
condiciones del aire de entrada y salida en la que el rendimiento mejoro en un promedio del 96
43 Trabajos Futuros
Derivado al balance y los caacutelculos la humedad relativa es un factor importante en la adhesioacuten del
producto es por ello que el proyecto tiene continuidad en la implementacioacuten de un desumificador
de aire para que el sistema tenga una inyeccioacuten de aire seco el aislamiento (encamisado) de la
caacutemara de secado para evitar pedidas del calor tambieacuten y la determinacioacuten de nuevas condiciones
de operacioacuten debido a los cambios en los flujos aire
44 Recomendaciones
De acuerdo al estudio realizado mediante el disentildeo factorial se determinoacute que la variacioacuten de la
entrada de aire afecta la presioacuten del sistema por lo que se recomienda manejar una sola condicioacuten
de aire para cada producto con respecto a la velocidad de salida ya que el sistema necesita
mantener el equilibrio de las corrientes de aire para que el calor sea necesario y elimine toda la
humedad posible del vapor de agua para evitar que se concentre en la base coacutenica asiacute mismo la
alimentacioacuten de los soacutelidos finos debe tener propiedades caracteriacutesticas oacuteptimas para evitar la
variacioacuten de las condiciones
27
ANEXOS Anexo 1 Equipo aglomerado
Salida de aire
Base coacutenica
Caacutemara de
secado
Lecho
fluidizado
Entrada de
aire caliente
Separador
cicloacutenico
Zona de aspersioacuten de
solidos secos y vapor
de agua
28
Anexo 2 Carta psicomeacutetrica
Fuente Spray Drying Handbook (Masters 1991)
29
Anexo 3 Caacutelculos de velocidad lineal caudales de aire y volumen del equipo
1765 rpm (2πrads)(042)=7763 ms
600 rpm (2πrads)(030) =2638 ms
700 rpm (2πrads)(030)=3078 ms
800 rpm (2πrads)(030) =3518 ms
900 rpm (2πrads)(030) =3965 ms
1000 rpm (2πrads)(030) =4348 ms
1150 rpm (2πrads)(030)=5057ms
Caudal para las diferentes velocidades lineales
1) Q=VS
Q=2638 ms (π 00335m) 2
Q=930 m3s
2) Q=VS
Q=3078ms (π 00335m) 2
Q=1085m3s
3) Q=VS
Q=3518 ms (π 00335m) 2
Q=1240 m3s
4) Q=VS
Q=4348 ms (π 00335m) 2
Q=1550 m3s
5) Q=VS
Q=5057ms (π 00335m) 2
Q=2002 m3s
6) Q=VS
Q=7763 ms (π 0195 m) 2
Q=3708 m3s
30
Velocidad angular de aire (rpm) Caudal (m3s)
600 rpm 93
700 1085
800 1240
1000 1550
1150 2002
1765 3708
Caudales de aire de entrada y salida
Volumen de la caacutemara de secado
V= ℎ1205871199032
v=97 π (21m)
v=140844 m3
V= ℎ1205871199032
v= (09m) (π 21m)
v=2420 m3
Volumen de la base coacutenica
119907 =π r2 h
3
119907 =π (291) lowast 59
3
V=52313 m3
Volumen total del equipo =21734 m3
582 m
59m
582 m
09 m
43m
97 m
31
Anexo 3Caacutelculos de balance de materia y energiacutea
Se determina la velocidad de flujo de aire y la humedad de salida del aglomerador suponiendo
que no hay peacuterdidas de calor en el secador el balance inicia con la alimentacioacuten de 300 kg de
soacutelidos secoh que contienen 0035 kg de humedad totalkg de soacutelido seco hasta un valor de 0002
kg de humedad totalkg de soacutelido seco El polvo fino a granular entra a 35 ordmC y se desea
descargarlo a 32 ordmC El soacutelido seco tiene una capacidad caloriacutefica de 1465 kJkgK que se supone
constante El aire de calentamiento entra a 230 ordmC y con humedad de 0060 kg H2Okg de aire
seco y debe salir a 130
Balance de materia con respecto a la humedad
GH2 LS X1 GH1 LS X2
Reemplazando valores
(060) + 300 (0035)= GH1+ 300 (0002)
El balance de calor para el secador es
GHG2 LS HS1 GHG1 LS HS2 Q
Se calcula la entalpiacutea del aire de entrada HG1
Aglomerador
G1=
TG1=230
H2=
LS=300 KGSh
TS1=35
X1=0035
G2=
TG2=130
H2=060
Ts 2=378
X2=0002
Q
32
HG1=CS 1005188H 1005188(060)
HG1 CS (TG1 T0 ) H
HG1= CS 230 - 0 + 0060(2501) 17306 KJ Kg aire seco
Se calcula la entalpiacutea del aire de salida HG2
C21005188H 1005188 H1
HG1 CS (TG2 T0 ) H
HG1= (1005 + 188 H1 )130 - 0 + H1 (2501)
HG1=130 + 27454 H1
Se calcula las entalpiacuteas de los soacutelidos
HS1 CP S (TS1 T0) X1 CP A ( TS1 T0)
HS1 1465(35 0) 0035 (4187)(35 0) 5713 kJ kg
HS2 CP S (TS2 T0) X2 CP A ( T2 T0)
HS2 1465 (32 ndash 0 ) + 0002(4187)(32 0)=4714 KJ Kg
Reemplazando en el balance de energiacutea
G (17306)+ 300(5713) = G (130 + 27454 H1)+ 300(4714) + 0
G=2600 Kg aire seco por hora
Resolviendo conjuntamente con el balance de materia
G (060) + 300 (0035)= GH1+ 300 (0002)
2600(060) + 105 = 2600 H1 +06
H1=2600(060) +105 + 060 2600
H1=07427 Kg agua kg aire seco
33
Anexo 4Calculo de eficiencias teacutermicas
Datos
T = 230
Ts =147
T0= 30
T sat=45
Eficiencia teacutermica global
Ntermica global= 1198791minus1198792
1198792minus1198790 X 100
Ntermica global = 230minus147
230minus30 100 =415
Eficiencia de evaporacioacuten
Nevaporacion=1198791minus1198792
1198791minus119879119904119886119905
Nevaporacion = 230minus147
230minus45 100 =4486
34
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20
Anaacutelisis del disentildeo factorial No2
Figura 7Grafica de efectos normales para
dureza del cafeacute regular
Figura 8Grafica de efectos principales para dureza
del cafeacute regular
En las figuras 7 y 8 se observa que el No de criba tiene efecto significativo sobre la dureza es decir
entre menor abertura tenga la criba la dureza es mucho menor los graacutenulos son maacutes resistentes
mientras que entre mayor sea la abertura los graacutenulos son maacutes fraacutegiles (dureza alta) cabe
mencionar que la mejor dureza obtenida fue con el nuacutemero de malla 33 la presioacuten de vapor de
15 y la temperatura de partiacutecula de 30deg c
Figura 9 Grafica de efectos normales para
porcentaje de aglomerado del cafeacute regular
Figura 10Grafica de interaccioacuten para porcentaje
de aglomerado del cafeacute regular
21
En las figuras 9 y 10 se observa que la temperatura del producto el nuacutemero de criba tiene efecto
significativo sobre el porcentaje de aglomerado entre mayor es el nivel el porcentaje de
aglomerado disminuye determinado que hay maacutes cantidad de polvos finos asiacute mismo si el nivel
de los factores es bajo el porcentaje incremente constantemente Por lo que el comportamiento
del graacutenulo se acopla al incremento o disminucioacuten de estas variables
Monitoreos
Figura 11Grafica de dispersioacuten de la presioacuten del sistema
Figura 12 Grafica del vaciacuteo vs porcentaje de adhesioacuten
En las figuras 11 y 12 se observa el comportamiento del vaciacuteo con las variaciones de aire de
entrada Cabe mencionar que el sistema empleo una sola salida de aire de 1765 rpm Durante los
monitoreos los productos presentaron pegajosidad con entradas de aire menores a 900 rpm
mientras tanto de 1000 a 1150 rpm los productos no presentaron pegajosidad Lo mismo sucedioacute
en el comportamiento del vaciacuteo del sistema para la cual la pegajosidad aumenta y el rendimiento
disminuye con respecto al incremento del vaciacuteo Por lo que esta variable es el factor determinante
y con ello se prueba la hipoacutetesis que la variacioacuten en la presioacuten del sistema genera un arrastre
excesivo de polvos y la humedad no se elimina lo suficiente
120011001000900800700600
08
07
06
05
04
velocidad de entrada( Rpm)
vacio
del
sis
tem
a (
inh
20
)
Graacutefica de dispersioacuten de vacio del sistema vs velocidad de entrada
0
2
4
6
8
10
12
14
0 02 04 06 08 1
D
E A
DH
ESIO
N
VACIO DEL SISTEMA IN H20
22
Figura 13 Graacutefico de humedad relativa del aire
En la figura 13 se aprecia que la humedad relativa del aire inicialmente fue de 66 que
incrementoacute durante los siguientes diacuteas pero fue disminuyendo hasta llegar al 50 Esto debido a
los cambios climaacuteticos cabe mencionar que el equipo no cuenta con un filtrador para retirar el
porcentaje de agua del aire por lo que esta ingresa directamente a la caacutemara de secado siendo
una variable maacutes influyente en la adhesioacuten de los polvos finos
Anaacutelisis de datos
Tabla 5 Anaacutelisis de varianza de dos factores con una sola muestra por grupo
RESUMEN Cuenta Suma Promedio Varianza Fila 1 3 19303 643433333 026902633
Fila 2 3 313 104333333 296443333 Fila 3 3 22318 743933333 275458633 Fila 4 3 2425 808333333 389223333 Fila 5 3 2555 851666667 207763333 Fila 6 3 2888 962666667 216763333
Columna 1 6 51025 850416667 582740417 Columna 2 6 45726 7621 21353864 Columna 3 6 5485 914166667 260997667
Origen de las variaciones
Suma de cuadrados
Grados de libertad
Promedio de los cuadrados F Probabilidad
Valor criacutetico para
F Tratamientos 316103776 5 632207552 297461023 006699316 332583453
Bloques 699763344 2 349881672 164623405 024097493 410282102
Graacutefico de humedad realtva vs lote
0 3 6 9 12 15
lote
50
54
58
62
66
70
74
hu
med
ad
realt
va
23
Error 212534586 10 212534586
Total 598614696 17
En la tabla 5 se muestra el anaacutelisis de varianza de del disentildeo por bloques completamente al azar
de las diferentes concentraciones de azuacutecar por cada tipo de producto Dado que el f de Fisher es
menor que la f tabulada indica que no hay diferencias significativas por lo que se acepta la
hipoacutetesis nula la concentracioacuten de azucares no tiene efecto significativo en la adhesioacuten del cafeacute
ya que la mayoriacutea tuvo un porcentaje de adhesioacuten alta en las tres repeticiones cabe mencionar
que el producto A sin concentracioacuten tambieacuten tuvo adhesioacuten en la suma de cuadrados por bloques
tampoco hubo diferencias significativas
Tabla 6 Anaacutelisis de Varianza para dureza - Suma de Cuadrados Tipo III
Fuente Suma de Cuadrados
Gl Cuadrado Medio
Razoacuten-F Valor-P
EFECTOS PRINCIPALES
APRESION DE VAPOR 005445 1 005445 006 08164
BTAMANtildeO DE PARTICULA 121525 1 121525 1372 00208
CTEMPERATURA DE PARTICULA 471245 1 471245 532 00823
RESIDUOS
354305 4 0885763
TOTAL (CORREGIDO) 204624 7
La tabla 6 muestra el anaacutelisis de varianza del disentildeo factorial en la cual se descompone la
variabilidad de dureza en contribuciones debidas a varios factores Puesto que se ha escogido la
suma de cuadrados Tipo III (por omisioacuten) la contribucioacuten de cada factor se mide eliminando los
efectos de los demaacutes factores Los valores-P prueban la significancia estadiacutestica de cada uno de los
factores Puesto que un valor-P es menor que 005 este factor tiene un efecto estadiacutesticamente
significativo sobre dureza con un 950 de nivel de confianza
24
Figura 14Grafico anova para dureza
En la figura 14 se muestra el grafico anova y se observa la distribucioacuten de la respuesta para los
factores en la cual todas las razones-F se basan en el cuadrado medio del error residual La
mayoriacutea presenta distribucioacuten anova con el valor p mayor a 05 sin embargo para el factor tamantildeo
de partiacutecula el valor es menor a 05 con significancia
Balance de energiacutea
En el balance de materia y energiacutea se obtuvo que la humedad en la salida aglomerado es del 73
cuando hay una entrada de aire de 1550 m3 s con 50 de humedad relativa a una temperatura
de 230degc necesita 1730 KJ kg de calor con una cantidad de aire seco de 2600 kg h para sistema
adiabaacutetico sim embargo el aglomerador no es de este tipo de sistema por lo que se evaluoacute en un
graacutefico psicomeacutetrico (anexo1) encontraacutendose
El aire se calienta a humedad constante (To -T1) Si la caacutemara estuviera aislada y toda la energiacutea
posible se utilizara el aire se enfriariacutea adiabaacuteticamente y la temperatura miacutenima a alcanzar seriacutea la
de bulbo seco de saturacioacuten (Tsat) En realidad la caacutemara no estaacute aislada y no se sigue un
enfriamiento adiabaacutetico El aire sale a una temperatura T2 (ni estaacute saturado ni el proceso es
adiabaacutetico) debido a la baja relacioacuten aire-producto Si el proceso fuera adiabaacutetico saldriacutea a T2
(proceso adiabaacutetico y masas iguales de aire y producto)
ANOVA Graacutefico para DUREZA
-25 -15 -05 05 15 25
Residuos
PRESION DE VAPOR P = 0816415 2
TAMANtildeO DE PARTICULA P = 0020833 54
TEMPERATURA DE PARTICULA P = 0082330 35
25
Optimizacioacuten
De acuerdo a los caacutelculos de balance de materia los flujos de aire de 900 pm a 1100 rpm con una
salida de 1765 rpm mantienen el calor necesario para eliminar la humedad por lo que estas
variables son las que se implementaron y controlaron para la aglomeracioacuten de los diversos
productos
Figura 15 Grafica de rendimientos con flujo de aire de 900 rpm a 1100 rpm
En la figura 15 se observa el comportamiento del rendimiento con las condiciones aire manejadas
que mantuvieron un vaciacuteo de 04 y 05 inicialmente el rendimiento no fue favorable debido a la
humedad relativa sin embargo en los siguientes lotes el rendimiento se mantuvo del 94
mejorando en los siguientes diacuteas al 97 siendo favorable con ello el porcentaje de adhesioacuten
disminuyo al 3 con estas condiciones la caracteriacutestica de porcentaje de aglomerado incremento
al rango oacuteptimo
La optimizacioacuten de las variables de temperatura de salida y tamantildeo de criba consistioacute en la
reduccioacuten de sus rangos de operacioacuten para la cual la dureza mejoroacute apegaacutendose al rango oacuteptimo
925
93
935
94
945
95
955
96
965
0 2 4 6 8 10 12 14
Ren
dim
ien
to
lote
26
42 Conclusiones
Mediante el disentildeo experimentos se encontroacute que el aumento de dos factores temperatura de
salida y el tamantildeo de partiacutecula influyen en el bajo porcentaje de aglomerado y el incremento en la
dureza por que el granulo aglomerado presenta fragilidad y una cantidad de polvos finos Asiacute
mismo con el disentildeo por bloques se determinoacute que la concentracioacuten de azuacutecares de los cafeacutes no
tiene efecto significativo tomando como muestra patroacuten un producto sin concentracioacuten que
tambieacuten presento adhesioacuten en las tres repeticiones Durante el monitoreo se observoacute que los
soacutelidos aglomerados a condiciones de bajo vaciacuteo con humedad relativa del aire baja no
presentaban ninguacuten problema de adhesioacuten mientras que los producto a condiciones de vaciacuteo alto
con humedades por encima de 60 presentaban mayor adhesioacuten en balance de materia se
observoacute que una humedad relativa alta en la salida del equipo necesita mayor calor y cantidad de
aire de entrada para ser eliminado asiacute mismo mediante las eficiencias teacutermicas se evaluoacute el
sistema en una carta psicomeacutetrica y se determinoacute que hay perdida calor en la caacutemara de secado
al no ser adiabaacutetico por lo que la optimizacioacuten del proceso solo fue parcial enfocaacutendose solo a
condiciones del aire de entrada y salida en la que el rendimiento mejoro en un promedio del 96
43 Trabajos Futuros
Derivado al balance y los caacutelculos la humedad relativa es un factor importante en la adhesioacuten del
producto es por ello que el proyecto tiene continuidad en la implementacioacuten de un desumificador
de aire para que el sistema tenga una inyeccioacuten de aire seco el aislamiento (encamisado) de la
caacutemara de secado para evitar pedidas del calor tambieacuten y la determinacioacuten de nuevas condiciones
de operacioacuten debido a los cambios en los flujos aire
44 Recomendaciones
De acuerdo al estudio realizado mediante el disentildeo factorial se determinoacute que la variacioacuten de la
entrada de aire afecta la presioacuten del sistema por lo que se recomienda manejar una sola condicioacuten
de aire para cada producto con respecto a la velocidad de salida ya que el sistema necesita
mantener el equilibrio de las corrientes de aire para que el calor sea necesario y elimine toda la
humedad posible del vapor de agua para evitar que se concentre en la base coacutenica asiacute mismo la
alimentacioacuten de los soacutelidos finos debe tener propiedades caracteriacutesticas oacuteptimas para evitar la
variacioacuten de las condiciones
27
ANEXOS Anexo 1 Equipo aglomerado
Salida de aire
Base coacutenica
Caacutemara de
secado
Lecho
fluidizado
Entrada de
aire caliente
Separador
cicloacutenico
Zona de aspersioacuten de
solidos secos y vapor
de agua
28
Anexo 2 Carta psicomeacutetrica
Fuente Spray Drying Handbook (Masters 1991)
29
Anexo 3 Caacutelculos de velocidad lineal caudales de aire y volumen del equipo
1765 rpm (2πrads)(042)=7763 ms
600 rpm (2πrads)(030) =2638 ms
700 rpm (2πrads)(030)=3078 ms
800 rpm (2πrads)(030) =3518 ms
900 rpm (2πrads)(030) =3965 ms
1000 rpm (2πrads)(030) =4348 ms
1150 rpm (2πrads)(030)=5057ms
Caudal para las diferentes velocidades lineales
1) Q=VS
Q=2638 ms (π 00335m) 2
Q=930 m3s
2) Q=VS
Q=3078ms (π 00335m) 2
Q=1085m3s
3) Q=VS
Q=3518 ms (π 00335m) 2
Q=1240 m3s
4) Q=VS
Q=4348 ms (π 00335m) 2
Q=1550 m3s
5) Q=VS
Q=5057ms (π 00335m) 2
Q=2002 m3s
6) Q=VS
Q=7763 ms (π 0195 m) 2
Q=3708 m3s
30
Velocidad angular de aire (rpm) Caudal (m3s)
600 rpm 93
700 1085
800 1240
1000 1550
1150 2002
1765 3708
Caudales de aire de entrada y salida
Volumen de la caacutemara de secado
V= ℎ1205871199032
v=97 π (21m)
v=140844 m3
V= ℎ1205871199032
v= (09m) (π 21m)
v=2420 m3
Volumen de la base coacutenica
119907 =π r2 h
3
119907 =π (291) lowast 59
3
V=52313 m3
Volumen total del equipo =21734 m3
582 m
59m
582 m
09 m
43m
97 m
31
Anexo 3Caacutelculos de balance de materia y energiacutea
Se determina la velocidad de flujo de aire y la humedad de salida del aglomerador suponiendo
que no hay peacuterdidas de calor en el secador el balance inicia con la alimentacioacuten de 300 kg de
soacutelidos secoh que contienen 0035 kg de humedad totalkg de soacutelido seco hasta un valor de 0002
kg de humedad totalkg de soacutelido seco El polvo fino a granular entra a 35 ordmC y se desea
descargarlo a 32 ordmC El soacutelido seco tiene una capacidad caloriacutefica de 1465 kJkgK que se supone
constante El aire de calentamiento entra a 230 ordmC y con humedad de 0060 kg H2Okg de aire
seco y debe salir a 130
Balance de materia con respecto a la humedad
GH2 LS X1 GH1 LS X2
Reemplazando valores
(060) + 300 (0035)= GH1+ 300 (0002)
El balance de calor para el secador es
GHG2 LS HS1 GHG1 LS HS2 Q
Se calcula la entalpiacutea del aire de entrada HG1
Aglomerador
G1=
TG1=230
H2=
LS=300 KGSh
TS1=35
X1=0035
G2=
TG2=130
H2=060
Ts 2=378
X2=0002
Q
32
HG1=CS 1005188H 1005188(060)
HG1 CS (TG1 T0 ) H
HG1= CS 230 - 0 + 0060(2501) 17306 KJ Kg aire seco
Se calcula la entalpiacutea del aire de salida HG2
C21005188H 1005188 H1
HG1 CS (TG2 T0 ) H
HG1= (1005 + 188 H1 )130 - 0 + H1 (2501)
HG1=130 + 27454 H1
Se calcula las entalpiacuteas de los soacutelidos
HS1 CP S (TS1 T0) X1 CP A ( TS1 T0)
HS1 1465(35 0) 0035 (4187)(35 0) 5713 kJ kg
HS2 CP S (TS2 T0) X2 CP A ( T2 T0)
HS2 1465 (32 ndash 0 ) + 0002(4187)(32 0)=4714 KJ Kg
Reemplazando en el balance de energiacutea
G (17306)+ 300(5713) = G (130 + 27454 H1)+ 300(4714) + 0
G=2600 Kg aire seco por hora
Resolviendo conjuntamente con el balance de materia
G (060) + 300 (0035)= GH1+ 300 (0002)
2600(060) + 105 = 2600 H1 +06
H1=2600(060) +105 + 060 2600
H1=07427 Kg agua kg aire seco
33
Anexo 4Calculo de eficiencias teacutermicas
Datos
T = 230
Ts =147
T0= 30
T sat=45
Eficiencia teacutermica global
Ntermica global= 1198791minus1198792
1198792minus1198790 X 100
Ntermica global = 230minus147
230minus30 100 =415
Eficiencia de evaporacioacuten
Nevaporacion=1198791minus1198792
1198791minus119879119904119886119905
Nevaporacion = 230minus147
230minus45 100 =4486
34
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Schaafsma SH (1998) Description of agglomerate growth Powder Technology 97 183-190
Tan H (2006) Kinetics of fluidized bed melt granulation I The effect of process variables
Chemical Engineering Science 61 (5) 1585ndash1601
Tan H amp Salman A (2005) Kinetics of fluidized bed melt granulation V Simultaneous modelling
of aggregation and breakage Chemical Engineering Science 3847ndash3866
Waldie B (1991) Growth mechanism and the dependence of granule size on drop size in
fluidizedndashbed granulation Chemical Engineering Science 46 (11) 2781ndash2785
Wolfgang B P (2008) Agglomeration Processes Weinheim Phenomena Technologies
Equipment
21
En las figuras 9 y 10 se observa que la temperatura del producto el nuacutemero de criba tiene efecto
significativo sobre el porcentaje de aglomerado entre mayor es el nivel el porcentaje de
aglomerado disminuye determinado que hay maacutes cantidad de polvos finos asiacute mismo si el nivel
de los factores es bajo el porcentaje incremente constantemente Por lo que el comportamiento
del graacutenulo se acopla al incremento o disminucioacuten de estas variables
Monitoreos
Figura 11Grafica de dispersioacuten de la presioacuten del sistema
Figura 12 Grafica del vaciacuteo vs porcentaje de adhesioacuten
En las figuras 11 y 12 se observa el comportamiento del vaciacuteo con las variaciones de aire de
entrada Cabe mencionar que el sistema empleo una sola salida de aire de 1765 rpm Durante los
monitoreos los productos presentaron pegajosidad con entradas de aire menores a 900 rpm
mientras tanto de 1000 a 1150 rpm los productos no presentaron pegajosidad Lo mismo sucedioacute
en el comportamiento del vaciacuteo del sistema para la cual la pegajosidad aumenta y el rendimiento
disminuye con respecto al incremento del vaciacuteo Por lo que esta variable es el factor determinante
y con ello se prueba la hipoacutetesis que la variacioacuten en la presioacuten del sistema genera un arrastre
excesivo de polvos y la humedad no se elimina lo suficiente
120011001000900800700600
08
07
06
05
04
velocidad de entrada( Rpm)
vacio
del
sis
tem
a (
inh
20
)
Graacutefica de dispersioacuten de vacio del sistema vs velocidad de entrada
0
2
4
6
8
10
12
14
0 02 04 06 08 1
D
E A
DH
ESIO
N
VACIO DEL SISTEMA IN H20
22
Figura 13 Graacutefico de humedad relativa del aire
En la figura 13 se aprecia que la humedad relativa del aire inicialmente fue de 66 que
incrementoacute durante los siguientes diacuteas pero fue disminuyendo hasta llegar al 50 Esto debido a
los cambios climaacuteticos cabe mencionar que el equipo no cuenta con un filtrador para retirar el
porcentaje de agua del aire por lo que esta ingresa directamente a la caacutemara de secado siendo
una variable maacutes influyente en la adhesioacuten de los polvos finos
Anaacutelisis de datos
Tabla 5 Anaacutelisis de varianza de dos factores con una sola muestra por grupo
RESUMEN Cuenta Suma Promedio Varianza Fila 1 3 19303 643433333 026902633
Fila 2 3 313 104333333 296443333 Fila 3 3 22318 743933333 275458633 Fila 4 3 2425 808333333 389223333 Fila 5 3 2555 851666667 207763333 Fila 6 3 2888 962666667 216763333
Columna 1 6 51025 850416667 582740417 Columna 2 6 45726 7621 21353864 Columna 3 6 5485 914166667 260997667
Origen de las variaciones
Suma de cuadrados
Grados de libertad
Promedio de los cuadrados F Probabilidad
Valor criacutetico para
F Tratamientos 316103776 5 632207552 297461023 006699316 332583453
Bloques 699763344 2 349881672 164623405 024097493 410282102
Graacutefico de humedad realtva vs lote
0 3 6 9 12 15
lote
50
54
58
62
66
70
74
hu
med
ad
realt
va
23
Error 212534586 10 212534586
Total 598614696 17
En la tabla 5 se muestra el anaacutelisis de varianza de del disentildeo por bloques completamente al azar
de las diferentes concentraciones de azuacutecar por cada tipo de producto Dado que el f de Fisher es
menor que la f tabulada indica que no hay diferencias significativas por lo que se acepta la
hipoacutetesis nula la concentracioacuten de azucares no tiene efecto significativo en la adhesioacuten del cafeacute
ya que la mayoriacutea tuvo un porcentaje de adhesioacuten alta en las tres repeticiones cabe mencionar
que el producto A sin concentracioacuten tambieacuten tuvo adhesioacuten en la suma de cuadrados por bloques
tampoco hubo diferencias significativas
Tabla 6 Anaacutelisis de Varianza para dureza - Suma de Cuadrados Tipo III
Fuente Suma de Cuadrados
Gl Cuadrado Medio
Razoacuten-F Valor-P
EFECTOS PRINCIPALES
APRESION DE VAPOR 005445 1 005445 006 08164
BTAMANtildeO DE PARTICULA 121525 1 121525 1372 00208
CTEMPERATURA DE PARTICULA 471245 1 471245 532 00823
RESIDUOS
354305 4 0885763
TOTAL (CORREGIDO) 204624 7
La tabla 6 muestra el anaacutelisis de varianza del disentildeo factorial en la cual se descompone la
variabilidad de dureza en contribuciones debidas a varios factores Puesto que se ha escogido la
suma de cuadrados Tipo III (por omisioacuten) la contribucioacuten de cada factor se mide eliminando los
efectos de los demaacutes factores Los valores-P prueban la significancia estadiacutestica de cada uno de los
factores Puesto que un valor-P es menor que 005 este factor tiene un efecto estadiacutesticamente
significativo sobre dureza con un 950 de nivel de confianza
24
Figura 14Grafico anova para dureza
En la figura 14 se muestra el grafico anova y se observa la distribucioacuten de la respuesta para los
factores en la cual todas las razones-F se basan en el cuadrado medio del error residual La
mayoriacutea presenta distribucioacuten anova con el valor p mayor a 05 sin embargo para el factor tamantildeo
de partiacutecula el valor es menor a 05 con significancia
Balance de energiacutea
En el balance de materia y energiacutea se obtuvo que la humedad en la salida aglomerado es del 73
cuando hay una entrada de aire de 1550 m3 s con 50 de humedad relativa a una temperatura
de 230degc necesita 1730 KJ kg de calor con una cantidad de aire seco de 2600 kg h para sistema
adiabaacutetico sim embargo el aglomerador no es de este tipo de sistema por lo que se evaluoacute en un
graacutefico psicomeacutetrico (anexo1) encontraacutendose
El aire se calienta a humedad constante (To -T1) Si la caacutemara estuviera aislada y toda la energiacutea
posible se utilizara el aire se enfriariacutea adiabaacuteticamente y la temperatura miacutenima a alcanzar seriacutea la
de bulbo seco de saturacioacuten (Tsat) En realidad la caacutemara no estaacute aislada y no se sigue un
enfriamiento adiabaacutetico El aire sale a una temperatura T2 (ni estaacute saturado ni el proceso es
adiabaacutetico) debido a la baja relacioacuten aire-producto Si el proceso fuera adiabaacutetico saldriacutea a T2
(proceso adiabaacutetico y masas iguales de aire y producto)
ANOVA Graacutefico para DUREZA
-25 -15 -05 05 15 25
Residuos
PRESION DE VAPOR P = 0816415 2
TAMANtildeO DE PARTICULA P = 0020833 54
TEMPERATURA DE PARTICULA P = 0082330 35
25
Optimizacioacuten
De acuerdo a los caacutelculos de balance de materia los flujos de aire de 900 pm a 1100 rpm con una
salida de 1765 rpm mantienen el calor necesario para eliminar la humedad por lo que estas
variables son las que se implementaron y controlaron para la aglomeracioacuten de los diversos
productos
Figura 15 Grafica de rendimientos con flujo de aire de 900 rpm a 1100 rpm
En la figura 15 se observa el comportamiento del rendimiento con las condiciones aire manejadas
que mantuvieron un vaciacuteo de 04 y 05 inicialmente el rendimiento no fue favorable debido a la
humedad relativa sin embargo en los siguientes lotes el rendimiento se mantuvo del 94
mejorando en los siguientes diacuteas al 97 siendo favorable con ello el porcentaje de adhesioacuten
disminuyo al 3 con estas condiciones la caracteriacutestica de porcentaje de aglomerado incremento
al rango oacuteptimo
La optimizacioacuten de las variables de temperatura de salida y tamantildeo de criba consistioacute en la
reduccioacuten de sus rangos de operacioacuten para la cual la dureza mejoroacute apegaacutendose al rango oacuteptimo
925
93
935
94
945
95
955
96
965
0 2 4 6 8 10 12 14
Ren
dim
ien
to
lote
26
42 Conclusiones
Mediante el disentildeo experimentos se encontroacute que el aumento de dos factores temperatura de
salida y el tamantildeo de partiacutecula influyen en el bajo porcentaje de aglomerado y el incremento en la
dureza por que el granulo aglomerado presenta fragilidad y una cantidad de polvos finos Asiacute
mismo con el disentildeo por bloques se determinoacute que la concentracioacuten de azuacutecares de los cafeacutes no
tiene efecto significativo tomando como muestra patroacuten un producto sin concentracioacuten que
tambieacuten presento adhesioacuten en las tres repeticiones Durante el monitoreo se observoacute que los
soacutelidos aglomerados a condiciones de bajo vaciacuteo con humedad relativa del aire baja no
presentaban ninguacuten problema de adhesioacuten mientras que los producto a condiciones de vaciacuteo alto
con humedades por encima de 60 presentaban mayor adhesioacuten en balance de materia se
observoacute que una humedad relativa alta en la salida del equipo necesita mayor calor y cantidad de
aire de entrada para ser eliminado asiacute mismo mediante las eficiencias teacutermicas se evaluoacute el
sistema en una carta psicomeacutetrica y se determinoacute que hay perdida calor en la caacutemara de secado
al no ser adiabaacutetico por lo que la optimizacioacuten del proceso solo fue parcial enfocaacutendose solo a
condiciones del aire de entrada y salida en la que el rendimiento mejoro en un promedio del 96
43 Trabajos Futuros
Derivado al balance y los caacutelculos la humedad relativa es un factor importante en la adhesioacuten del
producto es por ello que el proyecto tiene continuidad en la implementacioacuten de un desumificador
de aire para que el sistema tenga una inyeccioacuten de aire seco el aislamiento (encamisado) de la
caacutemara de secado para evitar pedidas del calor tambieacuten y la determinacioacuten de nuevas condiciones
de operacioacuten debido a los cambios en los flujos aire
44 Recomendaciones
De acuerdo al estudio realizado mediante el disentildeo factorial se determinoacute que la variacioacuten de la
entrada de aire afecta la presioacuten del sistema por lo que se recomienda manejar una sola condicioacuten
de aire para cada producto con respecto a la velocidad de salida ya que el sistema necesita
mantener el equilibrio de las corrientes de aire para que el calor sea necesario y elimine toda la
humedad posible del vapor de agua para evitar que se concentre en la base coacutenica asiacute mismo la
alimentacioacuten de los soacutelidos finos debe tener propiedades caracteriacutesticas oacuteptimas para evitar la
variacioacuten de las condiciones
27
ANEXOS Anexo 1 Equipo aglomerado
Salida de aire
Base coacutenica
Caacutemara de
secado
Lecho
fluidizado
Entrada de
aire caliente
Separador
cicloacutenico
Zona de aspersioacuten de
solidos secos y vapor
de agua
28
Anexo 2 Carta psicomeacutetrica
Fuente Spray Drying Handbook (Masters 1991)
29
Anexo 3 Caacutelculos de velocidad lineal caudales de aire y volumen del equipo
1765 rpm (2πrads)(042)=7763 ms
600 rpm (2πrads)(030) =2638 ms
700 rpm (2πrads)(030)=3078 ms
800 rpm (2πrads)(030) =3518 ms
900 rpm (2πrads)(030) =3965 ms
1000 rpm (2πrads)(030) =4348 ms
1150 rpm (2πrads)(030)=5057ms
Caudal para las diferentes velocidades lineales
1) Q=VS
Q=2638 ms (π 00335m) 2
Q=930 m3s
2) Q=VS
Q=3078ms (π 00335m) 2
Q=1085m3s
3) Q=VS
Q=3518 ms (π 00335m) 2
Q=1240 m3s
4) Q=VS
Q=4348 ms (π 00335m) 2
Q=1550 m3s
5) Q=VS
Q=5057ms (π 00335m) 2
Q=2002 m3s
6) Q=VS
Q=7763 ms (π 0195 m) 2
Q=3708 m3s
30
Velocidad angular de aire (rpm) Caudal (m3s)
600 rpm 93
700 1085
800 1240
1000 1550
1150 2002
1765 3708
Caudales de aire de entrada y salida
Volumen de la caacutemara de secado
V= ℎ1205871199032
v=97 π (21m)
v=140844 m3
V= ℎ1205871199032
v= (09m) (π 21m)
v=2420 m3
Volumen de la base coacutenica
119907 =π r2 h
3
119907 =π (291) lowast 59
3
V=52313 m3
Volumen total del equipo =21734 m3
582 m
59m
582 m
09 m
43m
97 m
31
Anexo 3Caacutelculos de balance de materia y energiacutea
Se determina la velocidad de flujo de aire y la humedad de salida del aglomerador suponiendo
que no hay peacuterdidas de calor en el secador el balance inicia con la alimentacioacuten de 300 kg de
soacutelidos secoh que contienen 0035 kg de humedad totalkg de soacutelido seco hasta un valor de 0002
kg de humedad totalkg de soacutelido seco El polvo fino a granular entra a 35 ordmC y se desea
descargarlo a 32 ordmC El soacutelido seco tiene una capacidad caloriacutefica de 1465 kJkgK que se supone
constante El aire de calentamiento entra a 230 ordmC y con humedad de 0060 kg H2Okg de aire
seco y debe salir a 130
Balance de materia con respecto a la humedad
GH2 LS X1 GH1 LS X2
Reemplazando valores
(060) + 300 (0035)= GH1+ 300 (0002)
El balance de calor para el secador es
GHG2 LS HS1 GHG1 LS HS2 Q
Se calcula la entalpiacutea del aire de entrada HG1
Aglomerador
G1=
TG1=230
H2=
LS=300 KGSh
TS1=35
X1=0035
G2=
TG2=130
H2=060
Ts 2=378
X2=0002
Q
32
HG1=CS 1005188H 1005188(060)
HG1 CS (TG1 T0 ) H
HG1= CS 230 - 0 + 0060(2501) 17306 KJ Kg aire seco
Se calcula la entalpiacutea del aire de salida HG2
C21005188H 1005188 H1
HG1 CS (TG2 T0 ) H
HG1= (1005 + 188 H1 )130 - 0 + H1 (2501)
HG1=130 + 27454 H1
Se calcula las entalpiacuteas de los soacutelidos
HS1 CP S (TS1 T0) X1 CP A ( TS1 T0)
HS1 1465(35 0) 0035 (4187)(35 0) 5713 kJ kg
HS2 CP S (TS2 T0) X2 CP A ( T2 T0)
HS2 1465 (32 ndash 0 ) + 0002(4187)(32 0)=4714 KJ Kg
Reemplazando en el balance de energiacutea
G (17306)+ 300(5713) = G (130 + 27454 H1)+ 300(4714) + 0
G=2600 Kg aire seco por hora
Resolviendo conjuntamente con el balance de materia
G (060) + 300 (0035)= GH1+ 300 (0002)
2600(060) + 105 = 2600 H1 +06
H1=2600(060) +105 + 060 2600
H1=07427 Kg agua kg aire seco
33
Anexo 4Calculo de eficiencias teacutermicas
Datos
T = 230
Ts =147
T0= 30
T sat=45
Eficiencia teacutermica global
Ntermica global= 1198791minus1198792
1198792minus1198790 X 100
Ntermica global = 230minus147
230minus30 100 =415
Eficiencia de evaporacioacuten
Nevaporacion=1198791minus1198792
1198791minus119879119904119886119905
Nevaporacion = 230minus147
230minus45 100 =4486
34
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fluidizedndashbed granulation Chemical Engineering Science 46 (11) 2781ndash2785
Wolfgang B P (2008) Agglomeration Processes Weinheim Phenomena Technologies
Equipment
22
Figura 13 Graacutefico de humedad relativa del aire
En la figura 13 se aprecia que la humedad relativa del aire inicialmente fue de 66 que
incrementoacute durante los siguientes diacuteas pero fue disminuyendo hasta llegar al 50 Esto debido a
los cambios climaacuteticos cabe mencionar que el equipo no cuenta con un filtrador para retirar el
porcentaje de agua del aire por lo que esta ingresa directamente a la caacutemara de secado siendo
una variable maacutes influyente en la adhesioacuten de los polvos finos
Anaacutelisis de datos
Tabla 5 Anaacutelisis de varianza de dos factores con una sola muestra por grupo
RESUMEN Cuenta Suma Promedio Varianza Fila 1 3 19303 643433333 026902633
Fila 2 3 313 104333333 296443333 Fila 3 3 22318 743933333 275458633 Fila 4 3 2425 808333333 389223333 Fila 5 3 2555 851666667 207763333 Fila 6 3 2888 962666667 216763333
Columna 1 6 51025 850416667 582740417 Columna 2 6 45726 7621 21353864 Columna 3 6 5485 914166667 260997667
Origen de las variaciones
Suma de cuadrados
Grados de libertad
Promedio de los cuadrados F Probabilidad
Valor criacutetico para
F Tratamientos 316103776 5 632207552 297461023 006699316 332583453
Bloques 699763344 2 349881672 164623405 024097493 410282102
Graacutefico de humedad realtva vs lote
0 3 6 9 12 15
lote
50
54
58
62
66
70
74
hu
med
ad
realt
va
23
Error 212534586 10 212534586
Total 598614696 17
En la tabla 5 se muestra el anaacutelisis de varianza de del disentildeo por bloques completamente al azar
de las diferentes concentraciones de azuacutecar por cada tipo de producto Dado que el f de Fisher es
menor que la f tabulada indica que no hay diferencias significativas por lo que se acepta la
hipoacutetesis nula la concentracioacuten de azucares no tiene efecto significativo en la adhesioacuten del cafeacute
ya que la mayoriacutea tuvo un porcentaje de adhesioacuten alta en las tres repeticiones cabe mencionar
que el producto A sin concentracioacuten tambieacuten tuvo adhesioacuten en la suma de cuadrados por bloques
tampoco hubo diferencias significativas
Tabla 6 Anaacutelisis de Varianza para dureza - Suma de Cuadrados Tipo III
Fuente Suma de Cuadrados
Gl Cuadrado Medio
Razoacuten-F Valor-P
EFECTOS PRINCIPALES
APRESION DE VAPOR 005445 1 005445 006 08164
BTAMANtildeO DE PARTICULA 121525 1 121525 1372 00208
CTEMPERATURA DE PARTICULA 471245 1 471245 532 00823
RESIDUOS
354305 4 0885763
TOTAL (CORREGIDO) 204624 7
La tabla 6 muestra el anaacutelisis de varianza del disentildeo factorial en la cual se descompone la
variabilidad de dureza en contribuciones debidas a varios factores Puesto que se ha escogido la
suma de cuadrados Tipo III (por omisioacuten) la contribucioacuten de cada factor se mide eliminando los
efectos de los demaacutes factores Los valores-P prueban la significancia estadiacutestica de cada uno de los
factores Puesto que un valor-P es menor que 005 este factor tiene un efecto estadiacutesticamente
significativo sobre dureza con un 950 de nivel de confianza
24
Figura 14Grafico anova para dureza
En la figura 14 se muestra el grafico anova y se observa la distribucioacuten de la respuesta para los
factores en la cual todas las razones-F se basan en el cuadrado medio del error residual La
mayoriacutea presenta distribucioacuten anova con el valor p mayor a 05 sin embargo para el factor tamantildeo
de partiacutecula el valor es menor a 05 con significancia
Balance de energiacutea
En el balance de materia y energiacutea se obtuvo que la humedad en la salida aglomerado es del 73
cuando hay una entrada de aire de 1550 m3 s con 50 de humedad relativa a una temperatura
de 230degc necesita 1730 KJ kg de calor con una cantidad de aire seco de 2600 kg h para sistema
adiabaacutetico sim embargo el aglomerador no es de este tipo de sistema por lo que se evaluoacute en un
graacutefico psicomeacutetrico (anexo1) encontraacutendose
El aire se calienta a humedad constante (To -T1) Si la caacutemara estuviera aislada y toda la energiacutea
posible se utilizara el aire se enfriariacutea adiabaacuteticamente y la temperatura miacutenima a alcanzar seriacutea la
de bulbo seco de saturacioacuten (Tsat) En realidad la caacutemara no estaacute aislada y no se sigue un
enfriamiento adiabaacutetico El aire sale a una temperatura T2 (ni estaacute saturado ni el proceso es
adiabaacutetico) debido a la baja relacioacuten aire-producto Si el proceso fuera adiabaacutetico saldriacutea a T2
(proceso adiabaacutetico y masas iguales de aire y producto)
ANOVA Graacutefico para DUREZA
-25 -15 -05 05 15 25
Residuos
PRESION DE VAPOR P = 0816415 2
TAMANtildeO DE PARTICULA P = 0020833 54
TEMPERATURA DE PARTICULA P = 0082330 35
25
Optimizacioacuten
De acuerdo a los caacutelculos de balance de materia los flujos de aire de 900 pm a 1100 rpm con una
salida de 1765 rpm mantienen el calor necesario para eliminar la humedad por lo que estas
variables son las que se implementaron y controlaron para la aglomeracioacuten de los diversos
productos
Figura 15 Grafica de rendimientos con flujo de aire de 900 rpm a 1100 rpm
En la figura 15 se observa el comportamiento del rendimiento con las condiciones aire manejadas
que mantuvieron un vaciacuteo de 04 y 05 inicialmente el rendimiento no fue favorable debido a la
humedad relativa sin embargo en los siguientes lotes el rendimiento se mantuvo del 94
mejorando en los siguientes diacuteas al 97 siendo favorable con ello el porcentaje de adhesioacuten
disminuyo al 3 con estas condiciones la caracteriacutestica de porcentaje de aglomerado incremento
al rango oacuteptimo
La optimizacioacuten de las variables de temperatura de salida y tamantildeo de criba consistioacute en la
reduccioacuten de sus rangos de operacioacuten para la cual la dureza mejoroacute apegaacutendose al rango oacuteptimo
925
93
935
94
945
95
955
96
965
0 2 4 6 8 10 12 14
Ren
dim
ien
to
lote
26
42 Conclusiones
Mediante el disentildeo experimentos se encontroacute que el aumento de dos factores temperatura de
salida y el tamantildeo de partiacutecula influyen en el bajo porcentaje de aglomerado y el incremento en la
dureza por que el granulo aglomerado presenta fragilidad y una cantidad de polvos finos Asiacute
mismo con el disentildeo por bloques se determinoacute que la concentracioacuten de azuacutecares de los cafeacutes no
tiene efecto significativo tomando como muestra patroacuten un producto sin concentracioacuten que
tambieacuten presento adhesioacuten en las tres repeticiones Durante el monitoreo se observoacute que los
soacutelidos aglomerados a condiciones de bajo vaciacuteo con humedad relativa del aire baja no
presentaban ninguacuten problema de adhesioacuten mientras que los producto a condiciones de vaciacuteo alto
con humedades por encima de 60 presentaban mayor adhesioacuten en balance de materia se
observoacute que una humedad relativa alta en la salida del equipo necesita mayor calor y cantidad de
aire de entrada para ser eliminado asiacute mismo mediante las eficiencias teacutermicas se evaluoacute el
sistema en una carta psicomeacutetrica y se determinoacute que hay perdida calor en la caacutemara de secado
al no ser adiabaacutetico por lo que la optimizacioacuten del proceso solo fue parcial enfocaacutendose solo a
condiciones del aire de entrada y salida en la que el rendimiento mejoro en un promedio del 96
43 Trabajos Futuros
Derivado al balance y los caacutelculos la humedad relativa es un factor importante en la adhesioacuten del
producto es por ello que el proyecto tiene continuidad en la implementacioacuten de un desumificador
de aire para que el sistema tenga una inyeccioacuten de aire seco el aislamiento (encamisado) de la
caacutemara de secado para evitar pedidas del calor tambieacuten y la determinacioacuten de nuevas condiciones
de operacioacuten debido a los cambios en los flujos aire
44 Recomendaciones
De acuerdo al estudio realizado mediante el disentildeo factorial se determinoacute que la variacioacuten de la
entrada de aire afecta la presioacuten del sistema por lo que se recomienda manejar una sola condicioacuten
de aire para cada producto con respecto a la velocidad de salida ya que el sistema necesita
mantener el equilibrio de las corrientes de aire para que el calor sea necesario y elimine toda la
humedad posible del vapor de agua para evitar que se concentre en la base coacutenica asiacute mismo la
alimentacioacuten de los soacutelidos finos debe tener propiedades caracteriacutesticas oacuteptimas para evitar la
variacioacuten de las condiciones
27
ANEXOS Anexo 1 Equipo aglomerado
Salida de aire
Base coacutenica
Caacutemara de
secado
Lecho
fluidizado
Entrada de
aire caliente
Separador
cicloacutenico
Zona de aspersioacuten de
solidos secos y vapor
de agua
28
Anexo 2 Carta psicomeacutetrica
Fuente Spray Drying Handbook (Masters 1991)
29
Anexo 3 Caacutelculos de velocidad lineal caudales de aire y volumen del equipo
1765 rpm (2πrads)(042)=7763 ms
600 rpm (2πrads)(030) =2638 ms
700 rpm (2πrads)(030)=3078 ms
800 rpm (2πrads)(030) =3518 ms
900 rpm (2πrads)(030) =3965 ms
1000 rpm (2πrads)(030) =4348 ms
1150 rpm (2πrads)(030)=5057ms
Caudal para las diferentes velocidades lineales
1) Q=VS
Q=2638 ms (π 00335m) 2
Q=930 m3s
2) Q=VS
Q=3078ms (π 00335m) 2
Q=1085m3s
3) Q=VS
Q=3518 ms (π 00335m) 2
Q=1240 m3s
4) Q=VS
Q=4348 ms (π 00335m) 2
Q=1550 m3s
5) Q=VS
Q=5057ms (π 00335m) 2
Q=2002 m3s
6) Q=VS
Q=7763 ms (π 0195 m) 2
Q=3708 m3s
30
Velocidad angular de aire (rpm) Caudal (m3s)
600 rpm 93
700 1085
800 1240
1000 1550
1150 2002
1765 3708
Caudales de aire de entrada y salida
Volumen de la caacutemara de secado
V= ℎ1205871199032
v=97 π (21m)
v=140844 m3
V= ℎ1205871199032
v= (09m) (π 21m)
v=2420 m3
Volumen de la base coacutenica
119907 =π r2 h
3
119907 =π (291) lowast 59
3
V=52313 m3
Volumen total del equipo =21734 m3
582 m
59m
582 m
09 m
43m
97 m
31
Anexo 3Caacutelculos de balance de materia y energiacutea
Se determina la velocidad de flujo de aire y la humedad de salida del aglomerador suponiendo
que no hay peacuterdidas de calor en el secador el balance inicia con la alimentacioacuten de 300 kg de
soacutelidos secoh que contienen 0035 kg de humedad totalkg de soacutelido seco hasta un valor de 0002
kg de humedad totalkg de soacutelido seco El polvo fino a granular entra a 35 ordmC y se desea
descargarlo a 32 ordmC El soacutelido seco tiene una capacidad caloriacutefica de 1465 kJkgK que se supone
constante El aire de calentamiento entra a 230 ordmC y con humedad de 0060 kg H2Okg de aire
seco y debe salir a 130
Balance de materia con respecto a la humedad
GH2 LS X1 GH1 LS X2
Reemplazando valores
(060) + 300 (0035)= GH1+ 300 (0002)
El balance de calor para el secador es
GHG2 LS HS1 GHG1 LS HS2 Q
Se calcula la entalpiacutea del aire de entrada HG1
Aglomerador
G1=
TG1=230
H2=
LS=300 KGSh
TS1=35
X1=0035
G2=
TG2=130
H2=060
Ts 2=378
X2=0002
Q
32
HG1=CS 1005188H 1005188(060)
HG1 CS (TG1 T0 ) H
HG1= CS 230 - 0 + 0060(2501) 17306 KJ Kg aire seco
Se calcula la entalpiacutea del aire de salida HG2
C21005188H 1005188 H1
HG1 CS (TG2 T0 ) H
HG1= (1005 + 188 H1 )130 - 0 + H1 (2501)
HG1=130 + 27454 H1
Se calcula las entalpiacuteas de los soacutelidos
HS1 CP S (TS1 T0) X1 CP A ( TS1 T0)
HS1 1465(35 0) 0035 (4187)(35 0) 5713 kJ kg
HS2 CP S (TS2 T0) X2 CP A ( T2 T0)
HS2 1465 (32 ndash 0 ) + 0002(4187)(32 0)=4714 KJ Kg
Reemplazando en el balance de energiacutea
G (17306)+ 300(5713) = G (130 + 27454 H1)+ 300(4714) + 0
G=2600 Kg aire seco por hora
Resolviendo conjuntamente con el balance de materia
G (060) + 300 (0035)= GH1+ 300 (0002)
2600(060) + 105 = 2600 H1 +06
H1=2600(060) +105 + 060 2600
H1=07427 Kg agua kg aire seco
33
Anexo 4Calculo de eficiencias teacutermicas
Datos
T = 230
Ts =147
T0= 30
T sat=45
Eficiencia teacutermica global
Ntermica global= 1198791minus1198792
1198792minus1198790 X 100
Ntermica global = 230minus147
230minus30 100 =415
Eficiencia de evaporacioacuten
Nevaporacion=1198791minus1198792
1198791minus119879119904119886119905
Nevaporacion = 230minus147
230minus45 100 =4486
34
BIBLIOGRAFIacuteA Litster J (2003) Scaleup of wet granulation processes Powder and Tecnology 130 35-40
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Wolfgang B P (2008) Agglomeration Processes Weinheim Phenomena Technologies
Equipment
23
Error 212534586 10 212534586
Total 598614696 17
En la tabla 5 se muestra el anaacutelisis de varianza de del disentildeo por bloques completamente al azar
de las diferentes concentraciones de azuacutecar por cada tipo de producto Dado que el f de Fisher es
menor que la f tabulada indica que no hay diferencias significativas por lo que se acepta la
hipoacutetesis nula la concentracioacuten de azucares no tiene efecto significativo en la adhesioacuten del cafeacute
ya que la mayoriacutea tuvo un porcentaje de adhesioacuten alta en las tres repeticiones cabe mencionar
que el producto A sin concentracioacuten tambieacuten tuvo adhesioacuten en la suma de cuadrados por bloques
tampoco hubo diferencias significativas
Tabla 6 Anaacutelisis de Varianza para dureza - Suma de Cuadrados Tipo III
Fuente Suma de Cuadrados
Gl Cuadrado Medio
Razoacuten-F Valor-P
EFECTOS PRINCIPALES
APRESION DE VAPOR 005445 1 005445 006 08164
BTAMANtildeO DE PARTICULA 121525 1 121525 1372 00208
CTEMPERATURA DE PARTICULA 471245 1 471245 532 00823
RESIDUOS
354305 4 0885763
TOTAL (CORREGIDO) 204624 7
La tabla 6 muestra el anaacutelisis de varianza del disentildeo factorial en la cual se descompone la
variabilidad de dureza en contribuciones debidas a varios factores Puesto que se ha escogido la
suma de cuadrados Tipo III (por omisioacuten) la contribucioacuten de cada factor se mide eliminando los
efectos de los demaacutes factores Los valores-P prueban la significancia estadiacutestica de cada uno de los
factores Puesto que un valor-P es menor que 005 este factor tiene un efecto estadiacutesticamente
significativo sobre dureza con un 950 de nivel de confianza
24
Figura 14Grafico anova para dureza
En la figura 14 se muestra el grafico anova y se observa la distribucioacuten de la respuesta para los
factores en la cual todas las razones-F se basan en el cuadrado medio del error residual La
mayoriacutea presenta distribucioacuten anova con el valor p mayor a 05 sin embargo para el factor tamantildeo
de partiacutecula el valor es menor a 05 con significancia
Balance de energiacutea
En el balance de materia y energiacutea se obtuvo que la humedad en la salida aglomerado es del 73
cuando hay una entrada de aire de 1550 m3 s con 50 de humedad relativa a una temperatura
de 230degc necesita 1730 KJ kg de calor con una cantidad de aire seco de 2600 kg h para sistema
adiabaacutetico sim embargo el aglomerador no es de este tipo de sistema por lo que se evaluoacute en un
graacutefico psicomeacutetrico (anexo1) encontraacutendose
El aire se calienta a humedad constante (To -T1) Si la caacutemara estuviera aislada y toda la energiacutea
posible se utilizara el aire se enfriariacutea adiabaacuteticamente y la temperatura miacutenima a alcanzar seriacutea la
de bulbo seco de saturacioacuten (Tsat) En realidad la caacutemara no estaacute aislada y no se sigue un
enfriamiento adiabaacutetico El aire sale a una temperatura T2 (ni estaacute saturado ni el proceso es
adiabaacutetico) debido a la baja relacioacuten aire-producto Si el proceso fuera adiabaacutetico saldriacutea a T2
(proceso adiabaacutetico y masas iguales de aire y producto)
ANOVA Graacutefico para DUREZA
-25 -15 -05 05 15 25
Residuos
PRESION DE VAPOR P = 0816415 2
TAMANtildeO DE PARTICULA P = 0020833 54
TEMPERATURA DE PARTICULA P = 0082330 35
25
Optimizacioacuten
De acuerdo a los caacutelculos de balance de materia los flujos de aire de 900 pm a 1100 rpm con una
salida de 1765 rpm mantienen el calor necesario para eliminar la humedad por lo que estas
variables son las que se implementaron y controlaron para la aglomeracioacuten de los diversos
productos
Figura 15 Grafica de rendimientos con flujo de aire de 900 rpm a 1100 rpm
En la figura 15 se observa el comportamiento del rendimiento con las condiciones aire manejadas
que mantuvieron un vaciacuteo de 04 y 05 inicialmente el rendimiento no fue favorable debido a la
humedad relativa sin embargo en los siguientes lotes el rendimiento se mantuvo del 94
mejorando en los siguientes diacuteas al 97 siendo favorable con ello el porcentaje de adhesioacuten
disminuyo al 3 con estas condiciones la caracteriacutestica de porcentaje de aglomerado incremento
al rango oacuteptimo
La optimizacioacuten de las variables de temperatura de salida y tamantildeo de criba consistioacute en la
reduccioacuten de sus rangos de operacioacuten para la cual la dureza mejoroacute apegaacutendose al rango oacuteptimo
925
93
935
94
945
95
955
96
965
0 2 4 6 8 10 12 14
Ren
dim
ien
to
lote
26
42 Conclusiones
Mediante el disentildeo experimentos se encontroacute que el aumento de dos factores temperatura de
salida y el tamantildeo de partiacutecula influyen en el bajo porcentaje de aglomerado y el incremento en la
dureza por que el granulo aglomerado presenta fragilidad y una cantidad de polvos finos Asiacute
mismo con el disentildeo por bloques se determinoacute que la concentracioacuten de azuacutecares de los cafeacutes no
tiene efecto significativo tomando como muestra patroacuten un producto sin concentracioacuten que
tambieacuten presento adhesioacuten en las tres repeticiones Durante el monitoreo se observoacute que los
soacutelidos aglomerados a condiciones de bajo vaciacuteo con humedad relativa del aire baja no
presentaban ninguacuten problema de adhesioacuten mientras que los producto a condiciones de vaciacuteo alto
con humedades por encima de 60 presentaban mayor adhesioacuten en balance de materia se
observoacute que una humedad relativa alta en la salida del equipo necesita mayor calor y cantidad de
aire de entrada para ser eliminado asiacute mismo mediante las eficiencias teacutermicas se evaluoacute el
sistema en una carta psicomeacutetrica y se determinoacute que hay perdida calor en la caacutemara de secado
al no ser adiabaacutetico por lo que la optimizacioacuten del proceso solo fue parcial enfocaacutendose solo a
condiciones del aire de entrada y salida en la que el rendimiento mejoro en un promedio del 96
43 Trabajos Futuros
Derivado al balance y los caacutelculos la humedad relativa es un factor importante en la adhesioacuten del
producto es por ello que el proyecto tiene continuidad en la implementacioacuten de un desumificador
de aire para que el sistema tenga una inyeccioacuten de aire seco el aislamiento (encamisado) de la
caacutemara de secado para evitar pedidas del calor tambieacuten y la determinacioacuten de nuevas condiciones
de operacioacuten debido a los cambios en los flujos aire
44 Recomendaciones
De acuerdo al estudio realizado mediante el disentildeo factorial se determinoacute que la variacioacuten de la
entrada de aire afecta la presioacuten del sistema por lo que se recomienda manejar una sola condicioacuten
de aire para cada producto con respecto a la velocidad de salida ya que el sistema necesita
mantener el equilibrio de las corrientes de aire para que el calor sea necesario y elimine toda la
humedad posible del vapor de agua para evitar que se concentre en la base coacutenica asiacute mismo la
alimentacioacuten de los soacutelidos finos debe tener propiedades caracteriacutesticas oacuteptimas para evitar la
variacioacuten de las condiciones
27
ANEXOS Anexo 1 Equipo aglomerado
Salida de aire
Base coacutenica
Caacutemara de
secado
Lecho
fluidizado
Entrada de
aire caliente
Separador
cicloacutenico
Zona de aspersioacuten de
solidos secos y vapor
de agua
28
Anexo 2 Carta psicomeacutetrica
Fuente Spray Drying Handbook (Masters 1991)
29
Anexo 3 Caacutelculos de velocidad lineal caudales de aire y volumen del equipo
1765 rpm (2πrads)(042)=7763 ms
600 rpm (2πrads)(030) =2638 ms
700 rpm (2πrads)(030)=3078 ms
800 rpm (2πrads)(030) =3518 ms
900 rpm (2πrads)(030) =3965 ms
1000 rpm (2πrads)(030) =4348 ms
1150 rpm (2πrads)(030)=5057ms
Caudal para las diferentes velocidades lineales
1) Q=VS
Q=2638 ms (π 00335m) 2
Q=930 m3s
2) Q=VS
Q=3078ms (π 00335m) 2
Q=1085m3s
3) Q=VS
Q=3518 ms (π 00335m) 2
Q=1240 m3s
4) Q=VS
Q=4348 ms (π 00335m) 2
Q=1550 m3s
5) Q=VS
Q=5057ms (π 00335m) 2
Q=2002 m3s
6) Q=VS
Q=7763 ms (π 0195 m) 2
Q=3708 m3s
30
Velocidad angular de aire (rpm) Caudal (m3s)
600 rpm 93
700 1085
800 1240
1000 1550
1150 2002
1765 3708
Caudales de aire de entrada y salida
Volumen de la caacutemara de secado
V= ℎ1205871199032
v=97 π (21m)
v=140844 m3
V= ℎ1205871199032
v= (09m) (π 21m)
v=2420 m3
Volumen de la base coacutenica
119907 =π r2 h
3
119907 =π (291) lowast 59
3
V=52313 m3
Volumen total del equipo =21734 m3
582 m
59m
582 m
09 m
43m
97 m
31
Anexo 3Caacutelculos de balance de materia y energiacutea
Se determina la velocidad de flujo de aire y la humedad de salida del aglomerador suponiendo
que no hay peacuterdidas de calor en el secador el balance inicia con la alimentacioacuten de 300 kg de
soacutelidos secoh que contienen 0035 kg de humedad totalkg de soacutelido seco hasta un valor de 0002
kg de humedad totalkg de soacutelido seco El polvo fino a granular entra a 35 ordmC y se desea
descargarlo a 32 ordmC El soacutelido seco tiene una capacidad caloriacutefica de 1465 kJkgK que se supone
constante El aire de calentamiento entra a 230 ordmC y con humedad de 0060 kg H2Okg de aire
seco y debe salir a 130
Balance de materia con respecto a la humedad
GH2 LS X1 GH1 LS X2
Reemplazando valores
(060) + 300 (0035)= GH1+ 300 (0002)
El balance de calor para el secador es
GHG2 LS HS1 GHG1 LS HS2 Q
Se calcula la entalpiacutea del aire de entrada HG1
Aglomerador
G1=
TG1=230
H2=
LS=300 KGSh
TS1=35
X1=0035
G2=
TG2=130
H2=060
Ts 2=378
X2=0002
Q
32
HG1=CS 1005188H 1005188(060)
HG1 CS (TG1 T0 ) H
HG1= CS 230 - 0 + 0060(2501) 17306 KJ Kg aire seco
Se calcula la entalpiacutea del aire de salida HG2
C21005188H 1005188 H1
HG1 CS (TG2 T0 ) H
HG1= (1005 + 188 H1 )130 - 0 + H1 (2501)
HG1=130 + 27454 H1
Se calcula las entalpiacuteas de los soacutelidos
HS1 CP S (TS1 T0) X1 CP A ( TS1 T0)
HS1 1465(35 0) 0035 (4187)(35 0) 5713 kJ kg
HS2 CP S (TS2 T0) X2 CP A ( T2 T0)
HS2 1465 (32 ndash 0 ) + 0002(4187)(32 0)=4714 KJ Kg
Reemplazando en el balance de energiacutea
G (17306)+ 300(5713) = G (130 + 27454 H1)+ 300(4714) + 0
G=2600 Kg aire seco por hora
Resolviendo conjuntamente con el balance de materia
G (060) + 300 (0035)= GH1+ 300 (0002)
2600(060) + 105 = 2600 H1 +06
H1=2600(060) +105 + 060 2600
H1=07427 Kg agua kg aire seco
33
Anexo 4Calculo de eficiencias teacutermicas
Datos
T = 230
Ts =147
T0= 30
T sat=45
Eficiencia teacutermica global
Ntermica global= 1198791minus1198792
1198792minus1198790 X 100
Ntermica global = 230minus147
230minus30 100 =415
Eficiencia de evaporacioacuten
Nevaporacion=1198791minus1198792
1198791minus119879119904119886119905
Nevaporacion = 230minus147
230minus45 100 =4486
34
BIBLIOGRAFIacuteA Litster J (2003) Scaleup of wet granulation processes Powder and Tecnology 130 35-40
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103
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35
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Riacuteos M (2005) Aglomeracioacuten de Finos en un Sistema Combinado AspersioacutenndashFluidizacioacuten
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fluidizedndashbed granulation Chemical Engineering Science 46 (11) 2781ndash2785
Wolfgang B P (2008) Agglomeration Processes Weinheim Phenomena Technologies
Equipment
24
Figura 14Grafico anova para dureza
En la figura 14 se muestra el grafico anova y se observa la distribucioacuten de la respuesta para los
factores en la cual todas las razones-F se basan en el cuadrado medio del error residual La
mayoriacutea presenta distribucioacuten anova con el valor p mayor a 05 sin embargo para el factor tamantildeo
de partiacutecula el valor es menor a 05 con significancia
Balance de energiacutea
En el balance de materia y energiacutea se obtuvo que la humedad en la salida aglomerado es del 73
cuando hay una entrada de aire de 1550 m3 s con 50 de humedad relativa a una temperatura
de 230degc necesita 1730 KJ kg de calor con una cantidad de aire seco de 2600 kg h para sistema
adiabaacutetico sim embargo el aglomerador no es de este tipo de sistema por lo que se evaluoacute en un
graacutefico psicomeacutetrico (anexo1) encontraacutendose
El aire se calienta a humedad constante (To -T1) Si la caacutemara estuviera aislada y toda la energiacutea
posible se utilizara el aire se enfriariacutea adiabaacuteticamente y la temperatura miacutenima a alcanzar seriacutea la
de bulbo seco de saturacioacuten (Tsat) En realidad la caacutemara no estaacute aislada y no se sigue un
enfriamiento adiabaacutetico El aire sale a una temperatura T2 (ni estaacute saturado ni el proceso es
adiabaacutetico) debido a la baja relacioacuten aire-producto Si el proceso fuera adiabaacutetico saldriacutea a T2
(proceso adiabaacutetico y masas iguales de aire y producto)
ANOVA Graacutefico para DUREZA
-25 -15 -05 05 15 25
Residuos
PRESION DE VAPOR P = 0816415 2
TAMANtildeO DE PARTICULA P = 0020833 54
TEMPERATURA DE PARTICULA P = 0082330 35
25
Optimizacioacuten
De acuerdo a los caacutelculos de balance de materia los flujos de aire de 900 pm a 1100 rpm con una
salida de 1765 rpm mantienen el calor necesario para eliminar la humedad por lo que estas
variables son las que se implementaron y controlaron para la aglomeracioacuten de los diversos
productos
Figura 15 Grafica de rendimientos con flujo de aire de 900 rpm a 1100 rpm
En la figura 15 se observa el comportamiento del rendimiento con las condiciones aire manejadas
que mantuvieron un vaciacuteo de 04 y 05 inicialmente el rendimiento no fue favorable debido a la
humedad relativa sin embargo en los siguientes lotes el rendimiento se mantuvo del 94
mejorando en los siguientes diacuteas al 97 siendo favorable con ello el porcentaje de adhesioacuten
disminuyo al 3 con estas condiciones la caracteriacutestica de porcentaje de aglomerado incremento
al rango oacuteptimo
La optimizacioacuten de las variables de temperatura de salida y tamantildeo de criba consistioacute en la
reduccioacuten de sus rangos de operacioacuten para la cual la dureza mejoroacute apegaacutendose al rango oacuteptimo
925
93
935
94
945
95
955
96
965
0 2 4 6 8 10 12 14
Ren
dim
ien
to
lote
26
42 Conclusiones
Mediante el disentildeo experimentos se encontroacute que el aumento de dos factores temperatura de
salida y el tamantildeo de partiacutecula influyen en el bajo porcentaje de aglomerado y el incremento en la
dureza por que el granulo aglomerado presenta fragilidad y una cantidad de polvos finos Asiacute
mismo con el disentildeo por bloques se determinoacute que la concentracioacuten de azuacutecares de los cafeacutes no
tiene efecto significativo tomando como muestra patroacuten un producto sin concentracioacuten que
tambieacuten presento adhesioacuten en las tres repeticiones Durante el monitoreo se observoacute que los
soacutelidos aglomerados a condiciones de bajo vaciacuteo con humedad relativa del aire baja no
presentaban ninguacuten problema de adhesioacuten mientras que los producto a condiciones de vaciacuteo alto
con humedades por encima de 60 presentaban mayor adhesioacuten en balance de materia se
observoacute que una humedad relativa alta en la salida del equipo necesita mayor calor y cantidad de
aire de entrada para ser eliminado asiacute mismo mediante las eficiencias teacutermicas se evaluoacute el
sistema en una carta psicomeacutetrica y se determinoacute que hay perdida calor en la caacutemara de secado
al no ser adiabaacutetico por lo que la optimizacioacuten del proceso solo fue parcial enfocaacutendose solo a
condiciones del aire de entrada y salida en la que el rendimiento mejoro en un promedio del 96
43 Trabajos Futuros
Derivado al balance y los caacutelculos la humedad relativa es un factor importante en la adhesioacuten del
producto es por ello que el proyecto tiene continuidad en la implementacioacuten de un desumificador
de aire para que el sistema tenga una inyeccioacuten de aire seco el aislamiento (encamisado) de la
caacutemara de secado para evitar pedidas del calor tambieacuten y la determinacioacuten de nuevas condiciones
de operacioacuten debido a los cambios en los flujos aire
44 Recomendaciones
De acuerdo al estudio realizado mediante el disentildeo factorial se determinoacute que la variacioacuten de la
entrada de aire afecta la presioacuten del sistema por lo que se recomienda manejar una sola condicioacuten
de aire para cada producto con respecto a la velocidad de salida ya que el sistema necesita
mantener el equilibrio de las corrientes de aire para que el calor sea necesario y elimine toda la
humedad posible del vapor de agua para evitar que se concentre en la base coacutenica asiacute mismo la
alimentacioacuten de los soacutelidos finos debe tener propiedades caracteriacutesticas oacuteptimas para evitar la
variacioacuten de las condiciones
27
ANEXOS Anexo 1 Equipo aglomerado
Salida de aire
Base coacutenica
Caacutemara de
secado
Lecho
fluidizado
Entrada de
aire caliente
Separador
cicloacutenico
Zona de aspersioacuten de
solidos secos y vapor
de agua
28
Anexo 2 Carta psicomeacutetrica
Fuente Spray Drying Handbook (Masters 1991)
29
Anexo 3 Caacutelculos de velocidad lineal caudales de aire y volumen del equipo
1765 rpm (2πrads)(042)=7763 ms
600 rpm (2πrads)(030) =2638 ms
700 rpm (2πrads)(030)=3078 ms
800 rpm (2πrads)(030) =3518 ms
900 rpm (2πrads)(030) =3965 ms
1000 rpm (2πrads)(030) =4348 ms
1150 rpm (2πrads)(030)=5057ms
Caudal para las diferentes velocidades lineales
1) Q=VS
Q=2638 ms (π 00335m) 2
Q=930 m3s
2) Q=VS
Q=3078ms (π 00335m) 2
Q=1085m3s
3) Q=VS
Q=3518 ms (π 00335m) 2
Q=1240 m3s
4) Q=VS
Q=4348 ms (π 00335m) 2
Q=1550 m3s
5) Q=VS
Q=5057ms (π 00335m) 2
Q=2002 m3s
6) Q=VS
Q=7763 ms (π 0195 m) 2
Q=3708 m3s
30
Velocidad angular de aire (rpm) Caudal (m3s)
600 rpm 93
700 1085
800 1240
1000 1550
1150 2002
1765 3708
Caudales de aire de entrada y salida
Volumen de la caacutemara de secado
V= ℎ1205871199032
v=97 π (21m)
v=140844 m3
V= ℎ1205871199032
v= (09m) (π 21m)
v=2420 m3
Volumen de la base coacutenica
119907 =π r2 h
3
119907 =π (291) lowast 59
3
V=52313 m3
Volumen total del equipo =21734 m3
582 m
59m
582 m
09 m
43m
97 m
31
Anexo 3Caacutelculos de balance de materia y energiacutea
Se determina la velocidad de flujo de aire y la humedad de salida del aglomerador suponiendo
que no hay peacuterdidas de calor en el secador el balance inicia con la alimentacioacuten de 300 kg de
soacutelidos secoh que contienen 0035 kg de humedad totalkg de soacutelido seco hasta un valor de 0002
kg de humedad totalkg de soacutelido seco El polvo fino a granular entra a 35 ordmC y se desea
descargarlo a 32 ordmC El soacutelido seco tiene una capacidad caloriacutefica de 1465 kJkgK que se supone
constante El aire de calentamiento entra a 230 ordmC y con humedad de 0060 kg H2Okg de aire
seco y debe salir a 130
Balance de materia con respecto a la humedad
GH2 LS X1 GH1 LS X2
Reemplazando valores
(060) + 300 (0035)= GH1+ 300 (0002)
El balance de calor para el secador es
GHG2 LS HS1 GHG1 LS HS2 Q
Se calcula la entalpiacutea del aire de entrada HG1
Aglomerador
G1=
TG1=230
H2=
LS=300 KGSh
TS1=35
X1=0035
G2=
TG2=130
H2=060
Ts 2=378
X2=0002
Q
32
HG1=CS 1005188H 1005188(060)
HG1 CS (TG1 T0 ) H
HG1= CS 230 - 0 + 0060(2501) 17306 KJ Kg aire seco
Se calcula la entalpiacutea del aire de salida HG2
C21005188H 1005188 H1
HG1 CS (TG2 T0 ) H
HG1= (1005 + 188 H1 )130 - 0 + H1 (2501)
HG1=130 + 27454 H1
Se calcula las entalpiacuteas de los soacutelidos
HS1 CP S (TS1 T0) X1 CP A ( TS1 T0)
HS1 1465(35 0) 0035 (4187)(35 0) 5713 kJ kg
HS2 CP S (TS2 T0) X2 CP A ( T2 T0)
HS2 1465 (32 ndash 0 ) + 0002(4187)(32 0)=4714 KJ Kg
Reemplazando en el balance de energiacutea
G (17306)+ 300(5713) = G (130 + 27454 H1)+ 300(4714) + 0
G=2600 Kg aire seco por hora
Resolviendo conjuntamente con el balance de materia
G (060) + 300 (0035)= GH1+ 300 (0002)
2600(060) + 105 = 2600 H1 +06
H1=2600(060) +105 + 060 2600
H1=07427 Kg agua kg aire seco
33
Anexo 4Calculo de eficiencias teacutermicas
Datos
T = 230
Ts =147
T0= 30
T sat=45
Eficiencia teacutermica global
Ntermica global= 1198791minus1198792
1198792minus1198790 X 100
Ntermica global = 230minus147
230minus30 100 =415
Eficiencia de evaporacioacuten
Nevaporacion=1198791minus1198792
1198791minus119879119904119886119905
Nevaporacion = 230minus147
230minus45 100 =4486
34
BIBLIOGRAFIacuteA Litster J (2003) Scaleup of wet granulation processes Powder and Tecnology 130 35-40
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103
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35
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Technology 8-13
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Schaafsma SH (1998) Description of agglomerate growth Powder Technology 97 183-190
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of aggregation and breakage Chemical Engineering Science 3847ndash3866
Waldie B (1991) Growth mechanism and the dependence of granule size on drop size in
fluidizedndashbed granulation Chemical Engineering Science 46 (11) 2781ndash2785
Wolfgang B P (2008) Agglomeration Processes Weinheim Phenomena Technologies
Equipment
25
Optimizacioacuten
De acuerdo a los caacutelculos de balance de materia los flujos de aire de 900 pm a 1100 rpm con una
salida de 1765 rpm mantienen el calor necesario para eliminar la humedad por lo que estas
variables son las que se implementaron y controlaron para la aglomeracioacuten de los diversos
productos
Figura 15 Grafica de rendimientos con flujo de aire de 900 rpm a 1100 rpm
En la figura 15 se observa el comportamiento del rendimiento con las condiciones aire manejadas
que mantuvieron un vaciacuteo de 04 y 05 inicialmente el rendimiento no fue favorable debido a la
humedad relativa sin embargo en los siguientes lotes el rendimiento se mantuvo del 94
mejorando en los siguientes diacuteas al 97 siendo favorable con ello el porcentaje de adhesioacuten
disminuyo al 3 con estas condiciones la caracteriacutestica de porcentaje de aglomerado incremento
al rango oacuteptimo
La optimizacioacuten de las variables de temperatura de salida y tamantildeo de criba consistioacute en la
reduccioacuten de sus rangos de operacioacuten para la cual la dureza mejoroacute apegaacutendose al rango oacuteptimo
925
93
935
94
945
95
955
96
965
0 2 4 6 8 10 12 14
Ren
dim
ien
to
lote
26
42 Conclusiones
Mediante el disentildeo experimentos se encontroacute que el aumento de dos factores temperatura de
salida y el tamantildeo de partiacutecula influyen en el bajo porcentaje de aglomerado y el incremento en la
dureza por que el granulo aglomerado presenta fragilidad y una cantidad de polvos finos Asiacute
mismo con el disentildeo por bloques se determinoacute que la concentracioacuten de azuacutecares de los cafeacutes no
tiene efecto significativo tomando como muestra patroacuten un producto sin concentracioacuten que
tambieacuten presento adhesioacuten en las tres repeticiones Durante el monitoreo se observoacute que los
soacutelidos aglomerados a condiciones de bajo vaciacuteo con humedad relativa del aire baja no
presentaban ninguacuten problema de adhesioacuten mientras que los producto a condiciones de vaciacuteo alto
con humedades por encima de 60 presentaban mayor adhesioacuten en balance de materia se
observoacute que una humedad relativa alta en la salida del equipo necesita mayor calor y cantidad de
aire de entrada para ser eliminado asiacute mismo mediante las eficiencias teacutermicas se evaluoacute el
sistema en una carta psicomeacutetrica y se determinoacute que hay perdida calor en la caacutemara de secado
al no ser adiabaacutetico por lo que la optimizacioacuten del proceso solo fue parcial enfocaacutendose solo a
condiciones del aire de entrada y salida en la que el rendimiento mejoro en un promedio del 96
43 Trabajos Futuros
Derivado al balance y los caacutelculos la humedad relativa es un factor importante en la adhesioacuten del
producto es por ello que el proyecto tiene continuidad en la implementacioacuten de un desumificador
de aire para que el sistema tenga una inyeccioacuten de aire seco el aislamiento (encamisado) de la
caacutemara de secado para evitar pedidas del calor tambieacuten y la determinacioacuten de nuevas condiciones
de operacioacuten debido a los cambios en los flujos aire
44 Recomendaciones
De acuerdo al estudio realizado mediante el disentildeo factorial se determinoacute que la variacioacuten de la
entrada de aire afecta la presioacuten del sistema por lo que se recomienda manejar una sola condicioacuten
de aire para cada producto con respecto a la velocidad de salida ya que el sistema necesita
mantener el equilibrio de las corrientes de aire para que el calor sea necesario y elimine toda la
humedad posible del vapor de agua para evitar que se concentre en la base coacutenica asiacute mismo la
alimentacioacuten de los soacutelidos finos debe tener propiedades caracteriacutesticas oacuteptimas para evitar la
variacioacuten de las condiciones
27
ANEXOS Anexo 1 Equipo aglomerado
Salida de aire
Base coacutenica
Caacutemara de
secado
Lecho
fluidizado
Entrada de
aire caliente
Separador
cicloacutenico
Zona de aspersioacuten de
solidos secos y vapor
de agua
28
Anexo 2 Carta psicomeacutetrica
Fuente Spray Drying Handbook (Masters 1991)
29
Anexo 3 Caacutelculos de velocidad lineal caudales de aire y volumen del equipo
1765 rpm (2πrads)(042)=7763 ms
600 rpm (2πrads)(030) =2638 ms
700 rpm (2πrads)(030)=3078 ms
800 rpm (2πrads)(030) =3518 ms
900 rpm (2πrads)(030) =3965 ms
1000 rpm (2πrads)(030) =4348 ms
1150 rpm (2πrads)(030)=5057ms
Caudal para las diferentes velocidades lineales
1) Q=VS
Q=2638 ms (π 00335m) 2
Q=930 m3s
2) Q=VS
Q=3078ms (π 00335m) 2
Q=1085m3s
3) Q=VS
Q=3518 ms (π 00335m) 2
Q=1240 m3s
4) Q=VS
Q=4348 ms (π 00335m) 2
Q=1550 m3s
5) Q=VS
Q=5057ms (π 00335m) 2
Q=2002 m3s
6) Q=VS
Q=7763 ms (π 0195 m) 2
Q=3708 m3s
30
Velocidad angular de aire (rpm) Caudal (m3s)
600 rpm 93
700 1085
800 1240
1000 1550
1150 2002
1765 3708
Caudales de aire de entrada y salida
Volumen de la caacutemara de secado
V= ℎ1205871199032
v=97 π (21m)
v=140844 m3
V= ℎ1205871199032
v= (09m) (π 21m)
v=2420 m3
Volumen de la base coacutenica
119907 =π r2 h
3
119907 =π (291) lowast 59
3
V=52313 m3
Volumen total del equipo =21734 m3
582 m
59m
582 m
09 m
43m
97 m
31
Anexo 3Caacutelculos de balance de materia y energiacutea
Se determina la velocidad de flujo de aire y la humedad de salida del aglomerador suponiendo
que no hay peacuterdidas de calor en el secador el balance inicia con la alimentacioacuten de 300 kg de
soacutelidos secoh que contienen 0035 kg de humedad totalkg de soacutelido seco hasta un valor de 0002
kg de humedad totalkg de soacutelido seco El polvo fino a granular entra a 35 ordmC y se desea
descargarlo a 32 ordmC El soacutelido seco tiene una capacidad caloriacutefica de 1465 kJkgK que se supone
constante El aire de calentamiento entra a 230 ordmC y con humedad de 0060 kg H2Okg de aire
seco y debe salir a 130
Balance de materia con respecto a la humedad
GH2 LS X1 GH1 LS X2
Reemplazando valores
(060) + 300 (0035)= GH1+ 300 (0002)
El balance de calor para el secador es
GHG2 LS HS1 GHG1 LS HS2 Q
Se calcula la entalpiacutea del aire de entrada HG1
Aglomerador
G1=
TG1=230
H2=
LS=300 KGSh
TS1=35
X1=0035
G2=
TG2=130
H2=060
Ts 2=378
X2=0002
Q
32
HG1=CS 1005188H 1005188(060)
HG1 CS (TG1 T0 ) H
HG1= CS 230 - 0 + 0060(2501) 17306 KJ Kg aire seco
Se calcula la entalpiacutea del aire de salida HG2
C21005188H 1005188 H1
HG1 CS (TG2 T0 ) H
HG1= (1005 + 188 H1 )130 - 0 + H1 (2501)
HG1=130 + 27454 H1
Se calcula las entalpiacuteas de los soacutelidos
HS1 CP S (TS1 T0) X1 CP A ( TS1 T0)
HS1 1465(35 0) 0035 (4187)(35 0) 5713 kJ kg
HS2 CP S (TS2 T0) X2 CP A ( T2 T0)
HS2 1465 (32 ndash 0 ) + 0002(4187)(32 0)=4714 KJ Kg
Reemplazando en el balance de energiacutea
G (17306)+ 300(5713) = G (130 + 27454 H1)+ 300(4714) + 0
G=2600 Kg aire seco por hora
Resolviendo conjuntamente con el balance de materia
G (060) + 300 (0035)= GH1+ 300 (0002)
2600(060) + 105 = 2600 H1 +06
H1=2600(060) +105 + 060 2600
H1=07427 Kg agua kg aire seco
33
Anexo 4Calculo de eficiencias teacutermicas
Datos
T = 230
Ts =147
T0= 30
T sat=45
Eficiencia teacutermica global
Ntermica global= 1198791minus1198792
1198792minus1198790 X 100
Ntermica global = 230minus147
230minus30 100 =415
Eficiencia de evaporacioacuten
Nevaporacion=1198791minus1198792
1198791minus119879119904119886119905
Nevaporacion = 230minus147
230minus45 100 =4486
34
BIBLIOGRAFIacuteA Litster J (2003) Scaleup of wet granulation processes Powder and Tecnology 130 35-40
Ayazi S p Liu z amp Yates G (1990) Hydrodynamic influences on particle breakage in fluidized
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45 (10) 2069ndash2078
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Mort P (2005) Escalado de procesos de aglomeracioacuten de aglutinantes Powder Technology 86
103
Papadakis E (2006) Spray drying of raisin juice concentrate Drying Technol 173-180
35
Parveen F (2012) Effect of size and density on agglomerate breakage in a fluidized bed Powder
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Pietsch W (2003) An interdisciplinary approach to size enlargement by agglomeration Powder
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Riacuteos M (2005) Aglomeracioacuten de Finos en un Sistema Combinado AspersioacutenndashFluidizacioacuten
Universidad Autoacutenoma Metropolitana Meacutexico Tesis de Maestriacutea en Ciencias en
Ingenieriacutea Quiacutemica
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Schaafsma S amp Kossen N (2006) A Model for the spray zone in earlyndashstage fluidized bed
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Schaafsma SH (1998) Description of agglomerate growth Powder Technology 97 183-190
Tan H (2006) Kinetics of fluidized bed melt granulation I The effect of process variables
Chemical Engineering Science 61 (5) 1585ndash1601
Tan H amp Salman A (2005) Kinetics of fluidized bed melt granulation V Simultaneous modelling
of aggregation and breakage Chemical Engineering Science 3847ndash3866
Waldie B (1991) Growth mechanism and the dependence of granule size on drop size in
fluidizedndashbed granulation Chemical Engineering Science 46 (11) 2781ndash2785
Wolfgang B P (2008) Agglomeration Processes Weinheim Phenomena Technologies
Equipment
26
42 Conclusiones
Mediante el disentildeo experimentos se encontroacute que el aumento de dos factores temperatura de
salida y el tamantildeo de partiacutecula influyen en el bajo porcentaje de aglomerado y el incremento en la
dureza por que el granulo aglomerado presenta fragilidad y una cantidad de polvos finos Asiacute
mismo con el disentildeo por bloques se determinoacute que la concentracioacuten de azuacutecares de los cafeacutes no
tiene efecto significativo tomando como muestra patroacuten un producto sin concentracioacuten que
tambieacuten presento adhesioacuten en las tres repeticiones Durante el monitoreo se observoacute que los
soacutelidos aglomerados a condiciones de bajo vaciacuteo con humedad relativa del aire baja no
presentaban ninguacuten problema de adhesioacuten mientras que los producto a condiciones de vaciacuteo alto
con humedades por encima de 60 presentaban mayor adhesioacuten en balance de materia se
observoacute que una humedad relativa alta en la salida del equipo necesita mayor calor y cantidad de
aire de entrada para ser eliminado asiacute mismo mediante las eficiencias teacutermicas se evaluoacute el
sistema en una carta psicomeacutetrica y se determinoacute que hay perdida calor en la caacutemara de secado
al no ser adiabaacutetico por lo que la optimizacioacuten del proceso solo fue parcial enfocaacutendose solo a
condiciones del aire de entrada y salida en la que el rendimiento mejoro en un promedio del 96
43 Trabajos Futuros
Derivado al balance y los caacutelculos la humedad relativa es un factor importante en la adhesioacuten del
producto es por ello que el proyecto tiene continuidad en la implementacioacuten de un desumificador
de aire para que el sistema tenga una inyeccioacuten de aire seco el aislamiento (encamisado) de la
caacutemara de secado para evitar pedidas del calor tambieacuten y la determinacioacuten de nuevas condiciones
de operacioacuten debido a los cambios en los flujos aire
44 Recomendaciones
De acuerdo al estudio realizado mediante el disentildeo factorial se determinoacute que la variacioacuten de la
entrada de aire afecta la presioacuten del sistema por lo que se recomienda manejar una sola condicioacuten
de aire para cada producto con respecto a la velocidad de salida ya que el sistema necesita
mantener el equilibrio de las corrientes de aire para que el calor sea necesario y elimine toda la
humedad posible del vapor de agua para evitar que se concentre en la base coacutenica asiacute mismo la
alimentacioacuten de los soacutelidos finos debe tener propiedades caracteriacutesticas oacuteptimas para evitar la
variacioacuten de las condiciones
27
ANEXOS Anexo 1 Equipo aglomerado
Salida de aire
Base coacutenica
Caacutemara de
secado
Lecho
fluidizado
Entrada de
aire caliente
Separador
cicloacutenico
Zona de aspersioacuten de
solidos secos y vapor
de agua
28
Anexo 2 Carta psicomeacutetrica
Fuente Spray Drying Handbook (Masters 1991)
29
Anexo 3 Caacutelculos de velocidad lineal caudales de aire y volumen del equipo
1765 rpm (2πrads)(042)=7763 ms
600 rpm (2πrads)(030) =2638 ms
700 rpm (2πrads)(030)=3078 ms
800 rpm (2πrads)(030) =3518 ms
900 rpm (2πrads)(030) =3965 ms
1000 rpm (2πrads)(030) =4348 ms
1150 rpm (2πrads)(030)=5057ms
Caudal para las diferentes velocidades lineales
1) Q=VS
Q=2638 ms (π 00335m) 2
Q=930 m3s
2) Q=VS
Q=3078ms (π 00335m) 2
Q=1085m3s
3) Q=VS
Q=3518 ms (π 00335m) 2
Q=1240 m3s
4) Q=VS
Q=4348 ms (π 00335m) 2
Q=1550 m3s
5) Q=VS
Q=5057ms (π 00335m) 2
Q=2002 m3s
6) Q=VS
Q=7763 ms (π 0195 m) 2
Q=3708 m3s
30
Velocidad angular de aire (rpm) Caudal (m3s)
600 rpm 93
700 1085
800 1240
1000 1550
1150 2002
1765 3708
Caudales de aire de entrada y salida
Volumen de la caacutemara de secado
V= ℎ1205871199032
v=97 π (21m)
v=140844 m3
V= ℎ1205871199032
v= (09m) (π 21m)
v=2420 m3
Volumen de la base coacutenica
119907 =π r2 h
3
119907 =π (291) lowast 59
3
V=52313 m3
Volumen total del equipo =21734 m3
582 m
59m
582 m
09 m
43m
97 m
31
Anexo 3Caacutelculos de balance de materia y energiacutea
Se determina la velocidad de flujo de aire y la humedad de salida del aglomerador suponiendo
que no hay peacuterdidas de calor en el secador el balance inicia con la alimentacioacuten de 300 kg de
soacutelidos secoh que contienen 0035 kg de humedad totalkg de soacutelido seco hasta un valor de 0002
kg de humedad totalkg de soacutelido seco El polvo fino a granular entra a 35 ordmC y se desea
descargarlo a 32 ordmC El soacutelido seco tiene una capacidad caloriacutefica de 1465 kJkgK que se supone
constante El aire de calentamiento entra a 230 ordmC y con humedad de 0060 kg H2Okg de aire
seco y debe salir a 130
Balance de materia con respecto a la humedad
GH2 LS X1 GH1 LS X2
Reemplazando valores
(060) + 300 (0035)= GH1+ 300 (0002)
El balance de calor para el secador es
GHG2 LS HS1 GHG1 LS HS2 Q
Se calcula la entalpiacutea del aire de entrada HG1
Aglomerador
G1=
TG1=230
H2=
LS=300 KGSh
TS1=35
X1=0035
G2=
TG2=130
H2=060
Ts 2=378
X2=0002
Q
32
HG1=CS 1005188H 1005188(060)
HG1 CS (TG1 T0 ) H
HG1= CS 230 - 0 + 0060(2501) 17306 KJ Kg aire seco
Se calcula la entalpiacutea del aire de salida HG2
C21005188H 1005188 H1
HG1 CS (TG2 T0 ) H
HG1= (1005 + 188 H1 )130 - 0 + H1 (2501)
HG1=130 + 27454 H1
Se calcula las entalpiacuteas de los soacutelidos
HS1 CP S (TS1 T0) X1 CP A ( TS1 T0)
HS1 1465(35 0) 0035 (4187)(35 0) 5713 kJ kg
HS2 CP S (TS2 T0) X2 CP A ( T2 T0)
HS2 1465 (32 ndash 0 ) + 0002(4187)(32 0)=4714 KJ Kg
Reemplazando en el balance de energiacutea
G (17306)+ 300(5713) = G (130 + 27454 H1)+ 300(4714) + 0
G=2600 Kg aire seco por hora
Resolviendo conjuntamente con el balance de materia
G (060) + 300 (0035)= GH1+ 300 (0002)
2600(060) + 105 = 2600 H1 +06
H1=2600(060) +105 + 060 2600
H1=07427 Kg agua kg aire seco
33
Anexo 4Calculo de eficiencias teacutermicas
Datos
T = 230
Ts =147
T0= 30
T sat=45
Eficiencia teacutermica global
Ntermica global= 1198791minus1198792
1198792minus1198790 X 100
Ntermica global = 230minus147
230minus30 100 =415
Eficiencia de evaporacioacuten
Nevaporacion=1198791minus1198792
1198791minus119879119904119886119905
Nevaporacion = 230minus147
230minus45 100 =4486
34
BIBLIOGRAFIacuteA Litster J (2003) Scaleup of wet granulation processes Powder and Tecnology 130 35-40
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Mort P (2005) Escalado de procesos de aglomeracioacuten de aglutinantes Powder Technology 86
103
Papadakis E (2006) Spray drying of raisin juice concentrate Drying Technol 173-180
35
Parveen F (2012) Effect of size and density on agglomerate breakage in a fluidized bed Powder
Techology 231 102-111
Pietsch W (2003) An interdisciplinary approach to size enlargement by agglomeration Powder
Technology 8-13
Riacuteos M (2005) Aglomeracioacuten de Finos en un Sistema Combinado AspersioacutenndashFluidizacioacuten
Universidad Autoacutenoma Metropolitana Meacutexico Tesis de Maestriacutea en Ciencias en
Ingenieriacutea Quiacutemica
Sastry K amp Fuerstenau D (1973) Mechanisms of agglomerate growht in green pelletizacion
Powder Technology 7 97-105
Schaafsma S amp Kossen N (2006) A Model for the spray zone in earlyndashstage fluidized bed
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Schaafsma SH (1998) Description of agglomerate growth Powder Technology 97 183-190
Tan H (2006) Kinetics of fluidized bed melt granulation I The effect of process variables
Chemical Engineering Science 61 (5) 1585ndash1601
Tan H amp Salman A (2005) Kinetics of fluidized bed melt granulation V Simultaneous modelling
of aggregation and breakage Chemical Engineering Science 3847ndash3866
Waldie B (1991) Growth mechanism and the dependence of granule size on drop size in
fluidizedndashbed granulation Chemical Engineering Science 46 (11) 2781ndash2785
Wolfgang B P (2008) Agglomeration Processes Weinheim Phenomena Technologies
Equipment
27
ANEXOS Anexo 1 Equipo aglomerado
Salida de aire
Base coacutenica
Caacutemara de
secado
Lecho
fluidizado
Entrada de
aire caliente
Separador
cicloacutenico
Zona de aspersioacuten de
solidos secos y vapor
de agua
28
Anexo 2 Carta psicomeacutetrica
Fuente Spray Drying Handbook (Masters 1991)
29
Anexo 3 Caacutelculos de velocidad lineal caudales de aire y volumen del equipo
1765 rpm (2πrads)(042)=7763 ms
600 rpm (2πrads)(030) =2638 ms
700 rpm (2πrads)(030)=3078 ms
800 rpm (2πrads)(030) =3518 ms
900 rpm (2πrads)(030) =3965 ms
1000 rpm (2πrads)(030) =4348 ms
1150 rpm (2πrads)(030)=5057ms
Caudal para las diferentes velocidades lineales
1) Q=VS
Q=2638 ms (π 00335m) 2
Q=930 m3s
2) Q=VS
Q=3078ms (π 00335m) 2
Q=1085m3s
3) Q=VS
Q=3518 ms (π 00335m) 2
Q=1240 m3s
4) Q=VS
Q=4348 ms (π 00335m) 2
Q=1550 m3s
5) Q=VS
Q=5057ms (π 00335m) 2
Q=2002 m3s
6) Q=VS
Q=7763 ms (π 0195 m) 2
Q=3708 m3s
30
Velocidad angular de aire (rpm) Caudal (m3s)
600 rpm 93
700 1085
800 1240
1000 1550
1150 2002
1765 3708
Caudales de aire de entrada y salida
Volumen de la caacutemara de secado
V= ℎ1205871199032
v=97 π (21m)
v=140844 m3
V= ℎ1205871199032
v= (09m) (π 21m)
v=2420 m3
Volumen de la base coacutenica
119907 =π r2 h
3
119907 =π (291) lowast 59
3
V=52313 m3
Volumen total del equipo =21734 m3
582 m
59m
582 m
09 m
43m
97 m
31
Anexo 3Caacutelculos de balance de materia y energiacutea
Se determina la velocidad de flujo de aire y la humedad de salida del aglomerador suponiendo
que no hay peacuterdidas de calor en el secador el balance inicia con la alimentacioacuten de 300 kg de
soacutelidos secoh que contienen 0035 kg de humedad totalkg de soacutelido seco hasta un valor de 0002
kg de humedad totalkg de soacutelido seco El polvo fino a granular entra a 35 ordmC y se desea
descargarlo a 32 ordmC El soacutelido seco tiene una capacidad caloriacutefica de 1465 kJkgK que se supone
constante El aire de calentamiento entra a 230 ordmC y con humedad de 0060 kg H2Okg de aire
seco y debe salir a 130
Balance de materia con respecto a la humedad
GH2 LS X1 GH1 LS X2
Reemplazando valores
(060) + 300 (0035)= GH1+ 300 (0002)
El balance de calor para el secador es
GHG2 LS HS1 GHG1 LS HS2 Q
Se calcula la entalpiacutea del aire de entrada HG1
Aglomerador
G1=
TG1=230
H2=
LS=300 KGSh
TS1=35
X1=0035
G2=
TG2=130
H2=060
Ts 2=378
X2=0002
Q
32
HG1=CS 1005188H 1005188(060)
HG1 CS (TG1 T0 ) H
HG1= CS 230 - 0 + 0060(2501) 17306 KJ Kg aire seco
Se calcula la entalpiacutea del aire de salida HG2
C21005188H 1005188 H1
HG1 CS (TG2 T0 ) H
HG1= (1005 + 188 H1 )130 - 0 + H1 (2501)
HG1=130 + 27454 H1
Se calcula las entalpiacuteas de los soacutelidos
HS1 CP S (TS1 T0) X1 CP A ( TS1 T0)
HS1 1465(35 0) 0035 (4187)(35 0) 5713 kJ kg
HS2 CP S (TS2 T0) X2 CP A ( T2 T0)
HS2 1465 (32 ndash 0 ) + 0002(4187)(32 0)=4714 KJ Kg
Reemplazando en el balance de energiacutea
G (17306)+ 300(5713) = G (130 + 27454 H1)+ 300(4714) + 0
G=2600 Kg aire seco por hora
Resolviendo conjuntamente con el balance de materia
G (060) + 300 (0035)= GH1+ 300 (0002)
2600(060) + 105 = 2600 H1 +06
H1=2600(060) +105 + 060 2600
H1=07427 Kg agua kg aire seco
33
Anexo 4Calculo de eficiencias teacutermicas
Datos
T = 230
Ts =147
T0= 30
T sat=45
Eficiencia teacutermica global
Ntermica global= 1198791minus1198792
1198792minus1198790 X 100
Ntermica global = 230minus147
230minus30 100 =415
Eficiencia de evaporacioacuten
Nevaporacion=1198791minus1198792
1198791minus119879119904119886119905
Nevaporacion = 230minus147
230minus45 100 =4486
34
BIBLIOGRAFIacuteA Litster J (2003) Scaleup of wet granulation processes Powder and Tecnology 130 35-40
Ayazi S p Liu z amp Yates G (1990) Hydrodynamic influences on particle breakage in fluidized
beds Chemical Engineering Science 45 (4) 809ndash817
Boonyai P (2004) Stickiness measurement techniques for food powder Powder Technol 34-36
Canela I (1996) Fluidizacion de particulas finas obtenidos en un secador por aspersion Avances
en Ingenieria Quimica 20-23
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45 (10) 2069ndash2078
Cryer A S (2003) Observations and process parameter sensitivities in fluidndashbed granulation
AIChE Journal 45 (10) 2069ndash2078
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discretizationndashIII Nucleation growth and aggregation of particles Chemical Engineering
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134
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Mort P (2005) Escalado de procesos de aglomeracioacuten de aglutinantes Powder Technology 86
103
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35
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Techology 231 102-111
Pietsch W (2003) An interdisciplinary approach to size enlargement by agglomeration Powder
Technology 8-13
Riacuteos M (2005) Aglomeracioacuten de Finos en un Sistema Combinado AspersioacutenndashFluidizacioacuten
Universidad Autoacutenoma Metropolitana Meacutexico Tesis de Maestriacutea en Ciencias en
Ingenieriacutea Quiacutemica
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Schaafsma S amp Kossen N (2006) A Model for the spray zone in earlyndashstage fluidized bed
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of aggregation and breakage Chemical Engineering Science 3847ndash3866
Waldie B (1991) Growth mechanism and the dependence of granule size on drop size in
fluidizedndashbed granulation Chemical Engineering Science 46 (11) 2781ndash2785
Wolfgang B P (2008) Agglomeration Processes Weinheim Phenomena Technologies
Equipment
28
Anexo 2 Carta psicomeacutetrica
Fuente Spray Drying Handbook (Masters 1991)
29
Anexo 3 Caacutelculos de velocidad lineal caudales de aire y volumen del equipo
1765 rpm (2πrads)(042)=7763 ms
600 rpm (2πrads)(030) =2638 ms
700 rpm (2πrads)(030)=3078 ms
800 rpm (2πrads)(030) =3518 ms
900 rpm (2πrads)(030) =3965 ms
1000 rpm (2πrads)(030) =4348 ms
1150 rpm (2πrads)(030)=5057ms
Caudal para las diferentes velocidades lineales
1) Q=VS
Q=2638 ms (π 00335m) 2
Q=930 m3s
2) Q=VS
Q=3078ms (π 00335m) 2
Q=1085m3s
3) Q=VS
Q=3518 ms (π 00335m) 2
Q=1240 m3s
4) Q=VS
Q=4348 ms (π 00335m) 2
Q=1550 m3s
5) Q=VS
Q=5057ms (π 00335m) 2
Q=2002 m3s
6) Q=VS
Q=7763 ms (π 0195 m) 2
Q=3708 m3s
30
Velocidad angular de aire (rpm) Caudal (m3s)
600 rpm 93
700 1085
800 1240
1000 1550
1150 2002
1765 3708
Caudales de aire de entrada y salida
Volumen de la caacutemara de secado
V= ℎ1205871199032
v=97 π (21m)
v=140844 m3
V= ℎ1205871199032
v= (09m) (π 21m)
v=2420 m3
Volumen de la base coacutenica
119907 =π r2 h
3
119907 =π (291) lowast 59
3
V=52313 m3
Volumen total del equipo =21734 m3
582 m
59m
582 m
09 m
43m
97 m
31
Anexo 3Caacutelculos de balance de materia y energiacutea
Se determina la velocidad de flujo de aire y la humedad de salida del aglomerador suponiendo
que no hay peacuterdidas de calor en el secador el balance inicia con la alimentacioacuten de 300 kg de
soacutelidos secoh que contienen 0035 kg de humedad totalkg de soacutelido seco hasta un valor de 0002
kg de humedad totalkg de soacutelido seco El polvo fino a granular entra a 35 ordmC y se desea
descargarlo a 32 ordmC El soacutelido seco tiene una capacidad caloriacutefica de 1465 kJkgK que se supone
constante El aire de calentamiento entra a 230 ordmC y con humedad de 0060 kg H2Okg de aire
seco y debe salir a 130
Balance de materia con respecto a la humedad
GH2 LS X1 GH1 LS X2
Reemplazando valores
(060) + 300 (0035)= GH1+ 300 (0002)
El balance de calor para el secador es
GHG2 LS HS1 GHG1 LS HS2 Q
Se calcula la entalpiacutea del aire de entrada HG1
Aglomerador
G1=
TG1=230
H2=
LS=300 KGSh
TS1=35
X1=0035
G2=
TG2=130
H2=060
Ts 2=378
X2=0002
Q
32
HG1=CS 1005188H 1005188(060)
HG1 CS (TG1 T0 ) H
HG1= CS 230 - 0 + 0060(2501) 17306 KJ Kg aire seco
Se calcula la entalpiacutea del aire de salida HG2
C21005188H 1005188 H1
HG1 CS (TG2 T0 ) H
HG1= (1005 + 188 H1 )130 - 0 + H1 (2501)
HG1=130 + 27454 H1
Se calcula las entalpiacuteas de los soacutelidos
HS1 CP S (TS1 T0) X1 CP A ( TS1 T0)
HS1 1465(35 0) 0035 (4187)(35 0) 5713 kJ kg
HS2 CP S (TS2 T0) X2 CP A ( T2 T0)
HS2 1465 (32 ndash 0 ) + 0002(4187)(32 0)=4714 KJ Kg
Reemplazando en el balance de energiacutea
G (17306)+ 300(5713) = G (130 + 27454 H1)+ 300(4714) + 0
G=2600 Kg aire seco por hora
Resolviendo conjuntamente con el balance de materia
G (060) + 300 (0035)= GH1+ 300 (0002)
2600(060) + 105 = 2600 H1 +06
H1=2600(060) +105 + 060 2600
H1=07427 Kg agua kg aire seco
33
Anexo 4Calculo de eficiencias teacutermicas
Datos
T = 230
Ts =147
T0= 30
T sat=45
Eficiencia teacutermica global
Ntermica global= 1198791minus1198792
1198792minus1198790 X 100
Ntermica global = 230minus147
230minus30 100 =415
Eficiencia de evaporacioacuten
Nevaporacion=1198791minus1198792
1198791minus119879119904119886119905
Nevaporacion = 230minus147
230minus45 100 =4486
34
BIBLIOGRAFIacuteA Litster J (2003) Scaleup of wet granulation processes Powder and Tecnology 130 35-40
Ayazi S p Liu z amp Yates G (1990) Hydrodynamic influences on particle breakage in fluidized
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103
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35
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fluidizedndashbed granulation Chemical Engineering Science 46 (11) 2781ndash2785
Wolfgang B P (2008) Agglomeration Processes Weinheim Phenomena Technologies
Equipment
29
Anexo 3 Caacutelculos de velocidad lineal caudales de aire y volumen del equipo
1765 rpm (2πrads)(042)=7763 ms
600 rpm (2πrads)(030) =2638 ms
700 rpm (2πrads)(030)=3078 ms
800 rpm (2πrads)(030) =3518 ms
900 rpm (2πrads)(030) =3965 ms
1000 rpm (2πrads)(030) =4348 ms
1150 rpm (2πrads)(030)=5057ms
Caudal para las diferentes velocidades lineales
1) Q=VS
Q=2638 ms (π 00335m) 2
Q=930 m3s
2) Q=VS
Q=3078ms (π 00335m) 2
Q=1085m3s
3) Q=VS
Q=3518 ms (π 00335m) 2
Q=1240 m3s
4) Q=VS
Q=4348 ms (π 00335m) 2
Q=1550 m3s
5) Q=VS
Q=5057ms (π 00335m) 2
Q=2002 m3s
6) Q=VS
Q=7763 ms (π 0195 m) 2
Q=3708 m3s
30
Velocidad angular de aire (rpm) Caudal (m3s)
600 rpm 93
700 1085
800 1240
1000 1550
1150 2002
1765 3708
Caudales de aire de entrada y salida
Volumen de la caacutemara de secado
V= ℎ1205871199032
v=97 π (21m)
v=140844 m3
V= ℎ1205871199032
v= (09m) (π 21m)
v=2420 m3
Volumen de la base coacutenica
119907 =π r2 h
3
119907 =π (291) lowast 59
3
V=52313 m3
Volumen total del equipo =21734 m3
582 m
59m
582 m
09 m
43m
97 m
31
Anexo 3Caacutelculos de balance de materia y energiacutea
Se determina la velocidad de flujo de aire y la humedad de salida del aglomerador suponiendo
que no hay peacuterdidas de calor en el secador el balance inicia con la alimentacioacuten de 300 kg de
soacutelidos secoh que contienen 0035 kg de humedad totalkg de soacutelido seco hasta un valor de 0002
kg de humedad totalkg de soacutelido seco El polvo fino a granular entra a 35 ordmC y se desea
descargarlo a 32 ordmC El soacutelido seco tiene una capacidad caloriacutefica de 1465 kJkgK que se supone
constante El aire de calentamiento entra a 230 ordmC y con humedad de 0060 kg H2Okg de aire
seco y debe salir a 130
Balance de materia con respecto a la humedad
GH2 LS X1 GH1 LS X2
Reemplazando valores
(060) + 300 (0035)= GH1+ 300 (0002)
El balance de calor para el secador es
GHG2 LS HS1 GHG1 LS HS2 Q
Se calcula la entalpiacutea del aire de entrada HG1
Aglomerador
G1=
TG1=230
H2=
LS=300 KGSh
TS1=35
X1=0035
G2=
TG2=130
H2=060
Ts 2=378
X2=0002
Q
32
HG1=CS 1005188H 1005188(060)
HG1 CS (TG1 T0 ) H
HG1= CS 230 - 0 + 0060(2501) 17306 KJ Kg aire seco
Se calcula la entalpiacutea del aire de salida HG2
C21005188H 1005188 H1
HG1 CS (TG2 T0 ) H
HG1= (1005 + 188 H1 )130 - 0 + H1 (2501)
HG1=130 + 27454 H1
Se calcula las entalpiacuteas de los soacutelidos
HS1 CP S (TS1 T0) X1 CP A ( TS1 T0)
HS1 1465(35 0) 0035 (4187)(35 0) 5713 kJ kg
HS2 CP S (TS2 T0) X2 CP A ( T2 T0)
HS2 1465 (32 ndash 0 ) + 0002(4187)(32 0)=4714 KJ Kg
Reemplazando en el balance de energiacutea
G (17306)+ 300(5713) = G (130 + 27454 H1)+ 300(4714) + 0
G=2600 Kg aire seco por hora
Resolviendo conjuntamente con el balance de materia
G (060) + 300 (0035)= GH1+ 300 (0002)
2600(060) + 105 = 2600 H1 +06
H1=2600(060) +105 + 060 2600
H1=07427 Kg agua kg aire seco
33
Anexo 4Calculo de eficiencias teacutermicas
Datos
T = 230
Ts =147
T0= 30
T sat=45
Eficiencia teacutermica global
Ntermica global= 1198791minus1198792
1198792minus1198790 X 100
Ntermica global = 230minus147
230minus30 100 =415
Eficiencia de evaporacioacuten
Nevaporacion=1198791minus1198792
1198791minus119879119904119886119905
Nevaporacion = 230minus147
230minus45 100 =4486
34
BIBLIOGRAFIacuteA Litster J (2003) Scaleup of wet granulation processes Powder and Tecnology 130 35-40
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Canela I (1996) Fluidizacion de particulas finas obtenidos en un secador por aspersion Avances
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Dacanal G amp Menegalli F (2008) Experimental study of fluidized bed agglomeration of acerola
powder Brazilian Journal of Chemical Engineering 51ndash58
Dolinski A (2000) Fruits and vegetables powders produccion technology on the bases of spray
convetive driying methods Drying Technology 747-758
Ezabra A (1967) Procedimiento para aglomerar particulas finas de cafeacute solubleEspantildea Patente
nordm 36848
Hulbert H (1967) Some Problems in Particle Technology A Statistical Chemical Engineering
Science 19 555-574
Iveson S M amp Hapgood k (2001) Nucleation growth and breakage phenomena in agitated wet
granulation processes Powder Technology 117 (1ndash2) 3ndash39
Kumar S amp Ramkrishna D (1997) On the Solution of population balance equations by
discretizationndashIII Nucleation growth and aggregation of particles Chemical Engineering
Science 52(24) 4659ndash4679
Lister J amp Waters A (1988) Kinetics of iron ore sinter feed granulation Powder Technology 125-
134
Litster J amp Bryan E (2004) The Science and Engineering of Granulation Processes Madeburg
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Montgomery C (2007) Disentildeo y analisis de experiementos John wiley
Mort P (2005) Escalado de procesos de aglomeracioacuten de aglutinantes Powder Technology 86
103
Papadakis E (2006) Spray drying of raisin juice concentrate Drying Technol 173-180
35
Parveen F (2012) Effect of size and density on agglomerate breakage in a fluidized bed Powder
Techology 231 102-111
Pietsch W (2003) An interdisciplinary approach to size enlargement by agglomeration Powder
Technology 8-13
Riacuteos M (2005) Aglomeracioacuten de Finos en un Sistema Combinado AspersioacutenndashFluidizacioacuten
Universidad Autoacutenoma Metropolitana Meacutexico Tesis de Maestriacutea en Ciencias en
Ingenieriacutea Quiacutemica
Sastry K amp Fuerstenau D (1973) Mechanisms of agglomerate growht in green pelletizacion
Powder Technology 7 97-105
Schaafsma S amp Kossen N (2006) A Model for the spray zone in earlyndashstage fluidized bed
granulation AIChE Journal 2736ndash2741
Schaafsma SH (1998) Description of agglomerate growth Powder Technology 97 183-190
Tan H (2006) Kinetics of fluidized bed melt granulation I The effect of process variables
Chemical Engineering Science 61 (5) 1585ndash1601
Tan H amp Salman A (2005) Kinetics of fluidized bed melt granulation V Simultaneous modelling
of aggregation and breakage Chemical Engineering Science 3847ndash3866
Waldie B (1991) Growth mechanism and the dependence of granule size on drop size in
fluidizedndashbed granulation Chemical Engineering Science 46 (11) 2781ndash2785
Wolfgang B P (2008) Agglomeration Processes Weinheim Phenomena Technologies
Equipment
30
Velocidad angular de aire (rpm) Caudal (m3s)
600 rpm 93
700 1085
800 1240
1000 1550
1150 2002
1765 3708
Caudales de aire de entrada y salida
Volumen de la caacutemara de secado
V= ℎ1205871199032
v=97 π (21m)
v=140844 m3
V= ℎ1205871199032
v= (09m) (π 21m)
v=2420 m3
Volumen de la base coacutenica
119907 =π r2 h
3
119907 =π (291) lowast 59
3
V=52313 m3
Volumen total del equipo =21734 m3
582 m
59m
582 m
09 m
43m
97 m
31
Anexo 3Caacutelculos de balance de materia y energiacutea
Se determina la velocidad de flujo de aire y la humedad de salida del aglomerador suponiendo
que no hay peacuterdidas de calor en el secador el balance inicia con la alimentacioacuten de 300 kg de
soacutelidos secoh que contienen 0035 kg de humedad totalkg de soacutelido seco hasta un valor de 0002
kg de humedad totalkg de soacutelido seco El polvo fino a granular entra a 35 ordmC y se desea
descargarlo a 32 ordmC El soacutelido seco tiene una capacidad caloriacutefica de 1465 kJkgK que se supone
constante El aire de calentamiento entra a 230 ordmC y con humedad de 0060 kg H2Okg de aire
seco y debe salir a 130
Balance de materia con respecto a la humedad
GH2 LS X1 GH1 LS X2
Reemplazando valores
(060) + 300 (0035)= GH1+ 300 (0002)
El balance de calor para el secador es
GHG2 LS HS1 GHG1 LS HS2 Q
Se calcula la entalpiacutea del aire de entrada HG1
Aglomerador
G1=
TG1=230
H2=
LS=300 KGSh
TS1=35
X1=0035
G2=
TG2=130
H2=060
Ts 2=378
X2=0002
Q
32
HG1=CS 1005188H 1005188(060)
HG1 CS (TG1 T0 ) H
HG1= CS 230 - 0 + 0060(2501) 17306 KJ Kg aire seco
Se calcula la entalpiacutea del aire de salida HG2
C21005188H 1005188 H1
HG1 CS (TG2 T0 ) H
HG1= (1005 + 188 H1 )130 - 0 + H1 (2501)
HG1=130 + 27454 H1
Se calcula las entalpiacuteas de los soacutelidos
HS1 CP S (TS1 T0) X1 CP A ( TS1 T0)
HS1 1465(35 0) 0035 (4187)(35 0) 5713 kJ kg
HS2 CP S (TS2 T0) X2 CP A ( T2 T0)
HS2 1465 (32 ndash 0 ) + 0002(4187)(32 0)=4714 KJ Kg
Reemplazando en el balance de energiacutea
G (17306)+ 300(5713) = G (130 + 27454 H1)+ 300(4714) + 0
G=2600 Kg aire seco por hora
Resolviendo conjuntamente con el balance de materia
G (060) + 300 (0035)= GH1+ 300 (0002)
2600(060) + 105 = 2600 H1 +06
H1=2600(060) +105 + 060 2600
H1=07427 Kg agua kg aire seco
33
Anexo 4Calculo de eficiencias teacutermicas
Datos
T = 230
Ts =147
T0= 30
T sat=45
Eficiencia teacutermica global
Ntermica global= 1198791minus1198792
1198792minus1198790 X 100
Ntermica global = 230minus147
230minus30 100 =415
Eficiencia de evaporacioacuten
Nevaporacion=1198791minus1198792
1198791minus119879119904119886119905
Nevaporacion = 230minus147
230minus45 100 =4486
34
BIBLIOGRAFIacuteA Litster J (2003) Scaleup of wet granulation processes Powder and Tecnology 130 35-40
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103
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35
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fluidizedndashbed granulation Chemical Engineering Science 46 (11) 2781ndash2785
Wolfgang B P (2008) Agglomeration Processes Weinheim Phenomena Technologies
Equipment
31
Anexo 3Caacutelculos de balance de materia y energiacutea
Se determina la velocidad de flujo de aire y la humedad de salida del aglomerador suponiendo
que no hay peacuterdidas de calor en el secador el balance inicia con la alimentacioacuten de 300 kg de
soacutelidos secoh que contienen 0035 kg de humedad totalkg de soacutelido seco hasta un valor de 0002
kg de humedad totalkg de soacutelido seco El polvo fino a granular entra a 35 ordmC y se desea
descargarlo a 32 ordmC El soacutelido seco tiene una capacidad caloriacutefica de 1465 kJkgK que se supone
constante El aire de calentamiento entra a 230 ordmC y con humedad de 0060 kg H2Okg de aire
seco y debe salir a 130
Balance de materia con respecto a la humedad
GH2 LS X1 GH1 LS X2
Reemplazando valores
(060) + 300 (0035)= GH1+ 300 (0002)
El balance de calor para el secador es
GHG2 LS HS1 GHG1 LS HS2 Q
Se calcula la entalpiacutea del aire de entrada HG1
Aglomerador
G1=
TG1=230
H2=
LS=300 KGSh
TS1=35
X1=0035
G2=
TG2=130
H2=060
Ts 2=378
X2=0002
Q
32
HG1=CS 1005188H 1005188(060)
HG1 CS (TG1 T0 ) H
HG1= CS 230 - 0 + 0060(2501) 17306 KJ Kg aire seco
Se calcula la entalpiacutea del aire de salida HG2
C21005188H 1005188 H1
HG1 CS (TG2 T0 ) H
HG1= (1005 + 188 H1 )130 - 0 + H1 (2501)
HG1=130 + 27454 H1
Se calcula las entalpiacuteas de los soacutelidos
HS1 CP S (TS1 T0) X1 CP A ( TS1 T0)
HS1 1465(35 0) 0035 (4187)(35 0) 5713 kJ kg
HS2 CP S (TS2 T0) X2 CP A ( T2 T0)
HS2 1465 (32 ndash 0 ) + 0002(4187)(32 0)=4714 KJ Kg
Reemplazando en el balance de energiacutea
G (17306)+ 300(5713) = G (130 + 27454 H1)+ 300(4714) + 0
G=2600 Kg aire seco por hora
Resolviendo conjuntamente con el balance de materia
G (060) + 300 (0035)= GH1+ 300 (0002)
2600(060) + 105 = 2600 H1 +06
H1=2600(060) +105 + 060 2600
H1=07427 Kg agua kg aire seco
33
Anexo 4Calculo de eficiencias teacutermicas
Datos
T = 230
Ts =147
T0= 30
T sat=45
Eficiencia teacutermica global
Ntermica global= 1198791minus1198792
1198792minus1198790 X 100
Ntermica global = 230minus147
230minus30 100 =415
Eficiencia de evaporacioacuten
Nevaporacion=1198791minus1198792
1198791minus119879119904119886119905
Nevaporacion = 230minus147
230minus45 100 =4486
34
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Equipment
32
HG1=CS 1005188H 1005188(060)
HG1 CS (TG1 T0 ) H
HG1= CS 230 - 0 + 0060(2501) 17306 KJ Kg aire seco
Se calcula la entalpiacutea del aire de salida HG2
C21005188H 1005188 H1
HG1 CS (TG2 T0 ) H
HG1= (1005 + 188 H1 )130 - 0 + H1 (2501)
HG1=130 + 27454 H1
Se calcula las entalpiacuteas de los soacutelidos
HS1 CP S (TS1 T0) X1 CP A ( TS1 T0)
HS1 1465(35 0) 0035 (4187)(35 0) 5713 kJ kg
HS2 CP S (TS2 T0) X2 CP A ( T2 T0)
HS2 1465 (32 ndash 0 ) + 0002(4187)(32 0)=4714 KJ Kg
Reemplazando en el balance de energiacutea
G (17306)+ 300(5713) = G (130 + 27454 H1)+ 300(4714) + 0
G=2600 Kg aire seco por hora
Resolviendo conjuntamente con el balance de materia
G (060) + 300 (0035)= GH1+ 300 (0002)
2600(060) + 105 = 2600 H1 +06
H1=2600(060) +105 + 060 2600
H1=07427 Kg agua kg aire seco
33
Anexo 4Calculo de eficiencias teacutermicas
Datos
T = 230
Ts =147
T0= 30
T sat=45
Eficiencia teacutermica global
Ntermica global= 1198791minus1198792
1198792minus1198790 X 100
Ntermica global = 230minus147
230minus30 100 =415
Eficiencia de evaporacioacuten
Nevaporacion=1198791minus1198792
1198791minus119879119904119886119905
Nevaporacion = 230minus147
230minus45 100 =4486
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Datos
T = 230
Ts =147
T0= 30
T sat=45
Eficiencia teacutermica global
Ntermica global= 1198791minus1198792
1198792minus1198790 X 100
Ntermica global = 230minus147
230minus30 100 =415
Eficiencia de evaporacioacuten
Nevaporacion=1198791minus1198792
1198791minus119879119904119886119905
Nevaporacion = 230minus147
230minus45 100 =4486
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