UNIVERSIDAD DE NARIÑOFACULTAD DE INGENIERIA AGROINDUSTRIALTRANSFERENCIA DE MASASEPTIMO SEMESTRE

UNIDAD DE SECADO

1. OBJETIVOS:

OBJETIVO GENERAL. Desarrollar el proceso de secado a nivel práctico en planta piloto para poder aplicar los fundamentos teóricos sobre transferencia de masa, realizando los respectivos balances de Materia y Energía.OBJETIVOS ESPECIFICOS. Identificar cada uno de los componentes de la unidad de secado con su respectivo funcionamiento. Adquirir experiencia en el manejo de la unidad de secado, con el fin de aplicarla a nivel industrial. Comparar los datos prácticos obtenidos con los teóricos a fin de establecer los posibles márgenes de

error y sus causas.OBJETIVOS INSTRUCCIONALES. Revisar el balance de materia y energía correspondiente a la cámara de secado y al calentador. Con los datos experimentales obtenidos se busca elaborar las siguientes gráficas: Humedad del compuesto Vs Tiempo.

Velocidad de secado Vs Humedad.Velocidad de secado Vs Tiempo.

Realizar el correspondiente análisis de las gráficas.

2. MARCO TEORICO.

El secado de los alimentos implica procesos de transferencia de masa calor y cantidad de movimiento. La unidad de secado depende principalmente de la aplicación de calor para vaporizar el agua contenida en el sólido, a través de un proceso de difusión del agua desde el sólido hasta su superficie y luego de la superficie hacia el aire. El secado de un producto depende de la estructura de este y de los parámetros de secado como dimensiones del producto, velocidades de transferencias superficiales, contenido de humedad, temperatura del medio de calentamiento y contenido de humedad en equilibrio. La difusión de agua desde el sólido hacia el aire se realizara hasta que se alcancé el equilibrio entre estos dos, desde este momento el proceso de secado ya no se puede realizar bajo estas condiciones. La humedad de un alimento sólido es retirada de dos formas, la llamada agua ligada y la llamada agua libre. El agua ligada ejerce una presión de vapor de equilibrio menor que la del agua libre a la misma temperatura. La humedad en forma de agua ligada puede ser detenida por tapilares finos, o adsorbidos sobre la superficie o dentro de una célula o paredes fibrosas o en combinación fisicoquímica con el sólido. El agua libre ejerce una presión de vapor de equilibrio igual a la del agua pura a la misma temperatura. La humedad en forma de agua libre puede estar detenida en los espacios vacíos de los alimentos sólidos. La distinción entre agua ligada y agua libre es una característica del material alimenticio en consideración. Si se seca un alimento en aire de una determinada humedad relativa se elimina la mayor parte del agua libre y parte del agua ligada. Esta consiste en la humedad libre por arriba del contenido de humedad de equilibrio correspondiente a la condición de aire. La distinción entre contenido en equilibrio y contenido de humedad libre depende de la naturaleza de los sólidos por secar y las condiciones de aire de secado. Con respecto a lo anterior los mecanismos de secado se clasifican en:

1. Evaporación a partir de una superficie libre, que sigue las leyes de la transferencia de calor y masa desde un objeto húmedo.

2. Flujo líquido en capilares.3. Difusión del líquido o vapor, que sigue la segunda ley de difusión de Fick.

El secado podría implicar varios modos de transferencia de calor como convección, conducción o radiación. En el secado convectivo, el medio de calentamiento normalmente es aire, se pone en contacto directo con el material sólido e inicia la difusión de vapores de agua a partir y dentro del material alimenticio.

Varios secadores de horno giratorios, de lecho fluidificado, por aspersión y de tipo instantáneo son ejemplos característicos de secado convectivo. El secado conductivo en medio de calentamiento por lo general vapor, esta separado del sólido por una superficie caliente conductora como en los secadores de tambor, de cono y de tolva, cualquiera de los cuales podría operarse en condiciones de vacío. En el secado por radiación, el calor se transmite únicamente como energía radiante. Algunos secadores emplean también energía de microondas para secar materiales alimenticios a vacío o a presión atmosférica.

2. 1 Comportamiento de los sólidos ante el secado. Gran parte de los sólidos presentan un patrón general de comportamiento, cuando son sometidos a procesos de secado, el cual se explica a continuación:Una vez iniciada la operación el sólido cambia su temperatura hasta alcanzar la de estado estable ya sea que este aumente o disminuya. Cuando se logran estas condiciones el secado es bastante estable y ha esta etapa se le conoce como período de velocidad constante de secado. En este periodo el secado se hace sobre una superficie saturada de líquido y el sólido no tiene una influencia directa sobre el secado, más si en sudoración. Dicha etapa se caracteriza por presentarse una taza de variación uniforme del peso del sólido.La anterior etapa termina cuando el sólido alcance el contenido de humedad crítica que marca el momento donde comienzan a producirse puntos de sequedad debido a la reducción de la película superficial. En este momento se presenta una reducción de la velocidad de secado que se denomina primer período de velocidad decreciente. La característica más importante en este periodo es que la curva de velocidad de secado contra la humedad tiende a ser lineal la situación anterior continua hasta que ya no existe un área saturada de líquido y el proceso es controlado por mecanismos difusionales debido a esto se le conoce como segundo periodo de caída de velocidad.

2.2 Balance de materia y energía en el secador. El balance de materia en el secador se establece tanto para el sistema continuo como para el de lotes. Este es desarrollado considerando todas las corrientes de entrada y salida del secador y sus respectivos contenidos de humedad.El balance de energía se plantea considerando el aporte calorífico al sistema y los requerimientos para la vaporización del agua contenida en el material alimenticio. En el caso de un secador por lotes el medio que propicia la remoción de agua es el calor indirecto o vapor de agua en el aire.

2.2.1 Balance de Materia en la cámara de secado.M s.s. (X1 – X2) = M a.s. (H4 - H3) = Masa de Agua evaporada.

Kg de agua perdido por el sólido = Masa inicial de muestra – masa final de muestra Kg de agua ganado por el aire = (Masa de aire seco * humedad inicial en base seca) – (Masa de aire seco * humedad final en base seca)

2.2.2 Balance de Materia en el Calentador.Masa de Agua en el aire húmedo inicial = Masa de Agua en el aire caliente.Masa de Aire inicial = Masa de Aire caliente.

2.2.3 Balance de Energía en la Cámara de Secado.Cp en base seca s.h. = Cp s.s. + X *Cp H20

Cp en base seca a.h. = Cp a.s. + X * Cp H20

M1*h1 + M3*h3 = M2*h2 + M4*h4 (en base seca).M1 = M2 = M s.s. M3 = M4 = M a.s.h1 = Cp s.h. (T1- T0)Cp s.h. = Cp s.s. + (masa H2O)1* Cp H20

Masa s.s.

h2 = Cp s.h. (T2 – T0) Cp s.h. = Cp s.s + (masa H2O)2* Cp H20

Masa s.s.

h3 = Cp a.h. (T3 - T0)Cp a.h. = Cp a.s. + (masa H2O)3* Cp H20

Masa a.s.

h4 = Cp a.h. (T4 - T0)Cp a.h. = Cp a.s. + (masa H2O)4* Cp H20

Masa a.s.

M1 (h1-h2) = M3 (h4-h3)Calor que gana el sólido = Calor que pierde el aire.

2.2.4 Balance de Energía en el Calentador.

Q del aire = Q suministrado por el calentador.Q del aire = M a.s. (h1 – h0) Q del aire = M a.s. Cp a.h.(base seca) * (T1- T0)

Q suministrador por el calentador = P*tQ suministrador por el calentador = V*I*t

Nota: Si existen pérdidas entre el calor suministrado por el calentador y el calor real del aire entonces es necesario establecer el porcentaje de pérdidas.Q perdido / Q suministrado * 100 %

2.3 Velocidad de secado

Na = m s.s. / A *(-dx/dt) Na = Masa de agua evaporada/ Área de sección transversal en el calentador * tiempo.

2.4. Coeficiente Global de transferencia de calor.

Ua = ____Calor de secado____ Volumen Secador * LMTD

Siendo LMTD = (Ts – t1) – ( T2 – t2) Ln Ts – t1

t2 – T2

Nota:M s. s. = Masa del sólido seco.M a.s. = Masa de aire seco.a.h. = aire húmedo.a.s. = aire seco.X = porcentaje de humedad en base seca.H = Humedad en base seca.h = entalpía.Cp = capacidad calorífica.V = Voltaje.I = Amperaje.

T = temperatura.t = tiempo.Q = calor.P = potencia.t1 = Temperatura inicial del sólido húmedo.t2= Temperatura final del sólido húmedo. Ts = Temperatura del aire a la entrada del calentador.T2 = Temperatura del aire a la salida del calentador.

2.5 Descripción del equipo. La unidad de Secado es un secador de compartimientos en el cual se utiliza vapor de agua como calor indirecto para la remoción de humedad de un material. El sistema es operado por lotes.

2.5.1 Componentes principales.

Cámara de secado: Construida en acero inoxidable 304 con una capacidad para diez bandejas. La cámara se encuentra aislada térmicamente. Cuenta con medición de temperatura tanto a la entrada como a la salida del aire.Soplador: De ¾ HP de potencia y con flujo máximo de 800 m3/h. Opera un voltaje de 220 V. El flujo de aire se puede modificar cambiando la apertura de los dampers localizados a la salida del soplador.Tanque de alimentación: Construido en acero inoxidable 304. Tiene una chaqueta para calentamiento con vapor. Cuenta con su tapa en acero inoxidable y tiene una válvula de seguridad con disparo 25 psi. Su función se centra en modificar la temperatura del agua de alimentación a la torre humidificadora.Columna humidificadora: Con un empaque de tercera generación, construida en acero inoxidable 304. Se encuentra aislada térmicamente y sin ningún relleno.Panel de resistencias: Caja en acero inoxidable 304. Incluye seis resistencias de 1 Kw. Que operan a un voltaje de 220 V.Bomba de alimentación: Construida en hierro. Trabaja 110 V y su potencia es de 0.5 HP.

2.5.2 Instrumentación de proceso

Termocuplas tipo J. Manómetro de carátula hasta 15 psi.

Balanza digital con precisión de 1 gr. Rotámetro para agua.

Anemómetro digital. Temohidrómetro digital.

2.5.3 Tablero de control. Consta de amperímetro, termómetro digital, pilotos de incendio, selector de seis canales, contactor y protector térmico, controlador de temperatura.

2.6 Corrientes. El sistema de secado involucra las siguientes corrientes:

-Alimentación de muestra al equipo. La muestra se carga en la bandeja por tandas, abriendo la puerta de la cámara de secado. Con una previa determinación del peso y la humedad de la muestra.-Producto. Con intervalos de tiempo se abre la puerta de la cámara de secado, se chequea la pérdida de peso de la muestra y se vuelve a cargar. Cuando se alcanza el nivel de humedad deseado se da fin al proceso.-Vapor de calefacción. Va desde la línea principal de vapor hasta el cabezal de las placas huecas del secador. Regulando el flujo y controlando la presión de suministro.-Condensado. Desde el cabezal de descargue de condensado de las placas huecas y pasando por el filtro la trampa de vapor. Se mide su caudal, temperatura.-Humedad Vaporizada. Desde la cámara de secado se descarga la humedad removida del sólido y, por tubería, pasa el condensador a la torre humidificadora donde se condensa dentro de los tubos.-Agua de enfriamiento. Va desde la línea principal hasta la columna humidificadora donde fluye por la carcaza.

3. MATERIALES Y METODOS3.1 Equipos y materiales.

Unidad de secado. Cronómetro digital. Mufla. Balanza digital con precisión de 1 gr.

Anemómetro digital. Temohigrómetro digital. Piña.

3.2 Procedimiento.1. El material a secar será fruta por su alto contenido en agua. Recomendamos secar piña pelada y

cortada en forma de rodajas. 2. Calcule el peso inicial de la muestra, y la masa de sólidos secos al secar la muestra en una mufla

durante 48 horas y a una temperatura de 60°C, la humedad inicial se debe calcular a través de la siguiente fórmula:

(Masa inicial – Masa de sólidos secos) = Humedad inicial de la muestra en base seca. Masa de sólidos secos

3. Determinar el área de cada rodaja de piña, la sumatoria de las mismas, corresponderá al área transversal del lecho.

4. Abra el Damper (D2) para permitir el flujo de aire a través del secador. Encienda el soplador y ajuste el gasto requerido, regulando el Damper (D1). Calcule la humedad del aire en el ambiente, con la ayuda de un termohigrómetro.

5. El Damper (Cortina D3) debe encontrarse cerrada para que no haya recirculación de aire. Se debe aislar el sistema de humidificación (cerrando la válvula 3), también es necesario evitar fugas (cerrar válvula 6, 4 y 5). Abra el Damper (D4) para permitir el flujo de aire hacia el medio, en esta boquilla de salida calcule el caudal, midiendo primero el área y la velocidad de flujo con ayuda de un anemómetro.

6. Colocar la balanza en el lugar adecuado con el fin de medir el cambio en el peso de la bandeja superior.

7. Encienda el calentador de aire y ajústelo a una temperatura de 45°C. Deje que pasen 10 minutos para que el aparato alcance las condiciones de estado estacionario. Para cada practica es posible variar la temperatura de secado así: Primer grupo: 45°C Segundo grupo: 50°C Tercer grupo: 55°C Cuarto grupo: 60°C

Quinto grupo: 55°C Sexto grupo: 50°C Séptimo grupo: 45°C

8. Antes de llevar la muestra a la cámara de secado, es necesario determinar su temperatura, para esto, mida la temperatura del ambiente cerca al material a secar con un termohigrometro. Seguidamente coloque la muestra dentro de la cámara de secado, de tal manera que el flujo de aire se realice en forma ascendente.

9. Empiece la toma de tiempo y registre la masa de la muestra en el tiempo cero. 10. Mida el peso de la muestra a intervalos cortos de tiempo inicialmente cada minuto, extienda

gradualmente el periodo conforme avance el secado a intervalos aproximadamente de 5 minutos y después cada 15 minutos.

11. Determine la temperatura del aire antes del calentador, a la entrada de la cámara de secado y a la salida de la cámara, con ayuda de las termocuplas que se encuentran instaladas en estos lugares. La temperatura del material al final del secado será la misma que la que tiene la cámara en la entrada.

12. Continué el proceso de secado mínimo durante 45 minutos.13. Mida la humedad del aire y su temperatura a la salida del Damper (D4) con la ayuda de un

termohigrómetro, cada 15 minutos. La humedad con la que entra el aire a la cámara de secado es la misma del medio ambiente, puesto que en el calentador se agrega calor al aire pero no humedad.

14. Calcular la humedad final de la muestra, que será la misma humedad de equilibrio, esta se determinara con la formula:

(Masa de sólido después de secado – Masa de sólidos secos)* = Humedad final de la muestra masa de sólidos secos en base seca

Debemos tener en cuenta que la masa de sólidos secos no cambia y esta ya fue determinada con anterioridad en la mufla.15. Anotar la medida del amperaje y voltaje suministrado al calentador.16. El equipo de secado se apagará cuando se alcance una humedad de equilibrio en la muestra, es

decir que la humedad del material ha secar no varia con respecto al tiempo de secado. Primero es necesario retirar el sólido, luego apagar las resistencias eléctricas (calentador) y el controlador de temperatura, finalmente se debe apagar el soplador.

3.2.1 Tratamiento de datos.

DATOS PARA LA OPERACIÓN DE SECADO.

TIEMPO (min.) Peso sólido (gr.) Humedad sólido en base seca

Velocidad de secado Na

Aire Humedad Relativa Temperatura ( °C)

Tiempo (minutos) Temperatura de salida (°C)

Humedad relativa del aire (%)

Salida del aire de la cámara de secado

Ambiente

Cámara de Secado

Salida de la cámara de Secado (toma de muestra fina)

CARACTERISTICAS DE SÓLIDO A SECAR

SECADOR Peso inicial del sólido a secar (g)Peso final del sólido (g)

MUFLA Peso inicial de la muestra de sólido a secar (g).Peso de la muestra de sólido seco (g).

Área transversal de lecho de piña (m2)

CARACTERISTICAS DE LA BANDEJA DEL SECADOR.

Característica BandejaPeso (g)Área (m2)

4. RESULTADOS Y DISCUSION

1. Calcule la velocidad de secado (ver marco teórico).2. Elabore las gráficas correspondientes a:

Humedad de la muestra vs. Tiempo. Velocidad de secado vs. humedad.

Velocidad de secado vs. Tiempo.

3. Calcule la potencia del calentador con los datos de voltaje y amperaje.4. Comprobar los balances de materia y energía respectivos para calentador y cámara de secado, es

necesario calcular a través de fórmulas la masa de aire seco en el balance de masa de la cámara de secado para hallar el calor ganado por el aire en el calentador, en el balance de energía del mismo (ver marco teórico).

Nota: Determinar la humedad del aire en base seca con ayuda del diagrama psicométrico, utilizando la temperatura de bulbo seco y la humedad relativa obtenidas en la práctica.

5. Calcule el coeficiente volumétrico global de transferencia de calor (Ua).