Practica Secado Bioseparaciones

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

UNIDAD PROFESIONAL INTERDISCIPLINARIA DE BIOTECNOLOGÍA

LABORATORIO bioseparaciones

PRACTICA NO. 12“ SECADO POR ASPERSION”

GRUPO: 6AM3 EQUIPO: 4

INTEGRANTES:GARCÍA PERFECTO VERONICAHERNÁNDEZ VEGA ROBERTO

FRANCO FRANCO VICTOR CIRILOPEREZ VENEGAS MARIO

RUBIO GUTIERREZ JUAN CARLOS

Profesores:RIVERA HERNÁNDEZ AGUSTÍN

NUEVO ESPINOZA NADIA

FECHA DE ENTREGA: 12/MARZO/2013

LABORATORIO DE BIOSEPARACIONES PARACTICA No.14 UPIBI-IPN

UNIDAD PROFESIONAL INTERDISCIPLINARIA DE BIOTECNOLOGIADEPARTAMENTO DE BIOINGENIERÍA

LABORATORIO DE BIOSEPARACIONES

GUIA DE OBSERVACIÓN para Evaluar el reporte escrito.

NOMBRE DE LA PRACTICA: SECADO % % Asignado

1 El reporte fue entregado en el tiempo establecido.

Obligatorio2 Presenta orden y limpieza. 3 Utiliza vocabulario propio de la práctica, presentando buena ortografía y redacción.4 En los fundamentos presenta el principio de separación y las características generales de los

equipos utilizados, mencionando también las aplicaciones. (una cuartilla como máximo) 5

5 Presenta Diagrama de Flujo Obligatorio

6 Presenta el diagrama de flujo con la simbología correcta para cada uno de los equipos e incluye todas las etapas del proceso. (Este deberá de ser de fácil visualización e interpretación) 10

7 En el diagrama indica con simbología las condiciones de operación ( flujos, presiones, temperaturas) 3

8 Indica en el DFP la nomenclatura y numeración correcta de cada uno de los equipos y corrientes involucradas 3

9 Incluye un cuadro de balance junto con el DFPObligatorio

10 En el cuadro de balance incluye los flujos y /o composiciones de entrada y de salida en congruencia con las cantidades de materia prima entrante y los resultados obtenidos 4

11 Presenta los resultados de manera clara y ordenadaObligatorio

12 Presenta los resultados obtenidos en tablas, gráficas y figuras adecuadamente citados.10

13 Presenta el porcentaje de eficiencia y rendimiento del proceso con respecto a lo solicitado en la práctica o teóricamente (referenciado) 5

14 Presenta Análisis de Resultados Obligatorio

15 Analiza el comportamiento de los resultados y los compara con lo esperado teóricamente justificando dicho comportamiento mediante citas de referencias bibliográficas en caso de haberlas. 8

16 Discute las posibles fuentes de error que intervinieron en el rendimiento y la eficiencia del proceso. 5

17 Hace referencia de las tablas y gráficos en al análisis de resultados 7

19 Presenta conclusiones Obligatorio

20 Plantea conclusiones basadas en el análisis de los resultados y en total congruencia con los objetivos planteados. 5

21 Presenta conclusiones basadas en el proceso de separación estudiado, sin reproducir fundamentos de la operación unitaria empleada. 5

22 Proponer mejoras y recomendaciones para trabajos posteriores basadas en la experiencia. 5

23 Contiene referencias apropiadas y suficientes. Donde se incluyen libros, artículos de revistas y páginas electrónicas.

Obligatoria

24 Presenta un Anexo donde se resuelve la secuencia de cálculo mediante uso de algún programa de computo (Excel, Mathcad, etc.).

Obligatoria

25 En el anexo se encuentran las curvas de calibración. Obligatoria

26 Presenta una guía de operación del equipo con fotografías y cada una de las partes que lo constituyen

5

27 Presenta una guía de operación del equipo que incluye:, equipos auxiliares , instrumentos de control y medición, y servicios requeridos por el mismo , sin reproducir manuales de operación del proveedor

5

28 El manual presenta congruencia en cada uno de los pasos a seguir para operar el equipo 1029 Establece las precauciones para el buen funcionamiento del equipo así como las medidas de

seguridad requeridas para manipular los reactivos involucrados en la practica 5

OBSERVACIONES. El porcentaje final se pondera a 3 puntos (valor que se le ha asignado al reporte) CALIFICACIÓN

2


PRACTICA No. 12“SECADO POR ASPERSION”

1. OBJETIVOS

OBJETIVO GENERALAdquirir los conocimientos y habilidades básicas involucrados durante un proceso de secado

OBJETIVOS PARTICULARES Identificar las principales variables involucradas en un proceso de secado Operar un equipo de secado a nivel laboratorio

2. INTRODUCCIÓN

SecadoSe efectúa removiendo la humedad a temperaturas menores a la de ebullición del agua usando aire o gases calientes provenientes de una combustión. Existen varios tipos de operaciones de secado, que se diferencian entre sí por la metodología seguida en el procedimiento de secado; puede ser por eliminación de agua de una solución mediante el proceso de ebullición en ausencia de aire; también puede ser por eliminación de agua mediante adsorción de un sólido, y por reducción del contenido de líquido en un sólido, hasta un valor determinado mediante evaporación en presencia de un gas.

Clasificación de los secadoresLos secadores se clasifican según:

El método de transmisión de calor a los sólidos húmedos Secadores directos. Secadores indirectos. Secadores diversos. Secadores discontinuos o por lote. Secadores continuos. Secadores para sólidos granulares o rígidos y pastas semisólidas.

Secadores que pueden aceptar alimentaciones líquidas o suspensiones. El primer método de clasificación revela las diferencias en el diseño y el funcionamiento del secador, mientras que el segundo es más útil para seleccionar entre un grupo de secadores que se someten a una consideración preliminar en relación con un problema de desecación específico.

Secador por aspersión.

3


Consta de tres etapas básicas, el secado por aspersión comienza con la atomización de una alimentación de un líquido en un espray o finas gotas, el espray entra en contacto y es suspendido por una corriente de gas caliente, permitiendo la evaporación del líquido y sacando el sólido seco, en esencial con el mismo tamaño y forma que las gotas atomizadas. Finalmente, de la corriente Degas, el polvo seco es separado y colectado. El gas de secado empleado es tratado para alcanzar los requerimientos ambientales y entonces ser emitido a la atmósfera o, en algunos casos, recirculado al sistema.

La atomización puede ser: Atomización centrifuga:

Emplea una rueda o disco rotatorio para romper la corriente de líquido en pequeñas gotas, estos dispositivos funcionan normalmente en el rango de 5.000 a 25.000 RPM con diámetros de rueda de 5 a 50 cm.

Atomización con boquilla neumática: Aquí el líquido es presurizado por medio de una bomba y forzado a pasar a través de un orificio para romper el líquido en finas gotas. El tamaño de los orificios está en el rango de 0.5 a 3 mm.

Atomización sónica: Aquí, energía ultrasónica es utilizada al hacer pasar el líquido sobre una superficie vibrando a frecuencias ultrasónicas. Estos sistemas son apropiados para producir gotitas muy finas a bajos flujos.

3. DIAGRAMA DE FLUJO

4


4. RESULTADOS

Tabla 1.0 Mediciones de temperatura en el equipo de secado por aspersióntiempo en (min) temperatura del bulbo seco temperatura del bulbo húmedo

entrada salida entrada salida0 96 77 37 275 96 72 33 32

10 95 68 35 3115 123 82 38 3520 145 93 54 3725 148 101 48 3830 144 98 45 3835 144 81 49 3840 145 63 48 3645 144 90 54 3450 144 99 50 4455 145 95 45 42

Σ=145 Σ=90 Σ=44.5 Σ=36.8En la tabla se muestran las temperaturas de bulbo húmedo y seco tanto a la entrada como a la salida registradas en el

secador durante el tiempo en que se operaba con una solución de leche

Tabla 2.0 Condiciones de operación del equipoFlujo de entrada de la

solución al secador0.2719 mL/s

Velocidad del aire en la entrada

15.3 m/s

Solución utilizada 270 mLLeche en polvo contenida en la

solución32.4 g

Humedad de sólidos en la entrada

72.73 %

Tiempo de operación 55 min

Nota: los solutos recuperados fueron 6.6 g con un 4% de humedad por lo que la cantidad de solidos secos es de 6.336 g

5

En la tabla 2.0 se muestra las condiciones a las cuales se operó el secador por aspersión así como el

contenido inicial de la solución que se alimentoEn la tabla 3.0 se presentan las cantidades de solutos

recuperados al final de la operación de secado

Tabla 3.0 Propiedades y recuperación de solidos

Soluto recuperado 6.6 gHumedad de

solutos en la salida (recuperados)

4%

Densidad de la leche

1.036 g/mL

Cp leche 0.955 kcal/kgºCCp agua 1 kcal/kgºC


Solidos secos recuperados=6.6 g−(6.6∗0.04 )=6.33

0 10 20 30 40 50 600

20

40

60

80

100

120

140

160

Grafico 1.0temperaturas registradas durante el secado

temp de entrada de bulbo secotemperatura de bulbo humedo de entradatemperatura de bulbo seco de salidatemp de bulbo humedo de salida

tiempo en min

tem

pera

tura

°C

0 10 20 30 40 50 600

10

20

30

40

50

60

Grafico 2.0 temperaturas de bulbo humedo

entrada bulbo humedo salida bulbo humedo.

Balance de materia

Balance con respecto a la leche (solidos)

Calculando el flujo de solidos a la salida del secador:

entradade solidos=salidade solidos

6


F entrada ( XS E )=F salida (X SS )

Fentrada (X E )(X S )

=F salida

F salida=0.22Kg /h (0.107 Kgsolido

Kg totales )(0.96 Kgsolido

Kg totales )=0.0245Kg /h

Donde

Flujo de entrada;F entrada=0.22Kg /h

Fracción de solido calculada como Kg solidoKgtotales

X SE=0.0324Kg solido0.3024Kg totales

=0.107 Kg solidoKg totales

X SS=6.336 x10−3Kg solido6.6 x 10−3Kg totales

=0.96 Kg solidoKgtotales

Balance con respecto al agua

Calculando el agua evaporada durante el proceso de secado

Aguaevaporada=aguaa laentrada−aguaenel producto

aguaevaporada=(F ¿¿entrada) (X AE )−F salida (X A S)¿

aguaevaporada=0.22Kg /h (0.893 )−0.0245Kg /h(0.04)

aguaeva porada=¿0.195 Kg/h

Dónde:

La fracción de solido calculada como Kgagua

Kgtotales X Agua entrada=1−0.107=0.893

X Agua salida=1−0.96=0.04

Balance de energía

7


Usando la siguiente ecuación:

G (H 2−H 1 )=aguaevaporada (kg /h)

Donde:

H 1 Se encuentra en un carta psicométrica con los datos del aire de entrada (kg agua/ Kg de aire seco)

Para buscar en la carta psicométrica se necesita:Temperatura de bulbo seco= 150 ºCTemperatura de bulbo húmedo= 49.5 ºC

H1=0.041 kgagua

kgde aire seco

G (H 2−0.041 )=0.195Kg /h

Nota: se realizó un promedio de las temperaturas de bulbo seco y bulbo húmedo a la entrada del secador de la tabla 1.0, estos promedios fueron los empleados para encontrar H1 en la cata psicométrica

El balance de energía está dado por:

Entalpia de alimentación + entalpia del aire a la entrada= entalpia del producto + entalpia del aire a la salida

Calculando la entalpia de la alimentación:

entalpia alimentacion=(F ¿¿entrada)( XSE ) (CpS ) (T amb−T referencia )+(F¿¿ entrada) (X AE ) (CpA ) (Tamb−Treferencia )¿¿

¿(0.22 Kgh )(0.107 Kg solido

Kg totales )(0.955 kcalkgºC ) (25 ºC−0 )+(0.22Kg /h) (0.893 )(1 kcal

kgºC ) (25 ºC−0 )

entalpia alimentacion=5.47 kcalh

Calculando la entalpia del producto:

entalpia producto=(F¿¿ salida)( XS S ) (CpS ) (T solido S−T referencia )+(F¿¿ entrada) (X A S ) (CpA ) (T agua S−T referencia )¿¿

(0.0245Kg /h )(0.96 Kg solidoKg totales )(0.955 kcal

kgºC ) (89 ºC−0 )+(0.0245Kg /h)(0.04 )(1 kcalkgºC )(89 ºC−0 )

entalpia producto=2.086 kcalh

8


Calculando la entalpia del aire a la entrada:

Entalpia=G (1.005+1.884H 1 )T aire E+2502H 1[ KJkgde aireseco ]( Kcal

4.187KJ )Entalpia=G((1.005+1.884(0.041 kg agua

kg deaire seco ))145 º C+2502(0.041 kg aguakg deaire seco )[ KJ

kgde aireseco ])( Kcal4.187KJ )

entalpia deentradade aire=61.98∗GKcal

h

Calculando la entalpia del aire a la salida:

entalpia=G (1.005+1.884H 2)T aire S+2502H 2[ KJkgde aire seco ]( Kcal

4.187KJ )¿G (1.005+1.884H 2 )90 º C+2502H 2[ KJ

kgdeaire seco ]( Kcal4.187KJ )

¿G {90.45+2671.56H 2 } [ KJkgde aire seco ]( Kcal

4.187KJ )entalpia deaire a la salida=G {21.6+638H 2 }(Kcal

h )=21.6∗G+638∗G H 2

El balance de energía por lo tanto queda:

Entalpia de alimentación + entalpia del aire a la entrada= entalpia del producto + entalpia del aire a la salida

5.47kcalh

+61.98∗GKcal

h=2.086 kcal

h+21.6∗G+638∗GH 2

Resolviendo simultáneamente con la ecuación de balance:G (H 2−0.041 )=0.195Kg /h

Resolviendo ambas ecuaciones:

H 2=0.0639kgagua

kg deaire secoyG=8.51 Kh

h

Donde H2 es la humedad del aire a la salida, obsérvese que es mayor a H1 pues el agua contenida en la solución inicial se transfirió al aire y por eso hay mayor humedad en el aire a la salida del secador. G es el flujo masico de aire a la salida

9


Eficiencia térmica global

Φglobal=100(T 1−T2 )(T 1−T0)

Φglobal=100(145−90 )(145−25)

Φglobal=45.83%

Donde

T 1 Es la temperatura del aire caliente a la entrada

T 2Temperatura del aire caliente a la salida

T 0 Temperatura del aire atmosférico

Porcentaje de recuperación

Gramosde soluto recuperadosgramosde soluto inicales

∗100=6.336 gde solido32.4 gde solido

∗100=19.55%

5. ANALISIS DE RESULTADOS

Mediante los datos descritos anteriormente se caracteriza el proceso de secado de leche de una suspensión previamente preparada, mediante el balance de materia como se describe en la sección de resultados, se logra determinar la cantidad de agua evaporada durante el proceso, este valor resulto de 0.195 Kg/h y ya que el proceso duro 55 min=0.916h se tiene que se evaporaron 178.75 g de agua de los presentes 270 g iniciales de la solución, de aquí nos surge la pregunta de ¡donde quedo el agua restante?, para explicar esto se determinó la humedad en el sólido recuperado la cual fue aproximadamente 4% además durante el proceso se tuvieron momentos en los cuales la boquilla de aspersión se tapaba y cuando se volvía a regular la reducción de partículas de la solución había salidas de leche en chorro las cuales no se secaron y quedaron en la superficie

10


de la cámara de secado, estas representan perdidas que obtuvimos debido a la operación del equipo.

Posteriormente se realiza un balance de energía, el cual nos proporciona la humedad total del aire a la salida y el flujo del mismo, cabe resaltar que la humedad del aire de entrada fue determinada de la carta psicométrica como se explica en la sección de resultados todo esto mediante la medición de temperaturas de bulbo húmedo y seco durante el proceso de secado, los resultados

eran de esperarse; es decir, se obtuvo una humedad inicial del aire de H1=0.041 kgagua

kgde aire seco y

una humedad del aire de salida de H 2=0.0639kgagua

kg deaire seco es decir, el aire a la salida

contenía más agua que a la entrada, esto es de esperarse pues el agua de la solución se transfirió al aire y por lo tanto se obtuvieron los sólidos con un menor porcentaje de humedad.Es interesante observar el comportamiento descrito anteriormente del aire a la entrada y a la salida con la gráfica 2.0 y 1.0 la cual nos muestra las lecturas de temperatura de bulbo húmedo y bulbo seco tanto a la entrada y a la salida, recordemos que la temperatura de bulbo húmedo es una manera indirecta de medir la humedad en el aire, es decir una aire que no esté saturado (seco) provocara una lectura de bulbo húmedo baja debido a que el agua que se encuentra en la gasa del termómetro se evapora, por otro lado si el aire esta mas saturado la trasferencia de masa se verá limitada debido a la humedad que ya contiene el aire, así, la diferencia entre el bulbo seco y e bulbo húmedo es de 100 grados centígrados mientras que a la salida es de 53.2, es decir como a la entrada el aire estaba relativamente insaturado hizo que la temperatura del bulbo húmedo con respecto a la del seco sea grande, mientras que al final la diferencia entre bulbo seco y húmedo es menor puesto que el aire ya se encontraba más saturado.

En cuanto a la eficiencia termia global, esta nos habla de la cantidad de energía que fue utilizada durante el proceso de secado, descrita en relación a las temperaturas del aire a la entrada y a la salida, es decir la trasferencia de calor del aire caliente a las partículas para secarlas, esta resulto de 45.83%. en cuanto al rendimiento de la operación, este resulto ser muy bajo, del 20% aproximadamente, esto debido principalmente a lo que mencionábamos antes, que había fallas en el equipo y en ocasiones la solución no se dispersaba en partículas pequeñas por el aspersor y caía en forma de chorro, esto no se secaba y se quedaba adherido a la pared de la cámara de secado, además de que se pudo quedar restos de leche sedimentados en la bomba o las mangueras de alimentación.

A continuación se menciona el efecto de las variables del proceso de secado.

Velocidad del fluido.Cuando en un proceso la transferencia de calor es de tipo convectivo y no conductivo o por radiación, la velocidad del aire no toma importancia, ya que, la transferencia de calor se realiza por el fluido caliente, en este caso aire, y no importan la transferencia desde el fluido mediado por la partícula que se está secando, es decir, el proceso solo involucra la transferencia de calor desde el fluido y no la resistencia del material a transferir la energía o incorporarla a su estructura, de esta forma, la velocidad del aire en el proceso no influye a menos que el proceso de transferencia de calor sea conductivo o por radiación.

11


Tamaño de partícula.El tamaño de partícula es muy importante durante el proceso de secado por aspersión, debido a que si las partículas tienen un tamaño reducido entonces la transferencia de calor se llevara a cabo de manera más rápida, debido a que cuando se reduce el tamaño de cualquier material se está elevando el área superficial con la cual las partículas pueden hacer contacto con el fluido para así llevar a cabo el proceso de secado, y además, se facilita la conducción del fluido a través de las partículas por tanto, la eficiencia del fluido en el proceso es mayor.

Temperatura del fluido.Es claro que cuando se aumenta la temperatura del fluido, se pretende hacer más eficiente el proceso, ya que cuando existe una temperatura adecuada del fluido este puede remover con mayor velocidad el solvente que se desee eliminar, en el caso del secado por aspersión, la temperatura del aire que se utiliza tiene que ser adecuada para el tipo de solido que quiere secarse, y no rebasar la temperatura por la cual el sólido sufre una descomposición.

Área de flujo.El área por la cual se hace fluir el fluido caliente es importante debido al tipo de transferencia que se está llevando a cabo en el proceso, como se menciono antes, la transferencia de calor se realiza de manera convectiva y por tanto el calor se transfiere sin la necesidad de un contacto directo, pero, para este proceso es importante que la partícula que se esa secando pueda ser rodeada por el fluido para realizar la transferencia de manera eficiente, además, si el área de flujo no es la adecuada puede ocurrir, en el caso de que sea muy grande, que el calor se disipe a lo largo del equipo o se pierda por contacto con las paredes, y si es muy pequeña, que el material no alcance la temperatura correcta para ser secado, y retenga una humedad considerable.

6. CONCLUSIONES

Se identificaron las partes de un secador por aspersión a nivel laboratorio, así como el principio de la operación y funcionamiento del equipo.

Se identificó que las variables que afectan el proceso de secado son temperatura, flujo de aire dentro de la cámara de secado, humedad del aire a la entrada y el tipo de aspersor usado.

En la operación de secado, es importante controlar la humedad del producto en función del tiempo y temperatura desecado.

La eficiencia de la operación de secado de leche, indica que el sistema de calentamiento no fue estable con una pérdida de calor no aceptable y el proceso de secado se desarrollo en malas condiciones de operación.

7. RECOMENDACIONES

Arregla o cambiar el aspersor puesto que no funcionaba adecuadamente durante el trascurso de la operación, lo cual nos llevaba a pérdidas y un bajo rendimiento.

12


Es recomendable preparar menos cantidad de solución inicial, puesto que en nuestro caso preparamos una cantidad inicial pero solo logramos ingresar al equipo 270 mL, por lo que se desperdició leche para preparar la solución inicial.

8. BIBLIOGRAFIA

Geankoplis C. (2006) Procesos de Transporte y Operaciones Unitarias. CECSA, 4ª edición, Mexico

Tejeda M. A. et al (1995) Bioseparaciones. Editorial unisol. Hermosillo. Sonora. Mc Cabe. Smith. (1998) Operaciones Basicas de ingeniería Química. Mc Graw Hill. 4ta

Edicion Ibarz Albert (2005) Operaciones unitarias en la ingeniería de alimentos. Ediciones Mundi-

Prensa, pp. 653

PROTOCOLO DE OPERACIÓN DE L SECADO POR ASPERSION

1. Comenzar encendiendo el equipo a determinada temperatura del soplador

2. Medir la temperatura del aire de entrada y salida

3. Cuando se esté seguro de que se comenzará el proceso, abrir la llave de vapor y controlar la temperatura del aire de entrada. Encender el soplador. Se recomienda manejar una Presión de1 a 1.5 Psi.

4. Esperar a que la Temperatura del aire del secador sea la adecuada antes de colocar la muestra de alimentación, una vez alcanzada la temperatura, conectar la alimentación al aspersor en la parte superior del equipo y regular el flujo de la bomba peristáltica.

5. Dejar que fluya la alimentación e ir observando la acumulación de polvo en el ciclón, controlar que no se recupere mucha humedad y que no se volatilice demasiado polvo recuperado

13


6. Recolectar todo el polvo que quedo en el ciclón para pesarla y así obtener nuestro rendimiento y humedad de los solidos obtenidos

7. Hacer una corrida con agua para limpiar el equipo, una vez limpio y seco desconectar el equipo.

Figura 1.0 secador por aspersión del laboratorio de bioseparaciones

14

Documents

Practica Secado Bioseparaciones