Balance de energia y materia en un horno panadero

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA E.A.P INGENIERÍA QUÍMICA E.A.P. INGENIERÍA QUÍMICA INDUSTRIAL DEPARTAMENTO ACADÉMICO DE INGENIERÍA QUÍMICA

TERMODINÁMICA DE LOS PROCESOS QUÍMICOS I

APLICACIÓN DE LAS LEYES DE LA TERMODINÁMICA PARA LA EVALUACIÓN DE UN HORNO PANADERO CATEDRÁTICO: INTEGRANTES:

FUENTES LÓPEZ, WALTER SEGUNDO ALVARADO COLLANTES, NICOL HUAMÁN CÁRDENAS, MILAGROS PAOLA HUIZA MANRIQUE, BETZABETH MONTALVO CERRÓN, JUAN JOSÉ NUÑEZ VELASQUEZ, ESNEIBERTH

SEMESTRE:

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HUANCAYO- PERÚ 20-07-2016 1

CONTENIDO

CONTENIDO.................................................................................................... 2 INTRODUCCIÓN.............................................................................................. 3 RESUMEN....................................................................................................... 4 OBJETIVOS...................................................................................................... 5 JUSTIFICACIÓN................................................................................................ 6 CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES....................................................................7 I.

INFORMACIÓN DE LA EMPRESA................................................................9

II. MARCO REFERENCIAL............................................................................... 12 1.1. MARCO CONCEPTUAL:........................................................................12 1.2. MARCO TEÓRICO:............................................................................... 13 1.2.1. CALOR ESTÁNDAR DE REACCIÓN (

)....................................13

1.2.2. PODER CALORÍFICO DE UN COMBUSTIBLE (PC)...........................13 1.2.3. PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA..........................................14 1.2.4. EFICIENCIA TÉRMICA:...................................................................15 1.2.5. SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA:.......................................16 1.2.6. CLASIFICACIÓN DE LOS PROCESOS:.............................................17 1.2.7. BALANCE DE MATERIA:.................................................................17 1.2.8. BALANCE DE ENERGÍA:................................................................18 1.2.9. HORNOS....................................................................................... 18 1.2.10. TRANSFERENCIA DE CALOR POR PAREDES:...............................20 III. OBTENCION Y PROCESAMIENTO DE DATOS EXPERIMENTALES................21 IV. CÁLCULOS............................................................................................... 23 CONCLUSIONES............................................................................................ 26 DISCUSIÓN DE RESULTADOS........................................................................27 ANEXOS........................................................................................................ 29 BIBLIOGRAFÍA............................................................................................... 31

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INTRODUCCIÓN

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RESUMEN El presente trabajo tiene como objetivo general, realizar el balance de materia de la elaboración de pan en la panadería ‘’SAN ROQUE’’ Concepción-Junín, y como objetivos específicos; Describir los Diagramas de Procesos de la elaboración de pan, Determinar el rendimiento del horno y Aplicar el balance de materia y energía en el proceso de elaboración de pan de anís en la panadería “SAN ROQUE” Concepción-Junín; ya que el Balance de Materia y Energía es la herramienta con la que se analiza la situación de estabilidad de un proceso, y para determinar la manera cómo se distribuyen los componentes en los sistemas o entre sistemas en contacto directo. Además es importante mencionar que la empresa se beneficiará con el conocimiento sobre las pérdidas que ocurren en el proceso, para poder disminuirlas y mejorar su producción. También se explica detalle a detalle la elaboración de los diagramas de procesos y cuáles son los factores o variables que influyen en el diagrama.

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OBJETIVOS OBJETIVO GENERAL:  Realizar el balance de materia y energía en la elaboración de pan en la Empresa panadera “San Roque” Concepción-Hyo. OBJETIVOS ESPECÍFICOS:

 Realizar los diagramas de procesos en la elaboración de pan en la Empresa panadera “San Roque” Concepción-Hyo.  Determinar el rendimiento del horno de la Empresa panadera “San Roque”  Aplicar el balance de materia en la elaboración de pan en la Empresa panadera “San Roque”  Aplicar el balance de energía en la elaboración de pan en la Empresa panadera “San Roque”.

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JUSTIFICACIÓN Al realizar los balances de materia y energía se busca poder ayudar a la empresa en el manejo de los insumos y también del combustible detectando posibles pérdidas.

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CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES

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I. INFORMACIÓN DE LA EMPRESA A. RESEÑA HISTÓRICA Su elaboración se remonta a la llegada de los monjes franciscanos del convento de Santa Rosa de Ocopa quienes amasaban un rudimentario pan de anís que con el correr de los años, se extendió a toda la provincia. El “pan de anís” se elaboraba en sus inicios con agua de anís y harina de trigo que se dejaba fermentar con el `concho´ de la chicha de jora y se cocinaba luego en los hornos de barro que le confieren ese olor, ese sabor, y esa textura tan particulares y notorias. Una vez terminada la elaboración, los vendedores trasladaban dos canastas llenas de la olorosa mercancía, ofreciendo sus productos a “lomo de burro” a todas las regiones de concepción (se dice que algunos llegaban hasta Pucará). Los vendedores iban vestidos con terno y las mujeres de gala, con variaciones en las prendas de vestir a través de los años como distintos tipos de poncho o sombreros. Los burros llevaban las canastas repletas de Pan de Anís y de otras variedades y los vendedores 9

montaban en sobre ellos en medio de las canastas; de ahí que a los pobladores de Concepción se les conozca con el pintoresco apelativo de “Montacanastas”. El horno fue levantado en 1943 y desde entonces 4 generaciones de mi familia han elaborado pan de anís y diversas variedades artesanales”. Su hija Maribel nos atiende sonrientes en su stand de la Plaza de Armas de Concepción, ella sabe que debe seguir con la tradición de llevar esta exquisita delicia en forma de pan a los exigentes paladares de todo el Valle. B. DESCRIPCIÓN DE LA EMPRESA a) NOMBRE DE LA EMPRESA: Panadería “San Roque”, perteneciente a la asociación de “La casita del pan de anís”. b) DUEÑO:  Elvira Rosaura Calderón Vila c) UBICACIÓN ACTUAL: Calle Real 701 entre Lobato y Tello, provincia de Concepción. C. SISTEMA PRODUCTIVO  PRODUCTO: Pan artesanal de anís, son peso de 0,050 kilogramos.  RECURSOS  HARINA BLANCA: Es el principal componente de la masa. Contiene el gluten que tiene la capacidad de retener gas.  HARINA REGIONAL: Ayuda a la composición de la masa, contextura y sabor que tendrá el pan.  AZÚCAR: Sirve de alimento para la levadura y contribuye a darle el sabor necesario a los panques.  LEVADURA: Aumenta el componente proteico en la masa.  AGUA: Componente esencial para lograr la consistencia deseada de la masa.  ANÍS: Da el sabor característico del pan de anís.  MAQUINARIA Y EQUIPOS

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 BATIDORA: Componente esencial para lograr la consistencia deseada de la masa.  DIVISORA: Permite la separación de la masa en cantidades iguales.  BALANZA: Usado para el pesaje de la masa.  HORNO: Empleado para la cocción de la masa para adquirir pan.  ENERGÍA EMPLEADA  Leña de eucalipto: Principal fuente de suministro de energía para el horno artesanal.  RECURSOS EXTERNOS  FOCOS: Usados en todo el establecimiento para la iluminación del local durante el proceso de producción y venta  ENERGÍA ELÉCTRICA: Fuente energética para la iluminación y funcionamiento de maquinarias y equipos.

D. PROCESO DE TRANSFORMACION  PESADO: Se realiza el pesaje los ingredientes que intervienen en la producción.  MEZCLADO: Se mezcla todos los ingredientes.

 FERMENTADO: Se deja reposar por 12 horas la masa obtenida de la mezcla.  BATIDO: Consiste en batir la masa que formaran parte esencial de la mezcla hasta conseguir la consistencia deseada.  DIVISADO: Se lleva a la divisora donde se obtiene masas pequeñas.

 MOLDEADO

 TABLEADO: Reposa la masa por una hora u hora y media. 11

 HORNEADO

 ALMACENADO

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II. MARCO REFERENCIAL 1.1. MARCO CONCEPTUAL: 

SISTEMA: Es aquella particular porción del universo en la cual estamos interesados. Típicos sistemas termodinámicos pueden ser: una cierta cantidad de gas, un líquido y su vapor.



CALOR: El calor fluye espontáneamente de un objeto a temperatura más alta hacia otro con temperatura más baja. (Giancoli, 2006)



CAPACIDAD CALORÍFICA:



CALOR ESPECÍFICO:



COMBUSTIÓN: La Combustión es un proceso químico de oxidación rápida que va acompañado de desprendimiento de energía bajo en forma de calor y luz.



PRESIÓN: Es la fuerza ejercida por unidad de área (física). Existen varios tipos de presión, por ejemplo la atmosférica que es la presión ejercida dela atmosfera a la tierra, esta depende de la localización y las condiciones climáticas.



CONDENSACIÓN: Transición de la fase gaseosa a la fase liquida, proceso opuesto al de vaporización.



ENERGÍA INTERNA: Energía de un sistema que no se puede asociar con energía cinética y potencial, y se representará con el símbolo U. (ROLLE, 2010)



PODER CALORÍFICO: Se denomina poder calorífico de un gas combustible la cantidad de calor que desprende en la combustión completa una cantidad de masa o volumen de gas. (Ráfoils, 2003)

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1.2. MARCO TEÓRICO:

1.2.1. CALOR ESTÁNDAR DE REACCIÓN (

)

Es el calor que se produce en las reacciones químicas en los procesos endotérmicos (ganancia de energía) o exotérmicos (energía liberada).

1.2.2. PODER CALORÍFICO DE UN COMBUSTIBLE (PC)

Se define como la cantidad de calor liberado cuando un combustible se quema por completo en un proceso de flujo estable y los productos vuelven al estado de los reactivos.

El poder calorífico de un combustible es igual al valor absoluto de la entalpía del combustible, es decir:

El valor del PC depende de la fase del agua en los productos. El poder calorífico recibe el nombre de poder calorífico superior (PCS) cuando el agua en los productos está en forma líquida y se denomina poder calorífico inferior (PCI) cuando el agua en los productos está en forma de vapor, se relacionan con siguiente ecuación:

…(kJ / kg combustible)

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Donde m es la masa de agua en los productos por unidad de masa del combustible y hfg es la entalpía de vaporización del agua a la temperatura especificada. 1.2.3. PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA Aunque la energía tome muchas formas, la cantidad total de energía es constante, y cuando la energía desaparece en una forma, aparece simultáneamente en otras formas.

También conocido como principio de conservación de la energía para la termodinámica, establece que si se realiza trabajo sobre un sistema o bien éste intercambia calor con otro, la energía interna del sistema cambiará. Visto de otra forma, esta ley permite definir el calor como la energía necesaria que debe intercambiar el sistema para compensar las diferencias entre trabajo y energía interna. (ROLLLE, 2006) Fue propuesta por Antonio Lavoisier. La ecuación general de la conservación de la energía es la siguiente: E entra – E sale = Δ E sistema

(1)

Para la elección del signo, el análisis se hace a partir de lo que sucede en el sistema: +W: El sistema recibe trabajo -W: El sistema realiza trabajo hacia los alrededores +Q: Se transfiere calor hacia el sistema. -Q: Se transfiere calor del sistema hacia los alrededores. Figura N° 1: Balance de energía Q

SISTEMA

-Q

-W

W

Fuente: Elaboración propia. Considerando los cambios que suceden el sistema y los alrededores, se tiene: 15

U + E C + EP = ± Q ± W

(2)

1.2.3.1. APLICACIONES DE LA PRIMERA LEY: El uso de la magnitud energía en términos prácticos se justifica porque es mucho más fácil trabajar con magnitudes escalares, como lo es la energía, que con magnitudes vectoriales como la velocidad y la posición. Así, se puede describir completamente la dinámica de un sistema en función de las energías cinética, potencial y de otros tipos de sus componentes. “La variación de la energía en un sistema durante una transformación es igual a la cantidad de energía que el sistema recibe de sus alrededores.” ESISTEMA + EALREDEDORES = 0

(3)

El cambio en la energía total de los alrededores al sistema es igual a la energía neta transferida hacia o desde él, como calor y trabajo.

EALREDEDORES = ± Q ± W

(4)

PARA UN SISTEMA CERRADO En un sistema cerrado, no hay cambio de masa, de energía potencial ni cinética. Donde la variación de la energía interna de un sistema es la suma del calor absorbido de su entorno y el trabajo que esta recibe. (BOLES, 2011) Q+ W=U

o

dQ + dW = dU

(5)

Dónde: Q - dQ: Representa la energía térmica que absorbe el sistema (+). U - dU: Es el cambio, de la energía interna del sistema. W- dW: Es el trabajo externo efectuado por el sistema (-).

1.2.4. EFICIENCIA TÉRMICA:

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La eficiencia térmica de una máquina se define como la relación del

trabajo neto realizado W por la máquina durante un ciclo, al calor

tomado

por ella de la fuente de temperatura elevada T1.

1.2.5. SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA: La segunda ley de la termodinámica es un principio general que impone restricciones a la dirección de la transferencia de calor, y a la eficiencia posible en los motores térmicos. De este modo, va más allá de las limitaciones impuestas por la primera ley de la termodinámica. Sus implicaciones se pueden visualizar en términos de la analogía con la cascada. “Es imposible construir un aparato que opere cíclicamente, cuyo único efecto sea absorber calor de una fuente de temperatura y convertirlo en una cantidad equivalente de trabajo”. (HOWELL R. Jhon, 1990) Un Balance de Materia consiste básicamente en la aplicación de la Ley de la conservación de la masa ‘’La materia no se crea ni se destruye’’. En un proceso químico, en particular, no es más que el inventario de cuento entra, sale y se usa de cada componente químico que interviene en el proceso. Podemos generalizar para este caso como el total de la masa que entra en un proceso o unidad a un proceso es igual a total de la que sale de ese proceso. Antes de realizar un balance, es necesario definir las fronteras de los sistemas, ya sean estas de naturaleza física química o abstracta, estas unas herramientas básicas de análisis, así como también lo son: el balance de energía, las relaciones fisicoquímicas entre algunas variables y algunas especificaciones respecto al proceso.

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Para poder representar las operaciones o procesos (reactores, condensadores, columnas de destilación, etc.) y las corrientes (flujos que circulan en el proceso), utilizamos los diagramas de flujo. ENTRADA – SALIDA + GENERACIÓN – CONSUMO = ACUMULACIÓN

(7)

1.2.6. CLASIFICACIÓN DE LOS PROCESOS:



Basándose respecto al tiempo se puede clasificar en:

_Proceso en estado estacionario: Aquel cuyo estado no varía en el tiempo o sus variaciones son despreciables en un intervalo de tiempo suficientemente amplio. _Proceso en régimen transitorio: Aquel cuyo estado vario en el tiempo, haciendo que las variables presenten cambios significativos en su dinámica.



Basándose en la manera que es diseñado para llevar a cabo sus operaciones, se puede clasificar en:

_Proceso continuo, cuanto las corrientes fluyen de manera constante durante todo el proceso. _Proceso intermitente, cuando por ejemplo, se cargan en un recipiente las corrientes de alimentación al comienzo del proceso solamente y, después de transcurrido un tiempo, se retira el contenido del recipiente en parte o en su totalidad. 1.2.7. BALANCE DE MATERIA: De manera general, un sistema se describe como: Entrada (entra a través de las fronteras del sistema) + Producción (producida dentro del sistema) – Salida (sale a través de las fronteras del sistema) – Consumo (consumida dentro del sistema) = Acumulación (acumulada dentro del sistema). Balances en Procesos Continuos en Régimen Permanente. Para cualquier sustancia involucrada en el proceso el término de acumulación en la ecuación de balance debe ser igual a cero, de lo contrario, la cantidad de la sustancia en el sistema debe necesariamente cambiar con el tiempo y, por definición, el proceso no se llevaría a cabo en régimen permanente. Así pues,

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para los procesos continuos en régimen permanente, la ecuación general de balance se simplifica en: (8) ENTRADA + PRODUCCIÓN = SALIDA + CONSUMO

1.2.8. BALANCE DE ENERGÍA: _Energía Interna: Es toda energía que posee un sistema que no sea cinética ni potencial, tal como la energía debida al movimiento relativo de las moléculas respecto al centro de masa del sistema o energía debida a la vibración de las moléculas o la energía producto de las interacciones electromagnéticas de las moléculas. (SMITH, NESS, & ABBOTT, 1997) Debemos también tener las dos formas de energía en tránsito: 1.2.9. HORNOS

Un horno es un dispositivo que mantiene el calor y que lo mantiene dentro de un compartimento cerrado. Se utiliza generalmente en la cocina para cocinar, calentar o secar alimentos. La energía calorífica utilizada para alimentar un horno puede obtenerse directamente por combustión (leña, gas u otro combustible), radiación (luz solar), o indirectamente por medio de electricidad (horno eléctrico). El objetivo de este calentamiento puede ser muy variado, por ejemplo: 

Fundir



Ablandar para una operación de conformado superior



Tratar térmicamente para impartir determinadas propiedades



Recubrir las piezas con otros elementos, operación que se facilita frecuentemente operando a temperatura superior a la del ambiente.

Hay que señalar que esta definición, aparentemente clara, no lo es tanto en la práctica, ya que es frecuente utilizar otros términos tales como:

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

Estufas, para hornos que operan a baja temperatura pero sin definir ésta, normalmente hasta 500-600ºC.



Hornos para altas temperaturas, son capaces de alcanzar temperaturas de hasta 1200ºC, utilizados en la industria para tratamientos térmicos como; recocido, revenido, copela entre otros.



Hornos para fundición, estos equipos son especialmente diseñados para este propósito, llegan a alcanzar una temperatura superior a los 1000ºC, entre sus múltiples aplicaciones las más comunes se encuentra; aluminio, bronce, cobre entre otra.

1.2.9.1. TIPOS DE HORNOS:  Horno de leña: Funcionan a partir de materiales forestales. Desde el punto de vista del consumo energético son los menos eficientes y los que más emisiones de dióxido de carbono tienen, pero desde el punto de vista gastronómico, en ciertos casos da un sabor especial a ciertos platos.  Horno de gas: Son una buena opción ya que tienen una cocción similar a la de los de leña. (En cuanto a las implicaciones ecológicas es aún mejor ya que estos no emiten al ambiente gases de una combustión no controlada).  Horno de microondas: Funciona mediante la generación de ondas electromagnéticas que interaccionan con las moléculas de agua contenidas en los alimentos. La interacción consiste en aprovechar las propiedades resonantes de las moléculas de agua que absorben la energía de las ondas electromagnéticas, elevando su temperatura.

 Horno de inducción: Es un horno eléctrico en el que el calor es generado por calentamiento por la inducción eléctrica de un medio conductivo en un crisol alrededor del cual se encuentran enrolladas bobinas 20

magnéticas. Es un proceso de fundición de metales más controlable que la mayoría de los demás modos de fundición de metales. Las fundiciones más modernas utilizan este tipo de horno y cada vez más fundiciones están sustituyendo los altos hornos por los de inducción, debido

a

que

aquellos

generaban

mucho

polvo

entre

otros

contaminantes. El rango de capacidades de los hornos de inducción abarca desde menos de un kg hasta cien tn. y son utilizados para fundir Fe y acero, Cu, Al y metales preciosos. Uno de los principales inconvenientes de estos hornos es la imposibilidad de refinamiento; la carga de materiales ha de estar libre de productos oxidantes y ser de una composición conocida y algunas aleaciones pueden perderse debido a la oxidación (y deben ser re-añadidos). 1.2.10. TRANSFERENCIA DE CALOR POR PAREDES:

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III. OBTENCION Y PROCESAMIENTO DE DATOS EXPERIMENTALES A. MATERIALES Y EQUIPOS  Horno artesanal  Termómetro  Flexómetro  Batidora  Divisora  Balanza B. PROCEDIMIENTO  Se midió el alto, largo y ancho del horno y el espesor de las paredes , además identificamos los tres tipos de ladrillo que de los que está compuesto (cónico, refractario y ladrillo de construcción)  Se identificó las cantidades de insumos empleados en la masa para la fabricación de pan de anís.  Se midió la temperatura dentro y fuera del horno con un termómetro. C. DATOS OBTENIDOS a) CARACTERÍSTICAS DEL HORNO DE LA EMPRESA PANADERÁ SAN ROQUE:  MODELO: Horno artesanal

 DESCRIPCIÓN DEL HORNO: Los hornos artesanales son hechos con una argamasa de barro mezclado con el mezo de burro, azúcar, chancaca, vidrio molido y cabello, que se mezclaban, para dar una forma cóncavo al horno con un piso de ladrillo que se calienta con chamiza de eucalipto, hasta llegar a una temperatura donde se puede observar las paredes blancas producto

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del calor interno del horno que se limpiaba con escobas hechas de ramas de eucalipto.  TEMPERATURA DE OPERACIÓN 

260 ºC (temperatura del horno a la que se inicia el proceso de cocción del pan)



240 °C (temperatura a la que desciende el horno durante el proceso de cocción del pan)

 TIEMPO DE COCCIÓN DEL PONQUE 

5 a 6 min (tiempo promedio de cocción del pan) COMBUSTIBLE

 

90,90 Kg de leña de eucalipto

D. LONGITUDES Y DISEÑO DEL HORNO

E. INFORMACIÓN PARA EL BALANCE DE MATERIA Para el presente balance se tiene la composición de la masa inicial para la elaboración de

COMPONENTE Harina blanca Harina regional Azúcar Sal Levadura Anís Agua

PESO (kg) 100 12 3 1.5 0.8 1.5 80

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IV. CÁLCULOS BALANCE DE MATERIA

DONDE:

1. Balance global: F: Corriente de fuente de alimentación M: Corriente de masa obtenida V: Corriente de vapor eliminado Consideraciones:

 Estado estacionario: Acumulación= 0  No hay reacción: G, C = 0 Entrada=S alida

 Hallando M: M =4000 panes ×

0.045 kg =180 kg 1 pan

Entonces aplicando Balance:

198.8 kg=180 kg+V

V =18.8 kg 2. Balances Parciales:

 Hallando el porcentaje en peso: masa de a : Entrada=Salida 24

90.54 kg=m Ma

W Ma=

mMa 90.54 ×100= ×100=50.3 mM 180

masa de b : Entrada=S alida

10.8 kg=mMb

W Mb=

mMb 10.8 ×100= ×100=6.03 mM 180

masa de c : Entrada=Salida 1.36 kg=mMc

W Mc =

mMc 1.36 × 100= × 100=0.76 mM 180

masa de d : Entrada=Salida

2.72 kg=mMd

W Md =

m Md 2.72 ×100= ×100=1.51 mM 180

masa de e : Entrada=Salida 1.36 kg=mMe

W Me =

mMe 1.36 × 100= × 100=0.76 mM 180

W Mf =

m Mf 0.72 ×100= ×100=0.40 mM 180

masa de f : Entrada=Salida

0.72 kg=mMf

masa de g : Entrada=Salida 72.43 kg=mMg

W Mg=

m Mg 72.43 ×100= ×100=40.24 mM 180

Así tenemos:

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3. Para la combustión para generar energía:

BALANCE DE ENERGÍA:

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CONCLUSIONES

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DISCUSIÓN DE RESULTADOS

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ANEXOS

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BIBLIOGRAFÍA AVANSTAR Technology Services S.L. (03 de 10 de 2011). AVANSTAR Technology Services S.L. Obtenido de http://www.proveedores.com/articulos/elegir-el-horno-adecuado-esclave-para-una-panaderia BOLES, M. A. (2011). Termodinámica. Séptima Edición. México: McGraw-Hill Interamericana. HOWELL R. Jhon. (1990). Principios de Termodinámica para Ingeniería. México: McGraw-Hill Interamericana. ROLLLE, K. C. (2006). Termodinámica. Sexta Edición. México: Pearson Education de México S.A. SMITH, J. M., NESS, V., & ABBOTT. (1997). Introducción a la Termodinámica en Ingeiería Química.Quinta Edición. México: McGraw-Hill Interamericana.

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