Informe secado

Práctica No. 2: Secado

Introducción En la ingeniería química uno de los procesos más utilizados es el secado, que generalmente se refiere a la remoción de líquido de un sólido; por ello se trabaja con este proceso en la industria tanto química como alimentaria para la deshidratación de alimentos debido a que normalmente se usaban recursos como el sol y el aire, pero estos no aseguraban una eliminación efectiva y además tomaba mucho tiempo. Debido a ello, surge en la industria la operación unitaria de secado, la cual permite reducir la humedad a niveles bajos en tiempos menores y permite una conservación adecuada de los productos. Es importante resaltar que no a todos los productos se les puede aplicar esta operación, debido a que existen algunos que se dañan al aumentar su temperatura. En la deshidratación de alimentos el proceso de secado involucra la transferencia de masa y energía, el conocimiento de estos fenómenos ayuda al diseño de secadores (deshidratadores). El siguiente informe tiene como fin dar a conocer los fenómenos involucrados con el secado, así como el análisis de la termodinámica y cinética de secado de la yuca en un secador de bandejas que se llevo a cabo en el laboratorio de procesos de la escuela de Ingeniería Química.

Objetivos    

Hacer un estudio térmico del secador que posee la escuela de ingeniería química. Evaluar el tiempo que se necesita para secar una determinada muestra de yuca. Determinar la máxima humedad que se puede retirar de la yuca con ayuda de aire caliente. Analizar la cinética de secado del material en un secador de bandejas.

Marco Teórico El secado se describe como un proceso de eliminación de sustancias volátiles (humedad) para producir un producto solido y seco. La humedad se presenta como una solución liquida dentro de los sólidos, es decir: en la microestructura del mismo. Cuando un sólido húmedo es sometido a secado térmico, dos procesos ocurrirán simultáneamente: 1. Habrá transferencia de energía (comúnmente como calor) de los alrededores para evaporar la humedad de la superficie. 2. Habrá transferencia de la humedad interna hacia la superficie del sólido.

La velocidad a la cual el secado es realizado esta determinada por la velocidad a la cual los dos procesos, mencionados anteriormente se llevan a cabo. La transferencia de energía en forma de calor, de los alrededores hacia el solido húmedo puede ocurrir como resultado de convección, conducción y/o radiación y en algunos casos se puede presentar una combinación de estos efectos. Condiciones externas Este caso se refiere al proceso 1, donde la eliminación de agua en forma de vapor de la superficie del material, depende de condiciones externas tales como: temperatura, humedad y flujo de aire, área de la superficie expuesta y presión. Estas condiciones son importantes durante las etapas iniciales de secado cuando la humedad de la superficie está siendo removida. En algunos materiales puede haber encogimiento, excesiva evaporación en la superficie, después de que la humedad inicial ha sido removida dando lugar a altos gradientes de humedad del interior a la superficie. Este fenómeno es causado por el sobresecado y encogimiento y consecuentemente las altas tensiones del material, dando como resultado agrietamiento y deformación. Condiciones internas El movimiento de humedad dentro del solido es una función de la naturaleza física dentro del sólido, la temperatura y su contenido de humedad. En una operación de secado cualquiera de estos procesos puede ser el factor que determine la velocidad de secado. A partir de la transferencia de calor hacia un sólido húmedo, un gradiente de temperatura se desarrolla dentro del solido mientras la evaporación de la humedad ocurre en la superficie. La evaporación produce una migración de humedad desde adentro del solido hacia la superficie, lo cual ocurre a través de uno o más mecanismos, normalmente, difusión, flujo capilar, presión interna causada por el encogimiento durante el secado. Mecanismo de Secado 1) Evaporación: Esta ocurre cuando la presión del vapor de la humedad en la superficie del solido es igual a la presión atmosférica. Esto se debe al aumento de temperatura de la humedad hasta el punto de ebullición. La temperatura puede ser disminuida bajando la presión (evaporación al vacío).Si la presión disminuye mucho, la fase liquida no puede existir y la humedad en el producto es congelada. 2) Vaporización: El secado es llevado a cabo por convección, pasando aire caliente sobre el producto. El aire es enfriado por el producto y la humedad es transferida hacia el aire. En este caso la presión del vapor de la humedad sobre el sólido es menor que la presión atmosférica.

Tratamiento de sólidos en los secadores En los secaderos adiabáticos los sólidos están expuestos al gas de alguna de estas formas: -

-

-

-

El gas circula sobre la superficie de un lecho o una lámina del sólido, o bien sobre una o ambas caras de una lámina o película continua. Este proceso se llama secado con circulación superficial (figura 1). El gas circula a través de un lecho de sólidos granulares gruesos que están soportados sobre una rejilla. Recibe el nombre de secado con circulación a través. Como en el caso del secado con circulación superficial, la velocidad del gas se mantiene baja para evitar el arrastre de partículas sólidas (figura 2). Los sólidos descienden en forma de lluvia a través de una corriente gaseosa que se mueve lentamente, con frecuencia dando lugar a un arrastre no deseado de las partículas finas (figura 3). El gas pasa a través de los sólidos con una velocidad suficiente para fluidizar el lecho (figura 4). Los sólidos son totalmente arrastrados por una corriente gaseosa de alta velocidad y neumáticamente transportados desde un dispositivo de mezcla hasta un separador mecánico.

Figura 1. Flujo de gas sobre un lecho estático de sólidos

Figura 2. Flujo de gas a través de un lecho de sólidos

Figura 3. Acción en un secadero rotatorio

Figura 4. Lecho fluidizado de sólidos

Figura 5. Flujo en paralelo gas-sólido en un secadero flash de transporte neumático. En los secaderos no adiabáticos el único gas a separar es el agua o disolvente que se vaporiza. Los secaderos no adiabáticos difieren básicamente en la forma en la que los sólidos se exponen a la superficie caliente o a otra fuente de calor, pudiendo ser alguna de las siguientes: -

-

Los sólidos se esparcen sobre una superficie horizontal estacionaria o que se desplaza lentamente y se «cuecen» hasta que se secan. La superficie puede calentarse eléctricamente o mediante un fluido de transmisión de calor tal como vapor de agua o agua caliente o por medio de un calentador radiante. Los sólidos se mueven sobre una superficie caliente, generalmente cilíndrica, por medio de un agitador o un transportador de tornillo o de palas. Los sólidos deslizan por gravedad sobre una superficie inclinada caliente o bien son transportados en sentido ascendente por la superficie y deslizándose posteriormente hasta una nueva localización.

Fundamentos del secado Las variaciones posibles en forma y tamaño de los materiales, de la humedad de equilibrio, de los mecanismos del flujo de humedad a través del sólido, así como en el mecanismo de transmisión de calor que se requiere para la vaporización, impiden que se pueda hacer un tratamiento unificado. Modelos de temperatura en secadores: La forma en la que la temperatura varía en los secaderos depende de la naturaleza y contenido de líquido del material, de la temperatura

del medio de calefacción, del tiempo de secado y de la temperatura final que toleran los sólidos secos. Transmisión de calor en secadores: El secado de sólidos húmedos es, por definición, un proceso térmico. Aunque con frecuencia se complica por la difusión en el sólido o a través del gas, es posible secar muchos materiales simplemente calentándolos por encima de la temperatura de ebullición del líquido, tal vez bastante por encima con el fin de liberar las últimas trazas de material adsorbido. Cálculo del consumo de calor: Se comunica calor a un secadero con los siguientes objetivos: -

Calentar la alimentación (sólidos y líquidos) hasta la temperatura de vaporización. Vaporizar el líquido. Calentar los sólidos hasta su temperatura final. Calentar el vapor hasta su temperatura final.

Muchos secaderos se diseñan sobre la base de un coeficiente volumétrico de transmisión de calor Ua, donde a es el área de transmisión de calor por unidad de volumen de secadero (que es desconocida). La ecuación aplicable es: qT = UaV ΔT (1) Ua = coeficiente volumétrico de transmisión de calor, Btu/ft 3-h-°F V = volumen del secador, ft3 o m3 ΔT = diferencia media de temperatura Transferencia de masa en secadores: En todos los secadores en los que un gas circula sobre o a través de los sólidos, la materia tiene que transferirse desde la superficie del sólido hasta el gas, y a veces a través de los poros interiores del sólido. La resistencia a la transferencia de materia, y no la transmisión de calor, puede controlar la velocidad de secado. Esto ocurre con más frecuencia en el secado con circulación sobre tablas, láminas o lechos de sólidos.

Figura 6. Curvas de humedad de equilibrio a 25°C

Equilibrio entre fases: Los datos de equilibrio para sólidos húmedos generalmente se expresan mediante relaciones entre la humedad relativa del gas y el contenido de líquido del sólido, en masa de líquido por unidad de masa de sólido completamente seco. En la figura 6 se muestran ejemplos de relaciones de equilibrio. Cuando un sólido húmedo se pone en contacto con aire de una humedad inferior a la correspondiente al contenido de humedad del sólido, dada por la curva de humedad de equilibrio, el sólido tiende a perder humedad y secarse hasta alcanzar el equilibrio con el aire. Cuando el aire es más húmedo que el sólido en equilibrio con él, el sólido absorbe humedad del aire hasta que se alcanza el equilibrio. Humedad de equilibrio y humedad libre: El aire que entra en un secadero no suele estar completamente seco, sino que contiene algo de humedad y posee una humedad relativa definida. Para un aire de humedad definida el contenido de humedad del sólido que sale del secadero no puede ser inferior al contenido de humedad de equilibrio correspondiente a la humedad del sólido que entra. La porción de agua del sólido húmedo que no puede ser separada por el aire que entra, debido a la humedad de éste, recibe el nombre de humedad de equilibrio. El agua libre es la diferencia entre el contenido total de agua del sólido y el contenido de agua en el equilibrio. Agua ligada y no ligada: Si una curva de equilibrio como la de la figura 6 se prolonga hasta su intersección con el eje de 100% de humedad, el contenido de humedad así definido es la humedad mínima de este material que todavía puede ejercer una presión de vapor como la del agua líquida a la misma temperatura. Si el material posee más agua que la correspondiente a esta intersección, la presión de vapor que puede ejercer es solamente la del agua a la temperatura del sólido. Esto permite distinguir dos tipos de agua retenida por un material determinado. El agua hasta la menor concentración que está en equilibrio con aire saturado (dada por la intersección de las curvas de la figura 6 con la línea del 100% de humedad) recibe el nombre de agua ligada, debido a que ejerce una presión de vapor menor que la del agua líquida a la misma temperatura. Las sustancias que contienen agua ligada se llaman con frecuencia sustancias higroscópicas. Cinética del secado Si un lote de polvo o granos húmedo es secado en un lecho fluidizado y el contenido de humedad X (definido como el peso de agua por unidad de peso de solido seco) es determinado como una función de tiempo t, la curva resultante de X contra t será igual a la curva de la figura 7. Esta es convencionalmente divida en dos partes, el primero llamado periodo de velocidad constante de secado y el segundo velocidad decreciente de secado. El contenido de humedad en el punto de transición entre los dos periodos es llamado crítico de humedad Xcr. Si el secado continúa más tiempo, X se aproximara al contenido de

humedad Xe, correspondiente a la humedad de equilibrio. En cualquier punto de la curva, la cantidad de humedad removible (X-Xe) se conoce como el contenido de humedad libre.

Figura 7. Ejemplos de curvas de secado y velocidad de secado.

La velocidad de secado, -dX/dt, puede ser determinada en cualquier punto derivando la curva de X contra t. Una grafica de –dX/dt contra el contenido de humedad X es una forma alterna de representar el secado de un material tal y como se muestra en la figura 7. Como un método aproximado, el periodo de velocidad constante puede ser considerado como correspondiente a la humedad removida de la superficie de las partículas, mientras que el periodo de velocidad decreciente corresponde a la eliminación de la humedad interna. Velocidad constante de secado En esta etapa de secado se lleva a cabo la difusión del vapor del agua a través de la interface aire/húmeda y la velocidad a la cual la superficie por difusión es eliminada. Hacia el final del periodo constante, la humedad tuvo que ser transportada del interior del solido hacia la superficie por fuerzas capilares. Cuando el promedio del contenido de humedad ha alcanzado Xcr, la película de humedad en la superficie ha sido tan reducida por evaporación causando distorsiones mas allá de la superficie, entonces, el proceso se controla por las resistencias exteriores. Velocidad decreciente de secado La velocidad a la cual la humedad puede pasar a través del sólido como resultado de la concentración de gradientes entre las partes más profundas y la superficie es el paso a controlar. Dado que, la profundad media del nivel de humedad incrementa progresivamente y la conductividad de calor de las zonas externas secas es muy pequeña, la velocidad de secado es cada vez mas influenciada por la conducción de calor. Sin embargo, si el producto seco tiene una densidad alta y cavidad pequeña con

poros pequeños, el secado es determinado no tanto por la conducción de calor pero, si por una resistencia alta a la difusión del producto. Como la concentración de humedad disminuye por el secado, la velocidad de movimiento de humedad interna también disminuye. Determinación del contenido de humedad Métodos directos Estos consisten esencialmente en la determinación del contenido de humedad de una muestra de secado llevada a cabo en un horno de secado con o sin soplado a través de aire, o por secado en una cámara de vacío o en su defecto en un desecado de vacío. La muestra de material tiene que ser preparada en cada caso de la siguiente manera: el material es desintegrado en piezas de 1-2 mm2, y una muestra con masa de 4-5 g es colocada dentro de un previamente secado y pesado contenedor de vidrio, el cual es colocado dentro de la cámara de secado y secar a los 102-105 grados centígrados. La medida de la masa es llevada a cabo a temperatura ambiente, no sin antes dejar que la muestra sea enfriada en el desecador. Métodos indirectos En el caso particular de las industrias, el contenido de humedad presente en el material tiene que ser determinado por métodos más rápidos que los métodos directos. Ejemplos de métodos indirectos son los siguientes: métodos eléctricos y métodos químicos. Clasificación de los secadores Secadores por convección Los secadores cuya transferencia de calor es por convección son utilizados para secar partículas y alimentos en forma laminar o en pasta. El calor se suministra a través de aire caliente o gas, el cual fluye sobre la superficie del sólido. El aire, los gases inertes, el vapor sobrecalentado, o gases de combustión directa pueden ser utilizados en sistemas de secado conectivo. Algunos ejemplos son: secadores en bandejas o charolas, secadores de túnel, secadores rotatorios, secadores por aspersión. Secadores por conducción Los secadores por conducción o indirectos son apropiados para productos de poco espesor o para sólidos con alto grado de humedad. El calor para evaporación se suministra a través de superficies calientes (estáticas en movimiento). Algunos ejemplos son: secadores de tambor, secadores indirectos al vacio o con ánqueles.

Secadores por radiación El secado por radiación se lleva a cabo mediante radiación electromagnética cuya longitud de onda se encuentra dentro del rango de espectro solar y microondas. Algunos ejemplos son: secadores solares Secadores con bomba de calor Los secadores con bomba de calor son la coexistencia de dos sistemas ingenieriles: la bomba de calor y el secador. El desarrollo en la tecnología del secado ha estimulado la necesidad de ahorrar energía, producir alimentos con mejor calidad demandados por el consumidor y minimizar el impacto ambiental. En nuestra práctica para el secado de la yuca se trabajo con un secador de bandejas: Secadores de bandejas En la figura 8 se representa un secadero típico de bandejas. Consistente en una cámara rectangular de chapa metálica que contiene dos carretones para soportar los bastidores H. Cada bastidor lleva numerosas bandejas poco profundas, tal vez de forma cuadrada con 30 pulg. de lado y de 2 a 6 pulg. de profundidad, que se cargan con el material a secar. Los secaderos de bandejas resultan convenientes cuando la capacidad de producción es pequeña. Prácticamente pueden secar cualquier producto, pero la mano de obra necesaria para la carga y descarga da lugar a costes de operación elevados. Frecuentemente se utilizan en el secado de materiales valiosos tales como colorantes y productos farmacéuticos. Los secaderos de bandejas pueden operar a vacío, frecuentemente con calentamiento indirecto. Las bandejas pueden estar situadas sobre placas metálicas huecas que se calientan con vapor de agua o con agua caliente, o bien las mismas bandejas pueden estar provistas de una cámara para la circulación de un fluido de calefacción.

Figura 8. Secador de bandejas.

Balances de materia y energía Para balances de masa se utilizan las relaciones de humidificación características del sistema aire-agua: Humedad absoluta (Kg agua/ Kg aire seco): (2) Volumen húmedo (m 3 mezcla gaseosa/ Kg aire seco): (3) Capacidad calorífica (KJ/ Kg gas seco *K): (4) Entalpia (KJ/ Kg gas seco) (5) Balance de masa Flujo másico que entra – Flujo másico que sale = Acumulación de masa en el tiempo (6) Donde     

= Masa de agua evaporada de la muestra. = Tiempo de secado. y = Áreas de entradas y salida de aire. y = Velocidad de entrada y salida al secador = Volumen especifico de la mezcla aire – agua, el cual se puede expresar así: (7)

Utilizando la ecuación (6) se halla el agua evaporada, pero esta se puede determinar directamente de la balanza luego se deben comparar los valores obtenidos por la ecuación con los leídos directamente de la balanza. Balance de energía: Para realizar el balance de energía es necesario identificar las fuentes que le suministran energía al aire, las cuales son: 

Resistencia eléctricas (8)

= Energía suministrada por las resistencias eléctricas al aire. V= Voltaje. I= Intensidad de la corriente. 

Soplador (9) = Trabajo entregado al soplador. P= Potencia. = Eficiencia del soplador. El motor del soplador opera a 220 V con una potencia del 1hp y una eficiencia del 65%



Intercambiador de calor (10) = Energía entregada por la masa de vapor saturado que se condensa. = Volumen de condensado en el tiempo t. = Volumen especifico del líquido saturado a la temperatura T en el tiempo t. = Delta de entalpia entre el vapor y el líquido saturados a la temperatura T.



Energía necesaria para quemar la muestra (11)

= Calor latente de vaporización a la temperatura a la cual se considera ocurre la evaporación de la humedad de la muestra. La energía gastada en el secado fue la suministrada al soplador, al intercambiador de calor y a las resistencias eléctricas, luego escribiendo estos términos en la ecuación de balance de energía global para el equipo resulta: (12) Donde los flujos másicos de entrada y salida se pueden calcular como se muestra en el balance de masa, y la entalpías con la formula dada anteriormente para el sistema aire – vapor de agua. Eficiencia de la operación: Se puede expresar como la relación entre la energía necesaria para el secado de la muestra y la realmente gastada en la operación. Luego la eficiencia se obtiene dividiendo la ecuación (11) entre la sumatoria de las energías suministradas necesarias para la operación de secado:

(13) Descripción del equipo utilizado El equipo del laboratorio con el cual trabajamos es un secador directo, que se utiliza para secar sólidos que deben sujetarse sobre platos, es un secador de bandejas o platos, el equipo posee una serie de termómetros que permiten conocer las condiciones del aire en diferentes puntos del equipo. Cuenta con un termómetro para la medición de la temperatura de entrada del aire, el aire es precalentado por medio de una resistencia eléctrica, punto en el cual se encuentra otro termómetro para indicarnos dicha temperatura. La corriente del aire precalentado entra en unos tubos aleteados dentro de los cuales circula vapor que viene de la caldera. A la salida se registran las temperaturas de bulbo húmedo y seco del aire, condiciones con las que se pasara por el gabinete. Posteriormente el aire deja el gabinete y se miden de unas nuevas temperaturas de bulbo seco y húmedo.

Figura 9. Partes y flujo del aire a través del Secador de bandejas del laboratorio de Ingeniería Química UIS

1. Entrada del aire. 2. Resistencia para precalentamiento del aire. 3. Ventilador. 4. Voltímetro. 5. Amperímetro. 6. Intercambiador de calor. 7. Cámara horizontal de secado. 8. Cámara vertical de secado. 9. Mallas y/o bandejas. 10. Balanza. 11. Controlador automático de temperatura. 12. Compuerta para controlar la recirculación de aire. 13. Salida del aire. 14. Motor eléctrico. 15. Termómetro para registrar la temperatura de entrada del aire. 16. Termómetro para registrar la temperatura de precalentamiento del aire. 17. Termómetros para registrar la temperatura de bulbo húmedo y bulbo seco. 18. Manómetro. 19. Termómetros para registrar la temperatura de bulbo húmedo y bulbo seco a la salida del aire. Curva de calibración de la balanza Como los datos obtenidos de la balanza no corresponden a unidades de masa, es necesario realizar la conversión de estas mediciones interpolando en la siguiente tabla.

Gráfica No 1 Calibración de la balanza 700 600

Peso en g

500 400 300 200 100 0 0

20

40

60

80 Peso en Lb

100

120

140

160

Tabla 1: Datos de calibración de la balanza. Lb 0 5 10 15 20 25 26 40 50 60 70 80 90 95 100 105 110 115 120 130 135 140

g 0 21,4 43,5 65,1 86,3 108,1 110,8 171,8 214,2 257,4 300,5 343,3 385,4 407,4 429 450,5 471,5 493,4 514,8 558 579,2 600,3

Procedimiento Lo primero que hace es cortar la yuca en pequeñas y delgados cuadros para cubrir un cuadro de 20*20 cm en la malla soporte. Se pesa la malla vacía y la malla con el material húmedo.

Figura 10. Corte de la yuca para posterior secado

Luego de introducir el material al secador y taparlo, se inicia y se toman datos de la temperatura a la entrada del aire, en la zona de precalentamiento, de bulbo seco, bulbo húmedo tanto al inicio del paso del aire por el gabinete como a la salida del proceso, caudales de agua y aire en puntos estratégicos, este procedimiento se lleva a cabo cada 5 minutos.

Figura 11. Malla con las láminas de yuca alimentadas en el secador.

El agua condensada se recoge y se mide su volumen en una probeta. Cuando se observa que la perdida de humedad no cambia en los intervalos de tiempo, el proceso se detiene.

Figura 12. Medición de la temperatura de los condensados.

Se saca la muestra y se pesa con todo y malla. Por otro lado, se toma una muestra de yuca, se pone en un vidrio reloj y se pesa (el reloj debe estar previamente pesado sin muestra), posteriormente se lleva a una mufla donde

se elimina la totalidad de la humedad que está presenta, y se pesa nuevamente, de esta forma se determina la humedad en el equilibrio.

Figura 13. Laminas de yuca después del proceso de secado.

Análisis de resultados

Con los datos medidos en el laboratorio de tiempo y masa de agua evaporada armamos la tabla 2.

Tabla 2. Pérdida de peso de la muestra Tiempo 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55

Lb 0 3 5,5 7 8 8,5 9 9,5 10 10 10 10

Peso (g) 0 12,84 23,61 30,24 34,66 36,87 39,08 41,29 43,25 43,25 43,25 43,25

Es necesario conocer el peso del sólido seco, para ello aparte se llevo a una mufla a secar una parte de la muestra durante tres días aproximadamente. Luego se puede calcular el peso requerido de la siguiente forma:

Ahora se calcula la masa húmeda tomando el valor de masa de humedad (75,2 g) y restando el valor de la columna de peso (g), dando como resultado la tabla 3.

Tabla 3. Masa húmeda. Tiempo 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55

Lb 0 3 5,5 7 8 8,5 9 9,5 10 10 10 10

Peso (g) 0 12,84 23,61 30,24 34,66 36,87 39,08 41,29 43,25 43,25 43,25 43,25

Masa húmeda (W) 75,2 62,36 51,59 44,96 40,54 38,33 36,12 33,91 31,95 31,95 31,95 31,95

Con este dato ahora se calcula los valores de X (humedad en base seca) de la siguiente forma:

Los resultados se muestran en la tabla 4.

Tabla 4. Datos de humedad en base seca. Tiempo 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55

Lb 0 3 5,5 7 8 8,5 9 9,5 10 10 10 10

W (g) 75,2 62,36 51,59 44,96 40,54 38,33 36,12 33,91 31,95 31,95 31,95 31,95

Humedad seca 3,437363545 2,679707323 2,044196613 1,652976928 1,392163805 1,261757243 1,131350682 1,00094412 0,885289432 0,885289432 0,885289432 0,885289432

Ahora con los datos de humedad seca se obtienen los valores de humedad:

Los datos se muestran en la tabla 5. Tabla 5. Datos de humedad. Humedad seca 3,437363545 2,679707323 2,044196613 1,652976928 1,392163805 1,261757243 1,131350682 1,00094412 0,885289432 0,885289432 0,885289432 0,885289432

Humedad 0,774640957 0,728239256 0,671506106 0,623064947 0,581968426 0,557865901 0,530813953 0,500235919 0,469577465 0,469577465 0,469577465 0,469577465

Con los datos anteriores se hacen las graficas de Humedad (grafica 2), Humedad seca (grafica 3) y masa húmeda (grafica 4) Vs. tiempo, de esta forma se puede obtener los valores del tiempo critico y la humedad critica de cualquiera de ellas, para el presente caso se utilizó la gráfica de humedad seca Vs. tiempo.

Para ello se mira la región donde la grafica se comporta de forma lineal y donde empieza a comportarse de forma curva, en dicho punto tendremos el tiempo crítico y la humedad critica.

Humedad

Grafica No 2 Humedad vs. tiempo 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 0

10

20

30

40

Tiempo

Grafica No 3. Humedad base seca Vs. tiempo.

50

60

Grafica No 4 Masa humeda Vs. Tiempo 80

Masa húmeda

70 60 50 40 30 20 10 0 0

10

20

30

40

50

60

Tiempo

Grafica 4. Masa húmeda Vs. tiempo. De la grafica de humedad seca Vs. tiempo se puede leer: Tiempo crítico: 15 minutos Humedad crítica: 1,652976928 Para poder hacer la grafica de velocidad de secado, se deben identificar las dos regiones en la grafica de humedad seca, se hace una regresión lineal para ambos caso y se halla la ecuación de tendencia, como se observa en las graficas 5 y 6. y = -0,1198x + 3,3519 R² = 0,9812

Grafica No 5 Parte lineal 4 Humedad base seca

3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 0

2

4

6

8 Tiempo

10

12

14

16

Grafica No 6 Partey curva = 0,0007x - 0,0674x + 2,4944 Humedad base seca

2

R² = 0,9934

1,8 1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 0

10

20

30

40

50

60

Tiempo

A partir de dichas graficas se debe hallar el (-dX/dt), para ello se deriva cada ecuación y se evalúa en cada punto, como se muestra en la tabla 6. Tabla 6. Datos de la derivada de la humedad seca con respecto al tiempo. Tiempo 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55

Humedad seca 3,437363545 2,679707323 2,044196613 1,652976928 1,392163805 1,261757243 1,131350682 1,00094412 0,885289432 0,885289432 0,885289432 0,885289432

dX/dt -0,1198 -0,1198 -0,1198 -0,1198 -0,0394 -0,0324 -0,0254 -0,0184 -0,0114 -0,0044 0,0026 0,0096

-dX/dt 0,1198 0,1198 0,1198 0,1198 0,0394 0,0324 0,0254 0,0184 0,0114 0,0044 -----------

Graficando los datos de –dX/dt Vs. tiempo, se tiene la grafica 7 que corresponde a la velocidad de secado del sólido.

Grafica No 7. Velocidad de secado.

Eficiencia del secado

La eficiencia del secado se puede expresar mediante una relación de energías:

Donde la Energía aprovechada se refiere a la energía necesaria para secar la muestra:

 

= Calor latente de vaporización a la temperatura que se considera ocurre la evaporación de la humedad de la muestra (TH1).

Para encontrar la energía aprovechada, recurrimos a tablas termodinámicas y a los datos experimentales, obteniendo la tabla 7:

Tabla 7. Energía necesaria para secar la muestra t(min)

masa de agua perdida(kg)

TH1(ºC)

λ(kJ/kg)

E(KJ)

0

0

31

/

0

5

0,01284

33

2423,4

31,116456

10

0,02361

33

2423,4

26,100018

15

0,03024

33,5

2422,2

16,059186

20

0,03466

33,5

2422,2

10,706124

25

0,03687

33,5

2422,2

5,353062

30

0,03908

33,5

2422,2

5,353062

35

0,04129

34

2421

5,35041

40

0,04325

34

2421

4,74516

45

0,04325

35

2418,6

0

50

0,04325

35

2418,6

0

55

0,04325

35

2418,6

0

Sumatoria

104,783478

La Energía suministrada viene dada por 3 elementos utilizados para calentar el aire:



Resistencia eléctrica:

V= voltaje I= Amperaje ∆t= Intervalo de tiempo Luego la energía por resistencia eléctrica para la práctica seria:



Trabajo del soplador

η= Eficiencia del soplador P= Potencia del motor ∆t= intervalo de tiempo

Para el soplador manejado, la eficiencia es del 65% y la potencia de 1 hp; luego el trabajo del soplador seria:



El calor suministrado por el intercambiador de calor: Viene dado por la expresión:

 Vcondensado=Volumen del condensado en el tiempo ti  vf= volumen especifico del liquido saturado la temperatura Ti en el tiempo ti.  hfg= Delta de entalpia entre el vapor y el liquido saturados a la temperatura Ti. Para el intercambio trabajado, de tablas termodinámicas así como con los datos experimentales se obtuvo la siguiente tabla: Tabla 8. Calor suministrado por el intercambiador t(min) 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55

T(ºC) 80 83 90 92 92 92 93 92 92,5 94 94 94

Vc(m3) 0 0,001925 0,0015 0,00145 0,00145 0,00145 0,001475 0,0014 0,00148 0,00165 0,00165 0,00165

vf(m3/kg) / 0,0010308 0,001036 0,001037 0,001037 0,001037 0,0010384 0,001037 0,001038 0,0010392 0,0010392 0,0010392

hfg(kJ/kg) / 2301,12 2283,2 2278 2278 2278 2275,4 2278 2276,7 2272,8 2272,8 2272,8 sumatoria

E(KJ) 0 4297,29919 3305,79151 3185,2459 3185,2459 3185,2459 3232,10227 3075,40984 3246,16185 3608,66051 3608,66051 3608,66051 37538,4839

Originando una eficiencia igual a 0,24312834 %, esto debido a que la cantidad de humedad en la yuca es muy reducida, se ve que el equipo proporciona demasiada energía y al ser la masa tratada muy pequeña no se aprovecha todo el calor generado por los diferentes elementos utilizados, traduciéndose en pérdidas de energía al no aprovecharse con una masa o volumen mayor.

Conclusiones

 Para la muestra 75,2 g de masa húmeda se encontró el tiempo critico, la humedad en equilibrio y la humedad critica; sus valores respectivamente fueron 15(min), 0,885 (kg humedad/ kg solido seco), 1,652976928 (kg humedad/kg solido seco), para un tiempo de duración de la practica de 55 min.  Para hallar la velocidad de secado se encontraron problemas al hacer la derivación de la humedad en los tiempos entre 45-55 min, puesto que en este periodo el sólido no presentaba perdida de humedad, ocasionando valores negativos para la representación en las graficas, con lo cual se eliminaron por ser outliers.  Se encontró que el secado de la muestra (75,2 g) fue ineficiente térmicamente (0,24312834 % de eficiencia), ya que la energía suministrada es muy superior a la energía necesaria para evaporar la cantidad de humedad que presentaba la muestra.  En tiempos de secados posterior al secado del total de la humedad se presentan perdidas de energía, ya que en estos tiempos los elementos constitutivos del secador aun estaban prendidos y funcionando.  Al tomar la temperatura del condensado que sale del intercambiador de calor, es importante utilizar guantes y gafas protectoras ya que las salpicaduras de agua y emisiones de vapor pueden causar heridas e hinchamiento de la piel.

Bibliografía 

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TREYBAL, ROBERT E., Operaciones de transferencia de masa, 2 da edición, McGRAW-HILL, Singapur 1981, páginas 723-725. McCABE, Warren L., SMITH, Julian C., HARRIOTT, Peter, Operaciones Unitarias en Ingeniieria Química, 4ta edición, McGRAW-HILL, Singapur 1976, páginas 821863. http://catarina.udlap.mx/u_dl_a/tales/documentos/lim/cabrera_v_a/capitulo5.pdf



http://catarina.udlap.mx/u_dl_a/tales/documentos/leip/ortiz_a_bs/capitulo2.pdf

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http://www.stps.gob.mx/bp/secciones/dgsst/publicaciones/prac_seg/prac_chap/PS %20Maderas.pdf

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INFORME LABORATORIO DE PROCESOS QUIMICOS Práctica No. 2: Secado

PABLO ANDRÉS CADENA RODRÍGUEZ NIDIA MILENA DOMINGUEZ JEREZ CESAR AUGUSTO BRAVO SANABRIA

Presentado a: Profesora MARIA DEL PILAR OLACHICA

UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER LABORATORIO DE PROCESOS QUIMICOS BUCARAMANGA 2012