Lab. 2 - LOU II

SECADO DIRECTO SECADO A CONDICIONES CONSTANTES

DOCENTE: MS. ING. WALTER MORENO EUSTAQUIO

Alumnos:



Bernal Zúñiga, Jovita



Leyva Vallejos, Alejandro



Mego Monsalve, Alex

INDICE

Introducción

2

Título

3

Objetivos

3

Fundamento teórico

3

Equipos y Materiales

10

Procedimiento experimental

11

Resultados

11

Conclusiones

20

Recomendaciones

20

Bibliografía

21

LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS II

1

INTRODUCCIÓN “Secado generalmente se refiere a la remoción de líquido de un sólido por evaporación” (Perry,

1984) El secado es el proceso más antiguo utilizado para la preservación de alimentos, siendo uno de los métodos más comunes vigentes de mayor importancia en todos los sectores para la producción de productos sólidos. La deshidratación de alimentos es un proceso que involucra la transferencia de masa y energía. El entendimiento de estos dos mecanismos en el alimento a secar y el aire o gas de secado, así como de las propiedades termo-físicas, de equilibrio y transporte de ambos sistemas, son de vital importancia para modelar el proceso y diseñar el secador. (Crapiste, 1997) Las operaciones de deshidratado son importantes en la industria de química y de alimentos. El objetivo principal del secado de fruta es remover agua del sólido hasta un nivel en donde el crecimiento microbiológico y la deterioración por reacciones químicas sean minimizadas.

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2

1. TÍTULO Secado a condiciones constantes

2. OBJETIVOS 

Determinar curvas características de secado



Determinar el caudal del aire



Determinar el coeficiente de transferencia de masa (ky)



Determinar el coeficiente de transferencia de calor (hc)



Determinar el coeficiente de difusión másica (DAB)

3. FUNDAMENTO TEÓRICO Cuando un sólido húmedo es sometido a un proceso de secado, se presentan dos subprocesos: 1. Transferencia de la humedad interna del sólido hacia la superficie de éste y su subsecuente evaporación. El movimiento de la humedad dentro del sólido es una función de la naturaleza física del sólido, su temperatura y su contenido de humedad. 2. Transferencia de energía en forma de calor del ambiente que rodea al sólido para evaporar la humedad de su superficie. Este segundo subproceso depende las condiciones externas de temperatura, humedad y flujo del aire, presión, área de exposición y el tipo de secador empleado. En el proceso de secado, cualquiera de los dos subprocesos descritos puede ser el factor limitante que gobierne la velocidad del secado, a pesar de que ambos subprocesos ocurren simultáneamente durante el ciclo de secado. El comportamiento de los sólidos en el secado, es medido como la pérdida de humedad como una función del tiempo.

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3

Existen tres etapas en el proceso de secado como se observa en la Fig. 1 y en la Fig. 2: durante la primera etapa del secado, la velocidad de secado es uniforme, la vaporización empieza cuando el contenido de humedad en el sólido llega a la superficie de éste. Durante este periodo el paso controlante es la difusión del vapor de agua a través de la interfase humedad-aire. Cuando el contenido de humedad promedio ha alcanzado el contenido crítico de humedad, significa que la capa de humedad de la superficie ha sido casi evaporada.

La segunda etapa, está formada por el periodo de secado de la superficie insaturada hasta lograr la completa evaporación del líquido contenido en la superficie del sólido. En la tercera etapa, el paso controlante es la velocidad a la que la humedad se mueve en el interior del sólido como resultado de gradientes de concentración, conforme la concentración de humedad reduzca, la velocidad del movimiento interno de humedad disminuye, provocando que la velocidad de secado aumente hasta que el contenido de humedad llegue a un punto de equilibrio con la humedad del aire de secado, es aquí donde el proceso de secado termina.

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4

El contenido final de humedad, determina el tiempo de secado y las condiciones requeridas para el proceso de secado. Las restricciones de temperatura a la cual se llevan a cabo el proceso, resultan debido a la degradación, decoloración, manchado, flamabilidad (provocada principalmente por polvos) y otros factores que afectan al alimento. “La sensibilidad térmica fi ja la temperatura máxima a la cual la sustancia o alimento puede

ser expuesto en el tiempo de secado, esto se debe a que por ejemplo, muchos materiales higroscópicos se pudren durante el secado”. (Mujumdar, 2000)

La velocidad y uniformidad del secado, son dos factores importantes que afectan la calidad del proceso y evitan las pérdidas físicas, estructurales, químicas y nutricionales del alimento. (Mujumdar, 2000) Un proceso de secado es óptimo cuando el tiempo en el que se lleva a cabo es el mínimo, utilizando un mínimo de energía, lo cual está estrechamente relacionado con la eficiencia energética del secador empleado. Con respecto a la frutas y vegetales, el secado puede lograr una reducción en volumen de entre 75% y 85%, dependiendo de la porosidad del alimento (Crapiste, 1991). Por esta razón, la importancia del secado en alimentos representa una disminución en costos a la hora de transportarlos, además de que su manejo es más fácil ya que no es necesario invertir en procesos de refrigeración o añadir conservadores para mantenerlos en buen estado antes de consumirlos. Lo que puede dar lugar a un incremento en los ingresos a la hora de comercializar productos secos.

Curvas fundamentales de secado La cinética de secado de un material no es más que la dependencia de la humedad del material y de la intensidad de evaporación con el tiempo o variables relacionadas con este, como la propia humedad o las dimensiones del equipo. La intensidad de evaporación se determina a través de la velocidad de secado, que es el cambio de humedad (base seca) en el tiempo.

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5

A partir de las curvas de cinética de secado (x vs t, dx/dt vs x), que deben ser obtenidas a nivel de laboratorio, puede tenerse una idea del tiempo de secado, del consumo de energía, del mecanismo de migración de humedad, de las condiciones predominantes en la transferencia de calor y masa y de la influencia que tienen en la velocidad de secado las variables del proceso tales como: temperatura, humedad de entrada, velocidad del aire, etc.

Periodo antecrítico o de velocidad de secado constante En este periodo la superficie del solido está totalmente cubierta por una capa de líquido y la evaporación dependerá solamente de la velocidad de difusión del vapor o de la intensidad de paso de calor a través de la capa límite del aire. Durante este periodo la superficie mojada se comporta como una superficie de agua libre (el agua en la superficie ejerce una presión igual a la tensión de vapor a la temperatura de la superficie). La resistencia de difusión a través del solido hasta la superficie de secado es despreciable, de modo que la velocidad de difusión a través del solido e s igual a la velocidad de secado. Atendiendo a la difusión del vapor, la evaporación horaria por unidad de superficie o velocidad de secado Nc vendrá dada por:

Nc = ky(Yi − Y) Siendo ky el coeficiente de transporte de materia, Y la humedad en el seno del aire e Y i la humedad en la interfase.

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6

Atendiendo a la intensidad de paso de calor, si el calor se emplea exclusivamente en evaporar la humedad, la velocidad de secado vendrá dada por:

Nc =

U λ I

(T − T )

Siendo U el coeficiente global de transmisión de calor; λ i, el calor latente de vaporización del líquido a la temperatura de interfase Ti y T, la temperatura en el seno del aire.

Coeficiente global de transmisión del calor:   El valor de este coeficiente depende del mecanismo de paso de calor al cuerpo húmedo. Si la transmisión del calor se efectúa solamente por una convección del aire a la superficie húmeda:

U = h Siendo hc el coeficiente de convección en las condiciones de trabajo.

Condiciones de interfase:   Aunque las condiciones de interfase (Ti, Yi) permanecen constantes en este periodo, su valor depende del mecanismo de transmisión del calor. Si el calor llega exclusivamente por convección a la superficie húmeda, las condiciones de interfase son prácticamente las mismas que las de la temperatura húmeda del aire, y se deducen del diagrama psicrométrico. Es decir, la temperatura de la superficie del sólido permanece constante en un valor sensiblemente igual a la temperatura húmeda del aire. Se sabe:

q   = λiNc q   = λiky(Yi − Y) q   = hG(TG − Ti) hG (TG − Ti) = λiky(Yi − Y)

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7

hG ky

(TG − Ti)  = λi(Yi − Y)

Ci =

TG − Ti =

hG ky

λi Ci

(Yi − Y)

Donde: 

TG es la temperatura del gas



Ci es el calor húmedo del aire



Yi a la temperatura de interfase



Y es la humedad de operación

Curvas de rapidez de secado Se puede obtener abundante información si se convierten los datos a regímenes de secado, 2

expresados como N (kg de humedad evaporada/ h ·m ), y se lleva a un gráfico en función del contenido de humedad. Se puede hacer esto midiendo las pendientes a las tangentes trazadas a la curva de la muestra con humedad contra tiempo, o por medio de la determinación en base a la curva, de pequeños cambios para los correspondientes cambios en el tiempo

Δ  t

Δx

en el contenido de humedad

y calculando el régimen de secado

como:

N = −S

∆X A ∙ ∆t 

Donde S es el peso del sólido seco y A es la superficie húmeda sobre la que sopla el gas y a través de la cual se lleva a cabo la evaporación en el caso del secado con circulación cruzada de aire. Generalmente se pueden apreciar dos partes notorias de la curva de régimen de secado: un período de régimen constante y uno de caída de régimen, aunque teóricamente existen o se pueden apreciar tres etapas del proceso o períodos de secado.

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8

Figura 3. Curva de velocidad de secado vs humedad.

Etapa A-B:  Es una etapa de calentamiento (o enfriamiento) inicial del sólido normalmente de poca duración en la cual la evaporación no es significativa por su intensidad ni por su cantidad. En esta etapa el sólido se calienta desde la temperatura ambiente hasta que se alcance el equilibrio entre el enfriamiento por evaporación y la absorción de calor de los gases. Este equilibrio se alcanza a la temperatura de bulbo húmedo del gas.

Etapa B-C: Es el llamado primer período de secado o período de velocidad de secado constante; donde se evapora la humedad libre o no ligada del material y predominan las condiciones externas. En este período el sólido tiene un comportamiento no higroscópico. La velocidad de secado se mantiene constante si el gas tiene un estado estacionario y en general depende solo de las propiedades y velocidad del mismo. Si durante el proceso, el gas se enfría, la velocidad de secado decrece pero sigue en esta zona dependiendo de factores externos al sólido. Durante este período la temperatura del sólido se mantiene igual a la de bulbo húmedo del gas, ya que se mantiene el equilibrio alcanzado al final de la etapa de calentamiento.

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9

Etapa C-E:  Es el segundo período de secado o período de velocidad de secado decreciente; donde se evapora la humedad ligada del material y predominan las condiciones internas o las características internas y externas simultáneamente. En estas condiciones el sólido tiene un comportamiento higroscópico. Durante el período, la temperatura del material sobrepasa la de bulbo húmedo debido a que el descenso de la velocidad de secado rompe el equilibrio térmico que mantiene estable la temperatura y una parte considerable del calor se emplea en un calentamiento del sólido. Ahora la humedad deberá ser extraída del interior del material con el consiguiente incremento de la resistencia a la evaporación. Este período de velocidad decreciente puede dividirse en dos partes, con diferentes comportamientos de la velocidad de secado, la cual decrece cada vez más al disminuir la humedad del sólido. Esto implica dos modelos de secado diferente en dicha zona. Un parámetro muy importante a determinar en los materiales a secar es la humedad a la cual se cambia del primero al segundo período, llamada humedad crítica. Esta depende del tipo del material y de la relación de secado en el primer período. La forma de la curva de secado en el segundo período varía en dependencia de las características del material a secar. Existen curvas típicas de cuerpos capilar-porosos con grandes superficies específicas y de pequeñas superficies específicas así como de cuerpos coloidales (Madariaga, 1995).

4. EQUIPOS Y MATERIALES 

Secador de bandejas



Resistencia eléctrica



Ventilador



Balanza



Bandeja



Vasos de precipitación con hielo, para calcular el punto de rocío.



Termómetros



Una papa en forma de cilindro, de esfera, y de paralelepípedo.

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10

5. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL 1. Primero determinamos la temperatura del punto de rocío, la cual se logra colocando hielo en un vaso de agua, agitándolo hasta que aparezca la primera gota de vapor contenido en el aire. 2. Luego delineamos, la papa a cada una de las formas especificadas (esfera, cilindro, paralelepípedo). 3. Prender el compresor. Fijar el flujo a usar. 4. Colocar el sólido en la canastilla, pesarlo y ponerlo en contacto con el flujo de aire caliente en las resistencias eléctricas. 5. Pesar los sólidos cada media hora, anotar la variación. 6. Responder los objetivos e interpretar las gráficas.

6. RESULTADOS A. CÁLCULOS

Tabla 1. Datos experimentales Hora

Peso W (g) Esfera

Cilindro

Paralelepípedo

11:00

0.50

0.99

0.60

11:15

0.35

0.70

0.39

11:30

0.25

0.39

0.29

11:45

0.23

0.35

0.22

12:00

0.20

0.33

0.19

12:15

0.18

0.28

0.19

12:30

0.18

0.25

0.17

12:45

0.17

0.21

0.16

W sólido seco

0.12

0.18

0.11

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11

Tabla 2. Datos adicionales experimentales Material sólido

a (m)

b (m)

c (m)

Área superf.

Esfera

0.0050

_

_

0.000314

Cilindro

0.0035

_

0.0100

0.000440

Paralelepípedo

0.0100

0.005

0.0025

0.000700

TGas (°C)

63

Trocío (°C)

7.8

a) Cálculo de Ky N  = K × (Ys − Y) … (1) Para TG= 63 °C y Trocío= 7.8 °C de Carta Sicométrica se tiene: TWB= 25 °C Y= 0.007 Kg agua/Kg aire seco Ys=0.02 Kg agua/Kg aire seco

Material sólido

Nc (Kg/m^2.h)

Ky (Kgss/m^2.h)

Esfera

0.92

70.769

Cilindro

0.86

66.154

Paralelepípedo

0.46

35.385

Tabla 3. Determinación de Ky

b) Determinación de h c q = h  × (TG − TWB) …(2) q = N  × γ  … (3) Para:

 γ  = 597.51KCal/Kg agua TG= 63 °C TWB= 25 °C

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Tabla 4. Determinación de hc Material sólido

Nc (Kg/m^2.h)

q (Kcal/m^2.h)

hc (Kcal/m^2.h.°C)

Esfera

0.92

597.713

15.729

Cilindro

0.86

513.859

13.523

Paralelepípedo

0.46

274.855

7.233

c) Flujo de gas necesario para la operación de secado Considerando un flujo perpendicular a la superficie del solido a secar:

  = .  ∗ . …()

Tabla 5. Determinación de G Material sólido

hc (Kcal/m^2.h.°C)

G (Kg/m^2.s)

Esfera

15.729

0.312

Cilindro

13.523

0.207

Paralelepípedo

7.233

0.0382

d) Determinación del coeficiente de difusión másica

E





X  - X

*

XC - X

*

… (5)

Paralelepípedo

  D     D     D    2  f   2  f   2    E a. E = f   a     b     c   E b .E ……… (6) c



Esfera

  D    2    E  . ………………….. (7) E = f   a   a

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

Cilindro

  D     D    2  f   2    E a . E = f   a     c   .E …………….. (8) c

Tabla 6. Humedades a cualquier tiempo, equilibrio y crítica Material sólido

Tiempo (h)

Xt (Kg/Kg)

X* (Kg/Kg)

Xc (Kg/Kg)

Esfera

4.0

1.00

0.67

2.83

Cilindro

4.0

0.24

0.05

0.29

Paralelepípedo

4.0

0.17

0.04

0.27

Para encontrar la abscisa f (E) de la ordenada E es necesario hacer uso de la gráfica 4.2 (Operaciones de transferencia de masa, Robert Treybal) Finalmente para determinar el coeficiente de difusión (Da) del líquido a través del sólido, es necesario emplear los datos presentados en la tabla 2 y las ecuaciones 6, 7 y 8.

Tabla 7. Difusividad del líquido a través del sólido Material sólido

E

F (E)

Da (m^2/h)

Esfera

0.179

0.130

8.125E-07

Cilindro

0.792

0.017

1.14E-06

Paralelepípedo

0.565

0.160

3.39E-06

B. RESULTADOS Para: X= (Wmhúmeda-Wmseca)/Wmseca [Kg humedad/Kg sólido seco] N= Pérdida de peso de la muestra/ (área de exposición x tiempo) [Kg/m^2.h]

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Tabla 8. Valores de X y N calculados a partir de datos de tabla 1 Tiempo (h)

Humedad Producto X (Kghum/Kgss)

Veloc. De Secado N (KgH2O/m2.h)

E

C

P

E

C

P

0.00

7.67

2.61

1.83

0.00

0.00

0.00

0.50

5.83

1.34

1.31

0.70

2.36

0.77

1.00

2.83

0.80

0.85

0.92

1.68

0.73

1.50

1.67

0.71

0.62

0.76

1.18

0.60

2.00

1.67

0.61

0.44

0.57

0.93

0.51

2.50

1.50

0.29

0.27

0.47

0.86

0.46

3.00

1.33

0.27

0.21

0.40

0.73

0.40

3.50

1.00

0.27

0.21

0.36

0.62

0.34

CURVAS CARACTERÍSTICAS DE SECADO a) Primera curva característica

G01: X vs t 9 8 7     ) 6    g    K     / 5    g    K 4     (    X

Esfera

3 2 1 0 0

1

2

3

4

t (h)

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15

G02:X vs t 3 2.5 2     )    g    K     / 1.5    g    K     (    X

Cilindro

1 0.5 0 0

1

2

3

4

t(h)

G03: X vs t 2 1.8 1.6 1.4     ) 1.2    g    K     / 1    g    K     (    X 0.8

Paralelepíp…

0.6 0.4 0.2 0 0

1

2

3

4

t(h)

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16

b) Segunda curva característica

G04: N vs X 1.02 0.92 0.82     )     h  . 0.72    2    ^    m     / 0.62    g    K     (

Esfera

0.52

   N

0.42 0.32 0.22 0

1

2

3

4

5

6

7

X (Kg/Kg)

G05: N vs X 2.89

2.39     )     h  .    2 1.89    ^    m     /    g    K 1.39     (    N

Cilindro

0.89

0.39 0

0.5

1

1.5

X(Kg/Kg)

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G06:N vs X 0.81 0.71     ) 0.61     h  .    2    ^    m     / 0.51    g    K     (    N0.41

Paralelepípedo

0.31 0.21 0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

X (Kg/Kg)

c) Tercera curva característica

G07: N vs t 1 0.9 0.8 0.7

    )     h  .    2 0.6    ^    m     / 0.5    g    K 0.4     (    N

Esfera

0.3 0.2 0.1 0 0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

t(h)

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18

G08: N vs t 2.5 2     )     h  .    2 1.5    ^    m     /    g    K 1     (    N

Cilindo

0.5 0 0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

t (h)

G09: N vs t 0.9 0.8 0.7     ) 0.6     h  .    2    ^ 0.5    m     /    g 0.4    K     (    N0.3

Paralelepípedo

0.2 0.1 0 0

1

2

3

4

t (h)

DISCUSIÓN DE RESULTADOS 1º En el gráfico Nº 1 graficamos la mejor línea de tendencia ya que obtuvo una dispersión de datos en la cual existían una gran cantidad de datos que escapaban

del rango

esperando por la cual se admitieron .Del periodo de A al B se observa el periodo de LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS II

19

adoptamiento del solidó del B al C se observa el periodo de secado del solidó a velocidad constante y a la vez en el punto C inicia nuestro periodo de sacado a velocidad decreciente.

2º- El coeficiente de transferencia de masa se halla en función de la

velocidad

de

secado crítico. Ahora si hallamos el Ky para cada velocidad de secado observamos que el Ky aumenta si el R aumenta y disminuye si el R disminuye, esto puede verse en todos los gráficos.

3º- El coeficiente de difusión másica está en función del tiempo vemos que conforme aumenta el tiempo el coeficiente de difusividad másica aumenta.

4º Las gráficas 06 y 05 muestran una dispersión total de puntos, la línea no sigue la tendencia esperada, tal como las anteriores gráficas, esto probablemente se deba a una mala toma de pesos o tiempo (mala toma de datos).

7. CONCLUSIONES 1) A mayor cantidad de tiempo transcurrido, mayor será la humedad libre perdida. 2) El coeficiente de transferencia de masa directamente proporcional a la velocidad de secado. 3) Por los cálculos realizados, puede verse que el coeficiente de transferencia de calor h c es directamente proporcional a la velocidad de secado. 4) El coeficiente de difusividad masiva es directamente proporcional al tiempo de secado.

8. RECOMENDACIONES 

Ser cuidadosos en la calibración de la balanza, antes de pesar las muestras esta debe estar calibrada, por su sensibilidad es recomendable calibrar solo cuando es necesario y no a cada momento.



Es recomendable usar pinzas para coger la muestra de papa, para así evitar la influencia en el peso por algún factor exterior.

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

Las muestras listas de la papa deben ser pesadas de inmediato para obtener un buen peso de referencia, cuando la muestra contiene humedad y aun no se ha sometido al secado.



En cada pesada, sacar con 3 minutos de anticipación la muestra del secador, para asi pesar rápidamente y no alterara los tramos de tiempo.

9. BIBLIOGRAFÍA 

Treybal, R.E. (1980) Operaciones de transferencia de masa Ed. Mc. Graw−Hill.



Costa, Cervera, Cunill, Espulgas, Mans, Mata (1999) Curso de ingeniería química Ed. Reverté.



Fernández, Y. Humidificación  –  Torres de enfriamiento. Issuu. Recuperado de: http://issuu.com/yoly10/docs/humidificaci_n-torres_de_enfriamiento



Geankoplis, Ch. J, "Procesos de Transporte y Operaciones Unitarias", CECSA 2da.Ed., México 1995.



Ocon J. & Tojo G. (1986). Problemas de ingeniería química. Editorial Aguilar.

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