SECADO(REPORTE)

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA METROPÓLITANA

LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS

PROF. MARIO GONZALO VIZCARRA

PRÁCTICA 2 SECADO DE MANZANA POR LOTES 

•

 AGUILAR MARTÍNEZ OCTAVIO 

•

GARCÍA PÉREZ ANGELES 

•

LIMÓN CONTRERAS CLAUDIA

•

RODRÍGUEZ GÓMEZ RAÚL

2/JUNIO/10

1. INTRODUCCIÓN El secado es una operación unitaria, en la que se elimina por evaporación casi toda el agua presente en los alimentos, mediante la aplicación de calor bajo condiciones de operación controladas. El secado en si implica la transferencia de un liquido procedente de un sólido húmedo a una fase gaseosa no saturada. El secado de alimentos determina una reducción del peso y normalmente también, del volumen, por unidad de valor alimenticio, e incrementa la vida útil de los productos secados en comparación con los correspondientes alimentos frescos [1]. En general, el secado significa la remoción de cantidades de agua relativamente pequeñas de cierto material. La evaporación se refiere a la eliminación de cantidades de agua bastante grandes, además, ahí el agua se elimina en forma de vapor a su punto de ebullición. En el secado, el agua casi siempre se elimina en forma de vapor con aire [2].

1.1MARCO TEORICO Curvas de rapidez de secado. A partir de los datos obtenidos durante las pruebas de secado, se puede graficar  la curva de contenido de humedad como función del tiempo. Se puede obtener  mucha información si los datos se convierten a fluxes de secado, expresadas como  N  masa/tiempo (área) y se grafican contra el contenido de humedad. Para realizar lo primero debemos expresar los datos como peso total (W) del solido húmedo a diferentes tiempos durante el periodo de secado. Estos valores se pueden convertir a datos de velocidad de secado con los siguientes procedimientos. Si (W) es el peso del solido húmedo en Kg totales de agua más el sólido seco y (Wss) es el peso del solido seco en Kg.  X t 

W  =

−

W  ss

W  ss

(1)

 Kg  totales de agua =

 Kg  de  solido sec o

Con los datos que se obtienen de la ecuación anterior se puede trazar una grafica del contenido de humedad libre X en función del tiempo, para obtener la curva de velocidad de secado se pueden medir las pendientes de las tangentes trazadas a la curva, o se puede determinar a partir de la curva pequeños cambios en el contenido de humedad dX  para los cambios pequeños correspondientes en el tiempo dt  y se calcula la rapidez como:  N  =

W ss  A

 −dX         dt   

(2)

Donde:  A : Área

de transferencia de masa.

La siguiente figura muestra una curva típica de secado.

Figura 1. Curva típica de secado.

Generalmente hay dos partes principales en la curva de rapidez de la figura, un periodo de rapidez constante y uno de rapidez decreciente. Como se puede observar del punto de B a C tenemos una zona de rapidez de evaporación constante, la rapidez de evaporación aumenta cuando la temperatura superficial aumenta hasta su valor final durante el periodo AB; del punto C al D tenemos la primer parte del periodo decreciente de la rapidez, es decir, el periodo de secado superficial no saturado. Finalmente la película superficial original del liquido se habrá evaporado completamente a un contenido de humedad promedio del sólido que corresponde al punto D, en el punto E el contenido de humedad del solido ha caído hasta el valor en el equilibrio X * para la humedad del aire predominante y el secado se detiene [3].

El flux de evaporación de agua se puede determinar también de la siguiente manera, o conociendo el flux se puede obtener el valor del coeficiente de transferencia de masa [2]: (3) Definiendo a Entonces el flux de agua que se evapora es: (4) Donde: N : flux de agua que se evapora [kgmol H2O/m2·s] y : fracción mol de vapor de agua en el gas y w:  fracción mol de vapor de agua en el gas en la superficie del sólido. k y:  coeficiente de transferencia de masa [kg mol/m 2·s] M  A: peso molecular del agua [kg/kg mol] M B: peso molecular del aire [kg/ Kg mol] Y’ : humedad

Despreciando el calor necesario para sobrecalentar la humedad evaporada hasta la temperatura del gas y considerando sólo el calor latente de evaporación λ  s , entonces el flux de evaporación  N c y el flux de flujo de calor están relacionados con  N c λ  s

=q

(5)

El calor recibido por convección en la superficie está controlado mediante el coeficiente corrector de transferencia de calor por convección h . c

qc

=

hc ( T G

−

T S  )

(6)

Además la velocidad de secado para el periodo de secado constante puede calcularse por la ecuación de transferencia de calor que se muestra a continuación.  N 

=

hc (T V 

T i ) / λ w

−

(7)

Donde el valor de hc depende del patrón de flujo del aire en relación a la superficie de secado. Para aire en flujo paralelo a una temperatura entre 45-105°C

y un flujo másico G de 2450-29300 utiliza la siguiente correlación [4]. hc

G

0.0204 G

 Kg  / h m 2 o

velocidad de 0.61-7.6 m / s se (8)

0.8

=

=

(9)

ρ   gv

Otra correlación ampliamente utilizada en la práctica para el caso de flujo paralelo es: hc

=

(5.090 G

0.71

) / d e

0.29

(10)

Donde: de: Diámetro equivalente del espacio para el flujo de aire (m) G: flux másica del aire (Kg/ m 2 s) hv: Coeficiente de transferencia de calor convectivo ( W/ m 2 ºK) N: Velocidad de secado durante el periodo de secado constante (Kg / m 2 s) Tv: Temperatura del gas seco (Temperatura de bulbo seco) (ºK) Ti: Temperatura interfacial (Temperatura de bulbo húmedo) (ºK) v : Velocidad del aire (m/s)

λ: Calor latente (J/°K) ρ: Densidad del aire a la temperatura de operación ( Kg / m 3)

1.2

SECADOR DE CHAROLAS

En el secador de charolas se esparce uniformemente sobre una bandeja de metal de 10 a 100mm de profundidad el sólido que se quiere secar, esté secador típico tiene bandejas que se cargan y se descargan de un gabinete. Un ventilador circula aire calentado con vapor paralelamente sobre la superficie de las bandejas, también se usa calor eléctrico, en especial cuando el calentamiento es bajo. 1.3 •

OBJETIVO

Obtener la curva de secado.

•

Calcular la rapidez de secado en el equilibrio.

•

Calcular la cantidad de humedad que va a perder el sólido.

•

Distinguir las fases de secado.

1.4METAS •

Operar el secador de manera adecuada, teniendo cuidado de mantener  la temperatura a la entrada de las charolas en 60ºC, ya que esta es la temperatura a la cual se debe secar la manzana.

2. MATERIALES •

Anemómetro

•

Vernier 

•

Manzana

•

Cronometro

3. EQUIPO Secador de bandejas UOP8 . Este secador de bandejas de pequeña escala seca sólidos pasando una corriente de aire caliente sobre bandejas de material húmedo, un método habitual en la industria. La unidad consta de un túnel con soportes sobre el suelo, con un ventilador de flujo axial instalado en uno de sus extremos. Aguas abajo del ventilador, un banco de elementos calentados eléctricamente calienta el aire que fluye a la cámara de secado. La cámara, que tiene una puerta de acceso transparente, contiene un rack de bandejas suspendidas de una balanza que va montada encima del secador. La capacidad total de las bandejas es de aproximadamente 3kg de sólidos. Los conductos aguas arriba y aguas abajo del secador están diseñados para proporcionar un flujo de aire uniforme sobre las bandejas.

Los controles montados en un panel en el extremo del túnel que lleva el ventilador  permiten variar la velocidad del aire y la potencia del calentador para variar la temperatura a lo largo del secador. Es posible efectuar mediciones de temperatura y humedad (con un sicrómetro aspirado de bulbo seco y bulbo húmedo) antes y después de la cámara de secado. Los elementos de calentamiento están totalmente protegidos contra sobrecalentamiento por el uso de termostatos bimetálicos, y los circuitos de calentamiento solamente pueden ser encendidos cuando el ventilador está en funcionamiento. La velocidad mínima del ventilador está preestablecida.

4. RESULTADOS

4.1 PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL Primero se corto la manzana en rodajas tratando de que estas quedaran lo más parecidas posibles entre sí, después se encendió el secador y se ajusto el flujo de aire y la temperatura, se estabilizo la temperatura de entrada a 60°C ya que esta es la temperatura de secado de la manzana, posteriormente se pesaron las charolas de secado en la bascula que posee el equipo, a continuación se llenaron las charolas con manzana teniendo el cuidado de que el espesor del solido no sobrepasara la altura de la charola, posteriormente se metieron las charolas al secador y se tomaron medidas de temperatura a la entrada y salida de las bandejas, también se midió en flujo de aire a la salida del secador. Estas mediciones primero se realizaron para 2 y 5min, pero conforme se fueron reduciendo los cambios en el peso de las charolas se opto por establecer tiempos más grandes de 10min, se tomo una última muestra al tiempo de 1h. Posteriormente se limpiaron las charolas y el sólido seco fue introducido a un horno, y por último se peso el sólido seco en una balanza.

4.2 DATOS EXPERIMENTALES Tem. de Entrada (oC) t (minutos) W total (g) W (solido) Bulbo Bulbo Húmedo Seco 0 1645 604 27 51 2 1633 592 27 51 4 1632 591 27 51 6 1617 576 32 60 8 1612 571 32 60 12 1584 543 34 60 14 1580 539 34 60 19 1558 517 32 60 24 1545 504 32 60 29 1529 488 33 60 34 1511 470 33 60 39 1494 453 33 60 44 1465 424 32 60 49 1456 415 32 60 54 1410 369 33 60 69 1389 348 32 61 79 1335 294 32 61 89 1307 266 33 62 99 1284 243 33 62 109 1282 241 33 62 119 1260 219 31 60 129 1231 190 31 60 139 1227 186 31 60 150 1205 164 31 60 210 1182 141 31 60

Tem. de Salida ( oC) Bulbo Bulbo Húmedo Seco 25 50 25 50 25 50 21 55 21 55 33 57 33 57 34 58 34 58 31 58 31 58 31 58 33 58 33 58 34 58 33 59 33 59 34 60 34 60 34 60 32 58 32 58 32 58 32 58 33 61

Flujo de aire (m/s) 1.26 1.26 1.26 1.26 1.26 1.2 1.2 1.63 1.63 1.37 1.37 1.37 1.62 1.62 1.5 1.5 1.5 1.51 1.51 1.51 1.61 1.6 1.6 1.6 1.59

Datos obtenidos en tablas y del quipo. Masa de las charolas(g) Wss usado (g) Área de sección transversal del equipo (m2)

1041

Área total de transferencia de masa (m2)

0.20

49.90

PM (agua)

18.01

0.0784

PM (aire)

29.00

4.3 Cálculos A partir de la masa recabada del solido húmedo y la masa del solido seco, se determina el contenido de humedad a partir de la ecuación 1, como se muestra la figura 2.

Figura 2. Contenido de humedad en base seca en función del tiempo.

Figura 3. Curva de secado.

En la figura 3 se pueden distinguir dos zona de secado, del punto A al punto B describe el secado superficial no saturado, y del punto B al C el liquido se ha evaporado completamente, hasta el contenido de humedad en equilibrio (X* ) que es de 2.03. Con la ecuación 2 se determinan los fluxes de H 2O en función del tiempo, para los primeros 40 minutos, que es donde se mantuvo constante, el flux promedio de evaporación fue de 3.58X10-4 KgH2O/m2s o bien 1.99X10-5 kmolH2O/m2s. A partir de las temperaturas de de bulbo húmedo y bulbo seco se determinan el contenido de humedad, y con sus pesos moleculares del agua y del aire se encuentra los moles totales de cada uno. Una vez conociendo los moles presentes en el seno del gas encontrar la fracción molar de agua. A parir de la presión de saturación del agua a la temperatura de la superficie del sólido se determinan la facción molar del agua en la superficie del sólido. Con la ecuación 2 y la ecuación 3 se encuentra el coeficiente de transferencia de masa cuyo valor  fue de 1.39X10-4Kmol/m2s. A partir de la ecuación de gases ideales se determina la densidad del aire que fue de 1068.45 Kg/m3 y con la ecuación 9 se determina el flux másico que fue de 1601.71 kg/m2s. Usando la correlación para determinar el coeficiente de transferencia de calor convectivo (ec. 8) se tiene que =7.47W/m2K.

5. CONCLUSIONES Las condiciones de secado del solido (manzana) se establecieron en base al protocolo “Transport Properties in the Drying of Solids”. En curva de secado se observan 2 zonas de secado, en la primera zona describe el secado superficial del sólido, y en la segunda la evaporación completa del sólido. Los coeficientes de transferencia de masa y de calor obtenidos a partir de los datos experimentales fueron de 1.39X10-4Kmol/m2s y 7.47W/m2K respectivamente.

6. BIBLIOGRAFIA [1] Tesis Planta deshidratadora de vegetales y hortalizas, Camarillo Villegas Alejandra y Zamora Cárdenas Ana María, Mayo 2002. [2] Procesos de transporte y operaciones unitarias, Christie J. Geankoplis, editorial COMPAÑÍA EDITORIAL CONTINENTAL, S.A. DE C.V. MÉXICO, 3ª Ed., 1998. [3] Operaciones de transferencia de masa, Robert E. Treybal, Editorial McGrawHill, 2ª Ed., 1988 [4] Manual de prácticas, Secador de charolas, Dr. Jaime Vernon Carter