UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN SIMON FACULTAD DECIENCIAS Y TECNOLOGIA CARRERA: ING. DE ALIMENTOS
MATERIA: INGENIERIA DE ALIMENTOS I DOCENTE: ING. SOTO ESTUDIANTES: GARCIA QUINTEROS MARIA GRACIELA QUINO CHOQUE JHOANA FECHA: 05/07/11
CBBA _ BOLIVIA
DISEÑO DE EQUIPOS PARA LA ELABORACION DE ZUMO DE NARANJA 1. INTRODUCCION: El zumo de naranja fresco tiene un u n sabor frutal y acido. Contiene gran g ran cantidad de vitamina C (acido ascórbico). Algunas fábricas añaden ácido cítrico o ácido ascórbico a sus productos, además de otros nutrientes como el calcio y la vitamina D. El zumo de naranja parece más Nutritivo que las versiones sin pulpa debido a la existencia de flavonoides que existen en la Pulpa. La calidad del zumo de naranja se ve influenciada principalmente por factores Microbiológicos, enzimáticos, químicos y físicos, que suelen ser los que co mprometen las características organolépticas (aroma, sabor, color, consistencia, estabilidad y turbidez, separación de las fases sólidas/liquidas) así como las características nutricionales (vitaminas). En conjunto estos factores y sus alteraciones se producen durante la cadena de refrigeración, distribución y almacenamiento del producto. Sobre las propiedades microbiológicas se puede controlar con trolar con procesos térmicos que disminuyen las poblaciones tales como la pasteurización mediante HTST, con este tratamiento se previenen sobre todo las bacterias lácticas a las que afortunadamente se puede decir que presentan una resistencia baja a los tratamientos térmicos. El zumo de naranja se considera un alimento acido (de pH bajo) y es por eso que q ue el tratamiento térmico difiere de la leche. No obstante existen algunos hongos que pueden sobrevivir a pH bajos como el Byssochlamys y que pueden deteriorar el sabor final del producto, entre los factores químicos se encuentra la naturaleza oxidativa del d el zumo de naranja (similar a la de los demás cítricos) debida a la vitamina C que obliga a envasar en unos u nos tiempos limitados y no verse afectado el sabor. USOS Uno de los usos culinarios primordiales es como refresco aunque es muy empleado en muchos desayunos del mundo: es parte del famoso desayuno ingles. Se emplea en la elaboración de algunos cocktails como el destornillador, el feuerzanqenbowle (ponche navideño en aleman), la sangría, el agua de Valencia (mezcla de cava y zumo de naranja). Su carácter acido de emplea en la elaboración de salsas como la salsa rosa o en preparaciones como el ceviche o algunas vinagretas para ensaladas. A veces se emplea en la preparación de alimentos como un ingrediente mas, por ejemplo, la torta Baja de California de Mexico.
2. OBJETIVOS -
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Comprender el funcionamiento de los diferentes equipos para la elaboración de zumo de naranja. Conocer acerca de las diferentes operaciones unitarias Conocer la importancia y las aplicaciones que q ue tienen estas operaciones unitarias en la industria. Realizar balances de masa y energía mecánica para los diferentes equipos a utilizar.
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La elaboración de los equipos a utilizarse en esta industria.
3. DESCRIPCION DEL PROCESO: El proceso que se explica a continuación es para la elaboración de jugo de naranja, envasado en botellas plásticas El proceso de industrialización del zumo de naranja se inicia con la recolección de la naranja, cuando el índice de madurez de estas está entre 11 y 13. El indice de madurez se obtiene al dividir los grados Brix entre la acidez). Este proceso consta de los siguientes pasos:
Diagrama de flujo Naranjas
Recepción
Agua clorada
Aceites esenciales
Selección
Fruta de rechazo 2 %
Lavado
Agua de lavado
Extracción del jugo
Fragmento de pulpa y semillas 2 %
Filtrado
Agua evaporada 20 %
Concentración
Envasado
Etiquetado
Almacenamiento
Sólidos 40 %
Hasta 65 ºBrix
95ºC x 10 minutos
1. RECEPCION Consiste en cuantificar la materia prima que entra al proceso, es necesario usar balanzas limpias y calibradas.
BANDAS TRANSPORTADORAS De acuerdo al tipo de materiales que van a manejarse, existen dos grandes grupos de transportadores, ellos son: -Banda o rodillo para el manejo de productos empacados o cargas unitarias. -Banda o rodillo para manejo de producto suelto o a granel. Cada banda o rodillo transportador posee sus propias características dependiendo del tipo de actividad, medio ambiente, espacio, necesidades y manejo de materiales. Existe un gran número de variables para escoger una banda o rodillo transportador requerido para un proceso determinado: . Material a manejar: Características, temperatura, etc. . Capacidad y peso. . Distancia de transporte. . Niveles de transporte. .Interferencias, limitaciones, apoyos. . Función requerida del medio transportador. . Condiciones ambientales. . Recursos energéticos. Tipos de bandas transportadoras: Los principales que podemos nombrar son: . Cinta transportadora. . Elevador de capachos. . Tornillo helicoidal.
A. Bandas transportadoras de goma Vulcanizado de perfiles: Para mejorar la capacidad de transporte, sobre todo con grandes inclinaciones se emplean perfiles transversales y bordes de contención. Vulcanizados perfiles de distintos tipos, adaptando su disposición a las características del producto y transportador. Características: Se conoce el desarrollo total de la banda en metros. Indicando si va cerrada sin-fin, grapada, empalme preparado o abierta. La superficie puede ser: - Lisa: para transporte horizontal o de poca inclinación. - Nervada: para instalaciones de elevado angulo de transporte.
- Rugosa: alto coeficiente de rozamiento para transporte horizontal y/o inclinado de productos manufacturados generalmente. El ancho de la banda en mm esta en función al tipo, existen unos anchos estandarizados. Son: - LISA: 300-400-500-600-650-700-800-1000-1200 - NERVADA: 400-500-600-650-800 - RUGOSA: Ancho máximo 1200 mm.
B. Bandas transportadoras de pvc y pu: Se emplean para el transporte interior de productos manufacturados y/o a granel, en la mayoría de los sectores industriales: alimentación, cerámica, madera, papel, embalaje, cereales, etc. Según el tipo de transportador, - Trama rígida, para transporte plano. - Trama flexible, para transporte en artesa. Acabado inferior puede ser de cobertura para transporte sobre rodillos o de tejido o grabado (K) para deslizamiento sobre cuna de chapa. Según el tipo de producto a transportar se determinara la calidad de la cobertura: Cobertura Blanca alimentaria (PVC o Poliuretano) Cobertura Resistente a grasas y aceites vegetales, animales o minerales. Resistente a la abrasión Resistente a los cortes. C. Bandas transportadoras modulares: Se fabrican con materiales FDA (polietileno, Polipropileno y poliacetal), permiten un amplio rango de temperatura de utilización (-70 a 105ºC) y presentan las ventajas de su fácil manipulación, limpieza y montaje a la vez que una gran longevidad. Sus principales aplicaciones son: - Congelación - Alimentación - Embotellado - Conservas D. Bandas de malla metálica / teflón: Fabricadas en distintos metales y aleaciones, generalmente están constituidas por espiras de alambre unidas entre sí por varillas onduladas o rectas. Permiten su utilizaci6n en aplicaciones extremas de temperatura (de 180ºC a 1200ºC), corrosión química o donde se requiera una superficie libre determinada. Tanto por los materiales empleados como por los tipos de banda, las posibilidades de fabricación son infinitas y las aplicaciones más usuales son: - Congelación, enfriamiento - Hornos - Sinterizado - Filtrado - Lavado
BANDAS DESLIZADORAS: Usadas para el transporte de la naranja desde su recepción realizada por camiones hacia la maquina lavadora con cesto rotativo. Son bandas deslizadoras en pasantes de lamina de metal y bandas de protección contra el polvo. Su velocidad de flujo es regular debido al peso de la naranja que en este caso viene determinado por el peso de la mandarina. 2. SELECCION Después del lavado las materias primas siguen avanzando por una banda transportadora hasta llegar a un equipo seleccionador que deja caer las naranjas pequeñas antes que las medianas estas antes que las grandes. Se selecciona fruta madura con la relación ºBrix/acidez adecuada. Se desecha la fruta verde, la excesivamente madura o que presente golpes y podredumbres. Las mandarinas pasan por bandas transportadoras al ingresar a la planta. En esta fase se descartan naranjas golpeadas, verdes, enfermas, etc., es decir, las que no cumplen con las especificaciones presentadas anteriormente. Las perdidas por selección se estiman en un 2%. Mientras se realiza la selección, se van escogiendo al azar algunas naranjas hasta completar una muestra generalmente de 64 frutos; esta muestra se lleva al laboratorio de control de calidad, se le extrae el jugo y por diferencia de peso entre el jugo y el resto de la fruta se obtiene el rendimiento. De la cantidad de jugo extraida se toman 25 cc, para medir la acidez total, los gradosBrix y la relaci6n entre ambos. Ti pos de seleccionador as
1. Máquina para la selección de fruta: en especial para naranjas y cítricos en general, con la finalidad distribuir uniformemente el fruto procedente de una máquina de secado previa, para su desplazamiento ante los operarios que han de efectuar la eliminación manual de aquellos frutos defectuosos. Se caracteriza por estar constituida a partir de una bancada principal, en la que se establecen una pluralidad de canalizaciones paralelas, cuyo fondo queda definido por respectivas cintas transportadoras, siendo dichas canalizaciones de longitudes distintas, de manera que cada una de ellas se interrumpe a nivel de una mesa de trabajo, con lo que cada mesa de trabajo es alimentada por su propia canalización, incorporando cada una de estas mesas de trabajo una plataforma de rodillos en la que dichos rodillos están sometidos a un movimiento giratorio, todo ello de forma que los frutos se desplazan ante los operarios situados a ambos lados de la mesa a la vez que giran sobre si mismos para mostrar toda su superficie. Habiéndose previsto que cad a una de estas mesas desemboque por su extremidad libre y a trav6s de un deflector en una cinta transportadora inferior, situada bajo la plataforma de rodillos, en una sub-bancada inferior, vertiendo estas cintas transportadoras inferiores y
transversales sobre una cinta transportadora longitudinal, común a todas las anteriores y constitutiva del medio de evacuación de los frutos admitidos como válidos hacia el exterior de la máquina. 2. Máquina para la selección de fruta, según reivindicación 1: caracterizada porque las mesas de trabajo adoptan una disposición perpendicular con respecto a las canalizaciones de alimentación establecidas en la bancada principal, quedando dichas mesas suficientemente distanciadas entre si como para permitir una cómoda ubicación de los operarios a ambos lados de las mismas. 3. Máquina para la selección de fruta, según reivindicaciones anteriores, caracterizada porque las cintas transportadoras del bastidor principal, las situadas a nivel superior, pueden estar asistidas por un motor de accionamiento único, en cuyo caso el accionamiento de dichas cintas es simultáneo y la velocidad y caudal de las mismas coincidente, o bien pueden estar dotadas de motores independientes, en cuyo caso la máquina dispondrá de un pulmón previo de alimentación, de forma que cada cinta transportadora de alimentación de las mesas puede funcionar a cualquier velocidad, distinta de las restantes, con diferente caudal de alimentación de frutos e incluso resultar inoperante cuando se prevea la anulaci6n funcional y temporal de la correspondiente mesa de trabajo.
RODILLO ROTATORIO: La descripción técnica del producto es la siguiente: - Seleccionadora de frutas sobre rodillos rotativos - Selecciona naranjas de consistencia más o menos rígida y forma redonda - Transportador de tipo "rodillo vivo": se trasladan y rotan sob re su eje, exponiendo a la vista de los inspectores la totalidad de la superficie de la fruta sin necesidad de tocarla - Longitud total de 5,50 mts, por 1,056 mts de ancho y 1 mt de altura - Velocidad variable - Rodillos de 48 mm de diSmetro uniformemente espaciados cada 82 mm - Capacidad de una a cinco ton/hora - Fabricados en acero al carbono o en acero inoxidable
3. LAVADO Con la limpieza se elimina polvo, residuos de pesticidas y tierra; en la selección se desechan los frutos podridos y se puede realizar en forma manual o mecánica. El lavado y
cepillado se hace para eliminar bacterias superficiales, residuos de insecticidas y suciedad adherida a la fruta. Se debe utilizar agua clorada. En este proceso las naranjas son conducidas en fajas transportadoras hacia una lavadora con aspersores y cepillos donde se eliminan impurezas que pudieran traer del campo, usando agua potable y algún aditivo especial.
Tipos de lavadoras: Puede llevarse a cabo de diversas formas, mediante lavaderos fijos con álabes rotativos en su interior o con lavadoras rotativas con álabes fijos (tambores). El principio es hacer circular la fruta y el agua de lavado en direcciones opuestas para separar así la tierra. El agua de transporte cuando éste se realiza por vía húmeda, se separa de la fruta antes de entrar en la unidad de lavado y se lleva a un decantador cuyo rebose es directamente reutilizado como agua de transporte y agua de lavado. La parte concentrada que se sedimenta en el decantador se retira y se lleva a las balsas de decantación. El agua de lavado puede ser reciclada para transporte después de pasar a través de un decantador o ser llevada a las balsas de decantación tras ser separada de la parte vegetal y de los residuos pedregosos desprendidos de la fruta durante la limpieza.
Máquinas para la utilización de todo tipo de productos: Desengrasantes, alcalinos, fosfatantes, pasivantes, decapantes, etc... 4. EXTRACCION Esta operación se puede hacer con una máquina industrial que recibe las mandarinas enteras y realiza la extracción y filtración del jugo de una vez. Tipos de extractoras Una vez que caen del seleccionador, pasan a las máquinas extractoras, las cuales van en orden según el tamaño de la fruta, es decir, primero están las extractoras para naranja pequeña, luego las de naranja mediana y por último las de naranja grande. En este proceso se exprime el jugo y a la vez se pela la naranja. El jugo pasa inmediatamente a una tubería, y la cáscara se recoge para ser eliminada. En el proceso de extracción se recupera cierta cantidad de los aceites esenciales de la cáscara, que son diferentes a los del jugo propiamente. En promedio se puede obtener hasta un 60% de jugo. Extracción del zumo, para esto se utilizan dos sistemas: 1. Exprimidores: cortan el fruto por la mitad y se exprimen en un cono acanalado que gira a gran velocidad. 2. Sistema lN-LlNE. Consiste en introducir la fruta en una cánula y prensarla entre dos émbolos.
Los exprimidores entran en contacto tan solo con la pulpa de la fruta, produciendo jugos libres de acidez y contaminación. Es el mismo principio de los exprimidores manuales, pero totalmente automatizado. Una máquina automática funciona de la siguiente forma: 1) El alimentador automático introduce la fruta en el sistema; 2) Los exprimidores superiores y la cuchilla cortan la fruta en dos; 3) La cuchilla envía ambas mitades hacia los exprimidores inferiores; 4) Los exprimidores inferiores exprimen la pulpa de la fruta, ex trayendo el jugo; 5) Las guías peladoras envían las cáscaras hacia el basurero. El extractor del jugo del residuo del sisal es equipo de proceso de la deshidratación para el residuo del sisal; y separa la fibra y el jugo individualmente de residuos del sisal después de que la máquina del sisal que raspa haga residuos del sisal.
Características del extractor 1. El jugo se separa de residuos del sisal que han sido transportadas por la hoja espiral y machacada fuertemente. 2. La cabeza del cono utiliza el acero inoxidable con el dispositivo de la comprensiónexpansión de la sobrecarga, que alimentan igualdad y protegen el extractor del jugo. Trabaja aunque alimenta constantemente. 4. El extractor del jugo del residuo del sisal tiene diseño razonable, pequeño volumen, consumo de la energía baja, instalación fácil, uso confiable y jugo del alto-machaca miento.
5. FILTRADO El jugo se pasa por un colador de malla fina para separar las semillas y otros sólidos en suspensión. En este paso se separan los fragmentos de pulpa y semilla que pasaron en el momento de la extracción; estimándose estos en un 1%, el porcentaje es mínimo por el pre filtrado de los extractores. -Esto puede realizarse con un filtro de manga de tela apropiada previamente bien lavada y recien hervida, que pueda ser cambiado y lavado con facilidad
Tipos de equipos de filtración Existen varios tipos de filtros industriales pero los más comunes son: a) Filtroprensa
Los filtros prensa pueden operarse a presión constante o puede incrementarse gradualmente la presión para mantener el volumen de filtrado constante ya que comúnmente se emplean bombas centrifugas con estos equipos, la filtraci6n se da inicialmente a tasa constante seguida de a presión constante. La presión empleada en este tipo de equipos es de 25-75 psig (276-61RN/m2). Estos equipos existen con las placas en forma vertical u horizontal.
Filtro prensa de Placas Verticales El elemento básico en un filtro prensa vertical es un arreglo de placas de drenado verticales que sostienen al medio filtrante. Un diseño muy conocido es la prensa de placas y marcos. En este tipo de filtro placas y marcos. En este tipo de filtro placas estriadas cubiertas de ambos lados con el medio filtrante, se alternan con marcos en un soporte. El conjunto de placas y marcos puede apretar con un tornillo sin fin mecánico o hidraulico para evitar las fugas de fluido. El medio filtrante actúa también como junta. Tanto las placas como los marcos están previstos de aberturas en una esquina formándose un canal por donde se alimenta la suspensión a filtrarse. Además, el centro hueco de los marcos se encuentra conectado por un canal auxiliar al canal de alimentaci6n La suspensi6n alimentada entra a los marcos y la torta se acumula en el espaciovacio, mientras que el filtrado pasa a trav6s del medio filtrante y sobre las superficies estriadas de las placas de donde es retirado por medio de un canal de drenado en cada placa. La filtración continua hasta que el flujo de filtrado cae por debajo de un nivel práctico o si la presión alcanza un nivel inaceptable.
b) Filtros al vacio: Este tipo de filtros es recomendado para procesos continuos. En estos filtros se mantiene una presión subatmosférica corriente abajo del medio filtrante y atmosférica corriente arriba. Filtros de Tambor Rotatorio al Vacio. Consisten de un tambor rotatorio girando alrededor de su eje horizontal. La superficie del tambor consiste de un número de compartimientos poco profundos formados por flejes divisorios que corren a lo largo del tambor. Cada compartimento se encuentra conectado por una o varias tuberías a una válvula rotatoria automática situada centralmente en un extremo del tambor. El tambor se encuentra parcialmente sumergido en un tanque abierto que contiene la suspensión a filtrarse. El medio filtrante cubre la superficie del tambor y se encuentra soportado por placas perforadas. El tambor gira a velocidades del orden de 0.1-2 rpm. Conforme el tambor gira los compartimentos sumergidos en la suspensi6n forman un
vacio. El filtrado fluye a través del medio filtrante y salen p or la tubería de drenado, mientras que los sólidos forman una torta en la superficie externa del medio filtrante. Conforme el compartimento emerge de la suspensión, la capa de torta es raspada.
Filtros Centrífugos En estos filtros se emplea la fuerza centrifuga como fuerza motriz. Estos filtros realmente son centrifugas adaptadas con un recipiente perforado sobre el cual se coloca un medio filtrante. La suspensión a filtrar se alimenta al interior del recipiente sujeto a fuerzas centrifugas, el filtrado fluye a través del medio filtrante y la torta se acumula en el interior del recipiente,
6. CONCENTRACION Se realiza por medio de concentradores o evaporadores; a base de calor se logra evaporar parte del agua que posee el jugo (80%) concentrándolo hasta 65ºBrix. Es muy importante el control de tiempo y temperatura para que no se afecten las propiedades organolépticas del producto; por lo general se hace a baja presión, para utilizar bajas temperaturas.
Tipos de concentradores: Los equipos en los que ocurre una vaporización se pueden dividir de la siguiente forma: A) Calderas. B) Evaporadores * Plantas de Fuerza. Para recuperar el solvente (agua). * Químicos. Con el propósito de recuperar o concentrar un soluto no volátil. C) lntercambiadores - Vaporizadores * Rehervidores. Equipos conectados al fondo de una torre de destilación fraccionada que proveen del calentamiento requerido para la destilación. * Vaporizadores. Son equipos que evaporan parte de un líquido por medio de vapor o fluidos térmicos. Debido a que los equipos de evaporación se han desarrollado empíricamente existe una gran variedad de ellos que se utilizan de acuerdo a las características y las condiciones en que se encuentra la substancia a evaporar. Clasificación de los evaporadores de acuerdo al medio calefactor: I. Medio calefactor separado del líquido a evaporar. * Mediante superficies tubulares * Mediante superficies sólidas diversas
ll. Medio calefactor en contacto directo con el líquido a evaporar. * Combusti6n sumergida * Discos o cascada * Energía Eléctrica lll. Sin medio calefactor. lV. Calentamiento por radiación solar. El evaporador de película ascendente del laboratorio, el medio calefactor está separado del líquido a evaporar por una superficie de vidrio tipo "corning" consistente en un tubo vertical largo y corresponde al tipo lA de la clasificaci6n anterior. 1. En estos equipos la alimentación entra por el fondo del tubo interior y de inmediato alcanza una alta velocidad de ascenso y salida hacia el separador, debida ésta a la expansión del vapor que se genera por el calentamiento a través de la superficie interna del tubo. La operación en un evaporador puede ser: A) intermitente. Las operaciones de llenado, evaporación y vaciado se ejecutan es pasos sucesivos. B) Semi-intermitente. La alimentación se lleva a cabo en forma continua, pero la descarga se efectúa hasta que alcanza la concentración final. c) Continua-intermitente. La alimentación es continua y, en ciertas partes del ciclo, la descarga también es continua. Discontinua. La alimentación y descarga son continuas, permaneciendo la concentración de la alimentación y del producto prácticamente constante. Con objeto de ahorrar energía se tienen diferentes arreglos de los evaporadores: A) Re compresión de Vapor. - Mecánica - Por eyección de vapor B) Bomba calorimétrica con fluido auxiliar. C) Múltiple efecto - Alimentación hacia adelante - Alimentación hacia atrás - Alimentación en Paralelo - Alimentación mixta Es en los evaporadores verticales de tubos largos en donde se alcanza una mayor evaporación que en los demás, están diseñados para trabajar en forma continua y se adaptan muy bien a la operación en múltiple efecto; aunque por lo general, se operan en un solo
paso, llevando a cabo la concentración del liquido en el tiempo que tardan el liquido y el vapor desprendido en pasar a través del tubo. La recirculación de parte del producto al evaporador es recomendable cuando la relación de alimentación a evaporación o de alimentación a superficie calefactora es baja, (así, por ejemplo, en la obtención de jugo de limón concentrado se utilizan evaporadores de 4 efectos y en el de jugo de naranja de 6 efectos). Este tipo de evaporadores no es apropiado para soluciones incrustantes. Debido a la simplicidad de su construcción, diseño compacto y altos coeficientes de transferencia son apropiados para servicios con líquidos corrosivos. Las principales ventajas que tienen son: a) Costo moderado. b) Grandes superficies calefactores en un solo cuerpo. c) Bajo tiempo y volúmenes de residencia. d) Ocupan poco espacio. e) Buenos coeficientes de transferencia de calor a diferencias de temperatura razonables. Sus principales desventajas son: a) Tienen mucha altura (algunos hasta 18 m)' b) Por lo general, no son apropiados para soluciones precipitantes o incrustantes. c) Con diferencias de temperatura pequeñas, sus coeficientes de transferencia de calor son pobres. Las mejores aplicaciones que tienen este tipo de equipos son: a) Líquidos claros b) Líquidos que forman espuma c) Soluciones corrosivas d) Grandes cargas de evaporación e) Diferencia de temperaturas altas La dificultad más frecuente es que tienen demasiada sensibilidad hacia el cambio en las condiciones operativas.
7. BOMBA DE DEZPLAZAMIENTO POSITIVO Siempre que tratemos temas como procesos químicos, y cuando se trate de cualquier circulación de fluidos es necesario abordar el tema de bombas. El funcionamiento en sí de la bomba será el de un convertidor de energía, o sea, transformará la energía mecánica en energía cinética, generando presión y velocidad en el fluido. Existen muchos tipos de bombas para diferentes aplicaciones. Los factores más importantes que permiten escoger un sistema de bombeo adecuado son: Presión última, Presión de proceso, Velocidad de bombeo, Tipo de gases a bombear (la eficiencia de cada bomba varía según el tipo de gas). Bombas Las bombas se clasifican en tres tipos principales:
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De émbolo alternativo. De émbolo rotativo. Rotodinámicas.
Los dos primeros operan sobre el principio de desplazamiento positivo, es decir, que bombean una determinada cantidad de fluido (sin tener en cuenta las fugas independientemente de la altura de bombeo). El tercer tipo debe su nombre a un elemento rotativo, llamado rodete, que comunica velocidad al líquido y genera presión. La carcasa exterior, el eje y el motor completan la unidad de bombeo. En su forma usual, la bomba de émbolo alternativo consiste en un pistón que tiene un movimiento de vaivén dentro de un cilindro. Un adecuado juego de válvulas permite que el líquido sea aspirado en una embolada y lanzado a la turbina de impulsión en la siguiente. En consecuencia, el caudal será intermitente a menos que se instalen recipientes de aire o un número suficiente de cilindros para uniformar el flujo. Aunque las bombas de émbolo alternativo han sido separadas en la mayoría de los campos de aplicación por las bombas rotodinámicas, mucho más adaptables, todavía se emplean ventajosamente en muchas operaciones industriales especiales. Las bombas de émbolo rotativo generan presión por medio de engranajes o rotores muy ajustados que impulsan periféricamente al líquido dentro de la carcasa cerrada. El caudal es uniforme y no hay válvulas. Este tipo de bombas es eminentemente adecuado para pequeños caudales (menores de 1 pie3/s y el líquido viscoso). Las variables posibles son muy numerosas. La bomba rotodinámica es capaz de satisfacer la mayoría de las necesidades de la ingeniería y su uso está muy extendido. Su campo de utilización abarca desde abastecimientos públicos de agua, drenajes y regadíos, hasta transporte de hormigón o pulpas Los diversos tipos se pueden agrupar en:
A. CENTRÍFUGOS. Se ha desarrollado una bomba centrifuga, la cual fue concebida, teniendo como objetivos un rendimiento de trabajo que sea óptimo, una gran variedad de aplicaciones y una fácil mantención del equipo. El cuerpo húmedo de esta bomba, está fabricado en un polímero de
grandes cualidades mecánicas y de excelente resistencia química. Estos materiales evitan las incrustaciones de partículas, y además no son afectados por problemas de cavitación. Las aplicaciones de esta bomba son de óptimo rendimiento en PLANTAS DE ACIDO, AGUA DE COLA, AGUAS MARINAS, y en general en lugares con gran concentración de CORROSIVOS. Además tiene una muy buena aplicación en la INDUSTRIA ALIMENTICIA dado que no contamina los productos. Las bombas están disponibles en materiales del acero termoplástico e inox idable, diseños del mecanismo impulsor para las aplicaciones horizontales y verticales. La construcción rugosa proporciona una resistencia excelente al producto químico y a la corrosión. Las aplicaciones típicas en procesos químicos son: laminado de metal, piezas que lavan sistemas, fabricación de la tarjeta de circuito impresa, foto que p rocesa, productos farmacéuticos, semiconductores, etc. a. Para alturas superiores a 200 pies se emplean normalmente bombas múltiples o bombas de turbina. Este tipo de bomba se rige exactamente por el mismo principio de la centrifuga y las proporciones del rodete son muy semejantes. Consta de un cierto número de rodetes montados en serie, de modo que el agua entra paralelamente al eje y sale en direcci6n radial. La elevada energía cinética del agua a la salida del rodete se convierte en energía de presión por medio de una corona difusora formada por álabes directores divergentes. Un conducto en forma de S conduce el agua en sentido centrípeto hacia el ojo del rodete siguiente. El proceso se repite en cada escalonamiento hasta llegar a la salida. Si se aplica un número suficiente de escalonamientos, puede llegarse a obtener una cota de 4.000 pies. De hecho, la cota máxima vendrá probablemente dictada por el costo de reforzamiento de la tubería más que por cualquier limitación de la bomba.
b. MÚLTIPLES. Son del tipo múltiple, con montajes verticales y diseñados especialmente para la elevación del agua en perforaciones angostas, pozos profundos o pozos de drenaje. Resultan adecuadas para perforaciones de un diámetro tan pequeño como 6 pulg. y con mayores diámetros son capaces de elevar cantidades de agua superiores a un millón de galones por hora desde profundidades de hasta 1.000 pies.
Normalmente se diseñan los rodetes de forma que lancen el agua en dirección radial-axial, con objeto de reducir a un mínimo el diámetro de perforación necesario para su empleo. La unidad de bombeo consiste en una tubería de aspiración y una bomba situada bajo el nivel del agua y sostenida por la tubería de impulsión y el árbol motor. Dicho árbol ocupa el centro de la tubería y está conectado en la superficie al equipo motor. Cuando la cantidad de agua que se ha de elevar es pequeña o moderada, a veces es conveniente y econ6mico colocar la unidad completa de bombeo bajo la superficie del agua. Así se evita la gran longitud del árbol, pero en cambio se tiene la desventaja de la relativa inaccesibilidad del motor a efectos de su entretenimiento.
c. DE COLUMNA. Este tipo de bomba es muy adecuado cuando hay que elevar un gran caudal a pequeña altura. Por esto, sus principales campos de empleo son los regadíos, el drenaje de terrenos y la manipulación de aguas residuales. El rendimiento de esta bomba es comparable al de la centrifuga. Por su mayor velocidad relativa permite que la unidad motriz y la de bombeo sean más pequeñas y por tanto más baratas. La altura máxima de funcionamiento oscila entre 30 y 40 pies. Sin embargo, es posible conseguir mayores cotas mediante 2 ó 3 escalonamientos, pero este procedimiento raramente resulta económico. Para grandes bombas se adopta generalmente el montaje vertical, pasando el eje por el centro de la tubería de salida. El rodete es de tipo abierto, sin tapas, y su forma es análoga a la de una hélice naval. El agua entra axialmente y los álabes le imprimen una componente rotacional, con lo que el camino por cada partícula es una hélice circular. La cota se genera por la acción impulsora o de elevación de los álabes, sin que intervenga el efecto centrifugo. La misión de los álabes fijos divergentes o álabes directores es volver a dirigir el flujo en dirección axial y transformar la cota cinemática en cota de presión. Para evitar la creación de condiciones favorables al destructivo fenómeno de favitación, la bomba de flujo axial se ha de proyectar para poca altura de aspiración. De hecho, es preferible adoptar en la que el rodete permanezca siempre sumergido, ya que así la bomba estará siempre cebada y lista para comenzar a funcionar. El objeto del sifón es evitar el riesgo de que se averíe la válvula de retención, que de otro modo tendría lugar una inversión del flujo en la tubería, con lo que la bomba funcionaría como una turbina. La acción sifónica se interrumpe mediante una válvula de mariposa. Esta válvula está en ligero equilibrio hacia la posición de abierta y en el instante en que cesa el bombeo, la válvula se abre y entra el aire, con lo que se evita la inversión del
flujo. La estaci6n de bombeo puede automatizarse por medio de electrodos inmersos en el pozo de aspiracion para controlar el funcionamiento de la bomba.
d) DE FLUJO AXIAL. e) DE FLUJO MiXTO. La bomba de flujo mixto ocupa una posici6n intermedia entre la centrifuga y la de flujo axial. Etflujo es en parte radial y en parte axial, siendo la forma del rodete acorde con ello. La trayectoria de una particula de fluido es una h6lice c6nica. La cota que se consigue puede ser hasta de 80 pies por rodete, teniendo la ventaja sobre la bomba axial de que la potencia que ha de suministrar el motor es casi constante aunque se produzcan variaciones considerables de cota. La recuperaci6n de la cota de presi6n se consigue mediante un difusor, un caracol o una combinaci6n de ambos.
f) DE PALETA Existen varios tipos de bombas de paletas, ellas podrdn ser: l.- De paletas deslizantes, con un n0mero variante de ellas montadas en un rotor ranurado. Segtin la forma de la caja se subdividen en bombas de simple, doble o triple cdmara, si bien raramente se emplean tales denominaciones. La mayoria de las bombas de paletas deslizantes son de una cdmara. Como estas mdquinas son de gran velocidad de capacidadespequefias o moderadas y sirven para fluidos poco viscosos, se justifica el siguiente tipo de clasificaci6n. 2.- Bomba pesada de paleta deslizante, con una sola paleta que abarca todo el didmetro. Se trata de una bomba esencialmente lenta, para liquidos muy viscosos. 3.- Bombas de paletas oscilantes, cuyas paletas se articulan en el rotor. Es otro de los tipos pesados de bomba de paleta. 4.- Bombas de paletas rodantes, tambi6n con ranuras en el rotor pero de poca profundidad, para alojar rodillos de elast6mero en el lugar de paletas, se trata de un modelo patentado. 5.- Bomba de leva y paleta, con una sola paleta deslizante en una ranura mecanizada en la cajacilindrica y que, al mismo tiempo, encaja en otra ranura de un anillo que desliza sobre un rotor acclonado y montado excdntricamente. El rotor y los anillos que ejercen el efecto
de una leva que inicia el movimiento de la paleta deslizante. Asi se elimina el rascado de las superficies. Se trata de una forma patentada que se emplea principalmente corno bomba devacio. 6.- Bomba de paleta flexible, que abrazan un rotor de elast6mero de forma esencial giratorio dentro de una caja cilindrica. En dicha caja va un bloque en media luna que procura un paso exc6ntrico para el barrido de las paletas flexibles de rotor.
g) DE TORNILIO Las bombas de tornillo son un tipo especial de bombas rotatorias de desplazamiento positivo, en el cual el flujo a trav6s de los elementos de bombeo es verdaderamente axial. El liquido se transporta entre las cuerdas de tornillo de uno o mds rotores y se desplaza axialmente a medida que giran engranados. la aplicaci6n de las bombas de tornillo cubren una gama de mercados diferentes, tales como en la armada, en la marina y en el servicio de aceites combustibles, carga maritirna, quemadores industriales de aceite, servicio de lubricaci6n de aceite, procesos quimicos, industria de petr6leo y del aceite crudo, hidriiulica de potencia para la armada y las miiquinas herramientas y muchos otros. La bomba de tornillo puede manejar liquidos en una gama de viscosidad como la melaza hasta la gasolina, asi como los liquidos sint6ticos en una gama de presiones de 50 a 5.000 lb/pulg2 y los flujos hasta de 5.000 gpm. Debido a la relativamente baja inercia de sus partes en rotaci6n, las bombas de tornillo son capaces de operar a mayores velocidades que otras bombas rotatorias o alternativas de desplazamiento comparable. Algunas bombas de lubricacidn de aceite de turbina adjunta operan a 10.O00 rpm y adn mayores. Las bombas de tornillo, como otras bombas rotatorias de desplazamiento positivo son de autocebado y tienen una caracteristica de flujo que es esencialmente independiente de la presión. La bomba de tornillo simple existe s6lo en n[mero limitado de configuraciones. La rosca es exc6ntrica con respecto al eje de rotaci6n y engrana con las roscas internas del estator (alojamiento del rotor o cuerpo). Alternativamente el estator estd hecho para balancearse a lo largo de la lfnea de centros de la bomba. Las bombas de tornillos m(ltiples se encuentran en una gran variedad de configuraciones y diseños. Todos emplean un rotor conducido engranado con uno o mds rotores de sellado. Varios fabricantes cuentan con dos configuraciones bdsicas disponibles, la construcci6n de
extremo simple o doble, de las cuales la fltima es la mds conocida. Como cualquier otra bomba, hay ciertas ventajas y desventajas en las caracteristicas de diseño de tornillo. Estos deben de reconocerse al seleccionar la mejor bomba para una aplicación particular. Entre algunas ventajas de este tipo tenemos: Amplia gama de flujos y presiones. 1. Amplia gama de líquidos y viscosidad. 2. 3. Posibilidad de altas velocidades, permitiendo la libertad de seleccionar la unidad motriz. 4. Bajas velocidades internas, 5. Baja vibraci6n mec6nica, flujo libre de pulsaciones y operaciones suaves. 6. Diseño solido y compacto, fácil de instalar y mantener. 7. Alta tolerancia a la contaminaci6n en comparaci6n con otras bombas rotatorias. Entre algunas desventajas de este tipo tenemos: 1. Costo relativamente alto debido a las cerradas tolerancias y claros de operaci6n. 2. Características de comportamiento sensibles a los cambios de viscosidad. 3. La capacidad para las altas presiones requiere de una gran longitud de los elementos de bombeo.
h) DE DIAFRAGMA En la bomba de simple diafragma, este es flexible, va sujeto a una cámara poco profunda y se mueve por un mecanismo unido a su centro. Con el mando hidráulica del diafragma, mediante impulsos de presión iniciados en una cámara de fluidos conectada a un lado del diafragma, se consigue el mismo funcionamiento. Por tanto, los tipos principales de bombas de diafragma son: 1.- De mando mecánico. 2.- De mando hidráulica. En las ultimas, la citada presión pulsatoria deriva normalmente de una bomba de pist6n, con lo que se pueden designar como bombas de pist6n diafragma.
i) de pozo profundo Cada vez se utilizan mas de las bombas para gran profundidad, en lugar de las autocebado, de desplazamiento positivo para vaciado de fondos y aplicaciones análogas, cuando la bomba puede funcionar sumergida o cuando la interrupci6n de la descarga es temporal y ocurre solamente cuando las perturbaciones del nivel inferior del liquido son de importancia.
Las principales ventajas a este tipo de bombas son: 1".- Funcionamiento mas fácilmente regulable. 2.- Gran capacidad y rendimiento y adem6s, a grandes velocidades' 3.- Tolerancia ante los contaminantes en el fluido, 4.-sumamente compacta, tanto en servicio vertical como en horizontal. 5.- Funcionamiento silencioso. 6.- Amplio campo de elecci6n de un motor apropiado. 7.- Facilidad de drenaje automático o de desmontarla (vertical) para inspección o mantenimiento. La primera de estas ventajas puede ser fundamental cuando el fluido es peligroso. La instalación de una bomba para gran profundidad no deja de presentar problemas. Notablemente por el hecho de que suele suspender de una cubierta superior. A veces requiere una fijación rígida que la abrace e impida la flexi6n del tramo vertical colgante, bajo solicitaciones de vaivén. DISEÑO DE EQUIPOS
TRANSPORTADOR DE BANDA: Calculo de la longitud de la banda inclinada H = altura = 1 m (dato asumido) X= Longitud horizontal de la banda L = Longitud horizontal de la banda inclinada 0= Angulo de inclinada de la banda = 30º
Medidas de la banda transportadora
Calculo de la potencia del motor (HP) Pa = Pot. para mover la banda vacia (fig. 17-a) John Perry Tomo ll. PAG. 21.11 = 5.0 Pb = Pot. para mover la banda hor. larga (Fig. 17-b)John Perry Tomo ll. PAG. 211L = 1.5 Pc = Pot. para mover la banda larga vert. (Fig. 17-c) John Perry Tomo ll. PAG. 2111 = 3 V = velocidad de la banda en m/min = 3 m/S C = capacidad de la banda (ton/h) =695.88 Kglh= 0.1.933 Kg/s
H = altura de elevaci6n de la banda (m) =1m
RODILLO ROTATORIO: Balance de masa:
Fruta de rechazo 2% SELECCIONADO
1470 ton/h
Calculo de la potencia: El movimiento de los rodillos se dará por un motor reductor. Este se fijara al chasis de la maquina y hará girar el rodillo de abajo. Como el rodillo de arriba le hará presión al de en medio y hará girar el rodillo de abajo, los tres rodillos tendrán presión uno con otro y debido a esta presión la fricción entre ellos y la cinta será tal que el rodillo de abajo que gira transmitirá el movimiento al de en medio, y este al de arriba atreves de la cinta ya que los rodillos no se tocaran entre sí. El torque necesario para que estos rodillos giren es el siguiente: R = radio de los rodillos = 6 cm K =constante del hule que cubre los rodillos = 0.27 F= fuerza aplicada a los rodillos = 2000 N La constante K esta relacionada con la resistencia al rodamiento que presenta el hule dependiendo de la carga que se le aplica, esta resistencia al rodamiento está calculada en base a los dos materiales que harían contacto y en este caso K =0.27, entonces tenemos que él torque necesario para poder girar los rodillos esta dada por la siguiente ecuación : T = K*Fr La cinta pasara a exprimirse dos veces por lo que T = 2K*Fr T =2* O.27 * 2000N * 6 cm * (1m/100cm) T =64.8 N-m Para calcular la potencia tenemos la siguiente ecuación: P= T*n Donde T es el torque y n es la velocidad en rpm Para calcular la velocidad de los rodillos tenemos que
V = 2Om/min D= 90 mm=0.09 m
Se sabe que 1 HP= 746W Por lo tanto: Por lo tanto con un motor de 0.64 HP sería suficiente para mover el exprimidor.
MAQUINA LAVADORA CON CESTO ROTATIVO: Calculo de la potencia Datos: Da=0.8m Dt= 1.65m Zs=0.52 M E =0.25 H=1.85m M de lavado=1470000Kg/hr Diametro de unamandarina=6cm=0.06m Ecuacion del factor de correccion de momento lineal Coeficientevolumetrico de expansion Densidad de la mandarina=1056.6 Kg/m3 Velocidad con la que gira la maquina
Volumen del tanque
Velocidad de corrección Ecuación para el cálculo de potencia según John Perry tomo II
MAQUINA EXTRACTORA: Balance de masa:
1470 ton/día EXTRACCION DEL JUGO
Sólidos 40%
882 L/día de jugo Calculo de caída de presión: Los datos conocidos son: K'=Fluidez del fluido =15.23 N*S^n´/m2 n'=fluidez del fluido =0.40 D=O.O6 m V=O.O728 m/s P=2552.08 kglm3 L=2.5 m
Perdida de fricción:
Numero de Reynolds generalizado
Método factor fricción para la caída de presión:
TANQUE DE FILTRACION Capacidad de la naranja filtrada=vol.=834.75m3 Vfiltradora=4/3Vjugo de naranja=4/3*834.75m3=1113m3 Calculo de la caida de presión del fluido (geankoplis medio fluidizado, ecuación de la caída de presión y velocidad mínima de fluidización) = Dónde: =caída de presión del jugo = constante de filtración = 4.17 =viscosidad del filtrado =velocidad lineal, basada en el área de filtración = 109.1179 m/s = porosidad del equipo = 0.001 = área superficial especifica de las partículas = 7.069 *
=
CONCENTRADORES O EVAPORADORES
El precalentado es un intercambiados de tubos concéntricos con el tubo exterior de cobre de 1.177metros de longitud (diámetro exterior 3/8in y diámetro interior de 5/1 6in) que cubre al cubre al tubo de alimentación de las solución de naranja (tubo de acero inoxidable de diámetro exterior 1/4in y diámetro interior de 3/16in). A la solución precalentada se le mide su temperatura antes de entrar al evaporador. El evaporador en si, consiste de 2 tubos concéntricos de vidrio. A través del interior, que mide 3.06 mt. De longitud (sometida al calentamiento) y 29.9mm de diámetro exterior y 24mm de diámetro interior circula el producto a concentrar. Por fuera de este tubo y dentro del tubo de exterior circula el vapor de calentamiento, el tubo exterior tiene un diámetro exterior de 59mm y un diámetro interior de 51mm. La conductividad térmica del vidrio es 0.63btu/hft 2ªF.en la parte inferior del tubo se encuentra la conexión de entrada de la solución a concentrar así como una conexión que permite la recirculación parcial o total del concentrado. En el proceso de son concentración del jugo de naranja el zumo recién extraído y tamizado que contiene 7.08% en peso de sólidos, se alimenta a un evaporador al vacio. En el evaporador se extrae agua y el contenido de sólidos aumenta 58% en peso. Para una entrada de 864.36tn/h calcúlese las cantidades de salida de las corrientes de jugo concentrado y agua Solución:Siguiendo las 4 etapas descritas se traza un diagrama de flujo del proceso (etapa 1) en la figura nótese que la letra w representa la cantidad desconocida o incógnita de agua y c es la cantidad de jugo concentrado. No hay reacciones químicas (etapa 2) W kg/día agua
882 ton/día CONCENTRADORES 7.08% sólidos
Ckg/día jugo conc. 58 % de sólidos Diagrama de flujo del proceso
Base: 882tn/día jugo de entrada (etapa 3). Para llevar a cabo los balances de materiales (Etapa4). Se procede a un balance total de materiales usando la ecuación 1 Esto produce una ecuación con 2 incógnitas: por lo tanto,se hace un balance de componentes en base al solido: Para resolver estas ecuaciones, primera se despeja C en la segunda ecuación pues W desaparece. Se obtiene C=16.86tn/día jugo concentrado. Sustituyendo el valor de C en la primera ecuación.
Se obtiene que W=83.14 ton/día de agua. En este problema solo intervino un proceso. Muchas veces se presentan varios procesos en serie, entonces puede llevarse a cabo un balance separado de cada proceso y/o un balance con respecto a la totalidad del proceso general.
