Determinación Del Secado de Un Sólido

SISTEMA DE GESTIÓN DE LABORATORIOS FACULTAD DE CIENCIAS

T CNICA CNICA DE LABORAT LABORATORIO ORIO N° 02 02 ELABORADO PATIÑO

POR:

ING.

TEOBALDO

FECHA: NOVIEMBRE 2016

TEMA: DETERMINACIÓN DEL SECADO DE UN SÓLIDO

1

Objetivos:

REVISAD REVISADO: O: ING. ING. TEOBALD TEOBALDO O PATI O APROBAD APROBADO: O: DR. DR. EDMUNDO EDMUNDO CALU CALU A FECHA: NOVIEMBRE 2016 EDICI EDICI N : PRI PRIME MERA RA Página de Página 1 de 12

INFORME Nº DETERMINACIÓN DEL SECADO DE UN SÓLIDO

1.1

General: Determinar el secado de un solido (Manzana)

1.2

Específicos: 

Construir las curvas típicas de secado para la l a operación



Determinar a partir de los datos experimentales el tiempo para cada periodo de la operación.



2 2.1

Realizar los balances de materia y energía del proceso

Marco Teórico Referencial: Marco Teórico: Teórico:

El secado de sólidos es usado como un método de conservación de alimentos, el cual consiste en extraer el agua de estos, lo que evita la proliferación de microorganismos y la putrefacción. En general, general, el secado secado de de sólidos consiste en en separar separar pequeñas pequeñas cantidades cantidades de agua u otro líquido de un material sólido con el fin de reducir el contenido de líquido residual hasta un valor aceptablemente bajo. El secado es habitualmente la etapa et apa final de una serie de operaciones y con frecuencia, el producto que se extrae de un secador para empaquetado. El secado de los alimentos es uno de los métodos más antiguos que ha utilizado el hombre para conservar sus alimentos. (F., ( F., 2011) La razón más importante desde el punto de vista técnico para realizar el secado o deshidratación de los alimentos es su conservación; por este método se promueve el mantenimiento de los componentes del vegetal fresco. 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 delas propiedades termo-físicas, de equilibrio y transporte de ambos sistemas, son de vital importancia para modelar el proceso y diseñar el secador. Las operaciones de deshidratado son importantes en la industria química y de alimentos. El objetivo principal del secado de fruta es remover agua del solido hasta un nivel en donde el crecimiento microbiológico y la deterioración por reacciones químicas sean minimizadas. La clasificación de la operación de secado se encuentra determinada por el método de operación, sea continuo o por lotes, la naturaleza de la sustancia que se va a secar, ya que esta determina los equipos que se van a utilizar para el proceso, y el método de obtención de calor, ya sea transferido por contacto directo del sólido con un gas (secado directo o adiabático) o por la transferencia de calor a través de una superficie metálica, proveniente de un medio externo, que generalmente es vapor de agua (secado indirecto o no adiabático). Existen algunos casos en donde se llevan a cabo ambos tipos de operación y el secador se denomina directo-indirecto. La deshidratación Osmótica es un método no térmico de deshidratación, que permite obtener productos de humedad intermedia, con una muy buena calidad organoléptica. Se basa en la utilización de una solución de alta presión osmótica (La presión osmótica puede definirse como la presión que se debe aplicar a una solución para detener el flujo neto de disolvente a través de una membrana LABORATORIO

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semipermeable.), que al entrar en contacto con un producto le extrae el agua, debido a que esta sale para tratar de solubilizar el soluto presente en la solución externa. En una prueba de secado debe tenerse en cuenta que las condiciones de operación a nivel de planta piloto deben ser lo más parecidas a las condiciones, según se prevé, se manejaran a nivel industrial con el fin de que sean representativos los resultados. La operación de secado puede dividirse en las siguientes etapas:1. periodo de ajuste inicial: En esta etapa se inicia el proceso de secado de manera que el producto se calienta y aumenta la temperatura de la inter-fase produciéndose una adaptación del material a las condiciones de secado. Este periodo depende también de numerosos factores, su duración será función del contenido inicial de humedad del sólido, de su temperatura, de la velocidad del aire, entre otros. Pero a los fines de cálculo se prescinde de él ya que se considera que en su transcurso el secado tiende al régimen estacionario.

2. Periodo de velocidad constante: La velocidad con la que se elimina agua de la superficie del solido es menor que la velocidad con que llega a ella desde el interior del mismo. De esta manera la superficie del material se mantiene constantemente mojada y se comporta como una masa de líquido. De aquí que la velocidad de secado sea igual a la velocidad de evaporación del agua, que será a su vez proporcional a la velocidad de flujo de calor que llega desde el aire al sólido. En tales condiciones, la temperatura de la inter-fase será constante y el calor que llega al solido se invierte totalmente en evaporar el líquido. A medida que transcurre el tiempo, el sólido se va secando y llega un momento en el que la velocidad con que el agua llega a la superficie se hace menor que la velocidad de evaporación que implicaría el uso de toda la energía que llega del aire en evaporar agua del alimento. Desde este momento parte del calor que llega al solido se invierte en calentarlo. El contenido de humedad del producto en dicho instante se conoce como humedad critica. 3. Periodo de velocidad decreciente: Cuando la humedad promedio del solido alcanza un valor correspondiente a su contenido crítico de humedad la película de líquido que se encuentra en la superficie se reduce hasta el punto de desaparecer, produciéndose zonas secas sobre la superficie del material. Debido a la reducción de área, la velocidad de secado comienza a disminuir dando se lugar a la primera fase de velocidad decreciente llamada secado superficial no saturado. Cuando la capa superficial de líquido haya desaparecido totalmente, la velocidad de remoción de líquido al interior del solido se convierte en la etapa controlante; debido al incremento de la resistencia a la transferencia de materia la velocidad de secado decrece de una manera más abrupta. EQUIPO PARA SECADO: secador de bandejas Está compuesto por una cámara de secado con seis bandejas uniformemente distribuidas. El caudal de aire que ingresa al equipo es controlado variando el área transversal del LABORATORIO


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conducto de entrada empleando para esto un cono. La dirección de la corriente de aire en el interior del cámara desecado puede ser modificado ajustando cada una de las compuertas ubicadas tanto en la entrada dela cámara como en la chimenea de salida. Es necesario hacer notar una situación interesante de optimización de secadores. En este caso, cuando se calienta el aire con vapor, debe tomarse encuentra varios aspectos, si nos situamos en la carta psicométrica, el aire a utilizar, debe poseer una temperatura de bulbo húmedo alta, una entalpía alta, pero una humedad relativa baja. Puesto, que la operación de secado, como cualquier operación de transferencia, depende del tiempo de contacto inter-facial (el cual no varía notablemente en este tipo de secador debido a la variación de la velocidad del aire), el área de contacto inter-facial (que para nuestro caso requerimos que sean sólidos en terrones, o granos, para aumentar esta relación), el gradiente de temperatura y de humedad y la resistencia. En general, en este tipo de secadores, las variables que pueden fijarse o variarse son los gradientes, he allí la importancia que el aire no entre frío ni húmedo, puesto que esto minimiza el gradiente y elimina la eficiencia del secador.

Secador de Bandejas o Anaqueles. Los secadores de bandeja son de pequeña escala usados en laboratorios y plantas piloto para experimentar con el secado de diversos materiales. El aire ingresa por el extremo izquierdo del secador gracias al arrastre que genera el ventilador, el cual a su vez es movido por un motor. Una vez ingresa el aire, pasa a través de una serie de resistencias eléctricas en donde se calienta disminuyendo así su humedad relativa y adquiriendo, de esta forma, su condición de secante. Posteriormente, el aire caliente pasa a la cámara de secado en donde se encuentran las canastillas (6en total) que contienen el producto a secar; allí, mediante contacto directo, el aire absorbe la humedad del producto y finalmente pasa a un tubo de escape por donde saldrá del cámara desecado, con un grado de humedad mayor que el aire a la entrada. Las condiciones experimentales pueden ser variadas para permitir la demostración de los aspectos teóricos y prácticos de la operación de secado a escala industrial. Las entradas y salidas de aire en la cámara de secado pueden modificarse con el fin de lograr arreglos en paralelo, contracorriente cruzado. (I, 2014) 2.2

Marco Referencial:

La práctica de la determinación del secado de un sólido, se realizó el día viernes 24 de noviembre de 2017 en el laboratorio de procesos industriales de la facultad de ciencias, escuela de ciencias químicas, Ubicada en la ESPOCH, en la ciudad de RIOBAMBA ubicada en la panamericana sur, cuyas coordenadas son 78°40´20” y una altura de 2815 msnm.

3

Parte Experimental:

3.1

Sustancias y Reactivos: 

3.2

Manzana(s) Materiales y Equipos:

 

Secador de bandeja o anaqueles Balanza

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       

3.3


Cronómetro Termómetro Calibrador Flexómetro Guantes Mascarilla Cofia Anemómetro Procedimiento:

          

 



   

Conectar el enchufe zócalo de cuatro cables trifásico a su respectivo tomacorriente. Abrir la caja térmica para activar los disyuntores (breakers), tanto de control como fuerza. Desfogar el agua existente en la caldera. Ingresar el agua en el depósito de la caldera alrededor de 60 litros que previamente haya sido quitado su dureza. Cerrar las llaves de salida de la caldera. Proceder a conectar la caldera a la toma de 110 voltios. Prender la caldera desde su respectiva caja térmica, activando el selector. Ingresar la temperatura en grados centígrados y tiempo en minutos requeridos para la deshidratación. Esperar el tiempo necesario hasta que la lectura de las temperaturas corresponda a las ingresadas. (recuerde que existe una ventana de rango de 4 grados) Una vez obtenida la temperatura, cierre la compuerta de ingreso y coloque el producto en la tolva. Abra la compuerta y a continuación presione el botón ingreso, en el caso de productos con tendencia esférica (o que no tenga dificultad de deslizarse por la tolva), si intenta deshidratar otro tipo de producto o tiene dificultad, no presione el botón ingreso y ayúdese del pulsador verde situado a un lado de la pantalla según vaya insertando el producto. Presione el botón posicionamiento, este recorrerá la banda dos segundos para poder activar el balanceo. En caso que desee que su producto se mueva durante la deshidratación active el balanceo. No realizar esto en productos totalmente esféricos como por ejemplo alverjas puesto que la inercia del producto hará que se desborde de la banda. Una vez cumplidos los tiempos de deshidratación la banda desfogara el producto del interior del deshidratador, si tiene duda que se haya quedado producto en el interior puede utilizar el pulsador de color verde alado de la pantalla para este caso. Pesar el producto y repetir el proceso si desea con los tiempos que necesite. Una vez terminado el proceso apague la cadera y desfogue el vapor y agua con precaución, tanto de la caldera como del deshidratador. Abrir la caja térmica para desactivar los disyuntores (breakers), tanto de control como fuerza. Desconectar el enchufe zócalo de cuatro cables trifásico a su respectivo tomacorriente.

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4 4.1


Datos: Datos Experimentales:

Tabla 4.1-1 Datos experimentales de la humedad obtenidos (h) P1 (kg) 0 0,01346 0,33 0,01246 0,66 0,01140 1 0,01135 1,33 0,01111 1,66 0,01111 2 0,01111 FUENTE: Esparza, Richard . FC-L.PI-20. ESPOCH 2017 Dónde:  = tiempo de secado (h) P1 = Peso muestra 1 (kilogramos)

Tabla 4.1-2 Datos experimentales para el Secador de Bandejas Tipo Armario PARÁMETRO VALOR Ancho de la banda; (m) 0,40 Longitud de la banda; (m) 0,38 Peso del sólido húmedo; (Kg) 0,00126 Peso del sólido seco; (Kg) 0,00109 Tiempo de secado; (h) 3,66 Temperatura del sólido a la entrada; (ºC) 26,7 Temperatura del sólido a la salida; (ºC) 55 Temperatura del aire a la entrada; (ºC) 24,7 Temperatura del aire a la salida; (ºC) 55 q p teórico; (%) 10 (0,10) FUENTE: ESPARZA, Richard. FC-L.PI-20. ESPOCH 2017 Dónde: A=Ancho de la banda; (m) L=Longitud de la banda; (m)  =Peso del sólido húmedo; (Kg)  =Peso del sólido seco; (Kg) T=Tiempo de secado; (h) TS1=Temperatura del sólido a la entrada; (ºC) TS2=Temperatura del sólido a la salida; (ºC) T2=Temperatura del aire a la entrada; (ºC) T1=Temperatura del aire a la salida; (ºC) qp teórico; (%)

 

5 5.1

Cálculos y Resultados: Datos Adicionales:

Tabla 5.1-1 Datos Adicionales para el Secado en base humeda LABORATORIO


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Tbh °C 26,7


Capacidad calorífica del agua; Cpl(Kcal/KgC) 1 FUENTE:

Tabla 5.1-2 Datos Adicionales para el Secado P XR mmHg % 540 65 FUENTE: Tabla 5.1-3 Datos Adicionales para el Secado en base seca Tbs λ °C (Kcal/Kg) 55 4,18 FUENTE: 5.1.1

Balance de masa y energía para el secador por lecho fluidizado

Aire húmedo y1, T1, HA1, G

SECADOR DE TÚNEL

Trigo húmedo x1, TS1, HS1, S

Aire seco y2, T2, HA2, G

Trigo seco x2, TS2, HS2, S

Calor perdido

q p Dónde: X1= Humedad del sólido a la entrada Y2= Humedad del aire a la entrada TS1= Temperatura del sólido a la entrada TS2= Temperatura del sólido a la salida T1= Temperatura del aire a la salida T2= Temperatura del aire a la entrada HS1= Entalpia del sólido a la entrada HS2= Entalpia del sólido a la salida S= Flujo de sólido seco G= Flujo de aire seco q p =Calor perdido

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5.1.1.1 Balance de masa


=  +  =  +   =50,25

5.1.1.1.1 Determinación de la humedad del aire a la entrada

=22°   = 1,225 Kg/ 0,060 Kg de aire seco → {  =65%  =20,42

5.1.1.1.2

Cálculo de Flujo de sólido seco

−(/ℎ)  = 0,00109 =4,6781110 2,33 5.1.1.2 Balance de energía

5.1.1.2.1 Entrada:

Cálculo de entalpias del sólido

 = ( +  ) + ∆  =150,91

Salida:

5.1.1.2.2 Entrada:

 +  =  +  + 

 = ( +  ) + ∆  =106,59

Cálculo de entalpias del aire

 = (0,24+0,46) +597,2  =150,78  = (0,24+0,46) +597,2  =141,23

Salida:

5.1.1.2.3

Calculo del calor perdido

5.1.1.2.4

Cálculo del calor necesario para calentar el sólido

5.1.1.2.5

Cálculo del calor necesario para evaporar el agua del sólido

 =  ∗  ó ∗  =10 *150,91*0,0060 =9,0546 Q = mCpsΔT Q =5,25

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H2Oevap= ∗    ∗  H2Oevap=0,48


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5.1.1.2.6

5.1.1.3

5.2

Qevap=H2Oevap∗ℷ Qevap=0,37 Cálculo del calor total necesario para calentar el sistema QT=Qevap+Q QT=5,64 Calculo de la eficiencia de un secador

Resultados:

S (Kg s.s/h)

4,6781110− 6 6.1

∈= 5,64 ∗100 10 ∈=56,4

Tabla 5.3-1 Resultados Obtenidos en el secador G    (Kg aire/h) (Kcal/Kg) 0,0060 20,42 50,25 10 FUENTE: APELLIDO, Nombre. FC-L.PI-20. ESPOCH 2017







∈

%

56,4

Errores: Sistemáticos:

Son los errores del equipo, en este caso tenemos un grado de la balanza pues tiene un error establecido de 0,1 mg., también un error mínimo en el secador de 1-5 °C pues el panel no mantenía estable la temperatura. 6.2

Aleatorios:

Son los errores del operador, en este caso tenemos un grado de error al momento de la medición del peso en la balanza de las bandejas con la manzana en diferentes tiempos en este caso, cada momento del pesaje la fruta adquiría una cantidad pequeña de humedad de retorno. 7

Discusión (Mínimo 150 palabras)

El proceso de osmo deshidratación permite retirar una cantidad de humedad determinada de la materia prima con el fin de disminuir la carga energética necesaria para llevar a cabo el proceso desecado, se seleccionó una muestra de manzana sometida al proceso de osmo deshidratación y el porcentaje inicial de humedad en el tiempo t=0 fue de 62,57%, mientras que para la muestra de manzana seleccionada que no fue sometida a este pretratamiento esta humedad inicial fue de85,78 las curvas de secado obtenidas para las muestras con y sin pre-tratamiento mostraron una gran diferencia con respecto a su contenido de humedad en base seca en t=0 (1.138 con pre-tratamiento,5.051 sin pretratamiento), por lo tanto el cambio de humedad con el tiempo, es mayor para las muestras LABORATORIO


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que no fueron osmo deshidratadas debido a que si tomamos un punto y hallamos la pendiente a la recta tangente en cualquier punto de estas gráficas, siempre se tendrá un valor mayor de dicha pendiente en la variación de humedad cambia rápidamente hasta un tiempo de 110min y 125min respectivamente, tiempo en los cuales la pendiente tiende a cero.

8 8.1

Conclusiones y Recomendaciones: Conclusiones:



La osmo deshidratación del solido nos permitió observar el cambio que tiene la fruta al perder la humedad, pero no sus características e incluso dándole una mayor duración.



Es importante realizar una osmo deshidratación de alimentos antes de secarlos ya que con ella se logra una disminución importante en los gastos energéticos del secador, debido a que la humedad que se puede retirar con ella es alta, esta humedad es parte de la humedad no ligada de la fruta.



En la industria de alimentos es de gran ayuda el proceso de secado, ya que las frutas al estar deshidratadas tienen una mayor vida útil, ya que en el agua que poseen en su estado normal se puede generar la proliferación de microorganismos que descompongan o cambien las propiedades organolépticas de la fruta.



El seguimiento del proceso experimental se debe llevar a cabo para el diseño de un secador, debido a que los modelos que describen los mecanismos de secado son demasiado complejos y en ocasiones no suministran la información necesaria para el diseño, por esta razón es importante la toma de datos confiables para obtener unas buenas curvas de secado.

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8.2


RECOMENDACIONES



Se debería colocar cerca al secador de bandejas una balanza, para garantizar que el tiempo que se demoren las frutas fuera del secador sea mínimo logrando así disminuir errores en las mediciones de las humedades, ya que posiblemente la manzana pueda ganar o perder humedad del ambiente distorsionando los datos obtenidos.



Es importante el funcionamiento del sistema de control automático ya que con este se aseguraría que los datos obtenidos fueran confiables debido a que por ningún motivo se tendría que manipular la bandeja fuera del secador.



Se recomienda que las frutas se distribuyan de manera uniforme por toda la bandeja ya que con mayor se observa mejor la perdida de humedad sobretodo en balanzas donde no se obtengan datos con decimales.



La fruta debe ser cortada en rodajas pequeñas para que el proceso de secado sea lo más rápido posible, y muy importante también que se trate de que todas las muestras tengan el mismo espesor para garantizar que el secado sea uniforme

9

Aplicaciones:

En la industria alimenticia: La deshidratación ha sido desde siempre el mejor sistema de conservar los alimentos, se trata de extraer solamente el agua, mediante calor suave que no altera los nutrientes. La deshidratación no solo es útil para alargar la vida de los alimentos sino también nos facilita el almacenaje, transporte y manipulación de los mismos. (Villen, 2012) 10 Referencias Bibliográficas: 10.1 Citas:

F., S. (12 de 10 de 2011). Secadores. Recuperado el 29 de 11 de 2017, de https://es.scribd.com/doc/224933542/Secadores-de-Solidos I, S. (12 de 11 de 2014). Scribd . Recuperado el 29 de 11 de 2017, de https://es.scribd.com/doc/50651551/SECADO-DE-MANZANAS Villen, M. (07 de 09 de 2012). Conasi. Recuperado el 29 de 11 de 2017, de https://www.conasi.eu/blog/consejos-de-salud/deshidratacion-la-forma-masantigua-y-sana-de-conservar-los-alimentos/ 10.2 Bibliografía:  

Geankoplis, C. J.; Procesos de Transporte y operaciones unitarias. México. 1986.Compañía Editorial Continental, S.A. Valencia V., B.H.; Balances de Energía, Vol. I. Publicaciones Universidad Nacional de Colombia -Sede Manizales. Capítulo 6. 1996.

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10.3 Internet:  

 

http://www.unalmed.edu.co/~geiq/descarga.htm. http://books.google.com.co/books?id=cUEt038sq90C&pg=PA47&lpg=PA47&dq=c urva+de+secado&source=bl&ots=geqw7gjOCo&sig=e2VisQJBeOTddBzU7xgOm3 J0HQ8&hl=es&ei=bEGlS76pONWUtge5maCBCg&sa=X&oi=book_result&ct=res ult&resnum=4&ved=0CBQQ6AEwAw#v=onepage&q=curva%20de%20secado&f= false. http://www.promer.org/getdoc.php?docid=661 http://catarina.udlap.mx/u_dl_a/tales/documentos/leip/ortiz_a_bs/capitulo2.pdf

11 Cuestionario: 12 Anexos: 12.1 Diagrama del equipo utilizado

RESUMEN Para la realización de la presente práctica fue necesario primero, desinfectar el área a trabajar, lavando la mesa y los cuchillos con agua clorada. Las frutas fueron lavadas y desinfectadas para luego proceder a la preparación de la fruta(Manzana) fue muy sencillo se cortó con un cuchillo en rodajas de muy delgadas de manzanas para darle una mejor presentación. LABORATORIO


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Después de que las bandejas con fruta fueron preparadas procedimos a colocarlas dentro del horno en donde permanecieron alrededor de 5-6 horas a una temperatura cercana a los 50 grados Celsius. Luego de cumplirse el tiempo de secado, retiramos las frutas del horno y obtuvimos el peso de las frutas secas, también observamos los diferentes cambios organolépticos y de tamaños que sufrieron las frutas.

DESCRIPTORES Secador, Temperatura, Manzana, Deshidratación, Equipo, Transferencia, Calor

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