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INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA NACIONAL DE CIENCIAS BIOLOGICAS Balance de Masa y Energía Practica 5.- Balance de materia y energía en un proceso de secado Badillo Zamorano Yared Viridiana García Vazquez Maria Delia Velazquez Contreras Claudia 21/04/2021 4AM2 INTRODUCCION El secado es uno de los métodos más antiguos utilizados por el hombre para conservación de alimentos. Todos los granos y los cereales son conservados por secado. Algunas frutas y hortalizas también son conservadas por este método el cual difícilmente requiere de esfuerzos humano si se realiza naturalmente. El secado se describe como un proceso de eliminación de sustancias volátiles (humedad) para producir un producto seco y sólido. La humedad se presenta como una solución liquida dentro del sólido, es decir; en la microestructura del mismo. Cuando un sólido húmedo es sometido a secado térmico, dos procesos ocurrirán simultáneamente: 1.- Habrá transferencia de energía (comúnmente como calor) de los alrededores para evaporar la humedad de la superficie 2.- Habrá transferencia de la humedad interna hacia la superficie del solido La operación de secado se divide en 3 etapas fundamentales, que describen la manera en que el proceso se lleva a cabo en una relación de contenido de humedad respecto al tiempo. La primera etapa llamada periodo de inducción. La segunda etapa correspondiente se refiere a la eliminación de agua de la superficie del sólido que tiene una velocidad menor que la del agua en el interior del sólido. Esta etapa es también llamada periodo de velocidad de secado constante, ya que la superficie del material se mantiene constantemente húmeda. Por último, pasa la etapa de velocidad de secado decreciente, donde la humedad del sólido disminuye hasta alcanzar el equilibrio. En los alimentos al reducir el contenido de humedad se previene el crecimiento de microorganismos y se minimizan las demás reacciones de deterioro. Por otra parte se reducen su volumen y su peso, lo cual disminuye los costos de empaque y transporte, además el almacenamiento puede ser a temperatura ambiente por largos períodos de tiempo Una vez establecidos los respectivos balances de materia y energía, y que se han definido los parámetros de calidad para un producto en particular, es factible determinar el tipo de secado y equipo a emplear. En este sentido se lleva a cabo la selección del mecanismo y equipo de secado que se adecúe a las condiciones del ambiente y a ciertas propiedades del sólido. El método de secado depende del tipo de producto, sus propiedades físicas, su tolerancia a la temperatura y los requerimientos de proceso en cuanto a la forma de operación ya sea intermitente o continua Método adiabático Este método consiste en adicionar aire caliente. Método no adiabático Método adiabático En este método se proporciona calor en forma indirecta por conducción a través de una pared metálica. Operan a presión reducida El secado por congelamiento, se efectúa por sublimación de agua congelada empleando bajas presiones y temperaturas (debajo de las ambientales). OBJETIVOS • Realizar el secado de un alimento a través de un horno • Aprender como hacer un balance de materia de un proceso de secado DESARROLLO Reporte de lo realizado en casa: Se realizo un secado de una manzana de la siguiente manera: 1. Se corto la manzana en rodajas pequeñas y delgadas, y se acomodo de manera separada en un plato plano 2. Se coloco en un horno de microhondas durante 30 segundo (sin tapar) 3. Pasados los 30 segundos se deja reposar durante 1 minuto 30 segundos fuera del horno y se voltearon las rodajas 4. Se agrego chile en polvo y se repitió el punto 2 y 3 5. Terminando el segundo reposo, se repitió el proceso del los puntos 2 y 3 pero con solo 20 segundos en el horno (se repite 3 veces) 6. Este fue el resultado final Video-Proceso de elaboración de leche en polvo Tipos de secado Secado en rodillos: Es un sistema de secado por ebullición, el flujo de calor se transmite por una superficie caliente en contacto con el producto el aporte de calor latente de evaporación se realiza por conducciones a través de la superficie calentada por el vapor entre 130 y 150° y del producto depositado en ella. En este sistema no es necesario hacer una concentración por evaporación previa de la leche. El equipo consiste en dos cilindros muy cercanos, colocados horizontalmente que giran lentamente en sentido contrario y calentados desde dentro con vapor de agua, la leche se hace pasar entre los dos cilindros, la leche se despega con una cuchilla rascadora. Sobre los cilindros se encuentra un extractor que absorbe el vapor de agua que viene de la leche y la leche seca se va a un transportador donde se muele hasta que se forman escamas que después son sometidas a otra molienda hasta formar polvo y tamizada Secado por atomización: Es un sistema de secado por arrastre, que consiste en pulverizar el producto a secar en una corriente de aire caliente haciendo una deshidratación rápida. Este secado se realiza en dos etapas, en la primera etapa (es una etapa relativamente rápida) la leche pretratada se somete a un proceso de concentración por evaporación al vacío aquí se evapora el exceso de agua que está en forma libre sobre las partículas de los sólidos y en la segunda (esta etapa necesita más tiempo que la primera) se seca en una torre de secado aquí se evapora el agua contenida en poros y capilares de las partículas solidas Equipos Evaporador: Es un intercambiador de calor que se utiliza para extraer la máxima cantidad de agua de la leche obteniendo un liquido de viscosidad correcta para la siguiente etapa (secado por atomización), trabaja bajo condiciones de vacío. Si la evaporación no es apropiada puede ocasionar problemas de viscosidad e inestabilidad en el producto y puede complicar el secado o dañar por completo el producto. Planta de secado por atomización: debe contener los siguientes sistemas; Una cámara de secado, un sistema de aire caliente y distribución del aire, un sistema de alimentación, un atomizador, un sistema de separación de polvo, un sistema de transporte neumático y enfriamiento del polvo, equipo de envasado y equipo para control y supervisión de la planta. Reporte del articulo Se seco Anchoveta y Según las experiencias de secado de anchoveta, se encontró que el modelo es exponencial, con un coeficiente de correlación muy aceptable. Los modelos determinados nos indican que a medida que se incrementa la materia prima, el poder secante del aire aumenta. El peso de producto seco práctico es cercano al teórico, pues la variación es 0,07%, el cual es aceptable. El aprovechamiento de la energía calórica del aire se incrementa a medida que se aumenta el peso de la materia prima a secar, se presenta una función logarítmica Resolución del problema 1 Pulpa de fruta con 71% de H2O es sometida a un proceso de deshidratación y se ha eliminado el 60% de agua original a.- Determine la composición de la pulpa seca b.- La cantidad de H2O eliminada por kg de pulpa húmeda que entro al proceso Balance Global de masa (BGM)------------- 𝐴 = 𝐵 + 𝐶 Balance parcial de solidos (BPS) ------------- 0.29 = 0.57𝐵 + 0𝐶 Balance parcial de H2O (BPW)------------- 0.71𝐴 = 0.426𝐵 + 1𝐶 SECADO Pulpa deshidratada 60% H2O 40% Solidos Pulpa 71% H2O 29% Solidos A B B C C Vapor de agua 100% H2O Base de calculo A=100 kg W--H2O S--Solidos W--H2O S--SolidosPartiendo de BPS 0.29 = 57 + 0𝐶 𝐵 = 0.29𝐴 0.574 = 0.29(100𝐾𝐺) 0.574 = 50.52𝐾𝑔 Partiendo de BPW 0.71𝐴 = 0.426𝐵 + 𝐶 𝐶 = 0.71𝐴 − 0.426𝐵 𝐶 = 0.71(100𝐾𝑔) − 0.426(50.52𝐾𝑔) 𝐶 = 49.47𝐾𝑔 Composición de la pulpa 57.4% Solidos 42.6% Agua Resolución del problema 2 Un secador de lecho fluidizado se utilizar para secar las zanahorias en dados. El producto entra en la secadora con el contenido de humedad del 60% (base húmeda) a 25°C. El aire utilizado para el secado entra en el secador a 120°C después de haber sido calentado por el aire ambiental con 60% de humedad relativa a 20°C. Estimar la tasa de producción cuando el aire entra en el secador de 700 Kg de aire seco/h y el producto sale de la secadora a un 10% de humedad (base húmeda). Supongamos producto sale de la secadora a la temperatura de bulbo húmedo de 38°C del aire y el calor especifico del producto solido es de 2.0Kj/ (Kg °C). El aire abandona el secador 10°C por encima de la temperatura del producto. La entalpia del agua a 120°C es de 2202.59 KJ/Kg agua. Considere que el calor húmedo del aire Cs=1.005 + 1.88 W. La entalpia del aire a 48°C es de 2387.56 KJ/Kg agua. SECADO ZANAHORIAS XAw=0.60 HA= A AIRE HUMEDO HD= ZANAHORIA DESHIDRATADA XCW=0.10 HC= AIRE SECO TG=120°C 700 𝐾𝑔𝑎𝑠 ℎ Hr=60% @ 20°C XBW=0.01 HB= D C B W--H2O S--Solidos W--H2O S--Solidos CARTA PSICOMETRICA Humedad en base seca 𝑥𝑤 𝐴 = 0.60 1−0.60 = 1.5 𝐾𝑔𝐴𝐺𝑈𝐴 𝐾𝑔𝑆𝑂𝐿𝐼𝐷𝑂 𝑆𝐸𝐶𝑂 𝑥𝑤 𝐶 = 0.10 1−0.1 = 0.11 𝐾𝑔𝐴𝐺𝑈𝐴 𝐾𝑔𝑆𝑂𝐿𝐼𝐷𝑂 𝑆𝐸𝐶𝑂 Balance Global de masa (BGM)------------- 𝐴 + 𝐵 = 𝐶 + 𝐷 Balance parcial de H2O (BPW)---------- 1.15𝐴 + 0.01𝐵 = 0.11𝐶 + 𝑥𝑤 𝐴𝐷 Balance parcial de solidos (BPS) ------------- 0.4𝐴 = 0.90𝐶 BALANCE DE ENERGIA. 𝐴𝐻𝐴 + 𝐵𝐻𝐵 = 𝐶𝐻𝐶 + 𝐷𝐻𝐷 Obtención de datos, balances y resolución de balances del articulo Tabla 1.- Pérdida de peso en función al tiempo. TIEMPO EXPERIMENTOS MIN h E1 E2 E3 E4 E5 E6 E7 E8 E9 PERDIDA DE PESO (g) 0 0 500 450 400 350 300 253 200 150 100 35 0.58 498.02 448.2 398.4 348.6 298.8 252 199.2 149.4 99.6 41 0.68 492.09 442.9 393.7 344.5 295.3 249 196.83 147.6 98.4 46 0.77 490.12 441.1 392.1 343.1 294.1 248 196 147 98 50 0.83 488.1 439.3 390.5 341.7 292.9 247 195.2 146.4 97.6 55 0.92 486.2 437.5 388.9 340.3 291.7 246 194.5 145.8 97.2 60 1 480.2 432.2 384.2 336.2 288.1 243 192.1 144.1 96 65 1.08 471.3 424.2 377.1 329.9 282.8 238.5 188.5 141.4 94.3 95 1.58 453.6 408.2 362.8 317.5 272.1 229.5 181.4 136.1 90.7 110 1.83 449.6 404.6 359.7 314.7 269.8 227.5 179.8 134.9 89.9 125 2.08 443.7 399.3 354.9 310.6 266.2 224.5 177.5 133.1 88.7 130 2.17 442.7 398.4 354.2 309.9 265.6 224 177.1 132.8 88.5 135 2.25 440.7 396.6 352.6 308.5 264.4 223 176.3 132.2 88.1 140 2.33 439.7 395.8 351.8 307.8 263.8 222.5 175.9 131.9 87.9 145 2.42 435 391.5 348 304.5 261 220.1 174 130.5 87 150 2.5 432.6 389.3 346.1 302.8 259.5 218.9 173 129.8 86.5 180 3 418.3 376.5 334.7 292.8 251 211.7 167.3 125.5 83.7 210 3.5 404.5 364.1 323.6 283.2 242.7 204.7 161.8 121.4 80.9 240 4 391.2 352.1 313 273.8 234.7 198 156.5 117.4 78.2 300 5 365.9 329.3 292.7 256.1 219.5 185.1 146.3 109.8 73.2 360 6 342.1 307.9 273.7 239.5 205.3 173.1 136.9 102.6 68.4 420 7 320 288 256 224 192 161.9 128 96 64 540 9 279.8 251.9 223.9 195.9 167.9 141.6 111.9 84 56 660 11 244.7 220.3 195.8 171.3 146.8 123.8 97.9 73.4 48.9 720 12 228.9 206 183.1 160.2 137.3 115.8 91.6 68.7 45.8 780 13 214.1 192.6 171.2 149.8 128.4 108.3 85.6 64.2 42.8 840 14 200.2 180.2 160.1 140.1 120.1 101.3 80.1 60.1 40 900 15 187.2 168.5 149.8 131 112.3 94.7 74.9 56.2 37.4 960 16 175.1 157.6 140.1 122.6 105 88.6 70 52.5 35 1002 16.7 167.1 150.4 133.6 116.9 100.2 84.5 66.8 50.1 33.4 1005 16.75 166.5 149.8 133.2 116.5 99.9 84.2 66.6 49.9 33.3 1004.4 16.74 166.6 149.9 133.3 116.6 100 84.3 66.6 50 33.3 1003.5 16.725 166.8 150.1 133.4 116.7 100.1 84.4 66.7 50 33.4 Grafica 1.- Curvas de secado de la anchoveta Tabla 2.- Balance de masa en las experiencias realizadas en el secado de anchoveta Peso (g) experiencias E1 E2 E3 E4 E5 E6 E7 E8 E9 peso ingreso 500 450 400 350 300 253 200 150 100 agua extraída 333.2 299.9 266.6 233.3 199.9 168.6 133.3 100 66.6 peso salida teórico 166.7 150 133.3 116.7 100 84.3 66.7 50 33.3 practico 166.8 150.1 133.4 116.7 100.1 84.4 66.7 50 33.4 diferencia (%) 0.07 0.07 0.07 0.07 0.07 0.07 0.07 0.07 0.07 0 100 200 300 400 500 600 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 P ER D ID A D E P ES O E N G R A M O S TIEMPO DE PERDIDA DE PESO EN HORAS Experimentos E1 E2 E3 E4 E5 E6 E7 E8 E9 DISCUSIÓN Para determinar observar el proceso de secado se utilizo una manzana, aunque a partir de eso no se podría hacer el balance de masa ya que las condiciones no permiten obtener los datos suficientes para hacerlo. Para los resultados de balance de masa del proceso de secado se utilizo un problema completamente teórico, el balance de energía no se pudo realizar por completo gracias a la falta de conocimiento para realizarlo, Para determinar la correlación entre el tiempo de secado y el peso del producto se utilizaron datos experimentales del secado de la anchoveta los cuales no fueron tomados por mi. CONCLUSIONES Se logro realizar el secado de una manzana, además de la realización exitosa de un balance de masa de un proceso de secado. Se reviso y entendió el efecto de secado de anchoveta y su comportamiento comparando el tiempo de secado contra el peso perdido. Comprendí como es el uso de una carta psicométrica BIBLIOGRAFIA Ferreira, S. R., & Costa, A. R. (2009). Parámetros de transferencia de materia en el secado de frutas. Información tecnológica, 20(2), 89-104. Castro, A. M., Rodríguez, L., & Vargas, E. M. (2008). 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