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Grupo de Dinámica de Maquinaria DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE PROTOTIPO DE SEPARACIÓN DE ALMIDÓN DE PAPA Valentina Garzón Parra Contexto La papa es una especie vegetal del género Solanum, el cual tiene más de 2000 especies las cuales se cultivan al rededor del mundo. En Colombia, las especies más comunes son: tequerreña o sabanera, parda pastusa, pastusa suprema, rubí, salentuna, carriza, Monserrate, yema de huevo, entre otras [1]. El cultivo de papa en el país se desataca por la gran cantidad de actividades que se generan en torno al producto. Durante el año 2012 se cosecharon 101.681 hectáreas de papa, ocupando el tercer lugar de ocupación de cultivos en el país [1]. A continuación, se describen brevemente las etapas del proceso productivo de la papa: 1. Selección y clasificación de la semilla: consiste en separar los tubérculos deformes, dañados o cortados de aquellos que no presentan imperfecciones. Es preciso contar con un tratamiento preventivo contra insectos y hongos. 2. Establecimiento del cultivo: esta etapa del proceso se consta de la selección del lote a cultivar, preparación del terreno y realización de la siembra. 3. Desarrollo del cultivo: esta etapa abarca el tiempo de crecimiento y maduración de la planta de papa. También comprende de otras actividades para el correcto manejo del cultivo. 4. Sanidad del cultivo: para un cultivo sano se requiere mantener la salud del suelo y la utilización de semillas sanas. 5. Cosecha y postcosecha: comprende las actividades de extracción, recolección, clasificación, selección, empaque, procesamiento y posterior consumo del producto. Durante la última etapa del proceso se descarta gran parte de la cosecha debido a factores estéticos o enfermedades que hayan afectado el cultivo. Sin embargo, es común que esta parte de la cosecha que se desecha y se encuentre en óptimas condiciones de salud se utiliza para alimentar ganado. En otros países esta porción desechada se usa para la obtención de otros productos como el almidón. Para generar este producto es necesario llevar a cabo 3 etapas importantes [2]: 1. Molido: el objetivo de este proceso es romper las células de la papa para tener acceso al almidón. 2. Separación y extracción: en este proceso se extrae el agua de la papa para la producción del almidón. Seguido de esto se extrae el almidón de las fibras a través de sistemas de centrifugado. 3. Deshidratación y secado: se hace uso de filtros de tambor de vacío, permitiendo alcanzar un contenido de agua del 38%. En el país, el almidón de papa se utiliza en el campo textil, farmacéutico, químico, petrolero, entre otros [2]. Sin embargo, este almidón es importado debido a que actualmente la producción nacional de almidón es artesanal y no es capaz de cumplir con la creciente demanda del producto. Por lo anterior, la Universidad de Los Andes en conjunto con la Universidad de Antioquia han propuesto el desarrollo de un prototipo que permita la producción de almidón de papa en Colombia para aprovechar las porciones de papa descartada en los cultivos, y disminuir los costos por la importación del producto.

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Grupo de Dinámica de M aquinaria

DISEÑO E IM PLEM ENTACIÓN DE PROTOTIPO DE SEPARACIÓN DE

ALM IDÓN DE PAPA

Valentina Garzón Parra

Contexto

La papa es una especie vegetal del género Solanum, el cual tiene más de 2000 especies las cuales se

cultivan al rededor del mundo. En Colombia, las especies más comunes son: tequerreña o sabanera,

parda pastusa, pastusa suprema, rubí, salentuna, carriza, Monserrate, yema de huevo, entre otras [1].

El cultivo de papa en el país se desataca por la gran cantidad de actividades que se generan en torno

al producto. Durante el año 2012 se cosecharon 101.681 hectáreas de papa, ocupando el tercer lugar

de ocupación de cultivos en el país [1]. A continuación, se describen brevemente las etapas del proceso

productivo de la papa:

1. Selección y clasificación de la semilla: consiste en separar los tubérculos deformes, dañados o

cortados de aquellos que no presentan imperfecciones. Es preciso contar con un tratamiento

preventivo contra insectos y hongos.

2. Establecimiento del cultivo: esta etapa del proceso se consta de la selección del lote a cultivar,

preparación del terreno y realización de la siembra.

3. Desarrollo del cultivo: esta etapa abarca el tiempo de crecimiento y maduración de la planta

de papa. También comprende de otras actividades para el correcto manejo del cultivo.

4. Sanidad del cultivo: para un cultivo sano se requiere mantener la salud del suelo y la

utilización de semillas sanas.

5. Cosecha y postcosecha: comprende las actividades de extracción, recolección, clasificación,

selección, empaque, procesamiento y posterior consumo del producto.

Durante la última etapa del proceso se descarta gran parte de la cosecha debido a factores estéticos o

enfermedades que hayan afectado el cultivo. Sin embargo, es común que esta parte de la cosecha que

se desecha y se encuentre en óptimas condiciones de salud se utiliza para alimentar ganado. En otros

países esta porción desechada se usa para la obtención de otros productos como el almidón. Para

generar este producto es necesario llevar a cabo 3 etapas importantes [2]:

1. Molido: el objetivo de este proceso es romper las células de la papa para tener acceso al

almidón.

2. Separación y extracción: en este proceso se extrae el agua de la papa para la producción del

almidón. Seguido de esto se extrae el almidón de las fibras a través de sistemas de

centrifugado.

3. Deshidratación y secado: se hace uso de filtros de tambor de vacío, permitiendo alcanzar un

contenido de agua del 38%.

En el país, el almidón de papa se utiliza en el campo textil, farmacéutico, químico, petrolero, entre

otros [2]. Sin embargo, este almidón es importado debido a que actualmente la producción nacional

de almidón es artesanal y no es capaz de cumplir con la creciente demanda del producto. Por lo

anterior, la Universidad de Los Andes en conjunto con la Universidad de Antioquia han propuesto el

desarrollo de un prototipo que permita la producción de almidón de papa en Colombia para aprovechar

las porciones de papa descartada en los cultivos, y disminuir los costos por la importación del producto.

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Como parte de este proyecto, se pretende realizar el diseño e implementación de un módulo de

extracción y separación del almidón por medio de hidrociclones y bombas. Para lo anterior, se

investigará sobre las configuraciones con las que se obtienen mejores resultados y se buscarán los

grados de libertad del proyecto.

Trabajo Previo

Los trabajos previos alrededor de los hidrociclones dependen de la aplicación que se les dé. A

continuación, se describirán algunas aplicaciones.

1. Deslamado: esta operación pretende eliminar partículas finas en el flujo superior del

hidrociclón. En plantas químicas se utilizan para eliminar el agua después de un proceso de

cristalización. Comúnmente seguido de este proceso se realiza un refinado para continuar con

el proceso de extracción del agua, además de obtener tamaños de partículas menores.

2. Circuitos cerrados de molienda: en la industria alimenticia se ubican hidrociclones justo

después de la molienda. El producto molido se introduce en el hidrociclón, la fracción molida

con el tamaño de corte saldrá por la parte superior y este será el producto final, y la otra

parte de la molienda con tamaños superiores saldrá por la parte inferior del hidrociclón para

ser molida nuevamente.

3. Recuperación de líquidos: comúnmente los equipos de lavado y escurrido generan aguas

turbias, y esto se debe a la presencia de fracciones finas de pintura, arenas, entre otros. Para

la eliminación de estas y primera instancia de limpieza del agua se utilizan hidrociclones.

En la industria existen múltiples aplicaciones de los hidrociclones además de estas. Las nombradas

son las más comunes.

Por otro lado, se encuentran los trabajos que se han realizado en torno a la implementación de

hidrociclones en la industria alimentaria. Como se referencia se tiene un documento de maestría de la

Universidad de Los Andes elaborado en 2013 [4]. En este se encuentra un primer acercamiento a la

separación de almidón con hidrociclones, sin embargo, el almidón trabajado fue de yuca. Se encontró

que el sistema del hidrociclón diseñado separó las fibras presentes en la mezcla, dependiendo del caudal

utilizado. Además, se afirma que el uso de un sistema de separación húmedo permite obtener un

almidón con menos impurezas y que, sin importar la morfología de la partícula, si esta presenta un

tamaño y densidad adecuada es posible separarla fácilmente con hidrociclones.

También se encontró que en el primer semestre de 2019 se trabajó un proyecto de grado de la

Universidad de Los Andes, en el que se diseñó un hidrociclón para separación de almidón de papa.

Los resultados obtenidos solo se reportan para concentraciones bajas de almidón, ya que, debido a la

manufactura y los altos caudales utilizados, el hidrociclón se fracturó y no fue posible su utilización.

Alcance

Como producto final se espera obtener un hidrociclón con un banco de pruebas completamente

funcional. El hidrociclón se pretende diseñarlo siguiendo modelos teóricos de separación de solidos que

permitirán determinar las dimensiones del este. El banco de pruebas consistirá en un montaje que

permite la utilización del hidrociclón diseñado, este contará con una bomba, tuberías y válvulas, así

como recipientes para la mezcla. Finalmente, para verificar el correcto funcionamiento del hidrociclón,

en cuanto a la separación de sólidos, se propone realizar pruebas de laboratorio para determinar el

tamaño de partícula tanto de la mezcla de entrada como de las salidas del hidrociclón.

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Ejecución

Pruebas preliminares

Antes de iniciar con el diseño de las partes del banco de pruebas o del hidrociclón, se decide

caracterizar la muestra que se desea separar de esta manera se encuentra las dimensiones y

características del almidón a separar. Para esto se realizó la molienda de un pequeño lote de papa

Diacol Capiro y se extrajo almidón mediante un proceso de decantación, siguiendo los pasos descritos

a continuación:

1. Se realiza la molienda de la papa, teniendo en cuenta que la proporción a agregar es de 2

partes de papa por 1 parte de agua. Este proceso se lleva a cabo utilizando una licuadora de

cocina.

2. Se deposita este jugo de papa en un recipiente limpio y se deja reposar por aproximadamente

1 hora.

3. Transcurrido este tiempo, el almidón se decantará mientras que la pulpa de la papa quedará

en la superficie. Se retira la papa de la superficie y se añade agua limpia.

4. Se repite el paso 3 dejando reposar por 1 hora hasta que el agua quede completamente limpia

y el almidón se encuentre blanco.

Cabe resaltar que la papa fue adquirida de diferentes supermercados para tener en cuenta las

diferencias entre cultivos.

▪ Tamaño de partícula almidón

Para la caracterización del tamaño de partícula del almidón se realiza una micrografía y se

realizan las respectivas mediciones. El cálculo del tamaño de partícula se realiza con el

software ImageJ el cual permite el análisis de imágenes. En la Figura 1 se puede apreciar una

micrografía. Se encontró que el tamaño de partícula promedio es de 38.2 μm. Con este valor

ya se tiene un valor objetivo para la separación del hidrociclón.

Figura 1. M icrografía de almidón de papa Diacol Capiro

▪ Densidad almidón

Debido a que el principio de funcionamiento del hidrociclón se basa en la diferencia en

densidades para la separación de los sólidos, es necesario determinar la densidad del almidón.

Para determinar esta densidad se decide seguir la norma ASTM D854 – Standard Test

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Methods for Specific Gravity of Soil Solids by Water Pyctometer [7]. Se realizaron 5 tomas

de datos y se realiza el cálculo de la densidad siguiendo las ecuaciones a continuación.

𝑀𝑝𝑤,𝑡 = 𝑀𝑝 + (𝑉𝑝𝜌𝑤𝑡)

𝐺𝑡 =𝜌𝑠𝜌𝑤,𝑡

=𝑀𝑠

𝑀𝑝𝑤,𝑡 − (𝑀𝑝𝑤𝑠,𝑡 −𝑀𝑠)

Donde, 𝑀𝑝𝑤,𝑡 representa la masa del picnómetro y el agua, 𝑀𝑝 es la masa promedio del

picnómetro seco, 𝑉𝑝 es el volumen promedio del pictometro, 𝜌𝑤,𝑡 es la densidad del agua del

experimento, 𝜌𝑠 es la densidad del sólido, 𝑀𝑠 es la masa del sólido seco y 𝑀𝑝𝑤𝑠,𝑡 es la masa

del picnómetro, agua y sólidos juntos. Los valores registrados se encuentran en la Tabla 1.

Tabla 1. Valores registrados en prueba de densidad del almidón

Los resultados de la densidad del almidón se pueden apreciar en la Tabla 2.

Tabla 2. Densidad del almidón

▪ Viscosidad almidón

Por otro lado, para la correcta selección de la bomba es necesario determinar la viscosidad de

la mezcla a bombear. Para densidades altas se recomienda una bomba de desplazamiento

positivo, mientras que para densidades bajas es preferible la utilización de bombas centrifugas

[8]. La viscosidad del almidón se midió siguiendo la norma ISI 17-1e del Starch Institute [9].

La norma describe el procedimiento para medir la viscosidad Brookfield del almidón. El ensayo

se debe realizar con la muestra a 50 °C. Se decide realizar la prueba con diferentes

concentraciones de almidón diluido en agua. En la Tabla 3 se encuentran los resultados

obtenidos. Como era de esperarse, la viscosidad aumenta al aumentar la concentración de

almidón. Sin embargo, se encuentra que no es conveniente trabajar con concentraciones altas

debido a la tendencia del almidón a decantarse rápidamente. La decantación del almidón de

la mezcla sucede por la diferencia de densidades de los componentes de la misma. Debido a

que el almidón presenta mayor densidad que el agua y la acción de la fuerza gravitatoria este

se depositará en el fondo del recipiente en el que se encuentre. Al trabajar con mayores

concentraciones de almidón se dificultará el control sobre la homogeneidad de la mezcla debido

a que este se adherirá en el fondo del recipiente.

[g] [g] [g] [g]

3,33 32,53 81,99 82,85

3,31 32,54 82,01 82,76

3,34 32,53 82,00 82,75

3,30 32,53 81,99 82,84

3,33 32,53 81,97 82,77

3,32 32,53 81,99 82,79

Promedio 3,32 32,53 81,99 82,79

Desviación

estandar0,015 0,004 0,013 0,042

, ,

Densidad de sólidos

(almidón) [g/cm³]

1.315 ±0.006

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Tabla 3. Viscosidad del almidón

Para cada concentración de almidón se realiza la toma de datos 9 veces y se promedian los

valores. Además, se calcula el error teniendo en cuenta la resolución del equipo y la dispersión

de los datos.

Diseño del banco de pruebas

Teniendo en cuenta la baja viscosidad de la mezcla a bajas concentraciones se decide utilizar una

bomba centrifuga. Seguido de esto, se propone un primer esquema del montaje del banco de pruebas

utilizando válvulas para regular la presión en diferentes puntos del sistema. Así mismo, se propone

una realimentación del tanque de entrada para mantener la mezcla en movimiento y evitar que el

almidón se decante.

Figura 2. Esquema del banco de pruebas

Teniendo en cuenta el esquema de la Figura 2, se plantea la ecuación de Bernoulli para calcular la

curva teórica del sistema.

ℎ𝑝 +𝑃1𝜌𝑔=𝑃2𝜌𝑔+𝑉2

𝜌𝑔(𝑓1𝐿1𝐷+ ∑𝑘) + 𝑍2

Se decide trabajar con una tubería de 1 in de diámetro y se realizan los respectivos cálculos para la

determinación de la curva teórica del sistema, asumiendo una tubería lisa y teniendo en cuenta las

perdidas por las válvulas y los codos. Para estos cálculos se tiene que

𝑃1 = 𝜌𝑔ℎ1 = 6867 𝑃𝑎

𝑃2 = 55000 𝑃𝑎

Concentración Viscosidad (cP) Error

5% 8,1

10% 8,5

15% 9,1

20% 23,3

25% 25,6

30% 33,6

±0,2

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𝑓1 = 0.013

𝐷 = 0.0254 𝑚

Para las perdidas debidas a los accesorios del sistema y los cambios de sección transversal se decide

tomar las siguientes constantes

𝑘𝑐𝑜𝑑𝑜𝑠 90° = 0.2

𝑘𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎/𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 𝑟𝑒𝑠𝑒𝑟𝑣𝑜𝑟𝑖𝑜𝑠 = 1

𝑘𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎/𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 ℎ𝑖𝑑𝑟𝑜𝑐𝑖𝑐𝑙ó𝑛 = 1

𝑘𝑣𝑎𝑙𝑣𝑢𝑙𝑎−25% 𝑑𝑒 𝑎𝑝𝑒𝑟𝑡𝑢𝑟𝑎 = 20

𝑘𝑣𝑎𝑙𝑣𝑢𝑙𝑎−50% 𝑑𝑒 𝑎𝑝𝑒𝑟𝑡𝑢𝑟𝑎 = 1.8

Considerando que la curva del sistema depende de las perdidas del mismo, y estas en parte dependen

del porcentaje de apertura de las válvulas, se decide realizar cálculos teniendo en cuenta apertura de

25% y 50% en cada una de las válvulas.

Se encuentra que la cabeza que requiere el sistema es de 6.1 m en promedio. Por otro lado, ya que en

el laboratorio de fluidos de la Universidad se encuentra disponible una bomba centrifuga (Pedrollo

CP600) que tentativamente podría funcionar, se construye la curva del sistema teniendo en cuenta la

curva de esta bomba para verificar su funcionamiento teórico. En la Figura 3 se puede observar que

tanto la cura del sistema como la de la bomba se encuentran en el punto con 60 L/min y

aproximadamente 15 m de cabeza, por lo cual teóricamente podría funcionar.

Figura 3. Curva teórica del sistema

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Diseño del hidrociclón

Debido a que los resultados de tamaño de partícula son menores a 50 μm se decide seguir el teorema

de Rietema para el diseño del hidrociclón ya que experimentalmente se ha demostrado ser más

acertado con tamaños de partícula menores a este valor [4]. En su documento Performance and Design

of Hydrocylones [5], el autor describe paso a paso el procedimiento para diseñar un hidrociclón.

1. Definir un diámetro de corte para la separación (𝑑50), esto se hace teniendo en cuenta la

concentración de partículas en la suspensión. Como parámetro de diseño se selecciona 20 μm.

2. Definir una caída de presión Δ𝑃 dependiendo de la bomba o montaje que se tiene. Ya que se

encuentra disponible una bomba en el laboratorio de fluidos de la Universidad, se selecciona

55 kPa como parámetro de diseño. Este valor de presión se selecciona teniendo en cuenta las

dimensiones del banco de pruebas, así como la curva característica de la bomba (Figura 3).

3. Calcular el valor de R

𝑅 =𝑑502 Δ𝜌Δ𝑃

𝜇2

Donde Δ𝜌 es la diferencia de densidades del almidón y el agua y 𝜇 es la viscosidad de la mezcla

a separar. Se tiene que,

𝑅 =(20 𝜇𝑚)(1315 𝑘𝑔 𝑚3⁄ − 1000 𝑘𝑔 𝑚3⁄ )(55 𝑘𝑃𝑎)

0.001 𝑃𝑎 𝑠

𝑅 = 6.94 𝑥103

4. De la gráfica de la Figura 4 se determinan los valores del diámetro principal del hidrociclón

y el caudal necesario.

Figura 4. Correlaciones entre las características de separación en hidrociclones [5]

𝑄 = 36 𝐿/𝑚𝑖𝑛

𝐷 = 6.87 𝑐𝑚

5. Finalmente, se calculan las demás dimensiones del hidrociclón siguiendo las relaciones. Estos

valores hacen referencia a las denotadas en la Figura 5.

Page 8: Contexto - Uniandes

𝐿

𝐷= 5 → 𝐿 = 31.85 𝑐𝑚

𝑏

𝐷= 0.28 → 𝑏 = 1.93 𝑐𝑚

𝑒

𝐷= 0.34 → 𝑒 = 2.33 𝑐𝑚

𝑙

𝐷= 0.4 → 𝑙 = 2.75 𝑐𝑚

Figura 5. Esquemático para diseño de hidrociclón [5]

Análisis

Pruebas preliminares

Para determinar si los resultados obtenidos en cuanto al tamaño de partícula son certeros, se decide

realizar una comparación con el tamaño de partícula del almidón de papa reportado en [6]. Como es

posible evidenciar en la Figura 6, el tamaño de partícula del almidón de papa se encuentra en el rango

de 10 a 100 μm, con mayor cantidad de partículas alrededor de 70 μm. La diferencia entre este valor

y el resultado obtenido puede radicar en la especie de papa utilizada.

Figura 6. Distribución de tamaño de partícula [6]

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Diseño del banco de pruebas

Para analizar el correcto funcionamiento del banco de pruebas, se inicia con la caracterización del

mismo. Esto se lleva a cabo realizando mediciones tanto de presión como caudal con diferentes

combinaciones de apertura de las válvulas. La presión fue medida con dos diferentes barómetros, uno

ubicado a la entrada del hidrociclón y otro a la salida de este, de esta manera fue posible el registro

del cambio de presión debido al hidrociclón. Por otro lado, para el cálculo del caudal del sistema fue

necesario registrar los valores de volumen de mezcla, teniendo en cuenta las dimensiones del recipiente

y la densidad de la mezcla, y el tiempo que tarda el sistema en bombear este volumen, el cual fue

registrado con un cronometro.

Los valores registrados se encentran en la Tabla 4. Además, con estos se construye la curva real del

sistema, como se muestra en la Figura 7.

Tabla 4. Apertura de la válvula y presión

Figura 7. Curva experimental del sistema

Apertura válvula de

compuerta superiorPresion [psi]

100% 10

83% 9

67% 8

50% 7

33% 6

17% 5

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Se puede evidenciar que experimentalmente no se tiene el comportamiento esperado del sistema y no

es posible llegar al punto de operación que requiere el hidrociclón (presión de 55 kPa y caudal de 36

L/min). Sin embargo, se itera con el montaje hasta llegar al punto más cercano de operación para el

correcto funcionamiento del hidrociclón. Este punto es 8 psi y aproximadamente 80 L/min.

Diseño del hidrociclón

Teniendo en cuenta las condiciones de presión y caudal del sistema, se decide calcular el nuevo tamaño

de corte teórico que tendrá el hidrociclón dadas las dimensiones. Se inicia aproximando el valor de R

en el que el sistema se encuentra operando, esto se lleva a cabo con el diámetro del hidrociclón, la

presión, otras propiedades del fluido y la ecuación de la gráfica de la Figura 4.

𝐷 (𝜌

𝜂)√Δ𝑃

𝜌= 5.19 𝑥 105

Con este valor es posible identificar el valor de R de la gráfica y con este se despeja el diámetro de

corte del hidrociclón.

𝑅 =𝑑502 Δ𝜌Δ𝑃

𝜇2= 1.5 𝑥 104

𝑑50 = 29.5 𝜇𝑚

Finalmente, se calcula el caudal requerido para separar el tamaño de partícula.

𝑄 (𝜌

𝜂)√Δ𝑃

𝜌= 1010

𝑄 = 80.1 𝐿/𝑚𝑖𝑛

Inicialmente se decide realizar pruebas del sistema con una mezcla de almidón al 1%. Para estas

pruebas la presión del sistema era de 5 psi. Los resultados de la distribución del tamaño de partícula

de la mezcla de entrada y de salida se encuentran en las Figuras 8 y 9.

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Figura 8. Resultados distribución de tamaño de partículas a la entrada del sistema – M ezcla de almidón al 1%

Figura 9. Resultados distribución de tamaño de partículas a la salida del underflow del sistema – M ezcla de almidón al 1%

En las Figuras 8 y 9 se evidencia que el tamaño de partículas suspendidas en la mezcla es más grande

a la salida del underflow que a la entrada del sistema. Estos resultados no fueron concluyentes debido

a que teóricamente se esperaba un tamaño de partícula menor a la salida ya que la finalidad del diseño

es la separación del almidón para el refinamiento de este.

Por lo anterior, y teniendo en cuenta tanto los valores teóricos de 𝑑50, como el tamaño de partícula

del almidón se decide realizar una mezcla de diferentes harinas disponibles en el mercado. Al realizar

las pruebas con una mezcla caracterizada con anterioridad es posible determinar la distribución del

tamaño de partícula a la entrada del sistema y se asegura la repetibilidad del experimento.

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Para la caracterización de la mezcla se realizó el tamizado de cada una de estas harinas y se determinó

el rango en el que se encontraban. Se realiza la mezcla de la Tabla 5 teniendo en cuenta los tamaños

de partícula determinados por el tamizado, y se procede a separarla con el montaje del hidrociclón

con las condiciones antes descritas.

Tabla 5. M ezcla de harinas realizada, caracterizada por medio de tamizado

Como se mencionó anteriormente, las variables del sistema se mantuvieron en 8 psi y

aproximadamente 80 L/min para esta toma de datos. Los resultados de las distribuciones de tamaño

de partícula de la entrada se encuentran en la Figura 10, mientras que las salidas se encuentran en

las Figuras 11 y 12.

En las Figuras 10 y 11 es posible evidenciar la presencia de 2 picos en la distribución, uno de ellos

corresponde a la distribución de los polvos como tal, mientras que el otro corresponde al cuchuco de

cebada, el cual presentaba un tamaño de partícula superior.

Figura 10. Resultados distribución de tamaño de partículas a la entrada del sistema – M ezcla de polvos

ElementoTamaño de

particula [μm]Cantidad [gr]

Maizena < 38 35,20

Maizena 38 < x < 75 100,48

Harina de trigo 75 < x < 90 20,51

Maizena 90 < x <125 102,11

Harina de garbanzo 125 < x < 150 40,80

Cuchuco de cebada 1400 < x <2000 30,22

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Figura 11. Resultados distribución de tamaño de partículas a la salida del underflow del sistema – M ezcla de

polvos

Figura 12. Resultados distribución de tamaño de partículas a la salida del overflow del sistema – M ezcla de

polvos

A partir de las figuras anteriores es posible afirmar que se llevó a cabo una separación de partículas,

sin embargo, este no era el resultado esperado teniendo en cuenta que teóricamente las partículas de

menor tamaño deberían encontrarse en el underflow y las más grandes en el overflow. Los resultados

muestran que en este caso la separación sucedió de manera contraria, teniendo partículas de gran

tamaño en el underflow. Una posible razón de este resultado es la densidad del cuchuco de cebada

utilizado, en comparación con los otros polvos mezclados. Además, como se mencionó anteriormente

el sistema no se encontraba operando en las condiciones que el modelo teórico exigía debido a un

sobredimensionamiento de la bomba.

Page 14: Contexto - Uniandes

Cierre

En primer lugar, se llevaron a cabo pruebas de laboratorio para caracterizar el almidón de la papa

Diacol Capiro. Teniendo en cuenta estos resultados fue posible seguir la teoría de Rietema para el

diseño del hidrociclón. Con este modelo fue posible calcular las dimensiones del hidrociclón, así como

el caudal y la presión necesaria para la correcta separación de sólidos. Seguido de esto se procedió a

realizar el modelamiento tridimensional del diseño planteado para posteriormente iniciar la

manufactura por medio de impresión 3D.

Además, teniendo en cuenta los resultados de las pruebas preliminares de laboratorio y los

requerimientos de funcionamiento del hidrociclón se seleccionó la bomba a utilizar en el banco de

pruebas. Simultáneamente, se llevó a cabo el diseño del sistema para acoplar el hidrociclón y realizar

pruebas, esto se llevó a cabo con las ecuaciones de Bernoulli.

Al finalizar el proyecto no fue posible comprobar el modelo teórico del diseño del hidrociclón ya que,

al sobredimensionar la bomba, el sistema no operaba en las condiciones de diseño. Sin embargo, al

realizar la prueba de funcionamiento final con la mezcla de harina caracterizada se encontró que el

hidrociclón separó partículas de gran tamaño posiblemente por la diferencia de densidades de la

mezcla.

Recomendaciones

Para futuros proyectos basados en esta primera iteración del diseño del hidrociclón es recomendable

la utilización de otra bomba de menor potencia para de esta manera asegurar las condiciones de diseño

para el funcionamiento. En caso de no contar con otra bomba, se podría utilizar un variador de

frecuencia para de esta manera poder controlar la señal de voltaje que entra a la bomba, y con esta

su potencia. Además, es recomendable esperar a que la bomba alcance su estado estacionario antes de

iniciar la separación del almidón. Lo anterior debido a que en estado transitorio se pueden encontrar

sobre impulsos, lo cual aumentará el caudal del sistema y no se encontrará en las condiciones de

diseño.

Finalmente, se recomienda utilizar instrumentos de medición especializados para el caudal y de esta

manera evitar aproximaciones en la toma de tiempos y cálculos de volumen. Esto puede ir acompañado

de un sistema de control que garantice en el banco de pruebas las condiciones de diseño del hidrociclón.

Page 15: Contexto - Uniandes

Cronograma

Referencias

[1] MinAgricultura, El cultivo de la papa, Solanum tuberosum. Alimento de gran valor nutritivo, clave

en la seguridad alimentaria mundial, Boletín mensual. Insumos y factores asociados a la

producción agropecuaria, 2013.

[2] Universidad de Los Andes y Universidad de Antioquia, Diseño e implementación de un prototipo

para la extracción de almidón a partir de papas de descarte para mejorar las condiciones

socioeconómicas del sector papero, 2018.

[3] C. Aldrich, Hydrocyclones, de Progress in Filtration and Separation, Perth, Elsevier Ltd., 2015,

pp. 2-20.

[4] J. A. Rey Cespedes, Desarrollo de un sistema de separación de harina de yuca por vía húmenda

para la producción de almidón, Bogotá: Universidad de Los Andes, 2013.

[5] Rietema, K., 1961. Performance and design of hydrocyclones – parts I–IV. Chem. Eng. Sci. 15,

298–325

[6] H. Grommers y D. van der Krogt, Potato starch: production, modifications and uses, Elsevier ,

2009.

[7] ASTM., ASTM D854 – Standard Test Methods for Specific Gravity of Soil Solids by Water

Pyctometer. 2014.

[8] F. White, Mecánica de fluidos, McGraw Hill, 2014.

[9] Starch Institute., ISI 17-1e - Determination of Viscosity of Starch by Brookfield, 2002.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

Primera iteración del diseño del hidrociclón

Segunda iteración del diseño del hidrocilón

Diseño del banco de pruebas para el hidrociclón

Diseño del hidrociclón

Manufactura banco de pruebas e hidrociclón

Primera prueba de funcionamiento del montaje

Correcciones al banco de pruebas

Prueba de separación de la mezcla del hidrociclón

Verificación del funcionamiento del hidrocicón (pruebas de

laboratorio para cálculo de eficiencia)

Redacción documento final

SemanaActividad

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Anexos

A continuación, se encuentran los planos tanto del hidrociclón como del banco de pruebas diseñado.

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LISTA DE PARTES

DESCRIPCIÓN

PARTECANTIDADITEM

Hidrociclón - Parte 1

11

Hidrociclón - Parte 2

12

Hidrociclón - Parte 3

13

Hidrociclón - Parte 4

14

Tuerca hexagonalCNS 3129 - M 3185

Tornillo bristolCNS 3932 - M 3 x 12186

1

1

2

2

A A

B B

Rev.

Plan

oRe

v. Té

cnico

de La

bora

torio

Firma

Estu

diante

TABLA CONTROL DE CAMBIOSFECHA UBICACIÓN COTA INICIAL COTA FINAL FIRMA EST.

NOTA: Aplica para máximo 3 cotas, siempre y cuando estas no afecten drásticamente el diseño de la pieza y el tiempo de fabricación.

Facultad de IngenieríaDepto. Ing. Mecánica

Nombre del proyecto: Nombre de la pieza:Hidrociclón Ensamble hidrociclónMaterial:ABS

CANT:

1 A4 Escala:

1:2Código plano:

Unidades en [mm] - Ángulos en [°]Tolerancias generales ±0,5mm

TIEMPOEQUIPO

Nombre del Estudiante: Código:E-mail: Celular:Nombre del Curso:Nombre Profesor:

Observaciones: Fecha Solicitud Servicio: Fecha Reserva Servicio:

Dimensiones Materia Prima:.

Valentina Garzon 201422250E-mail del estudiante .

Proyecto de gradoGiacomo Barbieri

TABLA DE REGISTRO TIEMPOS:

ALISTAMIENTO EJECUCIÓN ENTREGA MÁQUINA ENTREGA PRODUCTO

1

2

34

5

6

Page 18: Contexto - Uniandes

SECTION H-H

SCALE 1 : 1

H

H

1

1

2

2

A A

B B

Rev.

Plan

oRe

v. Té

cnico

de La

bora

torio

Firma

Estu

diante

TABLA CONTROL DE CAMBIOSFECHA UBICACIÓN COTA INICIAL COTA FINAL FIRMA EST.

NOTA: Aplica para máximo 3 cotas, siempre y cuando estas no afecten drásticamente el diseño de la pieza y el tiempo de fabricación.

Facultad de IngenieríaDepto. Ing. Mecánica

Nombre del proyecto: Nombre de la pieza:Hidrociclón Hidrociclón - Parte 1Material:ABS

CANT:

1 A4 Escala:

1:1Código plano:

Unidades en [mm] - Ángulos en [°]Tolerancias generales ±0,5mm

TIEMPOEQUIPO

Nombre del Estudiante: Código:E-mail: Celular:Nombre del Curso:Nombre Profesor:

Observaciones: Fecha Solicitud Servicio: Fecha Reserva Servicio:

Dimensiones Materia Prima:.

Valentina Garzon [email protected] .

Proyecto de gradoGiacomo Barbieri

TABLA DE REGISTRO TIEMPOS:

ALISTAMIENTO EJECUCIÓN ENTREGA MÁQUINA ENTREGA PRODUCTO

77.63

40.03

36.51

28.11

60.00

14.00

3.006 x

40.00

90.00

48.51

4.00

33.00

R2.00

10.00

100.0°

60.0°

Page 19: Contexto - Uniandes

SECTION J-J

SCALE 1 / 2

J

J

1

1

2

2

A A

B B

Rev.

Plan

oRe

v. Té

cnico

de La

bora

torio

Firma

Estu

diante

TABLA CONTROL DE CAMBIOSFECHA UBICACIÓN COTA INICIAL COTA FINAL FIRMA EST.

NOTA: Aplica para máximo 3 cotas, siempre y cuando estas no afecten drásticamente el diseño de la pieza y el tiempo de fabricación.

Facultad de IngenieríaDepto. Ing. Mecánica

Nombre del proyecto: Nombre de la pieza:Hidrociclón Hidrociclón - Parte 2Material:ABS

CANT:

1 A4 Escala:

1:2Código plano:

Unidades en [mm] - Ángulos en [°]Tolerancias generales ±0,5mm

TIEMPOEQUIPO

Nombre del Estudiante: Código:E-mail: Celular:Nombre del Curso:Nombre Profesor:

Observaciones: Fecha Solicitud Servicio: Fecha Reserva Servicio:

Dimensiones Materia Prima:.

Valentina Garzon [email protected] .

Proyecto de gradoGiacomo Barbieri

TABLA DE REGISTRO TIEMPOS:

ALISTAMIENTO EJECUCIÓN ENTREGA MÁQUINA ENTREGA PRODUCTO

10.00

110.00

4.004.00

100.0°

28.11

63.37

69.18

72.70

108.51

94.00

77.63

R30.00

3.006 x

39.6336.11

3.006 x

R2.00

10.00

60.0°

Page 20: Contexto - Uniandes

SECTION H-H

SCALE 1 / 2

H

H

1

1

2

2

A A

B B

Rev.

Plan

oRe

v. Té

cnico

de La

bora

torio

Firma

Estu

diante

TABLA CONTROL DE CAMBIOSFECHA UBICACIÓN COTA INICIAL COTA FINAL FIRMA EST.

NOTA: Aplica para máximo 3 cotas, siempre y cuando estas no afecten drásticamente el diseño de la pieza y el tiempo de fabricación.

Facultad de IngenieríaDepto. Ing. Mecánica

Nombre del proyecto: Nombre de la pieza:Hidrociclón Hidrociclón - Parte 3Material:ABS

CANT:

1 A4 Escala:

1:2Código plano:

Unidades en [mm] - Ángulos en [°]Tolerancias generales ±0,5mm

TIEMPOEQUIPO

Nombre del Estudiante: Código:E-mail: Celular:Nombre del Curso:Nombre Profesor:

Observaciones: Fecha Solicitud Servicio: Fecha Reserva Servicio:

Dimensiones Materia Prima:.

Valentina Garzon [email protected] .

Proyecto de gradoGiacomo Barbieri

TABLA DE REGISTRO TIEMPOS:

ALISTAMIENTO EJECUCIÓN ENTREGA MÁQUINA ENTREGA PRODUCTO

3.006 x

60.0°

116.00

100.00

70.00

63.37

108.51

3.006 x

94.00

60.0°

75.30

71.37

110.00

10.00 18.80

4.00

4.00

101.1°

R2.00

10.00

78.40

Page 21: Contexto - Uniandes

SECTION H-H

SCALE 1 / 2

H

H

1

1

2

2

A A

B B

Rev.

Plan

oRe

v. Té

cnico

de La

bora

torio

Firma

Estu

diante

TABLA CONTROL DE CAMBIOSFECHA UBICACIÓN COTA INICIAL COTA FINAL FIRMA EST.

NOTA: Aplica para máximo 3 cotas, siempre y cuando estas no afecten drásticamente el diseño de la pieza y el tiempo de fabricación.

Facultad de IngenieríaDepto. Ing. Mecánica

Nombre del proyecto: Nombre de la pieza:Hidrociclón Hidrociclón - Parte 4Material:ABS

CANT:

1 A4 Escala:

1:2Código plano:

Unidades en [mm] - Ángulos en [°]Tolerancias generales ±0,5mm

TIEMPOEQUIPO

Nombre del Estudiante: Código:E-mail: Celular:Nombre del Curso:Nombre Profesor:

Observaciones: Fecha Solicitud Servicio: Fecha Reserva Servicio:

Dimensiones Materia Prima:.

Valentina Garzon [email protected] .

Proyecto de gradoGiacomo Barbieri

TABLA DE REGISTRO TIEMPOS:

ALISTAMIENTO EJECUCIÓN ENTREGA MÁQUINA ENTREGA PRODUCTO

116.00

100.00

60.0°

3.006 x

86.00

33.00

23.80

33.00

4.00

70.00

72.51

7.7°

158.00

R2.00

40.00

28.00

10.00

77.60

Page 22: Contexto - Uniandes

1

1

2

2

A A

B B

Rev.

Plan

oRe

v. Té

cnico

de La

bora

torio

Firma

Estu

diante

TABLA CONTROL DE CAMBIOSFECHA UBICACIÓN COTA INICIAL COTA FINAL FIRMA EST.

NOTA: Aplica para máximo 3 cotas, siempre y cuando estas no afecten drásticamente el diseño de la pieza y el tiempo de fabricación.

Facultad de IngenieríaDepto. Ing. Mecánica

Nombre del proyecto: Nombre de la pieza:Banco de pruebas Ensamble bancoMaterial:. CANT:

1 A4 Escala:

1:12Código plano:

Unidades en [mm] - Ángulos en [°]Tolerancias generales ±0,5mm

TIEMPOEQUIPO

Nombre del Estudiante: Código:E-mail: Celular:Nombre del Curso:Nombre Profesor:

Observaciones: Fecha Solicitud Servicio: Fecha Reserva Servicio:

Dimensiones Materia Prima:.

Valentina Garzon [email protected] .

Proyecto de gradoGiacomo Barbieri

TABLA DE REGISTRO TIEMPOS:

ALISTAMIENTO EJECUCIÓN ENTREGA MÁQUINA ENTREGA PRODUCTO

Page 23: Contexto - Uniandes

PARTS LIST

DESCRIPCIONPARTECANTIDADITEM

CodoASTM D 2466 90 Deg

Elbow Socket-Type -

Schedule 40 1

21

TeeASTM D 2466 Tee

Socket-Type - Schedule

40 1

12

Valvula de compuertaJIS B 2051 Screwed

Gate Valve - 10K 1

33

ISO 4144 Unions with

taper seat U4 1

34

Bomba15

TuberiaASTM D 1785 Pipe 1 -

Schedule 40 - 35

6

Hidrociclon17

Balde 118

Manometro29

Balde 2210

Manguera111

1

1

2

2

A A

B B

Rev.

Plan

oRe

v. Té

cnico

de La

bora

torio

Firma

Estu

diante

TABLA CONTROL DE CAMBIOSFECHA UBICACIÓN COTA INICIAL COTA FINAL FIRMA EST.

NOTA: Aplica para máximo 3 cotas, siempre y cuando estas no afecten drásticamente el diseño de la pieza y el tiempo de fabricación.

Facultad de IngenieríaDepto. Ing. Mecánica

Nombre del proyecto: Nombre de la pieza:Banco de pruebas Ensamble bancoMaterial:. CANT:

1 A3 Escala:

1:12Código plano:

Unidades en [mm] - Ángulos en [°]Tolerancias generales ±0,5mm

TIEMPOEQUIPO

Nombre del Estudiante: Código:E-mail: Celular:Nombre del Curso:Nombre Profesor:

Observaciones: Fecha Solicitud Servicio: Fecha Reserva Servicio:

Dimensiones Materia Prima:.

Valentina Garzon [email protected] .

Proyecto de gradoGiacomo Barbieri

TABLA DE REGISTRO TIEMPOS:

ALISTAMIENTO EJECUCIÓN ENTREGA MÁQUINA ENTREGA PRODUCTO

5

8

10

3

9

7

9

3

3

1

4

4

4

1

2

11

10

6