INFORME SECADO

REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELAMINISTERIO DEL PODER POPULAR PARA LA EDUCACIÓN UNIVERSITARIA,

CIENCIA Y TECNOLOGIAUNIVERSIDAD POLITÉCNICA TERRITORIAL DEL OESTE DE SUCRE

“CLODOSBALDO RUSSIAN”PROGRAMA NACIONAL DE FORMACIÓN EN PROCESOS QUÍMICOS

CUMANÁ, EDO-SUCRE

Facilitadores:Castañeda, JuliánCoronado, Neisy

Autores:Castro, Jesús. C.I: 19.893.060Contreras, Cristina. C.I: 22.629.115Guanipa, Jesús. C.I: 19.083.497Zerpa, José. C.I: 23.684.989

Cumaná, Diciembre de 2014

SECADO DE UNA MUESTR

A DE ZANAHORIA

RESUMEN

En la experiencia realizada se aplicó la técnica de secado a una muestra de zanahoria mediante el uso de un secador de túnel a escala piloto. Para ello fue necesario disponer de cierta cantidad de muestra en la bandeja de alimentación del secador, previamente pesada y realizada las mediciones de su ancho y largo, para posteriormente, por diferencia saber cuánta cantidad de masa se introdujo en el mismo. Se verificaron las condiciones de higiene y seguridad del equipo, para luego energizarlo y encender el ventilador. Seguidamente se realizó un registro de las condiciones iniciales del sistema, es decir, se midieron las variables involucradas en el proceso como lo fueron: diferencia de altura, temperaturas del bulbo húmedo y seco a la entrada y salida de la bandeja de alimentación, así como también para la salida del aire del ventilador, y el peso de la bandeja de alimentación junto con la muestra. Esto se realizó por 20 minutos cada 5 min. Paralelamente a todo esto se tomó una muestra representativa (5g) para realizar el método por estufa, que consistió en someter dicha muestra a estufa por 17 horas a 105 ºC en capsula de porcelana, el cual permitió conocer la cantidad de sólido seco presente en la muestra inicial húmeda que se introdujo en el secador por medio de una relación. Siguiendo el proceso original, se encendieron las resistencias térmicas hasta una temperatura de 65 ºC, se introdujo la bandeja y se procedió a medir las variables antes mencionadas cada 5 minutos hasta que las ultimas 3 pesadas de la bandeja con la muestra fueran constantes. Los valores obtenidos se utilizaron con el objetivo de determinar las distintas variables necesarias para la construcción de los gráficos involucrados, así como también determinar el caudal de aire, el tiempo de secado y la caracterización del aire por medio de la carta psicrométrica.

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OBJETIVOS

Objetivo general:

Aplicar la técnica de secado para una muestra de zanahoria, mediante el

uso del secador de túnel.

Objetivos específicos:

Reportar el contenido de humedad en base húmeda y en base seca de la

zanahoria en estudio.

Caracterizar la corriente de aire a la entrada y salida de la bandeja que

contiene la zanahoria a secar, mediante el uso de la carta psicrométrica.

Analizar el contenido de humedad de la zanahoria por el método de estufa.

Graficar la humedad en base seca y en base húmeda en función del

tiempo.

Construir la curva de velocidad de secado, identificando los diferentes

períodos.

Calcular el tiempo que tarda la zanahoria en secarse.

Plantear el balance de masa y energía.

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TABLA DE DATOS

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MUESTRA DE CÁLCULO

1. Calor húmedo (CS).

CS=0,24+0,45∗X|¿|=0,24+0,45∗0,016

kgH 2OkgAS

=0,247kcal

kg .°C¿

2. Volumen húmedo (V H ).

V H=¿

V H=( 1

29kg

kgmol

+0,019

kg H 2O

kgAS

18kg

kgmol) 0,082 m3 . atm

kgmol .K∗345,15k

1atm=1,005 m3

kg AS

Los volúmenes húmedos se calcularon para una T G>70 °C .

3. Entalpia especifica (H esp).

H esp=H AS+(H sat−H AS )%X r

100

H esp=68KJkgAS

+(901−68 )

KJkgAS

∗6

100=117,98KJ /kgAS

4. Volumen especifico (V esp ).

V esp=V AS+(V Hsat−V AS )% X r

100

V esp=0,965m3

kgAS+(1,38−0,965 ) m3

kgAS6100

=0,989m3/kgAS

5. Caudal de aire.

∆ P=ρH2O . g .∆h

∑ ∆h=¿571cm ¿

∆ h=571cm27

=21,148 cm∗1m100cm

=0,211m

ρH 2O 27°C=996,54kg /m3

5

∆ P=996,54 kgm3

∗9,8 ms2

∗0,211m=2060,645 Pa

di=6 cm∗1m100cm

=0,06m

Ao=π4∗(0,06m )2=2,827 x10−3m2

Q=Cd . Ao√ 2. ∆P

ρaire (1−α4 )

Asumo un Re = 7000 para buscar Cd en el gráfico de relación entre Re y el

coeficiente de descarga α=0,6;

Cd=0,715 ρaire 65°C=1,043kg /m3 μaire 65°C=2,03 x10−5 kg /m. s

Qaire=0,715∗2,827 x10−3m2∗√ 2∗2060,645 Pa

1 ,043kgm3

∗(1−0,64 )=¿ 0,136m3 /s¿

ℜ1T=ρaire .Qaire . di

A .μaire=

1 ,043kgm3

∗0,136m3

s∗0,06m

2,827 x 10−3m2∗2,03 x10−5kg /m .s=148303,916

%Error=|Teorico−ExperimentalTeorico |∗100

%Error=|148303,916−7000148303,916 |∗100=95,279%ℜ2=

7000+148303,9162

=77651,958=7,7 x 104

Ahora con el ℜ2 y α=0,6, leo el Cd;

Cd=0,655

Qaire=0,124m3/ s ℜ2T=135218,277 %Error=42,572

ℜ3=135218,277+77651,958

2=106435,117=1,06 x105

6

Leo con el ℜ3 y α nuevamente el Cd;

Cd=0,65

Qaire=0,123m3/s ℜ3T=134127,807 %Error=20,646%

ℜ4=106435,117+134127,807

2=120281,462=1,2 x105


Cd=0,648

Qaire=0,123m3/s ℜ4T=134127,807 %Error=10,32%

ℜ5=134127,807+120281,462

2=127204,634=1,27x 105


Cd=0,647

Qaire=0,123m3/s ℜ4T=134127,807 %Error=5,16%

Qaire=0,123

m3

s∗3600 s

1h=442,8m3/h

6. Masa seca y húmeda por método de estufa.

Muestra 1:

Masa humeda=5,089g

Masa seca=m 4−m1=(40,2702−39,7215 )g=0,5487 g

Muestra 2:

Masa humeda=5,0048g

Masa seca=0,6005 g

7

Masa humeda prom.=(5,089+5,0048 ) g

2=5,0469g

Masa seca prom.=0,5746g

7. Relación de masa seca.

5,0469 gSH→0,5746g SS

199,1g SH→X

MS=199,1g SH∗0,5746 g SS5,0469 gSH

=22,668 g SS∗1kg103 g

=0,0227kg SS

8. Masa de muestra en la bandeja.

Muestra1=(Masa bandeja+rejilla+muestra)−(masabandeja+rejilla)

Muestra1= (2680,8−2542,3 )g=138,5 g∗1kg103g

=0,1385kg SH

9. Humedad en base seca ( kg SHkg SS ).

X= kgSHKg SS

−1=0,1385kgSH0,0227kg SS

−1=5,101kgSH /kgSS

10.Humedad en base húmeda ( kg H 2Okg SH ).

W= X1+X

= 5,1011+5,101

=0,836 kg H 2O /kg SH

11.Área de secado.

A=L∗a=30cm∗30 cm=900cm2∗( 1m100 cm )

2

=0,09m2

12.Humedad libre (X L ).

X L=X−X¿ X ¿=0,134 kgSH /kgSS

8

X L=(5,101−0,134 ) kgSHkgSS

=4,967kgSH /kgSS

13.Velocidad de secado ( kgSHm2 . h ).

N=−SA (∆ X

∆T )

N1=−SA ( X L2−X L1

T 2−T 1 )

N1=−0,0227kgSS0,09m2 [ (3,732−4,967 ) kgSH

kgSS(10−5 )min ]=0,0622 kgSH

m2.min∗60min

1h=3,732 kgSH

m2. h

14.Humedad libre promedio ¿.

X L=XL 1+XL 2

2=

(4,967+3,732) kgSHkgSS

2=4,349

kgSHkgSS

15.Tiempo de secado.

a. Periodo de velocidad constante:

T 1=−SA N c

( Xc−X 1)=−0,0227kgSS

0,09m2∗0,58kgSH

m2 . h

(0,417−4,349 ) kgSHkgSS

=1,709h

b. Periodo de velocidad decreciente:

T 2=−SA ∫

X c

X 2

dXN

=−SA ∫

0,417

0,011dXN

Para la resolución de esta integral se usó el método de Simpson, que se presenta

a continuación.

∫a

b

f (x )=h3

[ f (0 )+4∗∑ f ( xi )impares+2∗∑ f (xi ) pares+ f (n)]

9

h=X2−X c

n° divisiones=0,011−0,417

11=−0,036

∑ f ( xi )impares=18,867+37,037+76,923+10,752+7,518=151,097

∑ f ( xi ) pares=37,037+76,923+2,777+5=121,737

∫0,417

0,011dxN

=−0,0363

[14,925+4∗151,097+2∗121,737+1,666 ]=−10,373

T 2=−0,02270,09

(−10,373 )=2,616h

T secado=T 1+T2= (1,709+2,616 )h=4,325h

16.Balance de masa y energía para un secador discontinuo.

Donde;

Gs = Flujo de aire seco ( kgASh .m2 ).G´S= Flujo de aire húmedo ( kgAHh .m2 ).Y 1= Humedad absoluta del aire a la entrada ( kg H2O

kgAS ).

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Y 2= Humedad absoluta del aire a la salida.( kg H2O

kgAS ).T G1 = Temperatura del aire a la entrada (°C).

T G2 = Temperatura del aire a la salida (°C).

HG1 = Entalpia del aire a la entrada ( kcalkgAS ).HG2 = Entalpia del aire a la salida ( kcalkgAS ).S ´s = Flujo del sólido húmedo ( kgSHh .m2 ).Ss = Flujo del sólido seco ( kgSSh .m2 )X1 = Humedad del sólido a la entrada ( kg H 2O

kgSS ).X2 = Humedad del sólido a la salida ( kg H2O

kgSS ).T S1 = Temperatura del sólido a la entrada (°C).

T S2 = Temperatura del sólido a la salida (°C).

H S 1 = Entalpia del sólido a la entrada ( kcalkgSS ).H S 2 = Entalpia del sólido a la salida ( kcalkgSS ).Q = Pérdida neta de calor ( kcalh ). Cuando es adiabático Q=0.

Balance de humedad:

SS. X1+G S . Y 1=SS . X2+GS .Y 2

SS. X1−SS . X2=G S . Y 2−G´ S .Y 1

SS(X1−X2)=GS(Y 2−Y 1)

Balance de masa total:

11

S ´S 1+G´ S1=S ´S 2+G´ S2

Balance de energía:

SS. H S 1+G S .HG1=SS . H S2+GS . HG2+Q

12

TABLAS DE RESULTADOS

13

ANALISIS DE LOS RESULTADOS

Para la experiencia de secado de la zanahoria primeramente se caracterizó

la corriente a la entrada y la salida de la bandeja de alimentación mediante la carta

psicrométrica, para tener una visión clara del comportamiento de aire a medida

que transcurría el tiempo, arrojando los resultados presentados en las tablas 02 y

03, en las cuales se pudo apreciar, en lo que respecta a la humedad absoluta del

aire, que dichos valores a la salida de la bandeja aumentaron en comparación a

los valores de entrada, debido a que el agua que contiene la zanahoria se evapora

por la acción del aire caliente, donde este último retiene esa cantidad de agua,

provocando el aumento de su humedad absoluta.

De igual manera, ocurre con la humedad de saturación del aire, solo que la

diferencia radica en que esta humedad es la máxima que puede alcanzar el aire a

las condiciones de temperatura de bulbo húmedo y seco a medida que transcurría

el tiempo.

En el mismo orden de ideas, los resultados correspondientes a la humedad

en base seca y base húmeda (Ver tabla 04), permitieron construir los gráficos

X=f (t) y W=f ( t); para el primero de ellos se observa una curva decreciente, que

indica la pérdida de humedad de la zanahoria a medida que transcurre el tiempo

en función de la masa seca que debería tenerse al final del proceso de secado.

Para el segundo gráfico, ocurre el mismo comportamiento descendiente, solo que

este representa la pérdida de humedad de la zanahoria con respecto al solido

húmedo que va quedando a medida que transcurre el tiempo. Estos

planteamientos están basados en lo establecido por McCabe, Smith y Harriot

(2007), los cuales afirman: “Cuando un sólido húmedo se pone en contacto con

aire de una humedad inferior a la correspondiente al contenido de humedad del

sólido, el sólido tiende a perder humedad y secarse hasta alcanzar el equilibrio

con el aire”. (Pág. 840).

18

Es importante acotar, que la cantidad de muestra representativa de

zanahoria usada para el método por estufa no fue la cantidad de masa promedio

que quedo triturada en la capsula (se usaron 2 muestras), sino los 5,0469 g

iniciales pesados, ya que si se tomara los 4,29735 g (masa promedio triturada)

para la relación de masa seca, se obtendría una cantidad de masa seca superior a

la última masa reportada en el proceso de secado, circunstancia que no debe

ocurrir, porque la masa de zanahoria al final del proceso todavía contiene

humedad. Esto fue pudo deberse a que no se realizaron las pesadas de la manera

correcta.

Por otro lado, se pudo determinar el caudal de aire por medio de las

diferencias de altura manométrica y mediante la correlación para la placa de

orificio, que incluye el coeficiente de descarga; el mismo depende del Reynolds y

la relación entre el diámetro del orificio y el de la tubería. Dando como resultado

los datos establecido en la tabla 06, en ella se aprecia que el caudal determinado

está un 5,16% desviado del valor real utilizado en la experiencia.

Ahora bien, para la construcción del gráfico N=f (XL), se calcularon las

humedades libres promedio y la velocidad de secado (Ver tabla 05). Esta

representación muestra de manera detallada los periodos de secado. La línea

recta que se visualiza en el grafico representa el periodo constante, en el cual la

velocidad de secado de eliminación de agua no ligada de la zanahoria es

constante. En cambio la curva descendiente representa al periodo decreciente, en

ella la velocidad de secado disminuye en forma continua hasta el punto en que es

eliminada toda la humedad libre, y solo queda la humedad ligada internamente en

la zanahoria. Para este gráfico, no se pudo colocar los primeros 5 puntos

correspondientes (Ver tabla 05), ya que la escala no lo permitía, pero si se

tomaron en cuenta para el cálculo del tiempo de secado.

A través de estos periodos se pudo determinar el tiempo de secado

correspondiente a cada periodo (Ver tabla 07), mediante las expresiones

matemáticas respectivas, de tal manera que permitió conocer el tiempo total del

proceso de secado de la zanahoria. Comparando el tiempo en que se realizó la

19

experiencia de secado en el laboratorio y el tiempo total calculado, se establece

que este último es el tiempo necesario para que la muestra se seque

completamente.

Es importante señalar que las casillas que se encuentran en color rojo en la

tablas 04 y 05 indican errores, como resultado de un pequeño defecto de la

balanza, ya que era muy sensible al viento y la bandeja que contenía la muestra

era muy grande, ocasionando en algunos momentos, que la masa de zanahoria

que iba quedando en la bandeja a medida que trascurría el tiempo aumentara.

Dichos valores no se tomaron en cuenta al momento de construir los gráficos, ni

tampoco para el cálculo del tiempo de secado.

Para finalizar, se planteó el balance de materia y energía. Los mismos

permiten conocer las cantidades de masa y energía intercambiadas en el sistema,

de tal manera que estos son de gran utilidad para rediseñar o diseñar un equipo

de secado.

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CONCLUSIONES

El contenido de humedad en base húmeda y base seca, permitió construir

los gráficos de estas variables en función del tiempo.

Se logró determinar las características del aire a la entrada y salida de la

bandeja mediante el uso de la carta psicrométrico.

El contenido de humedad por estufa de la muestra estudiada contribuyo a la

determinación de la cantidad de solido seco en la masa inicial de zanahoria.

Se lograron identificar los diferentes periodos de secado mediante las

variables N y XL, que posteriormente ayudo a conocer el tiempo de secado

total.

Se planteó el balance de masa y energía, expresiones de gran importancia

para el diseño.

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GRAFICOS Y ANEXOS

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REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

McCabe, W., Smith, J. y Harriot, P. (2007). Operaciones unitarias en ingeniería química. 7ma Edición. Editorial McGraw-Hill. México, D.F.

Treybal, Robert. (1980). Operaciones de transferencia de masa. 2da Edición. Editorial McGraw-Hill.

Prácticas de laboratorio de operaciones unitarias (2014). UPTOS “Clodosbaldo Russian”. Departamento de procesos químicos. Venezuela, Cumaná.

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INFORME SECADO

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