PREINFORME 1 ORDENANDO BIEN.pdf

LABORATORIO DE PROCESOS 2013-1 DEPARTAMENTO DE INGENIERIA QUIMICA Y AMBIENTAL

UTFSM, CASA CENTRAL, VALPARAISO

EXPERIENCIA T1GB

PROFESOR SERGIO ALMONACID

AYUDANTE CÉSAR MARTÍNEZ

FECHA 27 MARZO 2013

EQUIPO DE TRABAJO

GRUPO GRUPO 07 B

ALUMNO 1 JUAN OLIVARES

ALUMNO 2 SEBASTIÁN PESSO

ALUMNO 3 PAULINA VALLEJOS

PREINFORME X

INFORME

NOTA FINAL

REVISION

SECADOR SPRAY Olivares – Pesso - Vallejos

Laboratorio de Procesos 2013-1 2

NOMENCLATURA

: Flujo de alimentación en base libre de agua (sólido seco) [Kg ss/h].

: Flujo de aire en base libre de agua (aire seco) [Kg as/h].

: Entalpía de alimentación en base libre de agua [Kj/Kg ss].

: Entalpía del aire que ingresa en base libre de agua [Kj/Kg as].

: Entalpía del aire de salida en base libre de agua [Kj/Kg as].

: Entalpía del producto en base libre de agua [Kj/Kg ss].

: Capacidad calorífica del sólido [Kj/Kg ss K].

: Capacidad calorífica del aire seco [Kj/Kg as K].

: Capacidad calorífica del agua en estado líquido [Kj/Kg H2O K].

( ): Capacidad calorífica del agua en estado gaseoso [Kj/Kg H2O K].

Temperatura de la alimentación.

Temperatura del aire que ingresa.

Temperatura del aire a la salida.

Temperatura del producto.

Temperatura de referencia.

Calor latente de vaporización del agua [Kj/Kg H2O].

: Humedad de la alimentación en base seca [Kg H2O/Kg ss].

: Humedad del aire que ingresa en base seca [KgH2O/Kg as].

: Humedad del aire de salida en base seca [Kg H2O/Kg as].

: Humedad del producto en base seca [Kg H2O/Kg ss].

: Tiempo de residencia del aire al interior del secador spray [h].

: Flujo volumétrico de aire que ingresa al secador spray [m3/h].

: Volumen de cámara del secador spray a diseñar.

: Calor transferido por las resistencias eléctricas al aire [KJ/h].

: Flujo de aire de secado [Kg/h]

: Calor específico del aire de secado [KJ/Kg K]

: Temperatura del aire previo al Precalentador [K]

[ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ]



RESUMEN EJECUTIVO

En el proceso de producción de té instantáneo (polvo), la etapa más importante para

determinar la calidad del producto final es el secado de la materia prima. El proceso de secado se

realiza mediante un secador spray, donde la solución ingresada es pulverizada en forma de

pequeñas gotas y es puesta en contacto con una corriente de aire caliente, produciéndose una

transferencia de calor y materia en forma simultánea. De esta forma se obtiene un producto muy

bajo en humedad.

En el presente trabajo se diseñó un secador spray para satisfacer ciertas necesidades del

proceso de elaboración de té en polvo a nivel industrial. El flujo de alimentación al equipo es

1000 [Kg/h], cuya temperatura corresponde a 80 [ºC]. EL flujo de aire de secado utilizado es

16659 [Kg/h], cuya temperatura de entrada y salida es 180 [ºC] y 95 [ºC] respectivamente.

Luego, la temperatura del producto final (té en polvo) es 90 [ºC]. Finalmente, el volumen del

secador necesario para cumplir dichas características del proceso es 55 [m3].

Luego, se realizó un estudio acerca de la factibilidad y conveniencia de situar un equipo

concentrador (evaporador) previo al secador spray (Ver Anexo 8), evaluando la energía

transferida al aire mediante el precalentador (resistencias eléctricas) del equipo de secado. Para

el sistema compuesto sólo por el secador spray, se considera una composición de sólidos

alimentados de un 30% en peso, lo cual es llevado a una composición de 97% en peso mediante

el proceso de secado. Para realizar este proceso es necesaria una alimentación de aire de secado

de 16659 [Kg/h], al cual se deben transferir 2697,4 [MJ/h] en el precalentador para lograr el

proceso deseado. Luego, para el sistema compuesto por el secador spray y el evaporador, se

considera la alimentación inicial de 30% de sólidos, pero que luego de pasar por el proceso de

evaporación se obtiene una concentración de 60% en peso de sólidos. La solución con esta

última composición es la que ingresa al secador spray. De esta forma, las variables necesarias

para obtener una composición de 97% en peso del producto final son: aire de secado de 7564

[Kg/h], al cual se deben transferir 1224,8 [MJ/h]. A continuación, comparando ambos valores de

energía que es necesario transferir al aire en el precalentador del equipo de secado, se puede

observar que al disponer un equipo de evaporación previa, el proceso requiere de menor energía

eléctrica proporcionada por las resistencias.

Luego, al analizar los costos asociados al proceso en ambos sistemas, se tiene que para el

secador spray se debe contar con 175 USD/h y para el sistema en donde se incorpora el

evaporador de debe disponer de 140 USD/h. Finalmente, en base a los costos asociados al

proceso y comparando con el análisis energético previo, es conveniente utilizar el sistema de

Evaporación previa al secado.



CONTENIDOS

NOMENCLATURA ....................................................................................................................... 2

RESUMEN EJECUTIVO ............................................................................................................... 3

INTRODUCCIÓN .......................................................................................................................... 6

OBJETIVO GENERAL .................................................................................................................. 6

OBJETIVOS ESPECÍFICOS .......................................................................................................... 6

ANTECEDENTES GENERALES ................................................................................................. 7

Definición del producto ........................................................................................................ 7

Usos del producto ................................................................................................................. 8

Cantidad/Precios. Empresas productoras ............................................................................. 8

Diagrama del proceso (PFD) .............................................................................................. 10

Legislación y normativa ..................................................................................................... 10

DESARROLLO ............................................................................................................................ 11

Estimación de variables de diseño, parámetros y condiciones de operación del equipo. .. 11

Balances Materia y Energía ................................................................................................ 12

Dimensionamiento del equipo ............................................................................................ 13

Factibilidad de colocar un evaporador en serie .................................................................. 14

PLANIFICACIÓN EXPERIMENTAL......................................................................................... 15

Procedimiento a realizar ..................................................................................................... 15

Material a utilizar ............................................................................................................... 16

Calidad del producto .......................................................................................................... 17

Diagrama del proceso a utilizar .......................................................................................... 17

ANEXOS ....................................................................................................................................... 18

1. Mercado del té en chile ...................................................................................................... 18

2. Descripción de equipos ...................................................................................................... 19

3. Carta Gantt ......................................................................................................................... 20

4. Legislación ......................................................................................................................... 20

5. Diagramas de proceso ........................................................................................................ 22

6. Balances de materia y energía. ........................................................................................... 23

7. Diseño equipos ................................................................................................................... 25

8. Implementación de concentrador (Evaporador). ................................................................ 26

10. Descripción del equipo ................................................................................................... 31

11. Descripción del equipo ................................................................................................... 33

REFERENCIAS ............................................................................................................................ 34



INDICE DE FIGURAS

Figura 1. Producción de té en el mundo. ......................................................................................... 8 Figura 2. PFD Proceso .................................................................................................................. 10 Figura 3. Periodos de secado. ........................................................................................................ 11 Figura 4. Diagrama del proceso a utilizar. .................................................................................... 17 Figura 5. Productores de té en Chile ............................................................................................. 18 Figura 6. Carta Gantt. .................................................................................................................... 20 Figura 7. Diagrama Sistema 1. ...................................................................................................... 22 Figura 8. Diagrama Sistema 2. ...................................................................................................... 22 Figura 9. Diagrama diseño del secados spray. .............................................................................. 25 Figura 10. Diagrama secado. ......................................................................................................... 32

INDICE DE TABLAS

Tabla 1. Variables de diseño y dimensiones del equipo. .............................................................. 13 Tabla 2. Energía y costos. ............................................................................................................. 14 Tabla 3. Materiales a utilizar en el laboratorio. ............................................................................. 16 Tabla 4. Características del producto. ........................................................................................... 17 Tabla 5. Mercado del té en Chile. ................................................................................................. 18 Tabla 6. Descripción Secador Spray. ............................................................................................ 19 Tabla 7. Parámetros de diseño evaporador. ................................................................................... 26 Tabla 8. Propiedades fluidos. ........................................................................................................ 27 Tabla 9. Variables operación diseño. ............................................................................................ 28 Tabla 10. Comparación de sistemas posibles. ............................................................................... 29 Tabla 11. Variables de operación en el laboratorio. ...................................................................... 33



INTRODUCCIÓN

Actualmente, el té es la bebida que más se consume en el mundo después del agua. Si

bien el sector de mayor utilización es el agroalimentario, el té se ha abierto a nuevos mercados,

principalmente en el área de las industrias farmacéutica y cosmética.

El té es consumido de diversas formas: frío, caliente, en bolsitas (saquitos), en hebras o

en forma instantánea (polvo). Este último tipo de presentación representa el 2-4% de la

producción total, correspondiendo a una mínima proporción del mercado mundial. Se consume

principalmente en Estados Unidos como polvo soluble en el agua fría y en menor medida en el

Reino Unido, en forma de polvo soluble en agua caliente.

El proceso de fabricación del té instantáneo consta de diversas etapas, partiendo por la

obtención de las hojas de té, pasando por procesos de extracción y culminando con una o más

etapas de secado. Ésta última etapa se realiza en un Secador Spray, donde se ingresa la solución

extraída de té y es secada con aire a altas temperaturas, obteniéndose finalmente un polvo de té

muy bajo en humedad. Este producto es posteriormente comercializado. El proceso de secado

debe ser realizado según las condiciones requeridas del sistema, puesto que este tipo de equipos

puede disminuir considerablemente su eficiencia si las variables de operación no son las

adecuadas.

En la presente experiencia se diseñará un secador spray para una planta productora de té

instantáneo (en polvo). Además, se evaluará la eficiencia energética de este equipo comparada

con una configuración en la que se adicione un evaporador previamente. Luego, obtenido el

diseño del secador y las condiciones para el proceso a escala industrial, se realizará una

experiencia con un secador a escala de laboratorio, con el fin de comparar estos datos con los

resultados obtenidos de forma teórica.

OBJETIVO GENERAL

Determinar la eficiencia energética de un proceso en serie concentración-secado spray

para la obtención de té en polvo, con el fin de comparar con proceso sólo de secado spray

y evaluar conveniencia, considerando costos asociados.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Determinar cómo influye la concentración de la solución inicial, que ingresa al secador,

en el proceso de secado, con el fin de evaluar la energía transferida.

Obtener y evaluar los balances de energía y materia para el sistema a analizar, con el fin

de obtener las variables de proceso necesarias.

Dimensionar el secador spray a nivel industrial, con el fin de procesar toda la corriente de

entrada que se desea y cumplir con los requerimientos del proceso.



ANTECEDENTES GENERALES

Definición del producto1

Existen alrededor de cuatro tipos principales de té (blanco, verde, Oolong, y negro) además

de las variedades existentes dentro de cada categoría que suman más de 3.000 té de todo el

mundo, los que se son resultado de distintos métodos de elaboración, principalmente estos

métodos se diferencian en el grado de fermentación de las hojas dando comienzo así a las

distintas variedades.

- La planta

Camellia sinensis, es una planta perteneciente a la familia de las camelias. Existen dos

variedades la de China y las Assam (Estado de la India situado al nordeste) así como también

existen hibridaciones (proceso de mezclar diferentes especies para crear un hibrido) producto de

la plantación de la variedad china en países donde ya existía en estado silvestre.

La planta puede medir entre 2,5 metros a 4,5 metros, soporta temperaturas muy frías,

produce hojas de 5 cm durante 100 años.

- Condiciones de Edafoclimaticas

Se desarrolla mejor en zonas cálidas y húmedas. Rango de temperatura entre 10 °C y

30 °C.

Pluviosidad anual entre 2000 mm a 2250 mm.

Altitud entre 300 mts y 2000 mts sobre el nivel del mar.

- Química del té

Las hojas de Camellia sinensis contienen entre 75% y 80% de agua.

La infusión de las hojas frescas contiene un 60% de producto soluble y un 40% de

productos insoluble.

Los productos solubles son los que nos encontramos en la taza, y estos son:

Polifenoles (Principalmente flavonodoides).

Cafeína.

Sales minerales.

Vitaminas.

Otros (Aminoacidos, glúcidos y lípidos).

Antioxidantes.

1http://www.casadelte.com/laelaboracion.htm, Consultado el 23 de Marzo de 2013,19:12.



Usos del producto

El té es un producto consumido a nivel mundial, siendo la segunda bebida más popular

después que el agua. Todo comenzó para entregar al agua hervida un sabor distinto. Sus usos van

desde lo domestico, a lo medicina-natural, o también en lo culinario. En lo medicina-natural se

utiliza debido a su alta riqueza nutritiva, y sus beneficios al sistema nervioso, a nivel digestivo

entre otros.

Cantidad/Precios. Empresas productoras

- Principales Países productores

Según la UNCTAD (United Nations Conference on Trade and Development) los

principales productores de té a nivel mundial porcentualmente son:

Figura 1. Producción de té en el mundo.

30,00%

22,00% 10,00%

15,00%

5,00%

10,00%

3,00% 5,00%

PRINCIPALES PRODUCTORES DEL TÉ

India

China

Sri Lanka

Otros

Turquía

Kenya

Japon

Fuente: Secretariado de la UNCTD según datos del Comité



A continuación se presentan datos más técnicos en cuanto a producción de té para los

países anteriores, además de los principales productores en Sudamérica.

Gráfico 1. Principales productores de té en el mundo.

- El mercado del té en Chile

A la fecha en el país solo el té se importa como materia prima (a granel), el cual es

envasado y comercializado. Si bien hoy en Chile existe producción de té a nivel

microempresario, su nivel de producción aún sigue siendo bajo ejemplo de esta empresa es Index

Salus a través de la marca Salusflora la cual está en el mercado.

Chile es el actual mayor consumidor percápita en América Latina, registrando un consumo

de 600 gramos/persona en el 2010, lo que equivale a un gasto de US$12 por persona, según datos

entregados por EUROMONITOR2.

Los principales grupos en este mercado son (Ver Anexo 1):

Unilever group

Sociedad Cambiaso Hermanos

Herbalife

2 http://www.euromonitor.com/chile, Consultado el 25 de Marzo de 2013, 22:12.

0200.000400.000600.000800.000

1.000.0001.200.0001.400.0001.600.0001.800.000

Ton

/an

ual

es

País

PRINCIPALES PRODUCTORES DEL TÉ

2008

2009

2010

2011

Fuente: www.faostat.fao.org



Diagrama del proceso (PFD)

Figura 2. PFD Proceso

Legislación y normativa

La fabricación del té en polvo incluye normativas como para las personas que trabajan

directamente en el proceso, de tal forma de prevenir cualquier tipo de accidente3. Además de las

normativas con respecto a la calidad del producto que debe cumplir4 (Ver detalle en Anexo 4)

3 Cleanright, www.es.cleanright.eu, 2009

4 Heydi Linares, Protocolo calidad del té, 2008



DESARROLLO

Estimación de variables de diseño, parámetros y condiciones de operación del

equipo.

Dentro del proceso de secado mediante secador spray se pueden identificar tres etapas

principales para llevar acabo dicho proceso:

a. Atomización de la mezcla líquido sólido, por medio del aspersor el cual gira a una

velocidad angular N [rpm] se forman gotas con un diámetro máximo de 1.8 [mm]. Es

importante mencionar que un diámetro menor de gota tiene un menor tiempo de secado,

por lo cual las dimensiones del equipo es menor.

b. Mezcla de las gotas con el gas caliente, ocurre la mezcla de ambas fases en la cual por

fenómenos de transferencia de calor y materia el líquido contenido en la gota comienza a

evaporarse.

c. Secado de las gotas, en el secado se pueden distinguir dos zonas principales como se

puede observar en la Figura 3.

Figura 3. Periodos de secado.



Zona de velocidad constante de secado

En esta primera etapa de secado la superficie del líquido se encuentra saturada en agua ,

existe una película de agua lo cual permite considerar en primera instancia que la gota es agua

pura. En caso que el sólido a secar sea poroso el agua evaporada de la superficie de la gota es

transportada a la misma velocidad por medio de difusión desde el interior del sólido. En este

punto la temperatura de la superficie es la temperatura de bulbo húmedo.

La duración del periodo de velocidad constante de secado se determina de la siguiente

forma:

(

)

Zona de velocidad decreciente de secado:

Este es el periodo en el cual el agua transportada del interior por difusión no es suficiente

para mantener la superficie saturada en agua, en este periodo comienzan a formarse zonas secas

sobre la superficie, alcanzándose el punto crítico en donde la gota ya no puede contraerse más en

volumen y su temperatura empieza a descender, en este momento la temperatura del gas empieza

a disminuir.

La duración del periodo de velocidad decreciente de secado se determina de la siguiente

forma:

( )

Balances Materia y Energía

Para el desarrollo de los objetivos de esta experiencia se consideran dos sistemas en donde

se llevan a cabo los balances de masa y energía de tal forma de poder compara las eficiencias de

ambos sistemas.

El primer sistema considera sólo el secador spray en donde entra una solución al 30% en

sólidos y se obtiene un sólido al 3 % de humedad.

El segundo sistema considera un evaporador previo a la etapa de secado que concentra la

solución que ingresa con un 30% de sólidos hasta un 60%, posterior es ingresado al secador para

obtener un producto con una humedad de 3%.



Debido a que en el secador spray ocurre transferencia de calor y materia de forma

simultánea, se deben utilizar flujos y entalpías en base libre de agua. De esta forma, los balances

se ven simplificados, pues el componente que es transferido es el agua y por lo tanto, los flujos

de sólido y aire son los mismos a la entrada y salida del sistema. También es importante

mencionar que no existe acumulación ni generación de masa y energía.

Dimensionamiento del equipo

Resolviendo los balances de masa y energía en forma conjunta se pudo obtener el flujo de

aire necesario para llevar a cabo el proceso de secado, así como su temperatura y condiciones de

humedad. A continuación, al resolver las ecuaciones de tiempo de secado (Ver Anexo 7), se

obtuvo el tiempo necesario para el secado de una gota de solución hasta un 3% de humedad, y

como se especificó anteriormente, esto permitió llevar a cabo el diseño del equipo. A

continuación se presentan los resultados obtenidos.

Tabla 1. Variables de diseño y dimensiones del equipo.

VARIABLES DISEÑO

[ ] 9.2

[ ] 3.3

[ ] 12.5

[

]

4

[

]

0.05

DIMENSIONES EQUIPO

[ ] 55

[ ] 45

[ ] 2.6

[ ] 7.2

[ ] 3.6

[ ] 0.36

[ ] 4.6



Factibilidad de colocar un evaporador en serie

A continuación se presenta el resumen de los cálculos donde se puede observar y concluir

si es factible o no utilizar un evaporador en serie (anexo 8 - anexo 9):

Tabla 2. Energía y costos.

Unidades

SISTEMA CON

EVAPORADOR

SISTEMA SIN

EVAPORADOR

Calor necesario a

transferir

Secador Spray [

] 1.224,8 2.697,4

Flujo de Aire

requerido [

] 7.564 16.659

Calor Requerido en

Evaporador [

] 2.742 0

Flujo Vapor requerido [

] 1.215 0

Costos Total asociados

[

] 45.894 60.582

[

] 97 128

El costo5 FOB de un evaporador tipo película descendente corresponde aproximadamente

a $109.500[USD] se estima que es factible la adquisición del evaporador debido a que la

inversión será pagada en menos de un año para luego ahorrarse anualmente la suma de

$ *

+.

5 www.matches.com, consultado el 26 de Marzo de 2013, 17:30.



PLANIFICACIÓN EXPERIMENTAL

Procedimiento a realizar

1. Se colocarán los implementos de seguridad correspondientes para realizar la experiencia

(zapatos de seguridad, lentes, delantal, guantes, etc.). De ser necesario, se solicitarán, en el pañol

del laboratorio, aquellos implementos de los cuales no se disponga.

2. Se preparará la solución que ingresará al proceso. Para ello se mezclará 3,6 [Kg] de té en

polvo y 8,4 [Kg] de agua hasta formar una solución homogénea.

3. Se verificará que la configuración del secador spray (Ver descripción de equipo en Anexo 2)

sea la correcta para iniciar la operación. Se observarán las conexiones en el equipo, eléctricas y

electrónicas. Además, se debe asegurar la conexión al sistema WebLab y verificar las

condiciones necesarias para iniciar el programa (bomba, resistencias y sopladores apagados). A

continuación se iniciará el programa WebLab.

4. Se realizará la calibración de la bomba. Para ello se deberá ajustar el tornillo del equipo a una

determinada posición en forma manual y medir el volumen de descarga y el tiempo mediante

baldimetría, con el fin de obtener el caudal de descarga. Se realizará este procedimiento para

distintos porcentajes de apertura de la válvula (3 mediciones para cada apertura y el valor a

registrar será el promedio entre ellos). Finalmente se podrá obtener una relación gráfica entre el

caudal de descarga de la bomba y el porcentaje de apertura de la válvula (curva de calibración).

Se realizará este procedimiento para los distintos ajustes posibles del tornillo de la bomba.

Además, se medirán los rpm de la bomba mediante un tacómetro.

5. Se realiza calibración de los sopladores. Para ello se medirá la velocidad de salida del aire del

primer soplador con un anemómetro y se comparará con el valor entregado por la interfaz

computacional. Además se regulará el flujo de succión de los sopladores a través del porcentaje

de apertura de la chapaleta (válvula) para el soplador primario y a través de un variador de

frecuencia (ubicado en el panel eléctrico del secador) para el soplador secundario.

6. Se realizará la estabilización del equipo de secado. Para esto se deberá hacer circular el

máximo flujo de aire permitido hasta que el interior de la cámara alcance una temperatura entre

80[°C] y 90[°C]. Luego, se hará circular la solución inicial. Las paredes del secador y del ciclón

deberán ser golpeadas constantemente para desprender restos de solución que puede quedar

adherida y evitar así, la acumulación de polvo húmedo al interior del secador.

7. Una vez que las variables asociadas al producto de salida sean constantes en el tiempo (Ver

condiciones de operación en Anexo 10), se ha estabilizado el secador y se realizarán los registros

necesarios para el análisis experimental (Ver carta Gantt en Anexo 3).



Material a utilizar

Tabla 3. Materiales a utilizar en el laboratorio.

Cantidad Material Descripción

MATERIA PRIMA

3600 [gr] Té instantáneo (polvo) Para preparar solución inicial

8,4 [Lt] Agua Para preparar solución inicial

EQUIPOS

1 Secador Spray (Anexo 9) Equipo principal para el proceso de secado

1 Bomba Equipo para impulsar flujo de alimentación al

secador

1 Ciclón Permite la recuperación del producto final

1 Precalentador Resistencias eléctricas que permiten calentar el flujo

de alimentación al secador

1 Computador Permite utilización de programa WebLab

1 Soplador Proporciona el aire de secado

INSTRUMENTACIÓN

1 Cronómetro Medir caudal de descarga en la calibración de

bomba

1 Anemómetro Medir velocidad de aire en salida de soplador

primario para calibración

1 picnómetro Permite medir densidad solución inicial

Instrumentación de

control (indicadores,

controladores, alarmas,

etc.)

Permiten la operación óptima del proceso

1 Balanza Permite conocer la masa del té a alimentar al

proceso

1 Tacómetro Permite conocer las rpm de la bomba

SERVICIOS

Aire Permite el secado de la materia prima. Proviene del

compresor

OTROS

1 Llave servidor WebLab Permite comenzar la operación del secador

1 Frasco Permite recolección del producto final

1 Probeta graduada de

1000 [ml]

Permite medir volumen de descarga de bomba para

su calibración

1 Brocha o chancho Permite limpieza del equipo utilizado

Papel de diario Permite recoger el producto desprendido del equipo

1 Martillo Permite golpear las paredes del secador para

desprender producto adherido en éstas

1 Recipiente Permite prepara solución inicial



Calidad del producto

Tabla 4. Características del producto.

TÉ INSTANTÁNEO6

Humedad 6%

Contenido Cafeína (en base seca) 1%

PH 5,5 7

Diagrama del proceso a utilizar8

Figura 4. Diagrama del proceso a utilizar.

6 Protocolo de calidad para té negro, Subsecretaría de Agroindustria y Mercados, Argentina.

7 http://pendientedemigracion.ucm.es/info/analitic/Asociencia/pH-Casa.pdf, Consultado el 24 Marzo 2013, 17:39.

8 Manual WebLab “Secador Spray” 2010, 2011



ANEXOS

1. Mercado del té en chile

Figura 5. Productores de té en Chile

Tabla 5. Mercado del té en Chile.

Sociedad Posesión en el mercado Marcas

Unilever Group 46% Té Club

Té Lipton

Té Supremo

Soc. Cambiaso Hnos 38% Té Superior

Samba

Aroma

Herbalife 1,1%

Otros 14,9%

46%

38%

1,1%

14,9%

Posicionamiento en el Mercado

Unilever Group

Soc. Cambiaso Hnos

Herbalife

Otros



2. Descripción de equipos9

Tabla 6. Descripción Secador Spray.

SECADOR SPRAY

CÁMARA

Diseño Semicónica

Material Acero inoxidable

Diámetro int. 0,94 [m]

Volumen 800 [L]

Aislación Fibra de vidrio

RESISTENCIAS

Potencia Máx. 15,5 [KW] (1; 2.5; 4 y 8 [KW])

Tipo de conexión Estrella

BOMBA

Material Acero inoxidable

Tipo De tornillo o progresiva

T° Máx. fluido 45 [°C]

SOPLADOR PRIMARIO

Potencia 1 [KW]

Diámetro rodete 45 [cm]

Velocidad rotor 2800 rpm

SOPLADOR SECUNDARIO

Modelo CMAT-325-2T

Potencia 0,25 [KW]

Velocidad rotor 2810 rpm

Velocidad aire típica 3,5 - 7,5 [m/s]

Temperatura aire 60 - 300 [ºC]

T° Máx. aire húmedo out 120 [ºC]

Caudal recomendado 100 – 250 [m3/h]

Presión aire entrada 1,5 – 2 [bar]

TOBERA ATOMIZACIÓN

Diámetro interior de boquilla 1,8 [mm], ajustable

9 Manual WebLab “Secador Spray” 2010, 2011



3. Carta Gantt

Miércoles 3 Abril 2013

TAREA DURACIÓN 8.00

9.00

9.00

10.00

10.00

11.00

11.00

12.00

12.00

13.00

13.00

14.00

14.00

15.00

15.00

16.00

16.00

17.00

Solicitud implementos de seguridad 15 min.

Solicitud de materiales 15 min.

Preparación del sistema de trabajo 30 min.

Calibración bomba 2 horas

Calibración sopladores 1 hora

Almuerzo 1 hora

Estabilización del sistema 1 hora

Ajuste de variables y operación 2 horas

Recopilación y análisis de datos 30 min.

Orden y Limpieza de equipos 30 min.

Figura 6. Carta Gantt.

4. Legislación

Calidad del producto

- La “Ley general de alimentos”: Establece los principios y requisitos generales, relativos a la

seguridad alimentaria. Reglamento (CE) No.178/2002.

- Regulación (CE) No. 852/2004 relacionada con reglas de higiene en alimentos.

- Regulación (CE) No. 1829/2003 y Regulación (CE) 258/97: Relacionada a alimentos

modificados genéticamente, y aquellos Novel Food, Establece un procedimiento especial

para aquellos productos considerados “novel food” (nuevos alimentos y nuevos ingredientes

alimentarios) que no hayan sido comercializados en Europa hasta mayo 1997.

- Etiquetado de Productos Alimenticios: Incluye las Directivas 90/496/CEE, y la Regulación

2092/91 Salubridad con el control de Plantas (Control Sanitario y Fitosanitario) Todas las

importaciones procedentes de terceros países en relación a plantas, deberán de tener control

por posibles materias o pesticidas dañinas. Para esto, se toma la Directive 2000/29/EC, que

contiene requisitos como certificación fitosanitaria, procedimientos de inspección, registro de

la importación, entre otros.



- Los productos orgánicos deberán de cumplir con los requisitos establecidos en la normativa:

(ECC) No 2092/91 (OJ L-198 22/07/1991).

- Reglamento (CEE) No. 315/93 y Reglamento (CE) 1881/2006: sobre el contenido máximo

de contaminantes en los productos alimenticios.

- Reglamento No.396/2005: relativo a los límites máximos de residuos de plaguicidas en

alimentos y piensos de origen vegetal y animal.

- Condiciones microbiológicas en alimentos: Regulación EC No. 2073/2005.

- Condiciones microbiológicas en alimentos: Regulación EC No. 2073/2005.

Seguridad en el trabajo

- Directiva de Salud y Seguridad de los Trabajadores (98/24/CE; en 89/391/CEE)

- Protección de los trabajadores contra los riesgos relacionados con la exposición en el trabajo

a agentes carcinogénicos o mutagénicos (2004/37/CE)

- Directiva de Seguridad y de Salud en el Trabajo de la Trabajadora Embarazada (92/85/CEE)

- Protección de los jóvenes en el trabajo (Directiva 94/33/CE)

- Requisitos mínimos de salud y seguridad para el uso por parte de los trabajadores de equipos

de protección personal (89/656/EEC)



5. Diagramas de proceso

L’1,X1, H1,T1

G’1,Y1,H2,T2

G’2,Y2,H4,T4

L’2,X2,H3,T3

P-1

C-1

T-1

Figura 7. Diagrama Sistema 1.

L’1,X1, H1,T1

G’1,Y1,H2,T2

G’2,Y2,H4,T4

L’2,X2,H3,T3

P-1

C-1

T-1

F3, X3,T’3, h3

F2, T’2, h2

F1, X0,T’1, h1

Figura 8. Diagrama Sistema 2.



6. Balances de materia y energía.

- Balances Masa y Energía sistema 1

a. Balance de masa

En donde:

Considerando que la perdida de sólido seco es nula, es decir que no hay presencia de sólido

en la corriente de aire(

), el balance queda:

( ) ( )

b. Balance de Energía

Para la realización del balance de energía se considera que las pérdidas al ambiente son

nulas.

En donde:



Reorganizando el balance se obtiene:

( ) ( )

- Balance Masa y Energía Sistema 2

A continuación se presentan los balances de masa y energía para el evaporador, no se

volvieron a realizar los balances al secador spray ya que corresponden a los mismos balances

sólo cambian las condiciones de operación del equipo.

a. Balance masa

Se asume que la cantidad de sólidos arrastrados por el vapor es nula, por lo tanto:

b. Balance Energía

( )



7. Diseño equipos

a. Dimensionamiento secador Spray.

El equipo diseñado tiene la capacidad de procesar 1*

+ de solución de té, en un primer

caso debe procesar una solución con 30% de sólidos, y en un segundo una solución de 60%.

Para el diseño del equipo se tomó en cuenta las siguientes simplificaciones:

El tiempo total de secado de la gota hasta la humedad de especificación del producto

corresponde a la suma del tiempo de secado a velocidad constante y el tiempo de secado

de velocidad decreciente.

[ ]

El tiempo de secado de la gota es igual al tiempo de residencia del aire caliente, por lo

cual para dimensionar el volumen útil del equipo se considera:

[ ] [

]

[

]

Las dimensiones del equipo se estimó como la suma del volumen de la parte cónica y

cilíndrica.

Figura 9. Diagrama diseño del secados spray.



a. Dimensionamiento Evaporador:

Para el diseño del evaporador se consideró:

Evaporador tipo vertical de película descendente ya que estos equipos son útiles para

productos de baja incrustación, agresividad química y baja viscosidad.

Para evaporadores verticales de película descendete se consideran coeficientes globales

de transferencia de calor en un rango de 7200-18000*

( ) ]+, para el diseño se consideró

7200*

( ) ]+.

Tabla 7. Parámetros de diseño evaporador.

DISEÑO EVAPORADOR

[ ] 1

[ ] 100

[ ] 140

[ ⁄ ] 7200

[ ] 10

[ ⁄ ] 1250

8. Implementación de concentrador (Evaporador).

Para evaluar la conveniencia de utilizar un evaporador previo al secador spray se analizó

la energía transferida al aire de secado, mediante resistencias eléctricas, previo ingreso a la

cámara de secado. De esta forma, se pueden comparar dichos valores de energía dependiendo de

la concentración inicial de solución que ingresa al equipo de secado. Para realizar este análisis se

consideró el balance de energía obtenido previamente.

( ( ) ( ))

( ( ) ( ) ( ) ( ))

Luego, despejando la humedad de salida del aire de secado ( ), se tiene:

( ( ) ) ( ( ) ( )) ( )

( )



Luego, realizando un balance de energía en el Precalentador de aire, se tiene:

( )

Donde:

: Calor transferido por las resistencias eléctricas al aire [KJ/h].

: Flujo de aire de secado [Kg/h]

: Calor específico del aire de secado [KJ/Kg K]

: Temperatura del aire que ingresa al secador spray [K]

: Temperatura del aire previo al Precalentador [K]

Luego, las propiedades de los fluidos relevantes al problema y las variables utilizadas se

muestran a continuación.

Tabla 8. Propiedades fluidos.

Datos Unidades Valor

Calor Específico agua líquida [KJ/Kg K] 4,185

Calor Específico vapor de agua [KJ/Kg K] 2,08

Calor Latente de vaporización [KJ/Kg] 2257

Calor Específico té en polvo seco [KJ/Kg K] 6,0

Calor Específico Aire Seco [KJ/Kg K] 1,01

Calor Específico Aire ambiente [KJ/Kg K] 1,012

Densidad Agua [kg/m3] 1000

Densidad Aire [kg/m3] 1,2



Tabla 9. Variables operación diseño.

Variables Valor Unidad

T1 80 [°C]

T2 180 [°C]

T3 95 [°C]

T4 90 [°C]

X1 (sin evap.) 2,33 [Kg H2O/Kg ss]

X1 (con evap.) 0,667 [Kg H2O/Kg ss]

Y2 0,004 [Kg H2O/Kg as]

Y3 (sin evap.) 0,05 [Kg H2O/Kg as]

Y3 (con evap.) 0,06 [Kg H2O/Kg as]

X4 0,031 [Kg H2O/Kg ss]

G’ (sin evap.) 15866 [Kg as/h]

G’ (con evap.) 7136 [Kg as/h]

L’ 300 [Kg ss/h]

G (sin evap.) 16659 [Kg aire/h]

G (con evap.) 7564 [Kg aire/h]

Tambiente 20 [°C]

A partir de lo anterior se puede realizar el análisis. Considerando el sistema sólo con

evaporador spray y una concentración de producto de 30% de sólidos en la solución a secar, se

tiene:

[ ]

A partir del balance de materia, se obtiene que el flujo de aire (en base seca y húmeda

respectivamente) de secado necesario es:

15866 [Kg as/h]

16659 [Kg/h]

Luego, el calor que es necesario transferir mediante resistencias eléctricas es:

[ ]



Luego, para el sistema con evaporación previa al secado, con concentración de producto

de 60% de sólidos en la solución a secar, se tiene:

[ ]

El flujo de aire (en base seca y húmeda respectivamente) de secado necesario es:

7136 [Kg as/h]

7564 [Kg/h]

Luego, el calor que es necesario transferir mediante resistencias eléctricas es:

[ ]

Finalmente, se puede realizar una comparación entre ambos sistemas considerando la

energía que es necesario transferir durante el proceso y sus costos asociados.

Tabla 10. Comparación de sistemas posibles.

SISTEMA CON

EVAPORADOR

SISTEMA SIN

EVAPORADOR

Calor

necesario a

transferir

1.224,8 [MJ/h]

2.697,4 [MJ/h]

Flujo de Aire

requerido 7.564 [Kg/h] 16.659 [Kg/h]



9. Estimación de costos e Inversión

Para llevar a cabo el cálculo de costos de operación de los equipos (consumo eléctrico y vapor)

para poder elegir qué sistema se comporta de mejor forma en cuanto a ahorro energético, se

tomaron en cuenta las siguientes consideraciones:

Costos Eléctricos10

, estimados al 1 de Marzo de 2013 datos obtenidos de la empresa

CONAFE S.A., para el tipo de tarifa BT1, sector Valparaíso.

- Cargo Fijo (CLP/mes): 1024,60

- Cargo por energía (CLP/kwh): 109,65

Costos de Vapor, los costos del vapor dependen principalmente del combustible

utilizado, la eficiencia de la caldera, la presión de trabajo y otras variables, pero para

efectos de cálculos se aproxima al valor de 50[USD/Ton].

9.1 Costos Eléctricos

Sabemos que 1 MJ es igual a 0,28 kWh, entonces la potencia entregada por la resistencia es:

- Sistema sin Evaporador:

Secador Spray : 2697.4 * 0,28 = 756 [kwh/h]

Costo : 756 * 109,65 = 82.895 [CLP/h]

- Sistema con Evaporador:

Secador Spray : 1224.8* 0,28 = 343 [kwh/h]

Costo : 343 * 109,65 = 37.610 [CLP/h]

9.2 Costos Vapor

Sabemos que 1 Ton es igual a 1000 kg, entonces el flujo de vapor requerido:

- Evaporador: 1.215/1000 = 1,215 [Ton/h]

Por tanto los costos asociados y teniendo en cuenta el costo de vapor por cada Ton producida es:

- Evaporador: 1,215 * 50 = 60,75 [US$/h]

El dólar al 25 de Marzo del 2013, se encuentra a 473 [CLP$]. Por tanto, en pesos chilenos:

- Evaporador: 60,75 *473 = 28.734 [CLP$/h]

10

www.conafe.cl, consultado el 24 Marzo de 2013



9.3 Decisión

Estimando que la planta funciona en continuo con tres turnos de 8 diarias, y 320 días por el

año, el ahorro anual se estima como:

Sea:

*

+

*

+

*

+

*

+

*

+

*

+

[

] ( ) [

] [

] [

]

[

] ( ) [

] [ ] [

] [

]

10. Descripción del equipo

El proceso del secador spray se utiliza para la obtención de sólidos en polvo a partir de

una alimentación liquida. Esta alimentación se atomiza (forma de ducha) a finas gotas por medio

de un rotor atomizador que se ponen en contacto con un una corriente de aire caliente dentro de

la cámara de secado. Por medio de esta corriente el secado de las gotas forman partículas de muy

baja humedad sin alterar las propiedades físico-químicas del producto. El secador spray permite

el secado de productos sensibles al calor, debido a los tiempos de residencias dentro del equipo,

ya que son muy cortos y a temperatura de producto relativamente bajas.

Dentro de la cámara al entrar en contacto las finas gotas con la corriente de aire,

rápidamente se produce la vaporización del solvente del producto generalmente es agua,

produciendo la refrigeración de la partícula sin que ésta reciba un choque térmico y pueda perder

sus propiedades.



A continuación se puede observar un diagrama del fenómeno:

Figura 10. Diagrama secado.

Ventajas secador spay11

Alto rendimiento, pues el proceso es muy rápido (algunos segundos).

Homogeneidad de la producción.

Inmejorable presentación del producto.

Un solo operario maneja la instalación.

Fácil automatización.

Puede trabajar continuo las 24 hs.

Características12

Medios de Aspersión

- Rotor atomizador.

- Con toberas.

11

http://www.quiminet.com/articulos/aplicaciones-de-secado-spray-para-la-industria-de-alimentos-1322.htm,

Consultado el 26 de Marzo de 2013, 10:20.

12

http://www.ingcontreras.com.ar/es/equipos/secador-spray, Consultado el 25 de Marzo de 2013, 21:24.



Flujos de aire de secado

El flujo del aire de secado puede circular, según el diseño, a:

- Co-corriente, entrando por la parte superior de la cámara y saliendo por la

inferior.

- Contra-corriente, entrando por la parte inferior y saliendo por la superior.

- Flujo mixto, cuenta con entradas por la parte superior e inferior de la cámara.

Calentamiento del aire

Por medio de resistencias eléctricas. Se utilizan como medio de calentamiento la

combustión, existen dos formas:

- Directo, donde el aire exterior es mezclado con los gases de combustión para

alcanzar caudales y temperatura deseados.

- Indirecto, donde el aire exterior es calentado mediante un intercambiador de calor

para evitar el mezclado con los gases de combustión.

11. Descripción del equipo

Tabla 11. Variables de operación en el laboratorio.

Variables Valor Unidad

T1 80 [°C]

T2 200 [°C]

T3 95 [°C]

T4 90 [°C]

X1 2,33 [Kg H2O/Kg ss]

Y2 0,004 [Kg H2O/Kg as]

Y3 0,06 [Kg H2O/Kg as]

X4 0,031 [Kg H2O/Kg ss]

L 12 [Kg/h]

G 123 [m3/h]

Té 3,6 [Kg]

Agua 8,4 [Kg]



REFERENCIAS

http://www.casadelte.com/laelaboracion.htm

http://www.euromonitor.com/chile

Cleanright, www.es.cleanright.eu, 2009

Heydi Linares, Protocolo calidad del té, 2008

www.matches.com

Protocolo de calidad para té negro, Subsecretaría de Agroindustria y Mercados,

Argentina.

http://pendientedemigracion.ucm.es/info/analitic/Asociencia/pH-Casa.pdf.

Manual WebLab “Secador Spray” 2010, 2011

www.conafe.cl

http://www.quiminet.com/articulos/aplicaciones-de-secado-spray-para-la-industria-de-

alimentos-1322.htm.

http://www.ingcontreras.com.ar/es/equipos/secador-spray

PREINFORME 1 ORDENANDO BIEN.pdf

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