Informe Secado De Fresa

UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS III INFORME PRÁCTICA SECADO DIRECTO (FRESA) Subgrupo C ANGELA MIREYA GONZALEZ LUIS GUILLERMO LEAL JUAN SEBASTIAN RODRIGUEZ ANYUL NALLIVE MARTÍNEZ

243575 243518 243546 243413

OBJETIVOS Se ha logrado  Llevar a cabo el secado de 88gr de fresa hasta un 37% de humedad. Se logrará con el informe  Determinar la rapidez de secado.  Con base en los resultados obtenidos realizar y analizar la gráfica de la humedad contra el tiempo y contra el flux de secado.  Evaluar los coeficientes de transferencia de masa k y y el coeficiente de transferencia de calor hc.  Determinar las pérdidas de calor TABLAS DE DATOS

Tbs promedio (ºC) % Recirculación Sólido inicial (g) Sólido seco (g) Ancho Bandeja (cm)

Tabla1. Datos de operación. SECADO DIRECTO 40.0 Tbh promedio (ºC) 50.0 Flujo de aire (m/s) 88 Humedad relativa (%) 37 Longitud bandeja (cm) 27.0 Área de la bandeja (cm2)

19.0 1.4 47 27.8 750.6

Tabla 2. Datos para determinar el contenido de humedad de la muestra MUESTRA EN LA MUFLA Caja de Petri (g) Caja de Petri (g) + muestra inicial (g) Caja de Petri (g) + muestra final (g) Sólido húmedo (g) Sólido seco (g)

90.9118 85.178 86.4278 5.094 0.61

Tabla 3. Masa de muestra con el transcurrir del tiempo, para secado tangencial y 50% de reflujo del aire.

DATOS SECADO DIRECTO DE FRESA Tiempo (min)

MasaMuestra+Band (g)

MasaMuestra(g)

VAIRE (m/s)

TBS (ºC)

TBH (ºC)

Humedad r

0 5 10 15 20 25 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90

121 105 91 80 82 90 79 82 85 90 91 88 86 85 84 78 73 70

88 72 58 47 49 57 46 49 52 57 58 55 53 52 51 45 40 37

1.4 1.4 1.4 1.4 1.4 1.4 1.4 1.4 1.4 1.4 1.4 1.4 1.4 1.4 1.4 1.4 1.4 1.4

39 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40

19 19 19 19 19 19.5 19 19 19 19.5 19 19 19 19 19.5 19 19 19

47 47 47 47 47 47 47 47 47 47 47 47 47 47 47 47 47 47

MUESTRA DE CÁLCULOS Masa de sólido seco en la muestra tratada Para determinarla se calcula la humedad total contenida en la muestra:

X 

M SH  M SS M SS

(1)

Donde: X: masa de agua por unidad de masa de sólido seco (g H2O/g sólido seco) MSH : masa de sólido húmedo (g), correspondiente a la cantidad inicial de muestra llevada a la mufla, en este caso fue la diferencia entre la masa de muestra con la caja petri inicial menos la masa de la caja petri (ver Tabla No. 2) : MSH   90.91- 85.178 g  5.094g MSS : masa de sólido seco (g), correspondiente a la masa final de la muestra llevada a la mufla, en este caso fue la diferencia entre la masa de muestra final con la caja petri y la masa de la caja petri:

MSS   86.4278 85.178 g  0.61g

Sustituyendo estos valores en (1), se obtuvo: X

 5.094 0.61 g  7.34 gH O 2

0.61g

gSS

La masa de sólido seco inicial se determinó así: MSS 

1  M Ti 1 X

(2)

Donde: MSS : masa de sólido seco en la muestra tratada (g). MTi : 88 g Sustituyendo los valores correspondientes en (2) se obtuvo: MSSi 

1  88g  10.55g 1g  7.34g

Porcentaje de humedad inicial Xinicial 

7.34g  100 88.01% 1g  7.34g

El porcentaje de sólidos secos iniciales =

100 88.01  11.99%

Variación de la humedad con respecto al tiempo Inicialmente, se colocó la bandeja sobre la balanza e intentando evitar fluctuaciones del peso por el aire. Para nuestro ensayo, los registros se hicieron cada cinco minutos, así, el resultado en un tiempo de 5 minutos fue: M = 72g A continuación, se halló la humedad para cada tiempo como:

M  SS (3) SS De esta manera, por ejemplo en el tiempo 120 minutos se tuvo: X 

X

 72  10.55 g  5.825gH O 2

10.55g

gSS

De igual modo se hizo con los demás datos (ver Tabla No. 4), construyendo con ellos la gráfica No. 1.

Flux de secado Se sabe que el flux se define como:

N

 SS dX  A dt

(4)

Donde: N : flux de secado (kg H2O/m2 h). SS : masa de sólido seco (kg). A : es la superficie sobre la cual tiene lugar la evaporación de la humedad contenida; en vista de que el material se dispuso uniformemente sobre la bandeja, se puede asumir que el área de transferencia de calor corresponde al área superficial de la cara principal de la bandeja por un estimado de porcentaje de área ocupada por el sólido, aproximadamente 90% : 

1m  A   27.8cm 27.00cm     100cm

2

* 0.9  6.7554 102 m2

dX/dt: es el cambio en el contenido de humedad por unidad de masa de sólido seco, con respecto al cambio en el tiempo, esta cantidad se obtuvo mediante la partición de la gráfica en dos secciones, uno constante y uno variable. Dicha diferenciación representa la variación de la humedad con respecto al tiempo, obtenida de la regresión de los datos representados en la siguiente grafica, las regresiones obtenidas fueron: Constante: X= -3.1004t + 6.5264 dX/dt= -3.1004 Variable: X = -1.4575t2 + 1.8108T + 3.87 dX/dt= -2.915t + 1.8108

Con estas derivadas es posible hallar el flux de secado en cada punto con la formula:

N

ms.s dX ( ) As dt

Los datos obtenidos se muestran en la tabla de resultados más adelante. De esta forma se genera la siguiente curva de secado:

Contenido crítico de humedad. El contenido crítico de humedad Xc, se presenta cuando la película superficial de humedad se reduce tanto que el secado posterior produce puntos secos en la superficie, dando lugar al periodo de velocidad decreciente, en nuestro caso corresponde se puede interpretar como: kghumedad Xc  4.4028 kgdesólido seco

donde se termina el periodo de velocidad constante. Rapidez de secado crítica En la gráfica de velocidad de secado se observa que para un X c = 4.4028 (kg humedad/kg sólido seco) corresponde

kg Nc  0.4841 2 mh

Determinación del tiempo de secado A partir de Foust, se tiene una correlación para obtener el tiempo de secado, donde a partir de una ecuación general se pueden hacer algunas suposiciones para determinar el tiempo necesario de secado en el periodo de velocidad constante y para el decreciente respectivamente. Ecuación general: t Pss x2 dx 0 dt   A x1 N Para el periodo de velocidad constante se puede integrar entre una humedad X 1 hasta la humedad crítica. tc 

Pss  xc  x1  ANc

tc 

0.037kgsólidoseco 2

2

0.06754m * 0.4841kgagua m h

*  7.34  4.40

kgagua kgsólidoseco

 3.32 h  199.2 min

BALANCE DE ENERGÍA La ecuación utilizada es: G aire H aire entrada As  N c As H agua  G aire H aire salida As  Q p

En esta ecuación Gaire representa el flujo de aire en el secador; H la entalpía, bien sea del aire (a la entrada o a la salida) o la del agua que se evapora de la fresa; As representa el área de secado, que es de 0.6755m2; y finalmente, Qp representa el calor perdido por el sistema. El flujo de aire en el secador se determinó con la ecuación (6): Gaire 

v aire Vh

(6)

Siendo vaire la velocidad del aire en el secador (medida con un anemómetro, 1.4 m/s) y V h el volumen húmedo del aire, que a su vez está dado por la ecuación dada por Treybal: Vh  (0,00283  0,00456 * Y )(t G  273)

(7)

En la cual Y es la humedad del aire a la temperatura de entrada del gas a la cámara de secado (0.0101 de la carta psicométrica), tG.(40°C). De esta forma, el volumen húmedo del aire durante el secado fue: Vh = 0.9

m3 kg aire

El flujo de aire durante el secado fue: Gaire 

1.4 m/ s kgaire  1.55 m3 m2 s 0.9 kgaire

Para determinar las entalpías del aire, tanto a la entrada como a la salida, se utilizan las ecuaciones dadas por Treybal: H aire  (1005  184 * Y )tG  2502300 * Y

(8)

Ysat = 0.019 (carta de psicométrica TH 19°C) Nmax  G * ( Ysat Y1 ) Nmax  0.14

Kg m2 s

( Y2 - Y1) N  Nmax ( Ysat- Y1 ) Donde: N * ( Ysat- Y1 ) Y2   Y1 Nmax Y2  0.04 Hallado en la sección de rapidez de secado constante según Treybal Con lo anterior se puede hallar la entalpía del aire a la entrada y a la salida Haireentrada  (1005 184* 0,0104) * 40  2502300 * 0,0104 J kJ  65.976 kgaireseco kgaireseco Hairesalida  (1005 184* 0,04) * 40  2502300 * 0,04 Haireentrada  65976 .6

Hairesalida  140586 .4

J kJ  140.586 kgaireseco kgaireseco

La entalpía del agua se calcula como: H agua  C p (t  t0 )  

(9)

Los datos para desarrollar esta ecuación son: Cp = 1,88 kJ/kgK1, λ = 2409.7 kJ/kg.

1

Calculado como C p 0 =143,05-183,54*θ0,25+82,751*θ0,5-3,6989*θ, siendo θ = T(Kelvin)/100 y C p 0 en kJ/kmolK. T es la temperatura de entrada del gas, 40ºC.

Hagua = 1,88

kJ kJ kJ (313K - 0) + 2409.7 = 2998 .14 kgK kg kg

Con la ecuación (5) se calcula el calor perdido Qp: Qp  GaireAs (Haireentrada Hairesalida)  Nc AsHagua Qp  1.55

Kgaire kJ KgH O k * 0.0675m2 (65.976- 140.586 )  0,4841 2 2 * 0.0675m2 * 2998.14 m2s kgaireseco ms k kJ Qp  90.163 s

Por otro lado, con la velocidad de secado constante se puede determinar el coeficiente de transferencia de masa ky: N c  k y (Ysalida  Yentrada )

(10)

KgH O 0,4841 2 2 Nc Kgaireseco ms ky    16.19 KgH2 O KgH2 O Ysalida - Yentrada m2 s 0,04 - 0,0101 Kgaireseco Kgaireseco

El coeficiente de transferencia de calor se puede determinar a partir de la relación dada por la siguiente ecuación (treybal para sistema vapor de agua-aire): hc J = 950 ky kgK

(11)

J kg W KW hc  950 * 16.19 2  15380.5 2  15.380 2 kgK ms mK mK

TABLAS DE RESULTADOS DATOS OBSERVADOS EN LA PRÁCTICA

Humedad X

N : flux de secado

Tiempo (min) Tiempo (h) 0.000 0.000 5.000 0.083 25.000 0.417 50.000 0.833 60.000 1.000 70.000 1.167 75.000 1.250 95.000 1.583 100.000 1.667 105.000 1.750

Peso+bandeja (g) 121.000 105.000 90.000 90.000 88.000 85.000 84.000 78.000 73.000 70.000

Peso (kg) 0.088 0.072 0.057 0.057 0.055 0.052 0.051 0.045 0.040 0.037

Gaire (Kg/m2s) Y1 Y2 Ysat Nmax (Kg/m2s) Haent (KJ/Kg a.s.) Hasal (KJ/Kg a.s.) Hagua (KJ/Kg) Qp (Kj/s) Ky (Kg a.s./m2s) Hc (KW/m2s)  (min)

(kgH2O/kg SS) 7.341 5.825 4.403 4.403 4.213 3.929 3.834 3.265 2.791 2.507

(kg H2O/m^2 h). 0.4841 0.4841 0.4841 0.4841 0.1724 0.2483 0.2863 0.4380 0.4759 0.5139

1,55 0,0101 0,04 0,019 0.14 65,976 140.586 2998,14 90.163 16.19 15.380 199.2

ANALISIS DE RESULTADOS En la toma de datos se tuvo inconvenientes con el funcionamiento de la balanza, por tal motivo fue necesario excluir algunos datos tomados durante la práctica, teniendo en cuenta los resultados esperados como una disminución del peso debido a ala pérdida de humedad, cosa que no cumplían algunos de estos datos. Debido a estos problemas con los datos, los resultados no son los esperados. Durante el secado fue necesario abrir el horno en el minuto 25, desde allí empezó a aumentar el peso, hasta que en el minuto 50 volvió al peso antes de interrumpir el secado es decir en el minuto 25 el peso fue igual que en el minuto 50, este salto se evidencia en la gráfica del flux, donde hay una caída súbita. En la curva de humedad se intentó representar la parte constante y la parte variable del secado aunque, lastimosamente, debido a los inconvenientes presentados en las mediciones con la balanza la curva obtenida se aleja bastante de la pronosticada ya que en primer lugar no es clara la parte constante del secado (puntos a la izquierda) que debería mostrar una tendencia casi recta por tanto decidimos aproximar los primeros cuatro datos a una línea

recta aunque naturalmente el R2 de esta tendencia es bastante bajo (0.7012) debido a la dispersión de los datos, además de esto la pendiente presentada por esta aproximación es bastante grande lo que produjo un resultado de N constante demasiado elevado alejado de las posibilidades. En cuanto a la parte variable del secado (humedad ligada) los datos se comportaron un tanto mejor pero con una curiosidad ya que su comportamiento no sigue la “caída” natural de los anteriores datos sino que se eleva un poco y luego decrece totalmente contrario a lo esperado o sea con una desviación positiva respecto de una recta imaginaria proyectada entre los puntos extremos situación que se evidenciará claramente en la grafica de rapidez de secado. Para esta parte de la curva se derivo una línea de tendencia de orden 2 con aceptable valor de R2 (0.985) si se tiene en cuenta la poca confiabilidad de los datos obtenidos en el laboratorio. La curva de rapidez de secado es aun mas desconcertante que la de humedad en el tiempo ya que solo asemeja a la curva típica en la parte constante del flux la siguiente parte (parte variable o rapidez de descenso) no coincide en nada con la curva típica esto se explica por lo expuesto anteriormente sobre la parte variable en la grafica de humedad pero aun así revisando en el libro de treybal encontramos una grafica casi idéntica a la obtenida por nosotros (Pág. 750) que corresponde a una dificultad en el secado cuando el material húmedo que se está secando se adhiere a la bandeja originando que no se pueda originar el fenómeno de capilaridad que se presenta en la parte variable de la rapidez y corresponde a que “el liquido no puede llevarse hasta la superficie mediante la tensión en los capilares, porque no puede entrar aire a reemplazar al liquido, la superficie húmeda recede en los capilares y la rapidez decrece a un mínimo. Por ultimo, como el sólido se rompe, se admite aire para reemplazar al liquido, con lo cual la acción de los capilares lleva al liquido a la superficie; la rapidez aumenta nuevamente”2 esto se evidenció plenamente ya que al retirar la bandeja terminado el secado observamos “pegotes” en ella en buena cantidad reafirmando lo anterior. Tampoco fue posible obtener la humedad en el equilibrio (X*) ya que la parte variable de la rapidez de secado es creciente y no permite una extrapolación hasta el corte con el eje x. Los anterior expuesto originó unos valores de N muy alejados de lo esperado (generalmente con un orden de 10-3) que derivaron en unos cálculos posteriores con un alto margen de error esto se evidencia claramente en la comparación de el Nc y el Nmax ya que incorrectamente Nc (0.4841) es mayor al Nmax (0.14) lo que produjo un dato poco probable de la humedad a la salida del aire (Y 2) ya que ex mayor al Ysat hallado a la temperatura de bulbo húmedo en la carta psicrométrica para 560mmHg. El tiempo hallado para el secado solo fue considerado en la parte constante del flux el cual fue un poco alto y con la limitante de no hallarse el requerido para la parte variable por no disponerse del dato de X* Se hallaron los valores de los calores y los coeficientes de transferencia de calor y masa a manera de ilustración ya que sabíamos de antemano que con los valores errados de los Y y N ,debido a los problemas con los datos experimentales ya analizados, no era posible obtener resultados confiables de estas propiedades. A pesar de esto los resultados obtenidos

2

TREYBAL.R., Fenómenos de Transferencia de Masa, 2ª. edición, Pág. 750

mantuvieron una concordancia numérica con lo esperado aunque en el caso del Ky por ejemplo dio mayor a lo reportado en otros ensayos similares al igual que hc. IMPACTO AMBIENTAL Aire: Ninguno Agua: Ninguno Ruido: Ninguno CONCLUSIONES  El proceso de secado directo implica dos periodos en la rapidez (constante y variable) en los cuales se retira tanto la humedad presente en la superficie como la humedad ligada al sólido.  La muestra se secó con el porcentaje reportado en un tiempo menor al calculado  La curva de rapidez de secado obtenida fue contraria a la típica para este tipo de pruebas y evidenció problemas de homogeneidad en el secado.  Los fluxes de secado obtenidos fueron poco confiables originados en problemas en el desarrollo de la practica que produjeron datos imprecisos en especial los pesos de la muestra en el tiempo.