Diseño-DE-UN- Secador-DE- Bandejas PDF

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UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA QUÍMICA

ASIGNATURA: TRANSFERENCIA DE MASA II TRABAJO DE INVESTIGACIÓN: DISEÑO DE SECADOR DE BANDEJAS Presentado por: GRUPO N°1 1116120293

ABARCA ACOSTA JHONNY LUIS

1216120344

ARENAS PALACIOS CARMEN VERÓNICA

1216110061

CHANCAFE CURO FÁTIMA

1216130021

PEBES CABRERA IVETTE STEFANIE

1216120246

SANCHEZ OCHOCHOQUE LILIAN CLAUDIA

1216120585

VALLEJOS GALLARDO JHON JAMER

1226120129

VARGAS REGALADO JUAN ALBERTO

Índice I. INTRODUCCIÓN................................................................................................................4 II.

OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIÓN.........................................................................4 2.1.

Objetivos Generales...................................................................................................4

2.2.

Objetivos Específicos................................................................................................4

I. MARCO TEÓRICO.............................................................................................................4 1.1.

Antecedentes de estudio............................................................................................4

1.1.1. Antecedentes Nacionales.......................................................................................4 1.2.

Secado........................................................................................................................6

1.2.1. Velocidad de secado...............................................................................................7 1.3.

Secador de bandejas.................................................................................................15

1.3.1. Configuración básica............................................................................................15 1.3.2. Consideraciones para el secado de bandejas........................................................15

II.

1.4.

Modelado del secado de bandejas............................................................................15

1.5.

Aplicaciones............................................................................................................15

METODOLOGÍA DE DISEÑO.....................................................................................16 2.1.

Condiciones de diseño.............................................................................................16

2.1.1. Balance de materia...............................................................................................16 2.1.2. Balance de energía...............................................................................................16

2.2.

Diseño del equipo....................................................................................................16

2.2.1. Cámara de secado.................................................................................................16 2.2.2. Soplador de aire...................................................................................................16 2.2.3. Cámara de calor...................................................................................................16 2.2.4. Distribución de aire caliente................................................................................16 2.2.5. Recirculación de aire............................................................................................16 2.2.6. Evaluación de rendimiento...................................................................................16 2.2.7. Caudal del aire.....................................................................................................16 2.2.8. Volumen del cuerpo de secado.............................................................................16 III.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS............................................................................16

IV.

ANEXOS........................................................................................................................17

I.

INTRODUCCIÓN

II.

OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIÓN

II.1.Objetivos Generales II.2.Objetivos Específicos I.

MARCO TEÓRICO

I.1. Antecedentes de estudio I.1.1. Antecedentes Nacionales Freitas, C., Muñoz, H. y Dávila, M., (2010) en “Diseño, construcción e instalación de un secador de bandejas por resistores” señalan que el secado de materiales vegetales constituye una de las formas más antiguas y utilizadas para conservar alimentos, la calidad de los alimentos secos por utilización de calor, en muchas ocasiones se ve comprometida por desconocimiento o por la inadecuada utilización de las temperaturas, poca circulación de aire, mala distribución del material en el equipo o en casos extremos por un mal diseño del equipo secador. ,Al poseer cada alimento una composición nutricional propia y sensible a algunas condiciones de calor, presión, tratamientos mecánicos, entre otros, se hace necesario evaluar las restricciones que éstos poseen para evitar las pérdidas de los nutrientes.

Murillo, C. (2007), en “Diseño de un deshidratador de convección para frutas y vegetales”, sostiene lo siguiente: En el proyecto se hace referencia a los modelos de secado que se utilizan hoy día en la industria, se hace una comparación con el fin de

establecer según la necesidad cual es el modelo optimo para usar en un tipo de alimento como el mango, para lo cual se utiliza una matriz de selección con grados de importancia sobre las variables más relevantes y se resalta la importancia de las características de las propiedades de las frutas en el proceso de deshidratación.

En el diseño del deshidratador se realizo una investigación previa para encontrar los parámetros óptimos de trabajo para un grupo de frutos, con lo que se estableció primero la formulación del problema para establecer una idea general de cómo va a ser el proceso de deshidratación y con que tipo de mecanismo se trabajara para los productos seleccionados. El siguiente pasó esta basado primordialmente en el análisis de ecuaciones que rigen el sistema de operación de secado dentro del túnel de deshidratación; el cual se seleccionó como método optimo de secado. Se hace un análisis de las ventajas y desventajas de la recirculación dentro de un secador de frutas de tipo semicontinuo, teniendo en cuenta los valores óptimos de temperatura para la deshidratación de un grupo de frutas dentro de las cuales el mango es una de las mejores alternativas de deshidratación pues en la región del valle del cauca hay mucho terreno que es apropiado para este tipo de cultivo y aun así el departamento sigue en el ultimo lugar dentro de los grandes productores de mango en el país por lo que para el proyecto esta fruta representa una alternativa mas hacia los productores de alimentos de la región.

Mediante modelos gráficos y matemáticos se llega a establecer parámetros de operación adecuados para el diseño del túnel, con los cuales se seleccionan los componentes funcionales del sistema; como son el ventilador y el calentador de resistencias.

I.1.2. Antecedentes Internacionales Ccalli, H. (2003) en “Secado de higo (Ficus Carica L.) de variedad “Gigante de Valinhos” en un secador de bandejas”. El estudio del secado del higo (Ficus carica L.) se realizó con frutos obtenidos en el distrito de Valinhos del Estado de Sao Paulo. Los higos fueron debidamente transportados desde el centro de aprovisionamiento, luego fueron seleccionados, clasificados, lavados, escurridos y pretratados, obteniendo las siguientes especificaciones: enteros en naturaleza, enteros perforados, enteros blanqueados con piel, enteros blanqueados sin piel. A partir de los resultados de las pruebas preliminares, se optó por utilizar higos semirrígidos que presentaran mejores características de secado. El producto se sometió a secado a 45, 60 y 75 ° C y una velocidad de aire constante de 1 m / s. Se utilizaron rodajas de higos de 10 milímetros de espesor, los cuales habían sido clasificados como semirrígidos en las pruebas preliminares, con características similares a los higos enteros y frutos semirrígidos in natura y se secaron en las condiciones antes citadas. Los higos escaldados sin piel cortados en rodajas y secados a 60 ° C presentaron las mejores características de color y apariencia. Las isotermas de sorción se realizaron a temperaturas de 25, 40 y 60 ° C, mostrando histéresis para cada temperatura. Los datos experimentales del calor de sorción isostérica se ajustaron mediante la ecuación de TSAMI. Los valores

experimentales de los coeficientes de contracción se ajustaron mediante la ecuación de LOZANO. En el estudio de la cinética de secado, no apareció una tasa constante del período de secado a una tasa constante definida, ocurriendo, solo el período decreciente, para los higos enteros y para los higos en rodajas. La ecuación de Page presentó el mejor ajuste para todas las curvas de secado del higo. Los datos obtenidos se correlacionaron con varias ecuaciones, con el objetivo de determinar una ecuación adecuada al diseño y simulación de secadores. Las curvas de la cinética de secado y los datos de sorción se ajustaron con el Software Gráfico STATISTICA versión 5.0. El color del producto se midió mediante el sistema CIELab * en un espectrofotómetro Color QUEST II.

Ruiz, L. (2016) en “Diseño de un secador de bandejas para la deshidratación de plátano en la Parroquia Veracruz del Cantón Pastaza” Se diseñó un Secador de Bandejas para la deshidratación de plátano en la parroquia Veracruz del cantón Pastaza. Para esto se realizó la simulación de la operación de secado en el secador de tipo armario que existe en el laboratorio. Se obtuvo la curva de secado a la temperatura de 50 °C, dónde se determinó la humedad de equilibrio de 0,04 kg agua/kg sólido seco y la humedad crítica de 0,371 kg agua/kg sólido seco, con estos datos se procedió a realizar el dimensionamiento del equipo para una carga de 10 kg de plátano. El secador constara de una cámara rectangular de 0,92 m de alto, 0,6 m de longitud y 0,53 m de ancho, y constará de 5 bandejas de 0,5 m de largo y 0,4 m de ancho. La resistencia requerida para la calefacción del aire tendrá una potencia de 880,8 W y la circulación del aire dentro de la cámara se hará mediante un ventilador de 1700 rpm.

Se utilizará lana de vidrio como aislante teniendo un calor útil de 44337,41 W. Se recomienda respetar la temperatura a la que se debe secar el plátano..

I.2. Secado La esencia del proceso de Secado es la eliminación de un líquido, que se separa del sólido (Nonhebel; Moss, 1979).

Esta definición se usó muchas veces de manera incorrecta es por ello que fue necesario agregar condiciones a su significado. Por ejemplo, un sólido húmedo como la madera, tela o papel se puede secar por la evaporación de la humedad ya sea en una corriente de gas o sin el beneficio de un gas, sin embargo, no se considera como secado la eliminación mecánica de la humedad mediante el exprimido o centrifugado (Treybal, 1997).

Entonces el proceso de Secado sería la eliminación del líquido por conversión en vapor que se separará del sólido.

Durante la práctica, la energía necesaria para evaporar un líquido es añadida en forma de calor. La transferencia de calor se produce mayormente por conducción o por convección. El secado por conducción se diferencia del secado por convección: En el primer caso el sólido húmedo es colocado en un recipiente calentado externamente, que cuenta con una salida para eliminar el vapor. En el caso de secado por convección, el gas caliente es soplado sobre la superficie del solido húmedo ocurriendo una transferencia de calor y al mismo tiempo una eliminación del vapor formado (Nonhebel; Moss, 1979).

I.2.1. Velocidad de secado Se define la velocidad de secado como la pérdida de humedad del sólido húmedo por

unidad de tiempo, y más exactamente por el cociente diferencial

( −dX dθ )

operando

en condiciones constantes de secado, es decir con aire a las condiciones de temperatura, presión, humedad y velocidad constantes en el tiempo.

Con el fin de establecer horarios de secado y determinar el tamaño de equipo, es necesario saber el tiempo requerido para secar una sustancia húmeda a otra con condiciones específicas (Treybal, 1997).

Analíticamente, la velocidad de secado se refiere por unidad de área de superficie de secado, de acuerdo con la ecuación: W=

( )

S dX A dθ

Donde: S = peso del solido seco A = área de la superficie expuesta W = velocidad de secado −dX dθ

= diferencia de humedad respecto al tiempo

Hay dos períodos de velocidad de secado: a) Ecuación de la velocidad de secado constante o ante crítico En este periodo la superficie del sólido está totalmente cubierta por una capa de líquido y la evaporación dependerá solo de la velocidad de difusión del vapor o de la intensidad de paso de calor a través de la capa del aire.

La ecuación está dada por: Wc k y  Yi  Y 

Donde: ky

: Coeficiente de transporte de materia

Yi : Humedad en la interfase Y : Humedad en el seno del aire

Atendiendo a la intensidad de paso de calor, el calor se emplea exclusivamente en evaporar la humedad, la velocidad de secado vendrá dada por:

U Wc   t  ti  i Donde:

U : Coeficiente integral de transmisión de calor

i

: Calor latente de vaporización del líquido a la temperatura de interfase

ti

: Las temperaturas en el seno del aire

b)

Ecuación de velocidad periodo post crítico

En general este período se puede dividir en dos tramos: uno en el que la velocidad de secado varia linealmente con la humedad desde el punto crítico (primer período poscrítico), y otro en el que no se cumple esta variación lineal (segundo período poscrítico), aunque puede no presentarse esta separación neta entre ambos tramos. Durante el primer período poscrítico, la velocidad de secado está regida por la evaporación del agua sobre la fracción de superficie mojada; esta fracción disminuye continuamente hasta que al final de este período la superficie está seca. Se puede calcular la velocidad de secado en cualquier instante de este período en función de las velocidades y humedades crítica y final correspondientes a este período, de acuerdo con la ecuación:

W W c  c)

Xc  X Xc X f

Ecuación tiempo antecrítico

Durante este periodo W es constante, de la integración de la ecuación:

S  X  Xc  A   i A Wc Naturalmente que si la humedad final X f es mayor que la humedad crítica ha de sustituirse Xc por Xf en la ecuación:

S  X  Xf A   i A Wc Donde:

S : Peso de sólido seco



X i : Humedad inicial Xf

: Humedad final

A : Área de la transferencia de calor

Wc

: Velocidad de secado

d)

Ecuación tiempo poscrítico

Durante el segundo período poscrítico la superficie está totalmente seca y la velocidad de secado ha de evaluarse atendiendo al proceso de transporte de humedad desde el interior del sólido hasta la superficie, que se puede realizar por diversos mecanismos. Si el mecanismo de transporte se realiza por difusión (caso de los sólidos de estructura continua tales como jabones, maderas, papeles, etc.) la velocidad de secado viene dada por: W

 2D  X  X * 4z

Y el tiempo de secado entre las humedades X1 y X2 será:  X  X*  4z 2  p  2 ln  1 *   D  X2  X 

Siendo γ el peso específico del sólido seco, kilogramos por metro cúbico; z el espesor, metros; D la difusividad, metros cuadrados por hora.

En el caso de que el mecanismo de transporte este controlado por el flujo capilar (caso de sólidos granulares, tales como arenas, pigmentos, etc.) el tiempo de secado entre las humedades X1 y X2 vendrá dado por la ecuación:  X  X*  S X  X* p   c ln  c  X  X *  A Wc  f 

Con la que se supone que la velocidad de secado varía linealmente con la humedad hasta que se alcanza el equilibrio.

Para los sólidos de estructura capilar uniforme cuando los capilares no son muy pequeños y la estructura no varía durante el secado, las zonas de evaporación se reducen uniformemente en el material durante el período poscrítico, y estas zonas permanecen con una humedad igual a la crítica y temperatura igual a la temperatura húmeda. En cualquier instante, el espesor de la capa seca e está relacionado con la humedad X por la expresión:

X X e Ls  c Xc  X* El coeficiente integral de transmisión de calor entre el aire que fluye al largo de la superficie del sólido y la zona de evaporación viene dado por: 1 hc  x  U k

Y la velocidad de secado será: U  T  Tw  W  

Combinando estas dos ecuaciones resulta:

W

hc k  Xc  X *   T  Tw 

 k  Xc  X *   hc Ls  Xc  X 1     

Y de acuerdo con esta expresión el tiempo de secado será:

 

e)

S  Xc  X f

A T  Tw 

  1  Z  X

 X f    X c  X 1  

s

 hc

c

Ecuación del Tiempo de secado

El tiempo de secado depende del material y debe ser determinado separadamente para el primer y segundo periodo de secado.

Esta ecuación puede recomendarse para obtener el tiempo de secado X2

−m dX ∫ dt= A s ∫ w D 0 X t

1

Dónde: X1 y X2 representan el contenido de humedad desde el tiempo 0 al tiempo t respectivamente. El tiempo total de proceso de secado resulta de la suma tomada en ambos periodos de secado. θ=θ C +θ PC f)

Ecuación de la velocidad por transferencia de calor

Relacionando la velocidad de secado con la transferencia de calor, despreciando el calor necesario para sobrecalentar la humedad evaporada y considerando solo el calor latente de vaporización el régimen de evaporación de la humedad queda expresado en la siguiente ecuación:

N C=

q λs Dónde: NC = Velocidad de secado q = Flujo calórico total λS = Calor latente de vaporización en la superficie de secado

g)

Ecuaciones de Flujo calórico de transferencia de calor en el secado.

La superficie de secado puede recibir calor desde varias fuentes: -

Por convección

-

Por conducción

-

Por radiación

Siendo el flujo total de calor que llega a la superficie del solido la suma de las distintas fuentes de calor q =q c + qk + q R -

Ecuación del flujo calórico por convección(qc)

q c =hc (T G−T S ) Dónde: hC = Coeficiente de transferencia de calor por convección TG = Temperatura del gas Ts = Temperatura de la superficie del solido Para evaluar el coeficiente de transferencia de calor por convección tenemos las siguientes relaciones.

Flujo paralelo a la superficie del solido hc =0.0128× G 0.8

BTU pie −h−° F

hc =0.0204 ×G0.8

W m −° K

2

2

Flujo perpendicular a la superficie del solido hc =0.37× G

0.37

hc =1.17 × G

0.37

-

BTU pie −h−° F 2

W m −° K ...