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TRABAJO PRACTICO DE SECADO ...

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Universidad Nacional de Misiones Facultad de Ciencias Exactas Químicas y Naturales Operaciones de transferencia de masa y energía Operaiones de transferencia de masa

Trabajo Práctico

Secado

Año 2020

Operaciones de Transferencia de Masa y Energía – IQ Operaciones de Transferencia de Masa IA FCEQyN – UnaM 2020

Trabajo Práctico: Secado en Condiciones Constantes Objetivos del práctico  Identificar las variables de proceso.  Calcular la variación de la humedad del sólido a partir de medidas gravimétricas.  Graficar los resultados a efectos de analizar la cinética de remoción de agua  Evaluar la variación de la velocidad de secado  Calcular el coeficiente de difusión  Analizar el efecto de la temperatura sobre el coeficiente de difusión. La guía primeramente desarrolla una breve introducción teórica al tema secado, luego describe el procedimiento para obtener la cinética y la velocidad de secado en condiciones constantes por lotes. Por último se dan los lineamientos para la presentación de un informe en forma escrita a partir de una base de datos. Introducción al tema El secado es una operación en el cual un sólido pierde agua al ponerse en contacto con una fuente de calor y, generalmente, una corriente de gas seco. La fuente de calor puede ser: 1) aire caliente (el más utilizado) obtenido de diferentes formas: calentando en forma indirecta con vapor, gases o resistencias eléctricas o mezclando el aire con gases de combustión; 2) radiación, ya sea la solar o generada; 3) calentamiento dieléctrico; 4) vapor sobrecalentado; 5) por contacto con una superficie sólida caliente; etc. Es uno de los métodos más antiguos de la conservación de alimentos, basado en la , Al reducir el contenido de agua en los alimentos a un nivel muy bajo, . De esta manera decrece se elimina la posibilidad de deterioro biológico y se reducen apreciablemente las velocidades de otros mecanismos de deterioro. Además se reduce el peso y volumen del sólido, facilitando limitando los costos de envasado, transporte y almacenamiento. Asimismo el secado permite obtener productos industriales de uso masivo como jabón y papel, numerosos químicos como sorbato de potasio, materiales secos de construcción, madera, entre otros. Una desventaja importante de esta operación es que modifica la calidad respecto al producto original y en muy pocos casos es posible rehidratar y obtener un producto muy similar al original. El secado en condiciones constantes de un material, como la experiencia que se llevará a cabo en planta piloto o laboratorio. Se realizan con el objeto de estudiar los mecanismos controlantes en el secado del mismo. Condiciones constantes significa que las condiciones del aire no varían durante el secado. Las experiencias en la práctica se llevan a cabo generalmente utilizando un secadero tipo cabina con flujo de aire cruzado o tangencial, a temperatura constante. Se coloca un producto en una bandeja o canasta previamente pesada. Se determina la pérdida de peso en períodos de tiempo generalmente iguales.

Fuente dibujo: https://www.redalyc.o rg/pdf/496/496204140 27.pdf

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El producto se pesa inicialmente y luego a intervalos de tiempo constante, de acuerdo a la duración de la experiencia, basados en el conocimiento de la humedad de equilibrio (Xe). Por otra parte, si no se conoce este último parámetro, se puede secar el mismo hasta pesada constante, con ello se asegura que el producto ha alcanzado valores cercanos a la humedad de equilibrio a la temperatura de estudio. Al final de la experiencia, se determina el contenido de humedad del producto (X, que si se llega hasta el punto de pesada constante será Xe). Con este dato de humedad, se puede conocer el peso del sólido seco (Pss), valor que es invariable en toda la experiencia de secado, es la cantidad de producto libre de agua. La humedad para estas experiencias se determina en base seca, es decir, Xbs o X [kg agua/kg sólido seco]. De esta manera se obtienen tablas de pérdida de masa (agua) en función del tiempo. Con los datos de variación de humedad en función del tiempo de secado, se grafica la curva denominada cinética de secado. Además conociendo valores de humedad, se puede graficar la curva de velocidad de secado en función de la humedad del producto. A) Determinación de la Cinética y Velocidad de secado Materiales Necesarios: 1. Pasta celulósica, Aserrín de madera, frutas, verduras (Cebollita, Perejil. Zanahorias, etc) (Apróx. 150200 g). 2. Un canasto de tela metálica, liviano, de aproximadamente 15 x 25 cm o similar para secado en flujo cruzado o una bandeja para secado en flujo tangencial. 3. Un secadero con aire caliente, con velocidad de aire y temperatura regulable. 4. Un termómetro para determinar las condiciones del aire dentro del secadero. 5. Una balanza de precisión 0,02 g. 6. Secadero en condiciones constantes de velocidad (15 - 2 m/s aproximadamente) y temperatura (70ºC, de existir 2 ó más grupos de trabajo, elegir a 50 ºC, 60ºC ú 80 ºC, por ejemplo). 7. El secadero debe estar acondicionado y funcionando en estado estable desde el inicio de la experiencia. 8. Un anotador 9. Un cronómetro o reloj para establecer los intervalos de pasado. Procedimiento 1. Pesar la bandeja o el canasto vacio, anotar el peso del canasto. 2. Si se va a trabajar con un material de superficie medible, tal como pasta celulósica, Determinar el área de la bandeja que estará expuesta al flujo de aire (en caso de secado tangencial de materiales homogéneos, para determinar el área ). 3. Acondicionar el material a secar : a. Acondicionar el material. Se puede seccionar las verduras tales como perejil, cebollita, puerros, en cortes de 35-50 mm aproximadamente. Asi mismo en el caso de zanahorias, berenjenas, etc en cortes de espesor uniforme de 5-7 mm aproximadamente. En caso de pastas, lodos, madera, etc deberá ser de un espesor menor a 10 mm, por cuestiones de tiempo de secado). b. Colocar el material en el canasto o bandeja el material a secar. c. Determinar el peso de la bandeja con el material dentro ( esto será eñ peso del solido húmedo a tiempo cero 0, Psh (to)). 4. Verificar las condiciones constantes del aire (Temperatura, Velocidad) dentro del secadero ( Secar a 70 °C) 5. Colocar el recipiente dentro del túnel o cabina de secado. Poner un cronometro o registro horario de pesadas. Si la balanza está fuera del secadero, sacar la bandeja o canasto, pesar y volver a colocar en el secadero en un corto lapso de tiempo. Registrar el peso. 6. Determinar y registrar en una tabla similar a la que sigue abajo (Tabla 2) los pesos de la canasta con el material, a intervalos de tiempo constantes (generalmente para estas experiencias cada 10 minutos), al

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menos durante 60 a 90 minutos. En la práctica, para un producto que no se conoce la humedad de equilibrio Xe, la experiencia se realiza hasta alcanzar el peso constante, esto, de acuerdo a la temperatura de trabajo y el tipo de material puede variar desde minutos hasta varias horas.

Tiempo (min) 0 10 20 30 40 50 … n

Peso Bruto de la Canasta + Solido hum PB0 PB1 PB2 ¨PB3

PBn

Peso neto del sólido húmedo Psh0 Psh1 Psh2 Psh3 Psh4 Psh5

Contenido de humedad en base seca X(bs) g agua/g ss

X medio

Velocidad de Secado (N)

Pshn

7. Luego de la última pesada, (Pshn) a tiempo n, se divide el material de ser posible en tres partes iguales para determinar el contenido de humedad final del producto. (VER EL ITEM B para determinación del contenido de humedad). 8. Con el Contenido de Humedad final expresado en base seca Xn, se podrá conocer el valor de peso de Sólido Seco (Pss), cuyo valor permanece inalterable durante toda la experiencia.

Pss  Peso de la Canasta(g) Sólido Pshúmedo tiempo 0

Pshn gsólidosec o 1 Xnbs

PSHN= peso del solido húmedo al final de la experiencia

Húmedo (to) (g) a

Xn = Humedad en base seca del material luego de la última pesada, y de acuerdo al ítem B).

Pss (g)

9. Procesar los datos para encontrar el peso neto, la curva cinética, la velocidad de secado (N) y el contenido medio de humedad. Con el Pss, se podrán determinar las humedades Xi en todos los puntos, sabiendo que para cualquier peso húmedo PSHi

Xi 

(Pshi  Pss ) gagua / gs seco  Pss

Así la tabla de pesos y humedades quedará completa

Tiempo (min) 0 10 20

Peso del sólido húmedo Psh0 Psh1 Psh2

Contenido de humedad en base seca X(bs) g agua/g X medio ss Xo X1 X2

Velocidad de Secado (N)

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30 Psh3 X3 40 Psh4 X4 50 Psh5 X5 … … n Pshn Xn Con estos datos se podrá graficar la cinética de secado del producto a la temperatura de estudio, se obtienen gráficos similares al siguiente:

De igual manera se podrá determinar la velocidad e secado del producto (N). ya que deben conocerse dos puntos, la misma será una valor estimado entre dos valores de humedad Xi e Xi+1. Así, el cálculo de la humedad media y velocidad de secado

( X  X i 1) Xbs (medio)  i 2 N 

 SS ( X i  X i 1 ) gagua / m 2 * min A * (ti  ti 1 )





Asi finalmente se obtendrá una tabla completa de datos de Velocidad de secado en función del contenido de humedad. Contenido de humedad en base Velocidad seca X(bs) g agua/g Tiempo de Secado ss (min) X medio (N) 0 Xo Xm1=(X0+X1)/2 N1 10 X1 Xm2=(X1+X2)/2 N2 20 X2 Xm3 N3 30 X3 Xm4 N4 40 X4 Xm5 N5 50 X5 … … … Xmn Nn n Pshn Xn Los gráficos en la práctica para la mayoría de los alimentos como vegetales, hortalizas y otros, no se suele apreciar el período de velocidad constante, obteniéndose curvas de velocidad como las siguientes. Peso del sólido húmedo Psh0 Psh1 Psh2 Psh3 Psh4 Psh5

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B) Determinación del contenido de humedad por método gravimétrico para conocer Pss Para conocer la humedad del producto en cualquier instante, se determina previamente el contenido de humedad del producto mediante el método de pérdida de masa en estufa a 103 ± 2°C durante 6 horas utilizando una balanza analítica de precisión 0,0001 g para determinar el peso de las muestras antes y después de ser llevadas a estufa. Materiales Necesarios 1. Pesafiltros metálicos con tapa debidamente rotulados. (3 PF por cada material, para determinaciones por triplicado) 2. Balanza analítica de precisión. 3. Frutas o verduras/ Pasta celulósica: Manzanas, Perejil, Cebollita de Verdeo, Pasta alimenticia. 4. Estufa regulada a 103 ± 2 °C. Procedimiento 1. Colocar pesafiltros (para mediciones por triplicado) lavados y limpios en la estufa a 103 ± 2°C durante 20 minutos. 2. Sacar los pesafiltros y colocar en un desecador hasta que alcancen temperatura ambiente. 3. Encender la Balanza analítica y observar si se encuentra a nivel (observar el nivel de agua). 4. Elaborar una tabla similar a la que figura abajo (Tabla 1). Tabla 1: Datos utilizados en la determinación del contenido de humedad Muestra Producto 1

Rótulo 01 02 03

Peso PF

PF+MH

PF+MS

X bs

X bs med ________

5. Pesar el pesafiltro vacío y tapado. 6. Colocar la muestra a secar (aproximadamente 5 g). 7. Pesar el pesafiltro tapado con la muestra (PF+MH). 8. Repetir el procedimiento para cada muestra. 9. Llevar a las estufa y colocar los PF cargados destapados durante 6 horas a 103±2°C. 10. Sacar los pesafiltros y colocarlos en el desecador tapado hasta que alcancen temperatura ambiente (15-20 min. apróx). 11. Pesar los pesafiltros tapados con la muestra seca ( PF +MS)

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12.

Determinar el contenido de humedad en base seca. Xbs= (PFMH-PFMS)/(PFMS-PPF) [g agua/g sólido seco]

Con este valor se conoce el peso del sólido seco (Pss) utilizado para determinar la humedad en cualquier instante y la velocidad de secado N.

Pss 

Psh gs sec o 1 X

Es posible graficar curvas de secado a diferentes temperaturas, tal como muestra la figura

Cálculo del Coeficiente de Difusividad Efectiva y Energía de Activación Para el cálculo del coeficiente de difusividad efectiva, se podría utilizar una la solución analítica de la segunda Ley de Fick, la cual resulta adecuada para fenómenos difusivos durante la transferencia de masa en el sólido durante el secado hasta alcanzar el equilibrio, por ejemplo, para una placa infinita donde la transferencia de masa es unidimensional y los tiempos de secado son largos, la expresión matemática del modelo se puede escribir como:

(Ec .1) Donde: Deff es el coeficiente de difusividad efectiva (m/s2) y L0 es el semiespesor de la capa a secar (m). Deff es determinado a través de la gráfica de los datos experimentales de ln(MR) versus tiempo, a través de la pendiente _

En general, la influencia de la temperatura de secado sobre el coeficiente de difusividad efectiva del agua en los alimentos sigue una tendencia tipo Arrhenius, la relación descrita por la ecuación que está abajo y al representar el ln Deff vs 1/T se obtiene una línea recta de cuya pendiente se obtiene la Ea y de la ordenada al origen se obtiene el factor de Arrhenius (Do).

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Donde: Do es el factor de Arrhenius, R es la constante universal de los gases y T es la temperatura absoluta (K). Sin embargo, en los casos donde no es posible aplicar la ley de Fick, debido a la geometría irregular y se recurre a la aplicación de otros modelos, se pueden ajustar de la misma manera las constantes de modelo a expresiones con relación a la Ecuación de Arrhenius, por ejemplo si se ajusta al modelo de Page, se podrá describir de la siguiente manera.

MR  exp(-k.t n ) Donde entonces la expresión tipo Arrhenius se podrá ajustar de la siguiente manera

k k 0 . exp( E a / RT ) Siendo las constantes k una aproximación que puede describir las características de la difusividad.

Fuente: https://doi.org/10.1590/S141543662012000600013

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Actividad para desarrollar en grupos. ARMEN comisiones de hasta 3 estudiantes los cuales tendrán asignados una base de datos al momento que nos envíen la conformación del grupo (envíen el correo y mandamos la base de datos). La base de datos son experiencias prácticas realizadas en la planta piloto de la Facultad para diferentes productos a tres temperaturas. A partir de los datos

1. Completar la tabla de humedad en función del tiempo, velocidad de secado y humedad media. 2. Obtener las curvas de cinética de secado a partir de los datos pesados para las tres temperaturas. 3. Obtener las curvas de velocidad de secado en función de la humedad promedio para cada experiencia. 4. Determinar el Deff con la Ec 1. 5. Determinar la relación del Deff con la temperatura de acuerdo a la expresión de Arrhenius. ¿Puede describirse la constante de velocidad en función de la Temperatura para este modelo? 6. Realizar un comentario respecto al trabajo realizado y describa sus apreciaciones. Se deberá presentar un informe escrito, consistente con la teoría desarrollada y como límite las 15 horas del día Viernes 21 de Agosto de 2020, que será enviado como tarea al aula virtual MOODLE o es su defecto enviado al correo electrónico de la asignatura [email protected]

Bibliografía consultada.  Operaciones Unitarias en la Ingeniería de Alimentos. A. Ibarz, G.V. Barbosa – Cánovas. Colección Tecnología de Alimentos. Ediciones Mundi –Prensa. ISBN: 84-8476-163-0. España, 2005. 

Treybal, Robert E. 2 ed. Operaciones de transferencia de masa, McGraw-Hill, 1980.

 Vázquez Chávez L a,*, Vizcarra Mendoza MG b y Villagómez Moreno A, MODELO MATEMATICO SEMIEMPIRICO CINÉTICA DE SECADO DE TRIGO (Triticum aestivum). http://www.fcb.uanl.mx/IDCyTA/files/volume1/2/1/17.pdf  J.G. Salcedo-Mendoza∗ , K. Contreras-Lozano, A. Garc´ıa-Lopez y A. Fernandez-Quintero. MODELADO DE LA CINÉTICA DE SECADO DEL AFRECHO DE YUCA (Manihot esculenta Crantz) Revista Mexicana de Ingeniería Química, vol. 15, núm. 3, 2016, pp. 883-891 Universidad Autónoma Metropolitana Unidad Iztapalapa Distrito Federal, México. https://www.redalyc.org/pdf/620/62048168018.pdf 

Antonio A. Vega y Roberto A. Lemus, Modelado de la Cinética de Secado de la Papaya Chilena (Vasconcellea pubescens). Información Tecnológica-Vol. 17 N°3-2006, pág.: 23-31 http://dx.doi.org/10.4067/S0718-07642006000300005.

 Chaves, María G., and Avanza J. R. 2006. Evaluación de pretratamientos en el secado convectivo de berenjenas. Comunicaciones Científicas y Tecnológicas. UNNE....