secado por lotes - vf

8/16/2019 Secado Por Lotes - Vf

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UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR

DEPARTAMENTO DE TERMODINÁMICA Y FENÓMENOS DE TRANSFERENCIA

LABORATORIO DE INGENIERÍA QUÍMICA

SECADO POR LOTES: SECADOR DE BANDEJAS

Por:

Barreto, José. Carnet: 09-10082

López, Nayarith. Carnet: 11-10535

Sartenejas, 28 de Abril 2016


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UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR

DEPARTAMENTO DE TERMODINÁMICA Y FENÓMENOS DE TRANSFERENCIA

LABORATORIO DE INGENIERÍA QUÍMICA

SECADO POR LOTES: SECADOR DE BANDEJAS

Presentado por: Barreto, José y López NayarithRealizado con la asesoría de: Prof. Francisco Arráez

RESUMEN

En el presente informe se muestran los resultados obtenidos luego de estudiar el proceso desecado discontinuo en un secador de bandejas por lotes para un sistema arena-agua. En el procedimiento se utilizó 0,6004 kg de arena distribuida uniformemente en tres bandejasmetálicas, a las cuales se le agrego 20% su peso en agua. Como medio de secado se empleó unacorriente de aire caliente y se midió temperatura y humedad a la entrada y salida del túnel desecado a medida que el sistema perdía cierta cantidad de masa. Luego del procesamiento de losdatos experimentales, se obtuvo la curva de secado del sistema en cuestión en la que se observóque a medida que el tiempo transcurre, la humedad en el sólido va disminuyendo. De la mismamanera, se obtuvo la curva de rapidez de secado del mismo, acá se pudo identificar 3 zonasdiferentes de forma clara, a saber: la zona de inestabilidad, la zona de velocidad constante y la develocidad decreciente. Finalmente se determinaron los coeficientes que rigen la transferencia decalor por convección y la transferencia de masa en el proceso de secado.

Palabras clave: Secado por Lotes, Transferencia de Masa, Secador de Bandejas, Transferencia deCalor.


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ÍNDICE GENERAL

CAPITULO I ................................................................................................................................... 5

INTRODUCCIÓN ........................................................................................................................... 5

1.1. Importancia ....................................................................................................................... 5

1.2. Objetivos ........................................................................................................................... 5

1.2.1. Objetivo General ........................................................................................................... 5

1.2.2. Objetivos Específicos ................................................................................................... 6

CAPITULO II .................................................................................................................................. 7

MARCO TEÓRICO ........................................................................................................................ 7

2.1. Definición de Secado ........................................................................................................ 7

2.2. Tipos de Secado ................................................................................................................ 7

2.3. Secado por Lotes ............................................................................................................... 8

2.4. Fundamentos del Secado .................................................................................................. 8

2.5. Velocidad de Secado ....................................................................................................... 10

CAPITULO III .............................................................................................................................. 15

METODOLOGÍA EXPERIMENTAL .......................................................................................... 15

3.1. Materiales ........................................................................................................................ 15

3.2. Condiciones de Operación y preparación de la muestra ................................................. 16

3.3. Procedimiento ................................................................................................................. 16

CAPÍTULO IV .............................................................................................................................. 17

RESULTADOS Y DISCUSIÓN ................................................................................................... 17

CONCLUSIONES ......................................................................................................................... 22

RECOMENDACIONES ............................................................................................................... 22

BIBLIOGRAFÍA ........................................................................................................................... 23

ANEXOS ....................................................................................................................................... 24


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A. Datos Experimentales ..................................................................................................... 24

B. Resultados Experimentales ............................................................................................. 27

C. Cálculo Típico ................................................................................................................. 29


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CAPÍTULO I

INTRODUCCIÓN

1.1.

Importancia

El secado de sólidos es una operación unitaria que consiste en la separación de pequeñas

cantidades de agua u otro material liquido en un material sólido con el fin de reducir el valor

residual de la humedad. (Maldonado, 2016). En otras palabras, la característica principal del

secado es poder eliminar un líquido por la conversión de vapor del mismo que se encuentra en un

sólido.

En la práctica, la energía necesaria para evaporar este líquido es suministrada en forma de

calor, ya sea, por trabajo mecánico, campos de radio frecuencia o reacciones químicas. La

transferencia de calor predominante en el secado es la convección, sin embargo, también está

presente la conducción y la radiación, pero rara vez son estos mecanismos los que rigen la

transferencia (McCabe, 2001).

La aplicación del secado es de vital importancia, puesto que es utilizado como una operación

para garantizar la calidad de un producto deshidratado y que además, sea viable desde el punto

de vista económico; es por ello que se requiere de un estudio previo que permita determinar las

condiciones y parámetros a tener en cuenta para garantizarlo.

Actualmente, el secado con aire es una de las operaciones unitarias más utilizada en la

industria agrícola y alimentaria, tanto por la cantidad por como la diversidad de productos

tratados (Sanchez & Carraza, 2002). En este orden de ideas se ha conocido las ventajas de los

alimentos deshidratados, puesto que al reducir el contenido de humedad en los mismos, se

previene el crecimiento de microorganismos y se minimizan las reacciones que lo deterioran.

(Doymaz, 2003).

1.2. Objetivos

1.2.1. Objetivo General

Estudiar el secado discontinuo en un secador de bandejas de un sistema arena-agua.


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1.2.2. Objetivos Específicos

Estudiar con detalle el funcionamiento y comportamiento de un secador de bandejas.

Observar y discutir el comportamiento de la gráfica de velocidad de secado en función

de la reducción de la humedad en el sólido.

Obtener la curva de secado del sistema aire-arena.

Calcular el coeficiente de transferencia de calor y de transferencia de masa por

convección del sistema estudiado.


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CAPÍTULO II

MARCO TEÓRICO

2.1.

Definición de Secado

El término secado se refiere a la eliminación de humedad en una sustancia (Treybal, 1988), en

otras palabras, el secado de sólidos consiste en separar pequeñas cantidades de agua u otro

componente líquido de un material sólido con el fin de reducir el contenido de líquido residual

hasta un valor considerablemente bajo (McCabe, 2001). En general el secado es la etapa final de

una serie de operaciones.

Aunque el agua puede separarse de los sólidos de manera mecánica usando filtros prensas,

centrifugas o por evaporación, en este trabajo se dará un enfoque especial al secado por

vaporización térmica.

2.2. Tipos de Secado

Las operaciones de secado pueden clasificarse ya sean por lotes o continuas (Treybal, 1988);

estas últimas a su vez se pueden reclasificarse de acuerdo con el material que se desee secar. En

el secado continuo tanto el material a secar como el gas pasan continuamente a través delequipo, caso contrario al secado por lotes en donde el material a secar se expone a una corriente

continua de gas, el cual permite que se dé la evaporación de la humedad presente en mismo, por

general este tipo de secado se le llama semi-continuo.

Si se desea delinear las teorías y métodos de diseño para el secado la siguiente clasificación es

de bastante utilidad:

Por método de operación: por lotes o contínuo (tal como se expresó anteriormente).

Por método de obtención de la energía: acá se toma en cuenta el calor necesario para la

evaporación de la humedad en el material. Pueden ser directos, donde el calor se obtiene

por el contacto directo de la sustancia con el gas caliente el cual tiene lugar la

evaporación. O indirectos, el cual el calor se obtiene independientemente del gas que es

utilizado para eliminar la humedad. (Treybal, 1988).


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8

Por la naturaleza del material a secar : la sustancia puede ser un sólido rígido, flexible,

granular o frágil.

2.3.

Secado por Lotes

A pesar que el secado por lotes o semi-continuo es costoso para las necesidades de la industria,

es frecuentemente utilizado a nivel de laboratorio para realizar estudios de investigación que

permitan predecir algunas características de secado a materiales donde se desee preservar su

integridad. (Sanchez & Carraza, 2002)

Para la construcción de este tipo de secadores se toma en cuenta la naturaleza del material a

secar; comúnmente a nivel de planta piloto se tratan a estos; como secadores de platos o

bandejas, ya que el sólido a secar está colocado sobre una. Estos constan de una especie degabinete que contendrá los platos, y una vez cerrado dicho gabinete se introduce aire caliente

que estará en contacto con el sólido, y de esta forma se dará la evaporación del humedad

presente en el mismo (Treybal, 1988). El fenómeno de transferencia de calor predomínate en este

tipo de secado es el de conducción.

En este tipo de secadores los sólidos se esparcen sobre una superficie horizontal (bandeja)

estacionaria o que se desplaza lentamente se “cuecen” hasta que se secan. La superficie se

calienta eléctricamente o mediante un fluido de transferencia de calor, tal como se observa en laFigura 2.1.

Figura 2.1. Representación del fluido de transferencia de calor sobre el sólido. (McCabe, 2001)

2.4. Fundamentos del Secado

El secado visto como una operación de transferencia de masa de contacto gas-sólido, en donde

la humedad contenida en el sólido se transfiere por evaporación hacia la fase gaseosa, en base a


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la diferencia entre la presión de vapor ejercida por el sólido húmedo y la presión parcial de vapor

de la corriente gaseosa. Cuando estas dos presiones se igualan, se dice que el sólido y el gas

están en equilibrio y el proceso de secado cesa (Bouza, 2007).

Para que este proceso alcance un equilibrio se deben cumplir los siguientes lineamientos:

Si el tiempo de secado es suficiente, se puede alcanzar la humedad de equilibrio.

Si la presión de saturación del agua a la temperatura del sólido es mayor que la presión

del agua a las condiciones de operación, la humedad en exceso se evapora.

Si la presión de saturación del agua a la temperatura del sólido es igual a la presión del

agua a las condiciones de operación, hay equilibrio, ni se libera ni se absorbe humedad.

Si la presión de saturación del agua a la temperatura del sólido es menor que la presión

del agua a las condiciones de operación, se transfiere humedad al sólido.

En este orden de ideas se pueden definir los diferentes tipos de humedades relacionadas con el

secado (Bouza, 2007), las cuales se expresan gráficamente en la Figura 2.2.

2.4.1. Humedad base seca

= ó . 2.4.2. Humedad base húmeda

= ó+ . 2.4.3. Humedad de equilibrio (x * )

Es la humedad del sólido cuando su presión de vapor se iguala a la presión de vapor del gas. Es

decir, la humedad del sólido cuando está en equilibrio con el gas.


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10

2.4.4. Humedad libre: (x-x * )

Es la humedad que está en exceso con relación a la humedad de equilibrio. Es ésta la humedad

que se puede evaporar y depende de la concentración de vapor en la corriente gaseosa.

2.4.5. Humedad ligada:

Es conocida también como humedad ligada o humedad interna, en la cual la velocidad de

secado no es constante.

2.4.6. Humedad no ligada:

Conocida también como humedad desligada o humedad superficial, en la cual la velocidad desecado es constante, por lo cual será el fenómeno que se dé mucho más rápido en el proceso de

secado.

Figura 2.2. Tipos de Humedad (Treybal, 1988)

2.5. Velocidad de Secado

A medida que transcurre el tiempo, en un secador por lotes el contenido de humedad en el

sólido disminuye de acuerdo a la Figura 2.3, luego de un corto periodo, durante el cual se

calienta el material a secar hasta la temperatura de vaporización, la representación gráfica se


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hace lineal, después se curva hacia el eje de las abscisas y al final se hace horizontal. La

velocidad de secado, que es derivada de la curva A, se representa por la curva B; para un periodo

considerable, la velocidad es constante o disminuye ligeramente. Este tiempo a menudo se

conoce como periodo de velocidad constante, aun cuando la velocidad de secado disminuya algo.

Después viene el periodo de velocidad decreciente, en el que la velocidad de secado tal vezdisminuya de modo lineal con él, dependiendo de la naturaleza del sólido y el mecanismo del

flujo de la humedad interna. (McCabe, 2001).

Figura 2.3. Variación del contenido de humedad y de la velocidad de secado contra el tiempo de

secado. (McCabe, 2001)

En general las mediciones de la rapidez del secado por lotes son fáciles de hacer y suministran

mucha información para el conocimiento del mecanismo de secado, entre estas se tienen:

2.5.1.

Curva de secado.

A partir de los datos obtenidos durante la experiencia de secado, se puede graficar una curva

del contenido de humedad en función del tiempo, tal como se señaló en el apartado anterior. Y

esta es directamente útil para predecir el tiempo estimado de secado de un sólido. Si esto datos se

transforman en rapidez de secado, expresado como masa por unidad de área y tiempo, y se

graficasen en función de la humedad base seca, el resultado será una gráfica como la mostrada en

la Figura 2.4, en cual se diferencian las siguientes zonas de secado:


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(A-B) Zona Inestable: Es una etapa de calentamiento (o enfriamiento) inicial del sólido

normalmente de poca duración en la cual la evaporación no es significativa por su

intensidad ni por su cantidad. En esta etapa el sólido se calienta desde la temperatura

ambiente hasta que se alcance el equilibrio entre el enfriamiento por evaporación y la

absorción de calor de los gases. Este equilibrio se alcanza a la temperatura de bulbohúmedo del gas. (Bouza, 2007).

(B-C) Periodo de Velocidad Constante: Es el llamado primer período de secado o

período de velocidad de secado constante; donde se evapora la humedad no ligada del

material y predominan las condiciones externas. En este período el sólido tiene un

comportamiento no higroscópico. La velocidad de secado se mantiene constante si el gas

tiene un estado estacionario y en general depende solo de las propiedades y velocidad del

mismo. (Bouza, 2007) (C-D) Periodo de Velocidad Decreciente: Es el segundo período de secado o período de

velocidad de secado decreciente; donde se evapora la humedad ligada del material y

predominan las condiciones internas o las características internas y externas

simultáneamente. En estas condiciones el sólido tiene un comportamiento higroscópico.

(Bouza, 2007)

(D-E) Zona de Control de Difusión: la dif usión es característica de los materiales que

secan lentamente. La r esistencia a la tr ansf er encia de masa de va por de agua desde la

superficie del sólido hasta el air e es en gener al des precia ble, y la dif usión en el sólido

controla la velocidad glo bal de secado. Por tanto, el contenido de humedad en la

super f icie es muy pr óximo al valor de equilibrio. (McCabe, 2001).


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Figura 2.4. Curva de Velocidades de Secado. (Treybal, 1988)

2.5.2. Coeficiente de transferencia de calor

Si ahora bien se supone que la temperatura del gas a las condiciones de operación es igual a la

temperatura del bulbo húmedo, las ecuaciones de transferencia de calor se simplifican, y se

evidencia que la velocidad de secado depende directamente del coeficiente de transferencia de

masa que se relaciona como la Ecuación 2.3 sugiere: (Bouza, 2007)

ℎ ∗ ∗ = ∗ .

Así también el coeficiente convectivo también se puede estimar a partir del flujo de aire, el cualse considera paralelo a la superficie a secar:

ℎ=0.0135∗.8 2.4


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14

2.5.3. Coeficiente de transferencia de masa

Si un sólido se encuentra inicialmente muy húmedo, la superficie estará cubierta con una

delgada película de líquido, que se supondrá como humedad total no ligada. Cuando se expone a

aire relativamente seco, la evaporación tendrá lugar desde la superficie. La rapidez a la cual se

evapora la humedad puede describirse en función de ky, un coeficiente de transferencia de masa

del gas y de la diferencia de humedad entre el gas en la superficie líquida Y, y en la corriente

principal Y. Entonces, para el secado por circulación tangencial conforme a la Ecuación 2.5:

(Treybal, 1988).

= − .


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CAPÍTULO III

METODOLOGÍA EXPERIMENTAL

3.1.

Materiales

Para la realización de esta práctica se contó con un secador de bandejas como el mostrado en la

Figura 3.1, el cual está constituido por las siguientes partes:

Ventilador de flujo tipo axial en el extremo izquierdo.

Resistencia eléctrica de potencia variable.

Panel de Control (PC)

Túnel de secado de sección transversal de 30.45X30.45 cm (TS).

Dos psicómetros (P-1 Y P-2).

Balanza Digital (B).

Cámara de soporte de bandejas (SB).

Generador de corriente (G).

Además del secador, se contó con 3 bandejas de metal de área 0,3055 x 0,2830 m, un

anemómetro marca TRACEABLE©, un cronometro, un metro, dispersor de agua destilada y

arena.

Figura 3.1. Secador de Bandejas para la práctica Secado por Lotes


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3.2. Condiciones de Operación y preparación de la muestra

Las condiciones de operación fue el uso de 0,200 kg de arena seca para cada una de las 3

bandejas a utilizar, con un porcentaje de humedad equivalente al 20%.

3.3. Procedimiento

Inicialmente se introdujeron las bandejas en el soporte del secador y se registraron las medidas

del tiempo y la temperatura y humedad relativa a la entrada y salida del túnel de secado cada vez

que la masa del sistema disminuía 0,002 kg. Cuando la masa del sistema se tomara más de 4

minutos en disminuir, los datos mencionados anteriormente se registraban entonces en función

del tiempo (4 minutos) hasta lograr eliminar el 99,9% del agua retenida en el sólido.

De igual forma se tomaron medidas de la velocidad del aire en 16 posiciones diferentesseñaladas en la Figura 3.2, cada 10 minutos. Los valores de los mismos se encuentran reportados

en la sección de Anexos del presente informe.

Figura 3.2. Posiciones para la medición de la velocidad del aire en el túnel de secado


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CAPÍTULO IV

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Una vez procesados los datos obtenidos en la fase experimental se obtuvieron diversos parámetros que permitieron analizar el comportamiento del secado del sólido que se encontraba

dispuesto en el secador de bandejas.

Uno de estos parámetros fue la humedad del sólido al transcurrir el tiempo en la

experimentación. En la Figura 4.1 se puede observar la curva de secado de la arena.

Figura 4.1. Curva de secado de la arena en el secador de bandejas

En la curva de secado, se observa una clara disminución de la humedad que inicialmente se

encontraba en el sólido al transcurrir el tiempo de exposición en la cámara de secado, luego esta

se estabiliza eventualmente.

Para los tiempos iniciales (entre 0 y 4000 s aproximadamente) la reducción del agua se debe a

la evaporación de la misma, gracias a la acción de la corriente de aire caliente que circula sobre

la superficie de las bandejas. La transferencia de calor por convección, es uno de los factores que

influye altamente en este hecho (Perry et al., 1999), debido al diferencial de temperatura

existente entre la arena y el aire. Así mismo, la diferencia entre la presión de vapor ejercida por

0,00

0,02

0,04

0,06

0,08

0,10

0,12

0,14

0,16

0,18

0,20

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000

X [ k g_

a g u a / k g_

s o l i d o ]

Tiempo [s]


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el sólido húmedo y la presión parcial de vapor del aire permite que haya una transferencia de

masa en el sistema y por lo tanto la humedad libre (o en exceso) se evapora.

Sin embargo, luego de transcurridos los primeros 3500 s, la disminución de la cantidad de agua

se da lentamente ya que la mayor parte de la humedad que una vez estuvo contenida en el

sistema fue transferida de la fase sólida hacia la corriente de aire y además, va disminuyendo

poco a poco la diferencia entre la presión de vapor del sólido y la presión parcial de vapor de la

corriente gaseosa.

La humedad del sistema se estabiliza en 0,001 kg_agua/kg_sólido para tiempos mayores a

6000 s debido a que este momento el diferencial de presión antes mencionado se hace cero, este

valor es el conocido como “Humedad de Equilibrio” del sistema. Si bien, aun la arena contiene

una mínima cantidad de agua no hay una fuerza impulsora tal para que se continúe dando la

transferencia de masa.

La curva de secado del sistema arena-aire es útil para determinar el tiempo necesario para secar

grandes lotes de arena en las mismas condiciones de secado (Treybal, 1988).

Por otra parte, la rapidez de secado es importante estudiarla en este tipo de experiencias, es por

ello que en la Figura 4.2 se muestra una gráfica de este parámetro respecto a la humedad en base

seca contenida en el sistema.

Figura 4.2. Rapidez de secado de la arena en el secador de bandejas

0,000000,00005

0,00010

0,00015

0,00020

0,00025

0,00030

0,00035

0,00 0,05 0,10 0,15 0,20

N [ k g_

e v a p / s . m

2 ]

X [kg_agua/kg_arena]


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19

0,000000,00005

0,00010

0,00015

0,00020

0,00025

0,00030

0,00035

0,00 0,05 0,10 0,15 0,20

N [ k g_

e v a p / s . m

2 ]

X [kg_agua/kg_arena]

Es de esperarse que se observen en la curva de rapidez de secado diferentes zonas que resultan

del comportamiento del sistema ante las condiciones en un instante dado. En la curva obtenida

experimentalmente se pueden diferenciar 3 regiones, especificadas a continuación en la Figura

4.3.

Figura 4.2. Identificación de las zonas en la rapidez de secado de la arena

La región A-B representa la etapa inicial del secado, en el que la arena húmeda se calienta

rápidamente desde la temperatura ambiente hasta alcanzar la temperatura necesaria para iniciarel proceso de evaporación del agua presente en el sistema (Bouzas, 2007). En esta etapa se da un

ajuste inicial a las condiciones de operación de la cámara de secado.

Se puede observar que no hay muchos puntos experimentales ya que esta etapa ocurre muy

rápidamente. Incluso desde el primer instante en que se coloca la primera bandeja, el sistema ya

comienza a ajustarse y por lo tanto luego de colocar el tercer plato y lograr cerrar la cámara de

secado ha transcurrido cierto tiempo que ha sido ignorado, pero representaría un complemento

para dicha zona de rapidez de secado.

La región B-C representa la fase de rapidez constante en el que ocurre la etapa de secado de la

humedad no retenida en la arena. De acuerdo con Perry et al. (1999), en este período el

movimiento de la humedad en el sólido es tan rápido que mantiene una condición de saturación

en su superficie y la tasa de secado es controlada por la transferencia de calor por convección.

Además, el secado procede debido a la difusión del vapor desde la superficie saturada del

(A)

(B)(C)

(D)


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20

material hacia el aire que circula a su alrededor. La tasa de transferencia de masa balancea la tasa

de transferencia de calor y la temperatura de la superficie saturada permanece constante.

Se puede observar que en esta región existe bastante dispersión entre los datos experimentales

obtenidos por la falta de precisión al momento de recolectar los datos de la masa del sistema de

arena secándose. Esto es debido a que el valor de la masa variaba muy rápidamente (aumentando

y disminuyendo) por el mismo movimiento del aire que circulaba sobre las bandejas que

probablemente generaba el movimiento de las partículas sólidas dentro de la cámara de secado e

influía en la toma de los datos requeridos. A pesar de ello, se observa una tendencia de velocidad

de secado constante que finaliza en lo que sería la “Humedad Crítica”.

La humedad crítica del sistema es aproximadamente 0,04 kg_agua/kg_sólido y es a partir de

acá que inicia la tercera región identificada, la zona C-D, en la que la rapidez de secado va

decreciendo hasta alcanzar la humedad de equilibrio mencionada anteriormente (0,001

kg_agua/kg_sólido).

Según Treybal (1988), cuando el contenido de humedad promedio del sólido alcanza el

contenido crítico de humedad, la película superficial de humedad se reduce tanto por

evaporación que el secado posterior produce puntos secos que aparecen sobre la superficie,

ocupando porciones cada vez más grandes en la superficie expuesta al continuar el secado, dando

como consecuencia que la velocidad de secado dependa de factores como la difusión de la

humedad ligada al sólido.

Durante la experiencia, se continuó con el proceso de secado y en este instante la rapidez con

la cual se puede mover la humedad a través del sólido es el paso controlante a causa de los

gradientes de concentración que existen entre las partes más profundas y la superficie. Como la

concentración de humedad decrece con el secado, la rapidez del movimiento interno de la

humedad decrece también hasta que cesa finalmente el proceso al alcanzar el valor de equilibrio.

Como se ha comentado anteriormente, la transferencia de calor por convección y la

transferencia de masa con los fenómenos que rigen el proceso de secado de sólidos por lotes.

Cada uno de estos fenómenos está definido por sus coeficientes respectivos que fueron

calculados a partir de los datos obtenidos en la práctica de laboratorio y se muestran en la Tabla

4.1.

La rapidez con la cual se transfiere un componente de una fase a otra depende del coeficiente

de transferencia de masa. Dicho factor es importante ya que regula el momento en el que se


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alcanza el equilibrio y controla el tiempo que se necesita para la difusión. Por su parte, el

coeficiente de transferencia de calor por convección cuantifica la influencia de las propiedades

del fluido, de la superficie y del flujo cuando se produce la transferencia de calor.

Tabla 4.1. Coeficiente de Transferencia de Calor por Convección y Coeficiente de Transferencia

de Masa

h c (22 ± 2) W/m2∙°C

Kg (0,022 ± 0,002) kg/s∙m2


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CONCLUSIONES

Se estudió el proceso de secado por lotes mediante la operación de un secador de bandejas

en el que cierta masa de arena húmeda entró en contacto con una corriente de aire

caliente, dando como resultado la disminución de la cantidad de agua presente en el sólido

mediante la evaporación y difusión de la misma.

Se obtuvo la curva de secado del sistema aire-arena, con la que se afirma que la humedad

del sólido disminuye al transcurrir el tiempo mientras se encuentre en la cámara de

secado.

La curva de velocidad de secado obtenida muestra los diferentes estados de

comportamiento del proceso mientras la humedad contenida en el sólido disminuye, a

saber: zona de inestabilidad, zona de velocidad constante y zona de velocidad decreciente.

Se determinaron los coeficientes de transferencia de calor y de masa para el sistema se

secado, los cuales determinan el comportamiento de la difusión del vapor y la

transferencia de calor en el proceso.

RECOMENDACIONES

Comenzar a medir la masa del sistema apenas de coloque la primera bandeja en el

secador, de forma tal que se puedan obtener mayor cantidad de puntos experimentales

para bosquejar la zona A-B de la rapidez de secado.

Estabilizar el soporte de las bandejas de forma que se evite el movimiento de las mismas

en el transcurso de la experiencia y así disminuir las fluctuaciones presentes en la

medición de la masa.

Efectuar el procedimiento cambiando el tipo de sólido a utilizar por arcilla o una pieza de

pan (por ejemplo), que al poseer una granulometría menor y mayor, respectivamente, se

puede comparar el comportamiento de diferentes tipos de sólidos ante las mismas

condiciones.

Colocar resistencias eléctricas más cercanas a las bandejas de secado, de forma que se

pueda estudiar también el efecto de la radiación en el proceso de separación.


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BIBLIOGRAFÍA

Bouza, A. (2007). Guia de Laboratorio de Ingenieria Quimica. Universidad Simón Bolívar,

Departamento de Termodinámica y Transferencia, Caracas.

Doymaz, I. (2003). The thin-layer drying caracteristics of com. Journal of Food Engineering ,

(págs. 125-130).

Maldonado, R. (2016). Secado de Sólidos. Secado de Sólidos. Presentacion.

McCabe, W. (2001). Operaciones Unitarias en Ingenieria Quimica (Sexta ed.). España:

McGraw Hill.

Sanchez, J., & Carraza, M. (2002). Cinetica deSecado de Musa paradisiaca L. "Platano" y

Manihot esculenta Grantz "Yuca". Revista Amazonica de Investigacion Alimentaria, 1-11.

Treybal, R. (1988). Operaciones de Transferencia de Masa. España: McGraw Hill.


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ANEXOS

A. Datos Experimentales

Tabla A.1. Condiciones de Operación en el estado inicial

N° de Bandeja [m bandejas ± 0,0001] kg [m arena ± 0,0001] kg [m agua ± 0,0003] kg

1 0,3476 0,2000 0,0401

2 0,3478 0,2000 0,0404

3 0,3499 0,2004 0,0402

[m t ± 0,0003] kg 1,0443 0,6004 0,1207

Cálculo de error

∆ = ∆ + ∆ + ∆ Tabla A.2. Masa del Sistema de Secado, Temperatura y Humedad Relativa en función del tiempo

[t ± 1] s [m sist ± 0,0001] kg [T 1 ± 0,1] °C [T 2 ± 0,1] °C [H 1 ± 0,1] % [H 2 ± 0,1] %

0 1,7658 32,8 34,9 50,7 54,124 1,7638 32,8 34,8 50,6 54,670 1,7618 32,8 34,8 50,6 54,6125 1,7598 32,8 34,8 50,5 54,7167 1,7578 32,9 34,8 50,4 54,7226 1,7558 32,9 34,8 50,2 54,5274 1,7538 32,9 34,8 50,3 54,5316 1,7518 32,9 34,8 50,3 54,8368 1,7498 32,9 34,9 50,2 54,5419 1,7478 32,9 34,9 50,2 54,5

480 1,7458 32,9 34,9 50,2 54,5529 1,7438 32,9 34,9 50,2 54,5568 1,7418 33,0 34,9 50,2 54,4625 1,7398 33,0 34,9 50,2 54,3674 1,7378 32,9 35,0 50,2 54,3732 1,7358 32,9 35,0 50,1 54,1788 1,7338 33,0 35,0 50,0 54,1831 1,7318 33,0 35,0 50,0 54,1881 1,7298 33,1 35,0 49,8 54,0


25/31

25

927 1,7278 33,1 35,0 49,8 53,9975 1,7258 33,1 35,0 49,9 53,91025 1,7238 33,1 35,0 49,9 54,01096 1,7218 33,0 35,0 49,9 54,01141 1,7198 33,1 35,0 49,9 54,1

1186 1,7178 33,1 35,0 49,9 54,01248 1,7158 33,1 35,0 49,8 54,01289 1,7138 33,1 35,0 49,8 54,11354 1,7118 33,1 35,0 49,8 54,11408 1,7098 33,1 35,0 49,8 54,21465 1,7078 33,1 35,0 49,7 54,01513 1,7058 33,1 35,0 49,7 54,11558 1,7038 33,1 35,0 49,7 54,11609 1,7018 33,1 35,0 49,7 54,01682 1,6998 33,1 35,0 49,8 54,11748 1,6978 33,1 35,0 49,8 53,91808 1,6958 33,1 35,0 49,8 54,01850 1,6938 33,1 35,0 49,8 54,01914 1,6918 33,2 35,1 49,6 53,91979 1,6898 33,2 35,1 49,5 53,72046 1,6878 33,2 35,2 49,6 53,82116 1,6858 33,4 35,5 48,8 53,32159 1,6838 33,6 35,8 48,4 52,72217 1,6818 33,9 36,0 48,0 52,22281 1,6798 34,1 36,2 47,4 51,72339 1,6778 34,3 36,5 47,1 51,1

2411 1,6758 34,4 36,6 46,6 50,72457 1,6738 34,5 36,6 46,5 50,62499 1,6718 34,5 36,6 46,5 50,62576 1,6698 34,6 36,7 46,4 50,52640 1,6678 34,6 36,7 46,3 50,52705 1,6658 34,7 36,7 46,2 50,52772 1,6638 34,7 36,8 46,1 50,32829 1,6618 34,8 36,8 46,1 50,52918 1,6598 34,8 36,8 46,0 50,33003 1,6578 34,8 36,8 46,1 50,1

3080 1,6558 34,8 36,9 45,9 50,03208 1,6538 34,8 36,9 45,9 49,83334 1,6518 34,9 37,0 45,8 49,63470 1,6498 34,8 37,0 45,9 49,53625 1,6478 34,5 36,5 46,8 50,03840 1,6465 33,7 36,0 48,4 51,24080 1,6463 33,3 35,6 49,2 51,94320 1,6461 33,2 35,6 49,4 51,8


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26

Tabla A.2. Masa del Sistema de Secado, Temperatura y Humedad Relativa en función deltiempo (cont.)

4560 1,6461 33,3 35,7 49,2 51,74800 1,6460 33,2 35,6 49,3 51,75040 1,6459 33,2 35,5 49,5 51,95280 1,6459 33,1 35,5 49,5 51,95520 1,6457 33,2 35,6 49,2 51,75760 1,6457 33,2 35,5 49,4 51,86000 1,6456 33,1 35,6 49,5 51,86240 1,6455 33,2 35,6 49,3 51,66480 1,6455 33,2 35,6 49,3 51,66720 1,6455 33,2 35,6 49,2 51,66960 1,6455 33,2 35,6 49,3 51,77200 1,6454 33,3 35,7 49,1 51,57440 1,6454 33,1 35,6 49,2 51,67680 1,6454 33,2 35,6 49,2 51,6

Tabla A.3 Temperatura y Humedad Relativa Promedio

T 1 [°C] T 2 [°C] H 1 [%] H 2 [%]33,4 35,5 49 53

DesviaciónEstándar

0,7 0,7 2 2

Tabla A.4. Velocidad del Aire

Tiempo (min)Posición 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120

1 1,5 1,5 1,5 1,4 1,3 1,5 1,4 1,4 1,7 1,3 1,7 1,3 1,62 1,7 1,7 1,3 1,2 1,4 1,7 1,2 1,6 1,7 1,3 1,6 1,5 1,43 1,7 1,6 1,5 1,3 1,4 1,5 1,2 1,5 1,4 1,4 1,3 1,3 1,44 1,4 1,2 1,3 1,5 1,6 1,6 1,5 1,6 1,7 1,6 1,5 1,6 1,75 1,6 1,6 1,5 1,4 1,4 1,3 1,5 1,7 1,5 1,3 1,6 1,2 1,56 1,6 1,5 1,2 1,4 1,3 1,3 1,5 1,2 1,6 1,5 1,8 1,6 1,6

7 1,7 1,4 1,5 1,4 1,3 1,5 1,6 1,8 1,6 1,4 1,5 1,6 1,78 1,7 1,7 1,2 1,5 1,7 1,7 2,0 1,8 1,3 1,8 1,7 2,0 1,49 1,6 1,6 1,4 1,7 1,5 1,3 1,6 1,6 1,6 1,6 1,5 1,6 1,510 1,3 1,5 1,2 1,6 1,5 1,5 1,4 1,5 1,3 1,5 1,4 1,6 1,511 1,5 1,5 1,4 1,5 1,4 1,4 1,3 1,2 1,4 1,3 1,4 1,4 1,412 1,5 1,6 1,5 1,5 1,5 1,3 1,5 1,4 1,7 1,6 1,7 1,5 1,513 1,6 1,4 1,2 1,3 1,4 1,5 1,5 1,3 1,5 1,3 1,3 1,4 1,414 1,4 1,3 1,2 1,2 1,3 1,5 1,3 1,3 1,3 1,2 1,2 1,2 1,3


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27

Tabla A.4. Velocidad del Aire (cont.)15 1,3 1,5 1,4 1,3 1,4 1,5 1,3 1,4 1,4 1,4 1,4 1,4 1,416 1,4 1,6 1,5 1,5 1,6 1,4 1,3 1,5 1,5 1,3 1,5 1,4 1,6

Tabla A.5. Velocidad del Aire Promedio

V prom [m/s] 1,5Desviación Estándar [m/s] 0,2

Tabla A.6. Dimensiones de las bandejas

[a ± 0,0001] m 0,283[l ± 0,0001] m 0,306[A ± 0,0006] m 0,0866

Calculo de error

= ∆=∆+∆

B.

Resultados Experimentales

Tabla B.1. Humedad en Base Seca y Velocidad de Secado en función del tiempo

[t ± 1] s[X ± 0,001]

kg _agua/kg _arena N

[kg _evap/s.m2][t ± 1] s

[X ± 0,001]kg _agua/kg _arena

N[kg _evap/s.m2]

0 0,202 - 1141 0,125 0,000171124 0,198 0,0003208 1186 0,122 0,000171170 0,195 0,0001674 1248 0,118 0,0001242125 0,192 0,0001400 1289 0,115 0,0001878167 0,188 0,0001833 1354 0,112 0,0001184226 0,185 0,0001305 1408 0,108 0,0001426274 0,182 0,0001604 1465 0,105 0,0001351316 0,178 0,0001833 1513 0,102 0,0001604368 0,175 0,0001480 1558 0,098 0,0001711419 0,172 0,0001509 1609 0,095 0,0001509480 0,168 0,0001262 1682 0,092 0,0001055529 0,165 0,0001571 1748 0,088 0,0001166


28/31

28

568 0,162 0,0001974 1808 0,085 0,0001283625 0,158 0,0001351 1850 0,082 0,0001833674 0,155 0,0001571 1914 0,078 0,0001203732 0,152 0,0001327 1979 0,075 0,0001184788 0,148 0,0001375 2046 0,072 0,0001149831 0,145 0,0001790 2116 0,068 0,0001100881 0,142 0,0001540 2159 0,065 0,0001790927 0,138 0,0001674 2217 0,062 0,0001327975 0,135 0,0001604 2281 0,058 0,00012031025 0,132 0,0001540 2339 0,055 0,00013271096 0,128 0,0001084 2411 0,052 0,00010692457 0,048 0,0001674 4320 0,002 0,00000322499 0,045 0,0001833 4560 0,002 0,00000002576 0,042 0,0001000 4800 0,002 0,00000162640 0,038 0,0001203 5040 0,002 0,00000162705 0,035 0,0001184 5280 0,002 0,00000002772 0,032 0,0001149 5520 0,002 0,00000322829 0,028 0,0001351 5760 0,002 0,00000002918 0,025 0,0000865 6000 0,001 0,00000163003 0,022 0,0000906 6240 0,001 0,00000163080 0,018 0,0001000 6480 0,001 0,00000003208 0,015 0,0000601 6720 0,001 0,00000003334 0,012 0,0000611 6960 0,001 0,00000003470 0,008 0,0000566 7200 0,001 0,00000163625 0,005 0,0000497 7440 0,001 0,00000003840 0,003 0,0000233 7680 0,001 0,0000000

4080 0,003 0,0000032

Calculo de Error

=

∆ = 1 (∆) + ∆ = − ∆∆ ∆ = ∆ ∆ ∆ + ∆ ∆∆ + ∆∆ ∆ + ∆ ∆∆∆


29/31

29

C. Cálculo Típico

Calculo de la Humedad en Base Seca y la Velocidad de Secado

Para el tiempo 24 s, inicialmente tenemos una masa total de [1,7638 ± 0,0001] kg en el sistema

se secado, sin embargo, para calcular la masa de agua contenida, se debe restar tanto la masa

total de las bandejas como la de la arena.

magua = m sist - mt arena - mt band = 1,7658 kg - 0,6004 kg - 1,0443 kg magua = 0,1191 kg

Luego, con la masa de agua y la masa de la arena, se obtiene la Humedad del Sistema en baseseca ( X ):

X = magua

marena = 0,1191 kg_agua

0,6004 kg_arena = 0,198 kg_agua

kg_arena

Para determinar la Velocidad de Secado, se procede de la siguiente manera:

N = - L s

A

∆ X

∆t = -

0,6004 kg_arena

0,0866 m2

0,198-0,202 kg_aguakg_arena24-0 s = 0,00032 kg_aguas∙m2 A partir de los cálculos para cada uno de los tiempos, se puede graficar la Curva de Secado del

sistema en estudio ( X vs. t ) y la Curva de Velocidad de Secado ( N vs. X ).

Calculo del Coeficiente de Transferencia de Calor


30/31

30

A partir de las temperaturas y humedad relativa promedio antes y después de la cámara de

secado (T 1, T 2, % H 1 y % H 2) y con ayuda de una carta psicométrica, se obtuvo la humedad

absoluta (Y ’) y el volumen húmedo del aire circulante para cada uno de los puntos:

v H 1 = 0,89 m3/kg_aire seco Y 1’ = 0,016 kg_agua/kg_aire seco

v H 2 = 0,90 m3/kg_aire seco Y 2’ = 0,019 kg_agua/kg_aire seco

v H_prom = 0,90 m3/kg_aire seco Y’ prom = 0,018 kg_agua/kg_aire seco

Luego, con los valores promedios del volumen húmedo del aire y la humedad absoluta y la

velocidad del aire determinada experimentalmente, se obtiene el flujo específico del aire:

G prom=V aire

v H_prom(1+Y prom' )= 1,5 ms

0,90m3

kg_a.s

1+0,018 kg_aguakg_a.s

=1,7 kgs ∙ m2

∆G prom = V airev H prom

(∆Y prom' ) + 1 + Y prom' v H prom

∆V aire + V aire(1 + Y prom' ) ∆v H promv H prom2

∆G prom =

1,5 ms

0,90m3

kg_a.s 0,001 kg_aguakg_a.s +

1 + 0,018 kg_aguakg_a.s0,90

m3

kg_a.s

0,2 ms

+ 1,5m

s 1 + 0,018 kg_agua

kg_a.s 0,01 m3kg_a.s0,90 m3

kg_a.s2 = 0,2

kg

s ∙ m2

Finalmente, se puede obtener el coeficiente de transferencia de calor del Sistema de Secado a

través de la siguiente ecuación:

hc = 14,3G0,8

= 14,3 1,7 kgs ∙ m20,8 = 22 Wm2 ∙ °C


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31

∆hc = 14,3 0,8G

0,2 ∆G = 2 Wm2 ∙ °C Cálculo del Coeficiente de Transferencia de Masa

Mediante la Ecuación 2.3 se puede calcular dicho coeficiente, para ello solo es necesario

conocer la capacidad calorífica del aire y el coeficiente de transferencia de calor calculado

anteriormente debido a que Sc/Pr = Le ≈ 1 de acuerdo con Treybal (1988). Por lo tanto queda:

Kg

=

Pr

Sc

2/3 hc

Cp

=

22

W

m2∙°C

1007J

kg∙°C =

0,022

kg

s∙m2

∆ Kg = 1Cp

∆hc + hc ∆CpCp

2 = 0,002 kg

s∙m2

secado por lotes - vf

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