TRANSFERENCIA DE MASA
TRABAJO COLABORATIVO 3
GRUPO 302589_4
DIANA MARGARITA ARBOLEDA TAMAYO 43.365.923 PAULA ANDREA HINCAPIE ARIAS CODIGO: 39´453.879 ANA CECILIA RIOS CANO CODIGO: 39´452.259 CLAUDIA SEPULVEDA CESPEDES CODIGO 40.216.572 LUZ ADRIANA SARRIA OSORIO 40405062
TUTOR HERNANDO ENRIQUE BOHORQUEZ
UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BASICAS, TECNOLOGIA E INGENIERIA INGENIERIA DE ALIMENTOS BOGOTÁ 2012
INTRODUCCION
Mediante el uso apropiado de dicha información, el ingeniero puede tomar decisiones rápidas y de manera acertada para realizar los ajustes que se requieran en cada operación y/o proceso con el ánimo de obtener productos de alta calidad. Cada industria adopta el sistema que más se acopla a su organización, algunos con un hardware y software más o menos sofisticado, pero en todos los casos el objetivo principal es poder obtener un control avanzado de los procesos propios de la organización. Es por esto que es preciso que el estudiante del curso de transferencia de masa se familiarice con estas herramientas que de alguna manera, evidenciará en su ejercicio profesional más adelante.
El secado por spray es un proceso bastante complejo, donde se deben conjugar no solamente el caudal de líquido a atomizar, sino que además se debe realizar una buena selección de la boquilla atomizadora, siendo éstas del tipo Spray Dry, de cono hueco trabajando a presiones hidraúlicas relativamente altas, para poder lograr tamaños de gotas muy pequeñas y especialmente que sea todas iguales, además existen modelos de boquillas del tipo MFP, que son de Máximo Paso Libre, evitando de posibles taponamientos en las ranuras de los núcleos. Normalmente se utilizan para aplicaciones en la elaboración de Leche descremada, Leche entera, Té, Café, Vegetales, Productos químicos, Etc. Con la realización de esta práctica virtual se busca que el estudiante se familiarice con el software, sistemas que manejan de cierto modo todas las operaciones y procesos que se lleven a cabo en una industria, a través de un centro de operaciones, alternativa tecnológica que están adoptando las mas grandes industrias para tener un control preciso y efectivo de todas sus operaciones.
SECADO EN SPRAY El proceso se caracteriza en pulverizar el fluido dentro de una cámara sometida a una corriente controlada de aire caliente. Este fluido es atomizado en millones de microgotas individuales mediante un disco rotativo o boquilla de pulverización. A través de este proceso el área de la superficie de contacto del producto pulverizado se aumenta enormemente y cuando se encuentra dentro de la cámara con la corriente de aire de secado produce una vaporización rápida del solvente del producto, generalmente agua, provocando frigorias en el centro de cada microgota donde se encuentra el sólido, que seca suavemente sin choque térmico, transformándose en polvo y terminando el proceso con la colecta del mismo.
El calor para la evaporación del agua se transfiere por conducción y convección desde el aire caliente hasta la superficie de la gota.
El vapor de agua resultante de la evaporación se transfiere por difusión y convección desde la superficie de la gota hasta la corriente de aire. La rapidez con la cual ocurre este proceso es función de varios factores
Temperatura y humedad del aire Propiedades de transporte del aire Diámetro y temperatura de la gota Velocidad relativa y naturaleza de los sólidos en la gota líquida
RESUMEN El secador spray se utiliza dentro de la práctica de leches para la producción de leche en polvo. El secador se alimenta leche descremada con un contenido de agua del 95% en base húmeda y se pone en contacto paralelo con aire a 120 ºC (previamente calentado por combustión de metano).
Con esta operación se obtiene una partícula de polvo de una humedad deseada. El alimento es atomizado por medio de un sistema de disco centrífugo de velocidad de rotación variable.
Objetivo general
Estudiar el funcionamiento de un secador spray. Comprender el proceso industrial secado en spray por medio de la práctica de simulación virtual plant.
Objetivos específicos
Identificar la influencia del caudal de alimentación, el tiempo de operación y la temperatura del aire de secado, sobre la cantidad de producto final a obtener. Conocer el funcionamiento de un secador spray y el de un calentador de aire. Utilizar adecuadamente la curva de operación del sistema planteado en la práctica
MARCO TEORICO El secado spray es una tecnología novedosa con aplicaciones en múltiples industrias. Dada su versatilidad hay quienes lo conocen también como secado por atomización, spray dryer y secado por aspersión.
Algunas ventajas que ofrece el secado spray son:
Alto rendimiento, pues el proceso es muy rápido (algunos segundos). La evaporación del agua contenida, refrigera la partícula permitiendo usar altas temperaturas de aire de secado sin afectar las cualidades del producto. Proceso continuo y constantemente controlado. Homogeneidad de la producción. Inmejorable presentación del producto. Un solo operario maneja la instalación. Fácil automatización. Puede trabajar continuo (24 horas).
Entre algunos de los productos alimenticios que se pueden secar con esta tecnología encontramos a la leche entera, desnatada, suero y el huevo entero. En la práctica específica presentada en el VirtualPlant se utiliza el secador spray, para obtener leche en polvo a partir de leche descremada.
PROCEDIMIENTO El estudiante debe variar el flujo de leche descremada alimentada al secador, la temperatura del aire de secado y el tiempo de operación del equipo en un día de trabajo; se debe determinar el tiempo que transcurre para que la gota cambie su humedad y se convierta en partícula de polvo. Además se debe determinar la cantidad de leche en polvo producido, en unidades de nivel del tanque de almacenamiento. Por último el estudiante deberá registrar el caudal del aire necesario para el secado correspondiente. A continuación se relacionan las variables de entrada y salida a tener en cuenta para la presente práctica.
Variables de entrada
Caudal de leche descremada alimentada al secador. Temperatura del aire de secado. Tiempo de operación del equipo para una jornada de trabajo.
Variables de salida
Caudal del aire de secado.
Nivel de leche en polvo producido, en el tanque de almacenamiento.
De igual forma seguidamente se relacionan los equipos que intervienen durante el proceso de obtención de la leche en polvo respectiva.
Lista de equipos Secador spray. Calentador de aire (por combustión de metano). Soplador de aire. Tanque de almacenamiento de leche en polvo. Transportador de tornillo. Ciclón.
De otro lado se debe tener en cuenta las siguientes restricciones para este proceso de secado:
Las gotas y partículas atomizadas se distribuyen uniformemente dentro del secador y su tiempo de residencia coincide con el del aire de secado. Las pérdidas de calor hacia los alrededores se consideran despreciables. No se consideran pérdidas significativas por arrastre de leche en polvo, en la corriente saliente de aire.
El aire no se satura durante su recorrido al interior del secador.
La diferencia de temperatura entre la entrada y la salida de aire es de 20 ºC.
Restricciones
Las gotas y partículas atomizadas se distribuyen uniformemente dentro del secador y su tiempo de residencia coincide con el del aire de secado. Las pérdidas de calor hacia los alrededores se consideran despreciables. No se consideran pérdidas significativas por arrastre de leche en polvo, en la corriente saliente de aire.
El aire no se satura durante su recorrido al interior del secador.
La diferencia de temperatura entre la entra y la salida de aire es de 20 ºC.
Variables
SIMULACION
TABLA DE RESULTADOS Temperatura del aire (°C)
Flujo de leche alimento (m^3/s)
Tiempo de operación - día del equipo (hr)
Flujo de aire (m)
Tiempo de secadeo de la gota de leche (segundos)
Nivel en el tanque de almacenamiento (m3/s)
120
0,00017
12
3,15
1,86
17,36
120
0,00017
10
3,18
1,61
17,35
120
0,00017
8
3,2
1,24
17,34
115
0,000153
12
3,26
1,7
15,49
115
0,000153
10
3,24
1,4
15,51
115
0,000153
8
3,3
1,2
15,49
110
0,000136
12
3,3
1,51
13,76
110
0,000136
10
3,33
1,25
13,81
110
0,000136
8
3,29
1
13,8
105
0,000119
12
3,4
1,3
12,15
105
0,000119
10
3,4
1,11
12,18
105
0,000119
8
3,42
0,94
12,17
100
0,000102
12
3,51
1,18
10,57
100
0,000102
10
3,55
0,99
10,58
100
0,000102
8
3,55
0,79
10,59
95
0,000085
12
3,63
0,97
9,02
95
0,000085
10
3,64
0,8
9,01
95
0,000085
8
3,57
0,7
8,99
90
0,000068
12
3,7
0,81
7,39
90
0,000068
10
3,74
0,66
7,44
90
0,000068
8
3,7
0,51
7,37
GRAFICOS Flujo de leche con tiempo de operación 12 horas 3,8 3,7 ) m ( 3,6 e r i 3,5 a l e d 3,4 o j u 3,3 l F 3,2 3,1 0
20
40
60
80
100
120
140
Temperatura del aire (°C)
Flujo de Leche - Alimento con Tiempo de Operación 10 horas 3,8
) 3,7 m ( 3,6 e r i 3,5 a e 3,4 d o j 3,3 u l F 3,2 3,1 0
20
40
60
80
100
Temperatura del aire (°C)
120
140
Flujo de Leche - Alimento con Tiempo de Operación 8 horas 3,8
) 3,7 m ( 3,6 e r i 3,5 a e d 3,4 o j 3,3 u l F 3,2 3,1 0
20
40
60
80
100
120
140
Temperatura del aire (°C)
Flujo de Leche con Tiempo de Operación 12 horas 2 e d o e e h ) 1,5 d c s a l e o c e e d s d n u 1 e a g d t e s o o ( 0,5 p g a l m e i T 0 0
50
100
150
Temperatura del aire (°C)
Flujo de Leche con Tiempo de Operación 10 horas 2 e d o e e h ) 1,5 d c s a e c l o e e d s d n u 1 e a g d t e s ( o o 0,5 p g a m l e i T 0 0
50
100
Temperatura del aire (°C)
150
Flujo de Leche con Tiempo de duración 8 horas 1,4 e d 1,2 o e e h ) d c s 1 a l e o c 0,8 e e d s d n u e a g 0,6 d t e s o o ( 0,4 p g a l 0,2 m e i T 0 0
50
100
150
Temperatura del aire (°C)
Flujo de Leche con Tiempo de Operación 10 horas 20 e d o e e h ) 15 d c s a e c l o e e d s d n u 10 e a g d t e s o o ( 5 p g a l m e i T 0 0
50
100
Temperatura del aire (°C)
150
Flujo de Leche con Tiempo de Operación 8 horas 20 e d o e e h ) 15 d c s a e c l o e e d s d n u 10 e a g d t e s o o ( 5 p g a l m e i T 0 0
50
100
150
Temperatura del aire (°C)
ANALISIS DE RESULTADOS
Podemos ver claramente que la mayor cantidad de producto que se obtiene en el nivel del tanque de almacenamiento se da cuando la temperatura del aire es 120ºC., donde el nivel de almacenamiento es de 17,36 m 3/s., en promedio con el máximo caudal de alimentación. Según la teoría, entre mas alta la temperatura no siempre da un buen porcentaje de eliminación de agua, ya que demasiada temperatura ocasiona perdida de calor y capacidad de secado, lo cual se ve reflejado cuando la temperatura es 110ºC., y el nivel de almacenamiento es de 6,93 m 3/s. Para obtener una gran capacidad de evaporación, es necesario mantener constante el caudal del aire. A medida que la temperatura del aire disminuye a un flujo de leche constante y a diferentes horas de operación, el flujo del aire comienza a aumentar. En el tiempo de secado de la gota de leche los datos calculados presentan variación significativa, esto debido a la composición fisicoquímica de la leche y el diámetro de la gota. En la práctica de secado spray si la temperatura disminuye el tiempo de operación por día del equipo también disminuye. Si el flujo de aire disminuye el tiempo de secado de gota de leche aumenta por segundo. Si el nivel en el tanque de almacenamiento disminuye el flujo de leche aumenta.
Al aumentar el caudal de flujo de leche, el flujo de aire permanece constante, mientras que el tiempo de secado y el nivel del tanque de almacenamiento aumentan paulatinamente. El aumento en el tiempo de secado se explica porque con el mismo flujo y temperatura de aire de secado se necesitará mayor tiempo para realizar la transferencia de calor a una cantidad mayor de gotas de leche. Ahora consideremos la variación en el flujo de leche con igual temperatura en el aire de secado, el tiempo de secado varia en forma proporcional al flujo de leche, así mismo el nivel en el tanque de almacenamiento aumenta en forma proporcional al flujo de leche como es lógico, se observa entonces que para obtener una buena eficiencia en el proceso es recomendable tener el máximo flujo de leche.
El flujo de leche indiscutiblemente es la variable que más influye en el nivel del tanque de almacenamiento, ya que a mayor alimentación, mayor nivel en el tanque de almacenamiento, sin embargo se debe tener cuidado pues un flujo muy elevado puede ocasionar que la leche no se seque uniformemente, resultando en problemas de humedad y por consiguiente de inocuidad.Es importante evaluar cual es flujo máximo que se puede manejar sin afectar la humedad de la leche en polvo. También observamos que al aumentar la temperatura de aire de entrada, el flujo de aire disminuye ya que se requiere menor cantidad de aire, pues la transferencia de calor es compensada por el aumento de la temperatura. En general comparando las variables de entrada con las de salida podemos decir que el caudal de la leche y la temperatura son las variables que más influyen en el nivel del tanque de almacenamiento, es decir en la eficiencia del proceso.
CONCLUSIONES
Después de haber realizado la práctica podemos concluir que adquirimos una comprensión mas profunda de los procesos de transferencia de masa a través del uso adecuado del Virtual Plant, teniendo una visión mas completa de cómo hacer cálculos con este tipo de herramientas. Al desarrollar las simulaciones, debemos tener en cuenta las variables de entrada y las variables de salida para no tener inconvenientes con los resultados.
Fue muy enriquecedor conocer el proceso descrito en el texto del módulo y después haber experimentado con la simulación el proceso de secado spray, operación muy cotidiana de las diferentes industrias procesadoras de alimentos. Podemos observar como una de las variables que más influye en el secado en spray es la temperatura del aire de entrada, pues al aumentar la temperatura disminuye el flujo de aire, lo cual se traduce en menores áreas de trabajo, o de intercambio de calor. Se debe asegurar que el secado sea uniforme, estandarizando el flujo de alimentación para evitar problemas de inocuidad y encostramiento. El tiempo de operación del equipo debe ser el suficiente para cubrir las necesidades del proceso, pero se debe tener cuidado de realizar mantenimiento al equipo para no comprometer la tasa de transferencia de calor. La característica principal del procesado es la atomización (el denominado sistema spray). El procesado depende en gran parte de la temperatura necesaria para su elaboración, que suele ser por regla general alta (180 °C), media o baja (temperatura de pasteurización).
BIBLIOGRAFIA
FONSECA, Vigoya Victor Jairo, Ingeniero Químico,. Módulo Transferencia de Masa. UNAD. 2007
SINGH, Paul and HELDMAN, Dennis. Introduction to Food Engineering. Glasgow, 3rd ed., edit. Academic Press, 2001.
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CIBERGRAFÍA http://www.secadospray.blogspot.com/ http://www.e-industria.com/ar8/ar_%25F1%25BDxg%25DB%2522%2520%25DB.htm
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http://www.quiminet.com/articulos/aplicaciones-de-secado-spray-para-laindustria-de-alimentos-1322.htm
http://www.e-industria.com/ar8/ar_hgsAbcBu-aplicaciones-de-secado-spray-parala-industria-de-alimentos.htm
http://secadospray.blogspot.com/
http://www.portalechero.com/ver_items_descrip.asp?wVarItem=791
http://www.vibrasec.com/pag/tecsecspray1.htm
http://www.secadospray.blogspot.com/
www.ibt.unam.mx/ppiloto/secador_aspersion.html
