PRACTICA #6

DETERMINACION EXPERIMENTAL DE LA CINETICA DE SECADO Y TIEMPO DE

SECADO

INTRODUCCIÒN

La operación de secado es una operación de transferencia de masa de contacto gas- sólido, donde la humedad contenida en el sólido se transfiere por evaporación hacia la fase gaseosa, en base a 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.

A continuación realizaremos una práctica para determinar la cinética y tiempo de secado, hablaremos sobre formas de secado, aplicaciones del secado, entre otros tópicos relacionados con el secado, asi como también realizaremos los cálculos pertinentes para conocer la cinética y tiempo de secado de la jícama.

MARCO TEORICO

El secado es una operación en la cual se elimina parcial o totalmente, por evaporación, el agua de un sólido o un líquido.

El exceso de humedad contenida por los materiales puede eliminarse por métodos mecánicos (sedimentación, filtración, centrifugación). Sin embargo, la eliminación más completa de la humedad se obtiene por evaporación y eliminación de los vapores formados, es decir, mediante el secado térmico, ya sea empleando una corriente gaseosa o sin la ayuda del gas para extraer el vapor (Knoule , 1968).

Esta operación se utiliza ampliamente en la tecnología química y es muy común que sea la última operación en la producción precedente a la salida del producto resultante (Kasatkin, 1985)(Treybal, 1965). Es evidente que la eliminación de agua o en general de líquidos existentes en sólidos es más económica por acción mecánica que por acción térmica. La dificultad de los medios mecánicos surge cuando los productos finales y gran número de productos intermedios deben cumplir especificaciones rigurosas en cuanto a la humedad final. Habitualmente una centrífuga trabajando con grandes cargas de sólido húmedo dejará humedades en torno al 10-20 %, aunque en casos excepcionales como la sal común o cloruro sódico se puede alcanzar el 1 %.

El producto final es siempre sólido lo cual diferencia el secado de la evaporación. En esta última, aunque hay eliminación de agua, se parte siempre de un líquido para obtener un concentrado líquido. Aun cuando el objetivo principal no sea secar un alimento, el secado puede producirse cuando se efectúan otras operaciones de tratamiento o conservación.

Algunos ejemplos:

Cocción, Almacenamiento a temperatura ambiente, Conservación frigorífica, Congelación, Transporte neumático, Molienda. Sin embargo el término secado se emplea solamente cuando la sustancia volátil es agua.

Pueden producirse cambios no deseables que afectan tanto la calidad como la aceptación del producto.

Se producen cambios y alteraciones no necesariamente deseables en: La textura, El sabor, El color, La calidad nutritiva y la forma.

Es una operación que consume mucha energía y eso aumenta el costo del producto terminado.

*Materiales susceptibles de secarse

El secado ocupa un lugar importante dentro de la cadena de transformación y conservación de productos agroalimentarios ya que se realiza sobre un gran número de alimentos:

Productos agrícolas poco hidratados o húmedos.

Productos que pueden requerir, según las condiciones meteorológicas, un secado complementario para estabilizarlos o estandarizarlos antes de ser sometidos a un tratamiento industrial:

Maíz, Trigo, Otros cereales, Oleaginosas.

Productos que deben secarse para estabilizarlos y facilitar su transporte:

Leche destinada al consumo humano y a la cría de becerros, Alfalfa, Planta de maíz destinada a alimentación animal.

Legumbres para utilización industrial como:

Papa, Zanahoria, Cebolla, Espárrago, Jitomate, Hongos comestibles.

Las especias o aromatizantes como:

Perejil, Ajo, Canela, Vainilla.

Las frutas como:

Ciruela, Durazno, Uvas, etc.

Productos que se secan para estabilizarlos o proporcionar diferentes presentaciones para el consumo.

Entre otros:

Extractos de té y café, Pastas alimenticias.

Productos de salchichonería como jamones y salchichones secos, Quesos, Azúcar, Gluten, Caseína, Malta.

Subproductos industriales.

Productos derivados de un proceso que se destinan generalmente al consumo animal.

Subproductos de la industria azucarera.

Subproductos de la industria cervecera.

Suero de leche subproducto de la industria de fabricación de queso.

* Formas de secado

-Secado por ebullición

Cuando la presión de vapor del agua pura es igual a la presión barométrica local, el agua hierve y se evapora. A una presión absoluta de 101.3 kPa el agua pura hierve a 100 °C.

Cuando se disuelven solutos en el agua, la presión de vapor de la solución resultante es inferior a la del agua pura y por lo tanto su punto de ebullición es superior al del agua pura para una misma presión barométrica.

La descripción cuantitativa de este fenómeno está dada por la Ley de Raoult:

“La presión de vapor de un componente en una solución es igual a la fracción mol de aquél componente por su presión de vapor cuando está puro”

Para una solución de un soluto no volátil en agua:

Pa=XH2O .P* H2O

Pa = presión de vapor de la solución

XH2O = fracción mol del disolvente, agua en este caso

P* H2O = presión de vapor del agua pura a la temperatura de la solución.

Si xH2O = 1 – xb

La ecuación se escribe

Pa= (1 – xb)P* H2O

La cantidad de energía en forma de calor que se requiere para evaporar el agua está determinada por el calor latente de evaporación.

El aporte calórico puede efectuarse mediante los diferentes mecanismos de transferencia de calor:

Conducción entre una superficie caliente que está en contacto con el alimento.

Radiación cuando existe generación interna de calor en el alimento debido a la exposición de éste a rayos infrarrojos, microondas o calentamiento dieléctrico.

Convección entre el alimento y un medio de calentamiento como vapor de agua sobrecalentado o aceite caliente de fritura.

En todos los casos, es necesario llevar el alimento a la temperatura de ebullición del agua. Esto no siempre es recomendable ya que no todos los alimentos pueden soportar altas temperaturas y éstas pueden ocasionar deterioro físico de los mismos.

-Secado por arrastre

-En el exterior del alimento

Cuando un alimento húmedo se pone en contacto con una corriente de aire, o de cualquier otro gas, suficientemente caliente y seco, se establece espontáneamente entre ellos una diferencia de temperatura y una diferencia de presión parcial de agua.

Resultado: Transferencia simultánea de calor y masa entre el gas y el alimento.

La transferencia de calor ocurre desde el aire hacia el alimento ya que la temperatura del alimento es inferior a la del aire. El mayor contenido de humedad en el alimento hace que la presión parcial de agua en él sea mayor que en el aire.

Resultado: Transferencia de masa desde el alimento hacia el aire.

El aire es a la vez fluido de calentamiento y medio de arrastre del agua evaporada del alimento.

-En el interior del alimento

Conforme el alimento pierde humedad se establecen en su interior diferencias de concentración.

Resultado: Transferencia de humedad hacia su superficie.

Convección: Entre la superficie del alimento y la corriente de aire.

Difusión: Desde el interior del alimento hacia su superficie.

-En el secado por arrastre:

La temperatura en la superficie del alimento es inferior a la temperatura de ebullición del agua a 101.3 kPa (100 °C).No es necesario calentar el alimento a tales temperaturas secarlo.

Además en el secado por arrastre la energía necesaria para la evaporación del agua es proporcionada por el aire caliente. Por ello se dice que el secado por arrastre es Isoentálpico o adiabático.

*Humedad, h

Un alimento está constituido por muchos componentes. Para propósitos de secado se considera que está formado solamente por agua y sólidos secos.

Los sólidos secos incluyen todos los componentes sólidos que componen el alimento (sólidos totales).

Entonces

Humedad =masadeaguamasadealimento

-Formas de expresar la humedad

La humedad puede expresarse en base seca y base húmeda.

Humedad base seca, hbs

Humedad base húmeda hbh

mH2O = masa de agua

mss = masa de sólido seco

mss + mH2O = msh

msh = masa de sólido húmedo = masa total del alimento

-Relación entre hbs y hbh:

hbs es siempre superior a hbh la relación entre ambas es

En estas ecuaciones las humedades están en porcentaje

Relación entre la humedad base seca (%) y la humedad base húmeda (%)

-Humedad de equilibrio, he

La humedad de equilibrio es la humedad que existe cuando la presión de vapor del agua en el alimento está en equilibrio con la presión parcial del vapor de agua en el aire. Si el aire se satura totalmente durante el secado, entonces el equilibrio se establece con la presión de vapor del agua en el aire ya que esta presión es igual a la presión parcial del vapor de agua bajo esas condiciones.

La humedad de equilibrio se expresa en base seca.

En unidades del SI

kg aguakg solidoseco

- Actividad de agua, aw

La actividad de agua en un alimento es el cociente entre la presión de vapor del agua contenida en él y la presión de vapor del agua pura a la misma temperatura.

Otra forma de definir la actividad de agua es la siguiente:

Cuando un alimento se encuentra en equilibrio con una atmósfera de aire, esto es, cuando ha alcanzado su humedad de equilibrio

pal = presión de vapor de agua en el alimento

Ph20*= presión de vapor de agua pura

Tal = temperatura del alimento

TH2O = temperatura del aire

De esta forma el equilibrio entre el aire y el alimento se caracteriza simplemente por:

aW = HR y Tal = TH2O

*CURVAS DE SECADO

Son curvas construidas a partir de datos experimentales que dan información sobre la velocidad de secado de un alimento bajo determinadas condiciones.

Se obtienen preferiblemente en un equipo que reproduzca lo más fielmente posible el equipo de proceso usando condiciones de aire que se asemejen a las que se usan en el mismo.

La información obtenida de estas curvas es útil para propósitos de:

1. Estimar el tamaño del secador

2. Establecer las condiciones de operación

3. Calcular, estimar o aún predecir el tiempo de secado

- Tratamiento de los datos experimentales

Para construir las curvas de secado los datos tabulados tiempo y la masa del alimento húmedo obtenidos experimentalmente se transforman en datos de tiempo y humedad base seca.

Para ello se usa la ecuación siguiente

m(t) = masa del alimento húmedo para cada tiempo (kg sh)

mss = masa del sólido seco (kg ss)

hbs(t) = humedad base seca al tiempo t (kg agua/ kg ss).

La ecn. Permite calcular la humedad de equilibrio, he, la cual se utiliza para calcular la humedad libre, hL.

La humedad libre se calcula con la ecuación siguiente

hL(t) = humedad libre (kga/kgss) para cada tiempo

Una vez obtenida la humedad libre, ésta y el tiempo al representarlos gráficamente producen la primera curva de secado

Figura 2.3 Primera curva de secado

Región AB: Período de calentamiento

La masa del alimento húmedo disminuye sólo un poco debido a la débil contribución del calor sensible a la evaporación de agua.

Región BC: Período de velocidad constante.

En él ocurre buena parte del secado y la pérdida de humedad es directamente proporcional al tiempo.

Región CD: Primer período de velocidad decreciente.

Región DE: Segundo período de velocidad decreciente.

En ambas regiones la humedad del alimento diminuye menos rápido que en la región BC para incrementos de tiempo iguales.

El punto C es el límite entre el período de velocidad constante y el de velocidad decreciente.

La humedad para la cual se aprecia este límite se denomina humedad crítica, hc. Tanto la humedad libre como la humedad crítica están expresadas en base seca. Para analizar el proceso de secado se grafica el flux de secado contra la humedad libre.

El “flux” de secado se calcula con la ecuación:

A = área de secado, m2

R = “flux” de secado, kg / h × m2

Muchos autores llaman a R la velocidad de secado.

Esto no es estrictamente correcto porque la velocidad se expresa en kg/h y estas unidades se obtienen al efectuar el producto R × A.

Por lo tanto si el flujo está referido al área de secado, entonces es más correcto llamar a R el “flux” de secado.

Graficando entonces R contra hL se obtiene la segunda curva de secado.

La Figura 2.4 muestra esquemáticamente la forma de esta curva.

La segunda curva permite apreciar de una manera más clara las características de los períodos de secado.

Período BC:

El flux es independiente de la humedad libre, mientras que de C a E hay dos períodos decrecientes.

Este último es el caso más general ya que dependiendo del alimento el período de velocidad decreciente puede ser único.

Existe la posibilidad de que en este período la relación entre R y hL sea lineal. Entonces el análisis de esta parte de la curva se simplifica considerablemente.

- Estimación del tiempo de secado

A partir de las curvas de secado es posible estimar el tiempo de secado.

También es posible hacerlo teóricamente.

- Predicción experimental

Período de velocidad constante

En este período el “flux” es constante, Rc, por lo tanto:

Para obtener el tiempo de secado en este período se integra. Para ello los límites de integración son:

En t = 0 h = h1

En t = tc h = h2

Tomemos en cuenta que h1 > h2 y que ambas son humedades libres cuyo valor está entre los límites B y C de la segunda curva de secado.

Integrando resulta

Período de velocidad decreciente

En este caso el “flux” no es constante y se tiene que

Las condiciones límite son ahora:

En t = 0 h = h1

En t = td h = h2

Al igual que en el caso anterior h1 > h2 y t = 0 representa el inicio de este período.

Mecanismos y cinética de secado. Transferencia de masa y calor.

Un elemento fundamental en el proceso de secado es el estudio de la intensidad de la trasferencia de masa en el mismo. Para esto es necesario conocer los elementos más útiles de la transferencia de calor y masa que funcionen en los secaderos de contacto directo.

Según Madariaga (1995), esta depende de una serie de factores que van desde condiciones internas a externas.

Las condiciones externas están definidas por la resistencia a la transferencia de calor y de masa de la capa límite del gas, y en el caso que predominen, el secado no dependerá de las características del sólido sino de las condiciones del gas, y estará controlado por la transferencia de masa y calor entre el gas y la superficie del sólido, empleándose en la evaporación todo el calor que se recibe del gas, la cual se comporta como una superficie libre de agua.

Las condiciones internas están definidas, por la transferencia de calor y de masa a través del sólido. En el caso que predominen, es decir, que la resistencia a la transferencia de masa a través del material sea muy superior a la de la capa límite del gas, la difusión interna controlará el proceso y lo más importante será las propiedades del sólido.

Cuando se seca un sólido se producen dos procesos fundamentales y simultáneos:

- Transmisión del calor para evaporar el líquido.

- Transferencia de masa en humedad interna y líquido evaporado.

Independientemente del mecanismo de transmisión de calor el cual puede ser por conducción, convección, radiación o una combinación de cualquiera de estos, el calor tiene que pasar primero a la superficie exterior y desde esta al interior del sólido. Excepto el secado por electricidad de alta frecuencia, que genera el calor intercambiante, esto conduce a la circulación de calor desde el interior hasta la superficie exterior (Menon and Mujundar, 1992) (Treybal, 1965) (Chemical. Eng. 1986). También se ha reportado otro tipo de secado llamado secado por sublimación.

En el secado por convección el calor necesario para la evaporación del líquido se transmite por un agente gaseoso o un vapor que pasa por encima del sólido o lo atraviesa.

En el secado por conducción el producto que debe secarse se encuentra en recipientes calentado o se desplaza por encima de estos. El calor también se difunde en el sólido a través de la conductividad del propio sólido (Chemical. Eng. 1980).

En el secado por radiación el calor se transmite por las superficies radiantes próximas.

En el secado dieléctrico la energía es generada en el interior del propio material mediante un campo electromagnético de alta frecuencia en la zona de microondas (De La Peña Vilar ,1994).

También se reporta en la literatura el secado por sublimación, denominando así al secado en estado de congelación al vacío profundo. Según el método de transmisión del calor este procedimiento es análogo al secado por conducción pero debido a sus peculiaridades el secado por sublimación se destaca como un grupo especial (Kasatkin, 1985).

OBJETIVO

Determinar experimentalmente la cinética de secado de la jícama

MATERIAL

-horno

-jícama que es el sólido a secar

-cronometro

-aro con tela para secar

-cuchillo

PROCEDIMIENTO

-pelado de la jícama

-picado de la jícama

-determinar la humedad inicial

-poner a secar condiciones constantes, T, H relativa, hacer medición cada 15 minutos registrar el peso y el tiempo

-graficar X vs tiempo

-obtener velocidad de secado anticrítico y proscritico

-calcular el tiempo de secado

CALCULOS

1era secada:

Jícama peso=64.365 gr

Solido seco=4.4 gr

Gr H2O=64.365-4.4=59.965 gr H20

*Humedad inicial del sólido (Xi)*

Xi =gr h20

gr solidoseco=59.965gr H 2O4.4 gr solido seco

= 13.628 grH 2O

solidoseco

*Humedad relativa*

2 cm A1= 5 cm2

2.6 cm

3.3 cm A2=6.6 cm2

2 cm

2.5 cm A3=7.5 cm2

3. cm

Atotal= 19.1 cm2

Peso total 3 pedazos de jícama de la 2da secada= 15.797 gr

-CALCULO DE TIEMPO

*Periodo anticrítico*

Θa=saxXi−XcWc

Xi=13.628 gr H 2O

gr solidoseco

Atotal= 19.1 cm2

De la grafica A-2

Xc=12.8 gr H 20

gr solidoseco humedad critica

Wc=.125 gr

min∗cm2 velocidad punto critico

Wf=.006gr

min∗cm2 velocidad punto post critico

Solido seco 2da secada=1.567 gr

Θa=1.567 gr19.1cm 2

x 13.628−12.80

.125=.5606 min

*tiempo post critico*

Θp=saxXc−XfWc−Wf x ln Wc

Wf

Θp=1.56719.1

x12.80−1.567.125−.006 x ln .

125.006

= 73.46 min.

Θtotal=θa+θp

Θtotal=74.02 min

GRAFICA A.1

X gr 0 50 100 150 200 250 300

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

Series2

Θmin

θ en min X en gr0 15.72

15 12.6630 10.49245 8.50960 7.22775 6.17590 5.07

105 4.32120 3.698135 3.124150 2.627165 2.265180 2195 1.868210 1.702

225 1.607240 1.57

GRAFICA A.2

dx/dθ 0 2 4 6 8 10 12 140

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0.12

0.14

Series2

X

X en gr dx/dθ

12.86 0.12510.97 0.118.607 0.088

7.22 0.076.17 0.06665.07 0.06253.69 0.03932.26 0.0333

1.8 0.02331.567 0.0066

CUESTIONARIO

1.- ¿Qué es el secado?

Es una operación en la cual se elimina parcial o totalmente, por evaporación el agua de un líquido

2.-Menciona las 2 formas de secado

-secado por arrastre

-secado por ebullición

3.- ¿Cuáles son los 3 mecanismos de transferencia de calor y en qué consiste?

Conducción: entre una superficie caliente que está en contacto con el alimento.

Radiación: cuando existe generación interna de calor en el alimento debido a la exposición de éste a rayos infrarrojos, microondas o calentamiento dieléctrico.

Convección: entre el alimento y un medio de calentamiento como vapor de agua sobrecalentado o aceite caliente de fritura

CONCLUSIÓN

Concluimos que la jícama es una fruta que contiene un gran porcentaje de agua; de hecho es muy alto el porcentaje que esta

fruta posee un 93% de agua es más agua que solido seco. El objetivo de esta práctica fue cumplido.

En el punto crítico la velocidad empezó a disminuir, a partir de este punto tiende a ser constante

BIBLIOGRAFIA

http://depa.fquim.unam.mx/albertotecante/Secado.pdf

http://www.monografias.com/trabajos15/operacion-secado/operacion-secado.shtml

Procesos De Transporte Y Operaciones Unitarias, C.J. Geankopolis, CECSA,3º Edición, 1998.pdf

·Problemas de Ingeniería Química. Tomo II. Editorial Aguilar.

Joaquín Ocon García y Gabriel Tojo Barreiro.