UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS III INFORME PRÁCTICA SECADO DIRECTO (FRESA) Subgrupo C ANGELA MIREYA GONALE LUIS GUILLERMO LEAL UAN U AN SEBA SEBAST STIA IAN N RO RODR DRIG IGUE UE ANYUL NALLIVE MARTÍNE
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OBETIVOS S* +, -ogr,.o Llevar a cabo el secado de 88gr de fresa hasta un 37% de humedad.
S* -ogr,r/ 0o1 *- 213or4* Determinar la rapidez de secado. Con base en los resultados obtenidos realizar y analizar la gráfica de la humedad contra el tiempo y contra el flu de secado. !valuar los coeficientes de transferencia de masa " y y el coeficiente de transferencia de calor hc. Determinar las p#rdidas de calor
TABLAS DE DATOS $abla. Datos de operaci&n.
Tb5 pro4*.2o (6C) 7 R*02r0u-,0281 S8-2.o 21202,- (g) S8-2.o 5*0o (g) A10+o B,1.*9, (04)
SECADO DIRECTO '(.( Tb+ pro4*.2o (6C) *(.( F-u9o .* ,2r* (4:5) 88 ;u4*.,. r*-,<2=, (7) 37 Lo1g2
).( .' '7 +7.8 7*(.,
$abla +. Datos para determinar el contenido de humedad de la muestra
MUESTRA EN LA MUFLA C,9, .* P* 4u*5 4u*5
)(.)8 8*.78 8,.'+78 *.()' (.,
T,b-, #@ -asa de muestra con el transcurrir del tiempo tiempo para secado tangencial tangencial y *(% de reflu/o del aire.
DATOS SECADO DIRECTO DE FRESA T2*4po (421)
M,5,Mu*5B,1. (g)
M,5,Mu*5
VAIRE (4:5)
( * ( * +( +* 3* '( '* *( ** ,( ,* 7( 7* 8( 8* )(
+ (* ) 8( 8+ )( 7) 8+ 8* )( ) 88 8, 8* 8' 78 73 7(
88 7+ *8 '7 ') *7 ', ') *+ *7 *8 ** *3 *+ * '* '( 37
.' .' .' .' .' .' .' .' .' .' .' .' .' .' .' .' .' .'
TBS (6C) TB; (6C)
3) '( '( '( '( '( '( '( '( '( '( '( '( '( '( '( '( '(
) ) ) ) ) ).* ) ) ) ).* ) ) ) ) ).* ) ) )
;u4*.,. r
'7 '7 '7 '7 '7 '7 '7 '7 '7 '7 '7 '7 '7 '7 '7 '7 '7 '7
MUESTRA DE CÁLCULOS M,5, .* 58-2.o 5*0o *1 -, 4u*5
=
M SH
− M SS
2
M SS
Donde1 X: masa de agua por unidad de masa de s&lido seco 2 g H 2O/g sólido seco M SH 1 masa de s&lido h4medo 2 g) correspondiente a la cantidad inicial de muestra llevada a la mufla en este caso fue la diferencia entre la masa de muestra con la ca/a petri inicial menos la masa de la ca/a petri 2ver $abla 5o. + 1
MSH
=
( 90.91- 85.178)g = 5.094g
M SS : masa de s&lido seco (g), correspondiente a la masa final de la muestra llevada a la mufla en este caso fue la diferencia entre la masa de muestra final con la ca/a petri y la masa de la ca/a petri1
MSS
=
( 86.4278− 85.178) g = 0.61g
6ustituyendo estos valores en 2 se obtuvo1
X=
( 5.094− 0.61) g 0.61g
= 7.34
gH2 O gSS
La masa de s&lido seco inicial se determin& as1 M S S
=
%
×
% + X
M Ti
2+
Donde1 M SS 1 masa de s&lido seco en la muestra tratada 2 g . M Ti 1 88 g 6ustituyendo los valores correspondientes en 2+ se obtuvo1
MSSi
=
1 × 88g = 10.55g 1g + 7.34g
Por0*1<,9* .* +u4*.,. 21202,Xinicial =
7.34g × 100= 88.01% 1g + 7.34g
!l porcenta/e de s&lidos secos iniciales
100− 88.01 = 11.99%
V,r2,0281 .* -, +u4*.,. 0o1 r*5p*0
M =
−
S S
23
S S
De esta manera por e/emplo en el tiempo +( minutos se tuvo1
X=
( 72 − 10.55) g 10.55g
=
5.825
gH2 O gSS
De igual modo se hizo con los demás datos 2ver $abla 5o. ' construyendo con ellos la gráfica 5o. .
F-u .* 5*0,.o 6e sabe ;ue el flu se define como1
N=
−
SS A
×
dX dt
2'
Donde1 N 1 flu de secado 2kg H 2O/m2 h. S S 1 masa de s&lido seco 2"g. A : es la superficie sobre la cual tiene lugar la evaporaci&n de la humedad contenida< en vista de ;ue el material se dispuso uniformemente sobre la bande/a se puede asumir ;ue el área de transferencia de calor corresponde al área superficial de la cara principal de la bande/a por un estimado de porcenta/e de área ocupada por el s&lido aproimadamente )(% 1 2
1m * 0.9 = 6.7554× 10−2 m2 A = ( 27.8cm× 27.00cm) × 100cm dX/dt 1 es el cambio en el contenido de humedad por unidad de masa de s&lido seco con respecto al cambio en el tiempo esta cantidad se obtuvo mediante la partici&n de la gráfica en dos secciones uno constante y uno variable. Dicha diferenciaci&n representa la variaci&n de la humedad con respecto al tiempo obtenida de la regresi&n de los datos representados en la siguiente grafica las regresiones obtenidas fueron1 Constante1 = >3.(('t ? ,.*+,' d=@dt >3.((' Aariable1 = >.'*7*t + ? .8(8$ ? 3.87 d=@dt >+.)*t ? .8(8
Con estas derivadas es posible hallar el flu de secado en cada punto con la formula1
N=
m!.! dX ) A! dt
Los datos obtenidos se muestran en la tabla de resultados más adelante. De esta forma se genera la siguiente curva de secado1
Co1<*12.o 0r<20o .* +u4*.,.@ !l contenido crtico de humedad
0 se presenta cuando la pelcula superficial de humedad se
reduce tanto ;ue el secado posterior produce puntos secos en la superficie dando lugar al periodo de velocidad decreciente en nuestro caso corresponde se puede interpretar como1
$g&'m#dad Xc = 4.4028 $gd#!lid" !#c" donde se termina el periodo de velocidad constante.
R,p2.* .* 5*0,.o 0r<20, !n la gráfica de velocidad de secado se observa ;ue para un = c '.'(+8 2kg humedad/kg sólido seco) corresponde
$g Nc = 0.4841 2 m&
D*<*r421,0281 .*- <2*4po .* 5*0,.o : partir de Boust se tiene una correlaci&n para obtener el tiempo de secado donde a partir de una ecuaci&n general se pueden hacer algunas suposiciones para determinar el tiempo necesario de secado en el periodo de velocidad constante y para el decreciente respectivamente. !cuaci&n general1 t ss x+ dx dt = − ( A x% N 0ara el periodo de velocidad constante se puede integrar entre una humedad = hasta la humedad crtica.
∫
tc =
tc
∫
!! ( (c − (1 ) ANc =
0.037$g!lid"!#c" 0.06754m2 * 0.4841$gag'a m2&
* ( 7.34 − 4.40)
$gag'a $g!lid"!#c"
=
3.32 & = 199.2 min
BALANCE DE ENERGÍA La ecuaci&n utilizada es1 % ai"e H ai"e e#t"ada A s
+ N c A s H agua = % ai"e H ai"e salida A s + $ !
!n esta ecuaci&n aire representa el flu/o de aire en el secador< la entalpa bien sea del aire 2a la entrada o a la salida o la del agua ;ue se evapora de la fresa< : s representa el área de secado ;ue es de (.,7**m+< y finalmente E p representa el calor perdido por el sistema. !l flu/o de aire en el secador se determin& con la ecuaci&n 2,1 % ai"e
=
' ai"e
2,
& h
6iendo vaire la velocidad del aire en el secador 2medida con un anem&metro .' m@s y Ah el volumen h4medo del aire ;ue a su vez está dado por la ecuaci&n dada por $reybal1 & h
= 2(.((+83 + (.(('*, F ( 2t % + +73
27
!n la cual G es la humedad del aire a la temperatura de entrada del gas a la cámara de secado 2(.(( de la carta psicom#trica t.2'(HC. De esta forma el volumen h4medo del aire durante el secado fue1 Vh = 0.9
m3 kg aire
!l flu/o de aire durante el secado fue1 ,ai#
= 1.4 m +3! = 1.55 $gai# 2 0.9
m $gai#
m!
0ara determinar las entalpas del aire tanto a la entrada como a la salida se utilizan las ecuaciones dadas por $reybal1 H ai"e
=
2%((* + %8' F ( t %
+
+*(+3(( F (
28
Gsat (.() 2carta de psicom#trica $ )HC
Nma( = , * !at 1 ) g Nma( = 0.14 2 m!
2 - 1) N = Nma( !at- 1 ) "nd#/ N * !at- 1 ) 2 = + 1 Nma( 2 = 0.04 allado en la secci&n de rapidez de secado constante seg4n $reybal Con lo anterior se puede hallar la entalpa del aire a la entrada y a la salida Hai##ntada = 1005+ 184* 00104) * 40 + 2502300 * 0010 $ = 65.976 $gai#!#c" $gai#!#c" 1005+ 184* 004) * 40 + 2502300 * 004
Hai##ntada = 65976 .6 Hai#!alida =
Hai#!alida = 140586 .4
$gai#!#c"
$ $gai#!#c"
= 140.586
La entalpa del agua se calcula como1 H agua
= ) ! 2t − t ( + λ
2)
Los datos para desarrollar esta ecuaci&n son1 C p 88 "I@"gJ K +'().7 "I@"g.
Calculado como ) ! '3(*>83*'F(+*?8+7*F(*>3,)8)F siendo $2Jelvin@(( y ) ! en (
"I@"molJ. $ es la temperatura de entrada del gas '(MC.
(
Hagua = 1,88
kJ kJ kJ (313K - 0) + 2409 .7 = 2998 .14 kgK kg kg
Con la ecuaci&n 2* se calcula el calor perdido E p1
=
,ai#A! Hai##ntada Hai# !alida) + Nc A!Hag'a
=
1.55
g ai# $ gH O + * 0.0675m2 65.976- 140.586 ) 04841 2 2 * 0.0675m2 * 2998.14 2 m! $g ai#!#c" m! $ $ = 90.163 !
0or otro lado con la velocidad de secado constante se puede determinar el coeficiente de transferencia de masa " y1 N c
$
=
Nc = !alida - #ntada
=
k * 2( salida
−
( e#t"ada 3
2(
gH O 04841 2 2 m! gH2 O gH2 O 004 - 00101 gai#!#c" gai#!#c"
=
16.19
gai#!#c" m2 !
!l coeficiente de transferencia de calor se puede determinar a partir de la relaci&n dada por la siguiente ecuaci&n 2treybal para sistema vapor de agua>aire1 hc ky
&c
=
= 950
J kgK
$g 950 * 16.19 2 $g m!
2
=
15380.5
= 15.380 2 m m2
TABLAS DE RESULTADOS DATOS OBSERVADOS EN LA PRÁCTICA
;u4*.,.
N 3-u .* 5*0,.o
T2*4po (421) T2*4po (+) (.((( *.((( +*.((( *(.((( ,(.((( 7(.((( 7*.((( )*.((( ((.((( (*.(((
(.((( (.(83 (.'7 (.833 .((( .,7 .+*( .*83 .,,7 .7*(
P*5o>b,1.*9, (g)
P*5o (g)
(g;!O:g SS)
(g ;!O:4! +)@
+.((( (*.((( )(.((( )(.((( 88.((( 8*.((( 8'.((( 78.((( 73.((( 7(.(((
(.(88 (.(7+ (.(*7 (.(*7 (.(** (.(*+ (.(* (.('* (.('( (.(37
7.3' *.8+* '.'(3 '.'(3 '.+3 3.)+) 3.83' 3.+,* +.7) +.*(7
(.'8' (.'8' (.'8' (.'8' (.7+' (.+'83 (.+8,3 (.'38( (.'7*) (.*3)
aire 2Jg@m +s G G+ Gsat 5ma 2Jg@m +s aent 2JI@Jg a.s. asal 2JI@Jg a.s. agua 2JI@Jg Ep 2J/@s Jy 2Jg a.s.@m+s c 2JN@m+s θ 2min
** ((( ((' (() (.' ,*)7, '(.*8, +))8' )(.,3 ,.) *.38( )).+
ANALISIS DE RESULTADOS !n la toma de datos se tuvo inconvenientes con el funcionamiento de la balanza por tal motivo fue necesario ecluir algunos datos tomados durante la práctica teniendo en cuenta los resultados esperados como una disminuci&n del peso debido a ala p#rdida de humedad cosa ;ue no cumplan algunos de estos datos. Debido a estos problemas con los datos los resultados no son los esperados. Durante el secado fue necesario abrir el horno en el minuto +* desde all empez& a aumentar el peso hasta ;ue en el minuto *( volvi& al peso antes de interrumpir el secado es decir en el minuto +* el peso fue igual ;ue en el minuto *( este salto se evidencia en la gráfica del flu donde hay una cada s4bita. !n la curva de humedad se intent& representar la parte constante y la parte variable del secado aun;ue lastimosamente debido a los inconvenientes presentados en las mediciones con la balanza la curva obtenida se ale/a bastante de la pronosticada ya ;ue en primer lugar no es clara la parte constante del secado 2puntos a la iz;uierda ;ue debera mostrar una tendencia casi recta por tanto decidimos aproimar los primeros cuatro datos a una lnea
recta aun;ue naturalmente el O + de esta tendencia es bastante ba/o 2(.7(+ debido a la dispersi&n de los datos además de esto la pendiente presentada por esta aproimaci&n es bastante grande lo ;ue produ/o un resultado de 5 constante demasiado elevado ale/ado de las posibilidades. !n cuanto a la parte variable del secado 2humedad ligada los datos se comportaron un tanto me/or pero con una curiosidad ya ;ue su comportamiento no sigue la PcadaQ natural de los anteriores datos sino ;ue se eleva un poco y luego decrece totalmente contrario a lo esperado o sea con una desviaci&n positiva respecto de una recta imaginaria proyectada entre los puntos etremos situaci&n ;ue se evidenciará claramente en la grafica de rapidez de secado. 0ara esta parte de la curva se derivo una lnea de tendencia de orden + con aceptable valor de O + 2(.)8* si se tiene en cuenta la poca confiabilidad de los datos obtenidos en el laboratorio. La curva de rapidez de secado es aun mas desconcertante ;ue la de humedad en el tiempo ya ;ue solo aseme/a a la curva tpica en la parte constante del flu la siguiente parte 2parte variable o rapidez de descenso no coincide en nada con la curva tpica esto se eplica por lo epuesto anteriormente sobre la parte variable en la grafica de humedad pero aun as revisando en el libro de treybal encontramos una grafica casi id#ntica a la obtenida por nosotros 20ág. 7*( ;ue corresponde a una dificultad en el secado cuando el material h4medo ;ue se está secando se adhiere a la bande/a originando ;ue no se pueda originar el fen&meno de capilaridad ;ue se presenta en la parte variable de la rapidez y corresponde a ;ue Pel li;uido no puede llevarse hasta la superficie mediante la tensi&n en los capilares por;ue no puede entrar aire a reemplazar al li;uido la superficie h4meda recede en los capilares y la rapidez decrece a un mnimo. 0or ultimo como el s&lido se rompe se admite aire para reemplazar al li;uido con lo cual la acci&n de los capilares lleva al li;uido a la superficie< la rapidez aumenta nuevamenteQ+ esto se evidenci& plenamente ya ;ue al retirar la bande/a terminado el secado observamos PpegotesQ en ella en buena cantidad reafirmando lo anterior. $ampoco fue posible obtener la humedad en el e;uilibrio 2=F ya ;ue la parte variable de la rapidez de secado es creciente y no permite una etrapolaci&n hasta el corte con el e/e . Los anterior epuesto origin& unos valores de 5 muy ale/ados de lo esperado 2generalmente con un orden de (>3 ;ue derivaron en unos cálculos posteriores con un alto margen de error esto se evidencia claramente en la comparaci&n de el 5c y el 5ma ya ;ue incorrectamente 5c 2(.'8' es mayor al 5ma 2(.' lo ;ue produ/o un dato poco probable de la humedad a la salida del aire 2G+ ya ;ue e mayor al Gsat hallado a la temperatura de bulbo h4medo en la carta psicrom#trica para *,(mmg. !l tiempo hallado para el secado solo fue considerado en la parte constante del flu el cual fue un poco alto y con la limitante de no hallarse el re;uerido para la parte variable por no disponerse del dato de =F 6e hallaron los valores de los calores y los coeficientes de transferencia de calor y masa a manera de ilustraci&n ya ;ue sabamos de antemano ;ue con los valores errados de los G y 5 debido a los problemas con los datos eperimentales ya analizados no era posible obtener resultados confiables de estas propiedades. : pesar de esto los resultados obtenidos
+
$O!GR:L.O. Ben&menos de $ransferencia de -asa +S. edici&n 0ág. 7*(
mantuvieron una concordancia num#rica con lo esperado aun;ue en el caso del Jy por e/emplo dio mayor a lo reportado en otros ensayos similares al igual ;ue hc.
IMPACTO AMBIENTAL :ire1 5inguno :gua1 5inguno Ouido1 5inguno
CONCLUSIONES
!l proceso de secado directo implica dos periodos en la rapidez 2constante y variable en los cuales se retira tanto la humedad presente en la superficie como la humedad ligada al s&lido.
La muestra se sec& con el porcenta/e reportado en un tiempo menor al calculado
La curva de rapidez de secado obtenida fue contraria a la tpica para este tipo de pruebas y evidenci& problemas de homogeneidad en el secado.
Los flues de secado obtenidos fueron poco confiables originados en problemas en el desarrollo de la practica ;ue produ/eron datos imprecisos en especial los pesos de la muestra en el tiempo.
