CAPÍTULO 7 PRUEBAS EXPERIMENTALES DE SECADO En este

CAPÍTULO
7
PRUEBAS EXPERIMENTALES DE SECADO
En este capítulo se desarrollará la base de la tesis, el secado de la partícula por medio de un
lecho fluidizado utilizando aire. Las pruebas fluidinámicas ayudaron a encontrar la
velocidad mínima de fluidización, dicho dato es indispensable para las pruebas de secado,
ya que define los parámetros iniciales.
Se definirán los términos de secado, el secado en lecho fluidizado, el porqué se secan los
alimentos y las pruebas experimentales realizadas.
7.1 Pruebas experimentales de secado
A continuación se presentará el procedimiento experimental para llevar acabo las diferentes
pruebas del secado del producto. Así como los efectos que ha tenido el proceso de secado
sobre el producto precocido.
7.1.1 Equipo experimental adicional para el proceso de secado
Para el control, medición y determinación de la humedad en el producto antes y después de
ser sometido al proceso de secado por lecho fluidizado, se emplean otros dispositivos
ubicados en la misma planta piloto de la universidad. Estos dispositivos son los siguientes:
desecadores, balanza analítica y un horno.
Desecador: dispositivo que absorbe la humedad. Éste contiene sal u otra sustancia que
ayude a la absorción.
Figura 7.1 Desecador
Balanza analítica: se utiliza para determinar el peso de las muestras.
Figura 7.2 Balanza analítica
Horno: se utiliza para estabilizar y secar por completo las muestras. Trabaja a una
temperatura aproximada de 110°C a 120° C.
Figura 7.3 Horno
7.1.2 Procedimiento para la determinación de humedad
Nomenclatura:
mch = peso de la charola [gr]
mp = peso de la partícula después de pasar por el proceso de secado [gr]
m24= es el peso de la charola con las partículas (muestra) después de ser sometida a 24
horas en el horno [gr]
Para poder determinar la humedad de la partícula, se tiene que pasar primero por el proceso
de secado, el cual se explicará con detalle a continuación:
1. Se purga la bomba.
2. Se prende el termostato a la temperatura de trabajo.
3. Se prende el aire.
4. Cuando marca la temperatura deseada, se meten las partículas 100 gramos,
se ingresan a través del vacío.
5. Ya ingresadas las partículas y el equipo ajustado a las condiciones de trabajo, se
espera a que fluidizen.
6. Después de que fluidizan las partículas se van tomando muestras cada 10 minutos
por un tiempo que varía entre 60 y 80 minutos.
7. Inmediatamente después de que las muestras son tomadas, se colocan en el
desecador (desecador #1), evitando que se humedezcan.
8. En otro desecador (desecador#2), se colocan el número de charolas necesarias a
utilizar durante 30 minutos, para que alcancen una temperatura y peso constantes.
Estas charolas se mantienen 24 horas antes en el horno aproximadamente a 120 ° C
para desinfectarlas.
9. Cuando se tienen todas las muestras en el desecador #1 y ya pasaron los 30 minutos
de las charolas en el desecador #2, se procede a pesar cada charola (mch) en una
báscula digital, y se pone entre 2.00gr y 3.00gr de muestra (mp) en cada charola.
10. Cuando se tiene en cada charola a peso constante una muestra equitativa de
partículas se procede a colocar cada charola en el horno por 24 horas.
11. Después de las 24 horas, se sacan las muestras y se colocan en un desecador por 30
minutos para que obtengan una temperatura y peso constantes.
12. Al finalizar los 30 minutos se pesa cada charola en la báscula digital (m24).
Para poder determinar la humedad de la partícula es necesario entender cómo van
variando los diferentes pesos cuando se tienen las muestras ya sometidas a las pruebas de
secado y cuando ya pasaron 24 horas en el horno después del secado.
Wi = Wp + Wa + Wc
(7.1)
(7.2)
En donde:
Wi = estado inicial, cuando las partículas fueron sometidas al secado [gr.].
Wp = peso de la partícula después de ser sometida al secado por fluidización.
(Wp = mp ) [gr.].
Wa = peso del agua en la partícula (Wa = ma) [gr]
Wc = peso de la charola (Wc = mc ) [gr]
Wf = estado final, después que la muestra seca pasa por el horno 24horas.
(Wf = m24) [gr]
Wp24 = peso de la partícula seca, después de estar en el horno 24 horas. Es decir, sin agua
[gr].
Después de ver la estructura anterior, se puede determinar la humedad de la partícula
de la siguiente manera:
(7.3
)
En donde:
C = humedad de la partícula [-]
Se multiplica por 100 para tenerlo en porcentaje %.
7.1.3 Velocidad mínima de fluidización en el secado
Como se mencionó anteriormente, para las pruebas de secado es esencial utilizar una
velocidad arriba de la velocidad mínima de fluidización que es determinada revisando las
tendencias de las velocidades de los datos teóricos y experimentales. Al final se selecciona
el rango de velocidades a trabajar.
En el capítulo 6 se realizaron experimentos de fluidinámica, donde se calcularon
distintas velocidades mínimas de fluidización a diferentes temperaturas y presiones. El fin
del cálculo de dichas velocidades es tener un rango con el cual se va a trabajar en las
pruebas de secado.
En este capítulo se presenta la comparación entre dos velocidades mínimas de
fluidización teóricas de Wen y Yu (Wen y Yu, 1966) con la Llop (Llop et al., 1996) con la
velocidad mínima de fluidización experimental obtenida de las gráficas del capítulo
anterior, y se enfoca en el proceso de secado.
7.2 Datos teóricos y experimentales de la Umf
Tabla 7.1 Velocidad mínima de fluidización teórica según Wen y Yu
(Wen y Yu, 1966)
Velocidad mínima de fluidización teórica
según Wen y Yu
(Wen y Yu,1966)
Ar
Remf
[-]
[-]
Umf
[m/s]
30
6.837E-06
495.56
1.17
45
5.990E-06
461.84
1.20
60
5.278E-06
431.57
1.22
30
5.729E-06
450.97
1.27
45
5.019E-06
420.11
1.30
60
4.422E-06
392.41
1.32
30
4.535E-06
397.77
1.42
45
3.972E-06
370.32
1.45
60
3.500E-06
345.70
1.47
T
[°C]
Tabla 7.2 Velocidad mínima de fluidización teórica según Llop (Llop et al., 1996)
Velocidad mínima de fluidización teórica según Llop
(Llop et al. 1996)
80 KPa
T
[°C]
λ
Ar
Knp
Remf
[m]
[-]
[-]
[-]
Umf
[m/s]
30
8.65E-08
6.837E-06
1.0089E-05 587.44
1.39
45
9.24E-08
5.99E-06
1.0779E-05 547.53
1.42
60
9.85E-08
5.278E-06
1.1485E-05 511.73
1.45
67 kPa
T
[°C]
λ
Ar
Knp
Remf
[m]
[-]
[-]
[-]
Umf
[m/s]
30
1.09E-07
5.729E-06
1.2729E-05 534.68
1.51
45
1.17E-07
5.019E-06
1.36E-05 498.16
1.54
60
1.24E-07
4.422E-06
1.449E-05 465.39
1.57
53 kPa
T
[°C]
30
λ
Ar
Knp
Remf
[m]
[-]
[-]
[-]
1.5E-07
4.53E-06
1.7526E-05 471.73
Umf
[m/s]
1.69
45
1.61E-07
3.972E-06
1.8726E-05 439.25
1.72
60
1.71E-07
3.500E-06
1.9951E-05 410.12
1.75
Se puede observar que la tendencia de la velocidad mínima de fluidización de manera
general, vendría siendo de mínimo 1.400 a un máximo de 1.800 [m/s]. Con este rango, el
lecho a cualquier temperatura y presión seleccionada se consideraría fluidizado.
Tabla 7.3 Velocidades experimentales
Velocidades
Experimentales
80kPa
Temperatura [°C]
Umf [m/s]
30
0.98
45
1.03
60
0.98
67kPa
Temperatura [°C]
Umf [m/s]
30
1.04
45
1.09
60
1.28
53kPa
Temperatura [°C]
Umf [m/s]
30
1.32
45
1.91
60
1.44
7.3 Velocidades de secado en la columna de fluidización
Una vez establecidas las condiciones iníciales para llevar a cabo las pruebas de secado y
por la manera en que se encuentra conectada la columna de fluidización con las conexiones
del suministro de aire, es necesario calcular una velocidad dentro de la columna de
fluidización, que sea constante a los parámetros establecidos para el proceso de secado.
Se ha decidió trabajar con dos distintas relaciones de velocidad del aire- presión:
600 LPM 500 LPM 400 LPM
=
=
80kPa
67 kPa
53kPa
(7.4)
500 LPM 420 LPM 330 LPM
=
=
80kPa
67 kPa
53kPa
(7.5)
Para cada relación, se calculó la velocidad correspondiente a la columna. Para dicho cálculo
fue necesaria la aplicación de la ley de los Gases Ideales. A continuación se explica la
obtención de la primera velocidad de trabajo:
PCV&C = m& C RTC
PRV&R = m& R RTR
m& C = m& R
si, TC = TR
PCV&C = PRV& R
si,
PR = 80kPa
V&R = 500 LPM
PC = 67 kPa
(80kPa )(500 LPM ) = 597 LPM
Æ V&C =
67 kPa
Por lo tanto, para la primera relación, la velocidad de la columna es 1.27 m/s. De igual
manera se obtuvo la segunda, relación fue 1.06 m/s
7.4 Inicio de pruebas de secado
Primero se realizó una prueba a presión atmosférica (80 Kpa) y a temperatura de 60 °C, por
ser el sistema más sencillo de controlar. El tiempo seleccionado del proceso de secado fue
de 120 minutos (2 horas), se obtuvieron muestras a 10, 20, 40, 60, 80, 100 y 120 minutos.
El maíz se precoció de la misma forma que para las pruebas de fluidinámica. Se observó
que con el producto
a estas especificaciones, no se logra la calidad ni la humedad
requerida. En la figura 7.4 se observa la curva de secado donde muestran los resultados
obtenidos.
Tabla 7.4 Datos obtenidos en la primera prueba de secado a presión atmosférica y 60°C.
t [min]
0
10
20
40
60
80
100
120
C (%)
75
68.5
63.89
56.31
32.54
22.51
30.14
22.43
Figura 7.4 Curva de secado de la primera prueba de secado a presión atmosférica y 60°C.
Como se puede apreciar en la tabla 7.4 y en la figura 7.4, la humedad alcanzada a un
tiempo máximo de 120 minutos (2 horas), fue de 22.43 %. Es alta ya que la que se espera es
aproximadamente de un 12%. Viendo estos resultados se decidió realizar otras dos pruebas
a la misma presión y temperatura que la primera prueba, pero con la diferencia de que una
sería a 30 minutos de cocción después de ebullir y la otra a 15 minutos, para ver si así el
producto absorbía menor cantidad de agua y se podía conseguir un mejor producto.
A continuación se muestran resultados obtenidos a 30 y a 15 minutos de cocción.
I. 30 minutos
Tabla 7.5 Datos obtenidos a 30 minutos de cocción. Prueba de secado a presión
atmosférica y a 60°C.
t [min]
C (%)
0
75
10
72.88
20
63.85
40
53.85
60
43.29
80
28.61
100
21.29
120
21.51
Figura 7.5 Curva de secado obtenida a 30 minutos de cocción. Prueba de secado a presión
atmosférica y a 60°C.
Figura 7.6 Producto secado a 30 minutos de cocción
II. 15 minutos
Tabla 7.6 Datos obtenidos a 15 minutos de cocción. Prueba de secado a presión
atmosférica y a 60°C.
t [min]
C (%)
0
75
10
67.32
20
68.98
40
49
60
39.03
80
31.12
100
27.87
120
26.64
Figura 7.7 Curva de secado obtenida a 15 minutos de cocción. Prueba de secado a presión
atmosférica y 60°C.
Figura 7.8 Producto secado a 15 minutos de cocción.
Figura 7.9
Comparación de las curvas de secado para diferentes períodos de cocción.
7.5 Observaciones de las pruebas de secado a presión atmosférica y temperatura de
60°C
Aunque se disminuyó el tiempo de cocción, no se alcanzó el porcentaje de humedad
requerida. La calidad del producto no es la deseada ya que no se puede volver a hidratar
para la ingesta humana. El producto en los tres casos, presenta el almidón del maíz
atrapado de una manera gelatinosa, haciendo imposible su hidratación. En pocas palabras
queda un producto inservible. Respecto a las curvas de secado, las tres muestran un
comportamiento aceptable y esperado de acuerdo a lo teórico, aunque se muestran altas y
bajas de humedad pero eso se le atribuye a detalles de la operación de la columna, ya que al
sacar las muestras, se tiene que aumentar el flujo a un máximo de 1200 L/min. Se observó
que existe un error en la realización de los experimentos ya que a una cocción de 15
minutos se llega a una humedad de 26.64 % y a 30 minutos de cocción se logra un
porcentaje de 21.51, que sólo es 0.92 menor que la humedad obtenida a 60 minutos de
cocción.
Analizando los resultados obtenidos se decidió realizar las pruebas de secado con
producto precocido a 5 minutos, ya que se espera que se logré la humedad requerida.
Se realizaron 18 pruebas experimentales de secado:
Tabla 7.7 Condiciones iníciales de los 18 experimentos a realizar.
Primera velocidad
1.27 m/s
Segunda velocidad
1.06 m/s
600 LPM / 80 kPa
30° C
500 LPM / 80 kPa
30° C
600 LPM / 80 kPa
45°C
500 LPM / 80 kPa
45°C
600 LPM / 80 kPa
60°C
500 LPM / 80 kPa
60°C
500 LPM / 67 kPa
30° C
420 LPM / 67 kPa
30° C
500 LPM / 67 kPa
45°C
420 LPM / 67 kPa
45°C
500 LPM / 67 kPa
60°C
420 LPM / 67 kPa
60°C
400 LPM / 53 kPa
30° C
330 LPM / 53 kPa
30° C
400 LPM / 53 kPa
45°C
330 LPM / 53 kPa
45°C
400 LPM / 53 kPa
60°C
330 LPM / 53 kPa
60°C