Modelamiento Del Proceso De Transferencia

ACTIVIDAD 5. TRABAJO COLABORATIVO 1

LILIAM TERESITA MANRIQUE DELGADO

JOHAN ALEXANDER PARRA SUSPES

I.Q. JAVIER ALFONSO PÉREZ CUBIDES

Tutor

UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA UNAD

ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA

ESPECIALIZACIÓN EN PROCESOS DE ALIMENTOS Y BIOMATERIALES

CURSO DE FENÓMENOS DE TRANSPORTE

CÓDIGO 201005A

BOGOTÁ D.C.

2012

CONTENIDO

RESUMEN 3

INTRODUCCIÓN 4

OBJETIVOS 6

1. GENERALIDADES 7

1.1 SECADO 7

1.2 SECADO POR ASPERSIÓN 7

1.3 COMPONENTES DE LOS SISTEMAS DE SECADO POR ASPERSIÓN 8

1.4 PROCESO DE SECADO POR ASPERSIÓN 10

2. BALANCE DE MATERIA Y ENERGÍA 13

3. FENÓMENOS DE TRANSPORTE 18

2.1 GENERALIDADES DE LOS FENÓMENOS DE TRANSPORTE 18

2.2 DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA 21

4. TRANSFERENCIA DE MASA Y CALOR 23

5. ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD DE LAS VARIABLES DEPENDIENTES CON RESPECTO A PARÁMETROS GEOMÉTRICOS DEL EQUIPO 28

CONCLUSIONES 31

BIBLIOGRAFÍA 32

RESUMEN

La elaboración de leche en polvo se realiza empleando un sistema de secado por aspersión donde la leche entera se atomiza formando unas micro-gotas que se encuentran con una corriente de aire caliente y allí ocurre el proceso de transferencia de masa y energía, donde se elimina el agua de la leche y queda el sólido conocido como leche en polvo.

El presente trabajo pretende modelar el proceso de transferencia de masa de la interfase aire-leche a nivel microscópico, por medio de la ley de Fick para transferencia de materia y la ley de Fourier para transferencia de masa.

INTRODUCCIÓN

El secado es una operación ampliamente utilizado en la industria de alimentos puesto que permite mejorar las características de estos y aumentar su vida útil ya que al extraer el agua de los alimentos se evita la proliferación de microorganismos y por ende el deterioro de los productos.

Uno de los métodos de secado empleados es el secado por atomización, el cual se usa en productos como soluciones y papillas, por ejemplo el café, té, ovoproductos, jugos, concentrados de fruta, suero, queso, proteína comestible, extracto de carne, entre otros.

Los alimentos son muy sensibles a las manipulaciones lo que hace que sus procesos de transformación se diseñen y operen teniendo en cuenta estas características especiales.

Muchos productos alimenticios son sensibles a las altas temperaturas, a los tiempos prolongados de secado o se requiere tener partículas muy finas. Por esto es secado por atomización permite eliminar el agua de los alimentos si alterara sus propiedades, puesto que emplea temperaturas bajas y tiempos cortos de secado.

Además de los beneficios mencionados el secado por aspersión permite el control de las variables finales del producto, condiciones asépticas, estandarización del proceso, poca variación de las propiedades organolépticas, características de polvo esférico y permite la encapsulación.

Por estas numerosas ventajas actualmente se emplea el secado por aspersión en las industrias lácteas para la obtención de leche en polvo. Este proceso es el que se pretende modelar a lo largo de este trabajo.

Sin embargo por la complejidad de su comportamiento reológico los fenómenos de transferencia de momento son más difíciles de analizar y, debido a la interrelación entre momento, transferencia de calor y de masa, tal problema se extiende a todos los fenómenos de transporte.

El presente trabajo quiere demostrar mediante un modelamiento de la trayectoria de la gota en un secador spray mirando el proceso de transferencia de masa dentro la cámara de secado. Para esto debemos basarnos en un sistema de ecuaciones que describa el proceso de secado a nivel microscópico y permita un mayor entendimiento del mismo. En donde se estudiara los mecanismos microscópicos del secado y los fenómenos de transporte a nivel de gota, para lo cual dará mayor entendimiento en el proceso de secado. Con esto es posible mirar de una manera más especifica las características del producto en donde se describen los modelos matemáticos que aplican al proceso.

El objetivo de este trabajo es desarrollar un modelo de una cámara de secado spray drive usando un modelo de distribución de tamaño de la gota.

Básicamente una solución de un alimento se atomiza en un secado por pulverización o spray drive en un la cámara de secado. La solución también contiene un gas latente (agente de soplado), que, conduce a la formación del núcleo. Como las gotas son expuestas al aire caliente, se evapora el disolvente formando una capa de mayor concentración del alimento en el límite exterior de la gota. A medida que la gota continúa su recorrido se encoger formando una capa impermeable.

Al término de la evaporación del disolvente, la temperatura de la gota (ahora convertida en una partícula) se eleva, dando como resultado la descomposición del agente de soplado atrapado en el centro de la partícula; formando así el núcleo.

OBJETIVOS

Seleccionar un proceso de la industria de alimentos, que involucre transferencia de masa.

Realizar un modelamiento del proceso hasta llegar a obtener un sistema de ecuaciones que describa el proceso ya sea desde el inicio del equipo hasta la salida (para procesos de estado estable) o desde el tiempo cero hasta el tiempo de culminación (para procesos por lotes). Utilizar el máximo nivel de detalle posible.

Resolver el sistema de ecuaciones y generar gráficos del comportamiento de las variables (concentración, fracciones másicas o molares etc.) con respecto a la posición y/o el tiempo.

Realizar un análisis de sensibilidad de las variables dependientes con respecto a parámetros geométricos del equipo (p.e. altura, diámetro, profundidad).

GENERALIDADES

1.1 SECADO

El secado es una operación unitaria que consiste en la eliminación de líquidos volátiles, principalmente agua. En esta operación ocurre una transferencia simultánea de materia y energía entre las fases gas – sólido, donde el líquido en el sólido se transfiere por evaporación hacia la fase gaseosa, en base al gradiente de humedad entre el sólido húmedo y la corriente gaseosa. Cuando estas dos concentraciones se igualan, se dice que el sólido y el gas están en equilibrio y el proceso de secado termina.

Los equipos de secado en general se pueden clasificar en continuos y discontinuos y cada uno de estos en directos e indirectos. En los secadores directos la transferencia ocurre por convección mientras que en los secadores indirectos la transferencia ocurre por conducción. (NONHEBEL & MOSS, 2002)

1.2 SECADO POR ASPERSIÓN

Este método de secado por aspersión se denomina también secado flash, secado por atomización, secado por pulverización o “spray drying”. De acuerdo a la clasificación de equipos de secado el secado por atomización es continuo y directo (convectivo).

El principio del secado por aspersión es la obtención de un producto en polvo a partir de un material líquido concentrado que se pulveriza finamente formando una niebla que entra en contacto con una corriente de aire caliente que actúa como medio calefactor y fluido de transporte.

En estos sistemas la transformación tiene lugar mediante una única operación de una alimentación líquida (solución, suspensión o emulsión) en un producto seco en polvo.

La alimentación es atomizada mediante un disco giratorio o boquillas de aspersión, donde la nube de gotas formada entra en contacto directo y por poco tiempo con una corriente de aire caliente; en consecuencia, se presente una rápida evaporación que mantiene bajas temperaturas en las gotas atomizadas, favoreciendo la aplicación de altas temperaturas en el aire de secado sin afectar las características del producto.

En la Ilustración 1 se encuentra un esquema del mecanismo de secado por aspersión donde se observa la formación de partículas sólido-agua dispersas en el aire comprimido, el sólido se aglomera dentro de la partícula permitiendo la evaporación rápida sin afectar las características del producto.

Ilustración 1. Mecanismo de secado por aspersión

Fuente: Spray Process. http://www.sprayprocess.com.br/espanhol/secado-por-atomizacion.asp

1.3 COMPONENTES DE LOS SISTEMAS DE SECADO POR ASPERSIÓN

Las partes básica de un sistema de secado por aspersión son:

Cámara de secado: comúnmente son de tipo cilíndrico con un cono inferior que hace un ángulo con la vertical entre 40 y 60º para que pueda ser retirado de allí el polvo por gravedad. Esta unidad está aislada térmicamente para reducir pérdidas energéticas. Su tamaño varía desde unos metros hasta 30 metros de altura en las unidades más grandes.

Atomizador: existen tres métodos

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