Diseño de un secador por atomización a nivel piloto para jugo concentrado de tomate de árbol
Autor: Yanza Hurtado, Erik Germán
Asesor: Orrego Alzate , Carlos Eduardo  (Thesis advisor)
Fecha: 2003
Programa: Bogotá - Medicina -Fisioterapia
Facultad: Facultad de Medicina

Resumen: Los alimentos deshidratados, en especial los de la zona andina y dentro de ellos el tomate de árbol, representan un interés comercial ya sea para consumo directo, complemento de otros alimentos o productos farmacéuticos. Se estudia la técnica de secado por atomización también llamada aspersión, rocío o spray donde un líquido, en nuestro caso jugo concentrado, se transforma en un producto seco pulverulento. Se manipulan las variables de mayor incidencia dentro de la operación de secado. Es necesario emplear un agente encapsulante y un tratamiento enzimático para contrarrestar los efectos de la temperatura y reducir la viscosidad del jugo de tomate concentrado. Las variables de salida como tamaño de partícula y humedad final son determinadas por microscopía electrónica de barrido ambiental y método gravimétrico, respectivamente. Se obtienen distribuciones de tamaño de partícula en función de la temperatura de entrada y la concentración, esta última determinada por los grados Brix. El diseño del equipo contiene los elementos que constituyen un secador pos aspersión a saber: sistema de alimentación, sistema dispersor, cámara de secado, sistema recolector de sólidos y sistema de calentamiento de aire todo tipo piloto y está basado en los datos obtenidos en este estudio. / Abstract: Spray drying process is the most commonly used method in industries to produce fruit juice powder. The purpose this work is to determine the dimensions of the equipment necessary for to process of dehydration of juice concentrate of tamarillo (Cyphomondra betacea cav sendt). A study of these necessary additives was done. The resulting product has acceptable organoleptical characteristics. A spray dryer were tested to obtain powder from concentrated juice of tamarillo, with arabic gum as drying-aid agent. However, one of the major problems in spray drying of fruit juices is the stickiness due the high hygroscopicity and thermoplastic nature of powders give rise to problems such as adhesion to dryer walls, difficult handling, caking, etc. The equipment basic are: pump, electrical heater to air, chamber dryer, atomizer nozzle rotary and cyclone for gas-solid separation.

DISEÑO DE UN SECADOR POR ATOMIZACIÓN A NIVEL PILOTO PARA
JUGO CONCENTRADO DE TOMATE DE ARBOL
ERIK GERMAN YANZA HURTADO
UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA
SEDE MANIZALES
FACULTAD DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA
LÍNEA DE PROFUNDIZACIÓN ALIMENTOS
MANIZALES
2003
1DISEÑO DE UN SECADOR POR ATOMIZACIÓN A NIVEL PILOTO PARA
JUGO CONCENTRADO DE TOMATE DE ARBOL
ERIK GERMAN YANZA HURTADO
Trabajo de grado para optar al título de Ingeniero Químico
Modalidad: Proyecto final
Director:
Ing. Carlos Eduardo Orrego Alzate
Especialista en ciencia y tecnología de alimentos
UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA
SEDE MANIZALES
FACULTAD DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA
LÍNEA DE PROFUNDIZACIÓN ALIMENTOS
MANIZALES
2003CONTENIDO
Pág.
INTRODUCCIÓN 1
2. OBJETIVOS 4
2.1 OBJETIVO GENERAL 4
2.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS 4
3. MARCO TEORICO 5
3.1 TOMATE DE ARBOL 5
3.1.1 Generalidades 5
3.1.2 Variedades de tomate de árbol 6
3.1.3 Lugares de cultivo 6
3.14 Exportaciones y precios 6
3.2 PRODUCCIÓN DE JUGOS Y CONCENTRADOS DE FRUTAS 6
3.2.1 Atomización de jugos de frutas 6
3.2.2 Definición de grados Brix 7
3.2.3 Papel de las enzimas 7
3.2.4 Aplicaciones de las enzimas 8
3.2.5 Concentración 8
3.3 ADITIVOS EN LOS ALIMENTOS 9
3.3.1 Clasificación de los aditivos 9
3.3.2 Estabilizantes: emulgentes, espesantes y gelificantes 9
3.3.3 Criterios generales para la utilización de los aditivos 10
3.4 TECNOLOGÍA DEL SECADO 11
3.4.1 Criterios para escoger el método de secado 12
3.5 EQUIPOS PARA SECADO 14
3.5.1 Secado en gabinete 14
3.5.2 Secador rotatorio 14
3.5.3 Secador de tambor 15
3.5.4 Secado en lecho estático y fluidizado 15
3.5.5 Secador de lecho fluidizado 16
3.6 SECADO POR ASPERSIÓN 16
3.7 ELEMENTOS DE UN SECADOR POR ASPERSION 19
3.7.1 Calentador de aire 20
3.7.2 Sistema de aspersión 21
3.7.3 Cámara de secado 25
3.7.4 Descarga del producto seco de la cámara de secado 30
3.7.5 Sistema de recolección de sólidos 32
3.7.6 Sistema de alimentación 35
3.8 SISTEMAS DE DOS ETAPAS 383.9 APLICACIONES DEL SECADO POR ASPERSIÓN 39
3.10 EFECTO DE LAS VARIABLES DE OPERACIÓN EN EL CONSUMO
ENERGÉTICO DEL SECADOR 40
3.10.1 Efecto de la temperatura en la entrada 40
3.10.2 Efecto del contenido de sólidos en el alimento 41
3.10.3 Efecto de la diferencia de temperaturas 42
3.10.4 Efecto de la humedad 42
3.10.5 Efecto de la temperatura del alimento 43
3.11 CALCULO DE SECADORES 43
3.12 FUNCIONAMIENTO DE SECADORES 44
3.12.1 Eficiencia térmica máxima 45
3.12.2 Eficiencia térmica total 45
3.12.3 Eficiencia evaporativa 46
3.12.4 Porcentaje de reducción de temperatura 46
3.13 TIEMPO DE RESIDENCIA DENTRO DE LA CAMARA DE SECADO 47
3.14 RECIRCULACIÓN DEL AIRE 47
3.15 DISEÑO DE UN SECADOR POR ASPERSIÓN 48
3.16 PROCEDIMIENTO DE ESCALADO 50
3.17 EVAPORACIÓN DE GOTAS DE LIQUIDOS PUROS 51
3.18 EVAPORACIÓN DE GOTAS CON MATERIAL COLOIDAL 53
3.19 MICROSCOPIA ELECTRÓNICA DE BARRIDO AMBIENTAL 54
3.19.1 Componentes de un microscopio electrónico de barrido 56
4. MODELO MATEMÁTICO 57
4.1 ATOMIZADORES ROTATORIOS 57
4.1.1 Tamaño promedio de las gotas 57
4.1.2 Distribución de tamaños 57
4.1.3 Potencia necesaria 58
4.2 BALANCES DE MATERIA Y ENERGIA 58
4.2.1 Ecuaciones para la eficiencia térmica global y evaporativa 59
4.3 ECUACIONES PARA LA INTERACCION GOTA AIRE 59
4.3.1 Ecuaciones de balance de materia y energía en la gota 60
4.3.2 Ecuación para el tiempo de secado 61
4.4 ECUACIÓN PARA LA CAMARA DE SECADO 62
4.5 ECUACIÓN PARA EL CICLON 63
4.6 ECUACIÓN PARA LA BOMBA 65
4.7 ECUACIÓN PARA EL CALENTADOR DE AIRE 66
5. DESARROLLO DEL PRIMER OBJETIVO 67
5.1 METODOLOGÍA 67
5.1.1 Localización 67
5.1.2 Materia prima 67
5.1.3 Preparación del jugo de tomate 68
5.1.4 Composición química del tomate de árbol 69
5.1.5 Determinación de las propiedades físicas del jugo y el producto 695.1.6 Concentración del jugo 71
5.1.7 Viscosidad 71
5.1.8 Tratamiento enzimático 71
5.1.9 Secado en el laboratorio 71
5.1.10 Variables propias del secador por aspersión de laboratorio 71
5.1.11 Determinación de la humedad final del producto 73
5.1.12 Tamaño de partícula 74
5.2 RESULTADOS 75
5.2.1 Características físicas del jugo de alimentación al secador 75
5.2.2 Propiedades físicas del jugo sin aditivo 75
5.2.3 Propiedades físicas del jugo con aditivo 75
5.2.4 Viscosidad 76
5.2.5 Operación de secado en el laboratorio 76
5.2.6 Humedad final 76
5.2.7 Imágenes obtenidas en el microscopio 77
5.2.8 Distribución de tamaño de partícula 78
6. DESARROLLO DEL SEGUNDO OBJETIVO 81
6.1 ATOMIZADOR ROTATORIO 81
7. DESARROLLO DEL TERCER OBJETIVO 82
7.1 METODOLOGIA 82
7.2 BALANCES DE MATERIA Y ENERGIA DEL SECADOR 83
7.3 INTERACCION GOTA AIRE 87
7.4 ECUACIONES PARA LOS TIEMPO DE SECADO 89
7.5 CAMARA DE SECADO 91
7.6 RECOLECTOR DE SÓLIDOS: CICLON 93
7.7 BOMBA DE ALIMENTACIÓN 95
7.8 CALENTADOR DE AIRE 98
8. DESARROLLO DEL CUARTO OBJETIVO 102
9. DESARROLLO DEL QUINTO OBJETIVO 103
9.1 EFICIENCIA TERMICA GLOBAL 103
9.2 EFICIENCIA DE LA EVAPORACIÓN 103
9.3 EFICIENCIA TERMICA MÁXIMA 104
10. CONCLUSIONES 105
11. RECOMENDACIONES 106
BIBLIOGRAFÍA 107
ANEXOS 110LISTA DE CUADROS
pág.
Cuadro 1 Esquemas de proceso usados en secado spray 19
Cuadro 2 Comparación de boquillas atomizadoras de presión y rotativas 25
Cuadro 3 Eficiencias térmicas en operaciones típicas de secado por aspersión
que comprenden diferentes diseños de cámaras 30
Cuadro 4 Ventajas y desventajas de las cámaras de base cónica y plana 31
Cuadro 5 Comparación de sistemas de una y dos etapas funcionando para un
tamaño de cámara fijo 39
Cuadro 6 Productos obtenidos pos secado spray 40
Cuadro 7 Efecto de la temperatura en la entrada en el calor específico
consumido para un sistema integrado de flujo mezclado con secador
spray fluidizado con boquilla atomizadota 41
Cuadro 8 Efecto de los sólidos en el calor requerido para producir un (1)
kilogramo de producto 42
Cuadro 9 Efecto de la diferencia de temperatura en el calor requerido para
evaporar un (1) kilogramo de agua 42
Cuadro 10 Efecto de la humedad ambiente en la capacidad de secado 43
Cuadro 11 Grupos adimensionales 52
Cuadro 12 Efecto del contenido de sólidos en el alimento en la cantidad de
humedad evaporada para producir una unidad másica de polvo seco
(contenido humedad final 2%) 54
Cuadro 13 Efecto de las variables sobre el tamaño de la gota 57
Cuadro 14 Valores de K y exponentes aplicables a la ecuación 10 58
Cuadro 15 Relación entre tamaño promedio de partícula y diámetro mínimo para
la cámara de secado 62
Cuadro 16 Relación entre altura y diámetro de la cámara de secado 63
Cuadro 17 Relaciones entre tamaño de partícula y eficiencia de los ciclones 63
Cuadro 18 Relaciones geométricas mínimas para los ciclones 64
Cuadro 19 Composición química del tomate de árbol 69
Cuadro 20 Diseño experimental utilizado para evaluar el proceso de atomización 73
Cuadro 21 Propiedades físicas del jugo sin aditivo a 11 ºBrix 75
Cuadro 22 Propiedades físicas del jugo sin aditivo a 25 ºBrix 75
Cuadro 23 Propiedades físicas del jugo con aditivo 76
Cuadro 24 Valores de viscosidad antes y después del tratamiento enzimático 76
Cuadro 25 Relación de las variables manipuladas en el secador 76
Cuadro 26 Relación de humedad final, temperatura de secado y grados Brix 77Cuadro 27 Correlaciones para calcular el calor específico de los alimentos como 85
función de la temperatura
Cuadro 28 Capacidad calorífica para el agua y el aire 85
Cuadro 29 Ecuaciones para calcular propiedades físicas del aire y agua 88
Cuadro 30 Especificación de las variables para la cámara de secado 92
Cuadro 31 Variables especificadas para el ciclón 94
Cuadro 32 Variables especificadas para la bomba 96
Cuadro 33 Material y máxima temperatura disponible para la vaina 98
Cuadro 34 Variables especificadas para el calentador de aire 99LISTA DE FIGURAS
Pág.
Figura 1 Esquema ciclo abierto 18
Figura 2 Esquema ciclo cerrado 18
Figura 3 Elementos de un secador por aspersión 20
Figura 4 Resistencias eléctricas 21
Figura 5 Boquilla atomizadota rotatoria 23
Figura 6 Boquilla atomizadota a presión 23
Figura 7 Posición del disco atomizador en relación al flujo de aire 25
Figura 8 Cámaras de secado con flujo en paralelo 27
Figura 9 Cámara de secado con flujo en contracorriente 28
Figura 10 Cámara de secado con flujo mezclado 29
Figura 11 Bases de descarga inicial de producto 30
Figura 12 Diseños combinados de cámaras de secado 32
Figura 13 Esquemas de ciclones convencionales 33
Figura 14 Representación esquemática de un secador por atomización 45
Figura 15 Evaluación de las eficiencias en un secador spray por medio de un
gráfico psicrométrico 46
Figura 16 Representación del proceso de recirculación de aire para un secador
por atomización 48
Figura 17 Mecanismo de secado de gotas en forma simplificada 53
Figura 18 Esquema de un ciclón con sus principales variables de diseño 64
Figura 19 Imagen de partículas de tomate de árbol tomadas por E.S.E.M voltaje
acelerador 15 kV, magnificación 1500X(Temperatura 120ºC, 11ºBrix) 77
Figura 20 Imagen de partículas de tomate de árbol tomadas por E.S.E.M voltaje
acelerador 15 kV, magnificación 280X 78
Figura 21 Imagen de partículas de tomate de árbol tomadas colapsando a una
temperatura de 66ºC toamada por E.S.E.M voltaje acelerador 15 kV,
magnificación 300X 78
Figura 22 Histograma de distribución de partícula Temperatura 120ºC y 11 ºBrix 79
Figura 23 Histograma de distribución de partícula Temperatura 130ºC y 11 ºBrix 79
Figura 24 Histograma de distribución de partícula Temperatura 140ºC y 11 ºBrix 80
Figura 25 Diagrama cualitativo del proceso de secado 83
Figura 26 Diagrama cuantitativo del proceso de secado 84
Figura 27 Cámara de secado 91
Figura 28 Esquema de un ciclón con entrada tangencial 93
Figura 29 Bomba de alimentación 95
Figura 30 Esquema de un calentador de aire 98LISTA DE ANEXOS
Pág.
Anexo A Cálculos para la boquilla atomizadota 111
Anexo B Cálculos para la cámara de secado 115
Anexo C Cálculos para el recolector de sólidos: ciclón 118
Anexo D Carta de fabricante para la bomba 119
Anexo E Carta de fabricante para calentador de aire 120
Anexo F Código de computador y manual de usuario 121RESUMEN
Los alimentos deshidratados, en especial los de la zona andina y dentro de ellos el tomate
de árbol, representan un interés comercial ya sea para consumo directo, complemento de
otros alimentos o productos farmacéuticos.
Se estudia la técnica de secado por atomización también llamada aspersión, rocío o spray
donde un líquido, en nuestro caso jugo concentrado, se transforma en un producto seco
pulverulento. Se manipulan las variables de mayor incidencia dentro de la operación de
secado.
Es necesario emplear un agente encapsulante y un tratamiento enzimático para contrarrestar
los efectos de la temperatura y reducir la viscosidad del jugo de tomate concentrado.
Las variables de salida como tamaño de partícula y humedad final son determinadas por
microscopía electrónica de barrido ambiental y método gravimétrico, respectivamente. Se
obtienen distribuciones de tamaño de partícula en función de la temperatura de entrada y la
concentración, esta última determinada por los grados Brix.
El diseño del equipo contiene los elementos que constituyen un secador pos aspersión a
saber: sistema de alimentación, sistema dispersor, cámara de secado, sistema recolector de
sólidos y sistema de calentamiento de aire todo tipo piloto y está basado en los datos
obtenidos en este estudio.ABSTRACT
Spray drying process is the most commonly used method in industries to produce fruit juice
powder.
The purpose this work is to determine the dimensions of the equipment necessary for to
process of dehydration of juice concentrate of tamarillo (Cyphomondra betacea cav sendt).
A study of these necessary additives was done. The resulting product has acceptable
organoleptical characteristics.
A spray dryer were tested to obtain powder from concentrated juice of tamarillo, with
arabic gum as drying-aid agent. However, one of the major problems in spray drying of
fruit juices is the stickiness due the high hygroscopicity and thermoplastic nature of
powders give rise to problems such as adhesion to dryer walls, difficult handling, caking,
etc.
The equipment basic are: pump, electrical heater to air, chamber dryer, atomizer nozzle
rotary and cyclone for gas-solid separation.INTRODUCCIÓN
En muchas áreas de la industria química, el producto de un proceso es un líquido que
contiene un valioso material sólido en forma suspendida o disuelto. En muchos casos es
ventajoso separar el material sólido de el solvente para obtener el material seco. El objetivo
puede ser reducir costos en transporte o porque el material tiene mejores propiedades en
forma seca que cuando está disuelta.
El secado por aspersión es un proceso para convertir un alimento líquido en un polvo por
evaporación de el solvente. Comparado con otros procesos de evaporación, el secado por
aspersión tiene la gran ventaja que el producto puede ser secado sin mucha pérdida de
volátiles o componentes termolábiles. Estas ventajas son especialmente importantes en la
producción de material alimenticio tales como leche en polvo y café instantáneo. Los
volátiles en estos procesos son aromas; los componentes termolábiles son las proteínas.
Los secadores por aspersión son ampliamente usados en la industria, ellos se encuentran en
el punto final de la planta, ellos tienen un lugar importante en el proceso ya que en la
inversión de capital, el tamaño y costo de operación son significantes.
El principio básico del secado por aspersión es el extenso contacto de el líquido con el
medio secante, usualmente aire. El aire suministra la energía para la evaporación y
“absorber” el solvente en forma de vapor (usualmente agua). Cuatro etapas forman parte
del proceso de secado por aspersión. La primera etapa tiene lugar en el corazón del
proceso: el atomizador. La corriente de líquido es dispersada por el atomizador en una
cantidad enorme de pequeñas gotas. El tamaño de la partícula generada tiene orden de
micras. Atomizadores comúnmente utilizados son los de disco rotatorio, boquillas de
presión y las boquillas de dos fluidos. En este trabajo se reportan datos obtenidos con la
boquilla de dos fluidos, el alimento es forzado a través de un pequeño orificio. Una lámina
cónica líquida de pequeñas partículas se forma después del orificio de salida.
La segunda etapa es la dispersión de las partículas en el aire (mezcla aire-rocío). La
superfície de la mezcla aire-rocío tiene gran influencia en el secado de las partículas. El
secado propiamente es considerado como la tercera etapa.
Recolección de los sólidos secos es la última etapa. Esto usualmente comprende la
remoción del polvo de las paredes de la cámara de secado, en la industria se emplean
escobas de aire o raspadores giratorios y la separación del polvo del aire por ciclones.Los secadores por aspersión tienen diversas formas (alargados con diámetro pequeño o
cortos con diámetro grande) y tipos (contracorriente, paralelo o flujo mezclado). Los de
corriente en paralelo son los más usados cuando es necesario retener aromas y evitar la
degradación térmica.
Uno de los problemas asociados con el proceso de secado por aspersión es que es muy
difícil predecir la calidad del producto. En este punto la calidad del producto consiste de
parámetros tales como contenido de humedad, degradación térmica, retención de aromas,
forma y tamaño de las partículas, apelmazamiento, etc. Los parámetros de calidad en el
producto final es el resultado de la historia de la partícula cuando es sometida a la
temperatura del aire, humedad inicial, contenido inicial de sólidos, viscosidad, densidad,
degradación térmica.
La combinación de estos factores es llamado modelo de equipo y comprende la influencia
del proceso de secado. Modelos de equipos se ha desarrollado en décadas pasadas, muchos
de ellos basados en suposiciones que se presentan en la cámara de secado, especialmente a
la mezcla aire-rocío. En estos modelos las variaciones de la temperatura del aire y tiempos
de residencia son despreciables; el flujo de aire y de partículas no se consideran. Además,
muchas propiedades no son lineales como por ejemplo la cantidad de humedad evaporada.
El objetivo de este proyecto es desarrollar un modelo fundamental para predecir, en menor
grado, la calidad del producto teniendo en cuenta las variables que se pueden medir
apoyado en las imágenes que se observaron con el uso de la microscopía electrónica de
barrido. El software desarrollado, con el paquete MATLAB, no involucra la dinámica de
los fluidos ya que estos hacen parte de técnicas avanzadas en métodos numéricos, que son
estudiados en niveles superiores a los de pregrado.
Se empleo la técnica de secado por aspersión para obtener un deshidratado a partir de
tomate de árbol con el fin de proponer un diseño a nivel piloto de un secador de este tipo, el
estudio de los parámetros de diseño a nivel de laboratorio permiten evadir en cierto grado la
experiencia del diseñador y en cierto grado el empirismo con que algunas veces se
formulan y diseñan equipos. La obtención de las medidas básicas, modo de operación de
los elementos que constituyen un secador de este tipo son la aplicación de los resultados
obtenidos en el laboratorio, las variables asociadas a este proceso indican la interacción de
las leyes básicas de transferencia de calor, masa y cantidad de movimiento.En la Sede se han realizado diferentes trabajos a nivel de laboratorio para evaluar el
producto obtenido mediante análisis fisico-químico, tales observaciones prevén un futuro
promisorio para los alimentos deshidratados por este método de secado. A nivel mundial
los estudios son variados y profundamente analizados mediante técnicas que permiten una
mejor interpretación de los fenómenos que se involucran para tomar medidas correctivas
cuando ya se esté trabajando a nivel piloto.
Se presentan diversos limitaciones en el manejo de jugo debido a su alto contenido de
sólidos, alta viscosidad y densidad, sensibilidad a las altas temperaturas, el almacenamiento
para realizar pruebas posteriores son factores a tener en cuenta antes de especificar el
diseño del equipo.
El método experimental permitió contrastar las variables escogidas de diseño con el
producto final obtenido, los resultados son satisfactorios y aplicables en primera instancia
al diseño del equipo.2. OBJETIVOS
2.1 OBJETIVO GENERAL
o Diseño de un secador por atomización a nivel piloto para jugo concentrado de
tomate de árbol.
2.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS
o Determinar, cuantificar y optimizar experimentalmente las variables de mayor
incidencia para el diseño del equipo: flujo de alimento y su contenido de sólidos,
temperatura del fluido de servicio (aire), temperatura en el interior de la cámara de
secado, humedad y tamaño de partícula en el producto final.
o Estudio y selección de la mejor boquilla para el secador.
o Diseño de la cámara de secado y equipos auxiliares: recolector de sólidos (ciclón),
bomba de alimentación y calentador de aire.
o Elaborar un programa o código de computadora que contenga todas las ecuaciones
de diseño, para obtener las dimensiones de los equipos que intervienen en el
proceso; aplicadas a otras situaciones pero de las mismas características señaladas
en el primer objetivo.
o Calcular teóricamente la eficiencia térmica global y la de evaporación.3. MARCO TEORICO
3.1 TOMATE DE ARBOL (∗)
3.1.1 Generalidades. Nombre: Tomate de árbol, Tamarillo.
Nombre científico: Cyphomandra betacea (cav) sendt.
Familia: Solamaceae.
Se escogió el tomate de árbol para el trabajo por los siguientes factores adicionales (2):
• Es una fruta cultivada en varias zonas del país
• Es uno de los materiales de trabajo del proyecto “Estudio fisicoquímico de
productos vegetales de baja humedad” (Código DIMA 20201002541 ) :Algunas de
las actividades de este trabajo de grado hacen parte de la mencionada investigación
• Perecibilidad, sensibilidad al transporte, manipulación y contenido apreciable de
sólidos solubles.
El tomate de árbol corresponde al tipo biológico de arbusto semileñoso, alcanza 2 ó 3
metros de altura, presenta ciclo vegetativo incesante. Crece en zonas con altitudes que
varían de 1000 a 3000 msnm. En altitudes inferiores a 1000 msnm no fructifica bien porque
durante la noche la temperatura no es lo suficientemente baja. La producción empieza al
año y medio después de la siembra, siendo intensa solamente por 4 ó 5 años (5 meses/año)
pudiendo durar de 10 a 12 años.
Esta fruta exótica es originaria de la vertiente oriental de los Andes, específicamente Perú,
Ecuador y Colombia. Perteneciente al grupo de las frutas semiácidas, se la ha conocido con
diversos nombres en distintas regiones, hasta que alrededor de 1970 en Nueva Zelanda se le
asignó el nombre “tamarillo”, posicionándose como la designación comercial generalizada
para el tomate de árbol en el mercado mundial.
Esta baya aromática de forma ovoidal, punteada en su extremo inferior y con un cáliz
cónico, está cubierta por una cáscara gruesa, lisa, brillante y cerácea, de sabor amargo, en
tonos ladrillo, rojos, naranjas y amarillos según la variedad.
____________
∗ Documento de Carlos Orrego A. Director DIMA. Manizales. 8 de Octubre de 2003.En el interior, los colores de la pulpa varían entre naranja, rojo y amarillo; esta es
ligeramente firme, suave y jugosa, con un sabor agridulce. En el centro de la fruta, rodeadas
de pulpa más suave que la capa exterior, se encuentran entre 200 y 400 pequeñas semillas
comestibles, de forma plana y circular.
3.1.2 Variedades de tomate de árbol. Se producen tres variedades reconocidas de tomate de
árbol, aunque comercialmente no se las diferencia:
Tomate común: de forma alargada, color morado y anaranjado.
Tomate redondo: de color anaranjado rojizo.
Tomate mora: de forma oblonga y de color morado.
3.1.3 Lugares de cultivo. En Colombia, los principales lugares de cultivo de tomate de
árbol son Antioquia, Cundinamarca, Tolima, Valle del Cauca, Santander y Huila. La zona
de concentración está en la región cafetera que posee un clima templado y una altura de
1200 a 2200 msnm. El rendimiento promedio alcanza en Colombia a 20 TM/ha. Las
plantaciones efectuadas se han logrado en áreas donde por efecto precio se ha sustituido
papa y fríjol, por tomate de árbol. Es uno de los frutales considerado como alternativa en la
diversificación de cultivos sembrados por amapola. En cuanto a los rendimientos, éstos se
mantuvieron entre 12 y 14 Ton/ha en el periodo comprendido entre 1992-2000.
3.1.4 Exportaciones y precios. Colombia exportó durante el año 2000 cerca de 67247
Kilos a los Estados Unidos, muy por debajo de países como México y Chile. A Europa
exporta a países como Alemania, Bélgica, Dinamarca, Finlandia, España, Suecia, Suiza,
Italia, Holanda, Reino Unido, Francia y Holanda a un promedio de 5.49 USD/Kg como
precio de importación durante el mismo año.
3.2 PRODUCCIÓN DE JUGOS Y CONCENTRADOS DE FRUTAS (1, 4)
3.2.1 Atomización de jugos de frutas. Sólidos obtenidos a partir de jugos concentrados de
frutas representan un interés comercial, esta forma física puede suministrarse para impartir
color y sabor a alimentos y productos farmacéuticos. Sin embargo, la alta higroscopicidad y
naturaleza termoplástica de los polvos dan lugar a problemas como adhesión a las paredes
del secador, difícil manejo, apelmazamiento debido a que todos los jugos de fruta contienen
azúcares y este contenido de azúcares hace extremadamente difícil secar jugos de frutas
puro en una operación continua.Las proporciones variadas de sacarosa, fructosa y glucosa están generalmente presentes en
estado amorfo; tales azúcares son muy higroscópicos e influyen en las características
finales del producto. Conducen a diferentes niveles de sorción de agua y cambios en el
estado de transición de fase.
El fenómeno de transición de fase es muy importante en el secado de productos
alimenticios con bajo contenido de humedad (1, 4).
Este fenómeno está relacionado con el colapso (liofilización), adherencia (secado spray),
aglomeración (polvos instantáneos), cristalización (pérdida de homogeneidad en ciertos
alimentos) o apelmazamiento (almacenamiento). Esta transformación ya sea deseable o no,
depende de las variaciones del contenido de agua, actividad de agua y temperatura, y en la
velocidad de estos cambios (1, 4).
La rápida eliminación de humedad durante el secado spray resulta en otro producto
completamente amorfo o en algunas ocasiones se presentan regiones microcristalinas
dispersas en la masa amorfa. El estado amorfo es un estado metaestable y no presenta
equilibrio (1).
El secado es controlado por medio del producto y las condiciones del aire a la entrada (flujo
y temperatura). Finalmente, el producto es recuperado del aire.
3.2.2 Definición de grados Brix. Originalmente los grados Brix son una medida de
densidad. Un grado Brix es la densidad de una solución de sacarosa al uno (1) por ciento
(peso/volumen) medida a 20ºC. A esta densidad corresponde un determinado índice de
refracción. Una escala refractométrica en grados Brix corresponde a los índices de
refracción de soluciones de sacarosa de distintas concentraciones. De este modo, se dice
que un zumo de fruta tiene una concentración de un (1) grado Brix, cuando su índice de
refracción es igual al de una solución de sacarosa al uno (1) por cien (100). Sin embargo,
debido a que los sólidos disueltos en un zumo no son solamente sacarosa sino que hay
además otros azúcares (glucosa, fructosa etc), ácidos y sales minerales, un (1) grado Brix
en un zumo de fruta, no equivale exactamente a una concentración de sólidos disueltos en
1gr/100 ml. (6)
3.2.3 Papel de las enzimas. Las enzimas son moléculas proteicas que actúan como
catalizadores biológicos, al catalizar todas las reacciones del metabolismo celular, y
proporcionar los medios para que se realicen funciones complejas tales como la síntesis delmaterial genético, de polímeros estructurales y de otras sustancias celulares y que también
son la base de industrias tradicionales a gran escala como la cervecería y panadería (20).
Las enzimas consisten en cadenas de L-aminoácidos unidos covalentemente en una
secuencia definida, denominada estructura primaria, y enrollados en forma compleja con un
centro activo, formado por relativamente pocos aminoácidos que son los responsables (20).
directos de la unión con el sustrato y que catalizan la reacción característica de cada tipo
particular de la enzima. No es necesario conocer la composición en aminoácidos de la
enzima o su estructura tridimensional para su uso a gran escala tanto en la industria como
en las aplicaciones analíticas o médicas (20).
3.2.4 Aplicaciones de las enzimas. En la industria de hoy se procesan un gran rango de
frutas tropicales o de clima templado. Durante la maceración de la uva se añaden mezclas
de pectinasa, hemicelulasa y celulasas con el fin de mejorar la extracción del zumo, color,
sabor y aroma. En la frutas inmaduras, la pectina se encuentra en forma insoluble y ayuda a
mantener la dureza de la fruta, pero cuando está madura la pectina es degradada
parcialmente por las enzimas haciendo que sea más blanda (20).
La enzima más utilizada en el tratamiento de las frutas es la pectinasa, que se añade al
zumo degradando los enlaces 1,4-α-D-galacturónicos de la pectina, componente estructural
de las frutas. La pectina es un heteropolisacárido, componente estructural de diversas frutas
y verduras, que puede solubilizarse al menos parcialmente durante el procesado. El
tratamiento con pectinasa reduce la viscosidad del zumo y permite la obtención de un
producto más concentrado y estable (20).
3.2.5 Concentración de los jugos de frutas. Para concentrar un jugo de fruta se emplean
bajas temperaturas y bajas presiones, con el fin de mantener las propiedades organolépticas.
Por ejemplo, cuando se trabaja a una temperatura de 40ºC , en un baño isotérmico, la
presión adecuada es de 84 milibar. La operación de concentración puede tardar entre siete y
ocho horas empleando un Rotavapor, como el que utilizamos en el laboratorio *.
____________
Manual de usuario Rotavapor Büchi R-114. Laboratorio Procesos Productivos U.N
Manizales. 2003.3.3 ADITIVOS EN LOS ALIMENTOS
La reglamentación alimentaria define como “aditivo alimentario” cualquier sustancia o
mezcla de sustancias distintas a los alimentos básicos, que se encuentran en un alimento
como resultado de algún aspecto de la producción, elaboración, almacenamiento o
envasado (16).
Los aditivos se utilizan en los alimentos por varias razones:
1. Disponer de alimentos sanos, que no perjudiquen la salud del consumidor y que
mantengan sus cualidades organolépticas y microbiológicas hasta el momento de su
consumo.
2. Disponer de alimentos más baratos, menor costo y mantener su sabor.
3. Mejora de los alimentos, las características organolépticas de un alimento (color,
textura, sabor, olor) son las que atraen al consumidor (16).
3.3.1 Clasificación de los aditivos alimentarios en función de su acción (16). Los aditivos
se clasifican en función de la acción que realizan sobre los alimentos. Así tenemos:
• Colorantes.
• Aromas.
• Conservadores.
• Antioxidantes.
• Emulgentes, estabilizantes, espesantes y gelificantes.
• Acidulantes.
• Antiaglomerantes.
• Potenciadores de sabor.
• Edulcorantes.
• Antiespumantes.
• Gasificantes.
3.3.2 Estabilizantes: emulgentes, espesantes y gelificantes. Los estabilizantes se definen
como aquellas sustancias que impiden el cambio de forma o naturaleza química de los
productos alimenticios a los que se incorporan, inhibiendo reacciones o manteniendo el
equilibrio químico de los mismos (16).Los estabilizantes, a su vez, se pueden dividir en:
- Emulgentes.
- Sustancias espesantes.
- Sustancias gelificantes.
- Antiespumantes.
- Humectantes.
Muchas sustancias o aditivos tienen funciones múltiples (espesantes y gelificantes, etc.),
por eso se les agrupa bajo el denominador común de estabilizadores.
Los productos emulgentes se definen como aquellos que añadidos a los productos
alimenticios tienen como fin mantener la dispersión uniforme de dos o más fases no
miscibles. Las sustancias espesantes son las que se añaden a los alimentos para aumentar su
viscosidad. Las sustancias gelificantes son las que se añaden a los productos alimenticios
para provocar la formación de un gel. Los antiespumantes se consideran aquellas sustancias
que se utilizan para evitar o controlar la formación de espuma no deseable en la fabricación.
Los humectantes son aquellas sustancias que tienen afinidad por el agua, con acción
estabilizadora sobre el contenido de humedad conveniente de los productos alimenticios
(16).
A continuación se nombran algunos emulgentes, espesantes y gelificantes:
Lecitinas, Ortofosfatos de sodio, Agar-agar, Goma arábiga, Sorbitol, Manitol, Glicerol,
Pectina, Metilcelulosa, Carboximetilcelulosa, Caseinato sódico, Alginato sódico, Goma
Xantana, Polifosfato de sodio y otros más (16).
3.3.3 Criterios generales para la utilización de los aditivos alimentarios. Los aditivos
alimentarios solo podrán aprobarse cuando (16):
o Se pueda demostrar una necesidad tecnológica suficiente y cuando el objetivo que
se busca no pueda alcanzarse por otros métodos.
o No representan ningún peligro para el consumidor en las dosis propuestas.
o Conservar la calidad nutritiva de los alimentos.
o Aumentar el tiempo de conservación.o Ayudar a la fabricación, transformación etcétera; siempre que no se utilice el aditivo
para disimular defectos de la materia prima o procedimientos indeseables a lo largo
de dichas transformaciones.
Algunos aditivos también cumplen otras funciones como la de encapsulación que es una
técnica en donde una membrana encierra pequeñas partículas de sólido, líquido o gas, con
el objetivo de ofrecer protección para el material esencial de las condiciones externas tales
como luz, humedad y oxígeno, esto también contribuye a un incremento en la vida de
anaquel del producto y promueve una liberación controlada de el encapsulado. La
liberación puede ocurrir por el rompimiento de la cápsula como resultado del efecto de un
solvente. El último efecto es controlado por un gradiente de concentración (16).
Los materiales más usados como encapsulantes incluyen carbohidratos, celulosa y
derivados lipídicos, algunas proteínas y gomas. De este último, la goma arábiga tiene
excelentes propiedades emulsificantes. Sin embargo, estas cápsulas presentan un límite de
capacidad frente a la oxidación porque ella actúa como membrana semipermeable. La
retención de sabor es gobernada por factores relacionados a la naturaleza química
incluyendo su peso molecular, funcionalidad química, polaridad y volatilidad relativa del
material. Con respecto a las paredes del material, la capacidad de retención es asociada
principalmente al estado físico del encapsulante tales como su peso molecular,
conformación molecular y funcionalidad química (16).
3.4 TECNOLOGÍA DEL SECADO
El secado es una operación unitaria ampliamente usada en la industria química, comprende
la remoción de un solvente (en la mayoría de los casos agua), para producir un sólido con
determinada cantidad de líquido. El sólido final puede tener forma de escamas, cristales o
polvo. Es importante para el estudiante-ingeniero conocer los secadores, los equipos que se
encuentran antes y después de los secadores, las características finales del producto sobre
todo cuando se trata de mejorar la eficiencia, las normas ambientales o cumplir con
determinada especificación deseada para un proceso posterior (12).
Antes de elegir un secador, debemos especificar si el proceso es continuo o discontinuo.
Para ello se emplea el siguiente criterio: si la capacidad de producción es superior a cien
kilogramos hora (100 Kg/h), se requiere de uno continuo. Si es posible remover la humedad
mecánicamente, esta vía es más económica que por evaporación (8).3.4.1 Criterios para escoger el método de secado. Hay que tomar en cuenta diversos
criterios para escoger el método que mejor se adapte al secado de una sustancia (8):
-el modo de funcionamiento del aparato
-la naturaleza y calidad del producto a secar
-la fuente de calor y el modo de transmisión del mismo
-la seguridad
-el consumo de energía
-la facilidad para controlar el tiempo de tratamiento
La elección del método de secado es generalmente una situación ponderada de todos estos
factores.
Modo de funcionamiento del aparato. El funcionamiento puede ser discontinuo o continuo.
La elección depende de la importancia de la producción. Si ésta es pequeña, a menudo se
escoge un funcionamiento discontinuo. Si al contrario, la producción es importante, las
operaciones de carga o descarga a efectuar en discontinuo se volverían más tediosas. Por lo
tanto, el funcionamiento continuo es deseable y económicamente más rentable (8).
Naturaleza del producto a secar. La preparación, modo de manejo, fuente de calor a
utilizar, modo de transmisión y concepción de los sistemas de aereación, dependen de la
naturaleza del producto a secar. Puede tratarse de líquidos, pastas, materiales pulverizados,
granulados, fibrosos o compactos (8):
-Los cuerpos pastosos muy viscosos frecuentemente se laminan sobre tambores y después
se desmenuzan, lo cual les confiere una textura cercana a la de los sólidos. También pueden
ser tratados sobre bandas o en secadores de tornillo.
-Los sólidos pulverulentos (o susceptibles a ser triturados) son secados generalmente en
secadores de banda, cilindro, lecho fluido, lecho móvil, transporte neumático. Si son
susceptibles a aglutinación se puede diseñar una recirculación de producto seco para reducir
los riesgos de aglomeración (bajo reserva de que el aumento en el tiempo de residencia
puede contribuir a una degradación de los productos).
-Los productos compactos o en trozos son tratados en secadores de gabinete, en túneles de
carros o banda transportadora.
-Un producto bombeable ofrece más posibilidades de tratamiento que uno no bombeable.
La cantidad de producto a obtener puede limitar la elección del modo de secado. Así, por
ejemplo, el secado de colorantes, de productos farmacéuticos o alimenticios, debe llevarse acabo evitando toda contaminación del producto o el someterlos a atmósferas que los puedan
degradar; por ello muchos de estos productos se secan en pequeños lotes.
Fuente de calor y modo de transmisión. En los secadores de convección o conducción,
pueden utilizarse los fluidos calientes clásicos (vapor, agua caliente, gas de combustión)
para suplir el calor necesario para la extracción de humedad. Estos fluidos circulan
generalmente por chaquetas o por tubos en contacto con el material a secar (secado por
conducción) o dentro de los calentadores de aire (secado por convección). Si los gases de
combustión están limpios, se les puede poner en contacto directo con el material a secar. El
secado por irradiación infrarroja se efectúa por medio de lámparas eléctricas o de paneles
calefactores. El secado por corrientes de alta frecuencia se utiliza sobre todo cuando la
calidad del producto seco es determinante (8).
La elección de la temperatura de secado es muy delicada:
-una elevada temperatura permite aumentar la velocidad de secado, pero conduce a veces a
la aparición de una costra en la superficie del producto, fenómeno que dificulta la
extracción de humedad.
-una temperatura demasiado baja aumenta considerablemente el tiempo de operación.
-algunos productos son termosensibles y no pueden ser secados a temperaturas superiores a
60°C, por ejemplo. Como ya se ha mencionado, la convección es el método de
transferencia más utilizado en el secado (6).
El contacto entre el gas y el producto puede hacerse:
-por secado simple: el aire circula a lo largo de la superficie del producto que está dispuesto
en capas delgadas sobre las charolas, los carros o las bandas transportadoras. Esta técnica es
conveniente para el secado de productos pulverulentos, granulosos o compactos. El tiempo
de residencia en el aparato puede ser fácilmente controlado.
-por combinación de dispersión y raspado en los secadores de tambor. Esta técnica está
bien adaptada para sólidos granulosos. En general, el tiempo de residencia del producto en
el secador es largo.
-por circulación del aire a través del material. Este tipo de contacto mejora
considerablemente la transferencia de calor y de material, pero la pérdida de carga que
sufre el gas es importante. Esta técnica es utilizada para el secado de todo tipo de sólidos
(1).El tiempo de residencia de los productos es variable. El secado por conducción se emplea
sobre todo para el tratamiento de líquidos, productos pastosos o sólidos que no pueden ser
puestos en contacto con el aire (11).
Seguridad del proceso. Conviene no perder de vista que el secado de algunos productos
puede llevar a la formación de polvo en las zonas secas, esto es, a la salida del secador o de
los ciclones, lo que puede provocar problemas de contaminación. Además, algunos
productos que conlleven emanaciones tóxicas deben ser tratados por métodos especiales
(8).
Consumo de energía. La eficiencia energética de los secadores térmicos es baja. En efecto,
debemos recordar que el objetivo del secado es de arrastrar y eliminar un líquido de un
producto al cual está inicialmente ligado por uniones de tipo químico (iónicas, covalentes,
metálicas) o de tipo electrostático (enlaces de Van der Waals, puentes de hidrógeno),
uniones que requieren un gran consumo de energía para ser rotas. El rendimiento de los
secadores pocas veces sobrepasa el 60%. Es importante entonces, incluir técnicas
susceptibles a economizar energía (12).
3.5 EQUIPOS PARA SECADO
3.5.1 Secado en gabinete. Puede considerarse como un secado de túnel, en donde la
longitud es reducida y se trabaja en forma discontinua. Son los secadores de sólidos más
simples. El recinto de secado es generalmente en forma de paralelepípedo.
Puede ser concebida para trabajo al vacío o para permitir una circulación natural o forzada
(12).
El producto a secar se dispone sobre rejillas colocadas sobre una especie de carro que
puede retirarse del recinto. Este tipo de secador se usa comúnmente para el tratamiento de
pastillas, granulados, grageas, botellas o ampolletas en la industria farmacéutica; para
frutas, hierbas, legumbres y productos de panadería en la industria de alimentos; para
granulados, cristales y polvos en la industria química. Permiten un secado bajo condiciones
leves, y un control adecuado del tiempo de secado de los productos (16).
3.5.2 Secador rotatorio. Algunos productos granulares o cristalinos, pueden ser secados en
un secador de este tipo. Estos consisten de una coraza cilíndrica, con un ligero ángulo con
respecto a la horizontal, y montada sobre rodillos de manera que puede ser rotada. El
material a secar se alimenta en el extremo más alto del secador, y por rotación del secador,usualmente auxiliada por aletas internas, avanza gradualmente hacia el otro extremo, donde
es descargada. La fuente de calor para un secador rotatorio es el aire que circula a través del
secador. El calor también puede ser provisto desde al exterior hacia la coraza del secador.
El dimensionamiento de un secador de este tipo depende de (a) el área de secado; (b) el
tiempo de residencia (determinado por las rpm); (c) U (el coeficiente global de
transferencia de calor); (d) el gradiente de temperaturas. donde .T es la diferencia entre la
temperatura del medio de calentamiento y la temperatura de evaporación de agua en el
producto (temperatura superficial) y U varía entre 200 y 360 Btu/hrft2°F (16).
Las variables a controlar en un proceso de secado por contacto son:
a. La velocidad de giro del tambor, que determinará la velocidad de producción y el
nivel de humedad obtenido.
b. El contenido inicial de sólidos del producto.
3.5.3. Secadores de tambor. Una gran gama de productos químicos, farmacéuticos o
alimenticios líquidos y pastosos, pueden secarse al ser puestos en contacto con la superficie
externa de un cilindro que gira continuamente y calentado interiormente por agua caliente o
vapor. Así, se produce una capa delgada y uniforme de producto sobre el cilindro que
después de 1/2 o 3/4 de vuelta se seca y puede ser separado del cilindro por raspadores.
Para productos poco termosensibles (productos químicos, levaduras o aguas residuales), la
alimentación se realiza por inmersión. Si se deben tratar productos concentrados
termosensibles (como la leche, por ejemplo), es preferible hacer la alimentación por medio
de rodillos anexos fríos. Los secadores de este tipo se clasifican en base al número de
tambores o rodillos y al tipo de alimentación, que puede ser sumergida o superior (16).
3.5.4 Secado en lecho estático y fluidizado. El uso de este tipo de secadores está muy
extendido. El producto fragmentado se pone en suspensión en el aire, que tiene una triple
función: portador del sólido, fuente de calor y acarreador de la humedad extraída.
Estos aparatos presentan características interesantes (12):
- Pueden funcionar en continuo o en discontinuo.
- el producto puede ser bien mezclado, lo cual es favorable a la uniformidad del secado en
discontinuo.
- La temperatura y el contenido promedio de humedad del producto fluidizado, están en
equilibrio con las del gas que sale del secador. La distribución igual del sólido en un
funcionamiento continuo, conlleva una distribución muy grande de los tiempos de
residencia, desfavorable a una buena calidad de tratamiento. Se han puesto a puntodiferentes artificios para mejorar la distribución de los tiempos de residencia, y
particularmente el control del avance del sólido, por medio de la instalación de un sistema
de guías en espiral en lechos circulares, y transversales en los lechos rectangulares.
Por otra parte, a pesar de la recirculación posible del producto seco, este tipo de aparato
favorece la distribución desigual. Es más, si el producto posee una granulometría
demasiado grande, los granos mayores tienden a acumularse en el fondo de la rejilla. Estos
fenómenos pueden reducirse por la vibración del lecho. Los lechos fluidizados pueden
también construirse con etapas, lo que permite realizar una recuperación óptima de la
energía, tanto de los sólidos como del gas. El funcionamiento es comparable a un flujo
continuo a contracorriente del gas y del sólido. Además, los lechos fluidizados pueden
adaptarse a un funcionamiento tipo flash (12).
Un gran número de productos son secados actualmente en lecho fluidizado. Además de los
productos químicos o minerales, podemos citar los colorantes, la sal de mesa, alimentos
infantiles, azúcar de caña, caseína, quesos, café, chocolate, productos lácteos, etc (15).
3.5.5 Secador de lecho fluidizado. Cuando el fluido que interviene en la operación es un
gas, la fluidización del sólido granular sigue un mecanismo algo diferente, aunque las
relaciones entre el gradiente de presión y la velocidad resulten similares en todos los
aspectos cuando el fluido es un líquido. Mientras que en la fluidización por un líquido el
comienzo del estado de fluidización viene señalado por un movimiento suave de oscilación
de algunas de las partículas que constituyen el lecho, en la fluidización por un gas, el fluido
comienza literalmente a "burbujear" a través del sólido, igual que un gas burbujea a través
de un líquido. Las burbujas del fluido gaseoso se elevan atravesando la capa y rompen en la
superficie superior de la misma, salpicando hacia arriba unas cuantas partículas sólidas.
Conforme la velocidad del fluido va aumentando, la acción del borboteo se hace más y más
violenta, con proyección de "penachos" de polvo hasta distancias considerables por encima
del lecho, que tardan en volver a caer al mismo. La relación entre el número de Reynolds
(basado en el diámetro de las partículas) y la porosidad; aunque las dificultades
experimentales han hecho que la obtención de datos y de números de Reynolds próximos al
estado de sedimentación libre, resulte muy difícil (12).
3.6 SECADO POR ASPERSION
El secado por aspersión también llamado atomización, rocío o spray es ampliamente
utilizada en la industria procesadora de alimentos, la transformación de una materia en
forma líquida en forma seca se logra mediante la generación de gotas minúsculas queposeen una gran área superficial para la evaporación de su humedad, el medio secante suele
ser un gas caliente en gran volumen; con la suficiente energía para completar la
evaporación del líquido (9).
Cualquiera sea el sistema y el proceso la aspersión experimenta tres fases distintas: en la
primera el gas atomizante se expande adiabáticamente de la boquilla a la cámara de secado
(atmósfera), el gas sufre el efecto Joule-Thomson y su temperatura cae. En la segunda el
líquido forma gotas, durante la aspersión el área superficial específica se incrementa mil
veces. Teóricamente se requiere poca energía para formar las gotas. Sin embargo, la
ineficiencia mecánica, la presión y la inercia además de la perdida por viscosidad causan un
elevado consumo de energía (9).
En la tercera etapa viajan estando formadas para convertirse en materia seca, durante esta
fase el solvente se evapora y el diámetro de la gota decrece. La primera fase ocurre
instantáneamente, la segunda dura larga, calmadamente y firme (cerca de 0.1 s o menos), la
tercera puede sostener un tiempo relativamente grande dependiendo de las condiciones de
la aspersión, el líquido disperso y la saturación relativa del aire ambiente (9).
El secado es controlado por medio del producto y las condiciones del aire a la entrada (flujo
y temperatura). Finalmente, el producto es recuperado del aire.
El secador por aspersión más común es el de ciclo abierto, este sistema tiene entrada
continua de aire que es calentado y usado como medio secante, limpiado por medio de
ciclones o agotadores y luego liberado al ambiente. Un segundo tipo es el de ciclo cerrado,
donde el aire es calentado, usado como agente secante, limpiado, secado y de nuevo usado.
La eficiencia energética de este tipo de secador es más alta que el de ciclo abierto (11).
El sistema ciclo cerrado se selecciona cuando:
1. El sistema involucra un solvente inflamable, por ejemplo el alimento comprende
sólidos y solvente orgánico.
2. Cuando se requiere completa recuperación del solvente.
3. Cuando el producto seco es tóxico.
4. Contaminación atmosférica por emisión de partículas no permitidas.
5. Mezclas explosivas que se pueden formar por el polvo en el aire.
6. Riesgo de explosión o fuego debido a solventes orgánicos.
7. Prevención de contacto polvo con oxígeno debido a los efectos de la oxidación.Figura 1. Esquema ciclo abierto
alimento
secador Recolector Recolector Gas
de sólidos de finos a la
atmósfera
Producto
Figura 2. Esquema ciclo cerrado
alimento
Recolector Agotador
Secador
de sólidos
aspersión
producto
Gas
recirculado
Calentamiento
indirectoCuadro 1. Esquemas de proceso usados en secado spray
Esquema Medio Calentamiento Aplicaciones
secante/alimentación
Ciclo abierto Aire/acuoso Directo/indirecto General, aire de salida a la
atmósfera
Ciclo cerrado Gas inerte/no acuoso Indirecto(fase Desarrollado para:
(solventes orgánico) líquida o vapor) evaporación/recuperación
de solventes; prevención de
emisiones; eliminación de
explosión/riesgo de fuego
Dos etapas o Cualquiera de los sistemas anteriores más Desarrollado para:
múltiples lecho fluidizado, secador flash, Mejorar eficiencia térmica
etapas aglomeradores o propiedades del producto
Fuente: Spray Drying Handbook (Masters, 1991)
Las ventajas del secado spray son: cortos tiempos de residencia, tamaño y forma definido
del producto, fácil limpieza y mantenimiento, aplicable a materiales sensibles al calor (11).
Las principales diferencias entre secadores spray, secadores de lecho fluidizado y secadores
flash son la alimentación (material sólido contenido), tiempo de residencia (5 a 100 s para
un secador spray versus 1 a 300 min. para uno de lecho fluidizado) y tamaño de partícula
(10 a 50 µm para secador spray versus 10 a 300 µm para lecho fluidizado) (11).
3.7 ELEMENTOS DE UN SECADOR POR ASPERSION
Básicamente un sistema de atomización tiene cinco elementos esenciales: un calentador de
aire, una cámara de secado, un dispositivo para dispersar el material que se va a secar
(boquilla), una bomba para impulsar el líquido hacia la cámara de secado y un sistema de
recolección de las partículas secas en el seno del aire (6).Figura 3. Elementos de un secador por aspersión
aire Calentador de Cámara de Bomba alimento
aire Secado y
sistema
dispersión
Sistema de
recolección
3.7.1 Calentador de aire (14, 18). El aire de secado puede ser calentado de diferentes
formas.
Indirectamente: por medio de vapor, fuel, gas o aceite caliente.
Directamente: por gas o electricidad.
Calentamiento por vapor: es un radiador simple. La temperatura que se puede obtener
depende de la presión de vapor disponible. En condiciones normales es posible obtener una
temperatura del aire 10 grados Celsius más baja que la correspondiente entalpía de
saturación del vapor. El tamaño del calentador depende de las propiedades para transferir el
calor a los tubos y las aletas y están normalmente alrededor de 50 Kcal/ºC *altura*m2 para
una velocidad de 5 m/s, su eficiencia normalmente es de 98-99% (14).
Calentadores a base de aceite o gas: tienen flujos separados de aire de secado y gases de
combustión, debido a que las partículas que se formen en el proceso de combustión pueden
contaminar el alimento. Los calentadores de este tipo tendrán un eficiencia de unos 85% en
la zona de 175-250ºC (14).
Calentadores a base de gas(directos): se utilizan si se puede que el gas de combustión esté
en contacto con el producto. Este tipo de calentador es barato, tiene alta eficiencia y la
temperatura que se puede obtener es de unos 2000ºC (14).Calentadores de aire eléctricos: son comunes en secadores para laboratorio y planta piloto.
La inversión es baja pero su operación costosa. Son equipos pequeños y menos pesados que
los tradicionales equipos de transferencia de calor tales como el de coraza y tubo y los de
llama directa (19).
Ofrecen mejor resistencia a la erosión y fugas, aumentan la seguridad y control de
temperatura. Pueden ser difíciles de dimensionar y especificar ya que ellos combinan
aspectos mecánicos, eléctricos y químicos. Existen los calentadores por inmersión donde el
calor transferido es consumido principalmente por conducción y convección, el medio
calefactor se encuentra inmerso en un fluido. Un tamaño medio usará el mecanismo de
convección forzada para transferir todo el calor generado a la corriente de proceso. Los
calentadores generalmente son dimensionados asumiendo flujo turbulento. Si el flujo es
laminar, el calor transferido es reducido enormemente. También se usan datos de densidad
vática, publicados por las empresas fabricantes (19).
Figura 4. Resistencias eléctricas
Fuente: Omegalux, 1997
En un intercambiador de calor eléctrico, la clave es mantener el equipo en condiciones tales
que la temperatura en el interior no exceda la temperatura de la envoltura protectora de la
unidad generadora de calor y mantenerse el flujo, nunca debe detenerse ya que la
temperatura se incrementa exponencialmente cuando la velocidad de flujo del proceso
decrece. Si el flujo se detuviese entraría a actuar el sistema de enfriamiento (19).
3.7.2 Sistema de aspersión. Sistema de aspersión o atomización: tiene como objetivo crear
la máxima superfície posible de la cual tendrá lugar la evaporación. Cuanto más pequeñas
sean las gotas, mayor la superfície y más fácil la evaporación y consecuentemente una
mejor eficiencia térmica. Con respecto al secado, lo ideal sería que todas las gotitas
atomizadas fueran de un tamaño uniforme, lo cual significaría que el tiempo de secado seríael mismo para todas ellas. Sin embargo, todavía no se ha logrado diseñar un atomizador que
produzca una pulverización completamente homogénea (15).
Atomización por toberas de presión: la función básica de las toberas de presión es convertir
la energía de presión, proporcionada por la bomba de alta presión, en energía cinética en
forma de película delgada cuya estabilidad es determinada por las propiedades del líquido
que son la viscosidad, tensión superficial y densidad. Las presiones oscilan entre 2700 y
69000 kPa/m2 , según el grado de atomización, la capacidad y las propiedades físicas de los
materiales. Los tamaños de los orificios de las boquillas varían de 0.25 a 0.4 mm de
diámetro según la presión, la capacidad de operación y grado de atomización. Para
presiones elevadas y cuando los sólidos están en suspensión, el orificio de la boquilla está
sujeto a desgaste. Estas boquillas son usadas para formar partículas entre 120 a 300 µm
(15).
Atomizadores rotatorios: atomizan los líquidos diseminándolos en hojas delgadas las cuales
se descargan a alta velocidad desde la periferia de un disco especialmente diseñado que gira
con gran rapidez la velocidad puede alcanzar los 300 m/s . El alimento se introduce
centralmente en la boquilla y es llevado hacia las paredes del disco y sale por espacios de
diferentes formas como aspas, barras espaciadoras o agujeros. Los de aspas son usados
ampliamente y producen sprays de alta homogeneidad. Los de agujeros son usados en
campos más especializados, por ejemplo en el manejo de productos alimenticios abrasivos
pueden ser operados para producir tamaños medios, son resistentes, fáciles de operar y
pueden manejar velocidades de flujo fluctuantes. A velocidades superiores a 180 m/s el
tamaño promedio de partícula es de 20 a 30 µm, cuando su velocidad disminuye el tamaño
aumenta (15).Figura 5. Boquilla atomizadora rotatoria
Fuente: NIRO, 2003
Atomizadores de dos fluidos: no son eficientes a grandes capacidades, su principal ventaja
es que operan a presiones relativamente bajas del orden de 0 a 400 kPa/m2 . El fluido
concentrado y gas atomizante pasan separados hacia la cabeza de la boquilla. Tiene la
ventaja de manejar alimentos altamente viscosos produciendo sprays de tamaño medio,
pero de pobre homogeneidad (15).
Figura 6. Boquilla atomizadora a presión
Fuente: NIRO, 2003Selección del atomizador: La selección del atomizador o boquilla depende de la naturaleza
del alimento y de las características del producto deseado. En todos lo tipos de
atomizadores la cantidad de energía se incrementa cuando se requieren tamaños de gota
pequeños. El grado de atomización depende de las propiedades del fluido, cuando se tienen
altos valores de viscosidad y tensión superficial resultan tamaños grandes de gotas para la
misma cantidad de energía disponible para la atomización. Cuando se desea una
distribución de tamaño de partícula se pueden utilizar discos rotatorios o boquillas (15).
En el siguiente cuadro se comparan un atomizador rotatorio y una boquilla de presión.
Cuadro 2. Comparación Boquillas atomizadoras de presión y rotatorias.
Rotatorio Presión
Fácil control de tamaño de partícula Menor control de tamaño de partícula
Gran área de flujo Pequeña área de flujo
Atomizador simple para alta Duplicación de la boquilla para alta
y baja capacidad Capacidad
Tamaño de partícula virtualmente Opera en rango reducido
independiente de la velocidad de alimentación Con velocidad de alimentación
Capacidad independiente de la presión de Capacidad proporcional a la raíz
alimentación cuadrada
de la presión
Tendencia a depositarse en las paredes del Menor tendencia a deposito
disco en la paredes
Maneja mezclas y alimentos cristalinos Requiere de filtros para el alimento
Fuente: Spray Drying Handbook (Masters, 1991)
Posicionamiento del atomizador rotatorio en relación al flujo de aire. La manera de entrar
el aire de secado en la cámara está determinado por el diseño dispersor de aire, la posición
del atomizador con respecto al aire dispersor es un factor importante en la eficiencia del
secador. Las propiedades de un producto seco cambian de acuerdo a la posición del
atomizador. La siguiente figura ilustra varias posiciones del atomizador rotatorio adoptadas
en la cámara de secado en relación al aire dispersor (11).Figura 7. Posición del disco atomizador en relación al flujo de aire
Aire caliente Alimento
3.7.3 Cámara de secado. Las variables de diseño se deben establecer por medio de pruebas
experimentales antes de efectuar el diseño final de una cámara. En general, el tamaño de la
cámara, la selección del atomizador y los medios auxiliares de separación se determinan de
acuerdo con las características físicas del producto que se busquen. La desecación rara vez
representa un problema por sí misma. Un secador de rocío instalado es más o menos
inflexible para satisfacer los requisitos variables de operación al mismo tiempo que
mantiene una velocidad de producción constante. Entre las variables más sobresalientes que
se deben precisar antes de diseñar un secador están las siguientes (11):
1. La forma y tamaño de las partículas que se buscan en ese producto.
2. Las propiedades físicas de la alimentación: humedad, viscosidad, densidad, etc.
3. Las temperaturas máximas del gas de entrada y el producto.Es necesario establecer varias suposiciones (9):
1. Las gotitas de mayor tamaño, se secan con mayor lentitud. Son ellas las que
determinan las dimensiones finales de la cámara.
2. Para evaluar el coeficiente de transferencia de calor se utiliza un número de Nusselt
de gotita igual a dos (2), que corresponde a la conducción pura (número de
Reynolds=0) a infinito.
3. La gotita de mayor tamaño en la población del rocío tiene tres veces el diámetro del
tamaño promedio de gota.
4. Debido a la turbulencia y a la mezcla de gases, las condiciones de desecación son
uniformes en todos los puntos de la cámara, excepto en la zona inmediata de la
entrada del gas y la atomización del rocío.
5. La fuerza impulsora de la temperatura para la desecación es la diferencia entre la
temperatura de salida del gas secante y, en el caso de utilizar agua pura, la
temperatura de bulbo húmedo del gas. En el caso de una solución, se utiliza la
temperatura de saturación adiabática de la solución saturada, en lugar de la
temperatura de bulbo húmedo.
La principal función de la cámara es encerrar el spray que se produce y asegurar que las
gotas son secadas con el flujo de gas caliente y para suministrar un tiempo de residencia
suficiente para evaporar la humedad. La velocidad de secado es muy alta en el primer
periodo de secado cuando la mayoría de la humedad es evaporada en intervalos de tiempo
muy corto, pero durante el segundo periodo de secado la velocidad cae rápidamente y
requiere más tiempo para reducir aún más la humedad del producto hasta un nivel
aceptable. Curvas de velocidad de secado para una gota pueden suministrar información de
el tiempo de residencia necesario en el secado, pero debido a la diferencia en características
de evaporación de una gota simple y las atomizadas requieren de tiempos de residencia
establecidos en secadores de planta piloto. El tiempo de residencia puede ser calculado, en
primera instancia, dividiendo el volumen de la cámara por el caudal total de aire. Es de
particular importancia que las gotas no choquen contra las paredes de la cámara cuando
todavía están húmedas (11).
Las cámaras son diseñadas para descargar la mayoría de los productos en la base (descarga
de producto primario), o para transportar todo el producto con el aire de salida y
recuperarlo posteriormente en otra unidad (11).
El tamaño óptimo de la cámara y su forma dependen del tamaño de la gota y la forma del
spray producido por el atomizador (11).Cámaras de secado de flujo en paralelo: en la siguiente figura se ilustran cuatro de este tipo,
tanto el atomizador como el flujo de aire están localizados en la cima o a un lado de la
cámara. Los tipos (a) y (b) son los más comunes. El del tipo (a) tiene flujo de aire rotatorio
e inclinado esto se logra por una entrada tangencial o por aspas inclinadas. El tipo (b) tiene
línea de corriente inclinado, el aire no crea rotación por el uso de platos perforados o aspas
rectas. El tipo (c) el aire debe prevenir que las partículas secas se asienten cuando el flujo
está dirigido hacia arriba. El tipo (d) requiere flujo de aire opuesto que permite que las
partículas secas caigan en la base de la cámara (11).
Figura 8. Cámaras de secado flujo en paralelo
(a) (b)
aire caliente alimento producto
(c) (d)Los más comunes son los de cámara cilíndrica y base cónica, este tipo de diseño es
favorable para algunos casos por su bajo costo de construcción y mínima altura requerida.
Cámara de secado de flujo en contracorriente. En contracorriente el arreglo es inverso, por
lo general el material se introduce por la cima y el gas caliente por la base de la cámara. El
aire disperso crea varias rotaciones en la entrada a la cámara de secado pero debido a la
altura de la cámara, el movimiento rotacional no puede sostenerse en regiones superiores de
la cámara. Este diseño puede ser usado únicamente para materiales no sensibles al calor. Es
menos común que el arreglo en paralelo, el uso del flujo en contracorriente puede ser
necesario para impartir en el producto una calidad particular, por ejemplo para secar polvos
de detergentes (11).
Figura 9. Cámara de secado con flujo en contracorriente
Cámara de secado de flujo mezclado. Otro tipo de diseño es el de flujo mezclado que es
una combinación del paralelo y contracorriente, esto se realiza por uno de los arreglos
siguientes:
1. flujo de aire en dos direcciones cuando el flujo de producto es uno.
2. flujo de aire en una dirección cuando el producto fluye en dos.Figura 10. Cámara de secado con flujo mezclado
(a) (b)
El arreglo (a) está diseñado para desarrollar altas velocidades en la entrada y un alto grado
de giros para obtener altas velocidades de evaporación. El tiempo de residencia es muy
corto de 5 a 10 segundos, el movimiento generado en la cámara barre las paredes y el
producto es descargado en la base de la cámara. Este arreglo maneja bajas temperaturas en
la salida y alta eficiencia térmica. Este sistema no es aplicable para materiales sensibles al
calor porque el gas caliente en la entrada entra en contacto con el material seco. Sin
embargo, este arreglo tiene la ventaja que las gotas tienen un largo camino por recorrer a
través de la cámara, siendo un buen método para secar gotas relativamente ásperas en una
cámara pequeña (11).
En el arreglo (b) el alimento es atomizado hacia arriba en un flujo de aire rotatorio creado
por el dispersor de aire. El spray viaja hacia arriba y desacelera para luego caer, este tipo de
diseño es llamado “fuente” y con este el producto puede ser transportado con el aire de
salida o sufre separación en la base cónica de la cámara.Cuadro 3. Eficiencias térmicas en operaciones típicas de secado por aspersión que
comprenden diferentes diseños de cámaras
Diseño de cámara Temperatura Temperatura Eficiencia Tamaño medio
Entrada (ºC) Salida (ºC) Térmica aprox. partícula (µm)
Flujo paralelo 200 90 60 40-100
Flujo paralelo 500 100 82.5 40-100
Flujo 750 110 88 40-100
contracorriente
Flujo 350 125 68 120-200
contracorriente
Flujo mezclado 350 90 80 150-350
Flujo mezclado 220 60 78 200-1000
Fuente: Spray Drying Handbook (Masters, 1991)
3.7.4 Descarga del producto seco de la cámara de secado. En la mayoría de las cámaras
diseñadas, el producto seco queda en la base únicamente una fracción entra con el aire al
sistema de recuperación posterior. El esquema (a) presenta una base cónica para descarga
inicial de producto, el aire sale por el lado cónico de la cámara (11).
Figura 11. Bases para descarga inicial de producto
(a) (b)
El esquema (b) descarga el producto por medio de una barredora y la base de la cámara es
plana. El área de la base es grande y el producto está sujeto a manejo mecánico. Tanto los
arreglos (a) como (b) pueden manejar productos aglomerados, productos termoplásticos y
polvos con alto contenido de grasa se manejan mejor en secadores de base cónica.Cuadro 4. Ventajas y desventajas de las cámaras de base cónica y plana.
Cámara de base cónica Cámara de base plana
Ventajas Ventajas
Flexibilidad: maneja amplia variedad de Bajo costo de construcción
productos
Apto para materiales sensibles al calor, Fácil acceso para limpieza manual
giroscópicos y grasosos.
Dos puntos de descarga Cámara de baja altura si se encuentra una
barredora en el piso
Permite adicionar otras técnicas de secado Desventajas
Partes no móviles Todo material seco es transportado a un
colector (presentan pérdidas)
No puntos muertos o formación de Requiere sistema mecánico y de succión
depósitos para remover el producto.
Aplicable operaciones con alto grado de Disponible únicamente para sólidos fáciles
higiene de secar.
Desventajas No es apto para operaciones con alto grado
Gran altura con relación a su diámetro de higiene
Difícil acceso para limpieza manual,
especialmente los secadores grandes
Fuente: Spray Drying Handbook (Masters, 1991)
Diseños refinados para cámaras de secado son usados para manejar productos especiales
tales como los termoplásticos o pegajosos, la temperatura en la paredes de la cámara debe
mantenerse baja, tal como se ilustra en la figura 12, el esquema (a) donde la cámara es
concéntrica y el aire frío viaja por el espacio concéntrico. La pared recibe aire de
enfriamiento para barrer las paredes, esquema (b), y evitar el depósito del producto;
también se emplean martillos o vibradores eléctricos o neumáticos que son montados en las
paredes para desalojar el producto constantemente (11).Figura 12. Diseños combinados de cámaras de secado
Aire frío
3.7.5 Sistema de recolección de sólidos. El ciclón: Son los más simples y fáciles de
fabricar de los equipos de procesos. Ellos son usados extensivamente en la industria de
procesos químicos para separación gas-líquido. En las refinerías son usados en los reactores
y generadores de unidades de craqueo catalítico, en alimentos, farmacia y la industria
metalúrgica. Este equipo tiene la ventaja de ser altamente eficiente cuando su construcción
es adecuada, su mantenimiento es sencillo ya que no hay partes móviles y además de fácil
limpieza. La teoría de la operación del ciclón se basa en los remolinos (vórtices), donde la
fuerza centrífuga actúa sobre cada partícula forzándola a dejar el eje del ciclón y dirigirse
hacia la pared interna del ciclón. Sin embargo, el movimiento en dirección radial es el
resultado de dos fuerzas opuestas: la fuerza centrífuga que actúa moviendo la partícula
hacia la pared mientras que la fuerza de arrastre del aire actúa llevando las partículas en el
eje. La fuerza centrífuga predomina y por lo tanto se produce la separación (21).Figura 13. Esquemas de ciclones convencionales
Tangencial Helicoidal Axial Espiral
Un ciclón convencional consiste de un cilindro con una apertura tangencial por donde
viajan la corriente de gas con las partículas generadas en el secador. En general, el diseño
final del ciclón es un compromiso entre la eficiencia y complejidad del equipo con las
consideraciones de espacio y costo (21).
Existen dos tipos básicos de ciclones y dependen de la dirección que toma el gas al dejarlo:
flujo inverso y flujo único. En el de flujo único, el gas entra en el cuerpo cilíndrico y sale
en el otro extremo. El ciclón de flujo inverso es el más usado donde el gas sale a través de
un tubo central en el mismo extremo de la entrada tangencial, la tubería del gas de salida se
extiende axialmente hacia el cuerpo, el sólido es descargado a través de un orificio central
en la cumbre de la sección cónica (7).
Se presentan cuatro tipos de entrada al ciclón: tangencial, axial, helicoidal o espiral; cada
tipo tiene sus ventajas y aplicaciones. La principal característica de funcionamiento de los
ciclones es la caída de presión del flujo y la eficiencia de la separación. Estos son
convenientemente descritos por dos grupos dimensionales: el número de Euler (Eu) y el
número de Stokes (Stk). Los antes mencionados, son constantes para una familia de
ciclones geométricamente similares y en otros tipos de separadores, ellos son
independientes del número de Reynolds y entonces independientes del flujo (7).La caída de presión estática, medida entre la entrada y la salida del gas, es usualmente
proporcional al cuadrado de la velocidad del flujo. La velocidad característica puede ser
definida para un gas en un ciclón por varias vías pero la más simple y apropiada está basada
en la sección transversal del cuerpo cilíndrico del ciclón (21).
Filtros de mangas. El promedio de pérdida de polvo en un ciclón normal de alta eficiencia
no debería exceder el 0.5%. Sin embargo, las normas ambientales podrían determinar que el
valor 0.5% es demasiado alto desde el punto de vista polución, en cuyo caso se necesita una
limpieza final del aire. Esto se realiza normalmente con filtros de mangas que consisten en
numerosas mangas o filtros colocados de tal forma, que cada uno de ellos recibe
aproximadamente la misma cantidad de aire. La dirección del aire es desde fuera y a través
del material filtrante, hacia la parte interior de la manga en donde el aire limpio entra en un
conducto de salida. Con la selección correcta del material filtrante se obtienen altos
rendimientos y una recogida de partículas de 1 micra. El polvo se recoge en el fondo y se
descarga mediante una válvula rotativa. Estos equipos se emplean muy a menudo en los
secadores de proteína de suero o clara de huevo (14).
Lavadores vía húmeda. Se usa desde hace muchos años en la industria química, y el
sistema está basado en el principio de un “Venturi”. Al introducirse en la industria láctea se
comprobó que era muy eficiente pero no cumplía con los requisitos de higiene lo que hizo
necesario otro diseño. Se mantuvo el principio del Venturi, pero variando la posición para
tener una pequeña inclinación hacia abajo (14).
El principio del lavador vía húmeda tipo Venturi es el siguiente: el aire de salida del
secador conteniendo partículas de polvo es acelerado a una gran velocidad en la entrada del
Venturi, donde también el líquido es inyectado a través de una tobera cónica. Debido a las
diferencias de velocidad entre aire / partícula y las gotas, ambos colisionarán y el polvo se
disolverá en la gotas. Pasando a través del subsiguiente difusor este proceso continuará al
mismo tiempo que una cierta recuperación de presión de la mezcla aire / gotas (14).
Al pasar a través del separador, el aire y el líquido son nuevamente separados. El aire sale a
través del conducto central y el líquido a través de la salida del fondo para posterior proceso
o recirculación.
Actualmente pueden recomendarse dos sistemas de flujo distintos:
1. Recirculación con agua
2. Paso único con alimento.Recirculación con agua. El agua es recirculada, según descripción anterior, por medio de
una bomba centrífuga. El caudal es controlado por una válvula e indicado en un
caudalímetro. El nivel se mantiene constante en el separador por medio de un flotador
ajustable que además asegura la adición de agua para compensar la evaporación que tiene
lugar en el lavador. Dicha evaporación tiene lugar cuando el aire del secador es enfriado
hasta la temperatura de bulbo húmedo evaporando simultáneamente el agua (14).
Como la temperatura del agua se mantiene alrededor de 40-45ºC, después de cierto tiempo
puede esperarse un crecimiento bacteriano. Sin embargo, cuando el contenido de sólidos no
sobrepasa el 10% en el líquido recirculado no habrá problemas, el líquido deberá ser
renovado cada cierto tiempo. De este modo puede controlarse el desarrollo de las bacterias
(14).
Paso único con alimento. El lavador puede operar en sistema de un solo paso con alimento,
es especialmente ventajoso, ya que la evaporación que normalmente tiene lugar es ahora en
el alimento propiamente dicho. El aumento de sólidos contendrá naturalmente también
partículas de polvo recogidas del aire (14).
3.7.6 Sistema de alimentación. Los fluidos se mueven a través de tuberías por medio de
bombas, ventiladores, sopladores o compresores. Estos dispositivos aumentan la energía
mecánica del fluido, el aumento de energía puede emplearse para incrementar su velocidad,
presión o la altura del fluido. En las bombas la densidad del fluido no varía
significativamente (12).
Las bombas se clasifican en (12):
1. Bombas rotodinámicas. Todas y solo las bombas que son turbomáquinas pertenecen
a este grupo.
- Estas son siempre rotativas. Su funcionamiento se basa en la ecuación de Euler; y su
órgano transmisor de energía se llama rodete.
- Se llaman rotodinámicas porque su movimiento es rotativo y la dinámica de la
corriente juega un papel esencial en la transmisión de la energía.
2. Bombas de desplazamiento positivo: a este grupo pertenecen no solo las bombas
alternativas, sino las rotativas llamadas rotoestáticas porque son rotativas, pero en
ellas la dinámica de la corriente no juega un papel esencial en la transmisión de la
energía.Clasificación de las bombas rotodinámicas.
-Según la dirección del flujo: bombas de flujo radial, de flujo axial y de flujo radioaxial.
-Según la posición del eje: bombas de eje horizontal, de eje vertical y de eje inclinado.
-Según la presión engendrada: bombas de baja presión, de media presión y de alta presión.
-Según el número de flujos en la bomba: de simple aspiración o de un flujo y de doble
aspiración, o de dos flujos.
-Según el número de rodetes: de un escalonamiento o de varios escalonamientos.
Tipos de bombas y definiciones (2).
Bombas de fuelle. Estas bombas mueven el fluido a través de un fuelle reciprocante con
cavidades, que está acoplado a un varilla conductora. Ellas se encuentran clasificadas
dentro de las bombas de desplazamiento positivo.
Bomba centrífuga. Un disco rotatorio con alabes adheridos conducen el fluido por medio
de un eje central. Son tal vez las más simples y más versátiles de las bombas pequeñas. El
fluido entra en la cámara de la bomba a lo largo del eje del rotor. Una vez en la cámara, la
rotación acelera el fluido y lo eyecta perpendicularmente al eje del rotor. Tiene rango de
aplicación medio, son mecánicamente simples porque la única parte móvil es el rotor de la
bomba. Tiene la ventaja de manejar material particulado por otro lado, no son precisas
Bombas de diafragma. Las pulsaciones de uno o más diafragmas flexibles desplazan el
líquido, se emplean cuando se tienen altas presiones, son ideales cuando se requiere
manejar fluidos altamente viscosos o fluidos cargados con partículas.
Bomba peristáltica. Usan tubería flexible y un grupo de rodillos externos para impulsar el
fluido, el fluido bombeado no entra en contacto con ningún otro. Pueden manejar material
cargado con partículas o gas con partículas. El rango de bombear fluidos es casi ilimitado
por la gran variedades de materiales que existen para la tubería. Se aplican cuando se
requieren condiciones de esterilidad, todos los elastómeros usados en las bombas
peristálticas tienen una vida mecánica finita y la ruptura de la tubería es el mayor problema,
ya que causa derramamiento.
Bombas de rueda dentada. El fluido es atrapado entre dos o tres ruedas dentadas, son
buenas cuando se requieren altas presiones. Para un fluido con determinada viscosidad ydensidad el flujo es función del número de revoluciones por minuto de la rueda y la presión
anterior.
Para seleccionar una bomba se deben considerar una variedad de parámetros donde la
elección correcta es una función de su aplicación y costo. Inicialmente las bombas se
pueden dividir en dos: bombas de bajo y alto flujo; las de bajo flujo se aplican en
laboratorios, plantas piloto y manejo de aguas residuales (2).
Se presenta una lista de preguntas para suministrar un recurso de cómo escoger o
seleccionar una bomba:
- Cuáles son los requisitos de flujo y presión?, se deben especificar velocidades de flujo,
presión a la entrada, presión de retroceso, presión total del sistema.
- Cuál es el fluido a ser bombeado? La compatibilidad química del fluido con los materiales
de construcción de la bomba, su viscosidad, temperatura y sensibilidad.
- El fluido contiene material particulado?.
- Cuál es el requisito de precisión?. En general, las bombas de desplazamiento positivo son
usadas en aplicaciones de alta exactitud tan ajustadas que pueden ser ±1% el error.
- Cuáles son los requisitos para poder y control?. Un lote de preguntas surgirán en esta
categoría.
- Cuáles son los voltajes, frecuencia y fases del poder eléctrico?
- Si la localización es remota, se puede emplear una batería? o un motor a gasolina o
simplemente energía eléctrica como fuente de poder?.
- Cómo estará controlada la bomba?.- Riesgo de explosión o fuego si maneja material inflamable?
Existen 16 tipos de bombas, las cuáles están agrupadas para facilitar su elección. Sin
embargo, esto no es suficiente ya que no hay un criterio único para su elección. Con el fin
de ayudar a solucionar este problema, los fabricantes suministran cartas o esquemas tales
como árboles de decisión. En tales esquemas, las bombas están dispuestas funcionalmente;
por ejemplo cuando se emplean atomizadores rotatorios la bomba de alimentación más
común es el de tipo mono o el tipo centrífugo. La bomba mono puede manejar
concentrados a más altas velocidades que la bomba centrífuga con menor energía (2).
Si se emplea un sistema de boquillas a presión se usan bombas de alta presión, esta necesita
una presión positiva en la entrada, y por eso requiere además una bomba centrífuga.
3.8 SISTEMAS DE DOS ETAPAS
Los sistemas de dos etapas, por ejemplo los que combinan secado spray y lecho fluidizado,
tienen muchas ventajas ya que en la primera etapa es colocado el secador spray donde se
forman las partículas, remueven la humedad en corto tiempo enseguida el de lecho
fluidizado con largo tiempo de residencia para lograr un contenido de humedad mucho más
bajo y en algunas ocasiones un tratamiento adicional. Usando un lecho fluidizado es un
método ideal para producir sólidos aglomerados. Esto es altamente deseable para muchos
productos por el bajo contenido de material fino, mejora su fluidez y característica superior
de rehidratación (tal como sucede para productos alimenticios). Para producir aglomerados
el secador por aspersión opera a baja temperatura de salida y entran al lecho ligeramente
húmedas; en le lecho las partículas chocan y se adhieren a otras formando aglomerados
(10).Cuadro 5. Comparación de sistema de una y dos etapas funcionando para un tamaño de
cámara fijo
Base: 50% sólidos en el Una etapa Dos etapas con
alimento lecho fluidizado externo
Temperatura entrada(ºC)
Secador spray 200 250
Lecho fluidizado - 130
Temperatura salida (ºC)
Secador spray 94 87
Contenido humedad
Residual (%H2O)
Secador spray 3.5 6
Lecho fluidizado - 3.5
Velocidad de evaporación 1300 2000
(Kg/h)
Velocidad producto (Kg/h) 1295 2035
Consumo calor específico
(Kcal/Kg producto seco) 1245 1035
(Kcal/Kg agua evaporada) 1230 1025
Consumo energía (kW) 120 150
Fuente: Spray Drying Handbook (Masters, 1991)
Las cámaras de secado son construidas en acero inoxidable, aluminio o aleaciones
especiales (hastelloy). El acero inoxidable representa la mayoría de las cámaras que operan
diariamente en la industria de alimentos y de productos farmacéuticos. En cualquier caso la
selección del material de construcción depende de factores tales como: la corrosión, no
contaminar el producto, fácil lavado y fallas estructurales que se puedan presentar después
de iniciar o apagar el equipo (11).
3.9 APLICACIONES DEL SECADO POR ASPERSIÓN
Se listan una serie de productos cuyo procesamiento incluye propiamente el secado por
aspersión o modificaciones tales como: enfriamiento spray, reacción spray o absorción
spray y sus condiciones de operación más sobresalientes (11).Cuadro 6. Producto obtenidos por secado spray
Producto Sólidos Temperatura Humedad Temperatura (ºC)
en el Alimento Final
Entrada Salida
Alimento(%) (ºC) (%)
Resina Acrílica 40-48 10-25 0.5-1.0 250-300 90-95
Oxido de 45-65 10-20 0.25-2.0 300-500 95-100
Aluminio
Antibióticos 10-30 0-10 1.0-2.0 140-190 90-110
Bentonita 18-20 15-20 1.5-2.0 400-550 125-130
Plasma 25-27 5-10 6.0-7.0 220-275 75-80
Sanguíneo
Catalizador 10-45 10-50 1.0-2.5 400-700 120-150
(Ni, Zn)
Café 35-55 20-30 3.0-4.5 220-300 85-100
Instantáneo
Detergentes 60-70 60-65 6.0-10.0 300-350 85-110
Enzimas 30-40 10-20 3.0-5.0 140-180 75-100
Flavorizantes 30-50 10-20 4.0-5.0 150-180 75-95
Funguicidas 35-55 10-15 1.0-2.0 250-300 80-100
Herbicidas 45-50 10-15 2.0-4.0 140-250 75-110
Óxido de 50-55 15-20 0.5-3.0 300-450 100-140
Hierro
Maltodextrina 50-70 50-85 4.0-5.0 200-300 95-100
Nata de Leche 47-52 60-70 3.5-4.0 175-240 75-95
Proteína 20-50 15-60 2.0-3.0 180-250 90-110
Vegetal
Hidrolizada
Sílica Gel 12-20 10-40 6.0-8.0 400-750 120-140
Vitaminas 15-50 25-60 3.0-5.0 150-250 90-105
A, B2, E
Sorbitol 65-70 50-60 0.3-0.6 120-180 85-95
Fuente: Spray Drying Handbook (Masters, 1991)
3.10 EFECTO DE LAS VARIABLES DE OPERACIÓN EN EL CONSUMO
ENERGÉTICO DEL SECADOR.
3.10.1 Efecto de la temperatura en la entrada. El incremento en la temperatura en la
entrada disminuye el calor requerido por el secador para generar un producto con
determinadas características. El calor consumido por el secador es expresado como lavelocidad de calor específico por ejemplo: kilocalorías por kilogramo de agua evaporada o
kilocalorías por kilogramo de producto seco obtenido. En la siguiente tabla se ilustra este
hecho (11).
Cuadro 7. Efecto de la temperatura en la entrada en el calor específico consumido para un
sistema integrado de flujo mezclado con secador spray fluidizado con boquilla atomizadora.
Temperatura aire a la entrada (ºC)
200 240 350 400
Rata de 1000 1000 1000 1000
evaporación (Kg/h)
Calor específico 1165 1040 890 840
consumido
(kcal/Kg H O
2
evaporada)
Rata aire de salida 34200 24800 15900 13250
(Kg/h)
Temperatura aire a 75 75 75 75
la salida (ºC)
Fuente: Spray Drying Handbook (Masters, 1991)
3.10.2 Efecto del contenido de sólidos en el alimento. El efecto de los sólidos contenidos
en el alimento en la cantidad de humedad evaporada por unidad de peso de polvo producido
se presenta en el siguiente cuadro. El secado por aspersión es un método donde se pierden
muchos volátiles y para obtener la máxima utilización del calor se deben alimentar la
máxima cantidad de sólidos posibles. El nivel máximo lo determina dos parámetros: la
facilidad para bombear y atomizar. Incrementos en los sólidos alimentados de 50 a 60%
reduce el calor perdido en un 50%. Sin embargo, muchos secadores operan con bajos
niveles de sólidos y comparativamente bajas temperaturas de secado estas condiciones son
dictadas por las propiedades del alimento (11).
En el siguiente cuadro se ilustra este hecho.Cuadro 8. Efecto de los sólidos en el calor requerido para producir un (1) kilogramo de
producto.
Sólidos alimentados Calor requerido Sólidos alimentados Calor requerido
(kcal/Kg producto) (kcal/Kg producto)
5 11870 40 950
10 5630 50 640
15 3550 60 430
20 2510 70 280
30 1470
Fuente: Spray Drying Handbook (Masters, 1991)
3.10.3 Efecto de la diferencia de temperaturas. Aumentar la diferencia de las temperaturas,
entrada menos salida (∆T) con reducción en la temperatura a la salida, reduce el calor
requerido para evaporar un (1) kilogramo de agua (11).
Este hecho se representa en la siguiente tabla.
Cuadro 9. Efecto de la diferencia de temperatura en el calor requerido para evaporar un (1)
Kg de agua.
Diferencia de temperatura ∆T (ºC) Calor requerido (kcal) para evaporar
1 Kg H O
2
170 720
200 680
230 645
Base: Tentrada=300 ºC, sólidos alimentados: 50%, humedad final: 2%
Fuente: Spray Drying Handbook (Masters, 1991)
3.10.4 Efecto de la humedad. El contenido de humedad residual depende de la humedad
del aire a la salida de la cámara de secado. En la mayoría de las aplicaciones, las
condiciones de humedad a la salida están por debajo de los niveles que pueden inhibir la
operación de secado. Sin embargo, para productos higroscópicos, la humedad puede ser un
factor controlante. Para lograr un nivel máximo de secado y maximizar la capacidad de la
planta se requiere la deshumidificación del aire a la entrada. En la siguiente tabla se ilustra
el efecto de la humedad ambiente en la capacidad de secado (11).Cuadro 10. Efecto de la humedad ambiente en la capacidad de secado
Humedad ambiente (g/Kg) 12 20
Máxima humedad a la salida 43 43
(g/Kg)
Temperatura aire entrada (ºC) 235 203
Temperatura aire salida 90 90
(ºC)
Sólidos alimentados/Temperatura 68/70 68/70
(%/ºC)
Rata de evaporación 789 605
(Kg/h)
Humedad final (%) 2-3 3-4
Fuente: Spray Drying Handbook (Masters, 1991)
3.10.5 Efecto de la temperatura del alimento. Incrementando la temperatura del alimento
se reduce el calor requerido para producir una unidad másica de producto seco. El
precalentamiento generalmente se lleva a cabo para (11):
- Reducir la viscosidad en el alimento.
- Prevenir la cristalización del alimento que pueda causar daños en el atomizador.
- Control microbiológico.
- Activación de enzimas.
3.11 CALCULO DE SECADORES
La concepción de una instalación de secado pasa inicialmente por la determinación de la
velocidad o el tiempo de secado. De estos parámetros dependen el volumen del secador y,
para el funcionamiento en discontinuo, el número de ciclos y su frecuencia. El volumen V
de un secador funcionando en continuo, está ligado al tiempo de residencia del sólido
(correspondiente a su vez, al tiempo de secado) por (8):
ρs
θ= ⋅V ⋅(1− f) (1)
ms
Donde:
θ es el tiempo de secado, ρ es la densidad del sólido seco, m flujo másico de sólidos, V es
s s
el volumen del secador, f fracción del volumen del secador utilizado.Además como:
V = A c⋅Z (2)
Donde:
Ac = área transversal del secador, Z = longitud del secador.
sustituyendo tendremos:
ρs
θ= ⋅Ac⋅Z⋅(1− f) (3)
ms
Puede apreciarse de esta relación que los métodos de cálculo de secadores que funcionan en
continuo permitirán conocer indiferentemente θ o Z. El cálculo del tiempo de secado puede
efectuarse a partir de curvas de secado, a partir de ecuaciones que conduzcan a valores de θ
o Z establecidos a partir de balances de materia y energía, o bien a partir de expresiones de
transferencia de materia y energía (8).
3.12 FUNCIONAMIENTO DE SECADORES
El funcionamiento de un secador por atomización es una expresión que evalúa la eficiencia
térmica del proceso y en términos prácticos define la disponibilidad del secador para
generar el producto deseado en forma económica. La eficiencia térmica de un secador por
atomización depende de las temperaturas de operación y se define como (11):
calor usado enla evaporación
Eficiencia = (4)
calor suministrado
Este valor puede evaluarse por medio de balances de materia y energía.
Consideremos el esquema de un secador spray, como el mostrado en la siguiente figura
donde:Figura 14. Representación esquemática de un secador por atomización
Fuente: Spray Drying Handbook (Masters, 1991)
Si evaluáramos el funcionamiento del secador dentro de un gráfico psicrométrico, como el
mostrado en la Figura No.16 veríamos que el aire se calienta a humedad constante
(To → T1). Si la cámara estuviera aislada y toda la energía posible se utilizara, el aire se
enfriaría adiabáticamente y la temperatura mínima a alcanzar sería la de bulbo seco de
saturación (Tsat). En realidad, la cámara no está aislada y no se sigue un enfriamiento
adiabático. El aire sale a una temperatura T2' (ni está saturado ni el proceso fue adiabático),
debido a la baja relación aire-producto. Si el proceso fuera adiabático, saldría a T2 (proceso
adiabático y masas iguales de aire y producto).
Así, podemos definir ciertos términos (11):
3.12.1 Eficiencia térmica máxima (caso ideal)
T −T
1 sat.
η = ⋅100 (5)
máx.
T 1−To
que nos daría la energía máxima disponible.
3.12.2 Eficiencia térmica totalT −T
1 2
η = ⋅100 (6)
total
T 1−To
que nos da la energía realmente utilizada.
3.12.3 Eficiencia evaporativa
T −T
1 2
ηevap. = ⋅100 (7)
T −T
1 sat.
que nos da la energía máxima para evaporar.
3.12.4 Porcentaje de reducción de temperatura debido a efectos no evaporativos.
'
T −T
2 2
%R = ⋅100 (8)
'
T −T
1 2
Figura 15. Evaluación de las eficiencias en un secador spray, por medio de un gráfico
psicrométrico.
Fuente: Spray Drying Handbook (Masters, 1991)3.13 TIEMPO DE RESIDENCIA DENTRO DE UNA CAMARA DE SECADO
Las cámaras de secado se diseñan para manejar un volumen de aire que contenga suficiente
calor para secar las gotas aspersadas y para proveer un tiempo de residencia del aire
suficiente para obtener las partículas con el nivel de humedad deseado. Las velocidades de
secado iniciales son muy altas en el primer período de secado cuando la mayor parte de
humedad se evapora en intervalos de tiempo muy cortos, pero durante el segundo período,
las velocidades disminuyen considerablemente y se requiere más tiempo para llevar el
producto a la humedad deseada (11).
Las curvas de secado para una sola gota pueden dar información sobre los tiempos de
residencia necesarios, pero debido a la diferencia de la evaporación de una sola gota y de
una masa atomizada, los requerimientos de tiempo generalmente se establecen en plantas
piloto. El tiempo mínimo de residencia del producto dentro del secador puede considerarse
como el tiempo medio de residencia del aire. El tiempo de residencia está dado por la
relación volumen de la cámara de secado y el flujo total de aire. Para determinar el
volumen de la cámara podemos considerarla como compuesta por formas geométricas
sencillas como cilindros, conos, paralelepípedos, cuyos volúmenes se determinan con
relaciones entre las dimensiones fundamentales (11).
3.14 RECIRCULACION DEL AIRE
La recirculación es un método empleado para el mejor aprovechamiento energético del aire.
Parte del aire que sale del secador se mezcla con aire nuevo (que es aire ambiental
deshumidificado, pero no caliente). El análisis y optimización del grado de recirculación es
necesario en el diseño de un secador. Definimos la razón de recirculación como M/Z, y
apreciamos que afecta a varios parámetros (11):
-Conforme Z es mayor, se requiere de una mayor cantidad de energía.
-Conforme M es mayor, se requiere de una cantidad de energía menor.
-Si M/Z es menor, se necesita mayor cantidad de bombeo para mantener la velocidad de
secado constante.Figura 16. Representación del proceso de recirculación de aire para un secador por
atomización
Fuente: Spray Drying Handbook (Masters, 1991)
3.15 DISEÑO DE UN SECADOR POR ASPERSION
En la mayoría de los diseños quedan inicialmente sin especificar los valores de algunas de
las variables, que pueden fijarse libremente para conseguir un proceso más eficaz. El
primer problema es identificar estas variables de diseño libres *.
Se comienza por tabular las variables que intervienen en el diseño para cada unidad y las
relaciones que las conectan. El comportamiento de cada componente se puede describir por
ecuaciones, recomendaciones de fabricante, tablas y gráficas, datos de laboratorio, consejo
de un ingeniero experimentado o cualquier combinación y número de fuentes de
información. Todos estos elementos de información acerca de la naturaleza de los
componentes se denomina relaciones de diseño del sistema.
Las relaciones de diseño consisten en N fuentes de información acerca del sistema, que se
refieren a M variables (tamaño del equipo, condiciones de operación, condiciones de las
corrientes, etc.). Las relaciones de diseño deben ser fuentes independiente de información,
por lo que deberá eliminarse del conjunto de ecuaciones cualquier relación que pueda
derivarse de otras.
____________
* Documento de Álvaro Gómez Peña. Profesor Ingeniería Química. U.N Manizales.
I semestre 2001Un problema de diseño bien formulado contiene más variables que relaciones de diseño,
existen en el algunas variables cuyos valores no están especificados, y pueden tomar
diferentes valores, ofreciendo así una gama de condiciones de operación posibles.
En general, el número de grados de libertad es igual a la diferencia entre el número de
variables y el número de relaciones de diseño independientes. Los grados de libertad se
consumen de dos maneras:
1. A ciertas variables se les asignan valores definidos que proporcionan una conexión
entre el proceso y los alrededores.
2. Los grados de libertad restantes se consumen en la selección de variables que,
ajustadas maximizan el beneficio del sistema. El diseñador puede tener libertad para
ajustar las variables restantes.
El éxito de un secado spray está basado en los procedimientos de escalado que ha su vez
confía en la experiencia de el diseñador. Sin embargo, como las especificaciones y
aplicaciones se hacen cada vez más complejas, es necesario mejorar las pruebas de planta
piloto y así con esta herramienta es posible minimizar los posibles errores personales que se
puedan presentar (10).
Con frecuencia salen artículos referidos a esta operación unitaria, que es un arte, pero el
procedimiento de diseño del secador es silencioso es decir, especificar y escalar es un
trabajo individual. El esquema es el siguiente: si el individuo tiene un conocimiento básico
de transferencia de calor y materia, conoce el papel de la humedad y tiene una trayectoria
de cierta experiencia práctica además de resultados de planta piloto, eso si estos están
disponibles, entonces es posible producir un secador a nivel industrial con las
especificaciones necesarias (10).
La aproximación teórica es un ejercicio académico pero por considerarse de una carrera y
una reputación es mucho mejor usar las técnicas que ya están probadas (10).
Aunque el secador esté sobredimensionado y no sea el más eficiente térmicamente, procure
que al menos realice el trabajo que se le encomendó. La habilidad para diseñar y escalar
secadores spray en los años noventa era una verdadera película: En Nueva Zelanda se
encuentran los secadores más grandes de este tipo en línea para producir diez (10) toneladas
cada hora de leche en polvo, teniendo en cuenta las especificaciones y propiedades que se
deben manejar no resulta fácil producir y llevar este material alimenticio al mercado. Undescuido produciría un desastre comercial luego la decisión de invertir en una unidad tan
enorme el diseño debe estar basado en el concepto y experiencia de más de un individuo
(10).
En los Estado Unidos de Norteamérica, Europa y Escandinavia, la tecnología de los
secadores por aspersión es usada en la desulfurización de los gases de escape para remover
el SO y otros gases ácidos tóxicos provenientes de la combustión del carbón utilizados en
2
plantas de generación de energía. Muchas de estas unidades deben manejar más de dos
millones de m3/h de estos gases (10).
La evaluación del proceso, el modelo matemático y respuestas a una serie de preguntas que
van desde el laboratorio, planta piloto y escalado semi-industrial todos juegan un papel
importante en la evaluación del equipo que se coloca en operación. El escalado de los
componentes implica diseño mecánico y la habilidad para reproducir su funcionamiento en
secadores de gran tamaño (10).
El éxito del escalado cuenta con la unión de tres criterios:
1. Colaboración cercana entre el cliente y el diseñador para definir claramente el
propósito del secador, cumplir con las normas de seguridad y estándares
ambientales.
2. Pruebas con resultados reproducibles y una imagen clara del efecto de las variables
de operación en las propiedades del sólido obtenido.
3. El modelo matemático que simule el flujo de aire y la trayectoria de las partículas
presentes en el secador, generalmente esto no se realiza.
3.16 PROCEDIMIENTO DE ESCALADO:
El escalado implica el diseño de un nuevo secador que debe satisfacer unas
especificaciones establecidas en otro secador más pequeño o de los resultados obtenidos en
las pruebas de planta piloto. Los resultados nunca son suficientes y el uso de un secador
piloto de tamaño mínimo para obtener datos confiables es esencial. Lo más adecuado es
tener un gráfico o esquema del tipo de secador: flujo en paralelo, contracorriente o de flujo
mezclado (10).Establecer las condiciones de operación los tiempos de residencia y la humedad del aire
requerido en el secador son variables que permiten prevenir la formación de depósitos de
producto semi-seco en las paredes del secador (10).
La relación entre la temperatura a la salida del secador y el contenido de humedad residual
deben ser conocidas para el control del proceso basado en mantener constante la
temperatura a la salida del proceso (10).
Establecer condiciones óptimas a la entrada y la salida para una atomización completa.
Establecer si es necesario en la operación incluir escobas de aire o flujos de aire
secundarios para mantener una descarga continua de polvo de la cámara de secado.
Conocer los tipos de atomizadores preferidos en la industria.
Estas especificaciones básicas deben ser comparadas estrechamente con las especificadas
en la planta piloto, tales como:
- Si el sistema dispersor seleccionado existe.
- Si las condiciones de operación son las más ventajosas o si existe una vía alterna.
- Si la temperatura a la entrada del secador de la planta piloto es restringida.
- Es posible operar el aire a una temperatura más baja.
- El tiempo de residencia en la planta piloto es más corto que en la unidad industrial.
- El uso de bajas temperaturas a la salida todavía generan el sólido con el mismo
contenido de humedad.
- Pueden obtenerse más datos del contenido de humedad en equilibrio, en el
laboratorio.
3.17 EVAPORACION DE GOTAS DE LIQUIDOS PUROS
Una primera aproximación para modelar el secado por atomización es considerar el proceso
de evaporación de una gota expuesta a una corriente de aire. Así, la cantidad de agua
evaporada de una gota depende de dos aspectos (11):
1. - El mecanismo que gobierna la evaporación, que puede ser:
a. Evaporación simpleb. Difusión interna que depende de la difusividad selectiva, mecanismo en el cual la corteza
que se forma en la superficie de la gota del alimento es muy permeable al agua y no a los
otros volátiles
El tiempo de residencia, que se define por el movimiento que presentan la nube de producto
y el aire. En la mayor parte del proceso las partículas se mueven en función de la velocidad
del aire, a velocidades similares, por lo que puede decirse que la velocidad relativa es
despreciable.
Si el tiempo de residencia es controlante, y depende del flujo del aire, la velocidad de
evaporación depende de las características de flujo del aire. En el análisis de la evaporación
de una gota se requieren una serie de grupos adimensionales para la modelación de dicho
proceso, en la siguiente tabla se presentan los números adimensionales que intervienen en
la evaporación de una simple gota de un líquido puro (11).
Cuadro 11. Grupos adimensionales
Grupo Significado Fórmula
Reynolds (Re) Fuerza inercial/fuerza viscosa D⋅V ⋅ρa
µa
Prandlt (Pr) Difusividad Cp⋅µa
cinemática/difusividad térmica
Kd
Schmidt (Sc) Viscosidad cinética/difusividad µa
molecular
D v ⋅ρa
Nusselt (Nu) Transferencia total de h ⋅D
c
calor/transferencia calor
Kd
conductivo
Sherwood (Sh) Difusividad másica/difusividad K ⋅D
g
molecular
Dv
Fuente: Spray Drying Handbook (Masters, 1991)
Donde: D : es el diámetro de la gota, V : velocidad, ρ : densidad del medio secante, µ :
a a
viscosidad del medio secante, Cp: capacidad calorífica del medio secante, Kd:
conductividad térmica promedio de película gaseosa alrededor de la gota evaporándose, h :
c
coeficiente convectivo de transferencia de calor, Kg: coeficiente de transferencia de masa,
Dv: coeficiente de difusión.La gota puede o no moverse a la velocidad del aire. En principio, consideraremos
condiciones de velocidad relativa despreciables. Bajo esas condiciones se ha comprobado
que la magnitud de los números de Nusselt y de Schmidt, pueden determinarse con una
expresión sencilla (11).
3.18 EVAPORACIÓN DE GOTAS CON MATERIAL COLOIDAL
Para entender el mecanismo de la evaporación de humedad se analiza una gota simple con
material coloidal y se derivan ecuaciones que predicen el tiempo en que aparece o inicia la
fase sólida. Cuando la presión de vapor del líquido dentro de la gota excede la presión
ambiente, la gota se hincha y se rompe formando partículas sólidas huecas. La aparición de
fracturas o huecos en la estructura de la partícula acelera la velocidad se secado debido al
acortamiento del camino para el movimiento interno de humedad. Algunas veces esta
hinchazón es deliberadamente buscada para que la partícula se seque más rápido (17).
Figura 17. Mecanismo de secado de gotas en forma simplificada
Gota atomizada
Contacto con aire caliente
Calor y
evaporación
Formas de partícula seca
Partícula sólida Partícula Partícula hueca cenoesfera Partícula
encogida desintegradaCuadro 12. Efecto del contenido de sólidos en el alimento en la cantidad de humedad
evaporada para producir una unidad másica de polvo seco (Contenido humedad final 2%)
Contenido sólidos Humedad evaporada Contenido sólidos Humedad evaporada
(% peso/peso) (Kg H2O removida (% peso/peso) (Kg H2O removida
por Kg de polvo seco) por Kg de polvo
seco)
5 18.6 50 0.96
10 8.8 55 0.78
15 5.33 60 0.63
20 3.9 65 0.51
25 2.92 70 0.4
30 2.27 75 0.31
35 1.8 80 0.23
40 1.45 85 0.15
Fuente: Spray Drying Handbook (Masters, 1991)
Cuando se manipulan alimentos lo anterior no es conveniente ya que el material volátil
como aromas y saborizantes se evaporan con la humedad, deteriorando las propiedades
organolépticas. Las partículas atomizadas pueden fragmentarse o aglomerarse durante el
proceso de secado, para evitar estos fenómenos se emplean los aditivos (1,4).
3.19 MICROSCOPIA ELECTRÓNICA DE BARRIDO AMBIENTAL
De todos los sentidos corporales, el que proporciona, en general, más información sobre la
naturaleza, es la vista. Sin embargo, en ocasiones, el ojo y las regiones visuales asociadas
del cerebro pueden confundirnos. El ojo humano es un instrumento muy bueno, en el que la
luz se enfoca en la retina. Pero la máxima eficiencia es cuando se observan objetos con
unas dimensiones que varían entre algunas décimas de milímetro y varios kilómetros, es
decir, el mundo próximo, esa parte del universo con la que estamos más familiarizados (3).
Desde tiempos remotos el hombre ha sentido curiosidad por todo lo que le rodea, incluidos
aquellos objetos cuyo tamaño o posición en el espacio no están dentro del dominio 10-3 –
103 metros. Las observaciones de objetos situados a grandes distancias, tales como las
estrellas, o de cosas minúsculas y pequeños detalles estructurales estaban limitadas por la
capacidad del ojo humano. Aparecieron, así, el telescopio y el microscopio. Es este último,
con sus diferentes modalidades, el que nos permite hacer imágenes en un viaje espectacular
que se inicia en el mundo próximo y se prolonga por el mundo microscópico hasta un límite
cercano a los 10-10 metros.Los estudios modernos sobre caracterización de partículas finas le dan relevancia a los
conceptos estructurales y texturales, los cuales son de difícil captura debido a lo
voluminoso del trabajo y la imprecisión de los datos por no contar con una
conceptualización que consulte las formas reales y las escalas de la naturaleza (3).
Para distinguir las diferentes partículas es necesario usar parámetros como: color, forma,
brillo, tamaño; ninguno de ellos es suficiente por si mismo para efectuar la caracterización.
La microestructura identificada para una partícula dada, por tanto depende del sistema de
digitalización (calibración) que se use: resolución espacial (número de pixeles disponibles
para la digitalización de un campo) y el número de bits que se pueden asignar a cada píxel.
La identificación de objetos o regiones en una imagen a menudo se puede realizar, al menos
parcialmente, usando descriptores de textura. Aunque no existe una definición formal de
textura, se puede ver este descriptor intuitivamente como una medida de propiedades, como
la lisura, la regularidad y la rugosidad (3).
Los dos enfoques principales para la descripción de texturas son el estadístico y el
estructural. Las medidas de la textura calculadas únicamente con histograma están limitadas
por el hecho de que no dan información de la posición relativa de los pixeles. Una forma de
obtener este tipo de información en el proceso de análisis de textura es considerar no sólo la
distribución de intensidades, sino también la posición de los pixeles con valores de
intensidad iguales o parecidos y la medida de los parámetros morfológicos invariantes en el
estudio de la imagen (3).
Específicamente, en el estudio de superficies microscópicas se pueden clasificar dos tipos
de representaciones de las imágenes, las que tiene que ver con el área y las que tienen que
ver con el perfil. En las imágenes de perfil es posible extraer con gran facilidad la línea que
forma su contorno. Dicho contorno puede ser analizado como una curva fractal (3).
La microscopía frecuentemente se usa como un método absoluto de análisis de tamaño de
partícula, puesto que es el único método por el que se observan y miden partículas
individuales. La imagen de una partícula vista en un microscopio es bidimensional y de esta
imagen se puede hacer una estimación del tamaño de la partícula (3).
Todos los métodos de microscopía se llevan a cabo, básicamente, para muestras de
laboratorio extremadamente pequeñas, es por esto que el análisis manual al microscopio estedioso y expuesto a error. Se han desarrollado sistemas automáticos que aceleran el
análisis y reducen el tedio de lo métodos manuales.
Los microscopios electrónicos de barrido son casi tan antiguos como los de transmisión,
Knoll, en el año de 1935, construyó en primer microscopio de barrido con una resolución el
orden de 100 mm. Sin embargo, hasta 1965 no se dispuso del primer microscopio de
barrido comercial con una resolución de 250 Å. En un microscopio de barrido, un haz de
electrónes con una energía entre 1 y 50 keV y en un vacío de 10-7 bars se hace incidir sobre
una muestra. Este haz electrónico se focaliza sobre la superficie de la muestra, como
resultado de la interacción de los electrones incidentes en la muestra, se producen una serie
de fenómenos, entre los que cabe destacar aquí, la emisión de electrones secundarios con
energías de unas pocas decenas de electrón-voltios y la reflexión de los electrones
primarios que dan lugar a un haz de electrones retrodispersados de alta energía. La
intensidad de la emisión de estos dos haces depende fuertemente del ángulo de incidencia
del haz de electrónes sobre la superficie de la muestra, esto es, de la topografía de la
muestra (3).
La corriente electrónica emitida por la muestra se recoge y se amplifica; las variaciones en
su intensidad, a medida que el haz incidente barre la superficie, se utilizan para variar la
intensidad de la traza en un tubo de rayos catódicos que barre en sincronía con la sonda. De
este modo, se establece una correspondencia directa entre las posiciones de la sonda en la
superficie de la muestra y la imagen fluorescente en el tubo de rayos catódicos (3).
3.19.1 Componentes del microscopio electrónico de barrido. De manera análoga a los
microscopios de transmisión, también en el caso del de barrido existe una configuración
básica común a todos los microscopios comerciales. Los elementos de esta configuración
son: el cañón de electrones, portamuestras, sistemas de detección de las diferentes
emisiones y un sistema de visualización de la imagen (3).
Cañón de electrones: son filamentos de wolframio, tungsteno o hexaboruro de lantano
proporcionan una corriente electrónica de hasta 250 mA con energías ajustables entre 1 y
50 keV.4. MODELO MATEMATICO
4.1 ATOMIZADORES ROTATORIOS
Difieren de los de presión en que el líquido logra velocidad sin alta presión. En la siguiente
tabla se resumen los efectos de las variables en el tamaño de la gota en un atomizador
rotatorio (11).
Cuadro 13. Efecto de las variables sobre el tamaño de la gota
Variable Efecto
p
D N 
Disco rápido 1  2  D = diámetro del disco
=
Flujo alimento constante D  N  N = Velocidad del disco, rpm
2  1  p = 0.55-0.8
Flujo alimento q
D Q 
Velocidad disco constante 1  2  Q = flujo alimento
=
D  Q  q = 0.1-0.12
2  1 
Densidad líquido 0.5
D ρ 
1 2 ρ = densidad
=
D  ρ 
2  1 
Fuente: Spray Drying Handbook (Masters, 1991)
4.1.1 Tamaño promedio de las gotas. El tamaño promedio de las gotas se puede estimar
por el siguiente modelo matemático (11):
=14000⋅Q0.24 /(nh)0.12 ⋅(Nd)0.6
Dvs (9)
1  
donde Dvs es el diámetro promedio (µm), d es el diámetro del disco atomizador (m), h es la
altura del aspa (pueden ir desde 8mm hasta 30mm) (m), N es la velocidad (rpm), Q es el
1
flujo másico (Kg/h) y n es el número de aspas (pueden ir en un número desde 18 a 36).
4.1.2 Distribución de tamaños. La distribución de tamaños para atomizadores rotatorios se
representa por (11):a
KQ
Dm = (10)
b 0.6 d
N ⋅d ⋅(nh)
donde K, a, b, y d son función de la velocidad del disco y velocidad de carga del aspa. En la
siguiente tabla se resumen los valores reportados.
Cuadro 14. Valores de K y exponentes aplicables en la ecuación 10
Velocidad Velocidad de
disco carga del aspa A B D K
Normal Bajo
85-115 25 0.24 0.82 0.24 1.4
normal-alto normal
85-180 250-1500 0.2 0.8 0.2 1.6
muy alto normal -alto
180-300 1000-3000 0.12 0.77 0.12 1.25
normal-alto muy alto
85-140 3000-60000 0.12 0.8 0.12 1.2
Fuente: Spray Drying Handbook (Masters, 1991)
4.1.3 Potencia necesaria. Potencia necesaria para lograr la velocidad periférica (11):
( )
−10 2 2 2
Pk =3.8*10 ⋅M ⋅N ⋅ 2⋅d −d (11)
L d
Donde: Pk es la potencia requerida (kW); d y d son los diámetros de la boquilla y del ducto
d
distribuidor respectivamente (m); M es el flujo másico (Kg/h).
L
4.2 BALANCES DE MATERIA Y ENERGIA
Un balance alrededor del sistema, sin pérdidas o acumulación (11):
Fs ⋅w s1+Ga ⋅H = Fs ⋅w +Ga ⋅H (12)
a1 s2 a2
donde Fs masa de sólido seco (Kg), w contenido de humedad en el alimento (Kg de
s1
agua/Kg de sólido seco), w contenido de humedad del sólido saliendo del secador (Kg de
s2
agua/Kg de sólido seco), Ga flujo de aire (Kg/s), Ha y Ha humedad del aire a la entrada y
1 2
salida (Kg de agua/Kg de aire seco).F s ⋅q s1+G a ⋅q a1 = F s ⋅q s2 +G a ⋅q a2 +q L (13)
donde q y q son las entalpías del sólido entrando y saliendo del secador (KJ/Kg), q y
s1 s2 a1
q son las entalpías del aire entrando y saliendo del secador (KJ/Kg), q es el calor perdido
a2 L
(KJ).
4.2.1 Ecuación para la eficiencia térmica global y eficiencia de la evaporación (11):
( )
T −T
1 2
η = 100 (14)
G
(T −To)
1
( )
T −T
1 2
ηevap = 100 (15)
(T −Tsat)
1
donde T temperatura del aire caliente a la entrada, T temperatura del aire a la salida, To
1 2
temperatura del aire atmosférico, Tsat temperatura de saturación, todas en (K).
4.3 ECUACIONES PARA LA INTERACCION ENTRE GOTA Y AIRE
La distancia recorrida por una gota es afectada por el flujo de aire dependiendo del tamaño
de la gota, forma y densidad. Las fuerzas actuando sobre una partícula se puede expresar
como (11):
π 3 dv π 3 2
⋅D ⋅ = ⋅D ⋅(ρ −ρ )⋅g −0.5⋅Cd⋅ρ ⋅V ⋅A (16)
w a a r
6 dt 6
donde D es el diámetro de la gota, Cd coeficiente de arrastre, Vr velocidad de la gota
relativa al aire, A es el área de la gota (πD2/4), ρ es la densidad de la gota, ρ es la
w a
densidad del aire.
Secado de gotas de líquido puro. La transferencia de calor y masa ocurre bajo condiciones
turbulentas alrededor de la gota del líquido, pueden expresar como sigue:
hl 0.5 0.33
Nu = = 2+K Re Pr (17)
1
kk l
y 0.5 0.33
Sh = = 2+K Re Sc (18)
2
D
eff
donde Nu es el número de Nusselt, Sh es el número de Sherwood, Re número de Reynolds,
Pr es el número de Prandtl, Sc es el número de Schmidt, h coeficiente de transferencia de
calor, l es la longitud característica, k coeficiente de transferencia de masa, D difusividad
y eff
y K y K son constantes reportadas como 0.6.
1 2
La relación entre fuerza y velocidad, un factor crítico durante el secado, está dado por (11):
2
F =0.5⋅Cd ⋅U ⋅ρ ⋅A (19)
r g
( )
24 0.687
Cd = 1+0.15Re (Re<1000) (20)
Re
24⋅µ
Cd = (Re<1) (21)
Ur ⋅ρg ⋅d
donde Cd es el coeficiente de arrastre, ρ densidad aire (Kg/m3), µ viscosidad (cP), A área
g
de la superficie (m2), U velocidad relativa de la partícula respecto al aire (m/s), d es el
r
diámetro de la gota (m).
4.3.1 Ecuaciones de balance de materia y energía en la gota (11)
Balance de materia
2⋅π⋅D ⋅ρ ⋅d⋅(pw − pa)
dw eff l
= Km⋅A⋅(pw − pa) = (22)
dt ρg
introduciendo la ley de gas ideal
2⋅π⋅D ⋅Mw ⋅d⋅(pw − pa)
dw eff
= (23)
dt ρ ⋅Ta
gBalance energía
dw h⋅A 2⋅π⋅Kg ⋅d⋅(Ta −Tw)
= (Ta−Tw) =
dt λ λ (24)
h = 2Kf /d para Re< 20
donde w es la humedad (Kg agua/Kg de sólido seco), t es el tiempo (s), Km es el
coeficiente de transferencia de masa (Kg/m-s2), p y p son la presión parcial del agua y
w a
del aire respectivamente (kPa), D difusividad efectiva, ρ densidad del líquido (Kg/m3), ρ
eff l g
densidad del gas (Kg/m3), d diámetro d la gota (m), Mw peso molecular del agua, Rg
constante universal de los gases, h coeficiente de transferencia de calor.
λ calor latente de vaporización, Kg conductividad térmica del aire, Tw temperatura de
bulbo húmedo, Kf conductividad térmica en la película.
4.3.2 Ecuación para el tiempo de secado.
Periodo de velocidad constante (11)
ρ
2
L⋅λ⋅⋅d
o
tc = (25)
8⋅Kg⋅(Ta−Tw)
Periodo de velocidad decreciente (11)
dcρp ⋅λ⋅(wc −we)
td = (26)
6⋅h⋅∆Tm
h = 2⋅Kg/do (27)
donde ρ densidad del líquido (Kg/m3), λ calor latente de vaporización (KJ/Kg), d
L o
diámetro de la gota (m), Kg conductividad térmica del aire (W/m-K), Ta temperatura del
aire a la entrada (K), Tw temperatura de bulbo húmedo (K), ρ densidad de la partícula
p
(Kg/m3), d diámetro de la gota final (m), w y w humedad crítica y final respectivamente
c c e
(Kg agua/Kg sólido seco), ∆Tm diferencia media de temperaturas entre la temperatura del
aire a la entrada y temperatura de bulbo húmedo (K), h coeficiente convectivo (W/m2-K).4.4 ECUACION PARA LA CAMARA DE SECADO
El diseño de la cámara incorpora formas geométricas como cilindros, conos o
paralelepípedos y se pueden calcular por fórmula (11):
1 2
Cono V = h⋅D
12
π 2
Cilindro V = h⋅D (28)
4
Caja rectangular V =b⋅L⋅h
Para una cámara de secado con base cónica (ángulo de 60º) y altura cilíndrica:
2[ ]
V =0.7854⋅D h'+0.2886⋅D (29)
donde b es ancho (m), L longitud (m), h altura (m) y h’ (m) altura del cilindro con base
cónica, D es el diámetro (m).
Cuadro 15. Relación entre tamaño promedio de partícula y diámetro mínimo para la
cámara de secado
Tipo de spray Tamaño medio D mínimo Emáx
aproximado (µm) (m) Aproximada (Kg/h)
Muy fino 20-40 1.5 20
Fino 40-80 2 150
Medio- grueso 80-100 4 1000
Grueso 100-120 5 1500
120-150 6 1500
Fuente: Spray Drying Handbook (Masters, 1991)Cuadro 16. Relación entre altura y diámetro para la cámara de secado
Cámara de secado/ atomizador H:D (altura cilindro/ diámetro cámara)
Combinación
Flujo en paralelo / rotatorio 0.6:1 a 1:1
Flujo paralelo / boquilla atomizadora en la 3:1 a 4:1
cima
Boquilla atomizadora en contracorriente 3:1 a 5:1
Flujo mezclado( fuente) boquilla 1:1 a 1.5:1
atomizadora
Flujo mezclado (lecho fluidizado) 0.15:1 a 0.4:1
Fuente: Spray Drying Handbook (Masters, 1991)
4.5 ECUACIONES PARA EL CICLON
El tamaño de la partícula está relacionado con la eficiencia del ciclón, tal como se puede
apreciar en la siguiente cuadro (11).
Cuadro 17. Relaciones entre tamaño de partícula y eficiencia en los ciclones
Tamaño de partícula (µm) Grado de eficiencia (%) Eficiencia global (%)
0-5 43 0.86
5-10 76 3.8
10-15 89 12.46
15-20 94 35.72
20-25 95.5 18.15
25-30 96 11.57
30-40 96.5 4.85
40-50 97 2.91
50-60 97.5 0.97
60-70 98 0.98
Fuente: Spray Drying Handbook (Masters, 1991)
Para un ciclón con base cónica con ángulo de 60º, la velocidad de entrada varia entre 12 y
36 m/s, se establecen las siguiente relaciones:Figura 18. Esquema del ciclón con sus principales variables de diseño
Cuadro 18. Relaciones geométricas mínimas para los ciclones
πDe/2(Dc-De)×a (L/D )mínimo.
C
>1.0 1.75
0.8 2.1
0.6 2.6
0.4 mínimo 3.2
Fuente: Revista Chemical Engineering. January (Zenz, 2001)a = 2⋅b a 3⋅b (30) tambien
Dc
a = (31)
2
Dc
b = (32)
2
h = 2⋅Dc (33)
Dc
De = (34)
2
Z = 2⋅Dc (35)
H = h+Z (36)
Dc
s = (37)
8
Dc
d = (38) usualmente
4
donde Ae es el área del tubo de salida del gas, b es la altura del ducto de entrada del
alimento (esta entrada tiene área rectangular), a es la base del ducto de entrada del aire, D
C
diámetro del cilindro de la cámara de secado, h altura del cuerpo cilíndrico de la cámara de
secado, H es la altura total del ciclón, d es el diámetro del ducto de salida; ubicado en la
parte inferior del ciclón, s es la altura del ducto de salida del aire; se encuentra
interiormente, Z es la altura del cono, L se define como la longitud del vórtice (7).
Caída de presión en el ciclón: La caída de presión en un ciclón típico usualmente varía
entre 0.5 pulgadas de agua (0.93 mm Hg) y 8 pulgadas de agua (14.9 mm Hg) aunque
puede ser mayor, pero rara vez excede 10 pulgadas de agua ( 18.64 mm Hg) (7).
4.6 ECUACION PARA LA BOMBA
Aplicación de la ecuación de Bernoulli y del análisis de variables (5, 12).
p
∆(K +P)+∫ 2VdP−W +Ev (39)
p
1
G = Nsp+4 (40)donde K, P variación en las energías cinética y potencial, la integral definida relaciona el
cambio de la presión a volumen constante, W es el trabajo requerido para impulsar el fluido
y Ev son las pérdidas de energía mecánica, G son los grados de libertad y representan el
número de variables en un conjunto de ecuaciones independientes a los que es necesario
asignar valores para resolver las ecuaciones, Nsp es el número de componentes o especies
que hay en la corriente.
4.7 ECUACION PARA EL CALENTADOR DE AIRE
Balance de materia y energía generalizado y análisis de variables (5)
j j
∑m =∑m (41)
entrada salida
i=1 i=1
j j
∑E =∑E (42)
entrada salida
i=1 i=1
G = 2Nsp+8 (43)
donde m es la masa, E es la energía, G son los grados de libertad y representan el número
de variables en un conjunto de ecuaciones independientes a los que es necesario asignar
valores para resolver las ecuaciones, Nsp es el número de componentes o especies que hay
en la corriente.5. DESARROLLO DEL PRIMER OBJETIVO
Determinar, cuantificar y optimizar experimentalmente las variables de mayor incidencia
para el diseño del equipo: flujo dealimento y su contenido de sólidos, temperatura del
fluido de servicio (aire), temperatura en el interior de la cámara de secado, humedad y
tamaño de partícula en el producto final.
5.1 METODOLOGIA
5.1.1 Localización. El trabajo se realizó en el laboratorio de procesos productivos que se
encuentra en la Universidad Nacional de Colombia sede Manizales, durante un mes y
medio aproximadamente la parte correspondiente a la fase experimental y de análisis fisico.
5.1.2 Materia Prima.
Tamaño de muestra: 500 gramos de la fruta.
Nombre: Tomate de árbol, Tamarillo
Nombre científico: Cyphomandra betacea (cav) sendt
Familia: Solamaceae
Las frutas se escogieron por inspección visual aplicando la norma técnica Colombiana NTC
4105 con grado de madurez 4, debe encontrarse libre de magulladuras y olor agradable.
Enzima: para el tratamiento enzimático se empleo Naturalzyme 200XL, fabricada por la
empresa PROENZIMAS, proveniente de una cepa de Aspergillus Níger compuesto
inicialmente de pectinasa y en grado menor celulasa; con las siguientes características:
Actividad: 0.045 UI/mg (específica para pectinasa), para pH 4.0 y 40ºC
Estado: Líquido
Color: ámbar oscuro
Solubilidad: completa en agua
Densidad: 1.1-1.2 g/mlGoma arábiga: como agente encapsulante se empleo goma arábiga, distribuido por la
empresa PROQUIMORT, con las siguientes características:
Estado: sólido, pulverulento muy fino.
Color: blanco
Solubilidad: completa en agua y alcohol
5.1.3 Preparación del jugo de tomate. Utensilios empleados: cuchillo casero, licuadora,
colador.
Para la preparación del jugo se siguió el siguiente procedimiento:
Inspección de la materia prima.
Selección
Lavado con agua común para remover material extraño
Pelado manual
Corte manual
Licuado
Extracción de las semillas mediante colado manual5.1.4 Composición química del tomate de árbol.
Cuadro 19. Composición química del tomate de árbol
Componente %
Agua 89.7
Proteína 1.4
Grasa 0.1
Carbohidratos 7.0
Fibra 1.1
Cenizas 0.7
Fuente: Diseño de dos congeladores rápidos para frutas (Álvarez, 1999).
5.1.5 Determinación de las propiedades físicas del jugo y el producto.
Equipo empleado: refractómetro (ABBE-3L, Rango sólidos disueltos: 0-85% escala grados
Brix, Presición: ±0.05% sólidos disueltos), goma arábiga, Rotavapor (BÜCHI R-114),
balanza analítica (KERN EG, Presición: ±0.001), viscosímetro (SCHOTT Visco-Easy,
Presición: ±1% del fondo de la escala utilizada, Resolución: de 0.1 a 100 cP ), picnómetro,
baño termostático (ETERNA, control PID, Rango: 0-200ºC, Presición: 0.1ºC). pH-metro
(SCHOTT Handy Lab 1, Presición: 0.1 unidades de pH).
Procedimiento para determinación de las propiedades físicas:
Inspección de la materia prima.
Selección.
Lavado con agua común para remover material extraño.
Pelado manual.Corte manual.
Licuado.
Extracción de las semillas mediante colado manual.
Determinación de los grados Brix iniciales.
Determinación de la viscosidad.
Determinación de la densidad.
Determinación del pH.
Adición del aditivo.
Determinación de los grados Brix.
Adición de la enzima.
Activación de la enzima. SecadoDeterminación de los grados Brix iniciales:
Al jugo obtenido se le miden los grados Brix empleando el refractómetro.
5.1.6 Concentración del jugo. Al jugo obtenido se le adiciona goma arábiga, clasificado
como aditivo GRAS, elevando la concentración del jugo en dos grados Brix. Para llevar la
concentración del jugo a un nivel superior se empleó el Rotavapor a las siguientes
condiciones de operación 42ºC de calentamiento y presión de 72 mbar durante 8 a 9 horas.
5.1.7 Viscosidad. Para determinar la viscosidad del jugo, se empleó el viscosímetro,
previamente calibrado con dos polímeros de 9710 cP y 970 cP.
5.1.8 Tratamiento enzimático. Se realiza un tratamiento enzimático con el fin de reducir la
viscosidad del jugo, con pectinasa durante 60 minutos a baño constante de 40ºC, la cantidad
de pectina fluctuó entre 30 y 60 ppm.
5.1.9 Secado en el laboratorio
Secado por aspersión
Equipo empleado: BÜCHI B-191, Mini Spray Dryer, convección forzada, tipo neumático.
5.1.10 Variables propias del secador por aspersión
En el equipo se pueden manipular las siguientes variables:
• Temperatura de entrada (ºC): es la temperatura a la cual el aire entra a la boquilla
atomizadora.
• Temperatura de salida (ºC): es la temperatura a la cual se encuentra el aire a la
salida de la cámara de secado y comienzo del sistema recolector de sólidos.• Flujo de alimentación (ml/min): es el flujo del alimento, impulsado por una bomba
peristáltica y luego llevado a la boquilla atomizadora por medio de una manguera.
• Flujo de aire (LN/h): caudal de aire empleado para la atomización.
• Presión de aspiración (mbar): diferencia de presión utilizada para transportar el aire
y el producto hacia el sistema de separación.
La primera variable estudiada fué la temperatura del aire a la entrada por ser la más
importante en el proceso de secado, manteniéndose fijas las otras variables.
La siguiente variable estudiada fué el flujo de alimentación, se toman constantes las demás
variables del equipo. Esta variable afecta en gran medida el rendimiento de la operación,
valores superiores a 10 ml/min taponan la boquilla atomizadora, obstruyendo el flujo e
impidiendo el proceso continuo de secado.
La siguiente variable estudiada fué el contenido de sólidos presentes en la alimentación.
Los ensayos demostraron que a valores superiores a 18 grados Brix, el alimento no fluye,
su manipulación y bombeo se hace difícil; afectando notablemente el proceso de secado ya
que el alimento se deposita en la boquilla y la elevada temperatura del aire terminan por
quemarlo.
De acuerdo con lo anterior se realizó el siguiente diseño experimental para el secado:
• Variables fijas: Variedad de la fruta, presión de aspiración 80%, flujo de aire 500
LN/h.
• Variables independientes: Temperatura del aire a la entrada, flujo de alimento,
concentración del alimento.
• Variables dependientes: Tamaño de la partícula, humedad del producto obtenido.
Se realizó un diseño experimental al azar de 3*3*2, del cual resultan 18 tratamientos, con
tres repeticiones.Cuadro 20. Diseño experimental utilizado para evaluar el proceso de atomización.
Variable Nivel Valores
Temperatura de entrada 3 120, 130, 140 ºC
Flujo alimento 3 3, 4, 5 ml/min
Concentración 2 14-21 ºBrix
Procedimiento de secado:
Encendido del equipo
Fijar Flujo de aire
Fijar Temperatura del aire a la entrada
Iniciar o continuar flujo de alimento con agua
NO
Estabilización de la temperatura del aire
SI
Iniciar bombeo del jugo concentrado
5.1.11 Determinación de la humedad final del producto.
Equipo Empleado: crisol, estufa, balanza analítica.Una vez terminada la operación de secado, se procede a cuantificar el peso del producto
obtenido luego es depositado en la estufa a 60ºC durante 12 horas como mínimo. Se toman
registros del peso cada hora.
5.1.12 Tamaño de partícula
Equipo empleado: microscopio electrónico de barrido ambiental (E.S.E.M) XL-40 marca
Phillips
Procedimiento para determinar el tamaño de partícula
Una vez recogido el producto sólido de la operación de secado de inmediato se procedió a
envasarlo en recipientes herméticos con el fin de evitar contacto con la humedad de la
atmósfera ya que es altamente higroscópico.
Una pequeña cantidad del deshidratado de tomate de árbol se coloca sobre un porta-
muestra metálico de diámetro aproximado de 5 mm, se introduce en una cámara donde se
operó a las siguientes condiciones: aceleración de voltaje 10 kV, Spot 4.0, magnificación
1500X, presión 2.6 torr, distancia de trabajo 10.4. Se tomaron tres imágenes por muestra y
en cada una de ellas se localizaron tres puntos, cada punto equidistante mediante el trazo de
una diagonal desde la esquina superior izquierda a la esquina inferior derecha. Los datos de
los tamaños de partícula obtenidos de las imágenes fueron recopilados manualmente, y
posteriormente fueron trascritos al software STATGRAPHICS PLUS (Statistical Graphics
Corp. Versión 2.0), que permitió obtener un histograma de frecuencias de tamaño de
partícula.
5.2 RESULTADOS
5.2.1 Características físicas del jugo de tomate de alimentación al secador.
En las siguientes tablas se expresan los valores promedio de densidad, viscosidad y pH,
tomados a diferentes grados Brix, para elevar los grados iniciales hasta los finales se
empleo un Rotavapor. No se adiciona goma arábiga.5.2.2 Propiedades físicas del jugo sin aditivo
Cuadro 21. Propiedades físicas del jugo sin aditivo a 11 ºBrix.
Propiedad Media Desviación estándar Varianza
Densidad (g/ml) 1.45 0.30 0.09
p.H 3.665 0.04 0.001
Viscosidad (m2/s) 9.8257*10-4 0.13 0.017
Cuadro 22. Propiedades físicas del jugo sin aditivo a 25 ºBrix.
Propiedad Media Desviación estándar Varianza
Densidad (g/ml) 1.80 0.48 0.09
p.H 3.245 0.03 0.005
Viscosidad (m2/s) 9.415*10-3 0.11 0.031
En la siguiente tabla se expresan valores de densidad, viscosidad, pH tomados a diferentes
grados Brix. Para elevar los grados Brix iniciales, en dos unidades, se adicionó goma
arábiga y posteriormente se utilizó Rotavapor para llevarlos hasta los grados Brix finales.
5.2.3 Propiedades físicas del jugo con aditivo
Cuadro 23. Propiedades físicas del jugo con aditivo
ºBrix iniciales ºBrix finales Densidad pH Viscosidad
(g/ml) (m2/s)
11 13 1.05 3.61 9.87*10-4
18 20 1.81 3.70 9.516*10-3
Varianza 0.08974 0.001709 0.01937
Desviación estándar 0.146511 0.06094 0.26984
5.2.4 Viscosidad. En la siguiente tabla la viscosidad inicial corresponde al jugo preparado
sin tratamiento enzimático, la viscosidad final corresponde después de llevado a cabo el
tratamiento enzimático, ambas medidas tomadas a temperatura ambiente (17ºC).Cuadro 24. Valores de viscosidad típicos antes y después del tratamiento enzimático,
tomados para un solo ensayo.
º Brix Viscosidad inicial (cP) Viscosidad final (cP)
11 9320 268
18 9939 269
5.2.5 Operación de secado en el laboratorio.
En la siguiente tabla se presentan los resultados obtenidos en el proceso de secado.
Cuadro 25. Relación de las variables manipuladas en el secador
Temperatura º Brix % Humedad Flujo aire Temperatura % bomba *
(ºC) final LN/h de salida (ºC)
120 14 4.33 500 80 8
120 21 2.8 500 80 8
130 14 2.73 500 86 8
130 21 3.96 500 86 8
140 14 3.1 500 92 8
140 21 3.3 500 92 8
• equivale a 20 ml/14 min.
5.2.6 Humedad final
Los valores de humedad son promedios. La desviación con respecto a la media y su
desviación estándar se presentan en la siguiente tablaCuadro 26. Relación de humedad final, temperatura de secado y grados Brix
% humedad Temperatura º Brix Desviación Varianza
4.5 120 12 0.3316 0.11
4.8 120 14 0.3027 0.09166
3.8 120 14 0.3149 0.09045
4.2 130 12 0.3162 0.1
4.1 130 14 0.3073 0.09444
4.4 130 14 0.3205 0.1027
4.5 140 12 0.3162 0.1
4.9 140 14 0.3317 0.11
4.3 140 14 0.3478 0.121
5.2.7 Muestras de algunas de las imágenes obtenidas con el microscopio.
Figura 19. Imagen de partículas de tomate de árbol tomada por E.S.E.M voltaje acelerador
15 kV, magnificación 1500X. (Temperatura=120ºC, 11 ºBrix)
Figura 20. Imagen de partículas de tomate de árbol tomada por E.S.E.M voltaje acelerador
15 kV, magnificación 280XFigura 21. Imagen de partículas de tomate de árbol colapsando a una temperatura de 66ºC
tomada por E.S.E.M Voltaje acelerador 15 kV, magnificación 300X
5.2.8 Distribución de tamaño de partícula: los siguientes histogramas los representan.Figura 22. Histograma distribución de tamaño de partícula a T=120ºC y 11ºBrix.
Histograma para T=120 ºC y 11 Brix
8
6
aicneucerF
4
2
0
0 4 8 12 16 20 24
Tamaño de partícula <micras>
Figura 23. Histograma distribución de tamaño de partícula a T=130ºC y 11ºBrix
Histograma para T=130 C y 11 Brix
15
12
aicneucerF
9
6
3
0
9 13 17 21 25 29 33
Tamaño de partícula (micras)Figura 24. Histograma distribución de tamaño de partícula a T=140ºC y 11ºBrix
Histograma para T=140 ºC y 11 Brix
6
5
4
aicneucerF
3
2
1
0
0 3 6 9 12 15 18
Tamaño de partícula <micras>6. DESARROLLO DEL SEGUNDO OBJETIVO
Estudio y selección de la mejor boquilla para el secador.
6.1 ATOMIZADOR ROTATORIO
La elección de la boquilla para el secador depende de factores como el flujo de alimento y
sus propiedades físicas como la viscosidad, tamaño de partícula deseado en el producto
final, disposición respecto a la dirección del flujo del gas secante, diseño de la rueda que
permita llevar el líquido a la velocidad periférica antes de la descarga, material de
construcción y los costos.
Las especificaciones de la boquilla recomendada son:
Variable Valor o concepto
Tipo de boquilla Rotatoria
Diámetro (mm) 120
Velocidad periférica (m/s) 120
Altura de las aspas (mm) 8
Número de aspas 18
Flujo de alimento (Kg/h) 100
Potencia requerida (W) 334
Material de construcción Acero inoxidable
Tamaño de partícula deseado (µm) 20-30
Se utiliza para alimentos de alta o baja viscosidad también es aplicable. Se emplea cuando
la disposición respecto a la dirección del flujo de gas secante es en paralelo (materiales
sensibles al calor, altamente higroscópicos, alto contenido de azúcares). A estas razones se
suman las expuestas en el cuadro 2.7. DESARROLLO DEL TERCER OBJETIVO
Diseño de la cámara de secado y equipos auxiliares: recolector de sólidos (ciclón), bomba
de alimentación y calentador de aire.
7.1 METODOLOGIA
Para los equipos que se pretenden diseñar se seguirá el siguiente procedimiento:
Identificación de las variables
Identificación de las relaciones de
diseño
Cálculo de los grados de libertad
Consumo de los gr ados de libertad
Variables de diseño7.2 BALANCES DE MATERIA Y ENERGIA DEL SECADOR
Para realizar los balances de materia y energía disponemos de la siguiente información:
Humedad relativa promedio: 80%, Temperatura promedio: 17 ºC, altitud sobre el nivel del
mar: 2100m, Presión atmosférica: 585 mm Hg. Humedad absoluta: 0.0126 Kg H O/ Kg aire
2
seco, Temperatura bulbo húmedo promedio: 14 ºC, Temperatura del aire a la entrada
130ºC, Temperatura del aire a la salida del secador 80ºC, Flujo de alimento 100 Kg/h,
fracción másica de sólidos en el alimento: 16% (Brix), humedad del producto inferior o
igual a: 5% y las ecuaciones (12) y (13).
Figura 25. Diagrama cualitativo del proceso de secado
Aire caliente
Alimentación
Producto
Aire caliente y agua evaporadaFigura 26. Diagrama cuantitativo del proceso de secado
3
F
(H O)
2
T =130ºC Y = 0.012Kg agua/Kg aireseco
3
1 1
F =100Kg/h
1
w = 0.16
solidos 2
2 F
(H O)
2
2
w = 0.96
T =17ºC solidos
4 F4 (H 2O)
4 T =80ºC
w
aire
Balance de materia: para sólidos
(H O)
2
1 1 2 2 T =80ºC
w s ⋅F = w s ⋅F
2
0.16⋅100 = 0.04⋅F
2
F =16.67 Kg
Balance para agua:
1 1 3 2 2
w ⋅F = F +w ⋅F
H O H O
2 2
3
0.86⋅100 = F +0.04⋅16.67
3
F =85.332 Kg
Balance de energía:
m ⋅h +m ⋅h = m ⋅h +m ⋅h
1 1 3 3 2 2 4 4
Tomando como estado de referencia agua líquida y aire a 0ºC y considerando aditivas las
entalpias del sólido y el agua.La capacidad calorífica del sólido se calculó empleando la correlación dada por Choi y
Oikos, se encuentran en función de la composición química del alimento, tal como se
ilustra en el cuadro 28.
Cuadro 27. Correlaciones para calcular el calor específico de los componentes de los
alimentos como función de la temperatura
Componente Ecuación
Proteína −3 −6 2
Cp = 2.0082+1.2089×10 ⋅T −1.3129×10 ⋅T
Grasa −3 −6 2
Cp =1.9842+1.4733×10 ⋅T −4.8008×10 ⋅T
Carbohidratos −3 −6 2
Cp =1.5488+1.9625×10 ⋅T −5.9399×10 ⋅T
Fibra −3 −6 2
Cp =1.8459+1.8306×10 ⋅T −4.6508×10 ⋅T
Ceniza −3 −6 2
Cp =1.0926+1.8896×10 ⋅T −3.6817×10 ⋅T
Fuente: Diseño de dos congeladores rápidos para frutas. (Alvarez, 1999).
Todas las ecuaciones tienen rango de validez entre –40ºC a 150ºC.
Las ecuaciones para la capacidad calorífica del aire y agua en estado líquido o gaseoso se
presentan en el cuadro 28
Cuadro 28. Capacidad calorífica para el agua y aire
Sustancia Ecuación
Aire Cp = 28.09 + 0.1965×10−2 ⋅T + 0.4799×10−5 ⋅T 2
273<T<1800 K
−1.965×10−9 ⋅T3
J/mol-K
Agua (l) Cp =18.2964 + 47.212 ×10−2 ⋅T −133.88×10−5 ⋅T 2
273<T<373 K +1314 .2×10−9 ⋅T 3
J/mol-K
Agua (g) Cp = 33.46 + 0.688×10−2 ⋅T + 0.7604×10−5 ⋅T 2
0<T<1500 ºC
− 3.593×10−9 ⋅T3
J/mol-ºC
Fuente: Principios básicos y cálculos en ingeniería química (Himmelblau, 1997)Del balance de energía:
16⋅1.672⋅(20−0ºC)+84⋅4.186⋅(20−0ºC)+m ⋅h =
3 3
16.67⋅(80−0ºC)+0.67⋅4.186⋅(80−0ºC)+m ⋅h
4 4
535.04+7032.48+m ⋅h = 2140.16+224.37+m ⋅h
3 3 4 4
16⋅1.672⋅(20−0ºC)+84⋅4.186⋅(20−0ºC)+m ⋅h =
3 3
16.67⋅(80−0ºC)+0.67⋅4.186⋅(80−0ºC)+m ⋅h
4 4
7567.52+m ⋅h = 2364.53+m ⋅h como m = m
3 3 4 4 3 4
como la masa en 3 es la misma en 4, que es aire:
m (h −h ) =5202.99
aire 4 3
Calculamos la entalpia en 3:
 T 
h 3=1.005⋅T +Y ⋅λv + ∫Cp⋅dT (44)
 
 Trv 
Donde:
3 4
Cp = a+bT +cT +dT
−2 −5 −9
a=28.09 b=0.1965×10 c=0.4799×10 d =−1.965×10
λv ecuación cuadro(29)
válida entre 273 < T < 1800 K y Cp <J/mol -K> con Trv=130 ºC
integrando y reemplazando:
Cp = 74.1137kJ/Kg
3
de igual forma para calcular la capacidad calorífica en 4:
Cp =80.145kJ/Kg
4
luego la entalpia en 3 y 4 son:h =1.005⋅130+0.012⋅(2501.3+74.1137)
3
h =161.554
3
h =1.005⋅80+Y ⋅(2501.3+80.145)
4 4
h =80.4+2581.445⋅Y
4 4
pero:
m (Y −Y ) =85.332
aire 4 3
reemplazando las correspondientes entalpias en la ecuación de la energía:
m (80.4+2581.445⋅Y −161.554) =5209.99
aire 4
despejando la masa de aire y reemplazando para que quede únicamente la humedad a la
salida del secador:
KgH O
2
Y = 0.03192
4
Kg aireseco
La masa de aire necesario para la evaporación:
m = 4283.74 Kg aire/h
aire
7.3 INTERACCION ENTRE GOTA Y AIRE
Para nuestras condiciones suponemos que el disco atomizador gira a una velocidad de 180
m/s, (tamaño de partícula 20-30 micras), el diámetro inicial de la gota es 30 micras y el
diámetro final de la gota es de 20 micras, la temperatura a la cuál ocurre el cambio es de
130ºC, la densidad inicial del alimento es 1050 Kg/m3, el contenido inicial de sólidos es de
14%. Contenido de humedad final 0.05 Kg agua/Kg sólido. Calcular los números
adimensionales Reynolds, Prandtl, Sherwood, Schmidt y Nusselt como también el periodo
de velocidad constante y el de velocidad decreciente
Para el aire se toman las siguientes expresiones para determinar la viscosidad, densidad,
calor latente de vaporización y conductividad térmicaCuadro 29. Ecuaciones para calcular propiedades físicas del aire y agua
Propiedad Ecuación
Viscosidad (Pa-s) −6
µ =1.097×10 ⋅ Ta/1.453−0.0243⋅ Ta
aire
Conductividad térmica (W/m-K) k =1005⋅µ /0.71−0.00015(Ta−273)
aire
Densidad (Kg/m3) ρ = 780⋅29/83.14⋅Ta
aire
Calor latente 0.38
374.2−92.98
λvap =538.7⋅
 
Agua (cal/gr)  374.2−Ta 
Fuente: Revista Chemical Engineering Science Vol. 37. No 6. (Sano Y, 1982 ).
El número de Reynolds, ecuación (17) y cuadro (29)
−6 −5
Re = D ⋅v ⋅ρ /µ =30×10 ⋅180⋅0.6749/2.28×10 =159.68
gota gota aire aire
El número de Prandtl, ecuación cuadro (29)
Pr = 0.71−0.00015⋅(Ta−273) = 0.71−0.00015(403−273) = 0.6905
El número de Schmidt, ecuación (18) y cuadro (30)
−5 −6
Sc =µ /D ⋅v ⋅ρ = 2.28×10 /30×10 ⋅180⋅0.6749 = 0.00625
aire gota gota aire
Secado de gotas de líquido puro: aplicando la ecuación (17), (18), (19), (20) y (21)
0.5 0.33
Nu = 2+0.6⋅159.68 0.6905 =8.7094
0.5 0.33
Sh = 2+0.6⋅159.68 0.0062 =3.42132 −9 −5
F = 0.5⋅0.8859⋅180 ⋅0.6749⋅2.8274×10 = 2.738×10 Pa
24 ( 0.687)
Cd = 1+0.15⋅159.68 = 0.8859 (Re<1000)
159.68
7.4 ECUACIONES PARA LOS TIEMPOS DE SECADO
Periodo de velocidad constante, ecuación (25)
−6 2
1050⋅2378.77⋅(30×10 ) ⋅1000
tc = =1.057s
8⋅0.03322⋅(403−395)
Periodo de velocidad decreciente, ecuación (26) y (27)
El volumen inicial de la gota:
−6 3 −13 3
Vi = 4/3⋅π⋅(30×10 ) =1.1309×10 m
El volumen final de la gota:
3
−6 −14 3
Vi = 4/3⋅π⋅20×10 =3.351×10 m
La densidad final es evaluada como sigue:
(masa gota)i−H O perdida 1.4137×10−14 ×1050−8.98×10−12
2
ρ = = =
f (Volumen gota)i−cambio volumen 1.4137×10−14 −9.948×10−15
3
ρ =1399.1Kg/m
f
La masa inicial de agua en la gota:−11
maguai =1.2766×10
−11
msolidosi =1.4832×10
−12
aguaperdida =8.9832×10
−12 −11
wc =3.7825×10 /1.4832×10 = 0.2550 Kg H2O/Kg solido
−6
1399.1⋅20×20 ⋅2378.77⋅(0.255−0.05)⋅1000
td = = 0.1907s
3⋅3322⋅(130−122)
−6 2
h = 2⋅0.03322/20×10 =3322W /m −K7.5 CAMARA DE SECADO
Figura 27. Cámara de secado
Tomate, agua
Aire, agua
Agua, aire, tomate
Identificación de las Variables: tipo de cámara (flujo en paralelo o en contracorriente),
tiempo de residencia, volumen de la cámara, flujo del aire a la entrada, temperatura del aire
a la entrada, humedad del aire a la entrada, fracción másica de agua en el alimento, fracción
másica de sólidos en el alimento, temperatura del alimento, flujo alimento, flujo de
producto, fracción másica de sólidos en el producto, fracción másica de agua en el
producto, diámetro de la cámara de secado, altura de la cámara, temperatura del aire a la
salida, humedad del aire a la salida, flujo de aire a la salida, temperatura del producto.
Identificación de las relaciones de diseño: Balance de materia para agua, aire y sólidos,
balance de energía, relación entre altura de la cámara y diámetro, flujo de aire a la entrada
es igual al flujo de aire a la salida, temperatura del aire a la salida es igual a la temperatura
del producto, relación entre tiempo de residencia y volumen, relación entre fracciones
másicas para alimento y producto.
Grados de libertad: 19-10 = 9.Consumo de los grados de libertad o especificaciones: Flujo de alimento, fracción másica
sólidos en el alimento, Temperatura del alimento, Humedad del aire a la entrada,
temperatura del aire a la entrada, Temperatura aire salida, fracción másica de sólidos en el
producto.
Variables de diseño: 9-7 = 2. Que son tiempo de residencia, tipo de cámara.
Muestra de calculo:
El volumen de la cámara de secado incorpora formas geométricas como cilindros, conos, o
paralelepípedos y se pueden calcular por fórmula, fijando un tiempo de residencia y
conociendo el caudal de aire necesario. En el siguiente cuadro se especifican las variables
para determinar las restantes (11):
Cuadro 30. Especificación de las variables para la cámara de secado
Variable especificada Valor
Tiempo de residencia (s) 35
Flujo de aire (Kg/h) 4280
Temperatura aire entrada (ºC) 130
Flujo de alimento (Kg/h) 100
Temperatura alimento (ºC) 17
Ecuaciones empleadas: (12), (13), (28), (29) y los cuadros 16 y 17.
El volumen de la cámara se calcula simplemente multiplicando el caudal de aire por el
tiempo de residencia.
El resultado es: 42.46 m3.
En el anexo B, se presentan cálculos relacionados con este tema.7.6 RECOLECTOR DE SÓLIDOS: CICLON
Figura 28. Esquema de un ciclón con entrada tangencial
Variables: tipo de entrada (tangencial, axial, helicoidal, espiral), base del ducto de la
entrada, altura del ducto del entrada o en su defecto el radio o el diámetro, diámetro interno
del ciclón, diámetro del ducto de salida del aire, altura del ducto de salida del aire, altura
del ciclón en su parte cilíndrica, altura en su parte cónica, diámetro del ducto de salida de
los sólidos, temperatura de entrada y de salida del aire, temperatura de salida del sólido,
presión a la entrada y caída de presión, eficiencia, tamaño de partícula, flujos de agua, aire,
tomate, velocidad del aire, densidad del aire, altura total.
Relaciones: caudal aire entrada, balance de materia para agua, aire y tomate, relaciones
geométricas entre las dimensiones (8), densidad, eficiencia, la temperatura en la entrada es
igual a las temperaturas de salida.
Grados de libertad: 26-17 = 9
Especificaciones: flujo másico de aire, flujo másico de tomate, flujo másico de agua,
temperatura del aire entrada, presión entrada, caída de presión, base del ducto a la entrada,
tamaño de partícula,
Variables de diseño: 9-8 = 1. Tipo de entrada (tangencial rectangular).Si deseamos recolectar un tamaño de partícula entre 20 micras y 30 micras su grado de
eficiencia será de un 96%.
Se determinarán las dimensiones básicas de este equipo que son: diámetro interno, altura
del cilindro, altura de la sección cónica, altura total, área del ducto de entrada, diámetro del
ducto de salida, velocidad del aire a la entrada (7).
Muestra de cálculo:
Cuadro 31. Variables especificadas para el ciclón
Variables Valor
Temperatura entrada (ºC) 130
Base del ducto entrada (cm) 10
Presión entrada (mm Hg) 585
Caída de presión (mm Hg) 18.64
Tamaño partícula (micras) 20-30
Flujo agua (Kg/h) 86
Flujo aire (Kg/h) 4280
Flujo tomate (Kg/h) 16
Si tenemos un ducto a la entrada de forma rectangular, con una altura de 10 cm, y las
ecuaciones (30) a (38), tenemos:
La base es: 2 a 3 veces la altura, luego la base es: 20 cm.
El área a la entrada es: 200 cm2.
Flujo de aire: 4280 Kg/h y densidad 0.77 Kg/m3 (calculada a partir de los gases ideales).
La velocidad del aire a través del área de sección transversal es: 77.2 m/s.
El diámetro interno del ciclón: 40 cm.
El diámetro del ducto de salida del gas: 20 cm.
Altura del cilindro: 80 cm.
Altura de la sección cónica: 80 cm.
Altura total del ciclón: 160 cm.
Diámetro del ducto de salida que contiene el sólido: 10 cm.
Aquí la velocidad no cumple con la relación especificada, que debe estar entre 12-36 m/s.Se realizan los cálculos correspondientes en el anexo C para cumplir con la relación
especificada.
7.7 BOMBA DE ALIMENTACION
Figura 29. Bomba de alimentación.
Variables: Trabajo, flujo a la entrada, presión a la entrada, temperatura a la entrada,
velocidad la entrada, potencia suministrada, flujo a la salida, temperatura a la salida,
presión a la salida, potencia necesaria, velocidad a la salida, eficiencia, tipo de bomba,
rango de flujo, altura, pérdidas, diámetro tubería, densidad
Relaciones: Flujo a la entrada y salida iguales, temperaturas iguales para la entrada y salida,
ecuación de Bernoulli para calcular el trabajo, velocidad entrada, pérdidas por carga.
Grados de libertad: 18-7 = 11.
Especificaciones: flujo a la entrada, temperatura a la entrada, presiones de entrada y salida,
eficiencia, densidad, diámetro de la tubería, altura, el flujo alimentado contiene material
sólido disuelto.
Variables de diseño: 11-9 = 2 Que son tipo de bomba y rango de flujo.
El tipo de fluido es Newtoniano pero con material disuelto en su interior.De acuerdo a una carta suministrada por fabricante Cole-Parmer (2), si se tiene un flujo
menor a 3.8 l/min (6.34×10-5 m3/s) y su presión menor a 30 psig y con material disuelto la
mejor opción es la bomba peristáltica. Tienen ventajas sobre otro tipo de bombas como no
contacto con partes móviles, fácil limpieza, fácil mantenimiento, se puede dejar
funcionando sin flujo no existe cavitación y no ruido.
La caída de presión es: 760mm Hg-585mm Hg =175 mm Hg.
Podemos disponer de corriente a 240 voltios y trifásica.
El trabajo necesario para esta bomba se determina por la ecuación (39).
Muestra de cálculo:
Cuadro 32. Variables especificadas para la bomba
Variable Valor
Presión entrada (mm Hg) 585
Presión salida (mm Hg) 760
Altura o longitud (m) 5
Flujo másico (Kh/g) 100
Diámetro tubería (plg) ½
Factor de fanning (Tubería lisa) 0.017
Densidad (Kg/m3) 1050
Eficiencia (%) 50
La expresión para calcular las pérdidas por carga es la de Darcy-Weisbach, válida tanto
para flujo laminar como turbulento (12):
2
L V
2
h = f ⋅ ⋅
f
d 2⋅gm&=ρ ⋅V ⋅A
alimento
Kg
100
m& h 1h
V = = ⋅ = 0.00208m/seg
ρ⋅A Kg −2 2 3600 seg
1050 ⋅1.27×10 m
3
m
m −2 2 −5 3
Q =V ⋅A= 0.00208 ⋅1.27×10 m = 2.64×10 m /seg
seg
2
5m 0.1824m/seg −2
h = 0.017⋅ ⋅ =1.1×10 m
f −2 2
1.27×10 2⋅9.8m/seg
De la ecuación de Bernoulli, calculamos el trabajo realizado por la bomba, suponiendo que
la eficiencia de la bomba no supera el 60% (η=50%) y L=Z= 5 m.
2
P P  L  V
2− 1 2
Wp = + g⋅Z +1+ f ⋅ ⋅ /η= 2026 J/Kg
2  
ρ  g⋅d  2
La carga suministrada por las bomba:
2
P P V
1− 2 2
hs = −g⋅Z −h − =6.99m
2 f
ρ⋅g 2⋅g
La potencia dada al fluido:
P=ρ⋅Q⋅g⋅h =1.89 W
s
La potencia necesaria:
P 1.89
Pn = = = 3.79 W
η 0.5
En el anexo D, se encuentra la carta de fabricante para seleccionar una bomba.7.8 CALENTADOR DE AIRE
Temperatura del material del recubrimiento de la vaina: esta temperatura debe ser mayor
que la temperatura máxima que se requiere para el proceso. El tipo de flujo puede ser
cualesquiera (laminar, transición o turbulento) (18).
Densidad vática: el flujo de calor medido en Watt por pulgada cuadrada con voltaje total
aplicado, este es el parámetro más importante para especificar un calentador eléctrico.
Materiales de construcción: los materiales para construir la coraza del calentador tienen
tiene sus limitaciones, por ejemplo, acero al carbono es bueno hasta 454ºC, aleación de
cromo molibdeno es bueno hasta 621ºC y el acero inoxidable debe ser especificado como
de alto contenido de carbono por encima de los 538ºC. (18).
Cuadro 33. Material y la máxima temperatura disponible para la vaina.
Material Temperatura máxima (ºC)
Cobre 176
Acero 398
acero inoxidable 648
Incoloy 871
Fuente: The electric heater Handbook Vol. 29 (Omega, 1995).
Figura 30. Esquema de un calentador de aire
Aire
Húmedo
Aire húmedo frío
caliente
Elemento calefactor
Variables: Longitud del intercambiador, área de la sección transversal del intercambiador,
número de elementos, potencia suministrada por cada elemento, flujo de aire a la entrada y
a la salida, temperaturas a la entrada y a la salida, densidad vatica, longitud y diámetro decada elemento, temperatura máxima de la vaina, velocidad aire entrada y a la salida,
material de construcción del elemento calefactor.
Relaciones: flujo de aire a la entrada igual a la salida, potencia necesaria, número de
elementos, velocidad a la entrada igual a la de salida, gráfica para determinar la temperatura
máxima de la vaina.
Grados de libertad: 15 - 7 = 8.
Especificaciones: flujo de aire, temperatura a la entrada y a la salida, área sección
transversal, longitud de cada elemento, potencia suministrada por cada elemento.
Variables de diseño: 8 - 6 = 2. Que son longitud, número de elementos.
Muestra de cálculo:
Cuadro 34. Variables especificadas para el calentador de aire
Variable especificada Valor
Temperatura entrada (ºC) 17
Temperatura salida (ºC) 130
Flujo aire (Kg/h) 4280
Área sección transversal (m2) 0.186
Longitud de cada elemento (m) 0.6
Potencia suministrada por cada elemento (W) 2450
Si se dispone de corriente a 240 voltios trífasico, la capacidad en kW, se expresa por la
siguiente ecuación:
kW =Wt⋅Cp⋅∆T ⋅1.2/3412 (45)
Donde Wt es el flujo de aire: 4280 Kg/h (9435 lb/h).
Cp es la capacidad calorífica del aire a la temperatura máxima de operación, se calcula con
la ecuación dada en el cuadro 28.∆T es la temperatura de elevación: 235 ºF (130ºC-17ºC).
factor de conversión: 3412 Btu a kW.
factor de seguridad: 1.2
Aplicando la ecuación (45):
Cp=0.24 BTU/lb-ºF
kW = 187.16
De acuerdo a gráficas suministradas por fabricante (18), ver anexo E, la máxima
temperatura de la carcasa que el elemento puede soportar es de 315ºC para una velocidad
del aire de 6.3 ft/s a través de un ducto cuadrado con dimensiones de 0.6 m de largo × 0.3
m de ancho (que es la forma más usual de este tipo de calentadores cuando se tratan de
gases como aire).
La densidad vatica disponible por cada elemento es de 60 W/in2 (9.3 W/cm2) El material
del elemento calefactor es cobre.
El número de tubos requeridos para esta operación se deduce de la relación:
Nelementos =total vatios operación/watts ofrececada elemento(46)
Nelementos=187160/2450=76.39 elementos.
La longitud del intercambiador se determina mediante el siguiente análisis: cada elemento
ocupa ½ plg (1.27 cm) y debe existir una distancia entre ellos de aproximadamente 13/8(3.5
cm). Disponemos de una altura de 1 ft (30.48 cm). El número de elementos que se pueden
ubicar transversalmente son:
N =30.48−(3.5⋅6)−(1.27⋅5) = 2.65
Donde el valor 6 corresponde a los espacios entre los elementos y el valor 5 es el número
de elementos.
Requiero de un número de filas de elementos:Nelementos 76
Filas = = =15.2
Nelementos por fila 5
La longitud total del intercambiador es:
L =(15⋅1.27cm)+(16⋅3.5cm) =75.05cm
Donde: 15 son las filas de elementos, 1.27 es el espacio ocupado por cada elemento, 16 son
los espacios libres entre ellos y 3.5 es la distancia que debe existir entre los elementos.
Debemos anotar que el calentamiento del aire sucede a humedad constante.8. DESARROLLO DEL CUARTO OBJETIVO
Elaborar un código o programa de computadora que contenga todas las ecuaciones de
diseño, para obtener las dimensiones de los equipos que intervienen en el proceso;
aplicadas a otras situaciones pero de las mismas características, del tomate de árbol,
señaladas en el primer objetivo.
El algoritmo sigue la lógica de los cálculos desarrollados en el diseño de cada uno de los
elementos del secador, es de anotar que existe un programa para cada uno de los equipos y
obran de manera independiente (13).
El código, elaborado en el lenguaje propio de MATLAB, se encuentra en el anexo F con
un manual de usuario.9. DESARROLLO EL QUINTO OBJETIVO
Calcular teóricamente la eficiencia térmica global y la de evaporación.
9.1 EFICIENCIA TERMICA GLOBAL
Se necesita conocer las siguiente temperaturas:
1. Temperatura del aire a la entrada del secador ( T = 130ºC).
1
2. Temperatura del aire a la salida del secador ( T = 80ºC).
2
3. Temperatura del aire atmosférico (T = 17ºC).
a
4. Ecuación (14).
9.2 EFICIENCIA DE LA EVAPORACION
Se necesita conocer las siguientes temperaturas:
1. Temperatura del aire a la entrada del atomizador (130ºC).
2. Temperatura del aire que sale del secador (80ºC).
3. Temperatura de saturación adiabática a la temperatura que entra al atomizador. Se
emplea la carta psicrométrica. (To = 45ºC).
4. Ecuación (15).
Resultados:
T −T 
1 2
η = •100
térmicaglobal
T 1−To
130−80
η = •100=44.25%
térmicaglobal  
130−17 T −T 
1 2
η = •100
evaporción
T 1−Tsat1
130−80
η = •100=62.5%
evaporción  
130−45
9.3 EFICIENCIA TERMICA MAXIMA
Ecuación (5)
T −T 
1 sat1
η  •100
térmica máxima=
 T −To 
 1 
130−45
η •100 = 75.22%
térmica máxima= 
130−1710. CONCLUSIONES
A nivel experimental, el secado por aspersión debe manejar bajas temperaturas como sea
posible. Además, el uso de aditivos para que esta operación sea viable deben emplearse. El
uso de enzimas para favorecer el proceso de secado debe tenerse en cuenta, debido a la alta
viscosidad que se presenta en el jugo. La alta higroscopicidad del material sólido generado,
prevé el uso de material apto para su almacenamiento y posterior uso. El alto contenido de
azúcares presentes en el tomate de árbol, afectan la operación de secado disminuyendo su
eficiencia.
La siguiente tabla presenta un resumen de los equipos con sus variables más
representativas.
Variable Valor Variable Valor
Flujo de Alimento (Kg/h) Diámetro del ciclón (m) 0.72
100
Fracción másica sólidos (%) Velocidad aire entrada del ciclón 35.7
14 (m/s)
Flujo de aire Altura total del ciclón 1.44
(Kg/h) 4280 (m)
Flujo de producto Tipo de bomba Peristáltica
(Kg/h) 16
Diámetro de la cámara de secado Potencia requerida por la bomba 3.8
(m) 2.4 (W)
Altura total de la cámara de secado
(m) 4.67
Temperatura aire salida (ºC) 80
Tiempo
Residencia (s) 20
Tipo de boquilla Rotatoria Potencia requerida por la boquilla 334.78
(W)
Diámetro de la boquilla (mm) Temperatura del aire para el proceso
120 (ºC)
130
Velocidad periférica de la boquilla Potencia requerida para calentar el
(m/s) 120 aire (kW) 187
Tamaño de partícula promedio Longitud del calentador de aire (m)
(µm) 20-30 0.75
Elementos requeridos 7611. RECOMENDACIONES
El secado por aspersión debe manejar bajas temperaturas como sea posible. El empleo de
aditivos debe hacerse de forma controlada, tratando que el sólido obtenido contenga el
valor permitido por las normas que regulan su uso.
Se podrían utilizar enzimas, para neutralizar los azúcares presentes en el jugo, para
favorecer la operación de secado.
Para posteriores análisis del material sólido, se recomienda el uso de empaques, sobre todo
para controlar la humedad del ambiente.
El software desarrollado está limitado para operación a nivel piloto.
Para una mayor precisión en los cálculos de diseño, se recomienda mejorar las ecuaciones
aquí planteadas y con métodos de resolución de ecuaciones más rigurosos.BIBLIOGRAFÍA
1. BHANDARI, Besh; DATTA, Nivedita and HOWES , Tony. Problems associated with
spray drying of sugar-rich foods. En: Drying Technology. Vol. 15, No. 2; 1997; p. 671-684.
2. BONNELL, Ken and POE, Christopher. Selecting low-flow pumps. En: Chemical
engineering . Vol. 106, No. 2; February 1999; p. 78-82.
3. BRANCH, John William. Caracterización petrográfica de partículas finas
empleando microscopia asistida por computador. En: Revista de la Facultad de ingeniería
Universidad de Antioquia. No. 20; Junio 2000; p. 86-97
4. DUMOULIN, E. et al. Spray drying of concentrated fruits juices. En: Drying
technology. Vol. 11, No. 5; 1993; p. 1081-1092.
5. HIMMELBLAU, David. Principios básicos y cálculos en ingeniería química. Sexta
edición. Prentice may, 1997. p. 663
6. IBARZ, A. et al. Métodos experimentales en la ingeniería alimentaria. Zaragoza:
Acribia, 2000; p. 89-104
7. KOCH, Wolfang and LICHT, William. New design approach boosts cyclone efficiency.
En: Chemical Engineering. Vol. 84; November 1977.8. LAND VAN’T, C.M. Selecting Dryers. En: Chemical Engineering. Vol. 9, No. 5;
March 1984; p. 70-77.
9. LONG, George. Spraying theory and practice. En: Chemical Engineering. Vol. 85,
No. 6; March 1978; p. 73-77.
10. MASTERS, Keith. Scale-up of spray dryers. En: Drying technology. Vol. 12,
No. 1 & 2; 1994; p. 235-257.
11. ________. Spray drying Handbook. Quinta edición. London: Longman Scientific &
Technical, 1991.
12. MCCABE, Warren; SMITH, Julian y HARRIOT, Peter. Operaciones básicas de
ingeniería química. Cuarta edición. Mc Graw Hill, 1991. p. 198.
13. NAKAMURA, Schoichiro. Análisis numérico y visualización gráfica con MATLAB.
Ciudad de México: Prentice may, 1997. p.439-449.
14. NIRO ATOMIZER A/S. Tecnología de la leche en polvo evaporación y secado por
atomización. Copenhague: Niro, Noviembre 1994. p. 29-50.
15. PERRY, C. et al. Manual del ingeniero químico. Tercera edición. Mc Graw Hill, 1992.
tomo V. p. 20-63 a 20-67.
16. ROBAYO, Olga. Extracción y secado por atomización del colorante de mora de
castilla. Tesis: Especialista en ciencia y tecnología de alimentos. Universidad Nacional deColombia. 2000. p. 12-25.
17. SANO, Yuji. The drying of a spherical particle containing colloidal material into a
hollow sphere. En: Chemical Engineering Science. Vol. 37, No. 6; 1982; p. 881-889.
18. THE ELECTRICAL HEATERS HANDBOOK. Omega. Vol. 29; 199; p. E-3 a E-15.
19. TIRAS, Craig. Get the most from your electric process heater. En: Chemical
Engineering. Vol. 108, No. 2; February 1999; p. 112-115.
20. WISEMAN, A. Manual de biotecnología de las enzimas. Zaragoza: Acribia, 1985. p.
48-49.
21. ZENZ, Frederick. Cyclone design Tips. En: Chemical Engineering. Vol. 108, No. 1;
January 2001; p. 60-64.ANEXOSANEXO A
La velocidad periférica se puede calcular con la expresión:
π⋅D⋅N
Vp =
1000⋅60
Donde: Vp es la velocidad periférica (m/s), D diámetro de la rueda (mm), N velocidad de
rueda (rpm).
Cálculos para la boquilla
1. Efecto de la velocidad sobre el tamaño de gota, aplicando las ecuaciones del cuadro14.
p
D N 
1  2
=
D  N 
2  1 
Si inicialmente tenemos un tamaño de gota de 30µm y el disco gira a 10000 rpm y
deseamos obtener una de 25 µm, la relación anterior nos indicará cuál será la velocidad
adecuada para este propósito.
0.8
30  N 
= 2 
 10000
25
 
N =12559.62 rpm
2
Lo anterior indica que debe aumentar la velocidad del disco para lograr un tamaño de gota
menor.
2. Efecto del flujo de alimentaciónq
D  M 
1  1 
=
D M 
2  2
Si inicialmente tenemos un disco de 120 milímetros de diámetro y un flujo másico de 10
Kg/h y deseamos tratar 100 Kg/h, la relación anterior nos indicará cuál será el diámetro
adecuado para este propósito.
0.12
120mm  10 
= 
D 100
2
D =158.2mm
2
Lo anterior indica que debe incrementarse el diámetro del disco.
3. Efecto de la densidad del líquido en la gota
t
D  ρ 
1  1 
=
D ρ 
2  2
Si inicialmente tenemos un tamaño de gota de 30µm y la densidad 1020 Kg/m3 y deseamos
obtener una de 25µm, la relación anterior nos indicará cuál será la densidad adecuada para
este propósito.
0.5
30  ρ 
= 2 
 
25 1020
 
Kg
ρ =1468.8
2 3
m
Lo anterior indica que la densidad debe aumentar para el propósito deseado.
Tamaño promedio de la gota atomizada
Empleando la ecuación (9): con Q 10 Kg/h, n=18, h=8 mm, N=10000 rpm, d=120 mm.
l=14000⋅Q0.24 /(nh)0.12 ⋅(Nd)0.6
Dvs
1  
Con Q 10 Kg/h, n=18, h=8 mm, N=10000 rpm, d=120 mm.
l
Entonces:
( )0.12 
0.24 −3 0.6
Dvs =14000⋅10 /18⋅8×10 ⋅(10000⋅0.12) 
 
Dvs = 436.132µm.
Con Q 10 Kg/h, n=36, h=30 mm, N=10000 rpm, d=210 mm.
l
Entonces:
( )0.12 
0.24 −2 0.6
Dvs =14000⋅10 /36⋅3×10 ⋅(10000⋅0.21) 
 
Dvs = 244.78µm.
Incrementando el diámetro del disco, el número de aspas y su altura, se obtiene un tamaño
de gota inferior al inicial.
Distribución de tamaño de la gota atomizada
Empleando la ecuación (10) y el cuadro 15
a
KQ
Dm =
b 0.6 d
N ⋅d ⋅(nh)
Sea Q=10 Kg/h, N=10000 rpm, d=120 mm, n=18, h=8 mm.
0.24 4
(10) ⋅10 ⋅K
Dm =
0.82 0.6 −3 0.24
10000 ⋅0.12 ⋅(18⋅8×10 )
Dm =51.805⋅K
Dm = 72.527µmPotencia necesaria
De la ecuación (11)
Con M =10Kg/h, N=10000 rpm, d=120 mm y d =10 mm.
L d
( )
−10 2 2 2
Pk =3.8*10 ⋅M ⋅N ⋅ 2⋅d −d
L d
( )
−10 2 2 −2 2
Pk =3.8*10 ⋅10Kg/h⋅10000rpm ⋅ 2⋅(0.12m) −(1×10 m)
−2
Pk =1.09×10 kW (10.9W)
Con M =100Kg/h, N=10000 rpm, d=210 mm y d =10 mm.
L d
( )
−10 2 2 2
Pk =3.8*10 ⋅M ⋅N ⋅ 2⋅d −d
L d
( )
−10 2 2 −2 2
Pk =3.8*10 ⋅100Kg/h⋅10000rpm ⋅ 2⋅(0.21m) −(1×10 m)
Pk = 0.335kW (334.78W)ANEXO B
Para una cámara de base cónica en ángulo de 60º y altura del cilindro h’, el volumen se
expresa de la siguiente forma:
2
V = 0.7854⋅Dc ⋅(h'+0.2886⋅Dc)(29)
Para una cámara de secado con flujo en paralelo y atomizador rotatorio, el diámetro
mínimo es de 1.5 m.
Se estudiaron diversos diámetros para calcular la altura de la cámara de secado, los cuáles
se expresan en el siguiente cuadro.
Relación diámetro mínimo vs altura para la cámara de secado
Diámetro Dc (m) Altura (h’) (m)
1.5 23.6
2 12.9
2.2 10.53
2.4 8.69
2.6 7.25
2.8 6.08
A medida que se aumenta el diámetro de la cámara, su altura se reduce considerablemente.
Las dimensiones óptimas serán establecidas por otros criterios que no se exponen en este
trabajo pero se puede decir, según criterio de los especialistas, que a mayor diámetro de la
cámara favorece el secado de las gotas con material sólido y de carácter azucarado. Si
elegimos un tiempo de residencia aún más corto 20 segundos, por ejemplo, el volumen de
la cámara se reduce aún más su valor: 24.26 m3.
En el siguiente cuadro se resumen los resultados obtenidos.Resumen de datos obtenidos para la cámara de secado
Diámetro, Dc (m) Altura, h’(m)
1.6 11.6
1.7 10.99
1.8 9.01
1.9 8.0
2.0 7.14
2.2 5.74
2.4 4.67
2.5 4.22
3.0 2.56
A mayor diámetro menor es su altura, con las consideraciones hechas anteriormente, la
elección del diámetro estará relacionada con el espacio vertical disponible. Además, no se
ha calculado la altura de la base cónica luego la altura total será la suma de la altura de la
cámara cilíndrica más la altura del cono.
Si conocemos el diámetro de la base cónica, podemos calcular su altura, asumiendo que el
volumen del cono es:
2
π⋅D ⋅h
Vcono =
12
2
π⋅D ⋅h'
Vcilindro =
4
El volumen del cono es:
Vcono =Vca&mara−Vcilindro
La altura del cono es:
 2 
12 π⋅D ⋅h'
h = ⋅Vcama− 
π⋅D2  4 
 Sí h’ = 9.01m, D = 1.8m y volumen de la cámara = 24.26 m3
[ ]
h=1.2⋅ 24.26−22.93
hcono=1.596m
htotal=9.01+1.596=10.606mANEXO C
Muestra de cálculo:
Variables Valor
Temperatura entrada (ºC) 130
Base del ducto entrada (cm) 10
Presión entrada (mm Hg) 585
Caída de presión (mm Hg) 18.64
Tamaño partícula (micras) 20-30
Flujo agua (Kg/h) 86
Flujo aire (Kg/h) 4280
Flujo tomate (Kg/h) 16
Si tenemos un ducto a la entrada de forma rectangular, con una altura de 12 cm, y las
ecuaciones (30) a (38), tenemos:
La base es: 3 veces la altura, luego la base es: 36 cm.
El área a la entrada es: 432 cm2.
Flujo de aire: 4280 Kg/h y densidad 0.77 Kg/m3 (calculada a partir de los gases ideales).
La velocidad del aire a través del área de sección transversal es: 35.7 m/s.
El diámetro interno del ciclón: 72 cm.
El diámetro del ducto de salida del gas: 36 cm.
Altura del cilindro: 72 cm.
Altura de la sección cónica: 72 cm.
Altura total del ciclón: 144 cm.
Diámetro del ducto de salida que contiene el sólido: 18 cm.ANEXO DANEXO EANEXO F
MANUAL DEL USUARIO
Acceso al programa elaborado con el software MATLAB
Para acceder tiene dos opciones: mediante el icono de acceso directo que se encuentra en el
escritorio, pulsando doble clic sobre él o desde inicio, deslizándose hasta encontrar la
opción programas y buscando MATLAB 5.3.
Una vez dentro del programa, Command Window, usted puede ejecutarlo escribiendo la
palabra secador.
Se despliega un menú con las siguientes opciones:
Sistema de aspersión
Cámara de secado
Bomba de alimentación
Calentador de aire
Ciclón
Interacción gota aire
Salir
Usted puede acceder a cada una de ellas pulsando con el ratón o desde el command
window, escribiendo:
Para el sistema de aspersión : boquilla
Para la cámara de secado: camara
Para bomba de alimentación: bomba
Para calentador de aire: calentador
Para ciclón: ciclon
Para interacción gota aire: gotaUna vez desplegado el menú deseado usted encontrará casillas en blanco y otras con un
corchete, estas últimas son las variables a las cuáles usted debe digitar un valor. Cada
programa tiene un orden de ingresar los valores.
SISTEMA DE ASPERSION
El orden para ingresar los valores es el siguiente:
Flujo másico
Velocidad del disco
Diámetro inicial del disco
Altura de las aspas
Número de aspas
Tamaño de gota inicial
Densidad inicial
Tamaño de gota final
CAMARA DE SECADO
El orden para ingresar los valores es el siguiente:
Flujo másico alimentación
Tiempo de residencia
Temperatura del aire en la entrada
Humedad del aire en la entrada
Temperatura del alimento
Temperatura del aire salida
Fracción másica de sólidos en la entrada
Diámetro de la cámara
Fracción másica sólidos en la salida
BOMBA DE ALIMENTACION
El orden para ingresar los valores es el siguiente:
Flujo másico
Densidad alimento
Presión atmosféricaPresión de salida
Altura o diferencia de altura
Diámetro de la tubería
Eficiencia
CALENTADOR DE AIRE
El orden para ingresar los valores es el siguiente:
Flujo de aire
Temperatura en la entrada
Temperatura salida
CICLON
El orden para ingresar los valores es el siguiente:
Altura del ducto a la entrada
Presión a la entrada
INTERACCION GOTA AIRE
El orden para ingresar los valores es el siguiente:
Temperatura aire entrada
Diámetro inicial de la partícula
Densidad del alimento
Sólidos iniciales
Contenido final de humedad
Velocidad periférica
Diámetro final de gota
Usted puede volver a realizar otro cálculo, cambiando cualquier variable pero dentro del
orden previamente establecido.
Para salir de MATLAB tiene dos opciones: escribiendo sobre el command window la
palabra exit o desplegando el menú FILE deslizado el ratón hasta la opción Exit Matlab.%Este es el programa principal donde se invocan todos los elementos que
constituyen
%el secador por atomización. Cada subprograma contiene la información
necesaria para
%efectuar los cálculos de diseño.
clear;clc
h1=figure(1)
set(h1,'color',[0 0.5 0.1],'name','Secador por aspersión')
pbstart=uicontrol(gcf,'style','text','string','SIMULACION PARA LOS
EQUIPOS DEL SECADOR POR ASPERSION','position',[80 340 420 34]);
uicontrol(gcf,'style','push','backgroundcolor',[0.9 0.6
0.4],'position',[200 85 200 25],'string','Interacción Gota-
Aire','callback','gota');
uicontrol(gcf,'style','push','backgroundcolor',[0.8 0.5
0.5],'position',[200 130 200 25],'string','Ciclón','callback','ciclon');
uicontrol(gcf,'style','push','backgroundcolor',[0.6 0.5
0.3],'position',[200 170 200 25],'string','Calentador de
aire','callback','calentador');
uicontrol(gcf,'style','push','backgroundcolor',[0.6 0.1
0.2],'position',[200 215 200 25],'string','Bomba
alimentación','callback','bomba');
uicontrol(gcf,'style','push','backgroundcolor',[0.8 0.2
0.2],'position',[200 260 200 25],'string','Cámara de
secado','callback','camara');
uicontrol(gcf,'style','push','backgroundcolor',[0 0.6
0.6],'position',[200 300 200 25],'string','Sistema
aspersión','callback','boquilla');
uicontrol(gcf,'style','push','backgroundcolor',[0.5 0.5
0.5],'position',[250 20 100 25],'string','Salir','callback','close');%Creacion de GUI para calcular los parámetros de la boquilla
clear;clc
h1=figure(2)
set(h1,'position',[50 100 680 450],'color',[0 0.6 0.6],'name','Sistema de
Aspersión: Disco Rotatorio','numbertitle','off')
edo1=uicontrol(gcf,'style','text','position',[10 380 260
30],'string','Flujo Másico<Kg/h>=')
edo2=uicontrol(gcf,'style','edit',...
'position',[290 380 60 30],...
'string',' [ ] ',...
'Callback',['inp_txt=get(edo2,''string'');',...
'Q=str2num(inp_txt)']),
edo3=uicontrol(gcf,'style','text','position',[10 330 260
30],'string','Velocidad <rpm>=')
edo4=uicontrol(gcf,'style','edit',...
'position',[290 330 60 30],...
'string',' [ ] ',...
'Callback',['inp_txt=get(edo4,''string'');',...
'N=str2num(inp_txt)']),
edo5=uicontrol(gcf,'style','text','position',[10 280 260
30],'string','Diámetro Inicial del Disco <mm>=')
edo6=uicontrol(gcf,'style','edit',...
'position',[290 280 60 30],...
'string',' [ ] ',...
'Callback',['inp_txt=get(edo6,''string'');',...
'D=str2num(inp_txt);',...
'Pk=3.8*10^-10*Q*(N^2)*((2*((D/1000)^2))-(0.01^2));',...
'Pk1=num2str(Pk);',...
'set(edo18,''string'',Pk1)'])
edo7=uicontrol(gcf,'style','text','position',[50 230 150
30],'string','Altura de las Aspas <mm>=')
edo8=uicontrol(gcf,'style','edit',...
'position',[290 230 60 30],...
'string',' [ ] ',...
'Callback',['inp_txt=get(edo8,''string'');',...
'h=str2num(inp_txt)']),
edo9=uicontrol(gcf,'style','text','position',[390 380 150
30],'string','Número de Aspas=')
edo10=uicontrol(gcf,'style','edit',...
'position',[590 380 60 30],...
'string',' [ ] ',...
'Callback',['inp_txt=get(edo10,''string'');',...
'n=str2num(inp_txt)']),
edo11=uicontrol(gcf,'style','text','position',[390 330 180
30],'string','Tamaño de Gota Inicial <micras>=')
edo12=uicontrol(gcf,'style','edit',...
'position',[590 330 60 30],...
'string',' [ ] ',...'Callback',['inp_txt=get(edo12,''string'');',...
'Ti=str2num(inp_txt);']),
edo13=uicontrol(gcf,'style','text','position',[390 280 180
30],'string','Densidad Inicial <Kg/m^3>=')
edo14=uicontrol(gcf,'style','edit',...
'position',[590 280 60 30],...
'string',' [ ] ',...
'Callback',['inp_txt=get(edo14,''string'');',...
'den=str2num(inp_txt);']),
edo15=uicontrol(gcf,'style','text','position',[390 230 180
30],'string','Tamaño de Gota Final <micras>=')
edo16=uicontrol(gcf,'style','edit',...
'position',[590 230 60 30],...
'string',' [ ] ',...
'Callback',['inp_txt=get(edo16,''string'');',...
'Tf=str2num(inp_txt);',...
'den2=((Ti/Tf)^2)*den;',...
'Dvs=14000*(Q^0.24)/(((n*(h/1000))^0.12)*((N*(D/1000))^0.6));',...
'Dm=((Q^0.24)*1.4*10^4)/((N^0.82)*((D/1000)^0.6)*((n*(h/1000))^0.24));',.
..
'set(edo20,''string'',Dvs);',...
'set(edo22,''string'',Dm);',...
'set(edo24,''string'',den2)'])
edo17=uicontrol(gcf,'style','text','position',[50 180 140
30],'string','Potencia Necesaria <kW>=')
edo18=uicontrol(gcf,'style','edit','position',[290 180 60 30],'string','
')
edo19=uicontrol(gcf,'style','text','position',[50 130 180
30],'string','Tamaño Promedio de Gota <micras>=')
edo20=uicontrol(gcf,'style','edit','position',[290 130 60 30],'string','
')
edo21=uicontrol(gcf,'style','text','position',[390 180 180
30],'string','Distribución Tamaño Gota <micras>=')
edo22=uicontrol(gcf,'style','edit','position',[590 180 60 30],'string','
')
edo23=uicontrol(gcf,'style','text','position',[390 120 180
30],'string','Diámetro Requerido <mm>=')
edo24=uicontrol(gcf,'style','edit','position',[590 120 60 30],'string','
')
uicontrol(gcf,'style','push','position',[250 50 200
25],'string','Salir','callback','close');%Creacion de GUI para calcular los parámetros de la cámara de secado
clear;clc
h1=figure(2)
set(h1,'position',[50 50 680 500],'color',[0.8 0.2 0.2],'name','Cámara de
secado','numbertitle','off')
edo1=uicontrol(gcf,'style','text','position',[10 450 260
30],'string','Flujo Másico Alimento <Kg/h>=')
edo2=uicontrol(gcf,'style','edit',...
'position',[290 450 60 30],...
'string',' [ ] ',...
'Callback',['inp_txt=get(edo2,''string'');',...
'F=str2num(inp_txt)']),
edo3=uicontrol(gcf,'style','text','position',[10 400 260
30],'string','Tiempo de Residencia 20 a 35 seg. 
=')
edo4=uicontrol(gcf,'style','edit',...
'position',[290 400 60 30],...
'string',' [ ] ',...
'Callback',['inp_txt=get(edo4,''string'');',...
't=str2num(inp_txt)']),
edo5=uicontrol(gcf,'style','text','position',[10 350 260
30],'string','Temperatura del Aire Entrada<ºC>=')
edo6=uicontrol(gcf,'style','edit',...
'position',[290 350 60 30],...
'string',' [ ] ',...
'Callback',['inp_txt=get(edo6,''string'');',...
'T=str2num(inp_txt);',...
'Ta=T+273.15;',...
'rho=((0.78*29)/(83.14*Ta))*1000;']),
edo7=uicontrol(gcf,'style','text','position',[10 300 260
30],'string','Humedad Aire Entrada <Kg H2O/Kg aire seco>=')
edo8=uicontrol(gcf,'style','edit',...
'position',[290 300 60 30],...
'string',' [ ] ',...
'Callback',['inp_txt=get(edo8,''string'');',...
'Y=str2num(inp_txt)']),
edo9=uicontrol(gcf,'style','text','position',[370 450 160
30],'string','Temperatura del Alimento <ºC>=')
edo10=uicontrol(gcf,'style','edit',...
'position',[550 450 60 30],...
'string',' [ ] ',...
'Callback',['inp_txt=get(edo10,''string'');',...
'Tal=str2num(inp_txt);',...
'Tali=Tal+273.15;']),
edo11=uicontrol(gcf,'style','text','position',[370 400 160
30],'string','Temperatura Aire Salida <ºC>=')
edo12=uicontrol(gcf,'style','edit',...
'position',[550 400 60 30],...
'string',' [ ] ',...'Callback',['inp_txt=get(edo12,''string'');',...
'Ts=str2num(inp_txt);']),
edo13=uicontrol(gcf,'style','text','position',[10 250 260
30],'string','Fracción Másica Sólidos Entrada <%>=')
edo14=uicontrol(gcf,'style','edit',...
'position',[290 250 60 30],...
'string',' [ ] ',...
'Callback',['inp_txt=get(edo14,''string'');',...
'We=str2num(inp_txt);']),
edo13a=uicontrol(gcf,'style','text','position',[50 200 220
30],'string','Diámetro Cámara >1.5m <m>=')
edo14a=uicontrol(gcf,'style','edit',...
'position',[290 200 60 30],...
'string',' [ ] ',...
'Callback',['inp_txt=get(edo14a,''string'');',...
'Dmin=str2num(inp_txt);']),
edo15=uicontrol(gcf,'style','text','position',[10 150 260
30],'string','Fracción Másica Sólidos producto <%bh>=')
edo16=uicontrol(gcf,'style','edit',...
'position',[290 150 60 30],...
'string',' [ ] ',...
'Callback',['inp_txt=get(edo16,''string'');',...
'Ws=str2num(inp_txt);',...
'Fse=F*We;',...
'Fss=F*We/Ws;',...%flujo sólidos salida
'Faguae=F*(1-We);',...%Flujo agua entrada
'Faguas=Fss*(1-Ws);',...%flujo agua salida
'aevap=Faguae-Faguas;',...%agua evaporada
'Tr=273.15;',...
'Tb=Ts+273.15;',...
'Cpaire=(1/29)*((28.09*(Ta-Tr))+((0.1965*10^-2/2)*((Ta^2)-
(Tr^2)))+((0.4799*10^-5/3)*((Ta^3)-(Tr^3)))+ ((-1.965*10^-9/4)*((Ta^4)-
(Tr^4))));',...
'Cpairesal=(1/29)*((28.09*(Tb-Tr))+((0.1965*10^-2/2)*((Tb^2)-
(Tr^2)))+((0.4799*10^-5/3)*((Tb^3)-(Tr^3)))+ ((-1.965*10^-9/4)*((Tb^4)-
(Tr^4))));',...
'Cpagual=(1/18)*((18.2964*(Tali-Tr))+((47.212*10^-2/2)*((Tali^2)-
(Tr^2)))+((-133.88*10^-5/3)*((Tali^3)-(Tr^3)))+ ((1314.2*10^-
9/4)*((Tali^4)-(Tr^4))));',...
'Cpaguave=(1/18)*(33.46*(T))+((0.688*10^-2/2)*(T^2))+((0.7604*10^-
5/3)*(T^3))+((-3.593*10^-9/4)*(T^4));',...
'Cpaguavs=(1/18)*(33.46*(Ts))+((0.688*10^-2/2)*(Ts^2))+((0.7604*10^-
5/3)*(Ts^3))+((-3.593*10^-9/4)*(Ts^4));',...
'Cpse=(8.4797*(Tal))+((8.3649*10^-3/2)*((Tal^2)))+((-20.3862*10^-
6/3)*((Tal^3)));',...%capacidad calorífica sólido
'Cpss=(8.4797*(Ts))+((8.3649*10^-3/2)*((Ts^2)))+((-20.3862*10^-
6/3)*((Ts^3)));',...
'm1h1=Fse*Cpse+Faguae*Cpagual;',...
'm2h2=Fss*Cpss+Faguas*Cpagual;',...%Balance de materia y energía'm3h3=Cpaire+(Y*(2501+Cpaguave));',...
'a=m3h3-Cpairesal;',...
'b=2300+Cpaguavs;',...
'c=-Y;',...
'e=m2h2-m1h1;',...
'A=[1,c;-b,a];',...%Matriz A
'K=[aevap;e];',...%Matriz B
'G=inv(A);',...
'L=G*K;',...
'Li=L(2);',...%Flujo aire
'Lj=L(1)/L(2);',...%Humedad salida
'Volc=(t*Li)/(rho*3600);',...%Volumen de la cámara de secado
'Alt=(Volc/(0.7854*(Dmin^2)))-(0.2886*Dmin);',...%Altura del cilindro
'hcono=(12/(pi*(Dmin^2)))*(Volc-((pi*Dmin^2/4)*Alt));',...
'Altt=Alt+hcono;',...%Altura Total de la cámara
'U=30;',...%coeficiente global, sin aislamiento
'Areat=pi*Dmin*(Alt+(hcono/2));',...
'Calper=U*Areat*(Ts-Tal);',...%calor perdido
'Calreq=Fss*Cpss*(Ts-Tal);',...calor requerido
'set(edo18,''string'',Li);',...
'set(edo20,''string'',Lj);',...
'set(edo22,''string'',Fss);',...
'set(edo24,''string'',Alt);',...
'set(edo26,''string'',Calreq);',...
'set(edo28,''string'',Calper);',...
'set(edo30,''string'',Altt);',...
'set(edo32,''string'',Volc)'])
edo17=uicontrol(gcf,'style','text','position',[70 50 140
30],'string','Flujo Aire Necesario <Kg/h>=')
edo18=uicontrol(gcf,'style','edit','position',[290 50 60 30],'string','
')
edo19=uicontrol(gcf,'style','text','position',[10 100 260
30],'string','Humedad a la Salida <Kg H2O/Kg aire seco>=')
edo20=uicontrol(gcf,'style','edit','position',[290 100 60 30],'string','
')
edo21=uicontrol(gcf,'style','text','position',[370 350 160
30],'string','Flujo de Producto <Kg/h>=')
edo22=uicontrol(gcf,'style','edit','position',[550 350 60 30],'string','
')
edo23=uicontrol(gcf,'style','text','position',[370 300 160
30],'string','Altura del Cilindro <m>=')
edo24=uicontrol(gcf,'style','edit','position',[550 300 60 30],'string','
')
edo25=uicontrol(gcf,'style','text','position',[370 150 160
30],'string','Calor Necesario <KJ/h>=')
edo26=uicontrol(gcf,'style','edit','position',[550 150 60 30],'string','
')
edo27=uicontrol(gcf,'style','text','position',[370 100 160
30],'string','Calor Perdido <KJ/h>=')edo28=uicontrol(gcf,'style','edit','position',[550 100 60 30],'string','
')
edo29=uicontrol(gcf,'style','text','position',[370 200 160
30],'string','Altura Total Cámara <m>=')
edo30=uicontrol(gcf,'style','edit','position',[550 200 60 30],'string','
')
edo31=uicontrol(gcf,'style','text','position',[370 250 160
30],'string','Volumen de la Cámara <m^3>=')
edo32=uicontrol(gcf,'style','edit','position',[550 250 60 30],'string','
')
uicontrol(gcf,'style','push','position',[550 50 100
25],'string','Salir','callback','close');%Creacion de GUI para calcular las dimensiones del ciclón
clear;clc
h1=figure(2)
set(h1,'position',[40 100 720 450],'color',[0.1 0.1 0.5],'name','sistema
de recolección de sólidos:ciclón','numbertitle','off')
ed=uicontrol(gcf,'style','text','position',[60 110 180
30],'string','Tamaño de partícula <micras> y Eficiencia=')
edo=uicontrol(gcf,'style','popup','backgroundcolor',[0 0.5
0],'string','10-20: 89 a 94%|20-30: 94 a 96%|30-40: 96.5%|40-50:
97%|50-60: 97.5%|60-70: 98%','position',[250 110 110 30])
edo1=uicontrol(gcf,'style','text','position',[60 340 140
30],'string','Base del ducto de entrada <cm>=')
edo2=uicontrol(gcf,'style','edit','position',[220 340 60 30],'string','
')
edo3=uicontrol(gcf,'style','text','position',[10 380 260
30],'string','Altura del ducto a la entrada si es un rectángulo <cm>=')
edo4=uicontrol(gcf,'style','edit',...
'position',[290 380 60 30],...
'string',' [ ] ',...
'Callback',['inp_txt=get(edo4,''string'');',...
'alt=str2num(inp_txt);',...
'base=(alt*3);',... %calcula la base
'base1=num2str(base);',...
'area=(base*alt);',... %calcula el área
'area1=num2str(area);',...
'Db=(alt*4);',... %calcula diámetro del cuerpo cilíndrico
'Diam=num2str(Db);',...
'Diam1=str2num(Diam);',...
'DiamDuc=(Db/2);',...%calcula el diámetro ducto salida
'Diamduc1=num2str(DiamDuc);',...
'alcuco=(Db*2);',...%calcula altura cuerpo cilíndrico
'alcuco1=num2str(alcuco);',...
'ddss=(Db/4);',...%calcula diámetro ducto salida de los sólidos
'ddss1=num2str(ddss);',...
'altucc=(2*Db);',... %calcula altura cuerpo cónico
'altuci=num2str(altucc);',...
'altoci=(alcuco+altucc);',...%calcula altura total del ciclón
'altoci1=num2str(altoci);',...
'set(edo2,''string'',base1);',...
'set(edo6,''string'',area1);',...
'set(edo8,''string'',Diam);',...
'set(edo10,''string'',Diamduc1);',...
'set(edo12,''string'',alcuco1);',...
'set(edo14,''string'',ddss1);',...
'set(edo16,''string'',altucc);',...
'set(edo20,''string'',altoci1)'])
edo5=uicontrol(gcf,'style','text','position',[40 280 160
30],'string','Area del ducto en la entrada <cm^2>=')
edo6=uicontrol(gcf,'style','edit','position',[220 280 60 30],'string','
')
edo7=uicontrol(gcf,'style','text','position',[10 160 260
30],'string','Diámetro del ducto de salida <cm>=')edo8=uicontrol(gcf,'style','edit','position',[290 220 60 30],'string','
')
edo9=uicontrol(gcf,'style','text','position',[10 220 260
30],'string','Diámetro del cuerpo cilíndrico <cm>=')
edo10=uicontrol(gcf,'style','edit','position',[290 160 60 30],'string','
')
edo11=uicontrol(gcf,'style','text','position',[380 380 200
30],'string','Altura del cuerpo cilíndrico <cm>=')
edo12=uicontrol(gcf,'style','edit','position',[600 380 60 30],'string','
')
edo13=uicontrol(gcf,'style','text','position',[380 330 200
30],'string','Diámetro ducto salida de los sólidos <cm>=')
edo14=uicontrol(gcf,'style','edit','position',[600 330 60 30],'string','
')
edo15=uicontrol(gcf,'style','text','position',[380 280 200
30],'string','Altura del cuerpo cónico <cm>=')
edo16=uicontrol(gcf,'style','edit','position',[600 280 60 30],'string','
')
edo17=uicontrol(gcf,'style','text','position',[380 170 200
30],'string','Caída de presión <mm Hg>=')
edo18=uicontrol(gcf,'style','edit','position',[600 170 60 30],'string','
')
edo19=uicontrol(gcf,'style','text','position',[380 120 200
30],'string','Altura total del ciclón <cm>=')
edo20=uicontrol(gcf,'style','edit','position',[600 120 60 30],'string','
')
edo21=uicontrol(gcf,'style','text','position',[380 220 200
30],'string','Presión en la entrada <mm Hg>=')
edo22=uicontrol(gcf,'style','edit',...
'position',[600 220 60 30],...
'string',' [ ] ',...
'Callback',['inp_txt=get(edo22,''string'');',...
'p1=str2num(inp_txt);',...
'delp=(p1-18.7);',...%18.7 mm Hg equivalen a 10 plg de H2O
'delp1=num2str(delp);',...
'set(edo18,''string'',delp1)'])
uicontrol(gcf,'style','push','position',[300 50 100
25],'string','Salir','callback','close');%Creacion de GUI para el diseño de la bomba
clear;clc
h1=figure(2)
set(h1,'position',[50 50 650 500],'color',[0.4 0.1 0.2],'name','Sistema
de alimentación:Bomba','numbertitle','off')
edo1=uicontrol(gcf,'style','text','position',[10 450 260
30],'string','Flujo Másico <Kg/h>=')
edo2=uicontrol(gcf,'style','edit',...
'position',[290 450 60 30],...
'string',' [ ] ',...
'Callback',['inp_txt=get(edo2,''string'');',...
'm=str2num(inp_txt)']),
edo3=uicontrol(gcf,'style','text','position',[10 400 260
30],'string','Densidad Alimento <Kg/m^3>=')
edo4=uicontrol(gcf,'style','edit',...
'position',[290 400 60 30],...
'string',' [ ] ',...
'Callback',['inp_txt=get(edo4,''string'');',...
'rho=str2num(inp_txt)']),
edo5=uicontrol(gcf,'style','text','position',[10 350 260
30],'string','Presión Atmosférica <mm Hg>=')
edo6=uicontrol(gcf,'style','edit',...
'position',[290 350 60 30],...
'string',' [ ] ',...
'Callback',['inp_txt=get(edo6,''string'');',...
'Pa=str2num(inp_txt)']),
edo7=uicontrol(gcf,'style','text','position',[10 300 260
30],'string','Presión Salida <mm Hg>=')
edo8=uicontrol(gcf,'style','edit',...
'position',[290 300 60 30],...
'string',' [ ] ',...
'Callback',['inp_txt=get(edo8,''string'');',...
'Ps=str2num(inp_txt)']),
edo9=uicontrol(gcf,'style','text','position',[10 250 260
30],'string','Altura <m>=')
edo10=uicontrol(gcf,'style','edit',...
'position',[290 250 60 30],...
'string',' [ ] ',...
'Callback',['inp_txt=get(edo10,''string'');',...
'A=str2num(inp_txt)']),
edo11=uicontrol(gcf,'style','text','position',[10 200 260 30],'string','
Diámetro Tubería <in>=')
edo12=uicontrol(gcf,'style','edit',...
'position',[290 200 60 30],...
'string',' [ ] ',...
'Callback',['inp_txt=get(edo12,''string'');',...
'D=str2num(inp_txt)']),
edo13=uicontrol(gcf,'style','text','position',[10 150 260
30],'string','Eficiencia < a 60% <%>=')
edo14=uicontrol(gcf,'style','edit',...
'position',[290 150 60 30],...
'string',' [ ] ',...'Callback',['inp_txt=get(edo14,''string'');',...
'E=str2num(inp_txt);',...%Eficiencia
'visco=2.2*10^-5;',...%viscosidad
'vel=(m/(rho*pi*((D*2.54*10^-2)^2)/4))*(1/3600);',...%velocidad fluido
en el ducto
'Q=m/(rho*3600);',...%Caudal
'hf=0.017*A*(vel^2)/((D*2.54*10^-2)*2*9.8);',...%Pérdida por fricción
en la tubería
'Paa=Pa*10^5/(760*0.9869);',...%Presión entrada en Pa
'Pss=Ps*10^5/(760*0.9869);',...%Presión salida en Pa
'hs=((Paa-Pss)/(rho*9.8))-((vel^2)/(2*9.8))-A-hf;',...
'Wp=((Pss-Paa/rho)+9.8*A+((1+(0.017*A/((D*2.54*10^-
2)*9.8)))*(vel^2/2)))/E;',...%Trabajo
'Re=(D*2.54*10^-2)*vel*rho/visco;',...%Reynols
'Pot=rho*Q*9.8*(-hs);',...%Potencia
'Potn=Pot/(E/100);',...%Potencia Necesaria
'set(edo16,''string'',Q);',...
'set(edo18,''string'',vel);',...
'set(edo20,''string'',Re);',...
'set(edo22,''string'',Wp);',...
'set(edo24,''string'',Pot);',...
'set(edo26,''string'',Potn)'])
edo15=uicontrol(gcf,'style','text','position',[370 400 160
30],'string','Caudal <m^3/s>=')
edo16=uicontrol(gcf,'style','edit','position',[550 400 60 30],'string','
')
edo17=uicontrol(gcf,'style','text','position',[370 450 160
30],'string','Velocidad <m/s>=')
edo18=uicontrol(gcf,'style','edit','position',[550 450 60 30],'string','
')
edo19=uicontrol(gcf,'style','text','position',[370 350 160
30],'string','Reynolds =')
edo20=uicontrol(gcf,'style','edit','position',[550 350 60 30],'string','
')
edo21=uicontrol(gcf,'style','text','position',[370 300 160
30],'string','Trabajo <J/Kg>=')
edo22=uicontrol(gcf,'style','edit','position',[550 300 60 30],'string','
')
edo23=uicontrol(gcf,'style','text','position',[370 250 160
30],'string','Potencia <W>=')
edo24=uicontrol(gcf,'style','edit','position',[550 250 60 30],'string','
')
edo25=uicontrol(gcf,'style','text','position',[370 200 160
30],'string','Potencia Necesaria <W>=')
edo26=uicontrol(gcf,'style','edit','position',[550 200 60 30],'string','
')
uicontrol(gcf,'style','push','position',[280 50 100
25],'string','Salir','callback','close');%Creacion de GUI para diseñar calentador aire eléctrico
clear;clc
h1=figure(2)
set(h1,'position',[50 100 700 450],'color',[0.6 0.4 0.2],'name','Sistema
de Calentamiento de Aire: Intercambiador de Calor
Eléctrico','numbertitle','off')
edo1=uicontrol(gcf,'style','text','position',[10 380 260
30],'string','Flujo de Aire <Kg/h>=')
edo2=uicontrol(gcf,'style','edit',...
'position',[290 380 60 30],...
'string',' [ ] ',...
'Callback',['inp_txt=get(edo2,''string'');',...
'Flu=str2num(inp_txt);']),
edo3=uicontrol(gcf,'style','text','position',[10 330 260
30],'string','Temperatura en la Entrada <ºC>=')
edo4=uicontrol(gcf,'style','edit',...
'position',[290 330 60 30],...
'string',' [ ] ',...
'Callback',['inp_txt=get(edo4,''string'');',...
'Ten=str2num(inp_txt);',...
'Te=Ten+273.15;']),
edo5=uicontrol(gcf,'style','text','position',[10 280 260
30],'string','Temperatura a la Salida <ºC>=')
edo6=uicontrol(gcf,'style','edit',...
'position',[290 280 60 30],...
'string',' [ ] ',...
'Callback',['inp_txt=get(edo6,''string'');',...
'Tsal=str2num(inp_txt);',...
'Ts=Tsal+273.15;',...
'Cp=(28.09*(Ts-Te))+((0.1965*10^-2/2)*((Ts^2)-(Te^2)))+((0.4799*10^-
5/3)*((Ts^3)-(Te^3)))+((-1.965*10^-9/4)*((Ts^4)-(Te^4)));',...
'Qr=Flu*Cp*(1000/29)*2.773*10^-7*1.2;',...%Factor seguridad 1.2
'rho=((0.78*29)/(83.14*Te))*1000;',...%densidad del aire como f(Te)
'Cau=(Flu/rho)/3600;',...%Caudal del aire
'Notubos=Qr*1000/2450;',...%Número de tubos
'Vel=Cau/0.1858;',...%Velocidad del aire
'fil=Notubos/5;',...%Número de columnas requeridas
'Long=fil*1.27+7+((fil-1)*3.5);',...%Estimación de la longitud del
intercambiador
'set(edo8,''string'',Qr);',...
'set(edo10,''string'',Vel);',...
'set(edo12,''string'',Notubos);',...
'set(edo14,''string'',Long)'])
edo7=uicontrol(gcf,'style','text','position',[80 230 140
30],'string','Potencia Necesaria <kW>=')
edo8=uicontrol(gcf,'style','edit','position',[290 230 60 30],'string','
')
edo9=uicontrol(gcf,'style','text','position',[80 180 140
30],'string','Velocidad <m/s>=')edo10=uicontrol(gcf,'style','edit','position',[290 180 60 30],'string','
')
edo11=uicontrol(gcf,'style','text','position',[80 130 160
30],'string','Número de tubos Calefactores Requeridos=')
edo12=uicontrol(gcf,'style','edit','position',[290 130 60 30],'string','
')
edo13=uicontrol(gcf,'style','text','position',[370 380 180
30],'string','Longitud Requerida para el Intercambiador <cm>=')
edo14=uicontrol(gcf,'style','edit','position',[570 380 60 30],'string','
')
edo15=uicontrol(gcf,'style','text','position',[370 330 180
30],'string','Densidad vática máxima<W/plg^2>=')
edo16=uicontrol(gcf,'style','edit','position',[570 330 60
30],'string','45')
edo17=uicontrol(gcf,'style','text','position',[370 280 180
30],'string','Temperatura máxima de la vaina <ºC>=')
edo18=uicontrol(gcf,'style','edit','position',[570 280 60
30],'string','315 ')
uicontrol(gcf,'style','push','position',[250 50 200
25],'string','Salir','callback','close');%Creacion de GUI para calcular los parámetros de la interacción gota-aire
clear;clc
h1=figure(2)
set(h1,'position',[40 40 650 500],'color',[0.9 0.6
0.4],'name','Interacción Gota-Aire','numbertitle','off')
edo1=uicontrol(gcf,'style','text','position',[10 450 260
30],'string','Temperatura Aire Entrada <ºC>=')
edo2=uicontrol(gcf,'style','edit','position',[290 450 60 30],'string',' [
] ',...
'Callback',['inp_txt=get(edo2,''string'');','T=str2num(inp_txt);','Tbs=T+
273.15;']),
edo3=uicontrol(gcf,'style','text','position',[10 400 260
30],'string','Diámetro Inicial de la Partícula <micras>=')
edo4=uicontrol(gcf,'style','edit','position',[290 400 60 30],...
'string',' [ ]
','Callback',['inp_txt=get(edo4,''string'');','Do=str2num(inp_txt)']),
edo5=uicontrol(gcf,'style','text','position',[10 350 260
30],'string','Densidad Alimento <Kg/m^3>=')
edo6=uicontrol(gcf,'style','edit','position',[290 350 60 30],'string',' [
] ',...
'Callback',['inp_txt=get(edo6,''string'');','rho=str2num(inp_txt)']),
edo7=uicontrol(gcf,'style','text','position',[10 300 260
30],'string','Sólidos Iniciales <%>=')
edo8=uicontrol(gcf,'style','edit','position',[290 300 60 30],...
'string',' [ ] ','Callback',['inp_txt=get(edo8,''string'');',...
'Si=str2num(inp_txt);','S=Si/100;']),
edo9=uicontrol(gcf,'style','text','position',[10 250 260
30],'string','Contenido Final de Humedad <Kg H2O/Kg sólido seco>=')
edo10=uicontrol(gcf,'style','edit','position',[290 250 60 30],...
'string',' [ ] ','Callback',['inp_txt=get(edo10,''string'');',...
'Wf=str2num(inp_txt);']),
edo9a=uicontrol(gcf,'style','text','position',[10 200 260
30],'string','Velocidad Periférica <m/s>=')
edo10a=uicontrol(gcf,'style','edit','position',[290 200 60 30],...
'string',' [ ] ','Callback',['inp_txt=get(edo10a,''string'');',...
'Vperi=str2num(inp_txt);']),
edo11=uicontrol(gcf,'style','text','position',[10 150 260
30],'string','Diámetro Final Gota <micras>=')
edo12=uicontrol(gcf,'style','edit','position',[290 150 60 30],...
'string',' [ ] ','Callback',['inp_txt=get(edo12,''string'');',...
'Df=str2num(inp_txt);',...%diámetro final de la gota
'visc=1.097*10^-6*(Tbs^0.5)/(1.453-
(0.0243*(Tbs^0.5)));',...%viscosidad aire
'Pr=0.71-(0.00015*(Tbs-273));',...%Número de Pr
'k=1005*visc/Pr;',...%Conductividad Térmica
'Tbh=0.9591*T-1.864;',...%Temperatura bulbo húmedo
'Lambda=538.7*(((374.2-92.98)/(374.2-T))^0.38)/0.239;',...%Calor
latente
'tcr=((rho*Lambda*((Do*10^-6)^2))/(8*k*(T-Tbh)))*1000;',...%tiempo
vel. constante
'Volgi=(4/3)*pi*((Do*10^-6/2)^3);',...%Volumen inicial gota'Volgf=(4/3)*pi*((Df*10^-6/2)^3);',...%Volumen final de la gota
'rho2=((Volgi*rho)-((Volgi-Volgf)*(rho-(S*rho))))/(Volgi-(Volgi-
Volgf));',...%densidad después de la evaporación
'magua=Volgi*(rho-(S*rho));',...%masa de agua inicial en la gota
'msol=Volgi*(rho-(1-S));',...%masa de sólidos en la gota inicialmente
'mres=magua-((Volgi-Volgf)*rho*(1-S));',...%humedad residual en la
gota
'Wc=mres/msol;',...%humedad crítica (después periodo vel. cte)
'Delt=(T-Tbh)/2;',...%Promedio temperaturas Temp. bulbo seco y Temp.
bulbo humedo
'h=2*k/(Df*10^-6);',...%Coeficiente trans. de calor
'tfr=(rho2*(Df*10^-6)*Lambda*(Wc-Wf))*1000/(6*h*Delt);',...%tiempo
periodo vel. decreciente
'ttotal=tcr+tfr;',...%tiempo total
'rhoaire=((0.78*29)/(83.14*Tbs))*1000;',...%densidad del aire como
f(Te)
'Re=(Do*10^-6*Vperi*rhoaire)/visc;',...%Número de Reynolds
'Sc=visc/(Do*10^-6*Vperi*rhoaire);',...%Número de Schmidt
'Nu=2+0.6*(Re^0.5)*(Pr^0.33);',...%Número de Nusselt
'Sh=2+0.6*(Re^0.5)*(Sc^0.33);',...%Número de sherwood
'set(edo18,''string'',Lambda);',...
'set(edo20,''string'',visc);',...
'set(edo22,''string'',k);',...
'set(edo24,''string'',tcr);',...
'set(edo26,''string'',tfr);',...
'set(edo28,''string'',ttotal);',...
'set(edo30,''string'',Pr);',...
'set(edo32,''string'',Re);',...
'set(edo34,''string'',Nu);',...
'set(edo36,''string'',Sc);',...
'set(edo38,''string'',Sh)'])
edo17=uicontrol(gcf,'style','text','position',[370 400 160
30],'string','Calor Latente <KJ/Kg>=')
edo18=uicontrol(gcf,'style','edit','position',[550 400 60 30],'string','
')
edo19=uicontrol(gcf,'style','text','position',[370 450 160
30],'string','Viscosidad <Pa.s>=')
edo20=uicontrol(gcf,'style','edit','position',[550 450 60 30],'string','
')
edo21=uicontrol(gcf,'style','text','position',[370 350 160
30],'string','Conductividad Térmica <W/m-K>=')
edo22=uicontrol(gcf,'style','edit','position',[550 350 60 30],'string','
')
edo23=uicontrol(gcf,'style','text','position',[370 300 160
30],'string','Tiempo Periodo Vel. cte 
=')
edo24=uicontrol(gcf,'style','edit','position',[550 300 60 30],'string','
')
edo25=uicontrol(gcf,'style','text','position',[370 250 160
30],'string','Tiempo Periodo Vel. Decrec. 
=')
edo26=uicontrol(gcf,'style','edit','position',[550 250 60 30],'string','
')edo27=uicontrol(gcf,'style','text','position',[370 200 160
30],'string','Tiempo Total 
=')
edo28=uicontrol(gcf,'style','edit','position',[550 200 60 30],'string','
')
edo29=uicontrol(gcf,'style','text','position',[50 100 160
30],'string','Número Prandtl =')
edo30=uicontrol(gcf,'style','edit','position',[290 100 60 30],'string','
')
edo31=uicontrol(gcf,'style','text','position',[50 50 160
30],'string','Número Reynolds =')
edo32=uicontrol(gcf,'style','edit','position',[290 50 60 30],'string','
')
edo33=uicontrol(gcf,'style','text','position',[370 150 160
30],'string','Número Nusselt=')
edo34=uicontrol(gcf,'style','edit','position',[550 150 60 30],'string','
')
edo35=uicontrol(gcf,'style','text','position',[370 100 160
30],'string','Número Schmidt=')
edo36=uicontrol(gcf,'style','edit','position',[550 100 60 30],'string','
')
edo37=uicontrol(gcf,'style','text','position',[370 50 160
30],'string','Número Sherwood=')
edo38=uicontrol(gcf,'style','edit','position',[550 50 60 30],'string','
')
uicontrol(gcf,'style','push','position',[280 5 100
25],'string','Salir','callback','close');