UNIVERSIDAD RAFAEL LANDIVAR FACULTAD DE INGENIERIA

DEPARTAMENTO DE INGENIERIA QUÍIMICA

“Diseño e instalación del laboratorio de

operaciones unitarias en el Campus Central de la

Universidad Rafael Landívar. Práctica de secado

de materiales unidad: secado de rodillos

Matheu Pastorio, Teresa María

Carné 4147091

Guatemala, 1997

Campus Central

INTRODUCCION ................................................................................................................... 3 I. DESCRIPCION DE LA SECUENCIA DE ACTIVIDADES REALIZADAS ....................... 4

1. INSPECCION DEL EQUIPO .......................................................................................... 4 2. COTIZACION DEL TRASLADO DEL EQUIPO .............................................................. 4 3. DISEÑO DE LA PLANTA Y UBICACION DE EQUIPOS................................................ 4 4. PROCEDIMIENTO DE TRASLADO DEL EQUIPO......................................................... 4 5. TRASLADO DEL EQUIPO AL CAMPUS CENTRAL DE LA UNIVERSIDAD RAFAEL LANDIVAR .......................................................................................................................... 4 6. LIMPIEZA........................................................................................................................ 5 7. PINTURA......................................................................................................................... 5 8. MONTAJE DEL EQUIPO .............................................................................................. 5 9. TUBERIAS Y ACCESORIOS ........................................................................................... 5

a. Tubería de Agua: ..................................................................................................... 6 b. Tubería de Vapor: .................................................................................................... 6

10. ENERGIA ELECTRICA ................................................................................................ 6 a. Electricidad:............................................................................................................. 6

11. ANCLAJE, DRENAJES Y ANDAMIOS........................................................................ 7 12. PLANIFICACION DE MATERIALES Y EQUIPO........................................................... 7 13. SISTEMAS DE CONTROL Y SEGURIDAD ................................................................... 7 14. DESARROLLO DE METODOS, PRUEBAS DE LABORATORIO Y MANUAL DE LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS............................................................... 8

CAMBIOS FISICOS REALIZADOS EN LAS INSTALACIONES DEL LABORATORIO DE CIENCIAS DE LA INGENIERIA .............................................................................................. 9 II. PRACTICA DE SECADO DE MATERIALES................................................................ 10 UNIDAD: SECADOR DE RODILLOS .................................................................................. 10

INTRODUCCION.............................................................................................................. 10 OBJETIVOS DE LA PRACTICA......................................................................................... 12 MARCO TEORICO........................................................................................................... 13

Hojuelas de Papa....................................................................................................... 13 La Influencia del Cocimiento en la Textura........................................................... 13 Empaque y Vida de Anaquel .................................................................................. 15

DESCRIPCION DEL EQUIPO ........................................................................................... 16 Descripción Física del Equipo................................................................................... 17

a. Cámara de Secado........................................................................................... 17 b. Unidades Externas .............................................................................................. 17 c. Equipo Complementario................................................................................... 18

DESCRIPCION TEORICA DE LA PRACTICA .................................................................. 19 Preparación de la Muestra a Secar........................................................................ 19 Instrumentación Necesaria ...................................................................................... 19 Procedimiento ............................................................................................................ 20 Medidas de Seguridad.............................................................................................. 20

DIAGRAMA DE LA PRACTICA ....................................................................................... 22 RESULTADOS .................................................................................................................... 23

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Análisis de Resultados................................................................................................ 23 COMENTARIO ................................................................................................................. 25 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ................................................................... 26 ANEXOS............................................................................................................................ 27

a. Planos de Distribución y Servicios ....................................................................... 27 b. Diagrama del Equipo............................................................................................ 27 c. Gráfica del Motor .................................................................................................. 27

BIBLIOGRAFIA.................................................................................................................. 28

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INTRODUCCION La Universidad Rafael Landívar inició un estudio acerca de la factibilidad de adquirir equipo para el montaje de un Laboratorio de Operaciones Unitarias en el Campus Central. Esta necesidad surgió debido a que los estudiantes de la carrera de Licenciatura en Ingeniería Química Industrial se veían obligados a recibir la cátedra de Laboratorio de Operaciones Unitarias II en la Universidad del Valle de Guatemala. El cubrir esta necesidad implicaba numerosos gastos para la Universidad Landívar. Se inició una negociación con el ICAITI para adquirir aquellos equipos que pudieran acoplarse a las necesidades presentes, quienes presentaron una cotización a la Universidad Rafael Landívar. Luego de hacer un estudio acerca de los beneficios y costos que esta adquisición traería, se decidió adquirir el equipo dentro del cual podemos mencionar: torre de destilación, torre de extracción líquido-líquido, torre de absorción, equipo de secado, filtro prensa, equipo para molienda (molino de martillos y de discos), agitación por calentamiento, cristalería en general, etc. Una vez adquirido el equipo, se planteó a los estudiantes del último año de la carrera de Ingeniería Química Industrial la posibilidad del diseño y el montaje del laboratorio como un Trabajo de Tesis. Se eligieron a ocho estudiantes, a quienes se les asignó un equipo a cada uno para el debido montaje y diseño de una guía de laboratorio para los estudiantes de los próximos años. Los estudiantes trabajaron de manera conjunta con otro grupo al cual se le asignó el diseño del Laboratorio de Operaciones Unitarias I. El trabajo de Tesis incluye la medición e inspección de los equipos, el diseño de la planta del Laboratorio de Operaciones Unitarias II, la cotización de los materiales e instalación , el diseño de una guía de laboratorio y la planeación del requerimiento de materiales y reactivos para la realización de las prácticas de laboratorio durante los próximos años.

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DESCRIPCION DE LA SECUENCIA DE ACTIVIDADES REALIZADAS

1. INSPECCION DEL EQUIPO Se realizó una visita a las instalaciones del ICAITI con el objeto de realizar una inspección del estado del equipo que la Universidad Rafael Landívar adquirió para la instalación del Laboratorio de Operaciones Unitarias II dentro del Campus Central. Durante esta inspección, se asignó a cada estudiante un equipo determinado para que elaborara un diagrama de flujo y físico. Se tomó medidas de los aparatos y se inspeccionó todos los servicios que cada equipo requería. Al mismo tiempo, se analizó el procedimiento de traslado del equipo al Campus Central. Este estudio incluyó la toma de fotografías y de video del equipo.

2. COTIZACION DEL TRASLADO DEL EQUIPO Se recurrió a dos empresas especializadas en mudanzas para realizar una cotización del traslado del equipo. Se tomó en cuenta a Schenker International y a Caniz. Ambas empresas realizaron una visita al ICAITI y al Campus Central de la Universidad Rafael Landívar para analizar los requerimientos de seguridad y del equipo necesario para el traslado.

3. DISEÑO DE LA PLANTA Y UBICACION DE EQUIPOS Para poder aprovechar los servicios y el área destinada al laboratorio, se realizó un diseño de ubicación de los equipos.

4. PROCEDIMIENTO DE TRASLADO DEL EQUIPO Luego de que las empresas de transporte realizaron su inspección y cotizaron el traslado, se tomó en cuenta que se debía de desarmar el equipo para poderlo trasladar debido a que contaba con reactores de vidrio suspendidos y sujetados por las estructuras metálicas, los cuales con la vibración del camión de traslado podrían sufrir daños e inclusive romperse. Se reunió el equipo de trabajo para realizar la operación de desmontaje. Esta operación incluyó la numeración de todas las piezas y un diagrama que mostraba la localización de las mismas. Se empacó cada pieza y se numeraron las cajas en las cuales se introdujeron. La duración de este procedimiento fue de dos días.

5. TRASLADO DEL EQUIPO AL CAMPUS CENTRAL DE LA UNIVERSIDAD RAFAEL LANDIVAR Se eligió a la empresa Caniz para realizar el traslado del equipo debido a que ofreció mejores ventajas y mayor seguridad de traslado. Se presentó el personal de Caniz a recoger las cajas numeradas y todo el equipo que se

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trasladaría. Se trasladaron varios equipos sin desarmar debido a que no era necesario, tales como los molinos, el filtro prensa y el secador de rodillos. En la Universidad se recurrió a desalojar un área de la bodega del departamento de reproducciones para que fuera más fácil el ingreso del equipo al Laboratorio de Ciencias de la Ingeniería. Los equipos se ubicaron de acuerdo al diseño realizado de la planta (ver anexo).

6. LIMPIEZA El equipo se encontraba en condiciones de suciedad debido a que el almacenaje en el ICAITI era en la intemperie y tenía mucho tiempo de estar fuera de uso. Previo al armado de los equipos se realizó una limpieza profunda de toda la cristalería y de todo el resto del equipo.

7. PINTURA La empresa “Grupo Solid, S.A.” por medio de Pinturas “La Paleta”donó al equipo de trabajo del laboratorio la pintura necesaria para las estructuras metálicas y los diferentes equipos. Se eligieron los colores azul para las estructuras metálicas, anaranjada para las conexiones eléctricas; verde, para suministro de agua; azul, para la tubería de aire comprimido1. Se procedió a la pintura del equipo.

8. MONTAJE DEL EQUIPO Se ensambló el equipo de acuerdo con los diagramas realizados en el momento del desmontaje y con ayuda de las fotografías y el video tomados el día de la inspección inicial.

9. TUBERIAS Y ACCESORIOS De acuerdo con los flujos esperados y con la medición de los diámetros de las entradas a los equipos, se determinó el diámetro de las tuberías de los suministros de vapor y de agua para cada equipo2. Ya con esto se realizó el diseño de los servicios del laboratorio en la clase magistral de Diseño de Plantas. Para lograr optimizar los recursos, se tuvo una reunión con el grupo encargado del diseño y montaje del Laboratorio de Operaciones Unitarias I para así unificar el diseño y planificar las necesidades futuras de ambos laboratorios. Debido a que se cuenta con un compresor portátil, se decidió no realizar diseño de una tubería de aire comprimido.

1 PERRY, Robert H./ GREEN, Don Perry’s Chemical Engineer’s Handbook, Sexta Edición, Editorial McGraw Hill, páginas 6-74 a 6-79 2 McCABBE, Warren, L./ SMITH, Julian C./ HARRIOT, Peter Operaciones Básicas de Ingeniería Química, Cuarta Edición, Editorial McGraw-Hill, México 1991

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En base a este diseño, se elaboró un listado de los materiales necesarios para la instalación de las tuberías de agua y vapor y de las conexiones eléctricas.

a. Tubería de Agua: La tubería de agua se instaló de PVC debido a la economía y facilidad de instalación, la cual fue realizada por los mismos estudiantes. Los equipos que requieren servicio de agua son los siguientes: agitador por calentamiento, torre de extracción líquido-líquido, torre de absorción, destilador-evaporador. Las especificaciones de la tubería de agua instalada son: Tubería principal: diámetro 1.5 pulgadas Ramificaciones a los equipos: diámetro 1 pulgada Válvulas: cada equipo consta de una válvula de globo en su tubería de alimentación de agua para regular el flujo de agua.

b. Tubería de Vapor: El suministro de vapor fue instalado utilizando tubería de hierro negro con sus correspondientes accesorios. Debido a que el uso proyectado de los equipos durante los próximos años no es para un uso industrial, se decidió no recuperar el condensado. Sin embargo, se sugiere en un futuro realizar la recuperación del mismo para aumentar la eficiencia de la caldera y disminuir los gastos. Los siguientes equipos requieren del servicio de vapor: secador de rodillos, agitador por calentamiento, destilador-evaporador. Las especificaciones de la tubería de vapor instalada son: • Tubería principal: diámetro 1 pulgada • Ramificaciones a los equipos: diámetro 0.5 pulgadas • Válvulas: cada equipo consta de una válvula de compuerta o de globo

para regular el flujo de alimentación de vapor • Trampas de vapor: tipo cubeta invertida, 25 psi • Reguladores de presión: dependiendo de las necesidades de cada equipo

10. ENERGIA ELECTRICA Ya armados los equipos y ubicados de acuerdo al diseño del laboratorio, se determinó los requerimientos de energía eléctrica. Este diseño y montaje estuvo a cargo de dos estudiantes de Ingeniería Mecánica Industrial.

a. Electricidad:

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La instalación de las conexiones eléctricas fue realizada por los dos estudiantes de la carrera de Ingeniería Mecánica Industrial asignados. Los equipos requieren servicio de electricidad de 220 V y de 110 V. Equipos que requieren conexión 220 V: 1. Agitador por calentamiento 2. Destilador-Evaporador 3. Secador de lecho fluidizado 4. Molino de discos 5. Molino de martillos Equipos que requieren conexión 110V 1. Secador de rodillos 2. Torre de extracción líquido-líquido 3. Torre de absorción 4. Destilador-Evaporador

11. ANCLAJE, DRENAJES Y ANDAMIOS Para lograr la estabilidad de los equipos, se contactó con los distribuidores de HILTY en Guatemala, quienes inspeccionaron las necesidades de los equipos y la vibración de los mismos para asesorar y recomendar los pernos de expansión adecuados. El sistema de drenajes fue diseñado y ejecutado por la administración de la facultad de Ingeniería, diseñando un circuito para un mejor flujo de los desechos líquidos de cada equipo, los cuales no contendrán productos químicos.

12. PLANIFICACION DE MATERIALES Y EQUIPO De acuerdo con cada práctica diseñada por los alumnos, se adjuntará un listado de los materiales necesarios para la realización de los laboratorios.

13. SISTEMAS DE CONTROL Y SEGURIDAD Tomando en cuenta los requerimientos de cada equipo, cada estudiante realizó el diseño de la ubicación de los sistemas de control en el equipo que le fue asignado. La Universidad cuenta con el equipo necesario para realizar la instalación de un sistema automático de control que será utilizado en el curso de Instrumentación y Control Automático de Procesos Químicos.

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14. DESARROLLO DE METODOS, PRUEBAS DE LABORATORIO Y MANUAL DE LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS Cada estudiante diseñó y realizó un experimento el cual será utilizado como manual de laboratorio para los próximos años.

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CAMBIOS FISICOS REALIZADOS EN LAS INSTALACIONES DEL LABORATORIO DE CIENCIAS DE LA INGENIERIA El área destinada para la instalación del Laboratorio de Operaciones Unitarias I y el Laboratorio de Operaciones Unitarias II, corresponde al espacio que antiguamente se denominaba “Laboratorio de Ingeniería Química”. Se utilizó el espacio en el que se encontraba el Laboratorio de Operaciones Unitarias I y las oficinas cercanas a la entrada principal. Para instalar el laboratorio de acuerdo al diseño efectuado fue necesario realizar los siguientes cambios físicos: 1. Reubicación de las mallas: se eliminó la malla que separaba el área del

Laboratorio de Operaciones Unitarias I con el resto de los laboratorios. Con esto se logró aumentar el espacio disponible y optimizar los recursos. Los demás laboratorios que se encuentran en el edificio permanecen con sus mallas para la conservación del equipo.

2. Demolición de las oficinas: se demolió la mitad de las oficinas que existían en el Laboratorio con el fin de situar en esa area en el futuro el Laboratorio de Tecnología de Alimentos.

Se retiró del área de laboratorio escritorios y equipo que no eran necesarios para la realización de las prácticas diseñadas.

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PRACTICA DE SECADO DE MATERIALES

UNIDAD: SECADOR DE RODILLOS

INTRODUCCION A continuación se detalla el equipo necesario para la realización de la práctica de secado de materiales que llevarán a cabo los estudiantes de onceavo semestre de la carrera Licenciatura en Ingeniería Química Industrial de la Universidad Rafael Landívar. Este proyecto surgió de la necesidad de impartir dentro del Campus Central de la Universidad Rafael Landívar la cátedra de Laboratorio de Operaciones Unitarias II y así evitar que los alumnos se vieran forzados a realizar sus prácticas en la Universidad del Valle de Guatemala. La unidad de secado forma parte del equipo que la Universidad Rafael Landívar adquirió de ICAITI en el año de 1996. Luego de haber realizado una inspección visual de las condiciones del equipo y de desmontarlo de las instalaciones de ICAITI, fue trasladado a la Universidad donde se ubicó en el laboratorio de Ciencias de la Ingeniería. La ubicación de esta unidad dentro del laboratorio fue determinada según los servicios que ésta utilizaba para su funcionamiento. Debido a que el único servicio que requiere es el de vapor y drenaje de agua, se colocó cercano al distribuidor de vapor de la Caldera y se le hizo una conexión directa desde el mismo. También se instaló una tubería de hierro galvanizado hacia el sistema de drenajes de agua. Al realizar pruebas se descubrió que el equipo contaba con fugas de vapor considerables, por lo que se cambió los empaques por nuevos. El material utilizado para los empaques es asbesto grafitado ya que es más resistente a la temperatura. Debido a que el equipo no contaba con unas cuchillas en buenas condiciones para la realización de las prácticas, se cambiaron las mismas. Originalmente el material del que estaban hechas era fibra de vidrio, pero debido a que las cuchillas están en contacto con los cilindros que se encuentran a altas temperaturas y a que se está trabajando con alimentos, se cambiaron por unas cuchillas nuevas de fibra fenólica. Se eligió la fibra fenólica como el nuevo material para las cuchillas debido a que este material es más resistente a altas temperaturas y no ralla los cilindros ya que es un material de menor dureza que el acero inoxidable.

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El equipo puede funcionar bajo condiciones atmosféricas y por medio de vacío. El equipo adquirido no incluía una bomba de vacío. Los ingenieros Enrique Molina de la empresa ALTATEC y el Ingeniero Rodolfo Samayoa de Ginsa colaboraron prestando una bomba de vacío y un motor para la realización de las pruebas para el diseño de esta práctica.

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OBJETIVOS DE LA PRACTICA

Deshidratar un producto pastoso con un contenido de humedad hasta llevarlo a hojuelas.

Determinar el contenido inicial y final de humedad de la muestra. Determinar las condiciones de rehidratación del producto. El alumno deberá hacer los cálculos de contenido de humedad de acuerdo

al equipo disponible y compararlo con los datos teóricos

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MARCO TEORICO

Hojuelas de Papa El término hojuelas de papa (potatoe flakes) se utiliza para describir a un puré de papas el cual ha sido deshidratado por medio de un secador de rodillos. En este proceso, la conservación de la estructura de las células individuales no es importante para la obtención del producto. En contraste, si el producto deshidratado tiene la capacidad de reconstiturse a una masa comestible con una consistencia igual a la masa preparada de papas frescas, las células se mantienen sin cambio alguno. Se han establecido dos principios importantes para el secado de puré de papa en un secador de rodillos: 1. El puré de papas puede secarle hasta un bajo contenido de humedad en

una etapa para dar un producto que al reconstituirlo tiene buena textura y sabor.

2. El contenido de humedad del puré debe de mantenerse entre 78 y 80% para poder obtener una buena adhesión a los rodillos y tener una humedad final baja sin quemar el producto.

La Influencia del Cocimiento en la Textura Para poder obtener un producto rehidratado aceptable, la rehidratación del puré de papas deberá de proporcionar un producto con la misma textura (sensación en la boca) que un puré recién preparado. El producto dependerá en la clase de papa utilizada y en el método de preparación del puré de papa. Las condiciones más deseables para el precocimiento del puré de papas se encuentra en un período de cocción de 20 minutos a una temperatura de 71.11 grados Centígrados (160F). Este tiempo de cocimiento dependerá del contenido de sólidos de la papa utilizada. No es recomendable utilizar un puré de bajo contenido de sólidos, ni utilizar papas que no estén maduras. Se obtienen mejores resultados si se utilizan papas cuya gravedad específica sea de 1.073 o mayor, la cual se obtiene determinando la densidad de la pasta de papas y realizando el cociente entre este resultado y la densidad el agua a las mismas condiciones de temperatura y presión.

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Si se utilizan aditivos para mejorar la estabilidad del sabor y la textura, se recomienda introducirlos en el puré antes del secado del mismo. Tabla No. 13

Cantidad de aditivos utilizados por tonelada de puré de papas

ADITIVO g/2000 lb puré % de Aditivo

basado en los sólidos del puré (asumiendo 21.5 % de sólidos)

Glycerol monopalmitato 200 g 0.10 % Tenox VI 150 0.077 Sólidos de leche descremada 400 0.20 Preservantes: Sulfito de sodio 120 400-500 p.p.m. Bisulfito de sodio 40 en puré húmedo El glycerol monopalmitato se utiliza para mejorar la textura del puré rehidratado. La cantidad de SO2 en el producto seco es mucho menor que el que aparece en la tabla, generalmente es de 150-200 p.p.m. dependiendo de las condiciones de secado. Tenox VI protege el producto contra la rancidez, actuando como un antioxidante. Se sugiere que toda la leche que se requiera para la rehidratación, se añada antes del secado, para que sólo se requiera de agua para la reconstitución del puré. Sin embargo, grandes cantidades de leche pueden ocasionar una apariencia glaceada y darle un sabor a queso al puré reconstituido. El sulfito evita cambios durante el proceso y probablemente incrementa la vida de almacenaje del producto. Un puré con un alto contenido de sólidos deberá diluirse hasta 21 ó 22 % de sólidos para obtener un buen contacto entre los cilindros y la capa de puré creada para formar una capa densa de producto. Si el porcentaje de sólidos es mayor, se debe tener en cuenta que las condiciones del secado varían tanto el tiempo como la temperatura a la cual se expone el material pastoso. La

3 TALBURT, William F. M.S./ SMITH, Ora Potatoe Processing, Westport, Conneticut, Avi Publishing Company Inc. 1959

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densidad del producto es muy importante ya que una densidad baja representa altos costos de empaque y también puede causar en una absorción del líquido muy rápida a la hora de la rehidratación del producto. Una rehidratación rápida puede resultar en roptura de las células y en un aspecto pastoso indeseado en el producto. Una de las grandes ventajas del secado con este equipo es que se puede obtener un producto de muy bajo contenido de humedad en una simple etapa. Teóricamente, las condiciones más favorables para el secado son las siguientes: 1. Contenido de sólidos en el puré entre 20 y 22% 2. Presión de vapor 75-80 psig 3. Velocidad del cilindro 2 rpm Esto nos dará una capa densa de producto cuyo contenido de humedad oscila entre 4.5 y 5%.

Empaque y Vida de Anaquel Debido a que el puré es secado a un nivel de humedad entre 4.5 y 5%, cualquier detrimento en el sabor resulta principalmente de la oxidación. Esto se puede evitar con un empaque al vacío o por medio de añadir un antioxidante tal como el Tenox VI. El empaque deberá ser rígído y no poroso. También deberá ser opaco ya que la luz acelera la rancidez.

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DESCRIPCION DEL EQUIPO La siguiente práctica de laboratorio se llevará a cabo en el Laboratorio de Operaciones Unitarias II con el equipo siguiente: Se utilizará un secador de rodillos, el cual pertenece al grupo de los secadores de tambor. El secador consta de dos cilindros giratorios, los cuales se calientan internamente con vapor. La conexión por medio de la cual se suministra el vapor al interior de los rodillos está controlada por una Johnson Joint en cada rodillo. Esta unión trabaja de la siguiente manera: el vapor entra en la tubería conectada, con lo cual se logra inundar todo el interior de los rodillos con vapor manteniéndose la presión interior de una manera constante. El condensado se deposita en la parte inferior de los cilindros, el cual es extraído por un tubo interior, que forma parte del Johnson Joint. Debido a que parte de lo que se extrae contiene vapor, pasa luego a una trampa de vapor de cubeta invertida que tiene una capacidad de 20 psi para que se finalice la condensación y se pueda transportar el agua al sistema de drenajes. La cantidad de condensado extraído nos permite determinar la cantidad de vapor utilizado para el secado del material. El material a secar se alimenta por la parte superior de los rodillos. Al hacer contacto la pasta a secar con los rodillos, se calentará inicialmente hasta su punto de ebullición, entonces se desprende la humedad por ebullición a temperatura constante, luego el sólido seco se calienta hasta que posea una temperatura próxima a la de la superficie del tambor. Se formará una película que se adhiere a los rodillos giratorios, la humedad se evapora en el aire que lo rodea mediante el calor transferido a través del metal de los cilindros (acero inoxidable). El material seco se desprende continuamente de la superficie de los cilindros por medio de dos cuchillas situadas en la parte superior de los mismos. El secador cuenta con dos cuchillas de fibra fenólica. Para los secadores de este tipo, el factor controlante es la transferencia de calor y no la difusión. La temperatura de ebullición del líquido y la de operación del equipo dependerá del vacío logrado por medio de la bomba de vacío que está conectada al mismo. Se cuenta con una bomba que registra 22” Hg (.7353 atm), con lo que se está logrando 3” Hg (0.10 atm) de vacío (teóricamente). Bajo estas condiciones, el punto de ebullición del agua es de aproximadamente 40 grados Centígrados (104F)4. El secado se puede llevar a cabo en condiciones atmosféricas. Las condiciones utilizadas repercuten en las

4 PERRY, Robert H./ GREEN, Don Perry’s Chemical Engineer’s Handbook, Sexta Edición, Editorial McGraw Hill, pagina 6-35, Figura 6-75

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condiciones de rehidratación. También se debe de elegir las condiciones adecuadas dependiendo del material a secar, ya que puede ser que al exponerlo a temperaturas muy altas, se afecte la estructura molecular y la composición del material a secar.

Descripción Física del Equipo

a. Cámara de Secado 1. Fabricante del equipo: Devine Process Equipment J.P. Devine Manufacturing Co. Inc. 49th and Av. RR. Pittsburg 1, Penna USA 2. Número de serie: D 6744 8 1964 3. Dimensiones cámara interior del secador: l = 0.508 m h = 0.5461 m w = 0.5969 m 4. Cilindros (2): Giran en dirección contraria d = 0.1524 m h = 0.3048 m Material: Acero inoxidable 5. Cuchillas (2): l = 0.31 m h = .095 m w = 0.005 m Material: Fibra Fenólica

b. Unidades Externas 6. Motor: Función: girar los cilindros Fabricante: U.S. Varidrive Motor US Electrical Motors, division of Emerson Electric St. Louis. Los Angeles, California HP: 1 PH: 3 Ciclos: 60 Marco: 14-182-10 208 Volts - 4.1 amps 220 Volts - 4.0 amps 440 volts - 2.0 amps Tipo: VEVEVNOWB Diseño: B Code L Razón de potencia: 191.0 Motor rpm: 1800 rpm min: 2.1

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rpm max: 15 Temperatura: 55 C. Torque producido: 8393.79 N (1887 lbf) Serie: 3647432

• Mantenimiento anual del motor: remover la conexión del drenaje e inyectar nuevo lubricante hasta la señal de llenado mientras que el motor está funcionando hasta que se elimine el exceso de lubricante; luego conectar nuevamente el drenaje.

7. Bomba de Vacío: Vacío producido 3”Hg (0.10 atm) la cual variará de

acuerdo a las características y propiedades del producto a deshidratar.

c. Equipo Complementario 8. Balanza de humedad: Determina la humedad contenida en la muestra. Se debe de introducir 10 gramos del material al cual se le desea determinar el contenido de agua (humedad). Se gradúa con los diez gramos y luego se sitúa el recipiente con los diez gramos en la parte superior del aparato. Una vez empiece a perder humedad, se deberá de revisar en intervalos de tiempo fijos el que continúe graduada. En caso de que no se encuentre, es necesario graduar con la perilla situada en el lado derecho del equipo. Esto hará que el medidor se vaya moviendo hacia una humedad mayor hasta lograr la graduación. En el momento en que se haya tenido dos o tres lecturas de humedad constantes, se puede decir que el material está seco y que la humedad del mismo es la que se puede leer del equipo. *Consultar anexos para diagrama del equipo.

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DESCRIPCION TEORICA DE LA PRACTICA

Preparación de la Muestra a Secar 1. Se deberá preparar un puré de papa, o de otro alimento que se desee

deshidratar, con las siguientes características: Pelar las papas y rodajearlas. Las rodajas de papa se precocen por medio de la imersión en agua a 71.11 C (160F) por 20 minutos. Luego debará enfriarse introduciéndolas en agua a menos de 10 C (50F) por 20 minutos. La operación de precocido se lleva a cabo para obtener las características que se desean en el producto final ya que al rehidratar el material debemos de obtener las mismas propiedades. La función de la operación de secado es la deshidratación y no la cocción. Luego se deberá cocer en un horno a una temperatura moderada hasta que se puedan colar, el tiempo es de 30 minutos. Para una producción de 362.87 Kg (800 lb) de producto, se deberá adicionar 0.93 Kg/h (0.205 lb/h) bisulfito de sodio; 0.28 Kg/h (0.615 lb/h) sulfito de sodio; 3.35 Kg/h (7.38 lb/h) agua. En el antioxidante, se deberá introducir a la mezcla: 0.11 Kg/h (0.24 lb/h) Tenox IV; 0.18 Kg/h (0.40 lb/h) leche en polvo descremada; 6.53 Kg/h (14.40 lb/h) agua. (total 6.98 Kg/h = 15.04 lb/h) Siempre para una producción de 362.87 Kg. Todo junto se procede a luego secarlo en el secador de rodillos.

Instrumentación Necesaria 1. Bandeja de alumninio 2. Balanza de humedad 3. Beaker de 200 ml 4. Tablas de vapor 5. Balanza

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Procedimiento 1. Preparar el puré de acuerdo a la formulación adjunta 2. Realizar la lectura del vacuómetro para determinar el punto de ebullición del

agua bajo esas condiciones y poder regular la cantidad de vapor para el calentamiento de los rodillos, únicamente en el caso en que se trabaje con condiciones de vacío. En el caso en que se realice en condiciones atmosféricas, es necesario regular la presión a 20 psig para garantizar el funcionamiento de la trampa de vapor de cubeta invertida.

3. Calcular la cantidad de vapor utilizado para calentar los rodillos 4. Establecer la velocidad de los rodillos y la separación de los mismos

(dependerá de la viscosidad del puré obtenido). Para un puré espeso, la separación deberá ser mayor que para un puré más líquido

5. Realizar la medición del contenido de humedad del puré antes de realizar la prueba (con la balanza de humedad)

6. Introducir el puré por el alimentador 7. Esperar hasta que el puré se haya adherido a las paredes de los rodillos y se

haya despegado para caer en la bandeja de aluminio situada en la base de la cámara del secador.

8. Obtener la muestra del puré y obtener el contenido de humedad del producto.

9. Rehidratar el material dependiendo de la temperatura obtenida en el paso 2.

10.Analizar las características del producto. • OBSERVACIONES 1. Si se trabaja con vacío, es posible reducir la temperatura necesaria para la

deshidratación; es necesario regular la cantidad de vapor para evitar que se queme el material.

Medidas de Seguridad 1. Debido a que la práctica requiere del uso del suministro de vapor de la

caldera, es necesario tomar las precauciones en el momento del encendido de la caldera y de la operación de la misma. Regulando y manteniendo en niveles adecuados tanto el agua como el combustible.

2. Al trabajar en condiciones atmosféricas en las que la alimentación del material a secar es manual, es necesario utilizar guantes resistentes a altas temperaturas y evitar contacto con los rodillos que se encuentran a altas temperaturas.

3. Si se trabaja con vacío, es necesario revisar que los vidrios de las puertas del secador estén bien ajustados para evitar rompimientos de los mismos.

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4. Revisar que no se encuentren mojadas las conexiones eléctricas o que pueda existir un contacto con agua.

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DIAGRAMA DE LA PRACTICA

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RESULTADOS Adjunto se encontrarán las tablas que contienen los resultados obtenidos de realizar la práctica de laboratorio en condiciones atmosféricas. Se trabajó una muestra en donde solamente se cocinó la papa y luego se trituró para obtener un puré denso. Se trabajó con una segunda muestra que contenía: mantequilla, leche descremada, crema, papa y sal. Para la obtención del vapor utilizado para la deshidratación del puré, se recolectó el condensado procedente de la cubeta invertida durante un tiempo definido. Se consideró que existía un 20% de pérdida de vapor debido a que existe una fuga en uno de los Johnson Joints.

Análisis de Resultados Resultados Muestra 1: Se determinó que la masa a secar contenía inicialmente una humedad del 85.5%, el cual se comparó con la teoría. La papa teóricamente contiene entre un 78.8% de agua5. El contenido de agua de la papa depende del tipo de papa que se estudie y también de las condiciones de coción. La papa absorverá más cantidad de agua al ser cocida en agua. Se recomienda realizar la cocción por medio de la exposición de la papa a vapor y no sumergida en agua. Se logró obtener un contenido de agua en el producto del 17.43%. Este contenido es muy alto debido a que la muestra inicial contenía mucha humedad. Al calentar la papa, los azúcares contenidos se caramelizan y se vuelve el puré chicloso. Esto provoca que la masa secada se adhiera a los rodillos y sea difícil de extraerla, por lo que se corre el riesgo de que se queme la misma por estar mucho tiempo en contacto con el rodillo caliente. Al analizar la eficiencia del equipo, observamos que es baja, lo cual se atribuye a lo explicado anteriormente. La papa no se ve en condiciones de eliminar el agua que contiene en esta situación. Se asumió un 20% de pérdida de vapor debido a que existe una fuga en uno de los empaques de la Johnson Joint.

5 POTTER, Normann N. La Ciencia de los Alimentos, Editorial Harla, México 1978, página 211-216, Tabla No. 26

24

Reconstitución: Se hirvió agua y luego se le añadió la cantidad de papa seca manteniendo la relación de la cantidad de agua evaporada y contenido de sólidos inicial de la muestra. El puré obtenido tenía propiedades similares a la muestra inicial. Resultados Muestra 2: El método de preparación de esta muestra influyó en el porcentaje de humedad inicial. El puré de papa fue sometido a una cocción por medio de imersión en agua, luego fue agitado (batido) hasta enfriarlo y luego se le añadieron los otros ingredientes (mantequilla, leche y crema). La pasta obtenida era más consistente. Se obtuvo una humedad inicial de 36%, la cual es adecuada para lograr una mejor eficiencia del equipo. Se realizaron tres corridas para obtener una mejor aproximación. La humedad obtenida en los productos de las corridas osciló entre 1.68% y 10.10%. La cual fue mucho menor que en el caso del puré de papas de la muestra 1. Esto se atribuye a que por la grasa contenida en el puré y la administrada a los rodillos, se formó una película delgada de puré de papa la cual fue despegada por las cuchillas de fibra fenólica, evitando una exposición al calor prolongada que daña la estructura interna de la papa. Para lograr dicha humedad final, fue necesario recircular el producto obtenido tres veces hasta lograr la consistencia deseada. Se logró por este medio aumentar la eficiencia del secador de rodillos o de tambor a un 63.09%. El cual es adecuado considerando la fuga existente de vapor. Reconstitución: nuevamente se hirvió agua, debido a que la deshidratación se llevó a cabo en condiciones atmosféricas y a presión constante, y luego se introdujo el producto obtenido del secado, se obtuvo una mejor consistencia del puré que en el caso de la muestra 1.

25

COMENTARIO El equipo utilizado es un equipo que puede ser utilizado no sólo para el secado y obtención de hojuelas de papa sino para cualquier otro material que requiera un secado rápido a alta temperatura. El hecho de que se pueda utilizar como una cámara de vacío da la versatilidad de trabajar productos delicados a las altas temperaturas. Considero que el realizar un trabajo de tesis de este tipo, no sólo es beneficioso para la Universidad Rafael Landívar ya que se está mejorando el área y las cátedras de laboratorio, sino que también para el estudiante debido a que brindó la oportunidad de realizar el desmontaje y el montaje de equipo de laboratorio delicado.

26

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 1. El procedimiento de la preparación de la muestra es importante debido a

que influye en el contenido de humedad del producto y en las características de reconstitución del mismo.

2. Al exponer una muestra de puré de papa al proceso de deshidratación que se lleva a cabo en el secador de rodillos o tambor, es necesario tomar en cuenta los aditivos utilizados para la preparación del mismo para poder determinar el tiempo de exposición y contacto con los rodillos.

3. Teóricamente se debe trabajar con una velocidad de los rodillos de 2 rpm, ya que proporcionan un tiempo adecuado de contacto de la masa a secar con los rodillos.

4. Se recomienda cambiar los empaques de las Johnson Joint para poder tener exactamente la cantidad de vapor que se está utilizando para el secado.

5. Se recomienda a la hora de suministrar el puré al equipo, que se realice por la parte superior tratando de esparcir el material para que sea más uniforme la adherencia a los rodillos y se reduzca el tiempo de secado.

6. Al trabajar es necesario controlar la cantidad de vapor que se utiliza para el calentamiento de los rodillos para así lograr un funcionamiento adecuado de la trampa de vapor de cubeta invertida ya que esto nos dará el dato de la cantidad de vapor utilizada. Como la trampa es de 20 psi, es necesario controlar y graduar el vapor ingresado al equipo.

7. El equipo utilizado para la realización de esta práctica puede ser utilizado para la deshidratación de otros alimentos naturales ya que nos permite conservar las propiedades vitamínicas y organolépticas de la alimentación. Esto es posible debido a la evaporación rápida del contenido de humedad de la muestra. De la misma manera, puede ser utilizado variar las propiedades de solubilidad de algunas mezclas preparadas.

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ANEXOS

a. Planos de Distribución y Servicios

b. Diagrama del Equipo

c. Gráfica del Motor

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BIBLIOGRAFIA • POTTER, NORMAN N. La Ciencia de los Alimentos, Editorial HARLA, México

1978, pag 210-125 • TREYBAL, ROBERT E. Operaciones de Transferencia de Masa, Segunda

Edición, Editorial McGraw-Hill, México 1988 , pag 723-758 • McCABBE, WARREN L./ SMITH, JULIAN C. / HARRIOT, PETER Operaciones

Básicas de Ingeniería Química, Cuarta Edición, Editorial McGaw-Hill, México 1991

• PERRY, ROBERT H. / GREEN, DON Perry’s Chemical Engineers’ Handbook, Sexta Edición, Editorial McGraw-Hill, 1984 New York

• WILLIAM F. TALBURT .M.S. / SMITH, ORA Potatoe Processing, Westport, Conneticut, Avi Publishing Company Inc. 1959

• SMITH, ORA Potatoes: Production, Storing, Processing, Avi Publishing company Inc. 1968

• ESKEW, R. K. Potatoe Flakes

ANEXO 3: SECADOR DE RODILLOS

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5

6.00 5.50 5.00 4.50 4.00 3.50 3.00 2.50 2.00 1.50

Regulador del Motor

rpm rpm

ANEXO 4

DIAGRAMA DE FLUJOPRACTICA DE SECADO DE MATERIALES

ALIMENTACION(MUESTRA POR SECAR)

VAPOR

SECADOR DE CONDENSADO

RODILLOS

VACIO

PRODUCTO

ANALISIS DEL VAPOR CONSUMIDOMUESTRA CON GRASA Y LECHE

Condensado Recuperado: 500 mlTiempo de Recolección: 15 min

2000 ml/h2.00E-03 m3/h

1.9964 kg/hVapor consumido: 4.4013 lb/hAsumiendo 20% pérdidapor fugas 5.28156 lb/h

EFICIENCIA DEL SECADOR DE RODILLOSMuestra 1 Muestra 2 Muestra 3Vapor consumido: 5.28156 lb/h Vapor consumido: 5.28156 lb/h Vapor consumido: 5.28156 lb/h

Libras de agua evaporada: Libras de agua evaporada: Libras de agua evaporada:

Masa inicial: 450.00 g Masa inicial: 450.00 g Masa inicial: 450.00 gMasa final: 112.95 g Masa final: 131.95 g Masa final: 175.05 gAgua evaporada: 337.05 g Agua evaporada: 318.05 g Agua evaporada: 274.95 gLb de agua evaporada 0.74306 lb Lb de agua evaporada 0.701173 lb Lb de agua evaporada 0.606155 lbTiempo de secado: 0.233333 h Tiempo de secado: 0.2 h Tiempo de secado: 0.183333 hAgua evaporada/h 3.184545 lb/h Agua evaporada/h 3.505865 lb/h Agua evaporada/h 3.306299 lb/h

EFICIENCIA DEL SECADOR: 60.30% EFICIENCIA DEL SECADOR: 66.38% EFICIENCIA DEL SECADOR: 62.60%

EFICIENCIA PROMEDIO: 63.09%

ANALISIS DEL VAPOR CONSUMIDO

Condensado Recuperado: 700 mlTiempo de Recolección: 11.033 min

63.44603 ml/min1.06E-06 m3/seg3.08E-03 m3/h3.074456 kg/h

Vapor consumido: 6.77801 lb/hAsumiendo 20% pérdidapor fugas 8.133612 lb/h

EFICIENCIA DEL SECADOR DE RODILLOSVapor consumido: 8.133612 lb/h

Libras de agua evaporada:

Masa inicial: 1805.00 gMasa final: 322.95 gAgua evaporada: 1482.05 gLb de agua evaporada: 3.267 lbTiempo de secado: 0.75 hAgua evaporada/h 4.356 lb/h

Eficiencia del equipo 53.56%

CONTENIDO DE HUMEDAD DE LA MASA A SECARMUESTRA CON GRASA Y LECHETara recipiente: 40.05 gmuestra: (g) 10.00

HORA MASA INICIAL (g)MASA FINAL (g)PERDIDA (g)% HUMEDAD% SOLIDOS8:00-8:15 50.05 46.50 3.55 35.50% 64.50%8:15-8:20 46.50 45.05 1.45 50.00% 50.00%8:20-8:30 45.05 42.90 2.15 36.00% 64.00%8:30-8:40 42.90 42.90 0.00

CONTENIDO DE HUMEDAD DEL PRODUCTOMUESTRA 1:Tara recipiente: 40.05 gmuestra: (g) 4.95

HORA MASA INICIAL (g)MASA FINAL (g)PERDIDA (g)% HUMEDAD% SOLIDOS6:06-6:16 45.00 44.50 0.50 10.10% 89.90%6:16-6:26 44.50 44.25 0.25 5.05% 94.95%6:26-6:36 44.25 44.25 0.00 0.00% 100.00%

CONTENIDO DE HUMEDAD DEL PRODUCTOMUESTRA 2:Tara recipiente: 40.05 gmuestra: (g) 5.95

HORA MASA INICIAL (g)MASA FINAL (g)PERDIDA (g)% HUMEDAD% SOLIDOS6:39-6:49 46.00 45.90 0.10 1.68% 98.32%6:49-6:59 45.90 45.90 0.00 0.00% 100.00%

CONTENIDO DE HUMEDAD DEL PRODUCTOMUESTRA 3:Tara recipiente: 40.05 gmuestra: (g) 8.95

HORA MASA INICIAL (g)MASA FINAL (g)PERDIDA (g)% HUMEDAD% SOLIDOS6:58-7:08 49.00 48.25 0.75 8.38% 91.62%6:49-6:59 48.25 48.00 0.25 2.79% 97.21%6:49-6:59 48.00 48.00 0.00 0.00% 100.00%

ANALISIS DEL VAPOR CONSUMIDOMUESTRA CON GRASA Y LECHE

Condensado Recuperado: 500 mlTiempo de Recolección: 15 min

2000 ml/h2.00E-03 m3/h

1.9964 kg/hVapor consumido: 4.4013 lb/hAsumiendo 20% pérdidapor fugas 5.28156 lb/h

EFICIENCIA DEL SECADOR DE RODILLOSMuestra 1 Muestra 2 Muestra 3Vapor consumido: 5.28156 lb/h Vapor consumido: 5.28156 lb/h Vapor consumido: 5.28156 lb/h

Libras de agua evaporada: Libras de agua evaporada: Libras de agua evaporada:

Masa inicial: 450.00 g Masa inicial: 450.00 g Masa inicial: 450.00 gMasa final: 112.95 g Masa final: 131.95 g Masa final: 175.05 gAgua evaporada: 337.05 g Agua evaporada: 318.05 g Agua evaporada: 274.95 gLb de agua evaporada 0.74306 lb Lb de agua evaporada 0.701173 lb Lb de agua evaporada 0.606155 lbTiempo de secado: 0.233333 h Tiempo de secado: 0.2 h Tiempo de secado: 0.183333 hAgua evaporada/h 3.184545 lb/h Agua evaporada/h 3.505865 lb/h Agua evaporada/h 3.306299 lb/h

EFICIENCIA DEL SECADOR: 60.30% EFICIENCIA DEL SECADOR: 66.38% EFICIENCIA DEL SECADOR: 62.60%

EFICIENCIA PROMEDIO: 63.09%