LABORATORIO DE PROCESOS 2013-1 DEPARTAMENTO DE INGENIERIA QUIMICA Y AMBIENTAL UTFSM, CASA CENTRAL, VALPARAISO EXPERIENCIA T1GB PROFESOR SERGIO ALMONACID AYUDANTE CÉSAR MARTÍNEZ FECHA 27 MARZO 2013 EQUIPO DE TRABAJO GRUPO GRUPO 07 B ALUMNO 1 JUAN OLIVARES ALUMNO 2 SEBASTIÁN PESSO ALUMNO 3 PAULINA VALLEJOS PREINFORME X INFORME NOTA FINAL REVISION
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LABORATORIO DE PROCESOS 2013-1 DEPARTAMENTO DE INGENIERIA QUIMICA Y AMBIENTAL
UTFSM, CASA CENTRAL, VALPARAISO
EXPERIENCIA T1GB
PROFESOR SERGIO ALMONACID
AYUDANTE CÉSAR MARTÍNEZ
FECHA 27 MARZO 2013
EQUIPO DE TRABAJO
GRUPO GRUPO 07 B
ALUMNO 1 JUAN OLIVARES
ALUMNO 2 SEBASTIÁN PESSO
ALUMNO 3 PAULINA VALLEJOS
PREINFORME X
INFORME
NOTA FINAL
REVISION
SECADOR SPRAY Olivares – Pesso - Vallejos
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NOMENCLATURA
: Flujo de alimentación en base libre de agua (sólido seco) [Kg ss/h].
: Flujo de aire en base libre de agua (aire seco) [Kg as/h].
: Entalpía de alimentación en base libre de agua [Kj/Kg ss].
: Entalpía del aire que ingresa en base libre de agua [Kj/Kg as].
: Entalpía del aire de salida en base libre de agua [Kj/Kg as].
: Entalpía del producto en base libre de agua [Kj/Kg ss].
: Capacidad calorífica del sólido [Kj/Kg ss K].
: Capacidad calorífica del aire seco [Kj/Kg as K].
: Capacidad calorífica del agua en estado líquido [Kj/Kg H2O K].
( ): Capacidad calorífica del agua en estado gaseoso [Kj/Kg H2O K].
Temperatura de la alimentación.
Temperatura del aire que ingresa.
Temperatura del aire a la salida.
Temperatura del producto.
Temperatura de referencia.
Calor latente de vaporización del agua [Kj/Kg H2O].
: Humedad de la alimentación en base seca [Kg H2O/Kg ss].
: Humedad del aire que ingresa en base seca [KgH2O/Kg as].
: Humedad del aire de salida en base seca [Kg H2O/Kg as].
: Humedad del producto en base seca [Kg H2O/Kg ss].
: Tiempo de residencia del aire al interior del secador spray [h].
: Flujo volumétrico de aire que ingresa al secador spray [m3/h].
: Volumen de cámara del secador spray a diseñar.
: Calor transferido por las resistencias eléctricas al aire [KJ/h].
: Flujo de aire de secado [Kg/h]
: Calor específico del aire de secado [KJ/Kg K]
: Temperatura del aire previo al Precalentador [K]
Figura 1. Producción de té en el mundo. ......................................................................................... 8 Figura 2. PFD Proceso .................................................................................................................. 10 Figura 3. Periodos de secado. ........................................................................................................ 11 Figura 4. Diagrama del proceso a utilizar. .................................................................................... 17 Figura 5. Productores de té en Chile ............................................................................................. 18 Figura 6. Carta Gantt. .................................................................................................................... 20 Figura 7. Diagrama Sistema 1. ...................................................................................................... 22 Figura 8. Diagrama Sistema 2. ...................................................................................................... 22 Figura 9. Diagrama diseño del secados spray. .............................................................................. 25 Figura 10. Diagrama secado. ......................................................................................................... 32
INDICE DE TABLAS
Tabla 1. Variables de diseño y dimensiones del equipo. .............................................................. 13 Tabla 2. Energía y costos. ............................................................................................................. 14 Tabla 3. Materiales a utilizar en el laboratorio. ............................................................................. 16 Tabla 4. Características del producto. ........................................................................................... 17 Tabla 5. Mercado del té en Chile. ................................................................................................. 18 Tabla 6. Descripción Secador Spray. ............................................................................................ 19 Tabla 7. Parámetros de diseño evaporador. ................................................................................... 26 Tabla 8. Propiedades fluidos. ........................................................................................................ 27 Tabla 9. Variables operación diseño. ............................................................................................ 28 Tabla 10. Comparación de sistemas posibles. ............................................................................... 29 Tabla 11. Variables de operación en el laboratorio. ...................................................................... 33
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INTRODUCCIÓN
Actualmente, el té es la bebida que más se consume en el mundo después del agua. Si
bien el sector de mayor utilización es el agroalimentario, el té se ha abierto a nuevos mercados,
principalmente en el área de las industrias farmacéutica y cosmética.
El té es consumido de diversas formas: frío, caliente, en bolsitas (saquitos), en hebras o
en forma instantánea (polvo). Este último tipo de presentación representa el 2-4% de la
producción total, correspondiendo a una mínima proporción del mercado mundial. Se consume
principalmente en Estados Unidos como polvo soluble en el agua fría y en menor medida en el
Reino Unido, en forma de polvo soluble en agua caliente.
El proceso de fabricación del té instantáneo consta de diversas etapas, partiendo por la
obtención de las hojas de té, pasando por procesos de extracción y culminando con una o más
etapas de secado. Ésta última etapa se realiza en un Secador Spray, donde se ingresa la solución
extraída de té y es secada con aire a altas temperaturas, obteniéndose finalmente un polvo de té
muy bajo en humedad. Este producto es posteriormente comercializado. El proceso de secado
debe ser realizado según las condiciones requeridas del sistema, puesto que este tipo de equipos
puede disminuir considerablemente su eficiencia si las variables de operación no son las
adecuadas.
En la presente experiencia se diseñará un secador spray para una planta productora de té
instantáneo (en polvo). Además, se evaluará la eficiencia energética de este equipo comparada
con una configuración en la que se adicione un evaporador previamente. Luego, obtenido el
diseño del secador y las condiciones para el proceso a escala industrial, se realizará una
experiencia con un secador a escala de laboratorio, con el fin de comparar estos datos con los
resultados obtenidos de forma teórica.
OBJETIVO GENERAL
Determinar la eficiencia energética de un proceso en serie concentración-secado spray
para la obtención de té en polvo, con el fin de comparar con proceso sólo de secado spray
y evaluar conveniencia, considerando costos asociados.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Determinar cómo influye la concentración de la solución inicial, que ingresa al secador,
en el proceso de secado, con el fin de evaluar la energía transferida.
Obtener y evaluar los balances de energía y materia para el sistema a analizar, con el fin
de obtener las variables de proceso necesarias.
Dimensionar el secador spray a nivel industrial, con el fin de procesar toda la corriente de
entrada que se desea y cumplir con los requerimientos del proceso.
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ANTECEDENTES GENERALES
Definición del producto1
Existen alrededor de cuatro tipos principales de té (blanco, verde, Oolong, y negro) además
de las variedades existentes dentro de cada categoría que suman más de 3.000 té de todo el
mundo, los que se son resultado de distintos métodos de elaboración, principalmente estos
métodos se diferencian en el grado de fermentación de las hojas dando comienzo así a las
distintas variedades.
- La planta
Camellia sinensis, es una planta perteneciente a la familia de las camelias. Existen dos
variedades la de China y las Assam (Estado de la India situado al nordeste) así como también
existen hibridaciones (proceso de mezclar diferentes especies para crear un hibrido) producto de
la plantación de la variedad china en países donde ya existía en estado silvestre.
La planta puede medir entre 2,5 metros a 4,5 metros, soporta temperaturas muy frías,
produce hojas de 5 cm durante 100 años.
- Condiciones de Edafoclimaticas
Se desarrolla mejor en zonas cálidas y húmedas. Rango de temperatura entre 10 °C y
30 °C.
Pluviosidad anual entre 2000 mm a 2250 mm.
Altitud entre 300 mts y 2000 mts sobre el nivel del mar.
- Química del té
Las hojas de Camellia sinensis contienen entre 75% y 80% de agua.
La infusión de las hojas frescas contiene un 60% de producto soluble y un 40% de
productos insoluble.
Los productos solubles son los que nos encontramos en la taza, y estos son:
Polifenoles (Principalmente flavonodoides).
Cafeína.
Sales minerales.
Vitaminas.
Otros (Aminoacidos, glúcidos y lípidos).
Antioxidantes.
1http://www.casadelte.com/laelaboracion.htm, Consultado el 23 de Marzo de 2013,19:12.
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Usos del producto
El té es un producto consumido a nivel mundial, siendo la segunda bebida más popular
después que el agua. Todo comenzó para entregar al agua hervida un sabor distinto. Sus usos van
desde lo domestico, a lo medicina-natural, o también en lo culinario. En lo medicina-natural se
utiliza debido a su alta riqueza nutritiva, y sus beneficios al sistema nervioso, a nivel digestivo
entre otros.
Cantidad/Precios. Empresas productoras
- Principales Países productores
Según la UNCTAD (United Nations Conference on Trade and Development) los
principales productores de té a nivel mundial porcentualmente son:
Figura 1. Producción de té en el mundo.
30,00%
22,00% 10,00%
15,00%
5,00%
10,00%
3,00% 5,00%
PRINCIPALES PRODUCTORES DEL TÉ
India
China
Sri Lanka
Otros
Turquía
Kenya
Japon
Fuente: Secretariado de la UNCTD según datos del Comité
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A continuación se presentan datos más técnicos en cuanto a producción de té para los
países anteriores, además de los principales productores en Sudamérica.
Gráfico 1. Principales productores de té en el mundo.
- El mercado del té en Chile
A la fecha en el país solo el té se importa como materia prima (a granel), el cual es
envasado y comercializado. Si bien hoy en Chile existe producción de té a nivel
microempresario, su nivel de producción aún sigue siendo bajo ejemplo de esta empresa es Index
Salus a través de la marca Salusflora la cual está en el mercado.
Chile es el actual mayor consumidor percápita en América Latina, registrando un consumo
de 600 gramos/persona en el 2010, lo que equivale a un gasto de US$12 por persona, según datos
entregados por EUROMONITOR2.
Los principales grupos en este mercado son (Ver Anexo 1):
Unilever group
Sociedad Cambiaso Hermanos
Herbalife
2 http://www.euromonitor.com/chile, Consultado el 25 de Marzo de 2013, 22:12.
0200.000400.000600.000800.000
1.000.0001.200.0001.400.0001.600.0001.800.000
Ton
/an
ual
es
País
PRINCIPALES PRODUCTORES DEL TÉ
2008
2009
2010
2011
Fuente: www.faostat.fao.org
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Diagrama del proceso (PFD)
Figura 2. PFD Proceso
Legislación y normativa
La fabricación del té en polvo incluye normativas como para las personas que trabajan
directamente en el proceso, de tal forma de prevenir cualquier tipo de accidente3. Además de las
normativas con respecto a la calidad del producto que debe cumplir4 (Ver detalle en Anexo 4)
3 Cleanright, www.es.cleanright.eu, 2009
4 Heydi Linares, Protocolo calidad del té, 2008
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DESARROLLO
Estimación de variables de diseño, parámetros y condiciones de operación del
equipo.
Dentro del proceso de secado mediante secador spray se pueden identificar tres etapas
principales para llevar acabo dicho proceso:
a. Atomización de la mezcla líquido sólido, por medio del aspersor el cual gira a una
velocidad angular N [rpm] se forman gotas con un diámetro máximo de 1.8 [mm]. Es
importante mencionar que un diámetro menor de gota tiene un menor tiempo de secado,
por lo cual las dimensiones del equipo es menor.
b. Mezcla de las gotas con el gas caliente, ocurre la mezcla de ambas fases en la cual por
fenómenos de transferencia de calor y materia el líquido contenido en la gota comienza a
evaporarse.
c. Secado de las gotas, en el secado se pueden distinguir dos zonas principales como se
puede observar en la Figura 3.
Figura 3. Periodos de secado.
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Zona de velocidad constante de secado
En esta primera etapa de secado la superficie del líquido se encuentra saturada en agua ,
existe una película de agua lo cual permite considerar en primera instancia que la gota es agua
pura. En caso que el sólido a secar sea poroso el agua evaporada de la superficie de la gota es
transportada a la misma velocidad por medio de difusión desde el interior del sólido. En este
punto la temperatura de la superficie es la temperatura de bulbo húmedo.
La duración del periodo de velocidad constante de secado se determina de la siguiente
forma:
(
)
Zona de velocidad decreciente de secado:
Este es el periodo en el cual el agua transportada del interior por difusión no es suficiente
para mantener la superficie saturada en agua, en este periodo comienzan a formarse zonas secas
sobre la superficie, alcanzándose el punto crítico en donde la gota ya no puede contraerse más en
volumen y su temperatura empieza a descender, en este momento la temperatura del gas empieza
a disminuir.
La duración del periodo de velocidad decreciente de secado se determina de la siguiente
forma:
( )
Balances Materia y Energía
Para el desarrollo de los objetivos de esta experiencia se consideran dos sistemas en donde
se llevan a cabo los balances de masa y energía de tal forma de poder compara las eficiencias de
ambos sistemas.
El primer sistema considera sólo el secador spray en donde entra una solución al 30% en
sólidos y se obtiene un sólido al 3 % de humedad.
El segundo sistema considera un evaporador previo a la etapa de secado que concentra la
solución que ingresa con un 30% de sólidos hasta un 60%, posterior es ingresado al secador para
obtener un producto con una humedad de 3%.
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Debido a que en el secador spray ocurre transferencia de calor y materia de forma
simultánea, se deben utilizar flujos y entalpías en base libre de agua. De esta forma, los balances
se ven simplificados, pues el componente que es transferido es el agua y por lo tanto, los flujos
de sólido y aire son los mismos a la entrada y salida del sistema. También es importante
mencionar que no existe acumulación ni generación de masa y energía.
Dimensionamiento del equipo
Resolviendo los balances de masa y energía en forma conjunta se pudo obtener el flujo de
aire necesario para llevar a cabo el proceso de secado, así como su temperatura y condiciones de
humedad. A continuación, al resolver las ecuaciones de tiempo de secado (Ver Anexo 7), se
obtuvo el tiempo necesario para el secado de una gota de solución hasta un 3% de humedad, y
como se especificó anteriormente, esto permitió llevar a cabo el diseño del equipo. A
continuación se presentan los resultados obtenidos.
Tabla 1. Variables de diseño y dimensiones del equipo.
VARIABLES DISEÑO
[ ] 9.2
[ ] 3.3
[ ] 12.5
[
]
4
[
]
0.05
DIMENSIONES EQUIPO
[ ] 55
[ ] 45
[ ] 2.6
[ ] 7.2
[ ] 3.6
[ ] 0.36
[ ] 4.6
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Factibilidad de colocar un evaporador en serie
A continuación se presenta el resumen de los cálculos donde se puede observar y concluir
si es factible o no utilizar un evaporador en serie (anexo 8 - anexo 9):
Tabla 2. Energía y costos.
Unidades
SISTEMA CON
EVAPORADOR
SISTEMA SIN
EVAPORADOR
Calor necesario a
transferir
Secador Spray [
] 1.224,8 2.697,4
Flujo de Aire
requerido [
] 7.564 16.659
Calor Requerido en
Evaporador [
] 2.742 0
Flujo Vapor requerido [
] 1.215 0
Costos Total asociados
[
] 45.894 60.582
[
] 97 128
El costo5 FOB de un evaporador tipo película descendente corresponde aproximadamente
a $109.500[USD] se estima que es factible la adquisición del evaporador debido a que la
inversión será pagada en menos de un año para luego ahorrarse anualmente la suma de
$ *
+.
5 www.matches.com, consultado el 26 de Marzo de 2013, 17:30.
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PLANIFICACIÓN EXPERIMENTAL
Procedimiento a realizar
1. Se colocarán los implementos de seguridad correspondientes para realizar la experiencia
(zapatos de seguridad, lentes, delantal, guantes, etc.). De ser necesario, se solicitarán, en el pañol
del laboratorio, aquellos implementos de los cuales no se disponga.
2. Se preparará la solución que ingresará al proceso. Para ello se mezclará 3,6 [Kg] de té en
polvo y 8,4 [Kg] de agua hasta formar una solución homogénea.
3. Se verificará que la configuración del secador spray (Ver descripción de equipo en Anexo 2)
sea la correcta para iniciar la operación. Se observarán las conexiones en el equipo, eléctricas y
electrónicas. Además, se debe asegurar la conexión al sistema WebLab y verificar las
condiciones necesarias para iniciar el programa (bomba, resistencias y sopladores apagados). A
continuación se iniciará el programa WebLab.
4. Se realizará la calibración de la bomba. Para ello se deberá ajustar el tornillo del equipo a una
determinada posición en forma manual y medir el volumen de descarga y el tiempo mediante
baldimetría, con el fin de obtener el caudal de descarga. Se realizará este procedimiento para
distintos porcentajes de apertura de la válvula (3 mediciones para cada apertura y el valor a
registrar será el promedio entre ellos). Finalmente se podrá obtener una relación gráfica entre el
caudal de descarga de la bomba y el porcentaje de apertura de la válvula (curva de calibración).
Se realizará este procedimiento para los distintos ajustes posibles del tornillo de la bomba.
Además, se medirán los rpm de la bomba mediante un tacómetro.
5. Se realiza calibración de los sopladores. Para ello se medirá la velocidad de salida del aire del
primer soplador con un anemómetro y se comparará con el valor entregado por la interfaz
computacional. Además se regulará el flujo de succión de los sopladores a través del porcentaje
de apertura de la chapaleta (válvula) para el soplador primario y a través de un variador de
frecuencia (ubicado en el panel eléctrico del secador) para el soplador secundario.
6. Se realizará la estabilización del equipo de secado. Para esto se deberá hacer circular el
máximo flujo de aire permitido hasta que el interior de la cámara alcance una temperatura entre
80[°C] y 90[°C]. Luego, se hará circular la solución inicial. Las paredes del secador y del ciclón
deberán ser golpeadas constantemente para desprender restos de solución que puede quedar
adherida y evitar así, la acumulación de polvo húmedo al interior del secador.
7. Una vez que las variables asociadas al producto de salida sean constantes en el tiempo (Ver
condiciones de operación en Anexo 10), se ha estabilizado el secador y se realizarán los registros
necesarios para el análisis experimental (Ver carta Gantt en Anexo 3).
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Material a utilizar
Tabla 3. Materiales a utilizar en el laboratorio.
Cantidad Material Descripción
MATERIA PRIMA
3600 [gr] Té instantáneo (polvo) Para preparar solución inicial
8,4 [Lt] Agua Para preparar solución inicial
EQUIPOS
1 Secador Spray (Anexo 9) Equipo principal para el proceso de secado
1 Bomba Equipo para impulsar flujo de alimentación al
secador
1 Ciclón Permite la recuperación del producto final
1 Precalentador Resistencias eléctricas que permiten calentar el flujo
de alimentación al secador
1 Computador Permite utilización de programa WebLab
1 Soplador Proporciona el aire de secado
INSTRUMENTACIÓN
1 Cronómetro Medir caudal de descarga en la calibración de
bomba
1 Anemómetro Medir velocidad de aire en salida de soplador
primario para calibración
1 picnómetro Permite medir densidad solución inicial
Instrumentación de
control (indicadores,
controladores, alarmas,
etc.)
Permiten la operación óptima del proceso
1 Balanza Permite conocer la masa del té a alimentar al
proceso
1 Tacómetro Permite conocer las rpm de la bomba
SERVICIOS
Aire Permite el secado de la materia prima. Proviene del
compresor
OTROS
1 Llave servidor WebLab Permite comenzar la operación del secador
1 Frasco Permite recolección del producto final
1 Probeta graduada de
1000 [ml]
Permite medir volumen de descarga de bomba para
su calibración
1 Brocha o chancho Permite limpieza del equipo utilizado
Papel de diario Permite recoger el producto desprendido del equipo
1 Martillo Permite golpear las paredes del secador para
desprender producto adherido en éstas
1 Recipiente Permite prepara solución inicial
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Calidad del producto
Tabla 4. Características del producto.
TÉ INSTANTÁNEO6
Humedad 6%
Contenido Cafeína (en base seca) 1%
PH 5,5 7
Diagrama del proceso a utilizar8
Figura 4. Diagrama del proceso a utilizar.
6 Protocolo de calidad para té negro, Subsecretaría de Agroindustria y Mercados, Argentina.
7 http://pendientedemigracion.ucm.es/info/analitic/Asociencia/pH-Casa.pdf, Consultado el 24 Marzo 2013, 17:39.
8 Manual WebLab “Secador Spray” 2010, 2011
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ANEXOS
1. Mercado del té en chile
Figura 5. Productores de té en Chile
Tabla 5. Mercado del té en Chile.
Sociedad Posesión en el mercado Marcas
Unilever Group 46% Té Club
Té Lipton
Té Supremo
Soc. Cambiaso Hnos 38% Té Superior
Samba
Aroma
Herbalife 1,1%
Otros 14,9%
46%
38%
1,1%
14,9%
Posicionamiento en el Mercado
Unilever Group
Soc. Cambiaso Hnos
Herbalife
Otros
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2. Descripción de equipos9
Tabla 6. Descripción Secador Spray.
SECADOR SPRAY
CÁMARA
Diseño Semicónica
Material Acero inoxidable
Diámetro int. 0,94 [m]
Volumen 800 [L]
Aislación Fibra de vidrio
RESISTENCIAS
Potencia Máx. 15,5 [KW] (1; 2.5; 4 y 8 [KW])
Tipo de conexión Estrella
BOMBA
Material Acero inoxidable
Tipo De tornillo o progresiva
T° Máx. fluido 45 [°C]
SOPLADOR PRIMARIO
Potencia 1 [KW]
Diámetro rodete 45 [cm]
Velocidad rotor 2800 rpm
SOPLADOR SECUNDARIO
Modelo CMAT-325-2T
Potencia 0,25 [KW]
Velocidad rotor 2810 rpm
Velocidad aire típica 3,5 - 7,5 [m/s]
Temperatura aire 60 - 300 [ºC]
T° Máx. aire húmedo out 120 [ºC]
Caudal recomendado 100 – 250 [m3/h]
Presión aire entrada 1,5 – 2 [bar]
TOBERA ATOMIZACIÓN
Diámetro interior de boquilla 1,8 [mm], ajustable
9 Manual WebLab “Secador Spray” 2010, 2011
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Laboratorio de Procesos 2013-1 20
3. Carta Gantt
Miércoles 3 Abril 2013
TAREA DURACIÓN 8.00
9.00
9.00
10.00
10.00
11.00
11.00
12.00
12.00
13.00
13.00
14.00
14.00
15.00
15.00
16.00
16.00
17.00
Solicitud implementos de seguridad 15 min.
Solicitud de materiales 15 min.
Preparación del sistema de trabajo 30 min.
Calibración bomba 2 horas
Calibración sopladores 1 hora
Almuerzo 1 hora
Estabilización del sistema 1 hora
Ajuste de variables y operación 2 horas
Recopilación y análisis de datos 30 min.
Orden y Limpieza de equipos 30 min.
Figura 6. Carta Gantt.
4. Legislación
Calidad del producto
- La “Ley general de alimentos”: Establece los principios y requisitos generales, relativos a la