ARTÍCULO ORIGINAL
CARVALHO, Ludimila da Silva [1], RIBEIRO, Kiany Richelli Silva [2], EVANGELISTA, Edivania Rocha da Silva [3], ANCKEN, Jeisiel Von [4], GUIRALDELLI, Braz Lucas Olhier [5], ALVES, Wenderli [6], SANTOS, Alexsander Saves dos [7]
CARVALHO, Ludimila da Silva. Et al. Construcción de un Secador Rotario y aplicabilidad en secado de azúcar. Revista Científica Multidisciplinar Núcleo do Conhecimento. año 04, Ed. 09, Vol. 05, págs. 85-100. septiembre de 2019. ISSN: 2448-0959, enlace de acceso: https://www.nucleodoconhecimento.com.br/ingenieria-quimica/secado-de-azucar
RESUMEN
Con el tiempo, debido a la creciente y rápida demanda de productos alimenticios, fue necesario crear técnicas de producción. Uno de ellos es el método de secado de alimentos hechos por sistemas mecánicos. Así, el presente trabajo tenía como objetivo hacer un secador rotativo a pequeña escala. Detrás, se realizaron pruebas con muestras de azúcar húmeda que demostraban la operatividad a través de análisis de laboratorio.
Palabras clave: Operaciones de la unidad, secado, secador rotativo.
INTRODUCCIÓN
Con el tiempo, debido a la creciente y rápida demanda de productos alimenticios, fue necesario crear técnicas de producción. Uno de ellos es el método de secado de alimentos hechos por sistemas mecánicos.
El secado forma parte de numerosas operaciones unitarias llevadas a cabo por la industria, ya que, respectivamente, esta operación se ha convertido en la más habitual.
Según McCabe; Smith; Harriott (1993), las operaciones de la unidad son pasos que componen un proceso, cada paso se llama operación y se puede aplicar tanto a los procesos físicos como a los químicos. Estas operaciones son estudiadas por ingeniería y se basan en la ciencia y la experiencia. Según los mismos autores, una serie de principios y técnicas son necesarios para el tratamiento de las operaciones de la unidad.
“Entre muchos otros propósitos, las operaciones de la unidad tienen como objetivo reducir el tamaño de los sólidos a procesar, separar los componentes de las mezclas o calentar y enfriar los sólidos y fluidos. Algunos ejemplos son la filtración, el secado” […] (GOMIDE, 1983, p.3).
Según Foust et al., (1982), el secado es el paso de un líquido presente en un sólido húmedo a una fase gaseosa insaturada. Según los mismos autores, los sólidos secos son productos muy valiosos en la industria.
Por lo general, el secado es la última operación de una serie de otros procesos, y el producto original de la secadora está listo para el embalaje (MCCABE; SMITH; HARRIOTT, 1993).
La operación de secado ofrece numerosas ventajas, como el aumento de la vida útil del producto, la facilidad de transporte y la comercialización, ya que los alimentos secos son ligeros, las pérdidas se reducen después de la cosecha, además de ser innecesarios al trabajo especializado (CELESTINO, 2010).
La evaporación difiere del secado, mientras que al principio el agua se retira como vapor en su punto de ebullición, en el secado del agua se elimina como vapor de aire (GEANKOPOLIS, 1993).
Como informó Gava (1998), sólo es posible desarrollar microorganismos en ambientes favorables como la tasa de humedad adecuada, la temperatura, entre otros. Por lo tanto, el proceso de secado se caracteriza como un método de conservación de los alimentos, ya que reduce la humedad tanto que los microorganismos no pueden multiplicarse.
En sus estudios, Mujumdar (2006) concluye que dos fenómenos ocurren cuando un sólido húmedo se expone al proceso de secado, la transferencia de energía, principalmente en forma de calor y la transferencia de humedad interna a la parte superficial del sólido.
Materiales como los sólidos orgánicos retienen la humedad dentro de las fibras o en los poros internos. Para que el movimiento de la humedad en esta situación se produzca por difusión del líquido a través de la estructura del sólido (FOUST et al., 1982).
El contenido de humedad varía según el tipo de producto, por ejemplo, la sal danesa suele contener un 0,5 % de agua, un 4 % de carbón y la mayoría de los productos alimenticios contienen hasta un 5 % (GEANKOPOLIS, 1993).
Existen dos métodos básicos de secado, el secado natural y el secado artificial.
El secado natural es la simple exposición de los alimentos al sol. Adecuado para regiones con una temperatura media de 35ºC a 40°C y bajas tasas de contaminación (CELESTINO, 2010).
También según Celestino (2010), el secado artificial se define mediante el uso de equipos en los que se encuentra el alimento, y el proceso de deshidratación se produce durante un período determinado.
Mujumdar (2006) informa de la existencia de más de 400 tipos de secadores artificiales, pero se utilizan un poco más de 100.
Coulson y Richardson (2005) desarrollaron un estudio en el que clasifican los secadores utilizando algunas variables, como el estado físico de los alimentos (líquido, pasta, sólido húmedo), método de transporte sólido, sistema de calefacción (conducción, convección, radiación). En un breve resumen, la mayoría de los secadores estacionarios como la secadora de la bandeja realiza la actividad de secado mediante la conducción, además, los secadores rotativos de calefacción directa realizan el proceso por convección, y por otro lado, los secadores rotativos de calefacción indirecta realizan el proceso conduciendo.
Uno de los secadores más utilizados es el secador de bandeja (MUJUMDAR, 2006).
Según Foust et al., (1982), el secador de bandeja es un equipo de operación discontinua, formado por una cámara, donde el material a secar se coloca en bandejas o bandejas.
Otro tipo de secador es el secador rotativo, que consiste en un tubo cilíndrico ligeramente inclinado hacia la salida, y el material a secar, generalmente sólidos granulares para este tipo de secador, se mueve a través del tubo cuando gira (GEANKOPOLIS, 1993).
Dentro de los secadores rotativos, las piezas de suspensión se fijan a lo largo de la tubería con el fin de promover la cascada de sólidos al caudal de salida. En estos secadores, el medio de calentamiento suministrado proviene de gases de combustión, o vapor sobrecalentado o aire calentado por electricidad (FOUST et al., 1982).
También según Foust et al., (1982), el tiempo de retención de sólidos en los secadores rotativos es de interés extremo. Por lo tanto, el gas o el aire de secado tarda un cierto tiempo en impregnar todo el material completando el proceso de secado.
Dependiendo de la aplicación, el secador rotativo se puede hacer en calefacción directa e indirecta y flujo paralelo o contracorriente.
En la calefacción directa, el gas caliente o el aire pasa directamente sobre los alimentos. En el calentamiento indirecto, la fuente de calor se aísla del material a secar mediante tubos o paredes metálicas (MUJUMDAR, 2006).
En los secadores de flujo de contracorriente, la alimentación se fija en la dirección opuesta a la corriente de aire, en contraste con los secadores de flujo paralelos, la corriente de aire y la alimentación se mueven en la misma dirección.
OBJETIVOS
Diseñe un secador rotativo a pequeña escala.
Supervise el sistema de secado utilizando muestras de azúcar húmeda y analice los datos obtenidos.
MATERIALES Y MÉTODOS
En el desarrollo del secador rotativo, se utilizaron los siguientes materiales relacionados en la Tabla 1.
Tabla 1: Materiales utilizados y costes.
| Materiales | Unidad | Cantidad | VALOR DE UNIDAD | VALOR TOTAL |
| LAVADORA 1/4 | Pc | 11 | R$ 0,10 | R$ 1,10 |
| BARRA PLANA INOXIDABLE 1/4 | M | 1,5 | R$ 6,66 | R$ 9,99 |
| TAPA DE PVC 6” | Pc | 2 | R$ 15,00 | R$ 30,00 |
| HOJA DE ACERO INOXIDABLE T 3/16 | M² | 0,40 | R$ 5,00 | R$ 2,00 |
| HOJA DE ACERO INOXIDABLE EXPANDIDO 3/16 | Pc | 0,30 | R$ 40,00 | R$ 12,00 |
| TECLA DE ENCENDIDO Y APAGADO | Pc | 3 | R$ 15,00 | R$ 45,00 |
| COOLER 110V | Pc | 1 | R$ 20,00 | R$ 20,00 |
| CORONA DE 20 DIENTES | Pc | 3 | R$ 15,00 | R$ 45,00 |
| CORONA DE 46 DIENTES | Pc | 1 | R$ 12,00 | R$ 12,00 |
| CADENA DE MOTOCICLETAS 80 CM | Pc | 2 | R$ 10,00 | R$ 20,00 |
| DISCO DE CORTE 2 PANTALLAS 4 1/2” x 1/8 x 7/8 | Pc | 3 | R$ 16,00 | R$ 48,00 |
| DISCO DESBASTE 4 1/2” x 1/4 x 7/8 | Pc | 2 | R$ 22,00 | R$ 44,00 |
| ELECTRODOS DE SOLDADURA | Kg | 0,50 | R$ 25,00 | R$ 12,50 |
| CEPILLO GIRATORIO DEL CABELLO 1000 W | Pc | 1 | R$ 170,00 | R$ 170,00 |
| CABLE FLEXIBLE | M | 10 | R$ 0,82 | R$ 8,20 |
| INVERSOR DE FRECUENCIA | Pc | 1 | R$ 75,00 | R$ 75,00 |
| Mdf | M² | 1,50 | R$ 25,00 | R$ 37,50 |
| MOTOR DE LAVADORA USADO 0.5 HP | Pc | 1 | R$ 29,00 | R$ 29,00 |
| SCREW 1/4 POR 2” | Pc | 11 | R$ 0,35 | R$ 3,85 |
| PANTALLA SUPERB 5 x 50mm | Pc | 60 | R$ 0,35 | R$ 21,00 |
| TUERCA 1/4 | Pc | 11 | R$ 0,15 | R$ 1,65 |
| REDUCTOR DE VELOCIDAD 1 x 60 | Pc | 1 | R$ 200,00 | R$ 200,00 |
| Cojinete | Pc | 4 | R$ 10,00 | R$ 40,00 |
| SERVICIOS DE TORNO Y SOLDADURA | Pc | 1 | R$ 60,00 | R$ 60,00 |
| TERMÓMETRO DIGITAL | Pc | 1 | R$ 10,00 | R$ 10,00 |
| TINTA DE LÁTEX | L | 1,0 | R$ 12,00 | R$ 12,00 |
| PINTURA DE PULVERIZACIÓN | Pc | 3 | R$ 20,00 | R$ 60,00 |
| TUBO DE ACERO INOXIDABLE 1 1/4” | M | 0,10 | R$ 15,00 | R$ 1,50 |
| TUBO DE ACERO INOXIDABLE 1 1/2” | M | 0,40 | R$ 20,00 | R$ 8,00 |
| TUBO DE ACERO INOXIDABLE 5” | M | 0,50 | R$ 35,00 | R$ 17,50 |
| TUBO DE ACERO INOXIDABLE 6” | M | 0,20 | R$ 40,00 | R$ 8,00 |
| TUBO DE PVC 6” | M | 0,25 | R$ 15,00 | R$ 3,75 |
| Total | R$ 1068.54 |
Fuente: Los autores.
El equipo utilizado en este trabajo se basó en un secador rotativo de calefacción directa y flujo de contracorriente ubicado en la planta de Coruripe en el municipio de Carneirinho-MG.
Para la fabricación de la secadora, corte 500 mm de tubo de acero inoxidable de 5″, 2 6″, 6″ tubo de acero inoxidable 100mm partes, 6″ 1 1/4″ tubo de acero inoxidable 100mm, 6″ 3 500mm pvc tubo barras planas, ¼” 500mm de largo, 2 placas de 3/16″ en forma de un círculo de 6″ de diámetro, 2 placas T 3/16 de 200mm, 20mm de espesor MDF con 930 x 780mm, 2 placas MDF de 20mm de espesor con 930 x 110mm y 2 placas MDF de 20mm de espesor de 20mm con 780 x 110mm.
Para la construcción del tambor, se utilizó el tubo de acero inoxidable de 5”. Luego, 3 barras planas de ¼ fueron soldadas internamente al tambor, formando las paletas internas de la secadora, como se muestra en la imagen 1.
Imagen 1: Cañas dentro del tambor.
Junto al tambor, el tubo de 6” estaba acoplado en los extremos de cada lado. Después de eso, se hizo un corte redondo en el tubo de acero inoxidable de 1 ½ ” formando el flujo de entrada del producto en la parte superior y el flujo de salida de aire caliente en el lado, de acuerdo con la imagen 2. La pieza fue soldada en un extremo.
Imagen 2: Flujo de entrada del producto en la parte superior de la pieza y flujo de salida de aire caliente en el lado izquierdo.
Del mismo modo, externamente, una corona de 46 dientes fue soldada al tambor, como se muestra en la imagen 3, y 2 rieles de soporte de rodamientos en la base hecha en el torno, como se muestra en la imagen 4.
Imagen 3: Corona de 46 dientes soldados al tambor.
Imagen 4: Rieles de soporte de rodamientos
En el extremo opuesto del flujo de entrada del producto, el tubo de acero inoxidable de 1 1/4” 100mm fue soldado, formando la entrada de aire caliente, de acuerdo con la imagen 5.
En el mismo punto, justo debajo de la tubería, está el flujo de salida del producto.
Imagen 5: Tubo de entrada de aire caliente y flujo de salida del producto.
En la base de la secadora, se utilizaron dos placas de 20cm T 3/16, donde se instalaron 4 rodamientos, 2 en la entrada y 2 en la salida, entre una distancia de 41cm.
Para la fuente de calor, utilizamos la resistencia de un cepillo de pelo giratorio de 1000 W, que más tarde se instaló en el tubo de entrada de aire caliente, como se muestra en la imagen 6.
Imagen 6: Pincel giratorio instalado.
A continuación, se hizo una campana extractora con el tubo de PVC de 6″ de 250 mm de longitud, utilizando 2 tapas. para cubrir las dos boquillas del tubo e insertó un enfriador en el capó, esto a su vez, instalado en el tubo de salida de aire caliente, de acuerdo con la imagen 7.
Imagen 7: Hood instalado en el sistema.
Se construyó una base MDF de 930 x 780 x 110 mm, donde se perforaron agujeros para atornillar la secadora, el motor, el interruptor de potencia y el termómetro.
El motor y el reductor se instalaron en el lado de la secadora, como se muestra en la imagen 8.
Imagen 8: Motor (derecha) y reductor (izquierda) instalados.
En esta secuencia, en la polea del motor, se utilizó una corona de 20 dientes equilibrados en el torno, fijados al eje del motor, luego se colocó la corriente de 80cm.
Finalmente, el motor y el reductor fueron cubiertos con soporte MDF y toda la estructura de la secadora fue pintada correctamente.
Imagen 9: Secador redondo terminado.
RESULTADOS EXPERIMENTALES
La primera y la segunda prueba se realizaron con el fin de definir qué motor funcionaría mejor en términos de rotación del tambor. Inicialmente, el motor elegido era el motor de ventilador de 200w, que después de instalarlo y encenderlo, se notó que la potencia era insuficiente para mover el tambor.
En la segunda prueba, todavía con la secadora vacía, el motor elegido fue el motor de la lavadora de 0.5PS. Pronto, se notó que el motor alcanzó el resultado esperado que era mover el tambor, pero la velocidad con la que el tambor giraba era muy alta y esto obstaculizaría el proceso de secado.
En la tercera prueba, se introdujo un reductor de velocidad conectado al motor en el sistema para disminuir las rotaciones del tambor, sin embargo, para un mejor ajuste también se insertó un inversor de frecuencia que resultó en una rotación de 30 rpm.
Después de completar los elementos mecánicos del molino, las pruebas se llevaron a cabo con muestras de azúcar húmeda, más precisamente, el azúcar crudo, adquirido a través de la donación.
En este proyecto, los sólidos se introducen manualmente.
En la primera prueba, se utilizó 1 kg de azúcar a una temperatura de 81oC. Después de 1 minuto, se retiraron 10 g del producto para el análisis de humedad. Inicialmente el azúcar contenía 1.07% de humedad y poco después del proceso la humedad cayó a 0.15%.
En la segunda prueba, se utilizó una mayor cantidad de azúcar, más precisamente, 4,5 kg a una temperatura de 88 oC durante 30 segundos. El análisis de humedad se realizó con 10g del producto y se sabía que al principio el contenido de humedad era del 0,32% y después del secado disminuyó a 0,15%, por lo tanto, se puede calcular la velocidad de secado en este proceso.
De antemano, se calculó el área del tambor:
A= 2π.r.(r+h)
A= 2π.0,0635.(0,0635+0,5)
A= 0,224826507m2
Por lo tanto, la velocidad de secado es:
R= Ws.dx/A.dϴ
R= (0,010).(3,2×10-3 – 0,0015)/0,224826507.30
R= 2,52×10-6m/s
CONCLUSIÓN
El secador rotativo construido presentaba un buen rendimiento desde el punto de vista del secado del azúcar, preservando las propiedades físicas y nutricionales de los alimentos.
Analizando las diversas pruebas, se observó que los limitados conocimientos relacionados con la mecánica dificultaban el desarrollo de la secadora, ya que se necesitaban dispositivos complementarios como el reductor de velocidad y el inversor de frecuencia para ajustar las rotaciones del tambor, y en la industria estos dispositivos de asistencia no son necesarios para la funcionalidad de la secadora en cuestión.
En cuanto a la velocidad de secado, la secadora como tal demostró ser eficiente, secando el azúcar casi al instante, teniendo en cuenta los resultados obtenidos en los cálculos.
Se observa que se logró el objetivo propuesto, teniendo en cuenta que el azúcar crudo debe contener entre el 0,10% y el 0,15% de la humedad, y a través de los análisis realizados en el laboratorio, se pueden encontrar los contenidos respectivos.
REFERENCIAS
CELESTINO, SONIA MARIA COSTA. Princípios de secagem de alimentos, 1.ed. (edição online). Planaltina, DF: Embrapa Cerrados, 2010. Disponível em: https://ainfo.cnptia.embrapa.br/digital/bitstream/item/77765/1/doc-276.pdf. Acesso em: 07/01/2019.
FOUST, A; S.; WENZEL, L. A.; CLUMP, C. W.; MAUS, L.; ANDERSEN, L. B. Princípios das operações unitárias. Tradução por Horácio Macedo. 2.ed. Rio de Janeiro: LTC, 1982.
GAVA, ALTANIR. J. Princípios de tecnologia de alimentos, 1.ed. São Paulo: Nobel, 1998.
GEANKOPOLIS, CHRISTIE. J. Transport processes and unit operations, 3.ed. New Jersey: Prentice-hall, 1993.
GOMIDE, REYNALDO. Operações unitárias, operações com sistemas sólidos granulares, 1.ed. São Paulo: Edição do autor, 1983, p.3.
Informe técnico – Parâmetros de qualidade do açúcar e amarelecimento no armazenamento. Mídia Digital. Disponível em: www.ceagesp.gov.br/wp-content/uploads/2015/01/palestra.danilo.tostes.pdf. Acesso em: 10/07/2019.
MCCABE, W. L.; SMITH, J. C.; HARRIOTT, P. Unit operations of chemical engineering, 5.ed. Singapore: Mc Graw Hill, Inc. 1993.
MUJUMDAR, A. S. Manual de secagem industrial, 1.ed. Singapore: Taylor & Francis Group, LLC. 2006.
SINNOTT, R. K. Chemical engineering design, Coulson & Richardson’s chemical engineering series, 4.ed. Reino Unido: Elsevier Butterworth Heinemann, 2005, vol.6.
[1] Académico en Ingeniería Química.
[2] Académico en Ingeniería Química.
[3] Académico en Ingeniería Química.
[4] Licenciado en Química por la Universidade Brasil (2012) / Académico de Ingeniería Química.
[5] Académico en Ingeniería Química.
[6] Licenciado en Química por la Universidade Brasil (2012) / Académico de Ingeniería Química.
[7] Máster en Ciencias Ambientales; Especialización en basar la práctica docente del maestro; Mejora en Magisterio; Graduación en Pedagogía; Licenciado en Física.
Enviado: Agosto, 2019.
Aprobado: Septiembre de 2019.
