DIVISIÓN DE CIENCIAS BÁSICAS E INGENIERÍA

Licenciatura en Ingeniería Química

Proyecto:Planta Productora de Polvos Solubles

(Guayaba)

Participantes:

Espinoza Briones Martha ConsueloHerrera Hernández Erik César

____________________________

Asesor: Dr. Mario G. Vizcarra Mendoza

Lugar de Realización:Universidad Autónoma Metropolitana Unidad Iztapalapa

Fecha de Realización:Mayo del 2002 a Marzo del 2003

ÍNDICE.

I. INTRODUCCIÓN.…………………………………………………………………..1

II. OBJETIVOS………………………………………………………………………...3

o Objetivo Generalo Objetivos Particulares

III. ANTECEDENTES BIBLIOGRÁFICOS……………………………………........4

o Secado por Aspersión en Operación a Corrientes Paralelaso Sistemas Típicos de Secado por Aspersióno Puntos Relevantes en el Secado por Aspersióno Características del Polvo Obtenido en el Secado por Aspersión e

Importancia de la Operación de Aglomeracióno Determinación del Tiempo de Residencia en el Secador

IV. PROPIEDADES NUTRITIVAS DE LA GUAYABA……………………………9

V. ESTUDIO ECONÓMICO………………………………………………………...10

o Ubicación de la Plantao Capacidad de la Plantao Horas de Operación de la Plantao Almacenamiento de Materias Primas y Productoso Utilización de Desechos y Normas de Seguridado Potencial Económico

VI. EL PROCESO…………………………………………………………………….17

VII. MATERIALES Y MÉTODOS………………………………………………….20

o Caracterización de la Suspensióno Secado por Aspersióno Secado en Estufao Aglomeración de Finos

VIII. RESULTADOS Y DISCUSIÓN……………………………………………….24

o Comportamiento de la Pulpa de Guayaba (Secado)o Determinación de Propiedadeso Determinación de las Condiciones de Operación en el Secadoro Pruebas de Solubilidad de los Polvos Finoso Determinación de las Condiciones de Operación del Aglomeradoro Balance de Materia y Energía

IX. DISEÑO DE LOS EQUIPOS…………………………………………………….37

o Mezcladoro Secador por Aspersióno Cicloneso Aglomeradoro Compresoro Bombas

X. COSTEO DE LOS EQUIPOS…………………………………………………….44

XI. EVALUACIÓN DEL PROYECTO……………………………………………..50

XII. CONCLUSIONES…………………………………………………………….....54

XIII. NOMENCLATURA…………………………………………………………….57

XIV. BIBLIOGRAFÍA………………………………………………………………..59

XV. APÉNDICES……………………………………………………………………..60

o Apéndice A. Datos para la Obtención de la Curva de Secado y de laVelocidad de Secado.

o Apéndice B. Valores Obtenidos a partir de los Balances de materia en losEquipos.

o Apéndice C. Información Obtenida para el Diseño de los Equipos.o Apéndice D. Estimación Económica

1

I. INTRODUCCIÓN.

En la actualidad existe un número reducido de industrias que producen polvos

solubles para preparar bebidas frutales, y estas empresas son las encargadas de muchas

de las marcas que se encuentran en el mercado, es decir, hoy en día las grandes

industrias se encargan de comprar pequeñas empresas y de esta forma monopolizar el

mercado. La compañía que es una de las mayores comercializadoras de concentrados en

polvos para preparar bebidas frutales es Kraff Foods.

La razón por la cual los polvos para preparar bebidas son tan utilizados por

algunos sectores de la población, es porque representa un ahorro, en términos tanto

económicos como de tiempo, ya que este producto es de precio relativamente bajo y

sencillo de preparar. Pero que el producto sea económico, no quiere decir que los

consumidores no exijan calidad, por el contrario, cada vez más, las personas se

preocupan por el tipo de alimentos que consumen. Es aquí donde radica la importancia

de realizar los procesos de obtención de estos concentrados, de forma que se tenga la

mayor calidad, además de ofrecer un producto natural y con la menor cantidad de

conservadores, que es por lo que se caracterizan algunos de los concentrados en polvo

que se venden hoy en día.

Los procesos mediante los cuales se obtienen los concentrados en polvos son

similares en casi todos los casos, es decir, primero se debe obtener la pulpa de la fruta,

esta pulpa pasa por un proceso de homogenización para obtener la concentración de

sólidos que se desea y posteriormente es secada. La operación de secado se realiza

generalmente en un secador por aspersión, en esta etapa se obtienen los polvos finos,

pero como se sabe estos no presentan una buena solubilidad además de que su manejo

es muy complicado, es por ello que los polvos finos son sometidos a un proceso de

aglomeración, es decir, un proceso en el cual las partículas se agrupan para formar

grumos, generalmente porosos, lo que hace que el tamaño aumente y también el área de

contacto, lo cual explica que aumente la solubilidad.

2

En el presente proyecto se describe la obtención de polvos por la vía

anteriormente señalada, pero evitando el uso de conservadores para que el producto sea

lo más natural posible.

El diseño de los equipos es uno de los puntos más importantes y que mayor

dificultad representa, ya que el diseño de una cámara de atomización se basa más en

datos empíricos y experiencia que en análisis matemáticos profundos, a diferencia de lo

que ocurre con otros tipos de sistemas de secado (rotatorio, de túnel, etc). Lo que se

hace generalmente es un análisis de su funcionamiento.

3

II. OBJETIVOS

Objetivo General.

§ Diseñar una planta para producir polvos solubles a partir de la pulpa de guayaba,combinando el secado por aspersión y la aglomeración de finos por fluidización.

Objetivos Particulares.

§ Determinar las propiedades físicas y reológicas de la suspensión de guayaba quese utilizará para la producción de los polvos.

§ Determinar las condiciones de operación del secador por aspersión, tales comola temperatura de alimentación y salida del aire, flujo de aire y concentración dela suspensión.

§ Determinar las condiciones de operación para el sistema de aglomeración enlecho fluidizado: flujos de aire y de la solución aglomerante, así como latemperatura de alimentación del aire al aglomerador.

§ Caracterizar las propiedades del producto aglomerado obtenido: tamaño departícula, tiempo de solubilización y tiempo de sedimentación.

§ Realizar evaluación económica del proceso.

4

III. ANTECEDENTES BIBLIOGRÁFICOS.

El proceso de secado es un fenómeno complejo que involucra la transferencia

simultánea de calor y materia (el transporte de calor hacia el interior del material y el

transporte de agua hacia el exterior del mismo). Esta operación ha sido estudiada

ampliamente debido a que tiene diversas aplicaciones a nivel industrial, como son el

secado de alimentos, la producción de detergentes, la producción de fertilizantes,

polímeros, etc., su evolución ha estado íntimamente ligada al avance de las industrias,

ya que en alguna parte de sus procesos realizan esta operación. El proceso de

aglomeración, por su parte, tiene la función de mejorar algunas de las propiedades del

polvo; la más importante es la solubilidad que presentan en un líquido.

Secado por Aspersión en Operación a Corrientes Paralelas.

Los secadores por aspersión tienen dimensiones muy variables, que van desde

algunos metros hasta varias decenas de metros de altura (torres de atomización). La

pulverización puede ser llevada a cabo por (a) atomización centrífuga por medio de una

turbina que gira a gran velocidad (10,000-50,000 rpm); (b) por efecto de una fuerza

neumática por medio de una tobera bajo presión. Normalmente los líquidos empleados

están ya concentrados a un contenido de sólidos del 30% aproximadamente. En muchos

casos se agregan sólidos adicionales como maltodextrinas o derivados de la celulosa

como soporte o para mejorar la calidad.

La operación de secado por aspersión, en un sistema a corrientes paralelas, se

utiliza con mayor frecuencia en la industria debido a que en un sistema en paralelo se

vencen los problemas de termo-sensibilidad, contrario a lo que ocurre en los sistemas de

secado a contracorriente. Esta operación consiste en alimentar la solución a la misma

cámara en la que se alimenta el aire que hace girar el disco rotatorio y en la misma

dirección se alimenta el flujo de aire caliente que secará las gotas atomizadas.

5

Sistemas Típicos de Secado por Aspersión.

Se han diseñado diferentes sistemas para el secado por aspersión, siendo los más

utilizados:

a) Secador por aspersión en corriente paralela, con ciclón.

b) Secador por aspersión de cámara.

c) Secador por aspersión al vacío.

Puntos Relevantes en el Secado por Aspersión.

En términos generales, son varios los pasos que se presentan en el secado por

aspersión. Los más relevantes son:

1. Preconcentración del líquido de alimentación (suspensión).

Según Verhey (1972), en la operación de secado por aspersión, usualmente se

preconcentra el líquido, por diferentes razones, las cuales se mencionan a

continuación:

• Economía de la operación (la evaporación es más barata)

• Incrementa la capacidad (la cantidad de agua evaporada es constante).

• Incrementa el tamaño de partícula (cada gota contiene más sólidos).

• Incrementa la densidad de partícula.

• Reduce el tamaño de la vacuola.

• Aumenta la eficiencia de separación del polvo.

• Mejora la capacidad de dispersión del producto.

2. Atomización (creación de gotas).

Karel (1985), ha descrito esta operación como una de las más importantes en el

secado por aspersión, ya que aquí se genera el tamaño de gota característico del

secador, que esta ligado tanto al disco rotatorio como a la presión ejercida en el.

6

Durante la atomización de la solución, existen variaciones en el tamaño de las

gotas, generadas en el disco rotatorio, que son función de la velocidad de rotación y

que de acuerdo a Master (1991), puede expresarse como:

31

)(0024.0 22

222

nhdQNVr µ

ρπ= (1)

El efecto de las propiedades físicas y de las variables de operación en el tamaño

de las gotas que se generan en el secador por aspersión puede cuantificarse mediante

algunas correlaciones que propone Master (1991), las cuales se presentan en la Tabla 1.

Tabla 1. Correlaciones para determinar el tamaño de gota generada en el disco

rotatorio

CORRELACIÓN PROPIEDAD CONSTANTEq

NN

DD

=

12

21 Velocidad de rotación 0.6<q<0.12

P

MM

DD

21

21 Flujos de alimentación 0.1<p<0.12

r

DD

=

21

21

µµ Viscosidades r = 0.2

s

DD

=

12

21

ρρ Densidades s = 0.5

Se observa que la relación de diámetros es directamente proporcional a la propiedad

medida, excepto en la velocidad de rotación.

3. Secado con aire caliente.

El secado mediante aire caliente, puede modelarse estudiando solo una gota del

secador por aspersión. Karel (1975) propone un modelo para la determinación del

tiempo de secado de una gota y lo calcula por medio de la siguiente ecuación:

]1[3][2

i

fiVL

mThmmHdr

t+∆

−∆= (2)

7

4. Separación del polvo del aire húmedo.

Para la separación del polvo, Charm (1971) propone una correlación que

relaciona las dimensiones del ciclón donde se separa el polvo, y el diámetro de la

partícula:

S

iP dZDV

DAD

0

02 6.3 µ= (3)

5. Enfriamiento.

El enfriamiento es una parte importante en el sistema de secado por aspersión,

dado que mediante esta operación se reduce la temperatura de la pared en la cámara

y se evita que se funda el polvo generado.

Características del Polvo obtenido en el Secador por Aspersión e Importancia de la

Operación de Aglomeración.

Karel (1975), ha discutido los requerimientos de la rápida dispersabilidad de

polvos en agua fría y ha concluido que las propiedades que se desean en un polvo son

las siguientes:

• Alta solubilidad

• Resistencia a la sedimentación.

• Gran superficie húmeda.

• No debe flotar en la superficie del líquido.

De los puntos anteriores, se puede observar la importancia de la aglomeración de

los sólidos producidos en el secador por aspersión, ya que estos polvos tienen un

tamaño de partícula pequeño y esto impide que se puedan vencer la tensión superficial

del líquido en el cual se pretenden disolver.

8

Determinación del Tiempo de Residencia en el Secador.

Para determinar el tiempo de residencia en una cámara de secado de base cónica

y cuerpo cilíndrico de altura h, el volumen puede ser determinado por la siguiente

correlación, Masters (1991):

)288.0´(7854.0 2chch DhDV += (4)

Q = Vt (5)

9

IV. PROPIEDADES NUTRITIVAS DE LA GUAYABA

La guayaba (nombre científico Psidium Guajava), es una fruta que se utiliza para

producir diferentes satisfactores que forman parte de la dieta común en México, por

ejemplo, dulces, pulpa, puré, jugos y bebidas refrescantes. Las propiedades

nutricionales de la guayaba se enlistan en la tabla 2.

Tabla 2. Propiedades nutritivas de la guayaba.

NUTRIENTE Aporte de 100 g de guayaba.

Carbohidratos 5-10 g de azúcares

Fibra 2.8 g

Vitamina C 200-500 g

Vitamina A 250-400 IU

Calcio(Ca) 9-25 mg

Hierro(Fe) 0.3-0.9 mg

Potasio(K) 0.15-0.3 mg

Sodio(Na) 3-5.5 mg

Magnesio(Mg) 7-11 mg

Cobre(Cu) 0.2 mg

Como se puede observar de la tabla anterior, la guayaba en una fuente

importante de vitamina C, que es una de las vitaminas indispensables en la dieta diaria,

además de contribuir también con minerales como el sodio, hierro y calcio.

En México, la guayaba que se produce en mayor proporción es la guayaba china,

a continuación se encuentra su composición:

Composición física Composición química

Cáscara: 20% Humedad: 77 a 86.9%

Pulpa: 50% Materia seca: 12.3 a 26.3%

Semilla: 30%

10

V. ESTUDIO ECONÓMICO

La relevancia económica de la guayaba a nivel nacional es mínima, puesto que

solo representa el 2.8% del valor total de los principales frutales, sin embargo, tiene una

gran importancia económica en diferentes estados de la república, como Aguascalientes,

Zacatecas, Michoacán y Jalisco. Tan solo en las regiones de Calvillo, Aguascalientes y

el Cañón de Juchipila, Zacatecas se estima que hay más de 3,000 productores de esta

fruta (INEGI 1999). Esto habla de la importancia económica que tiene la guayaba de

manera puntual en algunos estados de la república.

La guayaba pertenece a la clasificación de cultivos perennes frutales, los cultivos

perennes en México ocupan alrededor de 22.6% de la superficie sembrada y aportan

aproximadamente el 40.2% del valor de la producción agrícola. La guayaba es una de

las diez frutas más importantes, ocupa una superficie sembrada de 20,975 hectáreas y se

cultiva en Aguascalientes, Michoacán y Zacatecas principalmente.

A nivel mundial, países como la India y Pakistán ocupan el primer lugar en la

producción comercial de guayaba con un 50%, en segundo lugar se encuentra México

con un 25%, y otros países como Brasil y Colombia, por mencionar algunos, producen

el 25% restante.

A continuación se presentan algunas de las estadísticas económicas sobre la

materia prima (guayaba), y el producto que se obtendrá (polvos solubles para preparar

bebidas refrescantes).

11

Gráfica No. 1. Participación Estatal en la Producción de Guayaba enMéxico.

Aguascalientes (59%)

Jalisco (3%)

Michoacan (9%)

Zacatecas (26%)

Guanajuato (1%)

Otros (2%)

FUENTE: ASERCA (CON DATOS DE SAGAR)

Como se puede observar en la gráfica 1, el estado de Aguascalientes tiene una

participación muy grande en la producción nacional en México, otros estados como

Zacatecas y Michoacán, también contribuyen de forma significativa en este rubro. En

esta gráfica se puede apreciar la importancia económica que tiene la guayaba en estos

estados de la república mexicana.

Tabla 3. Comercialización nacional e internacional de diferentes frutas de

temporada (estadísticas del año de 1998).

FRUTA TOTAL

(miles de pesos)

NACIONAL

(miles de pesos)

EXTRANJERO

(miles de pesos)

Manzana y

similares

2,148,836 2,145,543 3.293

Fresa y frambuesa 87,501 77,161 10,340

Uva 364,454 364,454 ----

Mango 265,318 185,551 79,767

Piña 85,547 85,547 ----

Limón 710,492 501,502 208,990

Naranja 452,180 446,952 5,228

Mandarina 109,119 104,730 4,398

Guayaba 17,899 17,899 ----FUENTE: INEGI (XV CENSO INDUSTRIAL 1999)

12

Al analizar la tabla 3, podemos constatar que la comercialización de guayaba es

menor que algunas otras frutas, además que la comercialización sólo se da a nivel

nacional por lo que es necesario impulsar su comercialización, desde México, a otros

mercados internacionales.

Tabla 4. Producción y ventas de polvos para preparar bebidas de sabores frutales

(estadísticas del año 1998).

PRODUCCIÓN VENTAS NETAS

Cantidad

(kg)

Valor

(miles de pesos)

Precio

promedio

Total

(kg)

Mercado

Nacional

(miles de pesos)

Mercado

Extranjero

(miles de pesos)

30894000 1406061 45.512 2984000 1330695 25623

FUENTE: INEGI (XV CENSO INDUSTRIAL 1999)

La producción total de polvos solubles para preparación de bebidas frutales es

considerable (tabla 4). Se sabe que la participación de la guayaba en la fabricación de

bebidas en polvo es aproximadamente el 2% de la producción total en el país, lo que da

una idea de la capacidad de producción de la planta.

Se estima que alrededor del 87% de la producción nacional de guayaba se

orienta al consumo directo en fresco de la fruta destinándose el 65% a la Central de

Abasto de la Capital del país, 20% a la de Guadalajara, 10% a la de Monterrey, y el 5%

restante se distribuye entre centrales de abasto de otras partes del país. Es estos lugares

donde prácticamente se determina el precio del producto.

En contraparte, se estima que solo 25,000 toneladas se procesan anualmente

para la fabricación de bebidas, pulpas y jaleas. Esto significa un 13.2% de la producción

general, esto ratifica que la guayaba es una fruta que se industrializa muy poco.

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Ubicación de la Planta.

Como consecuencia del estudio de mercado se decidió que la planta se ubicará

en el estado de Aguascalientes, dado que este estado es el mayor productor de guayaba

a nivel nacional, además de producirla casi todo el año excepto el mes de mayo que su

producción se reduce. Otra característica favorable para su comercialización es su

ubicación geográfica pues los estados colindantes (Zacatecas y Jalisco) son productores

de guayaba y resultaría sencillo conseguir la materia prima en un caso determinado,

además de encontrarse relativamente cerca de la capital de la república mexicana.

La producción de polvos solubles para preparar bebidas es un proceso que

requiere de grandes cantidades de agua, es por ello que es indispensable que el estado

que se elija para poner la planta cuente con un sistema hidrológico efectivo, aunque en

Aguascalientes existen algunos problemas con el agua, la zona de Calvillo es una buena

opción, ya que se encuentra cerca del río que lleva el mismo nombre y no se tendría

problema en abastecer de agua el proceso.

Capacidad de la Planta.

A partir del análisis económico, se puede realizar un estimado de la capacidad de

la planta. Se sabe que del mercado de las bebidas, solo un porcentaje pequeño pertenece

al de las bebidas preparadas a partir de polvos solubles.

La cantidad de polvos que se genera a partir de la guayaba representa un

porcentaje muy reducido del total de la producción de polvos para preparar bebidas,

que es de alrededor de 620 ton/año (INEGI 1998), lo que da una idea de la poca

comercialización que se la da a esta fruta como un producto industrializado, es por ello

que se debe fomentar un aumento en la comercialización de productos elaborados a

partir de la guayaba, esto con la finalidad de impulsar el desarrollo económico del sector

agrícola, que es el encargado de producir este tipo de productos, principalmente en los

estados de Aguascalientes y Jalisco, que son las entidades donde la guayaba representa

una gran fuente de ingresos, por estas razones se decidió que se producirá el 40% del

total de la producción de bebidas solubles, es decir, aproximadamente 250 toneladas por

año.

14

Horas de Operación de la Planta.

Debido a la magnitud de la producción y considerando las jornadas de trabajo

que establece la ley federal del trabajo, se considera que las horas de operación

necesarias para cumplir con la meta de producción son 8 horas diarias. El proceso se

llevará a cabo de forma continua.

Almacenamiento de Materias Primas y Productos.

Debido a que la materia prima que se utiliza para la producción de polvos

solubles es una fruta (guayaba), que puede sufrir una descomposición muy rápida, una

alternativa consiste en almacenar la pulpa de la guayaba en bolsas asépticas, la cual

debe ser sometida preliminarmente a un proceso similar al de pasteurización, donde las

enzimas que pueden llegar a oxidar la fruta se eliminan mediante un proceso térmico,

donde la pulpa se somete a una temperatura alta, aproximadamente 113 °C, e

inmediatamente se baja a 35 °C.

Otra opción que se plantea es almacenar la pulpa en refrigeradores, pero esta

opción implica un gasto energético adicional dentro de la planta. Esta última alternativa

es la única que mantendría intactas las propiedades nutritivas de la fruta.

Los polvos solubles (producto aglomerado), serán almacenados en tanques

asépticos para evitar que sufran algún cambio (daño) en su composición debido a la

humedad que adquieren los polvos finos en el proceso de aglomeración.

Utilización de Desechos y Normas de Seguridad.

Los desechos que se originan en el proceso son solamente de tipo orgánico, que

son las semillas resultado del proceso de filtración. Estos pueden utilizarse como abono

o bien, si se procesan de alguna forma y se logra determinar sus propiedades nutritivas,

emplearlos como alimento balanceado para animales.

Con respecto a las normas de seguridad en el proceso, como se sabe en el

secador por aspersión las temperaturas de operación pueden llegar a ser altas, es por ello

que se deben tener las precauciones necesarias al operar este equipo. El manejo de

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polvos finos puede llegar a ser difícil y ocasionar accidentes, por lo que es importante

que la emisión de estos sea mínima, por tal razón es imprescindible la instalación de

ciclones, que recirculen la mayor parte de los polvos, además de que el personal que se

encuentren en contacto directo con el sistema debe contar con equipo de protección

adecuado (mascarillas, filtros, lentes).

Potencial Económico

Para determinar el potencial económico del proyecto, se tiene que conocer el

precio de compra de la guayaba y el precio de venta de polvo. La ecuación que se utiliza

para el potencial económico es la siguiente:

PE = Σ (Precio de Venta de Producto)(Producción)

- Σ (Precio de Compra de las Materias Primas)(Consumo)

Figura X. diagrama global entradas-salidas

La cantidad de guayaba fresca que se alimentan al proceso son 516 toneladas

anuales, esto para producir la cantidad deseada de polvos solubles. En el potencial

económico, se toma que el agua no tiene un costo de abastecimiento. Entonces se tiene

que:

Agua ton/año

Agua ton/año

Guayaba Frescaton/año

Polvos Solubleston/año

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Precio Promedio de Compra de la Guayaba (Central de Abasto)= $5.00/kg

Precio de Venta de los Polvos Solubles = $0.1143/gr

Por lo tanto:

añoPE 765,426,27$

=

La relación producción-consumo se calcula con la expresión que se encuentra a

continuación. Esta relación se toma como criterio para determinar si un proceso es

factible económicamente, el criterio es que si %PE > 150 el proceso es viable.

∑∑ ∑−

=))((

))(())(Pr(Pr%

ConsumoeriaprimaCostodematConsumoeriaprimaCostodematoducciónoadeproducteciodevent

PE

Para este proceso tenemos que:%7.184% =PE

Por lo tanto se puede decir que el proceso es realizable económicamente.

* El precio de la guayaba es un valor promedio calculado a partir de los precios que existen en toda laRepublica, en los cuales existen pequeñas variaciones.

17

VI. EL PROCESO

El proceso para producir polvos solubles a partir de la pulpa de la guayaba, para

preparar bebidas refrescantes, es un proceso que consta de una serie de operaciones,

como son la molienda, el filtrado, la homogenización, el secado y la aglomeración. Los

procesos que son los puntos medulares, son la homogenización y la aglomeración de

sólidos finos, ya que en estos es posible variar las condiciones de operación para

obtener el producto con las especificaciones deseadas, es decir, que tan soluble debe ser,

la consistencia de las bebidas y el sabor; propiedades que permitan la aceptación en el

mercado de este producto y pueda competir con los productos que actualmente ya

existen. A continuación se describen cada una de las operaciones que se realizan en el

proceso.

Molienda. Esta etapa del proceso, es para obtener la pulpa de la guayaba, cabe

mencionar que al obtener la pulpa se tienen también las semillas, que es una parte de la

pulpa que tenemos que separar por lo que es conveniente elegir adecuadamente el

equipo a utilizar en esta fase

Filtrado. Éste solo es un proceso de separación mecánica que permite separar la pulpa

de la guayaba de las semillas.

NOTA: En el presente trabajo las operaciones anteriores no son llevadas a cabo, por lo

que la materia prima que será alimentada a este proceso es la pulpa de guayaba.

Homogenización. Aquí se pretende generar una suspensión. A la pulpa se le adiciona

una cantidad de agua, que da como resultado que se tengan sólidos solubles (°Brix), y

sólidos suspendidos (porcentaje de sólidos en suspensión), lo que se pretende es

producir una suspensión con la cual pueda trabajarse de forma sencilla y que no

produzca daños dentro de los equipos, especialmente en el secador por aspersión. Para

que no existan problemas de tapado de la espreas se debe tener una máxima

concentración permisible de sólidos suspendidos y solubles. Otro factor importante es

que la cantidad de sólidos debe ser uniforme.

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Secado. El proceso de secado se llevará a cabo en un secador por aspersión, en este

dispositivo las variables importantes son la temperatura y los flujos de la suspensión y

del aire, ya que éstos fijaran las condiciones de salida de los polvos finos, es decir, el

porcentaje de humedad con el cual salen del secador así como el tamaño de partícula.

Aglomeración de Sólidos. Éste es uno de los procesos con mayor importancia dentro del

sistema. La aglomeración consiste en aumentar el tamaño de partícula con algunos fines

prácticos, enseguida se listan:

ü Reducir las pérdidas por producción de polvos finos.

ü Reducir los peligros de manejo.

ü Evitar el endurecimiento y la formación de grumos.

ü Mejorar el aspecto de los productos.

ü Permitir un mayor control en las propiedades de los sólidos: solubilidad,

porosidad, velocidad de transferencia de calor, etc.

ü Evitar problemas de contaminación del medio ambiente.

En el proceso de aglomeración los polvos finos forman partículas de mayor tamaño.

En la gran mayoría de los casos, para mantener juntas las partículas finas se utilizan

agentes aglutinantes, el agua es uno de los agentes que se utilizan con mayor

frecuencia, debido a que el resultado esperado es satisfactorio y su costo es

relativamente menor comparado con otros aglutinantes.

Enseguida se presenta un diagrama de bloques del proceso de obtención de los

polvos para preparar bebidas de guayaba:

19

Figura A. Proceso de Obtención de los Polvos Aglomerados.

20

VII. MATERIALES Y MÉTODOS

• Refractómetro (Bausch & Lomb, 010696)

• Viscosímetro de Brokfield (RVT, 110285)

• Homogenizador(Silverson, L4R, L04713-00)

• Analizador de tamaño de partículas ( Malvern, 2600)

• Estufa con convección forzada.

• Medidor de flujos(LCA, 6000)

• Balanza de humedad(Ohaus, MB 200)

• Secador por aspersión (Nitro Atomizer, 010612).

• Aglomerador de lecho fluidizado.

Caracterización de la suspensión.

Como primer paso se procede a obtener la materia prima, que en este caso es la

pulpa de guayaba, la siguiente actividad realizada fue la determinación de la curva de

secado de la pulpa de guayaba, mediante la balanza de humedad (Ohaus, MB 200), y la

determinación de sus características; humedad crítica, cantidad de sólidos totales y el

comportamiento del flux másico. Estos datos permitieron caracterizar el secado de la

pulpa de guayaba y conocer el comportamiento que se tendría en la cámara de secado.

Una vez que se tiene la pulpa libre de semillas se adiciona Maltodextrina 10 que

actúa como un agente que evita que los azúcares contenidos en la guayaba se peguen en

las paredes del secador y en forma paralela ayuda a aumentar la cantidad de sólidos

totales de la suspensión ya que la guayaba tiene un porcentaje de sólidos totales

relativamente bajo y debido a que se desea secar en un sistema por aspersión es

necesario tener cierta cantidad de sólidos en la alimentación para lograr la producción

de polvos finos.

La suspensión que es alimentada al secador, es sometida previamente a un

proceso de homogenización en el sistema Silverson, L4R, L04713-00, a una velocidad

de 5400 rpm aproximadamente durante 5 minutos, con la finalidad de reducir el tamaño

de partícula además, de como su nombre lo indica, contar con una suspensión con

21

características homogéneas, y así evitar problemas en el sistema de secado por

aspersión y obtener el producto con el tamaño de partícula deseado. En el proceso de

homogenización se adiciona la cantidad de agua necesaria para que la viscosidad de

suspensión no sea problema para el sistema de bombeo.

Posteriormente se realizo la determinación de algunas de las propiedades

reológicas de la suspensión que son de importancia en el sistema, como son: la

densidad y la viscosidad.

La densidad se midió con ayuda de un picnómetro lo suficientemente grande

para evitar que surjan complicaciones al momento de realizar la actividad experimental,

a causa de derrames de la pulpa u otras situaciones que afecten la veracidad de los

resultados obtenidos. La viscosidad de la suspensión se determinó con el viscosímetro

de Brookfield (RVT, 110285), y los °Brix se obtuvieron con un refractómetro (Bausch

& Lomb, 010696).

Secado por aspersión.

Una vez obtenida la suspensión que será alimentada al equipo de secado (Nitro

Atomizer, 010612), se procede a realizar el montaje del mismo, teniendo cuidado de que

no existan fugas que pudieran ocasionar la pérdida del producto (polvos finos).

Para bombear la suspensión se utiliza una bomba peristáltica, se fija el flujo de

aire, la temperatura y la presión de operación y el flujo de la suspensión. En la sección

de resultados y discusión se encuentran los datos obtenidos.

Se requiere que la velocidad con la cual entra el aire sea relativamente grande

(aproximadamente 13 m/s, se midió con un medidor de flujos LCA, 6000) y se cuenta

con un compresor para alimentarlo. La temperatura de operación es de alrededor de

160° C, para el control de la temperatura se cuenta con una válvula solenoide la cual

debe fijarse en 200 al momento de encender el calentador de gas. Con respecto a la

presión de operación, en el equipo, se debe mantener en un rango de 4 a 6 in de agua

para que se recupere la mayor cantidad de producto. Es necesario que el flujo de

22

alimentación sea pequeño para evitar que la pulpa tape el disco rotatorio o forme

partículas de gran tamaño que no alcanzarán a secarse y se pegarán en las paredes del

secador. En el sistema de secado se cuenta con agua de enfriamiento para eliminar el

calor que se pierde por las paredes de la cámara de secado, es de suma importancia

verificar que antes de comenzar con cada corrida este abierta la válvula de alimentación.

Al producto se le determina el tamaño de partícula con ayuda del sistema

analizador de tamaño de partículas (Malvern, 2600). También se realizan pruebas de

solubilidad de los polvos finos y de esta manera se constata que el proceso de

aglomeración es necesario para obtener un producto con las características planteadas al

inicio del proyecto.

Secado en estufa.

Un proceso paralelo al secado por aspersión, fue el secado de la pulpa de

guayaba en una estufa, la muestra que se tomó fue de 500 g de pulpa y el tiempo de

secado fue de 24 hrs. Esta operación no tuvo buenos resultados, ya que para poder

obtener los polvos finos, después del secado es necesario realizar un proceso de

molienda, para este fin la guayaba seca debe cristalizarse, caso que no sucedió con esta

fruta, por tal razón se concluye que en este caso no es posible obtener los polvos finos.

Aglomeración de finos

Al igual que en la operación de secado es necesario en primera instancia, montar

el equipo que será utilizado, realizando las conexiones para la alimentación de aire, de

agua y de agente aglomerante (que en el presente trabajo experimental se trata de agua),

en el sistema con el cual se trabaja se carga una cantidad de 100 g de polvos finos en

cada corrida y el tiempo de residencia esta dictado por el tamaño de partícula deseado

conjuntamente con la solubilidad que presentan los polvos aglomerados. La variable

que es modificada en este proceso es la temperatura de entrada del aire fluidizante,

manteniendo constantes los flujos de aire y agente aglomerante.

23

En cada una de las corridas es necesario fijar el flujo de aire en las dos entradas,

la temperatura y el flujo de agua con la finalidad de tener datos representativos del

sistema.

Una vez que se obtienen los polvos aglomerados, se realiza la determinación de

tamaño de partícula (Malvern, 2600) y finalmente se realizan una serie de pruebas de

solubilidad y de sedimentación en agua, para comparar los resultados obtenidos, con los

de los polvos finos y corroborar si el proceso de aglomeración es eficiente y necesario

como se plantea, además de hallar la temperatura de operación con la cual se obtiene el

producto con las especificaciones deseadas.

24

VIII. RESULTADOS Y DISCUSIÓN.

En la presente sección se encuentran los datos obtenidos de las propiedades

reológicas de la suspensión (densidad y viscosidad), curva de secado para la pulpa de

guayaba, tamaño de partícula, composición de la suspensión, °Brix y sólidos en

suspensión, así como las condiciones de operación y el tiempo de residencia en el

secador y en el sistema de aglomeración. Finalmente se encuentra el balance de materia

con los datos experimentales obtenidos.

• Comportamiento de la Pulpa de Guayaba (Secado)

A continuación se presenta la curva de secado de la pulpa de guayaba, los datos

para su construcción fueron obtenidos a partir de la balanza de humedad, la temperatura

de operación fue de 70° C y el tiempo de secado fue de 3 horas, en este periodo de

tiempo se pudo llegar a una humedad constante en la muestra que es de 0.0057 kg agua

/ kg totales.

Figura 1. Contenido de Humedad (base seca)

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000

Tiempo(s)

kg a

gua/

kg só

lido

seco

A continuación se presenta la gráfica de velocidad de secado de la pulpa de

guayaba, obtenida a partir del ajuste de la gráfica anterior a un polinomio de grado 3,

que es posteriormente derivado, ecuación 6.

25

0.0024-t108+t106 7-211- ××=dtdX (6)

Figura 2. Comportamiento de la Velocidad de Secado de la Pulpa deGuayaba

0

0.0005

0.001

0.0015

0.002

0.0025

0.7 1.2 1.7 2.2 2.7 3.2 3.7 4.2 4.7

X, kg agua/kg solido seco

-dX

/dt

Como se puede observar a partir de las dos figuras anteriores, en un primer

periodo la evaporación ocurre desde una superficie libre y, usualmente, la temperatura

incrementa desde su valor inicial (To) hasta la temperatura de bulbo húmedo del aire

(Twb). Este período inicial dura pocos minutos.

Una vez que el sólido ha alcanzado el contenido de humedad crítico comienza el

periodo de velocidad de secado decreciente, en este punto la superficie del sólido ya no

se encuentra saturada de agua, y la velocidad de secado disminuye. Esto se debe a que la

velocidad de secado para tiempos grandes es controlada por el transporte del agua

dentro del sólido. Algo interesante que se presentó en la velocidad de secado de la

solución de guayaba, fue que no hubo periodo de secado constante lo que hace nos hace

pensar que el proceso de secado para esta fruta es presenta fenómenos complicados que

no fue posible evaluar en este proyecto (como la difusividad efectiva dentro de las

partículas), dado que los objetivos está enfocados hacia otros puntos.

26

• Determinación de Propiedades.

Tabla 5. Propiedades de la Suspensión.

PROPIEDAD VALOR

Densidad 1057 kg/m3

Viscosidad 0.45 kg/ms

Sólidos Solubles 8 °Brix

Sólidos Totales 12 %

Tamaño de Partícula 35 µm

La composición de la suspensión con la cual se obtuvo el mejor rendimiento del

secador, es decir, se obtuvo mayor cantidad de producto se presenta a continuación:

Tabla 6. Composición de la Suspensión.

COMPONENTE FRACCIÓN PESO

Pulpa de Guayaba 0.17

Maltodextrina 0.07

Agua 0.76

Esto implica que el porcentaje de sólidos totales es de 12% y el porcentaje de

agua es de 88%. Contrario a lo que se encontró en la literatura, la suspensión generada

no tuvo un alto porcentaje de sólidos totales esto se debe al alto contenido de azúcar

que tiene la pulpa de guayaba y a su viscosidad, ya que no es posible alimentar una

suspensión con un alto contenido de sólidos sin que la viscosidad juegue un papel

determinante.

Cabe destacar la importancia de la maltodextrina 10 en la obtención de los

polvos, pues con una proporción 2:1 en base a la cantidad de sólidos secos, se

obtuvieron cantidades de polvo que no se obtenían al alimentar solamente solución de

guayaba.

27

• Determinación de Condiciones de Operación en el Secador.

Enseguida se muestran los datos de temperatura, presión, flujo de la suspensión

y flujo de aire con los cuales se obtuvieron resultados satisfactorios:

Tabla 7. Condiciones de Operación del Secador.

VARIABLE VALOR

Temperatura de Entrada 162° C

Temperatura de Salida 61° C

Presión del Secador 4.1 in H2O

Flujo de Aire 8 m3/min

Flujo de Alimentación 2.07x10-5 m3/min

Como se mencionó antes (sección de materiales y métodos), el flujo de aire

alimentado a la espera de disco giratorio debe ser elevado, esto con la finalidad de que

el tamaño de las gotas sea menor y por lo tanto sea más fácil evaporar el agua de las

partículas, ya que de lo contrario el agua contenida tiene mayor impedimento para salir

del sólido y esto implica que la humedad retirada en el proceso de secado sea solo la

humedad superficial, teniendo esto como consecuencia un proceso ineficiente.

Con respecto a la temperatura de operación a la entrada, que puede ser

controlada en el sistema, esta regulada de manera que sea lo suficientemente alta para

evaporar el agua contenida en las gotas y al mismo tiempo sea una temperatura que no

funda los azúcares de la pulpa y estos se peguen en las paredes del secador.

La presión de operación debe de mantenerse en un rango de 4 a 6 in de H2O para

garantizar que los finos se recuperen, en mayor proporción, en el ciclón acoplado al

secador.

El flujo de la suspensión debe de ser pequeño (2.07x10-5 m3/min), puesto que de

lo contrario, el equipo de secado no es capaz de evaporar toda el agua que esta

contenida en las gotas, que además son de un tamaño relativamente grande, problema

que ya se mencionó antes.

28

La determinación del tiempo de residencia se realizó a partir de la expresión (4)

y (5). A continuación se encuentran los parámetros que se necesitan para el cálculo:

Diámetro de la Cámara = 0.755 m

Altura de la Cámara = 1.5 m

Con estos valores se tiene que V = 0.77 m3 y por lo tanto:

tresidencia = 5.8 s

• Pruebas de Solubilidad de los Polvos Finos.

Una vez que se obtienen los polvos finos en el proceso de secado por aspersión,

se determinó el tamaño de partícula y la densidad empacada de los polvos finos,

finalmente se realizaron pruebas de solubilidad de los polvos finos en agua a diferentes

temperaturas.

Tabla 8. Propiedades de los polvos finos.

PROPIEDAD VALOR

Tamaño de Partícula 35 µm

Densidad Empacada (Polvo Fino) 471.70 kg/ m3

Tabla 9. Pruebas de solubilidad de los polvos.TEMPERATURA TIEMPO

18.5° C 180 min50° C 28 min65° C 11 min

En las tres pruebas que se realizaron los polvos no presentaron una buena

solubilidad en el agua, ya que se formaba un grumo de polvo, es decir los polvos no

pueden romper la tensión superficial, después de un tiempo esta masa caía al fondo del

vaso, fue en este momento en el cual se tomaron las lecturas. Analizando los datos

obtenidos se puede corroborar que al aumentar la temperatura del líquido aumenta la

29

solubilidad de los polvos. Observando este comportamiento en los finos se puede

concluir que la operación de aglomeración es de suma importancia en este tipo de

procesos.

• Determinación de las Condiciones de Operación del Aglomerador.

Las variables de operación en el sistema de aglomeración de sólidos finos son el

flujo de aire (fluidizante y del aire que permite asperjar el agua), flujo de agente

aglomerante (agua) y la temperatura del aire fluidizante, enseguida se presentan los

valores obtenidos (Tabla 10).

Tabla 10. Condiciones de Operación del Aglomerador.

VARIABLE VALOR

Flujo de Aire Fluidizante 0.94 m3/min

Temperatura de Aire Fluidizante 45° C

Flujo de aglomerante (agua) 1.78*10-4 m3/min

Flujo de Aire (para asperjar) 2 m3/min

Tamaño de partícula 89 µm

Realizando la determinación de la densidad empacada del polvo aglomerado se

obtiene el siguiente valor: 696.23 kg/m3.

Una vez que obtenido el polvo aglomerado se realizan pruebas de solubilidad y

de sedimentación en agua a temperatura ambiente, arrojando los siguientes resultados:

El tiempo de solubilización de los polvos aglomerados en agua es de aproximadamente

30 segundos, comparando este resultado con el obtenido para el polvo fino, se puede

observar que existe una gran diferencia en los tiempos registrados. Para llevar a cabo

esta actividad se agrego 1g de polvo en 10 ml de agua y la lectura de tiempo se tomo

cuando la masa quedo dispersa en el agua. Al agitar la solución los polvos presentaron

un comportamiento similar al que tiene la leche en polvo cuando se solubiliza en agua.

Con respecto a las pruebas de sedimentación el fenómeno observado fue que en

un tiempo relativamente pequeño, aproximadamente 10 segundos, una parte de la masa

30

de polvo caía rápidamente al fondo de la probeta, mientras que en el agua cierta

cantidad de polvo quedaba dispersa, este es un comportamiento típico de este tipo de

productos (polvos solubles).

A partir de los datos anteriores se puede corroborar que la operación de

aglomeración juega un papel determinante en el proceso de producción de polvos

solubles.

A continuación se encuentran una representación de la secuencia que siguió la

suspensión hasta llegar al polvo aglomerado:

Figura 3. Partícula en la Suspensión de Guayaba

Figura 4. Partículas de Polvos Finos

31

Figura 5. Partículas de Polvos Aglomerados (T= 45° C)

Figura 6. Partículas de Polvos Aglomerados (T= 55° C)

En las figuras anteriores se observa claramente la transformación que sufre la

pulpa de guayaba (materia prima) durante el proceso de producción de los polvos.

Las temperaturas que se manejaron en el proceso de aglomeración fueron de

22°C aproximadamente (temperatura ambiente), 45° C y 55° C, la temperatura con la

cual se obtuvieron los polvos con las propiedades requeridas (solubilidad) fue la

temperatura de 45° C.

32

• Balance de Materia y Energía.

A continuación se presenta el diagrama del proceso y el balance de materia para

la operación.

El equipo etiquetado con el número I es el sistema donde se eliminan las semillas de la

pulpa de guayaba, al equipo con el número II es la unidad de homogenización en la cual

también se adiciona la maltodextrina, el equipo con el número III es la unidad de secado

por aspersión, por último el equipo con el número IV es el sistema de aglomeración. La

base de cálculo que se tomo fue de 1000 g de guayaba fresca:

Figura 7. Diagrama del Proceso.

Figura 8. Separación de las semillas Balance Global

FpFsFg += (7)

81.0

19.0

48.949

521.50

1000

=

=

=

=

=

pa

ps

x

x

gFp

gFs

gFg

33

Las masas anteriores de cada una de las corrientes se obtuvieron directamente

de la balanza digital (Ohaus, MB 200), las fracciones de sólidos y agua de la pulpa se

obtuvieron a partir de una balanza de humedad.

Figura 9. Proceso de Homogenización * Adición de Maltodextrina y Agua

Realizamos un balance para sólidos:

suss

mp

ms FsusXFpXFmX =+ (8)

)12.0()19.0(48.949)1(360 Fsus=+

Se toma el flujo de maltodextrina,como una relación de 2:1 con respecto asólidos que contiene la pulpa de guayabalibre de semillas.

gFsus 4503=⇒

Y por último un balance de agua nos da la cantidad requerida para este proceso:

FsusFaFpFm =++ (9)

de donde: gFa 3194=

La fracción de sólidos en la suspensión (12%), es un valor que se fija en función

de la viscosidad que presenta la suspensión.

Figura 10. Proceso de Secado

En este equipo no es sencillo

realizar el balance de materia

porque los resultados obtenidos

no concuerdan con lo que

debería de salir, ya que el

secador tiene una eficiencia muy

baja.

34

En principio se esperaría que salieran todos los sólidos que son alimentados, con

las restricciones que implica el secado en un sistema por aspersión.

Los datos que se obtuvieron fueron que por cada 1000 g de pulpa se obtienen

aproximadamente 222.65 g de polvos finos.

Tenemos que el balance de materia en el secador esta dado por la siguiente

expresión (Treybal, 1995):

2211 YGXSYGXS SSSS +=+ (10)

En el caso particular en el que nos encontramos el balance se convierte en:

2211 YFXFYFXF asSOLasSOL +=+ (11)

De esta expresión el parámetro a determinar es la humedad del aire de salida,

entonces:

as

SOLas

FXXFYFY )( 211

2

−+= (*)

Y para determinar el flujo de calor recurrimos al balance de energía:

02211 =−−−+ QFHFHFHFH asasSOLFsolasasSOLFsol (12)

Por lo tanto: asasSOLFsolasasSOLFsol FHFHFHFHQ 2211 −−+= (**)

35

Figura 11. Proceso de Aglomeración.

El balance en el sistema de aglomeración es sencillo, pero la eficiencia del

equipo es muy baja. A continuación se presentan las ecuaciones del balance de materia:

Realizamos un balance para sólidos:

spaspf XFXF = (13)

NOTA: En esta ecuación no se toma en cuenta la cantidad de sólidos finos que son

arrastrados fuera del sistema, esto representaría una eficiencia del 100%, lo cual

sucedería en un caso ideal, y se tiene conocimiento de que estos equipos trabajan con

eficiencias relativamente bajas.

Para conocer el agua que debe ser alimentada al proceso para obtener los polvos

aglomerados con una cierta humedad, se debe recurrir también a un balance de calor

transferido, la ecuación es la siguiente:

aireaireaire

o

sss

oTCpmTCpm ∆=∆ (14)

Esta ecuación se traduce en que el calor transferido de la fase gaseosa es igual al

calor ganado por la fase sólida, por lo tanto, como se conocen todas las variables

36

excepto la temperatura del aire en la entrada de la ecuación anterior despejamos esta

variable:

aireaire

osss

o

aireaire

Cpm

TCpmTsalTent ∆+= (***)

La humedad relativa con la cual entra el aire es de 40%, entonces con esta

humedad y la temperatura calculada a partir del balance de calor se puede conocer el

valor de la humedad absoluta del aire, para la corriente de salida del aire se hace la

suposición de que sale saturada a la temperatura de 45° C. Con todos estos datos se

puede conocer la cantidad de agua alimentada al proceso. Entonces, el balance para

conocer la cantidad de agua alimentada queda como sigue:

FpaXaFahXaFacXaFaFpfXa +=++ (15)

*En el Apéndice B se encuentran los valores de cada una de las corrientes del

proceso, calculadas con base en la producción deseada de polvos aglomerados,

tomando en cuenta también, las eficiencias de los equipos.

37

IX. DISEÑO DE LOS EQUIPOS.

Para realizar el diseño de la planta productora de polvos para preparar bebidas,

es necesario hacer uso de los datos obtenidos experimentalmente, como lo son: flujos y

su composición, temperaturas de las corrientes y temperaturas de operación, así como lo

tiempos de residencia en los equipos donde sea una variable importante.

Como primer paso se deben obtener los flujos necesarios para cumplir con la

producción estimada (250 ton/año) a partir de los balances de materia, estos flujos son

de utilidad para poder escalar los equipos.

Mezclador

El mezclador consta de un tanque y un sistema que permite obtener una

suspensión homogénea que será alimentada al sistema de secado. Para determinar las

proporciones del tanque se hace un sencillo cálculo, que consiste en dividir la masa

entre la densidad lo cual nos da un volumen mínimo requerido para suministrar de

suspensión el proceso y evitar el paro de la planta por un abastecimiento deficiente.

Por lo tanto el volumen mínimo del mezclador es Vmínimo = 961 lt

La siguiente tabla contiene los valores de las dimensiones calculadas para el

tanque de mezclado:

Tabla 11. Medidas del Tanque de Mezclado.

DIMENSIONES VALOR

Diámetro 1.0m

Altura 2.0 m

Volumen 1.57 m3

38

Secador por Aspersión.

Para el diseño de este equipo se recurrió a la ecuación que propuso Gluckert

(1962) en términos del calor requerido para evaporar el agua en un secador de disco

rotatorio:

21

2

2)2(9.4

∆−

=rN

wD

TrRKQ ts

sm

cf ρρ

(16)

La variable que nos interesa en esta ecuación es Rc que es el radio de la cámara

de secado, algunos de los parámetros restantes pueden ser calculados y otros son los

determinados experimentalmente. La altura de la cámara esta relacionada con su

diámetro, se tiene datos de que la altura de la cámara es 4 a 5 veces mayor que el

diámetro en equipos industriales. La siguiente tabla contiene las dimensiones calculadas

del secador por aspersión:

Tabla 12. Medidas del Secador por Aspersión

DIMENSIÓN VALOR ESTIMADO

Diámetro de la Cámara 2.34 m

Altura de la Cámara 4.67 m

Volumen de la Cámara 22.95 m3

La cámara de secado se estimó en la hoja de cálculo Excel; se fijaron todos los

parámetros de la ecuación 16, excepto el radio, y se iteró hasta que se cumplió que el

lado derecho de la ecuación era igual al calor requerido para evaporar el agua libre en el

flujo de solución alimentada.

Para el cálculo del volumen se utilizo la ecuación 4.

39

Ciclones

Para el diseño de los ciclones se empleo el modelo para un ciclón de aceleración

centrífuga propuesto por Van Tongeran (1935). El esquema de este tipo de ciclones se

presenta en el Apéndice C:

Las expresiones que son utilizadas en este modelo son:

2

2

4

Ce

CC

CC

DD

DH

DB

=

=

=

CC

CC

CC

DZ

DS

DL

2

8

2

=

=

=

4C

C

Dusualmente

ArbitrarioJ

=

=

Los ciclones generalmente presentan una alta eficiencia de operación es por ello

la importancia de contar con estos equipos en los proceso en los cuales se manejan

partículas de tamaño pequeño. El diámetro del ciclón es inversamente proporcional a la

velocidad con la cual entra el aire que arrastra los finos. Convencionalmente, para este

tipo de equipos, la velocidad de entrada varía en un rango de 6 a 24 m/s, es por esta

razón que se la velocidad de entrada, para fines de diseño, se toma como 15 m/s.

Para el diseño se mantuvo constante la velocidad superficial dentro del equipo y

mediante esta velocidad se calculó el nuevo flujo volumétrico requerido para las nuevas

dimensiones del equipo.

El diseño del ciclón es relativamente sencillo si se conoce el flujo de aire

entonces a partir de la expresión siguiente:

VAQ = (17)

Podemos conocer el diámetro del ciclón y por medio de las ecuaciones listadas

anteriormente, relacionar este parámetro para encontrar los restantes.

40

En las dos tablas que a continuación se encuentran, se presentan los valores

encontrados para el ciclón acoplado con el sistema de secado (Tabla 13) y para el ciclón

del aglomerador (Tabla 14).

Tabla 13. Ciclón Acoplado al Secador

DIMENSIONES VALOR ESTIMADO

Diámetro (Dc) 0.57 m

Altura Total (H) 2.30 m

Tabla 14. Ciclón Acoplado al Aglomerador

DIMENSIONES VALOR ESTIMADO

Diámetro (Dc) 0.35 m

Altura Total (H) 1.41 m

En el apéndice C se encuentran las dimensiones restantes según el esquema presentado

en la misma sección.

Aglomerador

Para realizar el diseño del equipo de aglomeración se debe conocer el tiempo de

residencia de los polvos, el flujo de polvos finos así como su densidad empacada, estos

datos servirán para escalar el equipo.

• Cálculo del volumen de la cama de polvos en el aglomerador:

La expresión para conocer, en primera instancia la masa que permanece constante en el

equipo es:

RStQM = (18)

41

Y conociendo la masa y la densidad empacada se puede conocer el volumen

ocupado, que generalmente se aproxima a APARTECÖNICLECHO VV21

= . Con respecto a la

altura y el diámetro del equipo, se mantendrá fija la relación que existe en el sistema

con el cual se trabajo experimentalmente, dando esto como resultado los valores de la

tabla 15:

Tabla 15. Medidas del Sistema de Aglomeración de Finos

DIMENSIONES VALOR ESTIMADO

Altura 2.00 m

Diámetro 0.95 m

Volumen 1.58 m3

Compresor

Para el diseño del compresor se utilizo un “shortcut”, empleando los flujos de

aire alimentados al secador y al aglomerador conjuntamente. La ecuación empleada se

presenta enseguida:

−

×=

−

11003.3 5 γ

γ entrda

salidaentrdaentrda P

PQPPotencia (19)

Con los datos que se encuentran en el apéndice C el resultado es el siguiente:

Potencia = 105 HP

Bombas

Para este proceso se requiere de tres bombas centrifugas para bombear fluidos, la

primera (Bomba 1) para alimentar el agua al mezclador, la segunda (Bomba 2) de el

mezclador al secador y la tercera (Bomba 3) para alimentar el agente aglutinante en el

sistema de aglomeración. En la siguiente tabla se muestran las potencias requeridas para

42

cada bomba, en el apéndice C se presentan los datos utilizados para el cálculo. La

ecuación utilizada es la de Bernoulli.

WZg =∆ (20)

Tabla 16. Potencia de cada una de las tres bombas.

BOMBA POTENCIA

1 0.4 HP

2 1.1 HP

3 0.5 HP

43

El dibujo tridimensional a escala de la planta para la producción de polvos se presenta a continuación (sólo se muestran los equipos mayores):

Figura 12. Diagrama Isométrico

44

X. COSTEO DE LOS EQUIPOS.

El costeo de los equipos se hizo teniendo en cuenta de que todos fueran de acero

inoxidable para evitar problemas de corrosión.

Los costos reportados incluyen todos los accesorios que necesitan los equipos

para llevar a cabo la operación para la cual fueron costeados.

Los precios reportados son pesos, tomando como base que el dólar es

equivalente a 10 pesos.

• Secador por Aspersión

Para el costeo de este equipo se decidió que el material fuera de acero

inoxidable por el tipo de sustancias que estaríamos empleando. Ya que el acero al

carbón se corroe con mayor facilidad que el acero inoxidable.

Una vez estimado el diámetro del secador, mediante la cantidad de agua a

evaporar, se procedió a obtener el precio de compra, Perry (1975), en base a precios de

1971 y mediante los índices para ese año y el actual se determinó el precio actual

mediante la correlación que sugiere Ulrich (1984):

=

r

spvrpvs I

ICC (21)

En la tabla 12 se muestran los resultados de emplear la gráfica que proporciona

Perry (1982) y la correlación, mediante índices que sugiere Ulrich (1984).

45

Tabla 17. Estimación de costo de compra del secador por aspersión.

Diámetro de la cámara, m 2.34

Índice de 2001 394.3

Índice de 1971 315

Is/Ir 1.25

Flujo de agua a evaporar, lb/hr 1962

A precios de 1971 $ 840,000.00

Precio de compra actual para el secador $1,051,466.67

• Ciclón para Separar los Finos.

Mediante los balances de materia se estimó el flujo de salida de aire en el

secador, con este dato y el tamaño de partícula característico, se determinó el pecio de

compra del equipo y los resultados se muestran en la siguiente tabla.

Tabla 18. Estimación del costo de compra para el primer ciclón.

Flujo de entrada , m3/min 58

Tamaño de partículas, µm 35

Costo de compra a precios de 1982 $ 50,000.00

Índice de 2001 394.3

Índice de 1982 315

Is/Ir 1.25

Precio de compra actual para el ciclón $ 62,587.30

• Aglomerador.

El precio de compra para el aglomerador se determinó de acuerdo al volumen

de la cámara de aglomeración, mediante una relación gráfica que reporta Ulrich (1984)

del volumen de la cámara con el precio de compra. Los resultados se muestran en la

siguiente tabla:

46

Tabla 19. Estimación del costo de compra para el aglomerador.

Volumen, m3 1.6

Precio de compra a precios de 1982 $ 825,000.00

Índice de 2001 394.3

Índice de 1982 315

Precio de compra a precio actuales $ 1,032,690.48

• Ciclón para Recuperar Polvo sin Aglomerar.

Este equipo se costeó de la misma forma que se hizo para el primero, es decir, en

base al tamaño de partícula manejado en el interior y el flujo de entrada de aire. Los

resultados se presentan a continuación:

Tabla 20. Estimación del costo de compra para el segundo ciclón.

Flujo de entrada , m3/min 0.97

Tamaño de partículas, µm 35

Costo de compra a precios de 1982 $ 25,000.00

Índice de 2001 394.30

Índice de 1982 315.00

Is/Ir 1.25

Precio de compra actual para el ciclón $ 31,293.65

• Bombas.

Las bombas fueron costeadas como equipos centrífugos; primero se obtuvo la

capacidad volumétrica y la carga necesaria para cumplir su función y mediante estos

parámetros se estimo el precio de compra, utilizando las relaciones gráficas que

recomienda Perry (1982), tal como se muestra a continuación.

47

a) Bomba para alimentar el mezclador-homogenizador.

Mediante el flujo volumétrico de agua requerido para cumplir con la

producción diaria se estimó el volumen del mezclador que seria empleado. Una vez

conocido este volumen se fijo el tipo de tanque, en este caso cilíndrico, y se determino

la altura, con esta altura y el flujo se determinaron los parámetros suficientes para

conocer el precio de compra, como se muestra continuación.

Tabla 21. Parámetros para determinar el precio de compra de la bomba de

agua utilizada en el mezclador.

b) Bomba para alimentar el secador por aspersión.

En la siguiente tabla se muestran las características tanto del fluido a transportar

como de la potencia requerida y los parámetros para estimar el costo de compra para la

bomba que se empleara para enviar la solución de guayaba al secador por aspersión.

Altura a vencer, m 2.5

Flujo de alimentación, kg/min 14.88

Densidad de la solución, kg/m3 1000

Diámetro de la tubería, m 0.05

Velocidad, m/s 0.13

Potencia, HP 0.6

kW 0.438

Flujo de alimentación, gal/min 4.09

Potencia, kW 0.44

Precio de compra actual $ 2,750.00

48

Tabla 22. Parámetros para determinar el costo de compra de la bomba 1.

Altura a vencer, m 4.7

Flujo de alimentación, kg/min 16.92

Densidad de la solución, kg/m3 1057

Diámetro de la tubería, m 0.05

Velocidad, m/s 0.14

Potencia, HP 1.1

kW 0.824

Flujo de alimentación, gal/min 4.26

Potencia, kW 0.824

Precio de compra actual $ 3,500.00

c) Bomba para alimentar agua al aglomerador

Mediante el balance de materia se determinó la cantidad de agua necesaria para

cumplir con la producción diaria de polvo aglomerado y conociendo la altura del equipo

se estimó la potencia requerida para cumplir el objetivo. Con esta potencia y el flujo se

determino el precio de compra de esta bomba como se muestra en la siguiente tabla.

Tabla 23. Parámetros para determinar el precio de compra de la bomba que

alimentará agua al aglomerador.

Altura a vencer, m 2

Flujo de alimentación, kg/min 0.18

Densidad de la solución, kg/m3 1000

Diámetro de la tubería, m 0.05

Velocidad, m/s 0.0015

Potencia, HP 0.5

kW 0.350

Flujo de alimentación, gal/min 0.05

Potencia, kW 0.350

Precio de compra actual $ 2,500.00

49

• Compresor.

El costeo del compresor se hizo en base al flujo de aire requerido en el sistema y

la presión de salida en los equipos; primero se estimó la potencia requerida y mediante

esta y fijando el tipo de compresor requerido, en este caso centrífugo, se determinó el

precio de compra para este equipo, tal como se muestra en la siguiente tabla.

Tabla 24. Parámetros para determinar el precio de compra de Compresor.

Flujo volumétrico, ft3/min 2881.5

Potencia, Hp 104

A precios de 1990 $ 2,716,250.00

Índice de 1992 315

Índice de 2003 394.3

Is/Ir 1.251746032

Precio de compra a 2003 $ 3,400,055.16

50

XI. EVALUACIÓN DEL PROYECTO.

El análisis económico del proceso consta de múltiples factores, estos factores se

agrupan en dos grandes partes: los ingresos y los egresos. En los egresos se deben

tomar en cuenta la inversión inicial (costo de equipos y terreno), el costo de

instalación y de operación de lo equipos, los servicios, la nomina, etc.

La evaluación del proyecto se hizo considerando ingresos totales constantes, en

un periodo de 10 años, con un impuesto del 20% sobre estos. En esta se evaluación

se consideró una depreciación del 10% anual del valor de los equipos. En la

siguiente tabla se muestran los flujos antes y depuse de impuestos que se obtuvieron

para este proyecto:

Tabla 25. Determinación de los flujos después de impuestos para el proyecto

t FAI Ingreso Grav. Impuesto Depreciación FDI0 -$ 14,000,000 $ - $ - $ - -$ 14,000,0001 $ 18,688,619 $ 18,688,619 -$ 3,737,724 -$ 560,000 $ 14,390,8952 $ 18,688,619 $ 18,688,619 -$ 3,737,724 -$ 560,000 $ 14,390,8953 $ 8,688,619 $ 18,688,619 -$ 3,737,724 -$ 560,000 $ 14,390,8954 $ 18,688,619 $ 18,688,619 -$ 3,737,724 -$ 560,000 $ 14,390,8955 $ 18,688,619 $ 18,688,619 -$ 3,737,724 -$ 560,000 $ 14,390,8956 $ 18,688,619 $ 18,688,619 -$ 3,737,724 -$ 560,000 $ 14,390,8957 $ 18,688,619 $ 18,688,619 -$ 3,737,724 -$ 560,000 $ 14,390,8958 $ 18,688,619 $ 18,688,619 -$ 3,737,724 -$ 560,000 $ 14,390,8959 $ 18,688,619 $ 18,688,619 -$ 3,737,724 -$ 560,000 $ 14,390,89510 $ 18,688,619 $ 18,688,619 -$ 3,737,724 -$ 560,000 $ 14,390,895

Con los datos anteriores se determinó la tasa interna de retorno, considerando la

Tasa de Interés de Equilibrio Interbancario de 10% (valor para el mes de febrero de

2003) y fijando un valor de la TREMA de 35%. En la siguiente tabla se muestra la

tasa interna de retorno para recuperar la inversión total en 10 años.

Tabla 26. Tasa interna de retorno.

Inversión inicial $14,000,000

TIIE 10 %

TREMA 30 %

TIR 103 %

VPN 0

51

Como se muestra en la tabla 26, la tasa de retorno es mucho mayor que la

TREMA fijada por lo que la rentabilidad del proyecto es muy razonable.

Para poder conocer el costo total de producción del proceso es necesario realizar

una serie de cálculos a partir de datos conocidos, como por ejemplo la inversión total

del proyecto, que abarca el costo de todo el equipo y el costo del terreno donde se desea

ubicar la planta; los ingresos por ventas, tomando en cuenta el precio de venta del

producto; el costo de las materias primas, donde entra la pulpa de guayaba, la

maltodextrina y el agua utilizada para obtener la suspensión; por mencionar algunos

factores involucrados dentro del proceso.

Algunos de los costos que se deben determinar para conocer el costo total de la

producción son: el capital fijo, el capital de trabajo, el costo de manufactura, cargos

fijos, etc., dentro de estos costos se encuentran los costos de mantenimiento, los costos

de servicios, el costo que implica el pago de la nomina (incluyendo prestaciones), en fin

son múltiples los factores que están involucrados en el análisis económico del proceso.

Para realizar la estimación de los costos se cuenta con varias herramientas a

continuación se listan algunas:

1. Operación en sencillo.2. De capital con base en correlaciones de equipo.

a) Peters and Timmerhaus.b) Aspen.c) Costos de instalación + costo de compra de equipod) Marshall and Swift Index

Realizando todos los cálculos pertinente se encuentra que el Costo Total de

Producción es: $ 8,382,810 anuales, en contraparte los ingresos por ventas

ascienden a $ 27,071,429 anuales por lo que la diferencia de estas cantidades nos da

la ganancia neta que se obtendrá de este proceso.

Ingresos por Ventas Costo Total de Producción = Ganancias

52

Por lo tanto las ganancias netas son: $18,688,619 anuales

Lo cual nos da pauta para concluir que el proceso de producción de polvos

solubles a partir de la pulpa de guayaba es económicamente realizable.

En la siguiente tabla se encuentran los costos calculados.

Tabla 27 . Datos para la estimación económica

Total de inversión $ 14,000,000Capital fijo $ 10,769,231Capital de trabajo $ 2,100,000Capital de inicio $ 1,076,923Costo total de producción $ 8,382,810Costo de manufactura $ 4,355,316SARE $ 676,786Ingresos por ventas $ 27,071,429Costo directo de producción de la planta $ 2,532,239Cargos fijos $ 323,077OVHD $ 1,770,462Materia prima $ 1,500,000Servicios $ 561,935Mantenimiento $ 430,769Refacciones $ 64,615Trabajo $ 2,100,000Supervisión $ 90,000Laboral $ 400,000Regalías $ 251,484Costos directos dentro y fuera del sitio $ 8,615,385

El número de trabajadores se contemplo para realizar el análisis económico es de

6 operadores y un supervisor de planta.

* En el Apéndice D se encuentran las correlaciones utilizadas para obtener los

datos presentados anteriormente.

53

El plano propuesto de las instalaciones de la planta productora de polvos solubles de guayaba se muestra en la figura 13

C1 Cuarto de Refrigeración C2 Almacén de Maltodextrina C3 Almacén de Producto terminado1 Tanque de Pulpa 2 Tanque de Maltodextrina 3 Tanque de Agua4 Mezclador 5 Secador 6 Calentador7 Ciclón 8 Aglomerador 9 Ciclón10 Recolector de Producto 11 Compresor 12 Tanque de Gas13 Taque Abastecedor de Agua

54

XII. CONCLUSIONES.

La producción de polvos solubles para preparar bebidas a partir de la pulpa de

guayaba es un trabajo que resulta difícil, ya que la pulpa de guayaba tiene un porcentaje

de sólidos totales bajo, su contenido de azucares y viscosidad son altos, por lo tanto no

es posible alimentar una suspensión con alto porcentaje de sólidos ya que la viscosidad

aumenta y esto se traduce en problemas que hacen ineficiente el proceso. En contraparte

el alimentar la suspensión con un bajo contenido de sólidos, incrementa el costo de

producción de los polvos finos debido a la gran cantidad de agua que debe evaporarse.

Con respecto a las condiciones de operación, se puede hacer mención de la

importancia que tiene la temperatura en el sistema de secado por aspersión en este

proceso, debido a la composición de la guayaba, puesto que se debe encontrar una

temperatura en la cual el proceso se vuelva lo más eficiente posible (con las limitantes

propias del sistema con el cual se trabajó), esta temperatura esta alrededor de 162° C,

que es menor a la temperatura de fusión del azúcar (aproximadamente 185° C), y es lo

suficientemente alta para evaporar el agua contenida en las gotas de suspensión.

La velocidad del aire que hace girar el disco rotatorio (8 m3/min), es también un

parámetro importante, ya que esta íntimamente ligado al tamaño de las gotas que son

atomizadas en el sistema de secado, dado que cuanto más elevado sea el flujo de aire, el

tamaño de partícula es menor, y como se sabe cuanto mayor sea el tamaño de la gota, la

cantidad de agua a evaporar es mayor y esto se traduce en un tiempo de residencia de

las partículas más grande.

La humedad con la cual sale el aire es muy alta, esto se debe a que la cantidad de

agua que entra al sistema (suspensión) es muy grande y esto implica que para secar las

partículas sólidas se deben evaporar altas cantidades de agua, las cuales se van en la

corriente de aire.

En el sistema en el que se trabajó, el flujo de alimentación de la suspensión es un

factor importante también, ya que se debe mantener un flujo bajo (2.07*10-5 m3/min),

para evitar que la pulpa se pegue en las paredes, en los sistemas industriales esto no

55

sucede comúnmente ya que cambios significativos en el flujo de alimentación no

provocan que el disco se tape o que ocurran problemas apreciables en la operación.

El secado por aspersión ofrece la ventaja de un secado extremadamente rápido

para los productos sensibles al calor, un tamaño y densidad de la partícula de producto

que pueden ser controlables dentro de ciertos límites.

El tiempo de residencia es un parámetro importante que se determinó, mediante

correlaciones, y proporcionó información útil al momento de hacer el escalamiento del

equipo.

Se ha corroborado que la operación de aglomeración de los polvos finos es una

etapa necesaria en este tipo de procesos, ya que permite obtener el producto, en este

caso el polvo para preparar bebidas, con las especificaciones deseadas, como lo son la

alta solubilidad de estos polvos en agua.

La temperatura del aire fluidizante es una de las variables que pueden ser

modificadas para cambiar las propiedades de los polvos, como es de esperarse el tiempo

de residencia de los polvos en el equipo de aglomeración, esta dictaminado por el

tamaño de partícula deseado en conjunto con la el conclusión del fenómeno de

fluidización del lecho.

En la caracterización tanto del polvo fino como el soluble se encontró que la

solubilidad de ambos era muy diferente, como era de esperarse, y que el crecimiento

del tamaño de partícula, en el proceso de aglomeración, favorecía dicho

comportamiento. Otra de las propiedades que mostraron diferencia considerable fue la

densidad empacada, que indicaba la cantidad de agua absorbida por las microesferas

que conformabas el polvo fino. Las densidades empacadas obtenidas tanto para el

polvo aglomerado como para el polvo fino son similares a las reportadas en la literatura

para el proceso de secado por aspersión y para la aglomeración en lecho suspendido.

El proceso de sedimentación que presentan los polvos aglomerados es

característico de este tipo de polvo (para preparar bebidas), esto se debe a que algunas

de las partículas de polvo son demasiado grandes y por lo tanto muy pesados para que

56

puedan quedar suspendidos en el agua, este no es un punto desfavorable de los polvos

aglomerados ya que cuando la solución se somete a agitación se da un proceso de

solubilización eficaz.

El diseño de la planta productora de polvos solubles para preparar bebidas a

partir de la pulpa de guayaba, es un proceso basado principalmente, en los datos

obtenidos experimentalmente, es decir, no se realizan cálculos matemáticos profundos,

sino más bien se debe hacer un análisis de la operación del proceso en la realidad,

generalmente en plantas piloto, y de esta forma poder realizar el escalamiento a una

planta a nivel industrial.

El análisis económico del proceso es una de los puntos que mayor importancia

tienen para determinar si un proceso es realizable, ya que para que un proyecto se lleve

a cabo debe generar ganancias, de otro modo el proyecto sólo se queda en el papel, en el

caso especifico del proceso de producción de polvos solubles a partir de este análisis se

pudo corroborar que el proceso es realizable.

57

XIII. NOMENCLATURA.

Ai = Área transversal a la entrada del ciclón [=] ft2

sCp = Calor especifico del polvo [=] kJ/kg ºC

aireCp = Calor especifico del aire caliente [=] kJ/kg ºCCpvr =Costo de compra actualCpvs = Costo de compra baseD = Diámetro del separador [=] ftDch = Diámetro de la Camara [=] mDm = Diámetro máximo de la gota [=] mD0 = Diámetro de salida. [=] ftDP = Diámetro de partícula [=] ftdL = Densidad del líquido [=] lb/ft3

dS = Densidad de partícula [=] lb/ft3Fa = Masa de agua [=] gFac = Flujo de aire caliente [=] kg/minFaf = Flujo de aire frío [=] kg/minFg = Masa de guayaba [=] gFah = Flujo de aire saturado [=] kg/hFm = Masa de maltodextrina [=] gFP = Masa de pulpa [=] gFpa = Flujo de polvo aglomerado [=] kg/hFpf = Masa de polvos finos [=] kg/minFS = Masa de semillas [=] gFSUS = Masa de suspensión [=] gg = Constante de gravedad [=] m2/sgc = Constanteh = Coeficiente de película para transferencia de calor [=] BTU/hr.ft.°F

h´ = Altura [=] mH = Entalpías [=] J/kgIr = Índice para el costo actualIs = Índice para costo baseKf =Conductividad térmica de la película de gas [=] W/m K

aireom = Flujo másico del aire caliente [=] kg/hmf = Humedad final [=] lb agua/lb polvo secomi = Humedad inicial [=] lb agua/lb polvo seco

s

om = Flujo de másico del polvo [=] kg/hM = Masa de la cama en el aglomerador [=] kgN = Velocidad de rotación [=] rpmPentrada = Presión de entrada del compresorPsalida = Presión de salida del compresorQ = Flujo de calorQs = Flujo de polvos en la entrada del aglomerador [=] kgr = Radio del polvo [=] ftr´= Radio del disco [=] mRc = Radio de la cámara de desecación [=] mt = Tiempo [=] hrstR = Tiempo de residencia en el aglomerador [=] h

58

V = Volumen [=] m3

Vr = Velocidad de radial [=] m/s.V0 = Velocidad de la mezcla aire y polvo que entra al ciclón [=] ft/hrW = Trabajows = Velocidad másica del fluido [=] kg/hX = Fracción de humedad en el sólido [=] kg agua/kg sólido secoY = Fracción de humedad en el aire [=] kg agua/kg aire secoZ = Profundidad del separador [=] ft∆HV = Calor latente de vaporización [=] BTU/lb∆T = Fuerza impulsora [=] °C

aireT∆ = Diferencia de temperatura del aire del estado inicial al final [=] °C

sT∆ = Diferencia de temperatura del polvo del estado inicial al final [=] °C∆Z = Diferencia de altura de un punto a otro [=] m

µ = Viscosidad del fluido. [=] lb/ft.hrρs = Densidad del líquido [=] kg/m3

ρt = Densidad del gas desecante en las condiciones de salida [=] kg/m3

ρa = Densidad del aire de atomización [=] kg/m3

γ = Exponente adiabático

59

XIV. BIBLIOGRAFÍA

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• INEGI, Encuesta Industrial Mensual 2001, pp. 211.

• INEGI, Encuesta Industrial Mensual 2002, pp. 77,245,386.

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• Masters, K., 1991, Spray Drying Handbook, Langman Scientific &Technical, 5a. Edition, New York.

• Perry R., 1973, Chemical Engineers’ Handbook, McGraw-Hill, FifthEdition, United States.

• Peters M., Timmerhaus K., 1991, Plant Design Economics for ChemicalEngineers, McGraw-Hill, Fourth Edition, United States.

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http://www.siea.sagarpa.gob.mx

http://www.inegi.gob.mx

http://www.fao.org

http://www.geocities.com

60

XV. APÉNDICES

APÉNDICE A. DATOS PARA LA OBTENCIÓN DE LA CURVA DE SECADO Y

DE LA VELOCIDAD DE SECADO.

En esta sección se encuentran los datos obtenidos a partir de la balanza de

humedad y los datos calculados a partir de estos para obtener las curvas de secado y de

velocidad de secado (Tabla 1a y 2a):

Tabla 1a. Mediciones experimentales para determinar la humedad

m total (g) 13.26m charola (g) 3.18

m pulpa-sólidos (g) 10.08m sólidos (gr) 1.74

Humedad (kg agua/kg. Seco) 0.83% Sólidos 17.26

Humedad de Equilibrio kg agua/kg total 0.0057

Tabla 2a. Datos medidos y calculados.

tiempo(s) m(g)m(g)

corregidaX base

secaX base

húmedadX/dt

Orden 30 13.26 10.08 4.793 0.827 0.0019000

20 13.25 10.07 4.787 0.827 0.001902340 13.23 10.05 4.776 0.827 0.001904360 13.16 9.98 4.736 0.826 0.001906180 13.1 9.92 4.701 0.825 0.0019077

100 13.02 9.84 4.655 0.823 0.0019091120 12.94 9.76 4.609 0.822 0.0019102

En la tabla anterior solo se presentan algunos datos para la representación de los

cálculos realizados.

Los valores de masa y tiempo son obtenidos directamente de la balanza de

humedad, los valores restantes fueron calculados, a continuación se presentan las

ecuaciones utilizadas.

• Para calcular la masa corregida

charolamedidacorregida mmm −= (A1)

61

• Para la obtención de la humedad en base seca se tiene la siguiente expresión:

ooasadesólid

asadeaguaabase m

mX

secsec = (A2)

• Para la obtención de la humedad en base húmeda se tiene la siguiente expresión:

dosólidohúme

aguaabase m

mX =sec (A3)

• La determinación de la velocidad de secado (dX/dt) se realizó por medio de un

método gráfico, esto es, se aproximo un polinomio de grado tres a la curva de

secado (humedad contra tiempo), y se derivo la expresión resultante, la cual se

presenta enseguida:

0.0024-t108+t106 7-211- ××=dtdX (A4)

Los valores que arroja el negativo de esta ecuación (-dX/dt) evaluada en cada

uno de los tiempos son graficados contra el tiempo.

62

APÉNDICE B. VALORES OBTENIDOS A PARTIR DE LOS BALANCES DE MATERIA EN LOS EQUIPOS.

A continuación se encuentran los datos de flujos y composición de las corrientes de cada uno de los equipos, así como el diagrama de

flujo del proceso, la cantidad que se desea producir es 250 toneladas anuales de polvo aglomerado.

Figura B1. Diagrama de Flujo del Proceso.

63

La ecuación de balance suponiendo estado estacionario es:

SalidasEntradas =

• Valores obtenidos en el mezclador.

Tabla 1b.Cantidades que deben ser alimentadas al mezclador

Pulpa kg/h 213.68Maltodextrina kg/h 81.20

Agua kg/h 720.59

Con el valor de 213.68 kg/h de pulpa, la cantidad de guayaba que es requerida para

llevar a cabo el proceso es: 224.37 kg/h.

A la salida del mezclador la suspensión tiene la siguiente composición:

Tabla 2b. Datos de la corriente de salida del mezclador.

Flujo total en la entrada de suspensión kg/h 1015.47Flujo de sólidos kg/h 121.86Flujo de agua kg/h 893.62Xa 0.88Xs 0.12Agua a evaporar kg/h 888.5

• Valores obtenidos en el secador por aspersión:

Los valores mostrados en la tabla 4b son los correspondientes a la corriente de entrada

del secador, por lo tanto solo se presentaran los valores de la corriente de salida:

Tabla 3b. Datos de la corriente de salida del secador

Flujo total en la salida de finos kg/h 110.30Flujo de sólidos kg/h 109.67Flujo de agua kg/h 0.628Xa 0.0057Xf 0.9943

64

Para la realización del balance se tomaron los equipos de secado y de separación

(ciclón) integrados, lo que arroja una eficiencia de 90% en la operación de secado.

• Valores obtenidos en el sistema de aglomeración:

Al igual que en el secador, los datos de la tabla 5 corresponden a corriente de entrada

del aglomerador.

Tabla 4b. Datos de la corriente de salida del aglomerador

Flujo total en la salida de aglomerados kg/h 108.5Flujo de sólidos kg/h 98.74Flujo de agua kg/h 9.77Xa 0.09Xf 0.91

La eficiencia es de 90% considerando los equipos integrados.

65

APÉNDICE C. INFORMACIÓN OBTENIDA PARA EL DISEÑO DE LOS

EQUIPOS

Para el diseño de los equipos involucrados en el proceso de producción de

polvos para preparar bebidas, es necesario contar con cierta información relevante del

sistema en cuestión, parte de esta información se encuentra en fuentes bibliográficas y

otros datos tienen que ser calculados, las siguientes tablas contienen los datos

requeridos en cada uno de los equipos además de las dimensiones estimadas.

Para el mezclador: Tenemos que el tanque de almacenamiento es de forma

cilíndrica y el sistema de agitación consiste enana canastilla con orificios que

permite una homogenización más eficaz, en la figura C1 se encuentra el esquema.

Figura C1. Esquema del Mezclador.

Tabla 1c. Datos requeridos para el diseño del mezclador.

Masa kg 1016Densidad kg/m3 1057Volumen mínimo m3 0.96Diámetro m 1.00Altura m 2.00Volumen total m3 1.57

66

Para el secador: La representación del una cámara de secados por aspersión se

muestra en la figura C2, el sistema trabaja a corrientes paralelas.

Figura C2. Secador por Aspersión de Disco Rotatorio.

67

Tabla 2c. Datos requeridos para el diseño del secador

Q Velocidad de trasferencia de calor, kJ/h 2680548Kf Conductividad térmica de la película de gas, W/m K 0.01V Volumen de la cámara de secado, m3 23.41Dt Fuerza impulsora de temperatura, °C 82.22Dm Diámetro máximo de la gota, ft 0.00ws Velocidad másica del flujo de líquido, kg/h 0.27

s Densidad del líquido, lb/m3 1057wa velocidad másica del flujo de aire de atomización kg/h 566.40

a Densidad del aire de atomización, kg/m3 1.18Va Velocidad del aire de atomización, m/h 42709Ds Diámetro del orificio de descarga, m 0.00rt Densidad del gas desecante en las condiciones de salida, kg/m3 0.82Rc Radio de la cámara de desecación, m 1.17r Radio del disco, m 0.02N Velocidad de rotación, rpm 20000H Altura de la cámara, m 4.67

68

Para los ciclones: El esquema del tipo de ciclón que se manejo se encuentra

representado en la figura C3.

Figura C3. Ciclón de Aceleración Centrifuga.

a) Ciclón Integrado al secador

Tabla 3c. Datos requeridos para el diseño del ciclón acoplado al secador

Flujo volumétrico de entrada de aire, m3/s0.97

Faire a la entrada de aire, m/s15

69

Tabla 4c. Datos calculados para el primer ciclón

Dc, m 0.57Bc, m 0.14De, m 0.29Hc, m 0.29Lc, m 1.15Sc, m 0.07Zc, m 1.15Jc, m 0.14H, m 2.30

b) Integrado al Sistema de Aglomeración

Tabla 5c. Datos requeridos para el diseño del ciclón acoplado al aglomerador

Flujo volumétrico de aire a la entrada m3/s0.36

Faire a la entrada de aire, m/s15

Tabla 6c. Datos calculados para el segundo ciclón

Dc, m 0.35Bc, m 0.09De, m 0.18Hc, m 0.18Lc, m 0.70Sc, m 0.04Zc, m 0.70Jc, m 0.09H, m 1.41

70

Para el sistema de aglomeración: La representación esquemática del sistema de

aglomeración de finos (lecho fluidizado) con el cual se trabajo se presenta en la

figura C4.

Figura C4. Sistema de Aglomeración de Lecho Fluidizado.

Uno de los parámetros que deben tomarse en cuenta para el diseño de un

sistema como el presentado en la figura, es que la altura de la parte cilíndrica es una

variable que puede fijarse arbitrariamente, con el fin de tener una altura mayor que

permita el menor arrastre de polvos finos fuera del equipo.

71

Tabla 7c. Datos requeridos para el dimensionamiento del aglomerador.

Tiempo de residencia, h 0.250Temperatura del lecho, °C 45.Cp del sólido, J/kg K 0.0000956Cp del aire, J/kg K 0.0000568Densidad del aire, kg/m3 0.800Flujo másico de aire caliente, kg/h 4.96Flujo de sólidos finos, kg/h 120Temperatura de los sólidos de alimentación, °C 20Humedad relativa del aire de alimentación., % 40Humedad absoluta del aire de alimentación.kg agua / kg aire seco 0.060Humedad del aire de entrada (saturado)kg agua / kg aire seco 0.068Humedad del polvo a la entrada, kg H2O/kg totales 0.006Humedad del polvo aglomerado, kg H2O/kg totales 0.090Masa de polvo suspendida, kg 30Densidad empacada del polvo fino, kg/m3 471.7Densidad empacada del polvo aglomerado, kg/m3 696.23Altura de la parte cónica, m 0.105Diámetro, m 0.947Volumen de la parte cónica, m3 0.165Altura de la parte cilíndrica, m 1.895Volumen de la parte cilíndrica, m3 1.410Masa de polvo perdida, kg 12Flujo de Polvo aglomerado, kg/h 108Flujo volumétrico del polvo fino, m3/h 0.254Volumen del lecho, m3 0.083

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APÉNDICE D. ESTIMACIÓN ECONÓMICA.

Las correlaciones que a continuación se presentan fueron utilizadas para obtener

parámetros económicos sólidos que permitan saber si el proceso es rentable.

Costo de compra = Costo base * FC *Índice

FC = Factor de corrección

Inversión Total = Capital fijo + Capital de trabajo + Capital de inicio.

Capital de trabajo =0.15 (Total de Inversión)

Capital de Inicio = 0.1 (Capital fijo)

Inversión Total = 1.30 (Capital fijo)

Capital Fijo = Costo Directo en el sitio + Costo Indirecto fuera del sitio

Capital fijo = 1.25 (en el sitio y fuera del sitio)

Inversión Total = Costo fijo de capital + 0.15 (Inversión total) + 0.1 Capital fijo

Inversión Total = 1.30 (1.25) (Costo directos dentro y fuera del sitio)

Inversión Total = 1.625 (Costos directos fuera y dentro del sitio)

-Costos de Producción

Costo total de Producción = Costo de manufactura + SARE o gastos

generales.

SARE = 0.025 Ingresos por ventas

Costo de manufactura = Costo directo de producción + Cargos fijos + OVHD de

planta

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Costo directo de Producción = Materia Prima + Servicios + Mantenimiento

Refacciones + Trabajo + Supervisión + Laboral + Regalías

Mantenimiento = 0.04 del capital fijo

Refacciones = 0.15 mantenimiento

Refacciones = 0.15 (0.04) Capital fijo

Regalias = 0.03 Costo total de Producción

Costos directos de Producción = Materia Prima + Servicios + 0.046 Capital

fijo + 1.35 Trabajo + 0.03 Costo total de Producción

Cargos fijos = Impuestos + Seguro + Renta + Impuestos Locales

Impuestos locales + Seguros = 0.03 Capital fijo

Cargos fijos = 0.03 Capital fijo

Planta OVHD = 0.6 (trabajo + supervisión + mantenimiento)

Planta OVHD = 0.6 (trabajo + 0.2 trabajo + 0.04 capital fijo)

Planta OVHD = 0.72 Trabajo + 0.024 Capital fijo

Costo Total de Producción = Costo manufactura + SARE(generales)

Costo Total de Producción = 1.03 (materia prima + servicios) + 2.13

(trabajo) + 0.103 Capital fijo + 0.025 Ingresos por ventas