balance de masa y energía para el concentrado de piña]

20
1 Índice Introducción……………………………………………………………………………...2 Línea de proceso…………………………………………………………………………4 Suposiciones……………………………………………………………………………..5 Diagrama del proceso……………………………………………………………………6 Balances de masa y energía……………………………………………………………...7 Resultados………………………………………………………………………………13 Conclusiones……………………………………………………………………………15 Bibliografía……………………………………………………………………………..16 Glosario………………………………………………………………………………...16 Apéndice………………………………………………………………………………..18

Upload: mario-lios

Post on 25-Sep-2015

151 views

Category:

Documents


4 download

DESCRIPTION

Balance de Masa y Energía para el proceso de producción de piña a partir de su concentrado

TRANSCRIPT

  • 1

    ndice

    Introduccin...2

    Lnea de proceso4

    Suposiciones..5

    Diagrama del proceso6

    Balances de masa y energa...7

    Resultados13

    Conclusiones15

    Bibliografa..16

    Glosario...16

    Apndice..18

  • 2

    Acerca de Florida Products

    Costa Rica por su ubicacin geogrfica, presenta caractersticas ptimas para la

    plantacin de frutas tropicales como la pia. Esta y otras frutas como banano o mango

    presentan gran demanda a nivel mundial lo cual representa gran parte de la economa

    del pas. La fruta de gran calidad es procedente de granjas certificadas por organismos

    privados como Global Gap y Forest Certified las cuales establecen normas voluntarias

    a travs de las que se pueden certificar productos agrcolas. No solo la fruta es cotizada

    mundialmente, sino que tambin productos derivados de sta, como por ejemplo los

    concentrados.

    La planta procesadora Florida Products se especializa en este proceso, de la

    pia, el banano y el mango producen concentrados y pures para exportacin y consumo

    nacional. La empresa esta estratgicamente ubicada en el Barreal de Heredia, cerca de

    San Jos y a 8 km del Aeropuerto Internacional Juan Santamara.

    Cada etapa de los procesos es analizada cuidadosamente para garantizar los

    procedimientos correctos y las medidas de garanta de calidad. Desde la granja hasta el

    empaquetado de los productos, almacenamiento y carga, se aseguran altos niveles de

    calidad e higiene pues para la exportacin y consumo del producto se deben cumplir

    altos estndares y normas de limpieza y calidad. Se utiliza el equipo ms avanzado que

    asegura que los productos tengan el sabor requerido, aroma, color, textura y estabilidad.

    La planta de Florida Products est registrada en Food and Drug Administration,

    una agencia del departamento de salud y servicios humanos de los EE.UU la cual tiene

    la resposabilidad de garantizar altos niveles de calidad en los alimentos y medicamentos

    que pasan por este pais. De igual forma los procesos termodinmicos que son llevados

    acabo dentro de las instalaciones estn debidamente controlados bajo las regulaciones

  • 3

    establecidas para acidificado y procesado de bajo contenido de cido en los alimentos.

    Organismos tales como Food Producers Association (FPA) supervisan los procesos de

    la planta.

    La empresa es miembro de SGF-IRMA (Schutzgemeinschaft der Fruchtsaft

    Industrie e. V.), que se encuentra en Nieder-Olm, Alemania, es una asociacin de jugos

    de fruta de la UE. Tambien es parte del Sistema de Control Voluntario de esta

    organizacin. Los productos ofrecidos estn certificados por Eco Logica, Bio Suisse y

    NOP.

    Dentro de losprincipales productos que vende Florida Products se encuentran,

    purs de banano, pia y mango, jugos de banano y pia, concentrados de caf, asi como

    concentrados de pia.La compaa ofrece distintas calidades para este ltimo producto

    segn los requerimientos del cliente, sin embargo el producto a analizar corresponde al

    jugo de pia concentrado asptico y congelado a 60 Brix.

  • 4

    Lnea de Proceso

    Para realizar el presente trabajo, de la empresa Florida Products se tom la

    produccion del concentrado de pia para su estudio. Este producto, se obtiene de

    procesos mecnicos sobre pias frescas tipo golden, provenientes de fincas

    costarricenses. Las pias enteras entran inicialmente a un extractor donde se separan la

    cascara y solidos no deseados en una corriente, que por conveniencia se tomar como

    desecho (en la planta se utiliza para otros subprocesos fuera del interes de esta

    investigacion), y en otra corriente sale la parte de la fruta que se considera util para la

    produccin del jugo. Esta corriente representa un 70% de la masa de entrada y los

    desechos un 30%.

    A continuacin, la pulpa obtenida pasa a un separador donde se termina de

    eliminar cualquier solido que todava se encuentre asi como los restos de fibra que trae

    la pia entera dando como corriente de salida un jugo de pia de aproximadamente 12

    Brix. Los grados Brix son una medida representativa del azucar contenido en una

    solucion acuosa. 1 grado Brix corresponde a un 1 gramo de sacarosa (azucar de mesa)

    por 100 gramos de solucin.

    El jugo obtenido a este punto, representa en masa, aproximadamente la mitad de

    la masa inicial del proceso (pias enteras). Este entra entonces a un evaporador a

    temperatura y presion ambiente. Al entrar, primero el jugo se hace pasar por un

    pasteurizador para eliminar cualquier agente microbiologico que pueda contaminar el

    producto, y luego con temperatura inicial de 100 oC y una presion de al menos 25 psia

    (1,72 atm) se elimina todo el agua contenida en el jugo por medio de un proceso de 7

    subcamaras donde se aumenta en cada uno una cantidad minima de temperatura. En la

    planta, se pudo observar como las muestras de cada subcamara iban aumentando su

    grado Brix hasta obtenerse un producto final de concentrado de pia a 60 Brix,

    comportamiento esperado pues en cada una de ellas al disminuir la cantidad de agua, la

    concentracion de azucar deberia ser mayor. Del jugo que entra, un 85% se desecha

    como agua de pia (simplemente es agua, pero asi se le llama en la planta) y el restante

    15% es concentrado de pia listo para ser empaquetado y exportado.

  • 5

    Suposiciones para las condiciones ideales.

    La presin en el evaporador es constante.

    No hay fugas.

    No se pierde calor en tuberas ni equipos.

    No hay prdidas de producto en el extractor, el separador ni en el evaporador.

  • 6

    Diagrama del proceso

  • 7

    Balance de masa y energa (por equipo)

    Cantidad total de pia para la produccin de concentrado: 16000 kg/h de pia.

    Base de clculo: 1 hora de produccin.

    Balance en el extractor.

    Segn los datos suministrados por la empresa Florida Products, al extractor

    entran 16000kg/h de pia, los cuales despus de la debida extraccin saldrn dos

    corrientes, la primera ser de un 30% que corresponde a la cscara de pia y, un 70%

    que corresponde a pulpa de pia.

    Las condiciones en el extractor son: Temperatura: 25C. Presin: 1 atm

    Por lo tanto:

    Pulpa de pia: 16000 kg * 70% = 11200 kg de pulpa.

    Cscara de pia: 16000 kg * 30% = 4800 kg de cscara.

    Nota: Para este proceso en particular la cscara de pia es desechada, solo se trabajar

    con la pulpa de pia, que posteriormente entrar a un separador.

  • 8

    Balance en el separador.

    De los 11200 kg de pulpa que entran al separador, ste va a tener dos corrientes

    de salida, la primera que va a estar compuesta por 3200 kg de slidos, y la segunda

    corriente compuesta por 8000 kg de jugo de pia. Las corrientes representan un 71% de

    jugo de pia y un 29% de slidos, stos ltimos son desechados para este proceso.

    Las condiciones en el separador son: Temperatura: 25C. Presin: 1 atm

    Por lo tanto:

    Jugo de Pia: 8000 kg (71%)

    Desechos Slidos: 3200 kg (29%)

    Balances en el evaporador.

    En este punto entran 8000 kg de jugo de pia, los cuales despus entran al

    evaporador y saldrn dos corrientes, la primera compuesta por un 85 % de agua de pia

    y, la segunda compuesta por 15% de concentrado de pia.

  • 9

    Las condiciones de temperatura y presin son:

    Antes de entrar al evaporador:

    Temperatura: 25C. Presin:1 atm

    Despus de salir del evaporador:

    Temperatura: 100C. Presin: 25 psia (1,72 atm)

    Masas a la salida del evaporador:

    Agua de Pia: 8000 kg * 85% = 6800 kg

    Concentrado de Pia:8000 kg * 15% = 1200 kg

    Balance de energa en el evaporador:

    Datos:

    Cp jugo de pia = 3.853

    Cp agua de pia = 4.216

    Cp concentrado de pia = 2.682

    Nota: Los datos, tanto del Cp del jugo de Pia como del Cp del concentrado de Pia al

    no ser posible encontrarlos en ningn libro ni por parte de la empresa, se utilizo la

    siguiente formula:

    Cp = 1,424mc+1,549mp+1,675mf+0,837ma+4,187mm

  • 10

    En la que m es la fraccion en peso y los subndices c, p, f, a y m se refieren

    respectivamente a carbohidratos, protena, grasa, cenizas y humedad. De los anlisis

    qumicos tanto del jugo de pia como del concentrado brindados por la empresa, (se

    pueden observar en el apndice) se obtuvieron los datos de dichas fracciones en peso

    para obtener un Cp con alto grado de exactitud.

    El Cp del agua de Pia fue tomado como un aproximado al del Cp del agua a 100C ya

    que se desconoca este dato.

    Calor en el evaporador:

    = =

    = + .

    = 6800 4.216

    75 + 1200

    2.682

    75

    = 2 391 540

    =

    = 8000 3.853

    75

    = 2 311 800

    = = 2 391 540 (2 311 800 ) = 4 703 340

    = 4 703 340

  • 11

    Otra manera de sacar el calor en el evaporador hubiese sido usando la Primera Ley de la

    Termodinmica:

    + 1 = 2 + 3

    = ( 2 + 3) 1

    = (6800 4.216

    75 + 1200

    2.682

    75) 8000

    3.853

    75

    = 4 703 340

    Como era de esperarse, por cualquiera de los dos mtodos el resultado va a ser el

    mismo, adems se comprueba que el calor del evaporador ser positivo.

  • 12

    Comparacin del flujo de masa en el evaporador contra una caldera de Bunker de

    100 HP.

    Flujo de masa en el evaporador

    Mediante la frmula: = se puede obtener el flujo de masa por hora en el

    evaporador, utilizando como referencia = 150 000

    = 56 248, 86

    , tomando

    como factor de conversin la densidad de una caldera Bunker, = 743,3

    , para

    obtener las unidades de

    de la , donde es la entalpa en una caldera de bunker, por

    lo tanto:

    = 4 703 340

    = 56 248,86

    = 83,62

    Flujo de masa para una caldera Bunker de 100 HP

    Mediante la frmula: = se puede obtener el flujo de masa por hora en la

    caldera Bunker, con = 56 248, 86

    , y por medio de datos tabulados para la caldera,

    a 100 HP se tiene que = 4 216 090,984

    , por lo tanto el flujo de masa en la

    caldera de Bunker ser: =4 216 090,984

    56 248,86

    = 74,95

    Por lo tanto al comparar el flujo de masa del evaporador con la caldera de Bunker se

    tiene que:

    83,62

    > 74,95

    En el resultado anterior podemos observar que el flujo de masa del evaporador

    es mayor que el de la caldera de Bunker de 100 HP, por lo tanto quiere decir que para la

    produccin del concentrado de pia se tendr que utilizar una caldera de una potencia

    mayor a 100 HP.

  • 13

    Resultados

    Florida Products, en la produccin del concentrado de pia utiliza grandes

    equipos de separacin, para as seleccionar toda la fruta til y obtener jugo de pia, el

    cual, entra a un evaporador para eliminar el agua de pia y obtener un concentrado de

    calidad para la exportacin y consumo nacional. Este ltimo equipo, el evaporador, es el

    centro de este trabajo, al cual se le realiz un balance tanto de masa como de energa. Se

    debe tomar en cuenta, que los datos de masa brindados por la empresa, estn sujetos a

    suposiciones realizadas, como por ejemplo, que no hay prdida en ninguna de las

    corrientes del sistema, no hay fugas (pues habra prdida de masa), que no quedan restos

    de jugo ni de pia en ninguna de las tuberas. Entonces, como se observa en el

    diagrama, toda la masa que entra (16000 kg) es igual a la suma de todas las corrientes

    de salida en toda la lnea de proceso.

    En el extractor y el separador, al ser un proceso meramente de separacin,

    simplemente la masa que entra es igual a la suma de las que salen, sin ninguna prdida

    pues se trata de un proceso ideal. Al enfocarse en el evaporador, en cuanto a masa,

    como el proceso esta idealizado, la cantidad de jugo que entra, es igual a la masa del

    concentrado ms la del agua de pia, pues un evaporador en realidad es un simple

    separador, que aprovechando el conocimiento del punto de ebullicin del agua (100C),

    logra separar estos dos componentes por medio de un incremento de temperatura.

    Respecto a energa, es claro que el evaporador posee una entrada de calor puesto

    que se ocupa un aumento de temperatura para que el equipo logre realizar su funcin.

    Entonces al realizar el balance, por medio de la Primera Ley de la Termodinmica, el

    jugo que entra, adquiere calor, entonces este se obtiene positivo, como es de esperarse.

    Para realizar los clculos, fue necesario encontrar los Cps del jugo de pia y del

    concentrado. Utilizando la formula obtenida de la literatura de tecnologa de alimentos:

    Cp = 1,424mc+1,549mp+1,675mf+0,837ma+4,187mm

    Y los anlisis qumicos de las sustancias (brindados por la empresa) se obtuvo

    que el Cp del jugo es 3.853

    , cabe destacar que como el jugo de pia es en gran parte

    agua, era de esperarse que el valor de su Cp se encuentre cercano al del agua. Para el Cp

  • 14

    del concentrado se obtuvo 2.682

    , y para el Cp del agua de pia (que en realidad es

    agua pero as le llaman en Florida Products) se utiliz el Cp del agua a 100C, 4.216

    Luego de realizar los clculos se obtuvo un calor de 4 703 340 kJ. Aunque los

    grados Brix estn fuera del estudio de este curso, se podra destacar que a la entrada, el

    jugo posee alrededor de 12 Brix y la salida alrededor de 60 Brix, esto es de esperarse

    pues lo que se mide es la cantidad de azcar por solucin, y al disminuir el agua, ya que

    se separa, la cantidad de azcar por solucin debe aumentar.

    Al comparar el flujo de masa del evaporador con la caldera de Bunker se puede

    observar que se necesitar una caldera mayor a 100 HP para que se lleve a cabo, a partir

    del juego de pia la produccin de concentrado de pia.

  • 15

    Conclusiones

    En el presente trabajo, se realiz el anlisis termodinmico de un proceso de

    evaporacin de jugo de pia para obtener como producto final un concentrado. Cabe

    destacar que en la empresa Florida Products, no poseen los datos exactos del proceso,

    por lo tanto los datos suministrados en realidad eran ideales, un aproximado. Ellos no

    posean los datos reales pues la produccin de concentrado a partir de la fruta, es un

    proceso sujeto a muchos factores externos, como por ejemplo, la poca del ao, ya que

    la madurez de la pia vara. Segn su madurez, el azcar en la pia puede ser mayor o

    menor al requerido para obtener el producto deseado con 60 Brix y entonces las

    variantes del proceso (temperatura, por ejemplo) se deben ajustar segn los

    requerimientos del concentrado.

    En los procesos reales siempre hay prdidas de masa, ya sea por fugas en alguna

    tubera o acumulacin en alguno de los equipos, el balance de masa, como est

    idealizado, la misma masa que entra es igual a la suma de todas las corrientes que salen.

    Otra razn por la cual la empresa no est interesada en conocer los datos reales exactos,

    es porque los equipos utilizados, requieren de constante limpieza y mantenimiento, por

    lo que la produccin varia todos los das.

    Aun as, la empresa si contaba con rangos de masas (valores mnimos por lo

    menos) para tener idea de la efectividad del proceso, pues no sera rentable realizar un

    proceso donde la ganancia que produce el concentrado no logra respaldar

    econmicamente el proceso que este conlleva.

    Con respecto a la comparacin del flujo de masa del evaporador contra la

    caldera de bunker de 100 HP, es posible observar que el flujo de masa que hay en el

    evaporador es mayor que el flujo de la caldera de bunker, por lo tanto segn datos

    tabulados, en la empresa Florida Products, para la produccin del concentrado de pia

    solamente va a poseer una caldera de una potencia mayor a los 100 HP.

  • 16

    Bibliografa

    Singh, R.P, Heldman, D.R (n.d). Introduccin a la ingeniera de los alimentos. Editorial

    Acribia, Zaragoza. pp 151-157.

    Florida Products. Obtenido el 20 de Junio del 2010 de http://www.floridaproducts.net/.

    Cleaver Brooks. Obtenido el 5 de Julio del 2010 de http://cleaver-brooks.com.mx/.

    Recope. Obtenido el 6 de Julio del 2010 de http://www.recope.go.cr

    Glosario

    Caldera: Es una mquina o dispositivo de ingeniera que est diseado para generar

    vapor saturado. ste vapor se genera a travs de una transferencia de calor a presin

    constante, en la cual el fluido, originalmente en estado lquido, se calienta y cambia de

    estado. Las calderas son un caso particular de intercambiadores de calor, en las cuales se

    produce un cambio de fase. Adems son recipientes a presin, por lo cual son

    construidas en parte con acero laminado a semejanza de muchos contenedores de gas.

    Calor: Transferencia de energa trmica desde un sistema a otro de menor temperatura.

    La energa trmica puede ser generada por reacciones qumicas, reacciones nucleares,

    disipacin electromagntica, o por disipacin mecnica. Su concepto est ligado al

    Principio Cero de la Termodinmica, segn el cual dos cuerpos en contacto

    intercambian energa hasta que su temperatura se equilibre.

    Calor especfico: Para una sustancia o sistema termodinmico se define como la

    cantidad de calor que hay que suministrar a la unidad de masa del sistema considerado

    para elevar su temperatura en una unidad (kelvin o grado Celsius) a partir de una

    temperatura dada; en general, el valor del calor especfico depende de dicha temperatura

    inicial.

  • 17

    Capacidad calorfica: Para una sustancia o sistema termodinmico se define como la

    cantidad de calor que hay que suministrarle para elevar su temperatura en una unidad

    kelvin o grado Celsius) a partir de una temperatura dada.

    Entalpa: Magnitud de termodinmica simbolizada con la letra H, la variacin de

    entalpa expresa una medida de la cantidad de energa absorbida o cedida por un sistema

    termodinmico, o, lo que es lo mismo, la cantidad de energa que tal sistema puede

    intercambiar con su entorno.

    Flujo msico: Cantidad de masa que pasa por una seccin transversal por unidad de

    tiempo, se denota mediante .

    Grados Brix: Los grados Brix son una medida representativa del azcar contenido en

    una solucin acuosa. 1 grado Brix corresponde a un 1 gramo de sacarosa (azcar de

    mesa) por 100 gramos de solucin.

    Principio de conservacin de la masa: Transferencia neta de masa hacia o desde el

    volumen de control durante un intervalo de tiempo es igual al cambio neto

    (incremento o disminucin) en la masa total dentro del volumen de control.

    Sistema abierto: sistema que puede tener variacin de masa, como por ejemplo

    intercambio de gases o lquidos, o de alimentos en los seres vivos.

    Sistema cerrado: sistema en el cual no entra ni sale masa, pero que puede intercambiar

    calor y energa con el ambiente.

  • 18

    Apndice

    Figura 1: Anlisis qumico de concentrado de pia (60 Brix)

  • 19

    Figura 2: Anlisis qumico de jugo de pia

  • 20