LABO 1-EVAPORACION
-
Upload
yurico-elizabeth -
Category
Documents
-
view
33 -
download
0
Transcript of LABO 1-EVAPORACION
LABORATORIO N°01: EVAPORACIÓNINGENIERÍA DE ALIMENTOS 3
ALUMNA: MARTÍNEZ SALDAÑA, YURICO ELIZABETH
TRUJILLO-2012UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
TURNO: MIÉRCOLES 3-5PM
LABORATORIO N°1: EVAPORACIÓN
I. OBJETIVOS
Determinar el efecto que produce la presión de vacío y la
concentración de sólidos (soluciones sacarosa-agua) en su
temperatura de ebullición.
II. FUNDAMENTO TEÓRICO
La evaporación es la operación unitaria que se utiliza para la remoción
parcial de agua de un alimento líquido mediante ebullición; al hacerlo se
presenta una concentración de sólidos en el alimento. En procesos de
transformación que requieran de concentración previa tales como la
producción extractos de altos sólidos o secos a partir de jugos de frutas,
leche y café, la evaporación es una operación previa al secado, congelación
o esterilización. Con ella, además de reducir la actividad de agua lo que
favorece la preservación, se logra desarrollar en algunos casos sabores y
coloración deseables como en los casos de productos caramelizados y/o de
panadería.
En muchos procesos para la producción de alimentos, el agua debe ser
eliminada de líquidos diluidos para producir productos concentrados o
secos.
Las operaciones que pueden utilizarse para extraer el agua se incluyen: la
evaporación, la concentración por congelación (crio concentración), la
ósmosis inversa, y el secado. La elección depende del grado de
concentración requerido, del efecto del proceso en el producto, de la fuente
de energía requerida y del costo relativo del proceso.
La evaporación consiste en la eliminación de agua de un alimento fluido
mediante vaporización o ebullición, para incrementar la concentración del
soluto. En la industria de los alimentos se utiliza para tres fines principales:
1) La concentración previa de un líquido antes de proceder a operar con él,
por ejemplo, antes del secado por atomización, secado en tambor,
cristalización, etc.
2) La disminución del volumen de líquido para reducir los costos de
almacenamiento, embalaje y transporte.
3) Para aumentar la concentración de los sólidos solubles de los productos
alimenticios, a fin de facilitar su preservación como, por ejemplo, en la
manufactura de la leche condensada edulcorada.
Figura 1. Principio de la concentración de una solución por evaporación del disolvente:
A: Solución antes de la evaporación del disolvente
B: Solución concentrada tras la evaporación del disolvente
Q: Suministro de calor
1: Sólidos disueltos
2: Disolventes
A. Factores de proceso
Las propiedades físicas y químicas de la solución que se está concentrando y del
vapor que se separa tienen un efecto considerable sobre el tipo de evaporador
que debe usarse y sobre la presión y la temperatura del proceso. A continuación
se analizan algunas propiedades que afectan a los métodos de procesamiento.
1. Concentración en el líquido . Si se trata de un disolvente puro, su
temperatura de ebullición sería la correspondiente a la presión que se
mantuviera en la cámara de evaporación, pero al tratarse de disoluciones,
la presión de vapor de la disolución es menor que la del disolvente puro y
por tanto la temperatura de ebullición de la disolución es mayor,
produciéndose un incremento del punto de ebullición (ley de Raoult y el
aumento ebulloscópico).
El incremento en el punto de ebullición no se determina teóricamente, sino
experimentalmente debido a las desviaciones respecto a lo ideal. Esto se
hace mediante la conocida regla de Dühring: “si se representa el punto de
ebullición de una disolución frente al punto de ebullición del disolvente, los
puntos correspondientes a distintas presiones, caen en una linea recta”.
2. Solubilidad . A medida que se calienta la solución y aumenta la
concentración del soluto o sal, puede excederse el límite de solubilidad del
material en solución y se formaran cristales. Esto limita la concentración
máxima que puede obtenerse por evaporación de la solución. En la figura
8.1-l se muestran algunas solubilidades en agua de ciertas sales en función
de la temperatura. En la mayoría de los casos, la solubilidad de la sal
aumenta con la temperatura. Esto significa que, al enfriar a temperatura
ambiente una solución concentrada caliente que proviene de un evaporador
puede presentarse una cristalización.
3. Sensibilidad térmica de los materiales. Muchos productos, en especial
los alimentos y otros materiales biológicos, son sensibles a la temperatura y
se degradan cuando ésta sube o el calentamiento es muy prolongado.
Entre ellos están los materiales farmacéuticos; productos alimenticios
como leche, jugo de naranja y extractos vegetales; y materiales químicos
orgánicos delicados. La cantidad de degradación está en función de la
temperatura y del tiempo.
4. Formación de espumas . En algunos casos, los materiales constituidos por
soluciones cáusticas, soluciones de alimentos como leche desnatada y
algunas soluciones de ácidos grasos, forman espuma durante la ebullición.
Esta espuma es arrastrada por el vapor que sale del evaporador y puede
producir pérdidas de material.
5. Presión y temperatura . El punto de ebullición de la solución está
relacionado con la presión del sistema. Cuanto más elevada sea la presión
de operación del evaporador, mayor será la temperatura de ebullición.
Además, la temperatura de ebullición también se eleva a medida que
aumenta la concentración del material disuelto por la acción de la
evaporación.
B. Elevación del punto de ebullición y regla de Dühring.
La presión de vapor de la mayor parte de las disoluciones acuosas es menor que
la del agua a la misma temperatura. Por tanto, para una presión dada, la
temperatura de ebullición de las disoluciones es mayor que la del agua pura. El
aumento del punto de ebullición sobre el del agua se conoce con el nombre de
elevación del punto de ebullición de la disolución.
Ecuación 1:
Dónde:
ΔTeb = Ascenso del punto de ebullición.
Teb = Temperatura de ebullición de la solución.
Tºeb = Temperatura de ebullición del solvente puro.
Es pequeño para disoluciones diluidas y para disoluciones de coloides orgánicos
pero puede alcanzar un valor de hasta 150 “F para disoluciones concentradas de
ΔTeb = Teb - Tºe
sales inorgánicas. La elevación del punto de ebullición tiene que restarse de la
caída de temperatura que se predice a partir de las tablas del vapor de agua.
Para disoluciones concentradas la elevación del punto de ebullición se obtiene
mejor a partir de una regla empírica conocida como regla de Dühring, según la
cual la temperatura de ebullición de una determinada disolución es una función
lineal de la temperatura de ebullición del agua pura a la misma presión. Por tanto,
si se representa la temperatura de ebullición de la disolución frente a la del agua a
la misma presión se obtiene una línea recta. Para diferentes concentraciones
resultan diferentes rectas. Para todo el intervalo de presiones la regla no es
exacta, pero para un intervalo moderado las líneas son aproximadamente rectas
aunque no necesariamente paralelas.
La Figura 3. Es un conjunto de líneas de Dühring para disoluciones de hidróxido
sódico en agua. La utilización de esta figura se puede ilustrar mediante un
ejemplo. Si la presión sobre una disolución de hidróxido sódico al 25 por 100 es tal
que el agua hierve a 180 “F, leyendo sobre el eje x para 180 “F en la línea de la
disolución del 25 por 100, se encuentra horizontalmente en el eje y que la
temperatura de ebullición de la disolución a esta presión es 200 “F. La elevación
del punto de ebullición de la disolución para esta presión es, por tanto, 20 “F.
Figura 2. Diagrama de Dühring
Figura 2. Líneas de Dühring para disoluciones de hidróxido sódico en agua
(Según McCabe)
Esta regla sólo es válida para intervalos de presiones no muy amplios. por otra
parte, los mejores resultados se obtienen cuando las características físicas y
químicas de los dos líquidos son similares. El punto de ebullición determinado
mediante la regla de Dühring corresponde a la superficie libre del líquido. En
muchos evaporadores, la ebullición se produce a cierta profundidad, con lo que la
presión sobre el líquido en contacto con dicha superficie, (donde se produce la
ebullición), es mayor que la existente sobre la superficie libre, debido a la presión
hidrostática correspondiente a la altura del líquido. El incremento del punto de
ebullición debido a la carga hidrostática disminuye la diferencia media de
temperatura entre el vapor de calefacción y la disolución hirviente, con la
consiguiente pérdida de capacidad en el evaporador. La influencia de la carga
hidrostática no se tiene en cuenta, y es difícil de evaluar, pero para alturas y
velocidades de líquido elevadas, no debe ignorarse.
III. MATERIALES Y METODOLOGÍA
III.1. MATERIALES Y EQUIPOS
III.1.1. Materiales:
- Azúcar.
- Agua destilada (soluciones azucaradas de 400 mL).
III.1.2. Equipo:
- Equipo de destilación con reflejo de condensación
- Balón de tres bocas.
- Condensador de bolas.
- Termómetro digital
- Bomba de vacío
- Soporte universal
- Cocina eléctrica.
- Tapones.
- Mangueras.
- Brixómetro
III.1.3. Otros:
- Balanza Analítica
- Vasos de precipitación.
III.2. METODOLOGÍA
III.2.1. Preparación de las muestras:
Se prepararon tres soluciones de sacarosa a concentraciones de
40 y 60 °Brix. El de 30 °Brix lo tomaremos de dato el primer
grupo de laboratorio.
III.2.2. Procedimiento:
• Se instaló el equipo experimental adecuado para la realización de la
evaporación. Primero se comenzó a armar el equipo de evaporación
cual consiste de un balón de vidrio a donde se deposita la muestras
de sacarosa a y a donde también van acoplados los demás equipos
necesarios para la evaporación a presión de vacío. (Ver Anexo 1).
• Las muestras fueron introducidas en el balón de tres bocas por
medio de una boca lateral y se calentaron con una cocina eléctrica.
Cuando la solución de sacarosa a diferentes concentraciones
alcanzó la temperatura de ebullición, se estableció un flujo de
recirculación en la válvula del soxhlet.
• Las soluciones de sacarosa son preparadas con unas
concentraciones de 40 ºBrix la cual fue depositada en el balón al
cual se le aplico presión de vacío y fue calentado por medio de
agua a temperatura de 98 ºC a presión atmosférica.
• La mezcla líquido-vapor liberada de la superficie líquida fluyó a
través de la boca intermedia del balón, donde se determinó la
temperatura, con una termocupla. Entre tanto el vapor liberado
asciende por el tubo más angosto del equipo soxhlet, hasta llegar al
condensador de bolas en donde es enfriado por acción del agua que
se recircula, retornando a la parte más ancha del soxhlet, en donde
a través de la válvula desciende al balón.
• Cuando llegue a condiciones estables, anotar la presión de la
cámara de evaporación y temperatura.
• Luego anotar el tiempo cada vez que veamos un cambio,
registrando el incremento de temperatura de ebullición a cada
presión.
IV. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Tabla 1. Resultados de la evaporación de 30°Brix de una solución de
sacarosa a diferentes presiones de vacío.
PRESIÓN VACÍO (BAR)
PRESIÓN ABSOLUTA
(BAR)
T° SATURACIÓN
T°EBULLICION AGUA (°C) Δte Δte*
0 1.01325 99.96 101 1.04 0.999
-0.1 0.91325 96.88 96 -0.88 0.985
-0.2 0.81325 94.68 92 -2.68 0.970
-0.3 0.71325 90.22 82 -8.22 0.953
-0.4 0.61325 86.57 80 -6.57 0.933
-0.5 0.51325 81.87 76 -5.87 0.911
-0.6 0.41325 76.58 71 -5.58 0.884
-0.7 0.31325 69.99 66 -3.99 0.852
65 70 75 80 85 90 95 10065
70
75
80
85
90
95
100
105
f(x) = 1.15772315171205 x − 17.8304507444217R² = 0.954665461584847
T°SATURACIÓN (°C)
TEM
PERA
TURA
EBU
LLIC
IÓN
(°C)
Figura 4. T° Saturación vs T° Ebullición (°C) a 30 °Brix
Tabla 2. Resultados de la evaporación de 40°Brix de una solución de
sacarosa a diferentes presiones de vacío.
PRESIÓN VACIO (BAR)
PRESIÓN ABSOLUTA
(BAR)
T° SATURACIÓN
T°EBULLICION AGUA (°C) Δte Δte*
0 1.01325 99.96 103 3.04 1.749
-0.1 0.91325 96.88 98 1.12 1.725
-0.2 0.81325 94.68 96 1.32 1.698
-0.3 0.71325 90.22 93 2.78 1.668
-0.4 0.61325 86.57 88 1.43 1.634
-0.5 0.51325 81.87 83 1.13 1.595
-0.6 0.41325 76.58 78 1.42 1.548
-0.7 0.31325 69.99 68 -1.99 1.491
65 70 75 80 85 90 95 10065
70
75
80
85
90
95
100
105
f(x) = 1.10698888444258 x − 8.03681315442073R² = 0.992065940052486
T°SATURACIÓN (°C)
TEM
PERA
TURA
EBU
LLIC
IÓN
(°C)
Figura 5. T° Saturación vs T° Ebullición (°C) a 40 °Brix
Tabla 3. Resultados de la evaporación de 60°Brix de una solución de
sacarosa a diferentes presiones de vacío.
PRESIÓN VACIO (BAR)
PRESIÓN ABSOLUTA
(BAR)
T° SATURACIÓN
T°EBULLICION
AGUA (°C)Δte Δte*
Δte (ecuacion de la recta)
0 1.01325 99.97 106 6.03 5.274 5.275-0.1 0.91325 96.88 102 5.12 5.200 5.066-0.2 0.81325 94.68 97 2.32 5.119 4.917-0.3 0.71325 90.22 96 5.78 5.028 4.614-0.4 0.61325 86.57 92 5.43 4.926 4.367-0.5 0.51325 81.87 86 4.13 4.808 4.048-0.6 0.41325 76.58 80 3.42 4.668 3.690
-0.7 0.31325 69.99 73 3.01 4.496 3.243
65 70 75 80 85 90 95 100 105 110707580859095
100105110
f(x) = 1.06782832906887 x − 1.50250832025293R² = 0.988655440971808
T°SATURACIÓN (°C)
TEM
PERA
TURA
EBU
LLIC
IÓN
(°C)
Figura 6. T° Saturación vs T° Ebullición (°C) a 60 °Brix
60 65 70 75 80 85 90 95 100 105 11065
70
75
80
85
90
95
100
105
110
f(x) = 1.15772315171205 x − 17.8304507444217R² = 0.954665461584847
f(x) = 1.10698888444258 x − 8.03681315442073R² = 0.992065940052486
f(x) = 1.06782832906887 x − 1.50250832025293R² = 0.988655440971808
60°BRIXLinear (60°BRIX)40°BRIXLinear (40°BRIX)30°BRIXLinear (30°BRIX)
Figura 7. T° Saturación vs T° Ebullición (°C) a 30, 40 y 60 °Brix
Según Westphalen, et al (2000), cuando un soluto no volátil es disuelto en
determinado solvente, la temperatura de ebullición de la solución es siempre
mayor que la temperatura del solvente puro. Esto se puede comprobar en la figura
4, figura 5 y Figura 6; en donde a 30 , 40 y 60°Brix , la temperatura de ebullición
va ascendiendo conforme la temperatura de Saturación (°C) es decir que es
directamente proporcional, lo cual se comprueba el fenómeno del punto de
elevación.
Según Geankoplis (1998), refiere que cuanto más elevada sea la presión de
operación del evaporador, mayor será la temperatura de ebullición. Esto lo
podemos corroborar al observar en las tablas 1, 2 y 3; donde la temperatura de
ebullición del aquí a una presión mayor como a 1.01 bar (101°C) es mayor a
comparación de 0.313 bar (66°C), so mismo se observa en las otras tablas de 40 y
60 °Brix. Esto también se puede referir al aumento ebulloscópico que es mayor en
el caso de 30 °Brix a una temperatura de ebullición mayor su aumento
ebulloscópico es mayor, pero no ocurre en el caso de 40°Brix (tabla 2) donde a
una menor T° ebullición su aumento ebulloscópico es menor, y el mismo caso se
presenta en 60°Brix
Según Ibartz, et al (2005); la solución que entra en un evaporador puede ser
suficientemente diluida teniendo muchas de las propiedades físicas del agua, pero
a medida que aumenta su concentración, adquiere cada vez un carácter más
individualista. Esto lo podemos ver en la variación que se da para las rectas de las
soluciones de 30, 40 y 60° Brix. Esta diferencia de las rectas se debe a que si la
presión varia, la temperatura de ebullición también. Para soluciones acuosas, la
temperatura de ebullición ya no solo depende de la presión, sino también de la
cantidad de soluto que contienen. De tal forma que la presencia del soluto hace
que la temperatura de ebullición aumente. Esto se puede ver en la Figura 7, donde
vemos que la T° Ebullición aumenta a medida que aumenta la T° saturación y
que es mayor la recta de 60 °Brix en comparación de las otras soluciones
acuosas.
Según Mc Cabe, et al. (1993) para disoluciones concentradas la elevación del
punto de ebullición se obtiene mejor a partir de una regla empírica conocida como
regla de Duhring, según la cual la temperatura de ebullición de una determinada
disolución es una función lineal de la temperatura de ebullición del agua pura a la
misma presión. Por tanto, si se representa la temperatura de ebullición de la
disolución frente a la del agua a la misma presión se obtiene una línea recta. Esto
se puede observar en la figura 7 en la que se observa varias rectas con R2 alto
cercano a la unidad; esto nos permite afirmar lo dicho anteriormente Mc Cabe.
Según Mc Cabe, et al. (1993), las rectas entre temperatura de ebullición y
saturación no son estrictamente paralelas, esto se comprueba en las figuras 4, 5,
6 y 7 en donde el aumento de la temperatura ebullición sea constante para
diferentes presiones, queriendo decir que la regla no es exacta para todo el
intervalo de presiones, pero para un intervalo moderado las líneas son
aproximadamente rectas aunque no necesariamente paralelas.
V. CONCLUSIONES
Se llegó a determinar el efecto que produce la presión de vacío y la concentración
de sólidos (soluciones de sacarosa) a 30, 40 y 60 °Brix en su temperatura de
ebullición, en donde vemos que la T° Saturación va aumentado a medida que
aumenta la T° Ebullición, y en donde a una mayor concentración de ° Brix
tendremos una mejor aplicación de la Regla Duhring.
VI. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA
Geankoplis, C. (1998).Proceso de transporte y operaciones unitarias. México.
Compañía editorial continental.
Mc Cabe. Smith, J. Harriot, P. (1993). Operaciones unitarias en ingeniería química.
5a.Ed. Mc. Graw-Hill.
Ibarz. Barbosa. (2005). Operaciones unitarias en la Ingeniería de Alimentos.
Ediciones Mundi- Prensa. España.
Westphalen, D. Wolf, M. (2000). Uso da equação de Capriste e Lozano para
predição da elevação de pontos de ebulição. XII Congreso Brasilero de Ingeniería
Quimica, Universidad Estatal de Campinas, Campinas, p1-8.
ANEXOS
Anexo 1. Equipo de Destilación Anexo 2. Barómetro