Simulación del secado convectivo de materiales porosos

EMMANUEL PURLIS

Mar del Plata, Buenos Aires

Congreso; XVI Congreso Argentino de Ciencia y Tecnología de Alimentos | CYTAL 2017; 2017

AATA

Muchos procesos de preservación y/o transformación en ingeniería de alimentos tienen una gran demanda energética, en especial, aquellos que involucran la evaporación térmica de agua, como el secado, horneado y tostado. Estos procesos requieren más energía que otras operaciones, como la refrigeración, congelación y esterilización. La diferencia radica en la magnitud de la entalpía de vaporización del agua. Por otra parte, los equipos son operados generalmente en forma empírica, por prueba y error, reduciendo aún más la eficiencia energética. Resulta necesario entonces desarrollar conocimiento sobre los procesos que ocurren en estas operaciones para construir herramientas que permitan el diseño, la optimización y el control en forma sistemática. En este sentido, el objetivo específico de este trabajo fue obtener un modelo de transporte de base física para el secado convectivo a baja temperatura (menor a 100 °C, ?secado no-intensivo?).Para obtener dicho modelo, se trabajó primero con un modelo ?completo?, involucrando varios mecanismos de transporte posibles, y luego se lo simplificó en base a simulaciones y análisis de sensibilidad. Se asume que el material es un medio poroso higroscópico (sin deformación), y que existen tres fases: gas (aire, vapor de agua), líquido (agua), sólido (matriz). Como mecanismos de transporte de materia posibles, se establecen: para la fase gas, difusión molecular y convección por flujo Darcy; para la fase líquida, difusión por capilaridad y convección por flujo Darcy. En cuanto a la transferencia de calor, se considera sólo la conducción (se asume que el aporte convectivo es despreciable). Además, se incluye el cambio de fase del agua en los balances de materia (agua y vapor de agua) y energía. En resumen, se plantean 4 balances y una condición de equilibrio como clausura del sistema de ecuaciones: la presión de vapor está dada por la presión de vapor de equilibrio, calculada a partir de la isoterma de sorción del material.Con este modelo ?completo?, se simuló el secado entre 40 y 70 °C, y entre 0 y 50% de humedad relativa ambiente. Además, se trabajó con dos materiales diferentes en cuanto a saturación de agua inicial y porosidad. En primer lugar, se obtuvieron curvas de temperatura y humedad que se corresponden con lo reportado para el secado convencional, reproduciendo además la curva típica de secado, con los cuatro períodos característicos de velocidad de secado. Luego, se realizó un análisis de sensibilidad para los diferentes mecanismos de transporte considerados: el aporte convectivo por flujo Darcy no es relevante y podría despreciarse para las condiciones operativas estudiadas.En base a esta hipótesis, se propuso entonces un modelo ?simplificado? y se simuló nuevamente el secado. Al comparar los resultados de ambos modelos (completo y simplificado), no se encontraron diferencias, demostrando que el modelo ?simplificado? es adecuado para explicar los procesos de transporte que ocurren durante el secado convectivo a baja temperatura. Es decir, se obtuvo un modelo de base física que permite estudiar el proceso a partir de las propiedades de transporte del material, evitando el uso de coeficientes empíricos de ajuste.