SIP 20220395 Simulación computacional de un proceso de secado a vacío por contacto

El secado es una operación utilizada para la remoción de humedad de materiales porosos e higroscópicos, por lo cual requiere una gran cantidad de energía. El secado convectivo ha sido ampliamente utilizado en el secado de alimentos, granos, y madera; este proceso consiste en hacer pasar un flujo de aire caliente sobre la superficie de los materiales, sin embargo, provoca el deterioro del color de los alimentos, la degradación de nutrientes, la modificación de la textura del material, y requiere de tiempos prolongados. También existe un interés creciente en el uso de energías renovables, como el secado solar, en el cual se aprovecha la radiación térmica del sol, sin embargo, la intermitencia del proceso sigue siendo un problema, pues depende del clima.
El secado a vacío por contacto ha sido propuesto como una alternativa a los métodos de secado convencionales, pues provoca un daño mínimo a la estructura de los alimentos y materiales, y el costo es menor comparado con la liofilización o el secado a vacío asisitido por microondas. En el secado a vacío por contacto, una disminución de la presión de operación, permite que el punto de ebullición del agua disminuya, por lo cual se pueden aplicar temperaturas moderadas para remover la humedad de los materiales.
Para mejorar la comprensión de este proceso, y tener criterios de optimización, se requiere del estudio de los fenómenos de transporte y de la simulación numérica. La dificultad de simular este tipo de procesos, involucra la definición de las condiciones frontera, que vinculan la escala del proceso con la escala del producto.
El objetivo de este proyecto, es implementar una simulación computacional del secado a vacío por contacto, que involucre las dos escalas del proceso, por medio de una condición límite basada en la presión de vapor, con el fin de predecir las cinéticas de secado y la evolución de la presión.

En este proyecto se propone un modelo matemático para simular el secado de rodajas de papa en condiciones de vacío por contacto a 35, 50 kPa y 79KPa y una temperatura de 55, 65 y 75°C. Se realizó un análisis del estado del arte del tema, y enseguida se implementó un modelo considerando el transporte de humedad y de calor en el dominio del alimento, además, se escribe el balance de materia a nivel del secador, a partir del cual se proponen dos ecuaciones diferenciales ordinarias para el balance de vapor de agua y el aire seco en la cámara de secado. A escala del secador, se incluye el efecto del funcionamiento de la bomba. Un elemento importante de este trabajo es la escritura de la condición límite para la ecuación de conservación de humedad, la cual depende principalmente de la diferencia de presión y de un coeficiente de transferencia de masa estimado a partir de datos experimentales. La condición frontera para la conservación de energía considera la energía necesaria para evaporar el agua, la cual depende del flux de evaporación y del calor latente. El modelo simula las cinéticas de secado, la evolución de presión en el secado, y el calentamiento en el alimento. La bomba de vacío funciona o se apaga dependiendo del nivel de presión en la cámara. El flux de masa simulado permite observar las fases activas y pasivas del secado. Para la validación del modelo, se compararon las simulaciones contra datos experimentales. Las simulaciones permiten predecir el comportamiento de las cinéticas experimentales de manera aceptable.