BODE OPERACIONES EN LA INGENIERÍA ALIMENTARIA

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1 BODE OPERACIONES EN LA INGENIERÍA ALIMENTARIA Número de créditos Plano 2001: 18 Número de créditos ECTS: 14,5 Carácter (troncal T, obligatoria Ob, optativa Op): Op Titulación: Ingeniero Agrónomo Departamento: Tecnología Alimentos Cuatrimestre: 1r y 2n Idioma: catalán y castellano Página web: No Dossier electrónico (Si/No): Si Profesor coordinador: Vicent Gimeno Añò Otros profesores: Albert Ibarz Ribas Salvador Garza Garza gimeno@tecal.udl.es aibarz@tecal.udl.es ; garza@tecal.udl.es 2. INTRODUCCIÓN Cualquier industria agroalimentaria en que se desarrolle un determinado proceso de elaboración consta de un conjunto de etapas, cada una de estas etapas recibe el nombre de operación unitaria o básica. En el estudio sistemático de las diversas operaciones básicas, es necesario realizar un planteamiento del modelo matemático mediante la aplicación de balances. Esto comporta la obtención de un sistema de ecuaciones, que en estado no estacionario incluye ecuaciones diferenciales. En la resolución del modelo matemático planteado es necesario que se posea los conocimientos matemáticos suficientes para resolver estos tipos de ecuaciones. Además, son necesarios conocimientos adecuados de química, física e ingeniería en general. 3. OBJETIVOS El estudiante que supere la asignatura tiene que: 1. Conocer las diferentes operaciones básicas de la industria alimentaria, y saber plantear y resolver el modelo matemático de estas operaciones. 2. Comprender los fundamentos de la transferencia de materia y transferencia simultánea de materia y energía, para aplicarlos a los cálculos de las operaciones básicas implicadas. 3. Saber las bases del transporte de cantidad de movimiento, y su utilización en el flujo de fluidos. 4. Conocer los fundamentos de la transmisión de calor y saberlos aplicar al cálculo de tratamientos térmicos, evaporación e intercambiadores de calor en general. 5. Concebir, calcular, diseñar, hacer construir y hacer funcionar las diferentes operaciones básicas de la industria alimentaria.

2 4. TEMARIO TEÓRICO Y PRÁCTICO Esta asignatura consta de tres partes muy diferenciadas. Cada una se corresponde al fenómeno de transporte sobre las que están basadas las operaciones unitarias que incluye. Aunque el temario de prácticas incluye las tres partes. Por eso se dan los temarios teóricos de las tres partes, y en el tratamiento global se da por separado la planificación temporal de cada una de las partes. TEMARIO TEÓRICO Separación por fases Tema 1.- Destilación. Introducción. Equilibrio líquido-vapor: Leyes de Dalton, Raoult y Henry. Volatilidad relativa. Destilación simple. Destilación súbita. Rectificación continúa de mezclas binarias. Rectificación discontinua. Destilación por vapor directo. Tema 2.- Extracción sólido-líquido. Introducción. Equilibrio sólido-líquido. Métodos de extracción. Contacto simple. Contacto simple repetido. Contacto múltiple en contracorriente Tema 3.- Adsorción e Intercambio Iónico. Introducción. Equilibrio de los procesos de adsorción e intercambio iónico. Cinética de los procesos. Operación por etapas. Columnas de lecho móvil. Columnas de lecho fijo. Tema 4.- Interacción aire-agua. Termodinámica del aire húmedo. Introducción. Propiedades termodinámicas del aire húmedo. Diagrama psicométrico de Mollier. Procesos de humidificación del aire. Saturación adiabática del aire. Teoría del termómetro húmedo. Tema 5.- Deshidratación. Introducción. Fenómenos de transporte en el secado por aire caliente. Cinética de secado: periodo de inducción, periodo de velocidad de secado constante y periodo de velocidad de secado decreciente. Cálculo de secadores: deshidratadores intermitentes, deshidratadores continuos. Tema 6.- Liofilización. Introducción. Diagrama de fases del agua. Etapas de la liofilización. Transferencias de calor y de materia. Cálculo del tiempo. Efecto de la presión. Tema 7.- Cristalización. Introducción. Mecanismos de la cristalización: nucleación y crecimiento. Velocidad de cristalización. Flujo de fluidos Tema 1.- Circulación de fluidos por conducciones. Introducción. Mecanismos de circulación de fluidos: Módulo de Reynolds. Perfil de velocidades. Velocidad media. Relaciones fundamentales en la dinámica de fluidos. Relación entre la pérdida de presión y la velocidad media. Ecuaciones por el cálculo del factor de fricción. Conducciones no cilíndricas. Tema 2.- Balances de propiedad en la circulación de fluidos. Introducción. Balance macroscópico de materia. Balance macroscópico de energía. Balance macroscópico de energía mecánica. Pérdida de energía mecánica. Problemas más frecuentes en el diseño de conducciones. Redes. Tema 3.- Circulación de fluidos no newtonianos. Introducción. Clasificación de los fluidos no newtonianos. Plásticos de Bingham. Fluidos de la ley de Potencia. Fluidos de la ley de Herschel-Bulkley.

3 Tema 4.- Sistemas de impulsión de fluidos. Introducción. Impulsión de líquidos por conducciones: bombas. Características de una bomba. Cargas de sistema y de la bomba. Punto de instalación. Potencia. Rendimiento. Tipo de bombas. Bombas centrífugas. Selección del tipo de bomba. Tema 5.- Circulación de fluidos a través de lechos porosos. Introducción. Ley de Darcy: permeabilidad. Definiciones previas. Ecuaciones para el flujo a través de lechos porosos. Flujo laminar: ecuación de Kozeny-Carman. Flujo turbulento: ecuación de Burke-Plummer. Flujo laminar y turbulento: ecuación de Ergun. Ecuación de Chilton- Colburn. Tema 6.- Fluidización. Introducción. Velocidad mínima de fluidización. Régimen laminar. Régimen turbulento. Porosidad mínima de fluidización. Expansión del lecho. Tema 7.- Movimiento de sólidos en el interior de fluidos. Introducción. Sedimentación. Sedimentación continua. Diseño de un sedimentador: cálculo del área y de la profundidad. Tema 8.- Filtración. Introducción. Fundamentos de la filtración. Filtración a presión constante. Filtración a caudal volumétrico constante. Lavado de la coca de filtración. Capacidad de filtración. Condiciones óptimas de filtración a presión constante. Tema 9.- Procesos de separación por membrana: ultrafiltración y ósmosis inversa. Introducción. Etapas en la transferencia de materia. Polarización por concentración. Modelos de transferencia a través de la membrana. Modelos de transferencia a través de la capa de polarización. Ósmosis inversa. Ultrafiltración. Diseño de sistemas de ultrafiltración y ósmosis inversa Transmisión de calor Tema 1.- Propiedades térmicas de alimentos. Conductividad térmica.- Calor específico.- Densidad.- Difusividad térmica. Tema 2.- Transmisión de calor por conducción. Ecuaciones fundamentales en la conducción de calor.- Conducción de calor en régimen estacionario.- Conducción de calor en régimen no estacionario. Regla de Newman. Tema 3.- Transmisión de calor por convección. Introducción.- Coeficientes de transmisión de calor por convección. Coeficientes individuales. Coeficientes globales. Tema 4.- Intercambiadores de calor de tubos concéntricos. Características de diseño.- Cálculo de los coeficientes de transmisión de calor.- Cálculo de las pérdidas de carga. Tema 5.- Intercambiadores de calor de carcasa y tubos. Características de diseño.- Cálculo de la verdadera temperatura media logarítmica.- Cálculo de los coeficientes de transmisión de calor.- Cálculo de las pérdidas de carga. Tema 6.- Intercambiadores de calor de placas. Características de diseño.- Número de unidades de transferencia (NUT).- Cálculo de la verdadera temperatura media logarítmica.- Cálculo de los coeficientes de transmisión de calor.- Cálculo de las pérdidas de carga.- Procedimiento de diseño. Tema 7.- Otros tipos de intercambiadores. Intercambiadores de calor de superficie ampliada.- Intercambiadores de calor de pared rascada.- Depósitos agitados con camisas y serpentines.- Eficacia de intercambio de calor. Tema 8.- Transmisión de calor por radiación. Introducción.- Leyes fundamentales. Propiedades de la radiación. Propiedades totales. Propiedades monocromáticas. Tema 9.- Intercambio de energía radiante. Factores de visión de la radiación. Radiación entre superficies separadas por medios no absorbentes: Factor refractario.

4 Factor gris.- Coeficiente de transmisión de calor por radiación.- Transmisión simultánea de calor por convección y radiación. Tema10.- Tratamiento térmico. Introducción. Destrucción térmica de microorganismos. Tratamiento de productos envasados. Tratamiento aséptico de productos. Tema 11.- Evaporación. Introducción. Características de un evaporador. Transmisión de calor en los evaporadores. Evaporador de simple efecto. Métodos de aprovechamiento del vapor desprendido: Recompresión de vapor y efecto múltiple. Evaporadores de múltiple efecto. TEMARIO PRÁCTICO 1. Destilación simple 2. Equilibrio de adsorción 3. Deshidratación 4. Cristalización 5. Sedimentación 6. Calentamiento en estado no estacionario 7. Transmisión de calor en un tanque agitado 6. BIBLIOGRAFÍA DE REFERENCIA a). Bibliografía básica: CHARM, S.E. (1978). The Fundamentals of Food Engineering. Ed. AVI. Wesport,CO HELDMAN, D.R. i LUND, D.B. (1992). Handbook of Food Engineering. Ed. Marcel Dekker. New York IBARZ, A. i BARBOSA-CÁNOVAS, G.V. (2005). Operaciones Unitarias en la Ingeniería de Alimentos. Mundiprensa, Madrid IBARZ, A., BARBOSA-CÁNOVAS, G.V., S. GARZA i V. GIMENO (2000). Métodos Experimentales en la Ingeniería Alimentaria. Ed. Acribia, Zaragoza. SINGH, R.P. i HELDMAN, D.R. (1984). Introduction to Food Engineering. Academic Press, San Diego. Versión en castellano de Ed. Acribia, Zaragoza b). Bibliografía complementaria: COULSON, J.M.; RICHARDSON, J.F.; BCKHURST, J.R. i HARKER, J.H. (1979). Ingeniería Química. Vol I, II, III, IV, y V. Ed. Reverté. Barcelona. COSTA, E.; SOTELO, J.L.; OVEJERO, G.; de LUCAS, A.; AGUADO, J.; UGUINA, M.A. (1983) Ingeniería Química. Vol. 1, 2, 3, 4, 5, 6 y 7. Ed. Alambra. Madrid. GEANKOPLIS, C.J. (1983). Transport Processes and Unit Operations, Allyn and Bacon, Boston. Versión en castellano Ed. C.E.C.S.A., México (1992). LEVENSPIEL, O. (1993). Flujo de Fluidos e Intercambio de Calor. Ed. Reverté. Barcelona. McCABE, W.L., SMITH, J.C i HARRIOT, P. (1991). Unit Operation of Chemical Engineering. McGraw-Hill, New York. Versión en castellano por Ed. Mc Graw-Hill, Nueva York.

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6 7. METODOLOGÍA Al inicio del curso a los alumnos se les da una colección de problemas. Para cada uno de los temas se realizarán las sesiones teóricas, y una vez acabada la exposición de la parte teórica del tema, se realizarán las resoluciones de los problemas de la colección que los estudiantes habrán intentado resolver previamente. A las clases los alumnos expondrán todas las dudas que hayan tenido, y el profesor incidirá en la resolución de los puntos más importantes. En cuanto a las prácticas de laboratorio, se realizarán en grupos de tres personas, siendo obligatorio presentar un informe según el modelo y directrices que se darán al inicio del curso. 8. EVALUACIÓN DEL APRENDIZAJE Para la evaluación de cada una de las tres partes de que consta esta asignatura se tendrán cuenta los exámenes y las prácticas. Cada uno de los exámenes consta de dos partes, una en que se evalúan los conocimientos teóricos y la otra en que el estudiante tendrá que resolver problemas sobre las operaciones básicas del programa. La parte teórica representa el 20% de la nota del examen, mientras que los problemas tienen un peso del 80% del examen. Para evaluar las prácticas, los estudiantes presentarán un informe de las prácticas realizadas al laboratorio, y su peso sobre la nota final será de un 20%. La nota final de la asignatura se obtendrá haciendo la media aritmética de la nota de las tres partes. Para superar la asignatura será necesario obtener una nota media igual o superior a 5. Los alumnos que tengan una de las tres partes suspensas podrán hacer media si la nota es igual o superior a 3,5. Y si son dos partes suspendidas la nota para hacer media tendrá que ser igual o superior a 4,0.