01 aumento del punto de ebullición caña azucar- ta

8/3/2019 01 Aumento del punto de ebullicin caa azucar- TA

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RESUMEN

Conocer la elevacin del punto de ebullicin en los jugos de caa de azcar a diferentesconcentraciones, es fundamental para el diseo y operacin de diversos equipos para suprocesamiento, en particular evaporadores de mltiple efecto. Esta fue determinada para jugode la caa de azcar, uti l izando soluciones modelos con cuatro componentes (sacarosa, glucosa,fructosa y dextrana), medidas en un rango de concentraciones de slidos solubles de 30 a 60Brix y a presiones entre 6.2 x 103 y 7.6 x 104 Pa (abs.). Los datos experimentales serepresentaron uti l izando l a regla de Dhri ng y la ecuacin de Antoine. A 30 Brix, el aumentoen la temperatura de ebull ic in fue independiente de la presin la cual vari con las relaciones

de los componentes de las soluciones modelos. Las desviaciones considerables de estecomportamiento ocurrieron a concentraciones mayores de 30 Brix. Los datos experimentalesse ajustaron satisfactoriamente a la regla de Dhring y la ecuacin de Antoine.

Palabr as claves: Regla de Dhri ng, ecuacin de Antoi ne, evaporacin.

ABSTRACT

The boiling point elevation for sugar cane juice was determined using model solutions withfour components (sugar, glucose, fructose and dextrana) using a 30 to 60 Brix range and 6.2 x103 and 7.6 x 104 Pa (abs) pressures. The data was presented using the Dhring rule andAntoine equation. At 30 Brix boi li ng point was independent of pressure and varied accordingto model solution components. Variations of thi s behavior occurred at concentration above 30Brix. The experimental data readi ly adjusted to D hring rule and Anto ine equation.

Keywords: Rule of Dhring, equation of Antoine, evaporation.

1Universidad de Crdoba, Departamento de Ingeniera de Alimentos, Km 12 va Ceret - Cinaga de Oro.Tel (4) 894 0508, Fax (4) 786 0255, Email: [email protected]

AUMENTO DEL PUNTO DE EBULLICION DE SOLUCIONESMODELOS PARA JUGO DE CAA DE AZUCAR

BOILING POINT ELEVATION OF MODEL SOLUTIONSFOR SUGAR CANE JUICE

Everaldo J. Montes1, Ramiro Torres1 y Ricardo D. Andrade1

Recibi do para evaluaci n: Junio 16 de 2006 - Aceptado para publ icaci n: Agosto 1 de 2006


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INTRODUCCION

Cuando un soluto no voltil es disuelto endeterminado solvente, la temperatura deebullicin de la solucin es siempre mayor

que la temperatura del solvente puro. Estefenmeno es denominado elevacin delpunto de ebullicin (Westphalen y Wolf,2000). Informaciones sobre la elevacin delpunto de ebul l icin se deben tener en cuentapara el diseo y operacin de diversos tiposde equipos de la industria alimentara, enparticular evaporadores de mltiple efecto.Algunas ecuaciones pueden ser encontradasen la literatura para la prediccin de esteparmetro, aunque su val idez sea restri ngida

a soluciones diluidas o soluciones ideales, yno son aceptadas en la mayora de losprocesos de inters industrial. Por ejemploen evaporacin, se desea aumentar elcontenido de sl idos de un determinado l icorhasta valores donde una solucin nuncapodra ser considerada diluida. De estaforma, se hace necesario el uso de datosexperimentales de la elevacin de latemperatura de ebullicin en funcin de laconcentracin de sl idos y la presin(Westphalen, 1998).

Trabajos anteriores han sido orientados alconocimiento del efecto de la temperatura yla concentracin en las propiedadestermofsicas del j ugo de caa, incl uyendo ladensidad, calor especfico, conductividadtrmica, difusividad trmica, y propiedadesreolgicas (Tel is-Romero et al., 2001; Cabral,2000; Varshney y Barhate, 1978). Noobstante, no se disponen de datos publ icadosdel aumento de la temperatura de ebull ic in

a diferentes concentraciones y relaciones delos componentes de ste. Adems, lasecuaciones tericas tienen un uso limitado,debido a la composicin compleja del jugoy falta de conocimiento de la contribucinde los componentes a la elevacin de latemperatura de ebul li cin.

En este trabajo , se determin el aumento dela temperatura de ebullicin en soluciones

modelos de jugo de caa a var iasconcentraciones, relaciones de componentes(sacarosa, glucosa, fructosa y dextrana) ypresiones; y se compararon estas medidascon datos reportados, en la literatura, de

soluci ones de sacarosa que se usan a menudocomo modelos para representar elcomportamiento de alimentos fluidos comojugos de fruta y extractos de caf.

MATERIALES Y METODOS

Preparacin de la muestraLas soluciones modelos de jugo de caafueron preparadas con cuatro componentes,

sacarosa, glucosa, fructosa y dextrana,obtenidas comercialmente, producindoseextractos con concentraciones de slidossolubles en el rango de 30 a 60 Brix (Tabla1). La concentracin de los slidos solublesfue medida a 25 C con un refractmetro.

Equipo y procedimientoUn diagrama esquemtico del equipo, simil aral utilizado por Telis-Romero et al. (2002),usado para las medidas experimentales se

muestra en la figura 1. Consiste de un baln,de vidrio, fondo pl ano (F) con tres bocas. Lasmuestras fueron i ntroduci das en el baln pormedio del tubo A y se calentaron con uncalentador elctri co provi sto de un agitadormagntico (Fisatom). Cuando la solucinmodelo de jugo de caa de azcar alcanzla temperatura de ebull ic in, se estableci unflujo de recirculacin entre los tubos B y C.La mezcla l quido-vapor l iberada de lasuperficie lquida fluy a travs del tubo B,

donde se determin la temperatura, con unatermocupla, instalada en el termo pozo deltubo B, conectada a un transmisor detemperatura (modelo TT302, SMAR).Entretanto el condensado atrapado en elcompartimiento D retorn al baln F ypermiti al vapor entrar al condensador dereflujo R. El vapor condensado tambinretorn al baln F a travs del tubo C, quet iene una v lvu la V para contro lar la

TEMAS AGRARIOS - Vol. 11:(2), Juli o - Dici embre 2006 (5 - 13)


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Figura 1. Diagrama esquemtico del equipo usadopara las medidas experimentales.

ve loc idad de f lu jo de rec i rcu lac in y

garantizar la concentracin constante de lasoluc in evaluada.

El condensador fue conectado a una bombadel vaco que permiti variar l a presin en elrango de 5.8 x 103 a 9.4 x 104 Pa (abs.). Untransmisor de presin di ferencial (modelo LD-301, SMAR) fue usado para medi r l a presinestti ca en dos posici ones di ferentes del tuboa vaco. La temperatura fue moni toreada conuna exacti tud de 0.6 C y la presin con una

exactitud de 4.3 mPa, usando un transmisorde datos Modelo HP 75.000-B, una i nterfaceHP-BIRF y un PC con un programa escritosen IBASIC.

En cada experimento, se adici onaron 180 ml

de solucin modelo del jugo de caa deazcar en el baln de ebullicin. Se hizorecircular agua refr igerante en elcondensador de reflujo, fue encendida labomba de vaco y se regul la presin hastaaproximadamente 6.2 x 103 Pa (abs.), con unavlvula reguladora, y el fluido se calentsuavemente. Se registraron continuamentetemperatura y presin, y los valores finales,de la temperatura de ebulli cin de la soluci ny su presin asociada, fueron l as lecturas ms

altas registradas cuando permanecieronconstantes por lo menos durante 5 minutos.

El procedimiento se realiz hasta la presinatmosfr ica, permit iendo medidas detemperatura de ebullicin, a 23 presionesdiferentes, en cada una de las solucionesmodelos con las composiciones mostradas enla tabla 1. Para verifi car la concentracin dela so luc in, fue in ter rumpido e lcalentamiento peridicamente, el baln se

llev hasta temperatura ambiente, y setomaron muestras determinando lasconcentraciones de sl idos solubles en Brix.Cuando la solucin presentaba unincremento mayor del 1% en Brix, sta fuesusti tui da y la corri da fue repetida. Se repi ti este procedimiento para las diferentessoluci ones modelos evaluadas.

La calibracin del equipo se realiz con

AUMENTO DEL PUNTO DE EBULLICIN DE SOLUCIONES MODELOS PARA JUGO DE CAA DE AZCAR

Tabla 1. Concentraciones en Brix de los componentes de las soluciones modelos de jugo de caa deazcar.

300

0

0

30

100

SacarosaGlucosa

Fructuosa

Dextrana

Mezcla

% de pureza de sacarosa

400

0

0

40

100

500

0

0

50

100

600

0

0

60

100

271

1

1

30

90

361,5

1,5

1

40

90

452

2

1

50

90

542,5

2,5

1

60

90

242,5

2,5

1

30

80

323,5

3,5

1

40

80

404,5

4,5

1

50

80

485,5

5,5

1

60

80

SolucinComponentes

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12


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soluciones acuosas de LiCl y NaOH a lascuales se les conoce su temperatura deebul l ic in a var ias concentrac iones ypresiones.

RESULTADOS Y DISCUSION

La tabla 2 permite comparar los datosexperimentales de la calibracin del equipoy los reportados por Perry y Chilton (1986),mientras la figura 2 muestra un histogramatpi co de distribucin de los datos. La buenaconcordancia entre los datos experimental ylos reportados es resultado de lareproducibi l idad del equipo, ya que el

histograma muestras una distri bucin normalde las medidas alrededor de la media. Losvalores de la desviacin normal (sd) y el errornormal (se) se incluyen en la tabla 2,calculados por las ecuaciones (1) y (2)respectivamente.

(1)

n

sdse = (2)

donde xn es el valor de cada medida, x elvalor de la media, y n el nmero de medidas.

En soluciones concentradas de solutosdisueltos no es posible predecir la elevacin

del punto de ebull ici n debido a la presenciadel soluto. Sin embargo, se puede usar leyesempricas (Geankoplis, 1998), entre estas setiene la regla de Dhring (Foust et al., 1960)la cual establece, que la temperatura deebullicin de una solucin concentrada esuna funcin lineal de la temperatura deebull ic in del agua pura a la mi sma presin(Mc Cabe et al., 1999). Por consiguiente, auna concentracin constante se tiene:

TA

= m0

+ m1T

A0(3)

donde TA y TA0 son las temperaturas deebullicin de la solucin modelo de jugo decaa de azcar y agua a la misma presinrespectivamente; m0 y m1 son parmetrosdeterminados por regresin l ineal ,caractersticos de cada solucin, como semuestran en la tabla 3 junto con elcoeficiente de la correlacin, r2.

El aumento del punto de ebullicin, TB

, sedefine como:

TB = TA - TA0 (4)

Tabla 2. Aumento experimental del punto de ebul li cin de soluciones estndares.

Soluciones

NaOH

LiCl

Concentracin

%(w/w)

15

25

35

5

10

20

TB(C)

experimental

6.23

16.95

33.96

1.19

3.32

10.95

Desviacin

estndar (C)

0.141

0.288

0.249

0.014

0.044

0.061

Err or estndar

(C)

0.029

0.060

0.052

0.003

0.009

0.013

TB* (C)

6.5

17.3

34.8

1.2

3.4

11.0

*Fuente: Perry y Chil ton (1986).



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Sustituyendo la ecuacin (3) en la ecuacin(4), se observa que para m1 = 1, TB = m0,indicando que a esta condicin el aumentodel punto de ebullicin slo vara con laconcentracin de la solucin modelo y es

independiente de presin. La tabla 3 y laf igura 3 , ev idencian que m 1, fueprcticamente igual a uno para las solucionescon concentraciones de 30 Brix, lasdesviaciones considerables ocurrieron aconcentraciones mayores a 30 Brix, lo queindica que debe tenerse en cuenta lainfluencia de la presin para predecir latemperatura de ebull ic in del j ugo de caa aaltas concentraci ones.

Una segunda manera de presentar los datosdel punto de ebul l ic in en so luc ionesacuosas est basada en extender el uso deexpresiones convenientes para describir ladependencia de temperatura con la presinde vapor de agua pura, como en el caso de

la ecuacin de Antoi ne (Perry y Green, 2001),la cual se expresa como:

( )CTB

APln

A+

= (5)

Donde P es la presin en Pa, TA es latemperatura de ebullicin en K, y A, B, y Cson constantes empricas. La tabla 4 muestralos valores de estas constantes, para lasdiferentes soluciones modelos de jugo decaa de azcar, obtenidas por regresin nolineal y los coeficientes de correlacin (r 2),los cuales indican un excelente ajuste de losdatos experimentales a la ecuacin deAntoine. Adems, se evidenci a el gran ajustede todos los datos observados (soluci ones dela 1 a la 12) con esta ecuacin, por el altovalor del coeficiente de correlacin (r2 =0,98994) y la buena distribucin de losresiduos mostrados en la fi gura 5.

Figura 2. Hi stograma de distribucin del punto de ebulli cin del NaOHusado para cali brar el equipo desarroll ado.


16,0 16,5 17,0 17,5 18,0 18,5

Elevacin de la temperatura de ebullicin (C)

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

Solucin acuosa de NaOH (25% w/w)SD = 0.288SE = 0.060

Normal

Esperada

Frecuencia

Normal esperada


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Tabla 3. Parmetros de la ecuacin (3) para soluciones modelo de jugo de caa con diferentescomponentes y composici ones

Solucin modelo m1

(C) m0

r2

1 1,001875 -0,1838284 0,9999

2 1,004543 -0,770708 0,9999

3 1,009319 -1,81367 0,9999

4 1,01401 -2,40455 0,9999

5 1,003504 -0,274102 0,9999

6 1,007805 -1,37137 0,9999

7 1,013451 -2,34034 0,9999

8 1,020507 -3,58243 0,9999

9 1,002124 0,291124 0,9999

10 1,010797 -1,76654 0,9999

11 1,019969 -3,48791 0,9999

12 1,026161 -4,54899 0,9998

Figur a 3. Di agrama de Drhi ng para las soluciones modelos de jugo de caade azcar.

0

1

2

3

4

5

6

294 304 314 324 334 344 354 364

1 30

2 40

3 50

4 60

5 30

6 40

7 50

8 60

9 30

10 40

11 50

12 60

Extracto Conc, Brix

Temperatura ebullicin de agua pura (K)

Aumetodelp

ntodeebullicin

eextracto

deCaa(K)



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11

Temperatura de ebullicin, K

Pre

ind

vapor,Pa

0

20000

40000

60000

80000

290 300 310 320 330 340 350 360 370 380

1

234

56

78

910

1112

Soluciones

Figura 4. Representacin de la ecuacin de Antoine para las soluciones modelosde jugo de caa de azcar.

Solucin modelo A B C r 2

1 23,74115 -4159,37 -33,0773 0,99999

2 23,75149 -4169,61 -32,8957 0,99999

3 23,45175 -4001,97 -39,1579 0,99999

4 23,42175 -4003,60 -39,3474 0,99999

5 23,81426 -4209,40 -31,5321 0,99999

6 23,65524 -4123,29 -34,6395 0,99999

7 23,31697 -3938,34 -41,7699 0,99999

8 23,52781 -4094,27 -35,9867 0,99999

9 23,81676 -4216,24 -31,1546 0,99999

10 23,56103 -4076,74 -36,5813 0,99999

11 23,72667 -4218,13 -31,2678 0,99999

12 23,61158 -4171,48 -33,0991 0,99999

1 - 12 23,24271 -3907,00 -42,1130 0,98994

Tabla 4. Parmetros de la ecuacin de Antoine para las soluciones modelos de jugo de caa de azcar.



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CONCLUSIONES

Para un rango de presin entre 2.5 x 103 y

8.0 x 104 Pa (abs.), en las diferentessoluciones de modelo de caa de azcarcon concentraciones entre 30 y 60 Brix,la re lacin entre la temperatura deebull ici n de la soluc in y l a temperaturadel agua pura, es l ineal , lo cual serepresenta a travs del diagrama deDhring.

El aumento de la temperatura de ebul l icinde la solucin modelo de jugo de caa

para una concentraci n de 30 Brix es casiindependiente de la presin, en el rangode 2.5 x 103 y 8.0 x 104 Pa (abs.), y solo

vara con las re laciones de loscomponentes de la solucin modelo. Lasdesviaciones considerables de estaconducta comenzaron a ocurr i r aconcentraciones ms al ta de 30 Brix.

La ecuacin de Antoine representaadecuadamente los datos experimentalesde la temperatura de ebullicin para lasdiferentes soluciones modelos de jugo decaa de azcar.

BIBLIOGRAFIA

Cabral, R. 2000. Influncia da Temperaturae Frao de gua nos ParmetrosReolgicos do Extrato de Caf. TesisM.Sc., IBILCE/UNESP. So Jos doRio Preto

Foust, A.; W enzel, L.; Clump, C.; Maus, L. yAndersen, L. 1960, Princi ples of Uni tOperations. John W i ley & Sons, N ewYork, p245


Figura 5. Di stribuci n de los residuos para la ecuacin de Antoine de las solucionesmodelos de jugo de caa de azcar.

-10000

-8000

-6000

-4000

-2000

0

2000

4000

6000

8000

-10000 10000 30000 50000 70000 90000 1,1e5

Valores predichos

Valoresde

Residuos


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Geankopl is, C. 1998. Procesos de transportey operaciones unitarias. CECSA,Mexico D .F., p556

Mc Cabe, W.; Smith, J. y Harriott, P. 1999.

Operaciones Unitarias en IngenieraQu m ica . Mc Graw-H i l l / Interamericana de Espaa, Madrid,p491- 495

Perry, R. y Chilton, C. 1986. Manual deEngenharia Qumica. GuanabaraDois, Rio de Janeiro, p96

Perry, R. y Green, D. 2001. Manual delIngeniero Qumico. McGraw-Hill/Interamericana de Espaa, Madrid,p354-355

Teli s-Romero, J.; Cabral , R.; Gabas, A. y Teli s,V. 2001. Rheological properties andfluid dynamics of coffee extract.Journal of Food Process Engineering24(4):217

Teli s-Romero, J.; Cabral , R. y Kronka, G.2002. Elevation of boiling point ofcoffee extract. Brazilian Journal ofChemical Engineering 19(1):119-126

Varshney, N. y Barhate, V. 1978. Effects ofconcentrat ions and vacuum onboil ing points of frui t jui ces. Journalof Food Technology 13:225-233.

Westphalen, D. 1988. Clculo da elevaodo ponto de ebulio de solues apartir de dados de presso parcial.http://www.Hottopos.com.br/regeq6/denis.htm [Accedido: 30-5-2006]

Westphalen, D. y Wolf, M. 2000. Uso daequao de Capriste e Lozano parapredio da elevao de pontos deebulio. XII Congreso Brasilero deIngeniera Quimica, UniversidadEstatal de Campinas, Campinas, p1-8

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