Evaluación tecnológica del proceso de secado industrial del arroz en el secadero Ramón López Peña

Para determinar el balance de masa durante el proceso de secado, se debe conocer:

${\text{m}}_1$ -Masa del producto húmedo que entra al secador, kg;

${\text{m}}_2$ -Masa del producto que sale del secador, kg;

${\text{m}}_{\text{s}}$ -Masa del producto absolutamente seco, kg;

w_i - Humedad del producto (en base húmeda) antes del secado, %;

w_f - Humedad del producto después del secado, %;

W-Cantidad de humedad que se extrae del producto durante el secado, kg.

L- Cantidad de aire absolutamente seco que pasa por el secador, kg;

${\text{x}}_1$ - Contenido de humedad del aire a la entrada del secador, kg/kg de aire seco;

${\text{x}}_2$ - Contenido de humedad del aire a la salida del secador, kg/kg de aire seco.

Durante el secado la masa del producto absolutamente seco permanece constante, esta puede determinarse por:

O sea, la masa del producto después de secado es:

La cantidad de humedad que se extrae del material es:

Esta cantidad de humedad es extraída del secador por el aire; o sea:

Y entonces, el consumo específico de aire (el consumo de aire por cada kilogramo de humedad extraída del producto en el secador) está dado por:

La velocidad de secado está definida como la cantidad de humedad en kilogramos extraída de un metro cúbico de volumen del material en una hora y se expresa por:

donde: Vz-Volumen total ocupado por el material, m³; t -tiempo de secado, h.

Según Sato (1994), la eficiencia del proceso de secado, está dada por cuatro variables fundamentales, la cuales son: la tasa de reducción de humedad promedio; la potencia eléctrica requerida por kilogramo de material a secar, la energía total aprovechada y la productividad de la instalación de secado.

Para la determinación de las principales propiedades de los granos antes y después del proceso de secado se utilizan las metodologías propuestas por Sato (1994); Klaassen (1983); Ohshita (1995); ASAE (1972); Robledo (1986); Rodríguez et al. (1995); Rotz (1987), donde se determinan: la masa, el porciento de pérdida de peso (pérdida de masa) y el contenido de humedad.

Determinación de la masa. La masa de granos a secar se determina mediante el pesaje de los medios de transporte (tractores con carretas y/o camiones con remolques), colocando los mismos en una báscula puente PCM-SG de construcción modular, con capacidad máxima de pesaje de 30 t.

Masa del producto después de secado (m ₂ ). Se determina mediante la expresión 2.

Contenido de humedad. Para determinar el contenido de humedad de los granos se realiza un control inicial antes de comenzar el proceso de secado y luego el muestreo se realiza en periodos de cada media hora, tomando granos a la entrada y salida de la instalación, estando en correspondencia con el proceso tecnológico que se emplee, para ello se utiliza un medidor de humedad de granos (Steinlite, modelo SB900 escala 30%, grado de presición ±0,25 %). A los valores de contenido de humedad del grano obtenidos se les determina la media y es el valor que se colocan en una plantilla para el registro de los datos tomados.

Para la realización del balance de masa durante el proceso de secado industrial del arroz, se evaluaron dos lotes; el Lote (I) que se evaluó en el mes de junio/2017, este estuvo constituido por las variedades de arroz: S1 y Procequisa, el mismo ocupó el 96,7% de la capacidad total de la instalación de secado, con un contenido humedad inicial 24,2%.

En el caso del Lote (II), se evaluó en el mes de septiembre/2017, estando constituido por las variedades: IAC-35, S1 y Perla, con un contenido humedad inicial 21%; en este solo se ocupó el 64,4% de la capacidad total de la instalación de secado, siendo la misma instalación de secado en ambos casos de estudio, con una capacidad máxima de 180 t (305 m³).

Con el empleo de una báscula puente PCM-SG de construcción modular con capacidad máxima de pesaje de 30 t (30 000 kg), se determinó la masa inicial del producto a secar para ambos lotes. La masa final del producto después de secado se determinó a través de la expresión 2. Para propiciar el empleo de la expresión antes mencionada, se monitoreo durante el todo el proceso de secado, el descenso del contenido de humedad, para lo cual se empleó el medidor de humedad para granos Steinlite (modelo SB900). Una vez alcanzada la humedad establecida para el almacenamiento, se determinó el tiempo invertido en efectuar el secado de ambos lotes y mediante la expresión 3 se determinó la cantidad de agua removida en los lotes sometidos al proceso de secado. Con el interés de conocer la velocidad de secado, se empleó la expresión 6, esta variable estuvo en función del volumen real ocupado por ambos lotes en la instalación de secado y por la productividad alcanzada por la instalación para los lotes analizados. Los valores de las principales variables del balance de masa, se representan en la Tabla 1.

Como se aprecia en la Tabla 1, la velocidad de secado se comporta inversamente proporcional al volumen ocupado por el lote de granos a secar, el cual está determinado por la masa inicial del producto a secar; evidenciándose además que de forma proporcional se logra extraer una mayor cantidad de humedad, cuando el volumen ocupado por la masa de granos es menor; aunque al observarse el tiempo requerido para alcanzar la humedad optima del grano a almacenar, se evidencia que este es mayor en el Lote (II), lo cual debe estar influenciado por las características físicas de las variedades de granos que constituían el mismo, dado que las mismas deben tener una difusividad másica inferior a las variedades que formaban el Lote (I).

En las Figuras 1 y 2 se muestran los descensos del contenido de humedad para los Lotes I y II, respectivamente.

Es válido señalar que aunque en las figuras antes mencionadas se muestran más horas que las que se representan en la Tabla 1, esto se debe a las horas de comienzo del proceso de secado cada día en que se desarrolló el mismo, las cuales no se consideran en el tiempo operacional de la instalación de secado.

Como se aprecia en la Figura 1 para el secado del Lote (I) se requirieron cinco días, lo cual podría haberse reducido a tres o cuatro días si no hubiesen existido paradas en el proceso tecnológico, por carencia de combustible diésel, aspecto que influye en la eficiencia del proceso.

Por su parte en la Figura 2 se observa que para el secado del Lote (II) se requirieron siete días, pero al igual que en el Lote (I) existieron paradas en el proceso tecnológico, por carencia de combustible diésel; en este caso en particular apenas se utilizó de forma eficiente la jornada laboral, con excepción del segundo día que laboró un total de 8 h.

Para la determinación de la proporción de humedad, se consideró que durante el almacenamiento de cereales la humedad relativa no debe ser superior al 50%, de forma tal que el cereal almacenado alcance su equilibrio de humedad con un valor del 9,5%, para esta humedad relativa. De esta forma se evidencia que en el Lote (II) la proporción de humedad es superior a la del Lote (I) en 0,15%, demostrándose en este resultado la ineficiencia del proceso secado en el Lote (II), dado que requirió de 26,5 h para reducir el contenido de humedad de una muestra de 116,08 t, desde un 21% hasta una humedad final de 13,2%. A su vez es apreciable la eficiencia del proceso de secado en el Lote (I), dado que en este se requirieron solo 25 h para reducir el contenido de humedad de una muestra de 174,09 t, desde un 24,2% hasta una humedad final de 12%.

Para lograr una mejor comprensión sobre la eficiencia del proceso de secado en ambos lotes, en la Figura 3, se muestra la distribución del tiempo operacional de la instalación de secado por lotes. Evidenciándose que en ambos casos el aprovechamiento de la jornada laboral se comporta de forma irregular, sin embargo al observarse la distribución de tiempo de secado en el Lote (I), se aprecia una mejor estabilidad en el proceso, dado que el valor más bajo de tiempo de secado se alcanzó el primer día, donde se operaron solamente 2 h.

Mientras que en el caso del Lote (II), los valores de tiempo de secado más bajos se encuentran en los días tres, cinco, seis y siete, no superándose las 3 h de tiempo operativo en ninguno de ellos.

Sobre la base del análisis anterior, se determinó el tiempo no operativo de la instalación de secado, el cual se muestra en la Figura 4. Evidenciándose que en ambos casos el tiempo no operativo es irregular y elevado, lo cual se debe fundamentalmente a la carencia de combustible diésel, sin embargo al observarse la distribución de este en el Lote (I), se observa que el valor promedio de inactividad es de 18 h.

Mientras que en el caso del Lote (II), se aprecia que el tiempo de inactividad promedio es de 19,5 h, estando influenciado fundamentalmente por los días: tres, cuatro y seis, en los que se superan las 21 h.

Con el propósito de conocer la eficiencia productiva de la instalación de secado, se determinaron la tasa de reducción de humedad, la potencia eléctrica requerida por kilogramo de material a secar, la energía aprovechada por unidad de tiempo y la productividad de la instalación de secado, empleándose para ello las expresiones (7), (8), (9), (10), representándose los resultados obtenidos en la Tabla 2.

Como se muestra en la tabla anterior, la tasa de reducción de humedad del Lote (I) fue superior a la del Lote (II) en 0,19%/h; este resultado evidencia que las variedades introducidas en el interior de la instalación de secado, independientemente del volumen que ocuparon determinaron el descenso de humedad, lo cual estuvo en función de la difusividad másica que estas poseían, el tiempo no operativo de la instalación y la estabilidad en el proceso de secado. En correspondencia con el resultado anterior, la potencia eléctrica requerida por kilogramo de material a secar en el Lote (II) fue superior a la del Lote (I) en 2,68 kWh/kg, lo cual es totalmente lógico, si se considera que las variedades que constituían el Lote (II) retenían más la humedad que las variedades que constituían el Lote (I) o sea las variedades del Lote (II) poseían menor difusividad másica que las del Lote (I). Este criterio antes planteado tiene una marcada influencia en la energía aprovechada por unidad de tiempo, dado que en el Lote (II), se aprecia que esta es inferior a la del Lote (I) en 0,002 kJ/kg, aspecto que determina la productividad de la instalación para ambos lotes, evidenciándose que la productividad alcanzada por la instalación durante el procesamiento del Lote (II) fue inferior a la del Lote (I) en 0,16 t/h.

La evaluación económica del proceso de secado industrial se desarrolló para los dos lotes analizados, determinándose fundamentalmente los costos de explotación que incurren en el proceso industrial de secado. En la Tabla 3 se representan los valores económicos alcanzados.

Al considerar la capacidad máxima de la instalación de secado, la cual es de 180 t, se observó que en el Lote (I) se utilizó el 96,7% (174,09 t) de la capacidad total y en el Lote (II) se utilizó el 64,4% (116,08 t) de la capacidad total.

Considerándose lo antes planteado y que la instalación de secado empleada en la investigación fue la misma que se utilizó para el procesamiento de ambos lotes; se obtuvo un costo en depreciación de 5,20 peso/h, el cual estuvo dado porque el precio inicial de la instalación es de 50 000 peso, el porciento anual de depreciación considerado es del 12% y la carga anual a la que se somete la instalación es de 1 152 horas o sea 144 días, laborando jornadas de 8 horas.

El costo en salario, se determinó a partir de la cantidad de operarios que intervienen en el proceso, que son cinco y del promedio de salario mensual devengado por los mismos, que es de 700 peso; este costo variable alcanzó un valor de 18,22 peso/h, para ambos lotes, dado que no varía la cantidad de personal involucrado en el proceso.

Los costos en combustibles y lubricantes variaron entre ambos lotes, obteniéndose una diferencia entre el Lote (I) y el Lote (II), equivalente a 19,42 peso/h, evidenciándose que estos se comportan directamente proporcional a la capacidad utilizada en la instalación de secado o sea mientras mayor sea la capacidad utilizada en la instalación de secado, mayor serán los costos por este concepto.

De forma análoga ocurre al determinarse los costos correspondientes a los conceptos de electricidad y mantenimiento-reparaciones, donde se aprecia una diferencia entre el Lote (I) y el Lote (II), equivalente a 5,06 peso/h y 3,89 peso/h, respectivamente.

En el caso del costo de explotación este también varía entre un lote y otro en 28,37 peso/h, lo cual estuvo influenciado por el aprovechamiento de la capacidad de la instalación de secado.

Conociéndose la productividad de la instalación de secado para ambos lotes, la cual fue para el caso particular del Lote (I) de 1,36 t/h y para el Lote (II) de 1,20 t/h, se pudo determinar el costo específico o requerido para secar una tonelada de arroz, alcanzando valores de 73,4 y 59,6 peso/t, para ambos lotes, respectivamente.

Para tener una idea más precisa respecto a los costos económicos, se determinaron los valores promedios de los conceptos considerados, dado que se aprecia una diferencia notable entre un lote y el otro, al observarse los volúmenes a secar en ambos casos.