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SECADO.

Laboratorio integral III.

25 DE ABRIL DE 2020

DANTE ALÍ AVILA RIVERA - 15041122

Ing. Eduardo Porras Bolivar.

Contenido

Secado. ...................................................................................................................................... 1

Conceptos generales. .............................................................................................................. 1

Secado.

En general, El secado de sólidos consiste en separar pequeñas cantidades de agua

u otro líquido de un material sólido con el fin de reducir el contenido de líquido

residual hasta un valor aceptablemente bajo. El secado es por lo común la etapa

final de una serie de operaciones y, con frecuencia, el producto que se extrae de un

secador está listo para ser empaquetado.

El agua u otros líquidos pueden separarse los sólidos de manera mecánica

mediante prensas o centrífugas, o bien de modo térmico mediante evaporación. Por

lo general, resulta más barato eliminar líquidos por métodos mecánicos que por

métodos térmicos coma y por esta razón es el concejal de reducir el contenido del

liquido tanto como sea posible antes de alimentar material a un secador térmico.

los sólidos que se presentan diferentes formas - escamas, gránulos, cristales,

polvos, hojas o láminas continuas- y poseen propiedades muy diferentes. El líquido

qué ha de vaporizarse puede estar sobre la superficie del sólido, como el secado de

cristales salinos, completamente el interior del sólido coma como en el caso de

eliminación del solvente de una lámina de un polímero, o parte en el exterior y parte

en el interior. La alimentación algunos secadores es un líquido en el que está

suspendido el sólido en forma de partículas o en solución. El producto que se seca

puede soportar temperaturas elevadas o tal vez requiere de un tratamiento suave a

temperaturas bajas o moderadas. Esto da lugar a que en el mercado existen un

gran número de tipos de secadores comerciales. Las diferencias reciben

fundamentalmente en la manera en que los sólidos se mueven en la zona de secado

y en la forma en que se transfiere el calor.

el secado o deshidratación de materiales biológicos, se usa también como técnica

de preservación. Los microorganismos que provocan la descomposición de los

alimentos no pueden crecer y multiplicarse en ausencia de agua.

Conceptos generales.

Curvas de secado.

Curvas de velocidad de secado para condiciones de secado constante.

Los datos que se obtienen de un experimento de secado por lotes, por lo general

se expresan como peso total W del sólido húmedo a diferentes tiempos de t horas.

Figura 2. Curva típica de velocidad de secado constante función del contenido de

humedad libre.

Para obtener una curva de velocidad de secado partir de esta gráfica, se

miden las pendientes de las tangentes de la curva de la figura 1, lo cual

proporciona valores de

⁄ Para ciertos valores de t. se calcula entonces

la velocidad R para cada punto con la expresión:

𝐿

𝑠

𝐴

𝑑𝑋

𝑑𝑡

Dónde R es la velocidad de secado en kg H 2

O/h m

2

, L

S

es kg de solido seco

usado y A es el área superficial expuesta al secado en m

2

. La curva de

velocidad de secado se obtiene graficando R En función del contenido de

humedad, tal como se muestra en la figura 2.

2. Gráfica de la curva de velocidad de secado.

En la figura 2 se muestra la curva de velocidad de secado para condiciones

de secado constante. empezando el tiempo 0 coma el contenido inicial de

humedad libre corresponde al punto A. al principio, el sólido suele estar a una

temperatura inferior de la que tendrá al final, y la velocidad de evaporación

va en aumento. Cuando llega al punto B, la temperatura de la superficie del

sólido está en equilibrio. Por otra parte el sonido está bastante caliente al

iniciar la operación, la velocidad de secado puede iniciar en un punto A’. Este

periodo iniciar ajuste no estacionario suele ser corto y generalmente se pasa

por alto en los análisis de los tiempos de secado.

La recta BC representa La pendiente y la velocidad constante durante este

periodo llamado periodo de velocidad constante de secado.

En el punto C de las gráficas uno y dos, la velocidad de secado comienza a

disminuir en el período de velocidad decreciente , hasta llegar al punto D. Por

E

D

C

B

velocidad…

A

velocidad

constante

A'

0

2

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.

Velocidad de secado

R

(kg H

2

O/h m

2

)

humedad libre X (kg H

2

O/kg solido seco)

lo general la velocidad de secado que corresponde a la línea CD sí es

constante cómo este es el primer periodo de velocidad decreciente.

En el punto D la velocidad de secado disminuye con más rapidez aún, hasta

alcanzar el punto E, donde el contenido de humedad de equilibrio es X

, y

X=X

*

- X

*

=0. El secado de algunos materiales, la región CD existente o bien

representa la totalidad del periodo de velocidad decreciente.

Periodos de secado.

Cuando un sólido se seca experimentalmente, casi siempre se obtienen datos que

asocian el contenido de humedad con el tiempo. Estos datos se representan

gráficamente como el contenido de humedad X T

en función del tiempo t. Cómo se

ilustra en la figura 3. La curva representa el caso general en que los sólidos mojados

pierden humedad, primero por evaporación de una superficie saturada del sólido, a

lo cual sigue un período de evaporación de la superficie saturada que tiene un área

gradualmente decreciente, y por último cuando el agua se evapora en el interior del

sólido. La velocidad de secado está sujeta a variación en función del tiempo o el

contenido de humedad.

Figura 3. contenido de humedad en función del tiempo.

Esta variación se ilustra con mayor claridad diferenciando gráfica o

numéricamente la curva y haciendo una representación gráfica de

𝑇

⁄ en

función de t. Cómo se muestra en la gráfica de la figura 4. O cómo

𝑇

⁄ , en

función de X T

. cómo se muestra en la grafica de la figura 5.

A

B

C

D

0

0

contenido de humedad (X

T

)

tiempo, t

Figura 5. Velocidad de secado en función del contenido de humedad.

Periodo de velocidad constante.

En este periodo movimiento de humedad dentro del sólido es lo bastante rápido

para mantener una condición saturada en la superficie, y la velocidad de secado se

controla por medio de la velocidad de transmisión de calor a la superficie de

evaporación. El secado se desarrolla por difusión de vapor desde la superficie

saturada del material, pasando por una capa de aire estancado hasta el medio que

lo rodea. La velocidad de transferencia de masa se equilibra con la velocidad de

transmisión de calor, mira temperatura en la superficie durada permanece

constante. El mecanismo de suspensión de humedad equivale a la evaporación de

un cuerpo de agua y esencialmente independiente de la naturaleza de los sólidos.

Si el calor se transfiere exclusivamente por convección, y en ausencia de

otros efectos caloríficos, temperatura superficie se acerca a la de bulbo húmedo.

Cuando el calor se transmite por radiación, conducción o por una combinación de

ambas y por convección, la temperatura de la superficie saturada se ubica entre la

del bulbo húmedo y la de ebullición del agua. A consecuencia de esto la velocidad

de transmisión de calor se incrementa y se obtiene mayor velocidad de secado.

Periodo de velocidad decreciente.

Los periodos de velocidad decreciente principal en el contenido crítico de humedad

al concluir los períodos de velocidad constante. cuando el contenido decreciente de

humedad es superior al contenido crítico, todo el proceso de secado se desarrollará

en condiciones de velocidad constante. De otra manera, si el contenido inicial de

humedad es inferior al crítico todo el proceso de secado se desarrollará en el

período de velocidad decreciente. Este periodo se divide en dos zonas:

D

C

A

B

E

0

0

R, velocidad del secado. kg/ m

2

h

X, humedad libre, kg/kg solido seco

1. Secado de superficie no saturada.

No toda la superficie de evaporación se puede mantener saturada por el

movimiento de humedad dentro del sólido. la velocidad de secado disminuye

en la porción no saturada y por ende la velocidad de la superficie total se

reduce. La velocidad de secado depende de factores que afectan la difusión

de humedad en una dirección que se aleja de la superficie de evaporación.

2. El movimiento interno de humedad controla el proceso.

La velocidad de secado está regida ahora por la velocidad del movimiento

interno de la humedad, y la influencia de variables externas disminuye. Este

periodo generalmente es el que determina el tiempo total de secado.

Para que el proceso de evaporación sea dentro del sólido se requiere que la

superficie se vuelva insaturada.

Métodos para estimar la velocidad de secado.

Método de curvas experimentales de secado.

El factor más importante en los cálculos de secado es probablemente el tiempo

requerido para sacar un material a partir de un contenido inicial de humedad libre

X

1

, Hasta un contenido de humedad libre X 2

. Para él periodo de velocidad constante,

es posible estimar el tiempo necesario mediante curvas de cada obtenidas con los

experimentales, o por predicciones de coeficiente de transferencia de masa de

transferencia de calor.

A) Método de curva de secado.

Para estimar el tiempo de secado determinado lote de material goma el mejor

método consiste en obtener valores experimentales reales bajo condiciones de

alimentación coma para superficial relativa expuesta, velocidad del gas,

temperatura y humedad que sean lo mas parecidas a las que tendrá el secador

que se usará en la práctica. De esta manera el tiempo requerido para el período

de velocidad constante se determina directamente con la curva de secado de

contenido de humedad libre en función del tiempo. figura 1.

B) método de la curva de velocidad de secado para el período de velocidad

constante.

En lugar de la curva de secado. Es posible emplear la curva de velocidad de

secado. La velocidad de secado R sí se define de la siguiente manera :

𝐿 𝑠

𝐴

𝑑𝑋

𝑑𝑡

Esta expresión se redondea e integra respecto al intervalo de tiempo para sacar

desde X 1

a t 1

=0 hasta X 2

a t 2

=t. Y si el secado se verifica dentro del periodo de

𝑊

𝑊

o la ecuación de transferencia de masa 𝑘

𝑦

𝐵

𝑊

− 𝐻). Se ha

determinado qué es más confiable usar la ecuación de transferencia de calor.

𝑐

𝑘𝑔 𝐻 2

𝑂

ℎ 𝑚

2

ℎ

( 𝑇−𝑇 𝑊

°𝐶

)

𝜆 𝑊

Efecto de las variables del proceso sobre el periodo de velocidad constante.

Es preferible emplear mediciones experimentales de la velocidad de secado en vez

de las ecuaciones de predicción. estas ecuaciones son bastante útiles para predecir

el efecto de los cambios de las variables del proceso de secado cuando se dispone

de datos experimentales limitados.

Para utilizar la ecuación (7) se debe conocer el coeficiente de transferencia de calor.

como la forma del borde de entrada de la superficie de secado causa turbulencia en

el aire se utiliza la siguiente expresión para h.

1. 8

donde G (νρ kg/h m

2

) y h esta en W/m

2

. Cuando el aire fluye perpendicularmente

1. 37

a) Efecto de la velocidad del aire. Cuando no hay transferencia de calor por

conducción y radiación, la velocidad R C

de secado en la región de velocidad

constante es proporcional a h , y, por tanto, a G

0.

, tal como lo expresa la

ecuación ( 8 ) para flujo de aire paralelo a la superficie.

b) Efecto de la humedad del gas. Si la humedad del gas H disminuye para

terminado valor de T en el gas, la temperatura de bulbo húmedo W , tal como

se obtiene de la gráfica de humedad, también disminuye. Entonces aplicar

la ecuación (7) Se ve que R c

aumenta.

c) Efecto de la temperatura del gas. Sí si eleva la temperatura del gas T,T W

También aumenta algo, pero no tanto como el aumento de T. por los que R C

aumenta como sigue.

𝐶 2

𝐶 1

𝑇 2

−𝑇 𝑊 2

𝑇

1

−𝑇

𝑊 1

𝐶 1

𝐻 𝑊 2

−𝐻 2

𝐻

𝑊 1

−𝐻

1

d) Efecto del espesor del lecho sólido que se está secando. Cuando sólo

hay transferencia de calor por convección, la velocidad R c

es independiente

del espesor x 1 del sólido. Sin embargo, como el tiempo el tiempo t necesario

para secar entre los contenidos de humedad fijos X 1 y X 2

dos sería

directamente proporcional a ese espesor x. La ecuación (5) muestra esta

proporcionalidad pues aumenta el espesor por un valor constante de A se

elevará directamente la cantidad L S

kilogramo de sólido seco.

e) Efecto experimental de las variables de proceso. Los resultados

experimentales tienden a confirmar las conclusiones señaladas para los

efectos de espesor de material, humedad, velocidad del aire si T-T W

Métodos para calcular el periodo de secado de velocidad decreciente

método de integración numérica.

En el periodo de secado de velocidad decreciente que se muestra en la figura 4 en

la sección de recta CE, la velocidad de secado R no es constante, sino que

disminuye cuando el secado pasa por la zona de contenido crítico de humedad libre

X

c

. Cuando El contenido de humedad libre X

es 0 , la velocidad también lo es.

El tiempo de secado para cualquier región entre X 1

y X 2

, se obtiene mediante la

ecuación (11) :

𝑡 = ∫ 𝑑𝑡

𝑡

2

𝑡

1

=

𝐿

𝑠

𝐴

∫

𝑑𝑋

𝑑𝑡

𝑋

1

𝑋

2

(11)

A la ecuación:

𝑡 =

𝐿

𝑠

𝐴

∫

𝑑𝑋

𝑅

𝑋

1

𝑋

2

(12)

Cuándo la velocidad es constante la ecuación 12 Se puede integrar para obtener la

ecuación (5). Sin embargo coma durante el período de velocidad decreciente, R varia. La

ecuación 12 se puede integrar gráficamente para cualquier forma de la curva de secado de

velocidad decreciente, trazando 1/ R en función de X terminando el área bajo la curva

utilizando integración gráfica o numérica con una hoja de cálculo.

Equipo empleado en el secado de sólidos.

Para describir el método por el cual gas entre el contacto con un lecho de sólidos

se definen a continuación:

a) Flujo paralelo. la dirección del flujo de gas es paralela a la superficie de la

fase sólida. El contacto se registra primordialmente en la entre cara

comprendida entre dos fases, en donde se produce quizá una leve

penetración del gas en los vacíos comprendidos entre los solidos cercanos a

la superficie. Figura 6.

Secadoras de platos perforados

En la figura 9 se ilustra un secador típico discontinuo de platos perforados. Consiste

en una cámara rectangular de chapa metálica que contiene dos carretones para

soportar los bastidores H. cada bastidor lleva numerosos platos perforados poco

profundos, que se cargan con el material a secar. Entre los platos se hace circular

aire caliente por medio de un ventilador C y el motor D, pasando sobre los

calentadores E. las placas deflectoras G distribuyen el aire de manera uniforme

sobre el conjunto de platos. parte del aire húmedo se expulsa de forma continua a

través del conducto de descarga B; mientras que por A entra la reposición de aire

fresco. los bastidores van montados sobre las ruedas I, de forma que al final del

ciclo de secado es posible retirarlo de la cámara y descargar el contenido de los

platos.

los secadores de platos resultan convenientes cuando la velocidad de producción

es pequeña. El secado por circulación de aire sobre capas estacionaria de sólidos

es lento y coma por consiguiente los ciclos de secado son largos: D 3 a 48 horas

por carga. Los secadores de bandejas se pueden operar bajo vacío, generalmente

con calentamiento directo junto las bandejas pueden descansar sus platos huecos

de metal alimentados con vapor o agua caliente como ellos mismos pueden

contener espacios para calentamiento del fluido. El vapor del sólido se extrae por

medio de un inyector una bomba de vacío. A veces se añade un pequeño flujo de

nitrógeno para ayudar a extraer los vapores, pero la mayor parte del calor de

evaporación proviene de la conducción a través de la bandeja el sólido húmedo. Los

secadores al vacío son considerablemente más caros que los que operan a presión

atmosférica, pero los primeros se prefieren para calentar materiales sensibles al

calor.

Figura 9. Secador de platos perforados [tomado sin autorización de, McCabe, W., Smith, J. and

Harriott, P., 1991. Operaciones Unitarias En Ingeniería Química. 4th ed. Madrid: McGraw-Hill,

p. 854. ]

Secadores de tamices transportadores.

Un secador típico de tamiz de transportador con circulación a través de sólidos se

representa en la figura 10 punto una capa de 25 a 150 milímetros de espesor del

material que se va a secar se transporta lentamente sobre un tamiz metálico que se

mueve a través de una cámara larga o túnel de secado. La cámara consiste de una

serie de secciones separadas con cada una con su propio ventilador y calentador

de aire. En el extremo de entrada del secador coma el aire por lo general pasa hacia

arriba a través del tamiz de los olivos, mientras que cerca del extremo descarga

coma donde el material está seco y puede desprender polvo el aire circula hacia

abajo a través del tamiz. Los secadores de tamiz transportador operan de manera

continua y suave con una gran variedad de sólidos; su costo es razonable, y el

consumo de vapor de agua debajo, siendo típico el valor de dos kilogramos de vapor

de agua por kilogramo de agua evaporada. Aire circula a través y es expulsado de

cada sección de forma independiente o bien circula desde una sección a otra en

contracorriente con el sólido punto estos secadores son en especial aplicables

cuando las condiciones de secado se modifican notablemente a medida que

disminuye el contenido de humedad del sólido.

Figura 10. Secador de tamiz transportador con de aire en el extremo seco [tomado sin

autorización de, McCabe, W., Smith, J. and Harriott, P., 1991. Operaciones Unitarias En Ingeniería

Química. 4th ed. Madrid: McGraw-Hill, p. 855. ]

Torres de secado.

un secador de torre contiene una serie de bandejas circulares montadas una sobre

la otra con un vástago central rotativo. Alimentación sólida colocada sobre la

bandeja superior se expone la corriente de aire o gas caliente que pasa a lo largo

de la bandeja luego el sólido raspado y cae a la bandeja inferior. de esta manera se

traslada a través del secador. Descargándose como producto seco por la base del

secador. El flujo del sólido del gas puede ser paralelo o a contracorriente.

externa, o por medio de vapor de agua que condensa en un conjunto de tubos

instalados sobre la superficie interior de la carcasa.

Típico secador rotatorio adiabático a contracorriente se representa en la figura 12.

Una carcasa rotatoria A, construida con chapa de acero coma está soportada sobre

dos conjuntos de rodillos B, y accionada por medio de un engranaje y un piñón C,

en el extremo superior hay una campana D, qué a través del ventilador E conecta

con una chimenea cómo y una conducción F que introduce el material húmedo

desde la tolva de alimentación. las pestañas G, que elevan el material que se seca

y lo dejan caer después a través de la corriente de aire caliente, están soldadas

sobre la superficie interior de la carcasa. Por el extremo inferior del secador se

descarga el producto seco en un transportador de tornillo H. de modo opcional el

ventilador puede estar situado en la descarga como con lo cual aspira el aire a través

del secador y mantiene el sistema con un ligero vacío punto esto resulta útil cuando

el material tiende a formar polvos este tipo de secadores se utilizan con frecuencia

para todo tipo de materiales granulares y cristalinos que deben mantenerse limpios

y que no pueden exponer directamente gases de combustión muy calientes.

figura 12. Secador rotatorio calentado con aire en contracorriente. [Tomado sin autorización de ,

McCabe, W., Smith, J. and Harriott, P., 1991. Operaciones Unitarias En Ingeniería Química. 4th ed.

Madrid: McGraw-Hill, p. 857. ]

Secadores de tornillo transportador.

Con secador de tornillo transportador es un secador continuo de calentamiento

directo, consiste esencialmente en un transportador horizontal de tornillo confinado

dentro de una carcasa cilíndrica encamisada. La alimentación de sólidos entra por

un extremo, circula muy lento a través de la zona calentada y descarga por el otro

extremo. Los secadores de tornillo transportador tratan sólidos que son demasiado

finos y demasiados pesos para operar con un secador rotatorio. Están

completamente cerrados y permiten recuperar los vapores del solvente con poca o

ninguna dilución de aire.

Secadores de lecho fluidizado.

Los secadores en los que los sólidos están fluidizados por el gas de secado se

utilizan diversos problemas de secado La alimentación húmeda se introduce por la

parte superior del lecho: el producto seco se retira lateralmente cerca del fondo, en

el secador que se ilustra en la figura 13 existe una distribución al azar de los tiempos

de residencia, siendo el tiempo medio típico de permanencia de 30 a 120 s cuando

solo se vaporiza líquido superficial, y de 15 a 30 min sí también hay difusión interna.

Si hay partículas finas presentes, ya sea que entran con la alimentación, o bien, de

la ruptura de partículas del hecho fluidizado, Si existirá un considerable transporte

de sólidos con el gas que sale y será necesario instalar ciclones y filtros de bolsa

para la recuperación de finos.

Figura 1 3. Secador continuo de lecho fluidizado. [tomado sin autorización de, McCabe, W., Smith,

J. and Harriott, P., 1991. Operaciones Unitarias En Ingeniería Química. 4th ed. Madrid: McGraw-

Hill, p. 861. ]

velocidad. En el secador típico de pulverización que se representa en la figura 15.

La cámara de secado es un cilindro con fondo cónico. La alimentación del líquido

se realiza por bombeo hasta un atomizador de disco situado en el techo de la

cámara. En este secador el disco de pulverización tiene unos 300 milímetros de

diámetro y gira entre 5000 y 10.000 rpm. esto atomiza el liquido en finas gotas que

se proyectan radialmente una corriente de gas caliente qué entra cerca de la parte

superior de la cámara.

Los diámetros medios de las gotas en un secador de pulverización oscilan

entre 20 micrómetros cuando se utiliza un atomizador de discos y 180 micrómetros

para el caso de una boquilla de pulverización gruesa. Eso las principales ventajas

de los secadores de pulverización son el corto tiempo de secado, que permite el

secado de materiales altamente sensibles al calor, y la producción de partículas

esféricas huecas. un secador de pulverización combina las funciones de un

evaporador, un cristalizador, un secador, una unidad de reducción de tamaño y un

clasificador. Donde puede utilizarse, la simplificación que resulta a el proceso global

de fabricación es considerable.

Figura 14. Secador de pulverización con flujo paralelo. [Tomado sin autorización de, McCabe,

W., Smith, J. and Harriott, P., 1991. Operaciones Unitarias En Ingeniería Química. 4th ed. Madrid:

McGraw-Hill, p. 863. ]

Vídeo 2. secador de pulverización [recuperado de

https://www.youtube.com/watch?v=3DZr5cOgWEg ]

Secadores de película delgada.

En algunos casos los secadores de pulverización resultan competitivos con los

secadores de película delgada, los que pueden aceptar una alimentación líquida o

una suspensión para dar lugar a un producto sólido seco que fluye libremente. La

mayor parte del líquido que entra al secador se separa en una sección qué consiste

en un secador evaporador con agitado vertical, Y el sólido parcialmente húmedo se

descarga en la segunda sección, La eficiencia térmica de los secadores de película

delgada es elevada y se produce una escasa pérdida de sólidos, ya que poco o

nada de gas se retira de la unidad. Son útiles para separar y recuperar solventes de

productos sólidos son relativamente caros y están limitados en cuanto al área de

transferencia de calor. Generalmente la alimentación está comprendida entre 100 y

200 kg/m

2