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Prof. Maribel Beltrán
Grado de Ingeniería Química
Operaciones de Separación de Transferencia de Materia II.
SECADO DE SÓLIDOS
SECADO DE SÓLIDOS
Equilibrio de sólidos húmedos. Cinética de secado. Influencia de las variables sobre la velocidad
de secado. Mecanismo de secado. Período de velocidad de secado constante. Periodo de
velocidad de secado decreciente. Diseño de secadores: discontinuos y continuos. Equipos
industriales.
BIBLIOGRAFÍA
- Operaciones de Separación de Transferencia de Materia
Autor(es): MARCILLA, A.; GÓMEZ, A.; GARCÍA, A.; BELTRÁN, M.I.; OLAYA, M.M.; LABARTA. JA,
Editorial Síntesis, 2022. ISBN:978- 84 - 1357 - 177 - 5
- Introducción a las operaciones de separación : Contacto continuo
Autor(es): MARCILLA, A.; Publicaciones de la Universidad de Alicante, 2002. ISBN:84- 7908 - 712 - 8
Acceso RUA: http://rua.ua.es/dspace/bitstream/10045/4330/1/Marcilla_Gomis_Contacto_continuo.pdf
- Operaciones de separación en Ingeniería Química: métodos de cálculo
Autor(es): MARTÍNEZ DE LA CUESTA, P. J.; RUS MARTÍNEZ, E.; Edición: Madrid, Pearson- Prentice Hall,
- ISBN:84- 205 - 4250 - 4
EVALUACIÓN CONTINUA: Lunes 20 Mayo
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SECADO DE SÓLIDOS
Mecánicos Físico-químicos
Prensado
Centrifugación
Filtración
Liofilización
Absorción
Adsorción
Congelación
Evaporación
superficial
Secado
Métodos de eliminación de la humedad de una
sustancia
El secado consiste en la eliminación de la
humedad de una sustancia mediante
evaporación superficial por contacto con una
corriente de gas relativamente seco
Desecación : eliminación del agua de un
sólido hasta que su contenido está en
equilibrio con el aire que le rodea
Deshidratación : eliminación total del agua
de un sólido
Razones para el secado
- Facilitar la conservación
- Reducir gastos de transporte
- Facilitar manipulación posterior
- Aumentar el valor del producto
- Aprovechar subproductos
- Reducir volumen y aumentar la
capacidad de los equipos
Conviene diferenciar entre:
1. INTRODUCCIÓN
La humedad es habitualmente agua y el gas
es aire, aunque podría tratarse de otras
sustancias
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SECADO DE SÓLIDOS
1. INTRODUCCIÓN
Los sólidos húmedos se pueden considerar constituidos por dos fases; el sólido y una fase líquida que
generalmente es agua. Tanto el sólido como el gas que le rodea (general mente aire) se consideran
inertes, por lo que se suele trabajar con caudales de inerte ( M’ o G’ para el gas y m’ o mss para el sólido)
y razones másicas ( X para la razón másica de agua en el sólido e Y en el aire).
Humedad en base seca, X (kg agua/kg sólido seco)
Humedad en base húmeda, H (kg agua/kg sólido húmedo)
X=
ି ᇱ
ᇱ
ௗ ௨ௗௗ
ௗ ௦óௗ ௦
H=
ି ᇱ
ௗ ௨ௗௗ
ௗ ௦óௗ úௗ
Tipos de humedad en sólidos
La humedad atrapada en el material puede estar retenida en pequeños poros, capilares o grietas o bien
estar contenida en las paredes celulares de materia orgánica, combinada con la materia o disolviendo
partes solubles del sólido. Esta humedad se conoce como humedad ligada y ejerce una presión de
vapor menor que la que ejercería el agua pura.
Parte de la humedad que contiene el sólido también puede no estar retenida por el sólido, encontrarse
sobre la superficie del mismo o “en exceso”. Esta humedad se conoce como humedad no ligada y ejerce
una presión de vapor igual a la del agua pura.
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SECADO DE SÓLIDOS
2. EQUILIBRIO EN SÓLIDOS HÚMEDOS
Un sólido húmedo alcanza el equilibrio con una corriente de gas cuando la
presión de vapor que ejerce la humedad del sólido (P*) iguala a la presión parcial
del vapor que contiene el gas.
La cantidad de agua que es posible eliminar del sólido depende de las condiciones
del aire que le rodea. Sólo se eliminará el agua que se encuentra en exceso de la
que corresponde al equilibrio con el aire.
• Si P* > p
• Si P* < p
• Si P* = p
condensará el agua contenida en el sólido
se evaporará el agua de aire sobre el sólido
la humedad del sólido está en equilibrio con la del aire que
le rodea
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SECADO DE SÓLIDOS
La humedad ligada ejerce una presión de vapor menor que el agua pura (o el líquido puro del que se
trate), mientras que la humedad no ligada se comporta como agua pura (o como el líquido puro que
forme la humedad; misma presión de vapor y relación con la temperatura).
Un sólido con humedad X, en contacto con una aire con humedad absoluta Y, humedad relativa ,
presentarán una curva de equilibrio a cada temperatura como la que se muestra.
Curva de humedad de equilibrio
X* (kg agua/kg sólido seco)
0
1
X* X
humedad libre
Humedad de
equilibrio
humedad ligada
H
u
m
e
d
a
d
r
e
l
a
t
i
v
a
(
)
Humedad no
ligada
Humedad no ligada
Humedad ligada
Humedad de equilibrio, X* o X
e
Humedad del aire, Y (kg agua/kg aire seco) o
se puede expresar como (t)
Humedad libre, W=X-X*
2. EQUILIBRIO DE SÓLIDOS HÚMEDOS
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SECADO DE SÓLIDOS
Equilibrio en sólidos húmedos
Un sólido con humedad X, en contacto con una aire con humedad absoluta Y, humedad relativa ,
presentarán una curva de equilibrio a cada temperatura como la que se muestra.
2. EQUILIBRIO DE SÓLIDOS HÚMEDOS
X* = X
1
[k/(1-)][1-(n+1)
n
+n
n+
]/[1+(k-1) -k
n+
]
Estas curvas de equilibrio son similares a las que
presentan los sólidos en adsorción y presentan ciclo de
histéresis. Por ello, se suelen correlacionar
considerando que se trata de adsorción física del vapor
sobre el sólido. Se podría aplicar la teoría de BET
(Brunauer, Emmet y Teller), deducida para la adsorción
física de sucesivas capas monomoleculares de
adsorbato:
H
u
m
e
d
a
d
r
e
l
a
t
i
v
a
d
e
l
a
i
r
e
X* (kg agua/kg sólido seco)
Desorción
Adsorción
A D
Para n=1;
X* = X
1
k/[(1-)(1-+k)] Para n =
X* = X
1
k/(1+k Ecuación de Lagmuir
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SECADO DE SÓLIDOS
3. CINÉTICA DE SECADO EN CONDICIONES DE AIRE CONSTANTES
v (kg w/hm
2
v (kg w/kg ss h) = - DX/D )= - (m’/A) DX/D
Materiales muy húmedos
h
u
m
e
d
a
d
d
e
l
s
ó
l
i
d
o
(
X
)
a
a’
c
b
d
c
Materiales muy húmedos Materiales muy húmedos
V
(
k
g
a
g
u
a
/
h
m
2
)
V
(
k
g
a
g
u
a
/
h
m
2
)
c
a’
a
b
d
c
c
a’ b
a
d
X* Xc X
b: periodo de velocidad de secado constante : Mientras haya líquido en la superficie del sólido
(humedad no ligada), si la velocidad y dirección del aire no varía k’ se mantendrá contante y lo mismo la
humedad de la interfase Y i
, de modo que la velocidad de evaporación se mantendrá constante.
c y d: periodo de velocidad de secado decreciente : La velocidad de secado decrece al reducirse el
área mojada por humedad no ligada (periodo de superficie no saturada), y una vez que desaparece ésta
porque el mecanismo controlante es el aporte de humedad a la superficie del sólido.
a: periodo de inducción : La velocidad de secado puede aumentar o disminuir dependiendo de la
temperatura inicial del sólido. Si el sólido está inicialmente más caliente que el aire la velocidad de secado
disminuirá durante este periodo.
La velocidad de secado se suele expresar de dos formas:
Etapas durante el proceso de secado
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aire
sólido
interfase
aire/agua agua/sólido
radiación
convección
conducción
calor latente
humedad
Velocidad de secado constante
aire
sólido
interfase
aire/agua aire//sólido
radiación
convección
conducción
calor latente
humedad
Velocidad de secado decreciente 1
aire
sólido
interfase
aire//sólido
radiación
convección
conducción
calor latente
humedad
Velocidad de secado decreciente 2
agua/sólido
humedad
t
t
s
t
m
Y
X
Película
de agua
aire sólido
t
t s t
m
Y
X
Y
s
aire sólido
(a) (b) (c)
3. CINÉTICA DE SECADO EN CONDICIONES DE AIRE CONSTANTES
Etapas durante el proceso de secado
Y
s
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Mientras haya superficie del sólido saturada de humedad ( humedad no ligada ) el sólido se encuentra
en el periodo de velocidad de secado constante y el secado se produce por evaporación desde la
superficie del sólido.
La humedad ligada se elimina durante periodo de velocidad de secado decreciente. Dependiendo de
la naturaleza del sólido se pueden dar diferentes mecanismos de secado en este periodo. En sólidos
no porosos el proceso de secado está controlado por la difusión de la humedad hasta la superficie del
sólido. En sólidos porosos la humedad fluye a través de los poros por capilaridad.
Las ecuaciones que gobiernan cada uno de estos procesos se muestran a continuación.
Aire seco Y, t
Superficie del sólido
desde donde se produce
la evaporación Ys, ts
4. CALCULO DEL TIEMPO DE SECADO EN CONDICIONES DE AIRE CONSTANTES
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SECADO DE SÓLIDOS
superficie radiante t r
z b
Gas
Gas, G', t, Y flujo radiación, q R
flujo convección, q c
flujo conducción, q k
calor latente
superficie que se seca, A, t s
superficie media
del sólido, A m
bandeja
superficie no útil para el secado, A u
N
w
= k’(Y
s
- Y)
Durante este periodo hay una película de
agua no ligada sobre la superficie del sólido.
La superficie del sólido recibe calor por
conducción, radiación y convección
q
v
= N
w
H
v
= k’(Y
s
s
v
( t - t
s
)]
Calor empleado en evaporar la humedad y llevarla desde t
s
hasta t
q
a
= q
c
+q
k
+q
R
q
c
= h
c
(t - t
s
q
R
= h
R
(t
R
s
Donde U
k
= 1/[(1/h
c
)(A/A
u
)+(z
b
/k
b
)(A/A
u
)+(z
s
/k
s
)(A/A
m
)
q
K
= U
k
(t - t
s
Flujo de calor que recibe la interfase:
4.2.1. Calculo del tiempo de secado en el periodo de velocidad de secado contante a partir de los
mecanismos de transferencia de materia y calor
Cuando se alcance el régimen estacionario y el flujo de calor que llega desde el aire será igual al que el
agua necesita para evaporarse y alcanzar t:
k’(Y
s
s
v
( t - t
s
)] = h
c
(t - t
s
) + U
k
(t - t
s
) +h
R
(t
R
s
La cantidad de agua evaporada vendrá dada por N
w
y la cantidad de calor que este agua necesita para evaporarse y alcanzar la temperatura de la corriente
de aire es Hv :
q
v
= q
a
H
v
= l
s
( t - t s
4. CALCULO DEL TIEMPO DE SECADO EN CONDICIONES DE AIRE CONSTANTES
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Naturaleza del material
Temperatura del aire
Velocidad másica del aire
Tamaño del sólido
Humedad del aire
G 1
< G 2
< G 3
G 3
G 1
G 2
Análisis cualitativo de la influencia de variables
4. CALCULO DEL TIEMPO DE SECADO EN CONDICIONES DE AIRE CONSTANTES
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k' = M’Re
x
/Sc
h
c
= 0.036C
p
M’Re
x
/Pr
Para flujo paralelo a la superficie:
Para flujo perpendicular y M’= 800-4000 lb/(hft
2
):
Para flujo paralelo y M’= 500-6000 lb/(hft
2
): h
c
= 0.01M’
h
c
= 0.37M’
Re
x
= xG/m Pr = C
p
m/k Sc = m/(rD)
Efecto de la velocidad del gas:
Efecto de la temperatura del gas
Efecto de la humedad del gas
Efecto del espesor del sólido
ܰ ܹ
= ݇′ (ܻ ݏ
− ܻ ) =
1
ߣ ݏ
(ℎ ܿ
+ܷ ݇
)(ݐ − ݐ ݏ
) + ℎ ܴ
(ݐ ܴ
− ݐ ݏ
)
Al aumentar la velocidad del gas aumenta la velocidad de evaporación
Al aumentar la temperatura del gas aumenta la velocidad de evaporación
Al aumentar la humedad del gas disminuye la velocidad de evaporación
Al aumentar el espesor del sólido disminuye la velocidad de evaporación si hay conducción a través
4.2.1. Calculo del tiempo de secado en el periodo de velocidad de secado contante a partir de los
mecanismos de transferencia de materia y calor
4. CALCULO DEL TIEMPO DE SECADO EN CONDICIONES DE AIRE CONSTANTES
