Operaciones unitarias, Guías de Química Aplicada. Escuela Superior Politécnica del Litoral
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Operaciones unitarias, Guías de Química Aplicada. Escuela Superior Politécnica del Litoral

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Práctica de la operación de secado de diferentes equipos.
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ESCUELA SUPERIOR POLITÉCNICA

DEL LITORAL

Facultad de Ciencias Naturales y Matemáticas Departamento de Ciencias Químicas y

Ambientales

Laboratorio de Operaciones Unitarias

“Practica de Secado .”

Presentado Por:

Jipson Joel Franco Pincay.

Profesora:

GUAYAQUIL – ECUADOR Año: 2017-2018

Objetivo general • Conocer los principios básicos de la operación de secado de los diferentes

equipo de secado que operan por lote en el laboratorio de Operaciones Unitaria de la FCNM

Objetivos específicos • Identificar cuantos y cuales periodos de secado se encuentran en el

proceso

• Observar mediante grafica X vs T el comportamiento de secado de una muestra en particular

• Determinar la velocidad de secado de un sólido en particular

• Determinar la curva de secado de un material en el secador de bandejas del Laboratorio de Operaciones Unitarias de la FCNM.

• Calcular la humedad extraída durante el tiempo de secado.

Marco teórico El secado de solidos se puede definir de diversa manera el cual dependerá del enfoque al que este dirigido, básicamente cuando se hace estudio se hace mucho énfasis en los mecanismo de transferencia de energía y de materia. De esta manera se puede definir al secado como un proceso en que hay intercambio simultaneo de calor y masa, entre el aire del ambiente de secado y el sólido. Son dos procesos que ocurren de manera simultánea cuando un sólido húmedo es sometido a un secado térmico.

1. Hay transferencia de energía(calor) de los alrededores para evaporar la humedad de la superficie.

2. Hay transferencia de la humedad interna hacia la superficie del sólido. De estos dos procesos dependerá la rapidez con la cual el secado se lleve a cabo. Normalmente para que el secado se ejecute, la humedad debe ganar calor de sus alrededores y de esta manera poder evaporarse, para ser liberado por un gas transportador. La acumulación de vapor sobre la superficie de secado influye en la velocidad de secado y el manejo adecuado de estas condiciones es determinante para lograr un proceso satisfactorio. (2017) Constituye uno de los métodos que permite separar un líquido de un sólido; el secado es la separación de la humedad de los sólidos (o de los líquidos) por evaporación en una corriente gaseosa. En el proceso de secado no hay cambio de fase, ya que no hay necesidad de que el solvente llegue al punto de ebullición.

Cuando se estudia la velocidad de secado de un sólido en condiciones constantes (temperatura, humedad ambiental y velocidad del aire) y se representa en función de la humedad libre del sólido (determinada por pesada), se puede apreciar un periodo de velocidad constante y un periodo de velocidad decreciente. Fenomenos de transferencia en el proceso de secado Al secar un sólido en el seno de una masa de aire tiene lugar simultáneamente transferencia de materia y transmisión de calor. El agua contenida en el sólido se desplaza hacia la interfase y posteriormente al seno del gas. El gradiente de temperatura entre el aire y el sólido provoca la transmisión de calor. Los fenómenos que suceden son:

• Transferencia de materia a través del sólido. Se produce por capilaridad (altos niveles de humedad) y difusión (bajos niveles de humedad).

• Transferencia de vapor de agua desde la interfase sólido-gas al seno del gas. Se produce por transporte turbulento.

• Transferencia de calor desde el seno del gas a la interfase. Se produce por conducción, convección o radiación.

• Transferencia de calor desde la interfase al seno del sólido. Sólo puede tener lugar por conducción

Análisis de la curva de secado

Ilustración 1: Curva de secado

• Etapa A-B: Es una etapa de calentamiento (o enfriamiento) inicial del sólido normalmente de poca duración en la cual la evaporación no

• es significativa por su intensidad ni por su cantidad.

• Etapa B-C: Es el llamado primer período de secado o período de velocidad de secado constante; donde se evapora la humedad libre o no ligada del material y predominan las condiciones externas. En este período el sólido tiene un comportamiento no higroscópico

• Etapa C-D: Es el segundo período de secado o período de velocidad de secado decreciente; donde se evapora la humedad ligada del material y predominan las condiciones internas o las características internas y externas simultáneamente.

• Etapa D-E: En esta etapa la evaporación ocurre desde el interior del sólido y ocurre hasta que no existe secado adicional. (2017)

Análisis de condiciones de secado Condiciones Externa La eliminación de agua en forma de vapor de la superficie del materia,, depende de las condiciones externas tales como: temperatura, humedad y flujo del aire, área de la superficie expuesta y presión. Estas condiciones son importantes durante las etapas iniciales de secado cuando la humedad de la superficie está siendo removida. (Robert, 1980)

Condiciones interna El movimiento de humedad dentro del sólido, es una función de la naturaleza física al interior del sólido, la temperatura y su contenido de humedad. En la operación de secado cualquiera de estos procesos puede ser el que determine la velocidad de secado. A partir de la transferencia de calor hacia un sólido húmedo, un gradiente de temperatura se desarrolla dentro del sólido mientras la evaporación de la humedad ocurre en la superfice. La evaporación produce una migración de humedad desde adentro del sólido hacia la superficie, la cual ocurre a través de uno o mas mecanismos, normalmente, difusión, flujo capilar, presión interna causada por el encogimiento durante el secado.

Clasificación de la operación de secado

• Directo (Aire)

• Continuo

• Discontinuo

• Indirecto (fuente térmica)

De modo general se pueden clasificar las operaciones de secado en continuas y discontinuas. En las operaciones continuas pasan continuamente a través del equipo tanto la sustancia a secar como el gas. La operación discontinua en la práctica se refiere generalmente a un proceso semicontinuo, en el que se expone una cierta cantidad de sustancia a secar a una corriente de gas que fluye continuamente en la que se evapora la humedad (Treybal, 1965). En el gráfico podemos observar varios términos que describiremos a continuación:

• Humedad Límite es conocida también como humedad ligada o humedad interna, en la cual la velocidad de secado no es constante.

• Humedad No Límite conocida también como humedad desligada o humedad superficial, en la cual la velocidad de secado es constante, por lo cual será el fenómeno que se de mucho más rápido en el proceso de secado. (procesosbio, 2017)

Figura 1.- Tipo de Humedales

Los equipos utilizados para secar se pueden clasificar también de acuerdo a cualquiera de estas categorías:

1. Métodos de operación: Continuos ó Discontinuos. 2. Métodos de propiciar el calor necesario para la evaporación de la humedad:

En secaderos directos e indirectos. 3. Naturaleza de la sustancia a secar: Puede ser la sustancia un sólido rígido como

la madera, un material flexible como el papel o la tela, un sólido granular tal como la masa de cristales, una pasta espesa o delgada o una solución. Es probable que la forma física de la sustancia y los distintos métodos de manipulación empleados, ejerzan la influencia más grande en el tipo de secadero a utilizar.

Secado en bandejas En el secador de bandejas, que también se llama secador de anaqueles, de gabinete, o de compartimientos, el material, que puede ser un sólido en forma de terrones o una pasta, se esparce uniformemente sobre una bandeja de metal de 10 a 100 mm de profundidad. Un secador de bandejas tiṕico, tiene bandejas que se cargan y se descargan de un gabinete. Un ventilador recircula aire calentado con vapor paralelamente sobre la superficie de las bandejas. También se usa calor eléctrico, en especial cuando el calentamiento es bajo. Más o menos del 10 al 20% del aire que pasa sobre las bandejas es nuevo, y el resto es aire recirculado.

Fig. 1. Secador de bandejas

Después del secado, se abre el gabinete y las bandejas se remplazan por otras con más material para secado. Una de las modificaciones de este tipo de secadores es el de las bandejas con carretillas, donde las bandejas se colocan en carretillas rodantes que se introducen al secador. Esto significa un considerable ahorro de tiempo, puesto que las carretillas pueden cargarse y descargarse fuera del secador. (2) En el caso de materiales granulares, el material se puede colocar sobre bandejas cuyo fondo es un tamiz. Entonces, con este secador de circulación cruzada, el aire pasa por un lecho permeable y se obtienen tiempos de secado más cortos, debido a la mayor área superficial expuesta al aire.

580 9.2 Equipo para secado

Algunos materiales biológicos y productos farmacéuticos que no pueden calentarse para secarse

de la manera ordinaria, pueden secarse en como se analiza en la sección 9.11. Además, en la sección

9.12 se estudia la esterilización de los alimentos y de otros materiales biológicos, que es otro método

muy empleado para preservar dichos materiales.

Métodos generales de secado

Los métodos y procesos d secado se clasifican de diferentes maneras; se dividen en procesos de

lotes, cuando el material se introduce en el equipo de secado y el proceso se verifica por un periodo; o continuos, si el material se añade sin interrupción al equipo de secado y se obtiene material seco con régimen continuo.

Los procesos de secado se clasifican también de acuerdo con las condiciones usadas para

adicionar calor y extraer vapor de agua: (1) en la primera categoría, el calor se añade por contacto dire to con aire caliente a presión atmosférica, y el vapor de agua formado se elimina

por medio del mismo aire; (2) en el secado al vacío, la evaporación del agua se verifica con más rapidez

a presiones bajas, y el calor se indirectamente por contacto con una pared metálica o por radiación

(también pueden usarse bajas temperaturas con vacío para ciertos materiales que se decoloran o se

descomponen a temperaturas altas); (3) en la liofilización, el agua se sublima directamente del material

congelado.

9.2 EQUIPO PARA SECADO

Secado en bandejas

En el secador de bandejas, que también se lla a secador de anaqueles, de gabinete, o de compar- t mientos, el material, que puede er un sólido en forma de terrones o una pasta, se esparce

uniformemente sobre una bandeja de metal de 10 a 100 mm de profundidad. Un secador de bandejas

típico, tal como el que se muestra en la figura 9.2-1, tiene bandejas que se cargan y se descargan

de un gabinete.

Un ventilador recircula aire calentado con vapor paralelamente sobre la superficie de las bandejas.

También se usa calor eléctrico, en especial cuando el calentamiento es bajo. Más o menos del 10 al 20%

del aire que pasa sobre las andejas es nuevo, y el resto es aire recirculado.

Bandejas

Entrada de aire

Persianas ajustables

FIGURA 9.2-l. Sec dor de bandejas o anaqueles.

Materiales, reactivo y equipos

Materiales • Secador experimental de bandejas.

• Termómetros digitales.

• Balanza digital.

• Cronómetro

• Muestra a secar

• Vaso de precipitación

Reactivo ▪ Remolacha

Procedimiento

1. Pesar cada una de las bandejas donde se colocaran las muestras a

secarse.

2. Preparar la muestra a secarse.

3. Colocar la muestra de forma uniforme sobre la malla, tratando de cubrir

toda el área disponible.

4. Registrar el peso cada 5 minutos (con ello se obtiene indirectamente la

pérdida de humedad).

5. Durante la práctica debe de mantenerse el estado estacionario, el cual se

refleja en el valor constante de la temperatura de bulbo seco.

6. Continuar con las mediciones hasta que el valor del peso que marque la

balanza sea constante en al menos 4 mediciones.

7. Una vez terminada la práctica, apagar el equipo y retirar el material secado

de la malla.

8. Llevar una muestra húmeda a una mufla para obtener el peso libre de

humedad y registrar este valor.

9. Realizar los cálculos correspondientes a humedad, velocidad de secado y

sus respectivas curvas

Datos Experimentales

1. Secador de Bandeja

peso inicial de la manzana 500 gr

peso inicial de muestra 40 gr

sólido seco de muestra (asumido)

3 gr

superficie de cada bandeja 0.4776 m2

temperatura de secado 80 °C

velocidad de aire 3,5 m/seg

temperatura inicial del aire 45 °C

temperatura final del aire 29,8 °C

humedad relativa del aire 37%

Humedad absoluta 0,020kg/kg aire

seco

Velocidad de secado constante

0,021 kg/ h*m^2

Tabla 1. Datos iniciales de secado

tiempo(h) peso humedo(gr)

peso seco (gr)

hum equil kg/kgseco

kg agua evaporada

kg H2O/kg seco dx/dt area(m2)

velocidad de secado(kg/h.m2

0 40 3 0,0980392 36,90196 12,30065 0 0,476 0

0,16667 38 3 0,0980392 34,90196 11,63399 -4 0,476 0,042857143

0,25 37 3 0,0980392 33,90196 11,30065 -4 0,476 0,042857143

0,33333 36,5 3 0,0980392 33,40196 11,13399 -2 0,476 0,021428571

0,41667 36 3 0,0980392 32,90196 10,96732 -2 0,476 0,021428571

0,5 35,5 3 0,0980392 32,40196 10,80065 -2 0,476 0,021428571

0,66667 34,5 3 0,0980392 31,40196 10,46732 -2 0,476 0,021428571

0,83333 33 3 0,0980392 29,90196 9,96732 -3 0,476 0,032142857

1 32,5 3 0,0980392 29,40196 9,800654 -1 0,476 0,010714286

1,16667 31,5 3 0,0980392 28,40196 9,46732 -2 0,476 0,021428571

Tabla 2. Datos experimentales

Análisis de curva de Secado

Análisis de la pérdida de masa con respecto al tiempo

0

0,005

0,01

0,015

0,02

0,025

0,03

0,035

0,04

0,045

0,05

8 8,5 9 9,5 10 10,5 11 11,5 12

ve lo

ci d

ad d

e se

ca d

o k

g/ h

*m ^2

kg/kg solido seco

9

9,5

10

10,5

11

11,5

12

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4

kg /k

g so

lid o

s ec

o

tiempo(hora)

Secador de bandeja 2

datos del secado

masa solida húmedo kg solido 62

masa solido seco kg solido 5,1

humedad equilibrio kg/kg solido seco 0,098

humedad critica kg/kg solido seco 4

humedad inicial kg agua/ solido seco 8,99

humedad final kg agua/ solido seco 0,098

temperatura bulbo seco Celsius 44,7

temperatura bulbo húmedo Celsius 29

humedad absoluta kg agua/kg aire seco 0,019

calor latente de vap kj/kg 2432

Área de secado m*2 0,080

velocidad secado constante kg/h*m2 0,395

tiempo(h) peso humedo(gr)

peso seco (gr)

hum equil kg/kgseco

kg agua evaporada

kg H2O/kg seco

dx/dt área(m2) velocidad de secado

0 62 5,1 0,0980392 56,80196078 11,13763937 0 0,08 0

0,33333333 49,5 5,1 0,0980392 44,30196078 8,686658976 - 7,35294118

0,08 0,46875

0,66666667 39 5,1 0,0980392 33,80196078 6,627835447 - 6,17647059

0,08 0,39375

1 29 5,1 0,0980392 23,80196078 4,667051133 - 5,88235294

0,08 0,375

1,33333333 22,5 5,1 0,0980392 17,30196078 3,392541329 - 3,82352941

0,08 0,24375

1,66666667 16,5 5,1 0,0980392 11,30196078 2,216070741 - 3,52941176

0,08 0,225

2 13 5,1 0,0980392 7,80196078 1,529796231 - 2,05882353

0,08 0,13125

2,33333333 10 5,1 0,0980392 4,80196078 0,941560937 - 1,76470588

0,08 0,1125

2,66666667 8 5,1 0,0980392 2,80196078 0,549404075 - 1,17647059

0,08 0,075

3 7 5,1 0,0980392 1,80196078 0,353325643 - 0,58823529

0,08 0,0375

3,33333333 6,5 5,1 0,0980392 1,30196078 0,255286427 - 0,29411765

0,08 0,01875

3,66666667 6 5,1 0,0980392 0,80196078 0,157247212 - 0,29411765

0,08 0,01875

Analisis de la curva de secado

Curva de velocidad de secado vs kg/kg solido seco

Curva de humedad libre/kg solido seco vs tiempo

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

0,4

0,45

0,5

0 2 4 6 8 10 12

ve lo

ci d

ad d

e se

ca d

o k

g/ h

*m 2

kg/kg solido seco

0

2

4

6

8

10

12

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4

kg /k

g so

lid o

s ec

o

tiempo de secado

Secador de lecho fluidizado

peso inicial de mote 1995,5 gr

peso inicial de muestra 50 gr

sólido seco de muestra (asumido) 33 gr

factor a multiplicar la muestra 40

superficie circular de secador 0,0804 m2

temperatura inicial del aire 31 °C

temperatura final del aire 25,5 °C

humedad relativa del aire 60%

Humedad absoluta 0,0167kg/kg aire seco

Masa final de mote 1979

Cantidad de agua evaporada 0,4134 g

Velocidad de secado constante 0,009 kg/m^2*h

Datos experimentales

tiempo(h) peso humedo(gr)

peso seco (gr)

kg agua evaporada

kg H2O/kg seco dx/dt area(m2)

velocida de secado

0 50 30 20 0,66666667 0 0,084 0

0,08333333 49,5 30 19,5 0,65 -0,2 0,084 0,01214286

0,16666667 49,1 30 19,1 0,63666667 -0,16 0,084 0,00971429

0,25 48,7 30 18,7 0,62333333 -0,16 0,084 0,00971429

0,41666667 47,9 30 17,9 0,59666667 -0,16 0,084 0,00971429

0,58333333 46,88 30 16,88 0,56266667 -0,204 0,084 0,01238571

0,75 46,45 30 16,45 0,54833333 -0,086 0,084 0,00522143

Análisis de curva de Secado

0

0,002

0,004

0,006

0,008

0,01

0,012

0,014

0,54 0,56 0,58 0,6 0,62 0,64 0,66

ve lo

ci d

ad s

ec ad

o (k

g/ h

*m ^2

)

tiempo(h)

0,4

0,45

0,5

0,55

0,6

0,65

0,7

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8

kg /k

g so

lid o

s ec

o

tiempo(h)

Análisis de resultados

Conclusiones y recomendaciones Recomendaciones

Bibliografía [2] McCabe, W. L. (2007). Operaciones Unitarias en Ingeniería química (7 ed.). México:

McGraw Hill. Pág (593-605).

[3] Geankoplis, C. (1998). Procesos de transporte y operaciones unitarias (3 ed.). México:

CECSA. pág(786-787).

(02 de 09 de 2017). Obtenido de

http://catarina.udlap.mx/u_dl_a/tales/documentos/lim/sanchez_h_a/capitulo6.pdf

(02 de 09 de 2017). Obtenido de http://xml.cie.unam.mx/xml/sgtv/AFM/Secado-Fac-

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procesosbio. (02 de 09 de 2017). Obtenido de http://procesosbio.wikispaces.com/Secado

Robert, T. (1980). Operaciones de transferencia de masa. Ed. McGraw-Hill, 2ª edición.

Obtenido de Operaciones de Transferencia de Masa, Treybal Robert E., Ed.

McGraw-Hill, 2ª edición, 1980.—Humedad libre (X- X*)

Sedimentación. (2013). Ingeniero ambiental. Recuperado el 17 de Diciembre de 2016, de

http://www.ingenieroambiental.com/4014/siete.pdf

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