CAPITULO DE SECADO.pdf

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SECADO ING. ALFREDO FERNANDEZ REYES

CONTENIDO  

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Fundamentos del secado. Balance de materia y energía en la operación de secado. Operación de secado a condiciones constantes. Operaciones de secado a condiciones variables. Equipos de secado Problemas de aplicación.

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INTRODUCCION La operación de secado o desecación puede considerarse como la evaporación de un líquido volátil (normalmente agua), de un sólido poroso como madera, tejido, material pulverulento, etc., en presencia de un gas no condensable (generalmente aire). Son numerosos los distintos tipos de secadores o desecadores donde llevar a cabo la operación de secado.

INTRODUCCION En este capítulo consideramos uno de los más uti utilizado zadoss a esc escala ala indus dustria riales les deci decirr el secador tipo túnel, a través del cual pasa el material humedecido y se pone en contacto con la corriente corriente gaseosa con flujo en paralelo, en contracorriente, o mixto. No obstante el tratamiento genérico que se desarrolla en los distintos apartados de este capítulo, es equivalente al que se tendrá que hacer para los otros distintos casos.



























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INTRODUCCION Por otra parte, teniendo en cu cue enta la transmisión de calor, el secador puede ser adiabático o tener medios de calentamiento. Así, existen secadores en que el calor se proporciona proporci ona al gas y aquellos en que el calor se Suministra al material. La operación de secado se puede considerar como una operación genérica de interacción gas-líquido, controlada tanto por la transferencia de materia como por la transmisión de calor. ca lor.

INTRODUCCION Normalmente la fase gas es aire y la líquida agua, cumpliéndose en este caso particular que el módulo de Lewis es prácticamente la unidad , no obstante para los casos en que la fase líquida sea distinta al agua, no se cumplirá dicha relación, haciéndose más compl com plej eja a la re repre presen senta tació ción n grá gráfifica ca en el diagrama psicrométrico, ya que las líneas de bulbo húmedo no coincidirán con las correspondientes de saturación adiabática. Pedro J. Martínez de la Cuesta



























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Conceptos Generales 

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Operación referida a la remoción de agua, u otro líquido (ejemplo: solvente), de un sólido. Porr lo ge Po gen ner eral al,, es pos oste teri rior or a otras operaciones (evaporación, filtración, cristalización).

Secado El secado es una operación en la cual se elimina elimina parcial o totalmente, totalmente, por evaporación, evaporación, el agua de un sólido o un líquido. El producto final es siempre sólido lo cual diferencia el secado de la evaporación. En esta última, aunque hay eliminación de agua, se parte siempre de un líquido para obtener un concentrado líquido.



























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SECADO Operación que permite la eliminación de la humedad de una sust ustanci ancia a por medio dio térmico.

Principio de Separación: Eva Evapora poraci ción ón del del líqu líquid idoo (agu (agua) a)

Agente de Separación: Masa Masa y/o y/o En Ener ergí gíaa

DIFERENCIA ENTRE LAS OPERACIONES DE SECADO Y EVA EVAPORACION PORACION

Proceso en el cual una SECADO: Pr mate materi ria a prim prima a es un soli solido do húme húmedo do (con (conccentr entrac ació ión n en soli solido doss total otales es superior al 20 a 30%) y en el cual se utiliza aire para evacuar la humedad. EVAPORACION: Es el proce roceso so que que uti utiliz liza materia materia prima prima liquid liquida, a, disuelta o en suspensión y los productos son un jarabe o concentrado con sol solidos tota otales



























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SECADO Es necesario tener en cuenta los mecanismos: a) Transmisión de masa. b) Transmisión de calor.

SECADO Las razones por las cuales los materiales

se

someten

a

esta

operación pueden ser algunas de las siguientes:





























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SECADO Conferir determinadas propiedades a un material (mejorar la velocidad de flujo, la compresibilidad, etc.) Preservar ciertos productos susceptibles de des descompo ompon nerse en pre presen sencia cia de humedad. Facilitar el manejo posterior del producto. Red Reducci ucció ón de cost ostos de tran transspor porte y distribución.

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DEFINICION DE TERMINOS EN SECADO Sólidos:

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DEFINICION DE TERMINOS EN SECADO Relaci lacio ona cant cantiidad dad de líqui íquid do Humedad: Re pres presen ente te en el sóli sólido do.. Pued Puede e defi defini nirs rse e de 2 formas: 1. Humedad en bas asee húmeda eda (BH) (x´) x´) x ´ = KgH 2O/KgSH 

 Kg humedad    Kg humedad   Kg sólidohúmedo  Kg humedad Kg sólidoseco    

DEFINICION DE TERMINOS EN SECADO 2. Humedad en base seca (BS): “X”, es la mas usada porque el SS es constante: cons tante: X= KgH 2 O/KgSS





























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Por ejemplo: 1. Estimar la el porcentaje de humedad en base seca si se tiene 85% de humedad en base húmeda en un sólido (base de trabajo=100 kg). = kg. humedad / kg. sólido seco= 85/15=5,66x100 = x = 566% 2. Estimar el porcentaje de humedad en base húmeda si se tiene 244% de humedad en base seca (base de trabajo=100 kg). kg. humedad / kg. sólido húmedo = kg. humedad / (kg. humedad+kg. sólido seco)=244/(244+100)=0,70x100= 70%

La humedad que se determina en el laboratorio es el porcentaje de humedad en base húmeda.

IMPORTANTE: 1) Los contenidos de Humedad se pueden expresar en: Tanto por Ciento (Porcentaje) o Tanto Tanto por





























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CONVERSIÓN DE EXPRESION DE HUMEDADES nversi sio on  Conver

de (B.H (B.H.) .) a (B.S (B.S.) .)

 Porcentaje:%(B.S.)=[%(B.H.)/(100-%(B.H.)]x 100  Tanto anto

por por Uno Uno: (B.S.) = [ (B.H.) / (1 – (B.H.)]

 Conver nversi sio on

de (B.S (B.S.) .) a (B.H (B.H.) .)

 Porcentaje:%(B.H.)=[%(B.S.)/(100+%(B.S.)]x100

anto  Tanto

por por Uno Uno: (B.H.) = [ (B.S.) / (1 + (B.S)]

IMPORTANTE: 1) Para nuestro estudio, solamente será eliminada agua de del sólido y éste permanece inalterable 





























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Tipos de Humedad en el Sólido Hum Humedad edad libr libree o desl deslig igad ada: a: Es la humedad que tiene una sustancia y que se halla en exceso al contenido de H umedad de Equilibrio del Sólido. Es la única que se puede evaporar. X: Humedad del sólido. XL=F= X- X* X*: Humedad en equilibrio. Puede dividirse en: a) Hume Humeda dad d (agua) ligada y b) Humedad (agua) (agua) no ligada. 

Tipos de Humedad en el Sólido a) Humedad a) Humedad Ligada u ocluida:

Se refi refier ere e al agua agua rete reteni nida da por por el sóli sólido do (capilares, adsorbida en superficie, soluciones en paredes celulares, combinaciones físicas y































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Tipos de Humedad en el Sólido b) Agua No Ligada:

Se refiere al agua en exceso que contiene el sólido. sólido. Se encuent encuentra ra en los huecos huecos de sólidos sólidos conf onforma rmados por por partículas gra grandes y no porosas (Ejemplo: arena de cuarzo). Su evaporación no es afectada por el sólido y, por lo tanto, su presión de vapor es igual a la pre presión sión de vapor apor del del agua gua pura pura a la mism misma a temperatura (Temperatura (Temperatura del sólido), El sólido que contiene humedad no ligada se llama Cuerpo Húmedo.





























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Tipos de humedad en el sólido s ólido Humedad crítica





























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Formas de enlace de la Humedad con el Material: Las formas de enlace de la humedad con el material se clasifican en: Químico Físico-químico Físico-mecánico   





























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EQUILIBRIO ENTRE FASES Si un sólido se expone a una corriente gaseosa con una presión parcial de vapor (Pg), el sólido perderá o ganará humedad hasta que la presión de vapor de la humedad del sólido ( Pv) iguale a la presión parcial de vapor de la corriente gaseosa, entonces se dice que el sólido y el gas se encuentran en EQUILIBRIO.

En el equilibrio Pg=Pv, el sólido alcanza X* con el aire (humedad y T determinadas)































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Curvas de de equilibri equilibrio o a 25 25 ºC para diferentes sustancias





























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RELACION DE HUMEDADES

Pv sólido > Pv atm  Evaporación y secado.





























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Secado: Equilibrio





























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Secado: Equilibrio





























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DESCRIPCION GENERAL DEL PROC PR OCE ESO DE SEC ECA ADO































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DESCRIPCION GENERAL DEL PROCESO DE SECADO





























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Condiciones internas





























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Mecanismo de secado





























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CINETICA DEL SECADO





























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CINETICA DEL SECADO































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3.Método que emplea predicciones de coeficientes de transferencia para el perío pe ríodo do de ve velo loci cida dad d co cons nsta tant nte. e. Sin embargo, se ha determinado que es más confiable usar la ecuación de transferencia de calor, puesto que cualquier error en la determina deter minación ción de la tempe temperatura ratura interfacial interfacial (Tw) en la superf superficie, icie, afect afecta a a la fuerza impul impulsora sora (TTw), pero es mucho menor que el efecto que Yw-Y). produce sobre ( Yw-Y

  (  −    = 

Para predecir el valor de RC , debe conocerse el coeficiente de transferencia de calor calor..

3.M 3. Méto todo do qu quee em emp ple leaa pre red dicc ccio ione ness de coef co efic icie ient ntes es de tr tran ansf sfer eren enci ciaa pa para ra el perío pe ríodo do de ve velo locid cidad ad co cons nstan tante te.. Para Para el caso caso de que que el aire aire fluy fluya a para parale lelo lo a la superficie de secado es posible usar la siguiente siguiente expresión expresión para una temperatura del aire de 45 a 150ºC y una velocidad-masa velocidad-masa “G” de 2 450 a 29 300 Kg/hr.m2.

h = 0,0204 (G)0,8 Donde, una unidad de SI, “h” está en W/m2.ºK y G es V.ρ (velocidad lineal x densidad del gas).



























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3.Método que emplea predicciones de coefici cieentes de transferen enci ciaa para el perí pe ríod odo o de ve velo locid cidad ad co cons nstan tante te.. Cuando Cuan do el ai aire re flfluy uye e pe perp rpen endi dicu cula larm rmen ente te a la superficie para un valor de G de 3 900 a 19 500 Kg/hr.m2 o una velocidad lineal de 0,9 a 4,6 m/seg.

h=1,17(G)0,37 Las ec Las ecua uaci cion ones es so son n út útililes es pa para ra de dete term rmin inar ar la velo loci cida dad d de secado du durrante el perí río odo de velocidad constante. No obstante, siempre que sea s ea posibl ble e, es preferi ribl ble e realizar med ediiciones experimentales de velocidad de secado.

ANALISIS DE CALCULOS PARA UN SECADOR CONTINUO



























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Balance de materia y energía para secador continuo En la fig figura siguiente se muestra el diagrama de flujo para un secado de tipo continuo donde el gas de secado fluye en paralelo con el flujo de alimentación. El gas es calentado previamente a ser introducido a la cámara de secado.

ESQUEMA DE SECADO CONTINUO EN PARALELO



























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DONDE: Gs= Flujo de aire seco Kg a.s/hr G’s= Flujo de aire húmedo Kg/hr Ls= Flujo de sólido seco Kg. s.s./hr L's= Flujo de alimentación Kg/hr Y=Humedad absoluta Kg H 20/Kga. s x1=Humedad de la alimentación Kg H 20/Kg solh x2=Humedad del producto Kg H 20/Kg prod X = Humedad KgH 20/Kg.s.s TG = Temperatura del aire ºC Ts = Temperatura de la solución ºC. TA= Temperatura ambiente ºC. TBH= Temperatura Temperatura de bulbo bulbo húmedo húmedo ambiente ambiente ºC Vo = Volumen Volumen de alimentación alimentación L (Litros) HG= Entalpía del aire seco KJ/Kg. a. s

l. Balance de Materia Suponiendo que no hay acumulación de polvo en la cám cámara ara de seca secado do ten tenemo emos: s:

Balance de Humedad LsX1 + Gs Y1= Ls X2 + Gs Y 2 Bal alaanc ncee de ma masa sa to tota tall L's + G's1=L’s2 + G’s2



























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I. Balance de Materia Masa húmeda= masa de sólido seco + masa de agua por unidad de tiempo:

L’s1= Ls + LsX1, Además:







I. Balance de Materia Entonces: Masa de aire húmedo= Masa de aire seco + masa de agua por unidad de tiempo

G’ss1 = G’

Gs + Gs Y1





























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I. Balance de Materia Cálculo de Flujo Mínimo de Aire Para cal alcu cullar el flujo míni nim mo de aire re,, se supone que va a salir aire saturado del secado sec adorr, es de deci cirr ab absor sorbi biend endo o el má máxi ximo mo de humedad posible. Balance de humedad: 

LSX1 + G1 Y1 = LSX2 + GSmin Y1

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    

II. Balance de Energía Calor de entrada = Calor de salida + calor de pérdidas





























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III.-- Cálcu III. Cálculo lo de Ental Entalpías pías La entalpía del gas HG en KJ/Kg. s.s.

HG= CS (TG-TS) + Yλo Donde: To, es un valor básico elegido para el balance de calor, una temperatura conveniente es 0 ºC. λo: es el calor latente del agua a To. Cs: es el calor húmedo en KJ/Kg a. s kJ, está dado por:

Cs: 1,005 x 1,88Y

III.III .- Cá Cálcul lculo o de Entalpí Entalpías as La entalpía del sólido Hs está constituida por la entalpía del sólido seco mas la del líquido como humedad libre:





























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IV.. Eficienci IV Eficienciaa

Térmica

La efifici cie enc ncia ia té térm rmiica es una ex expr pres esiión de dell fun unci cion onam amiien ento to de dell se seca cado dorr y en tér érm min inos os prácticos relaciona el calor de entrada requerido para producir una unidad de peso de producto seco de especificaciones deseadas. El di dise seño ño de dell se seca cado dorr est stá á en enfo foca cado do pa para ra obte ob tene nerr la lass pr prop opie ieda dade dess de dell pr prod oduc ucto to se seco co deseado a la más alta eficiencia térmica posible. La efifici cien enci cia a tér érm mic ica a de un Por ejemplo: La secador por aspersión depende de las temperaturas de operación y está definido por la relación:

IV. IV. Eficiencia Eficiencia

Térmica Térmica

    =     

Cálculo de eficiencia térmica





























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BALANCE DE MATERIA Y ENERGIA EN SECADORES CONTINUOS





























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EJEMPLOS DE EJERCICIOS DE SECADO





























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EJEMPLO 01 Una mezcla de aire y vapor de agua que se alimenta a un proceso de secado, tiene una temperatura de bulbo seco de 57,2 ºC (135 ºF) y humedad de 0,030 kg H2O/kg de aire seco. Usando la gráfica de humedad y las ecuaciones apropiadas, determin ine e el porcentaje de humedad, la humedad de saturación a 57.2 ºC del punto de rocío, de calor húmedo y de volumen húmedo.





























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Cálculos a) Cál álccul ulo o de dell po porc rcen enta taje je de hu hume med dad ad,, Hp Hp,, Localizando en la gráfica este punto de H y T, el porcentaje de humedad Hp re ressulta ser 17,22%, procediendo con una interpolación vertical entre las líneas de 10 y 20%. b) Cálculo de la humed edaad de sa sattura raci ció ón, Hs





























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d) Cálculo calor húmedo, Cs

e) Cálculo del volumen húmedo, VH:

VH= (2,83 x10-3 + 4,56x10-3 (0,03)). (57,2+273)





























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DATOS     

Espesor (bandeja): 25,4 mm Relación Ls /A: 24,4 kg sólido seco/m 2 Velocidad Vel ocidad de secado, Rc: 2,05 kg H2O/h. m2 Humedad libre inicial, X: 0,55 Contenido crítico de humedad, XC: 0, 22 kg de humedad libre/kg de sólido seco































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b) Cálculo del tiempo para secar las superficies superior superi or e inferior, t. Los valores de X1 y X2 suministrados suministrados en el enun en uncia ciado do de dell pro probl blem ema a son ma mayo yores res al valor de Xc, esto permite evidenciar que el tiem emp po ca callcul ula ado se encu cue entra en el periodo de velocidad constante.

Siendo el tiempo de secado de cada una de las





























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DATOS Área bandeja: 1 pie x 1 pie 0,3048 m Profundidad de lecho: 1 pulg 0,0254 m Velocidad Veloc idad del aire: 2,5 pies/s 2743,2 m/h Temperatura (b.s.): 120 ºF º F 48,89 ºC. Temperatura (b.h.): 80 ºF 26,67 ºC. Densidad torta seca, ρ: 120 lb m /pie 3 1922,22 kg/m 3 H(crítica), XC=X2 : 0,09 lb H2O/lb de 0,09 g H2O/kg de sólido seco sólido seco

      

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H (libre), X1:

0,20 kg H2O/lb de sólido seco

0,20 kg H2O/kg de sólido seco





























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SOLUCION b) Cálculo de la densidad, ρ:

c) Calculo de G2:

d) Calculo de coeficiente de transferencia de calor h:





























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SOLUCION g) Calculo del tiempo de secad ado o “t” t”:: Se hace necesario el valor de la masa de sólido seco se co usa sado do,, Ls Ls,, se lo obt btiien ene e a pa part rtir ir de la densidad.

Donde f es el espesor. esp esor. Quedando la ecuación del cálculo del tiempo de secado:





























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