INTRODUCCIÓN El uso de este equipo constituye uno de los procesos mas utilizados para el secado de una amplia gama de materiales a nivel industrial, esto por que es un método rápido y de bajo costo unitario cuando se trata de grandes cantidades de material. En el secador rotatorio, el flujo de aire puede ser tanto en paralelo como a contracorriente, el material húmedo esta en continuo movimiento gracias a la rotación del secador, dejándolo caer a través de una corriente de aire caliente que circula a lo largo del tambor del secador. Estos equipos son muy adecuados para el secado de productos granulares, la acción de volcado es beneficiosa, ya que se forma una cortina de arena expuesta
perpendicular en contacto directo con el aire caliente, con lo cual se facilita la salida de la humedad desde el interior de las partículas. En la industria química su mayor uso es el secado de sales fertilizantes, como el sulfato nitrato y fosfato de amonio, sales potásicas y fertilizantes, Arenas, cemento, azúcar etc.
Definición del secado El término secado se refiere a la eliminación de la humedad en una sustancia. Se aplica tan fácil e incongruentemente que es necesario restringir su significado en el análisis presente del tema. Por ejemplo, un sólido húmedo, como madera, tela o papel, puede secarse por evaporación de la humedad ya sea en una correinte de gas o sin el beneficio del gas para separar el vapor; sin embargo, generalmente no se considera como secado la eliminación mecánica de esta humedad mediante el exprimido o centrifugado. Una solución puede “secarse” esparciéndola en forma de pequeñas gotas en un gas caliente y seco, lo que provoca la evaporación del líquido; la evaporación de la solución mediante ebullición en ausencia de un gas para retirar la humedad por lo común se considera una operación de secado. En la práctica, la humedad es con tanta frecuencia agua y el gas con tanta frecuencia aire que esta combinación proporcionará las base para mayor parte de los análisis de secado industrial. Cuando la superficie sólida se encuentra húmeda y es sometida a un tratamiento de secado, ocurren dos procesos simultáneamente:
1. Transferencia de energía (sobre todo como calor sensible) desde el ambiente circundante para evaporar la humedad superficial. 2. Transferencia de humedad interna hacia la superfie para la evaporación subsiguiente debido al proceso 1. La transferencia de energía desde el ambiente circundante hacia el solido mojado puede ocurrir como resultado de la convección, conducción o radiación y en algunos casos puede darse como la combinación de estos mecanismo.
La velocidad (tasa de secado) depende de las características particulares de los siguientes procesos:
Proceso 1: La remoción de vapor de agua desde la superficie humedad esta determinada por las condiciones externas, como temperatura, humedad, flujo de aire, área expuesta superficial y presión. Proceso 2: El movimiento interno de la humedad dentro del sólido el cual es funcion de la naturaleza física del mismo, la temperatura, y su contenido de humedad. El transporte de humedad dentro de un solido puede ocurrir por cualquiera de los siguientes mecanismos de transferencia de masa:
Difusion liquida en los sólidos húmedos, ocurre a una temperatura por debajo del punto de ebullición.
Difusion de vapor si el liquido se vaporiza dentro del material.
Difusión superficial (posible pero no probado)
Diferencias de presión hidrostática, cuando la taza de vaporización interna
excede la taza de movimiento del vapor por el solido al entorno.
OPERACIONES DE SECADO Las operaciones de secado pueden clasificarse ampliamente según que sean por lotes o continuas. Estos términos pueden aplicarse específicamente desde el punto de vista de la sustancia que se está secando. Así la operación denominada secado por lotes, generalmente es un proceso en similotes, en donde una cierta cantidad de sustancia que se va a secar se expone a una corriente de aire que fluye continuamente, en la cual se evapora la humedad. En las operaciones continuas, tanto la sustancia que se va a secar, como el gas pasan continuamente a través del equipo.
Generalmente, no se utilizan métodos normales por etapas; en todas las operaciones ocurre el contacto continuo entre el gas y la sustancia que se seca.
El equipo que se utiliza para el secado se puede clasificar de acuerdo con el tipo del equipo y por la naturaleza del proceso de secado. La clasificación siguiente es útil para delinear las teorías de secado y los métodos de diseño. 1. Método de operación se por lotes o continuo. El equipo por lote, o semilotes, se opera intermitente o cíclicamente en condiciones de estado no estacionario: el secador se carga con la sustancia, que permanece en el equipo hasta que se seca; entonces, el secador se descarga y se vuelve a cargar con un nuevo lote. Los secadores continuos generalmente se operan en estado estacionario. 2. Método de obtención del calor necesario para la evaporación de la humedad. En los secadores directos, el calor se obtiene completamente por contacto directo de la sustancia con el gas caliente en el cual tiene lugar la evaporación. En los secadores indirectos, el calor se obtiene independientemente del gas que se utiliza para retirar la humedad evaporada. Por ejemplo, el calor puede obtenerse por conducción a trabes de una pared metalica en contacto con la sustancia o, con menos frecuencia, por exposición de la sustancia a radiación infrarroja o calentamiento dieléctrico. En este ultimo caso, el calor se genera dentro del solido mediante un campo eléctrico de alta frecuencia.
3. Natrualeza de la sustancia que se va a secar. La sustancia puede ser un solido rigido como madera, un material flexible como tela o papel, un solido granular, como una masa de cristales, una pasta ligera o un lodo ligero, o una solución. Si es un solido, puede ser frágil o fuerte. La forma física de la sustancia y los diferentes métodos de manejo necesario tienen tal vez, la mayor influencia sobre el secador que se va a utilizar.
PROCESOS DE SECADO ARTIFICIAL El proceso de secado de solidos consiste en eliminar parte del agua que posee originalmente por medio de un proceso mecánico hasta obtener una humedad deseada o simplemente la disminución del porcentaje de humedad inicial. El secado de productos solidos corresponde a una serie de procesos que normalmente finaliza con el empacado. En nuestro caso la serie esta dada así: Sanitización, recogida, secado, empaque, transporte. La parte que se desarrollara en este proyecto es el secado, que se puede clasifica en secado directo e indirecto.
Secadores directos son los que usan aire caliente o gases de combustión encargados de suministrar el calor que hace contacto directo con el sólido y retira la humedad vaporizada, este tipo de secadores es llamado secadores adiabáticos.
Secadores indirectos son aquellos en los que el calor se transmite a los sólidos, sujetos de secado, por medio de las paredes que lo contienen
eliminando
la
humedad
vaporizada,
de
manera
TIPOS DE SECADORES
Tabla I. Tipos de secadores.
Fuente: Introducción al secado de alimentos por aire caliente, Pedro José Fito Maupoey, Pedro Fito, José Manuel Barat Baviera, Pedro José Fito Maupoey.
SECADOR ROTATORIO Consisten en una carcasa cilíndrica giratoria, dispuesta horizontalmente o ligeramente inclinada hacia la salida. Al girar la carcasa, una serie de pestañas levantan los sólidos para dejarlos caer después en forma de cascada a través del interior de la carcasa. La alimentación entra por un extremo del cilindro y el producto seco descarga por el otro, se calientan por contacto directo del gas con los sólidos, normalmente son de contraflujo, el gas caliente entra por un lado y el producto húmedo por otro movilizándose uno en dirección contraria al otro. Los secadores rotatorios de ese tipo se utilizan con frecuencia par que no se puedan exponer directamente a gases de combustión muy calientes, o aire a gran temperatura, este tipo de secadores son de funcionamiento continuo y suelen usarse para sólidos granulados y cristalinos.
Figura I. Secador de Circulación a través del material.
Fuente: Robert E. Treybal. Operaciones de Transferencia de Masa.
DISEÑO PARA UN SECADOR DE TAMBOR ROTATORIO DE FLUJO TRANSVERSAL CONTINUO
Descripción del problema: Diseñar un secador rotatorio de circulación transversal continuo que se va a utilizar para secar viruta de madera de 40 a 15% de humedad. La madera entra a 0.56 ºC (33 ºF); el producto seco se descarga a 37.8 ºC (100 ºF) a un flujo de 0.398 kg/s. El medio de secado fue el gas resultante de la combustión de combustible, sin embargo, para los cálculos puede suponerse que el aire tiene las siguientes características, entra al secador a 380 ºC con una humedad de 0.038 kg vapor de agua/ kg gas seco, a un flujo de 2.079 kg/s. El gas se descargará a 77 ºC, la capacidad calorífica de la madera se puede tomar como 1,758 j/kg-K, el calor de humidificación puede despreciarse. Determinar la rapidez de la pérdida de calor.
CÁLCULOS PARA EL DIMENSIONAMIENTO DEL EQUIPO
ESPECIFICACIONES Descripción
Cantidad
Fracción de humedad de entrada, X a Fracción de humedad a la salida, Xb Flujo de másico de viruta de madera, m ̇ s Calor especifico de la madera
0.40 0.15 0.398 kg/s 1.758 J/kg ºF
Características del aire: Descripción
Cantidad
Temperatura a la entrada, Tae Humedad Temperatura del gas a la salida, Tas
250 ºF 0.038 kg vap/kg aire seco 77 ºC
CONSIDERACIONES: Condiciones de presión a 1 atm Suponiendo que el número de unidades de trasferencia es 1.5 (criterios de diseño) La temperatura de bulbo húmedo a la entrada T wb, utilizando la figura 19.2 operaciones unitarias Warren L. McCabe 7ma Ed., es 116 ºF. Otra de las magnitudes que se requieren son λ para 116 F= 1024.59 Btu/lb Además para fines prácticos se trabajará en unidades del sistema americano. Organizando los datos nuevamente se tiene que, Cps= 0.4199 Btu/lb F Cpv= 0.45 Btu/lb F CpL= 1.0 Btu/lb F Xa=0.40 Xb=0.15
Determinación de la tasa de transferencia de materia mv: m ̇ v= m ̇ s*
(Xa-Xb)
m ̇ v=
(7936.64 lb/h)*(0.40-0.15)
m ̇ v=
1 984.16 lb/h
Determinación de la tasa de calor transmitido por unidad de masa de sólido: qt/m ̇ s = Cps (Tsb-Ts) + XaCpL (Tv-Tsa) + (Xa-Xb)*λ + XbCpL *(Tab-Tv) (Ecuación 24.1, operaciones unitarias Warren L. McCabe 7ma Ed.) Sustituyendo valores en la ecuación anterior, qt/m ̇ s = 0.4199 Btu/lb ºF (100-33) ºF+ (0.4)*(1 Btu/lb ºF) (116-33) ºF + (0.40.15)*(1024.59 Btu/lb) + 0.15*(1 Btu/lb ºF)(100-116) ºF +(0.4-0.15)*(0.45 Btu/lb ºF)(100-116) ºF
Por lo tanto la tasa de transferencia de calor por unidad de masa solida es: qt/m ̇ s = 333.2808 Btu/lb Dado que el flujo másico de sólido es 7936.64 lb/h, la tasa de calor liberado es: 333.2808 Btu/lb * 7936.64 lb/h = 2.645 *10^6 Btu/h
DETERMINACIÓN DE LA LONGITUD DEL SECADOR Método por unidades de transferencia de calor. Separación ideal del secador. Análisis de datos L= flujo de sólidos: 7936.64 lb/h lb G= flujo de aire: T2 = 100 °F Cp = 0.4199 Btu/lb ºF Nt = # de unidades de transferência Lt = longitud de las unidades de transferencia (pies). Z = longitud Del secador (pies)
Cs = calor húmedo del aire ( Btu / lb °f ) 2
U = coeficiente global de transferencia de calor ( Btu / h pie °f ) a = superficie para la transferencia de calor o masa por unidad de volumen ( 2
3
pie / pie ). Up = Coeficiente para flujo de aire paralelo a la superficie del sólido. Un = Coeficiente para flujo normal a la superficie del sólido. S= area para transferencia de masa o calor en el lecho de sólidos (pie
2
3
/pie ).
e = Porosidad, definida como (volumen de espacio vacío/volumen total de material seco) ϕ = Factor de forma. Dp = diámetro promedio de las partículas.
Según el libro de Perry el Manual del Ingeniero Químico, un secador rotativo Debe operar en un rango “n” del 3% al 12% de su volumen t otal para evitar atascamientos. La velocidad del aire de un secador rotativo debe oscilar entre 200 y 10000 2
[lb/h.pie ].
El diámetro del cilindro debe estar en un rango entre 1 – 10 pies. 4
< L/D < 10 relación largo /diámetro.
DISEÑO DE LAS ALETAS
Figura II. Perfil de las aletas.
Fuente: elaboración propia.
MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN Tabla de componentes utilizados para el diseño del secador rotatorio.
Fuente: http://depa.fquim.unam.mx/procesos/secado/equipo.ht
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
1. Galván y Chávez. (1998). “BALANCE DE MATERIALES Y ENERGÍA
(libro de texto)”, Primera Edición. Editorial Universitaria. Guatemala. Págs.:235-244. 2. McCabe Warren L. (2007). “Operaciones unitarias en ingeniería
química”. Sétima edición. Editorial Mc Graw Hill. México. Págs.: 841849, 853-860 3. Perry, Roberth H. (1986). “Biblioteca del Ingeniero Químico”. Quinta Edición. Editorial Mc Graw Hill, México. Sección 12 Pág.: 12-25 a 12-67. 4. Richardson,
Coulson
(1981)..
“ingeniería química operaciones
básicas”, Tercera Edición. Editorial Reverté, S. A. Tomó 2.2. Págs.: 931934. 5. Treybal, Roberth E. (1988). “OPERACIONES DE TRANFERENCIA DE MASA”, Segunda Edicion. Editorial Mc Graw Hill. México. Págs.: 723-760
