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12 .
HUMIDIFICACIÓN, SECADO Y LIOFILIZACIÓN
12.1 Humidificación Enfriamiento de agua por evaporación Cuando un líquido caliente se pone en contacto con un gas no saturado, parte del líquido se evapora, disminuyendo en consecuencia su temperatura.
Este
enfriamiento del
líquido es el propósito de muchas operaciones contacto gas – líquido, especialmente en el caso del sistema aire – agua . Grandes cantidades de agua se enfrían por este este método en estanque con aspersores y, más frecuentemente, en torres altas a través de las cuales circula aire con
tiro natural o impulsado por ventiladores (tiro forzado).
La finalidad de esta operación es conservar el agua de refrigeración reutilizando numerosas veces el agua enfriada. El agua caliente, que generalmente procede de un condensador u otra unidad de transferencia de calor, se introduce por la parte superior de la
torre de enfriamiento y se distribuye mediante bateas y vertederos de rebose,
cayendo en forma de cascada sobre un enrejado de tablillas tabl illas que proporciona propor ciona grandes grandes áreas de contacto contacto entre el aire y el agua. El flujo ascendente de de aire a través de la torre es inducido por el viento y por la flotación del aire caliente en la torre. En principio, una torre
de enfriamiento es un tipo especial especial de una torre torre de relleno. En
este caso el relleno habitual es madera de ciprés, que siendo relativamente económico, resiste en forma prolongada la acción combinada del viento y del agua. En la torre, una parte del agua se evapora en el aire y se transfiere además calor sensible desde el el agua caliente hacia el aire más frío.
Ambos procesos disminuyen la
temperatura del agua. Para mantener el balance del agua agua sólo se requiere reponer las pérdidas por evaporación evaporación y de arrastre por el viento. viento. La pérdida de agua agua durante el enfriamiento enfriamiento es pequeña. Se estima en aproximadamente 2% para un enfriamiento de 10 (ºC).
Humidificadores y Deshumidificadores. Los equipos de contacto gas – líquido no sólo se utilizan para enfriar el líquido, sino que también para En un
humidificar o para deshumidificar el gas.
humidificador el líquido se pulveriza en forma de rocío en gas caliente no
saturado, de de forma que se se transfiere calor y materia. simultáneamente se enfría, en condiciones adiabáticas.
El gas se humidifica y
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En un
deshumidificador un gas saturado se pone en contacto con un líquido frío. La
temperatura del gas desciende por debajo de su temperatura de rocío, condensa líquido, y la humedad del gas se reduce.
12.2 Secado Constituye uno de los métodos métodos que permite permite separa un líquido de un sólido. denomina
Se
secado la separación de humedad de los sólidos o de los líquidos mediante
evaporación en una corriente corrient e gaseosa.
En consecuencia, esta operación involucra
transferencia de calor y también transferencia de materia . En la mayor parte de los casos prácticos de agua, y el gas empleado para el
secado , la humedad a separar es vapor de
secado suele ser aire.
12.2.1 Clasificación de secaderos. secaderos son continuos mientras que otros operan por cargas (tipo batch) . En el método continuo tanto la alimentación del sólido a secar como el aire entran
Algunos
secadero , variando a través del mismo las condiciones del aire y del sólido. En el método discontinuo , una vez cargado el secadero , se circula el aire
continuamente en el
de secado secado y se supone supone que sus condiciones permanecen constantes en el tiempo. El aire de secado puede circular sobre el objeto a secar, o alternativamente pasar a través del mismo. Para reducir la temperatura del secado puede operarse a vacío. Los equipos de secado pueden clasificarse en:
•
Secaderos directos o adiabáticos: en los que el sólido se encuentra directamente expuesto a un gas caliente (generalmente aire) que suministra el calor necesario para la vaporización del agua
•
Secadores indirectos o no – adiabáticos : en los que el calor es trasmitido al sólido a través de una superficie metálica con la cual el sólido está en contacto
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12.2.2 Modelos de interacción interacción gas – sólido en los secaderos La mayor parte de los
secaderos industriales operan con partículas de sólidos durante
todo o una parte del ciclo de secado.
Secaderos adiabáticos : Los diferentes modelos de movimiento de las partículas de sólidos a través de secaderos adiabáticos: adiabáticos:
a)
Secado con circulación superficial: El gas circula sobre la superficie de un lecho o de una lámina del sólido, o bien sobre una o ambas caras de una lámina o película continua
b)
Secado con circulación a través: El gas circula a través de un lecho de sólidos granulares gruesos que están soportados sobre una rejilla. La velocidad del gas se mantiene baja igual que en caso anterior para evitar el arrastre de partículas sólidas
c)
Secaderos rotatorios: Los sólidos descienden en forma de lluvia a través de una corriente gaseosa que se mueve lentamente
d)
Secadero en lecho fluidizado:
El gas pasa a través de los sólidos con una
velocidad suficiente para fluidizar el lecho. Inevitablemente se produce algún grado de arrastre de las partículas más finas e)
Secadero flash de transporte neumático: Los sólidos son totalmente arrastrados por una corriente gaseosa de alta velocidad y neumáticamente transportados desde un dispositivo hasta un separados mecánico.
Secaderos no adiabáticos : En estos equipos el único gas a separar separar es el agua vaporizada, aunque en ocasiones se hace circular a través de la unidad una pequeña cantidad de “gas de barrido” (frecuentemente aire o nitrógeno).
Estos secaderos
difieren de los adiabáticos en la forma en que los sólidos se exponen a la superficie caliente. Se tiene las siguientes posibilidades: posibilidades:
a) Los sólidos se esparcen sobre una superficie horizontal estacionaria y se “cuecen” hasta que se secan. La superficie puede calentarse eléctricamente o mediante mediante vapor de agua o agua caliente b) Los sólidos se mueven sobre una superficie superfici e caliente, generalmente cilíndrica, por medio de un agitador o un transportador de tornillo o de palas c) Los sólidos se deslizan por gravedad sobre una superficie inclinada caliente
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12.3 Mecanismos de secado El mecanismo de secado depende de la naturaleza de los sólidos y del método de contacto contact o entre los sólidos y el gas. Los sólidos pueden ser: cristalinos, porosos, y no porosos. •
Las
partículas cristalinas no contienen líquido interior y el secado sólo se
desarrolla en la superficie del sólido. Un lecho de este tipo de partículas puede considerarse como de alta porosidad •
Los
sólidos verdaderamente porosos , tales como pastillas de catalizadores,
contienen líquido en el interior de los poros •
Los sólidos
no porosos comprenden geles tales como jabón, cola, arcilla, y sólidos
celulares densos tales como madera y cuero, y muchos otros materiales polimétricos.
Velocidad de secado Representa la pérdida de humedad del sólido húmedo por unidad de tiempo. variación típica de
La
humedad (línea A) y la evolución característica de la velocidad de
secado (línea B) Para sólidos no porosos se usa una relación bastante simple para determinar el tiempo de secado
t T
=
4s 2 π
2
Dv
t T
log log
8 X 1 π
2
donde
X
t T
= tiempo de secado
s
= semiespesor de la lámina
Dv
= difusividad a través del sólido
X 1
= humedad inicial
X = humedad media al tiempo
t T
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12.4 Equipos para secado Los secadores típicos de sólidos son:
1. De bandejas 2. De tamices transportadores transportador es 3. Rotatorios 4. De lecho fluidizado 5. Flash o de evaporación súbita Los secadores típicos de soluciones y suspensiones son:
1. De tambor 2. De pulverización
12.5 Liofilización Es una forma especial de secado que consiste en la eliminación de agua de un sólido mediante sublimación sublimac ión de la misma.
Es decir, el agua previamente congelada se
transforma directamente a vapor. La liofilización se lleva a cabo normalmente a vacío y a temperaturas inferiores al punto de fusión del agua (ºC). El calor es suministrado por placas planas calientes dispuestas entre las bandejas que contienen el material. Un ejemplo de producto
liofilizado es el café soluble. La operación es discontinua.
Las ventajas de esta operación son. •
La congelación detiene los procesos bioquímicos, fisiológicos que deterioran los alimentos y productos naturales
•
Se conservan los aromas y se crea porosidad y fácil solubilidad de los productos finales.
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Torre de enfriamiento de control de producción de energía.
153
Torre de enfriamiento de tipo natural.
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Modelos de interacción gas-sólido en secaderos L a) flujo de gas sobre un lecho estático de sólidos: (b) flujo de gas a través de un lecho de sólidos; (c) acción en un secadero rotatorio; (d) lecho fluidizado de sólidos; (e) en paralelo gas-sólido en un secadero flash de transporte neumático.
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Gráficas típicas del contenido total de humedad y de la velocidad de secado frente al tiempo de secado.
Secadero de doble tambor con alimentación central.
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Secadero de bandejas
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Secadero de cinta transportadora perforada de circulación transversal.
Secadero rotatorio calentado con aire en contracorriente. contracorriente.
A, carcasa rotatoria; B,
rodillos; C, engranaje impulsor; D, cierre tronco-cónico; E, soplante; F, tolva de alimentación; G, placas elevadoras; H, descarga de producto; J, calentador de aire.
