PROCESOS DE SECADO O SECADORES INDUSTRIALES El secado se describe como un proceso de eliminación de substancias volátiles (humedad) para producir un producto sólido y seco. La humedad se presenta como una solución liquida dentro del solido es decir; en la microestructura del mismo. Cuando un sólido húmedo es sometido a secado térmico, dos procesos ocurrirán simultáneamente: 1. Habrá transferencia de energía (comúnmente como calor) de los alrededores para evaporar la humedad de la superficie. (proceso 1) 2. Habrá transferencia de la humedad interna hacia la superficie del sólido. (proceso 2) La velocidad a la cual el secado es realizado está determinada por la velocidad a la cual los dos procesos, mencionados anteriormente, se llevan al cabo. La transferencia de energía, en forma de calor, de los alrededores hacia el sólido húmedo puede ocurrir como resultado de convección, conducción y/o radiación y algunos casos se pueden presentar una combinación de estos efectos. Condiciones externas
Este caso se refiere al proceso1, donde, la eliminación de agua en forma de vapor de la superficie del material, depende de las condiciones externas tales como: temperatura, humedad y flujo de aire, área á rea de la superficie expuesta y presión. Estas condiciones c ondiciones son importantes durante las etapas iniciales de secado cuando la humedad de las superficies está siendo removida. En algunos materiales puede haber encogimiento, enco gimiento, excesiva evaporación en la superficie, después de que la humedad inicial ha sido removida dando lugar a altos gradientes de humedad del interior a la superficie. Este fenómeno es causado por el sobresecado y encogimiento y consecuentemente las altas tensiones dentro del material, dando como resultado agrietamientos y deformación. Condiciones internas
El movimiento de la humedad dentro del solido es una función de la naturaleza física dentro del sólido, la temperatura y su contenido de humedad. En una operación de secado cualquiera de estos procesos puede ser el factor 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 solido mientras la evaporación de la humedad ocurre en la superficie. La evaporación produce una migración de humedad desde adentro del solido hacia la superficie, la cual ocurre a través de uno o más mecanismos, normalmente, difusión, flujo capilar, presión interna causada por el encogimiento durante el secado. Mecanismos de secado
Hay dos métodos para remover la humedad: 1. EVAPORACIÓN: esta ocurre cuando la presión del vapor de la humedad en la superficie del solido es igual a la presión atmosférica. Esto se debe al aumento de temperatura de la humedad hasta el punto de ebullición. Si el material que está siendo secado es sensible al calor, entonces la temperatura a la cual la evaporación ocurre, la temperatura puede ser disminuida, bajando la presión (evaporación al vacío). Si la presión disminuye baja más allá del punto triple,
entonces la fase liquida no puede existir y la humedad en el producto es congelada. 2. VAPORIZACIÓN: el secado es llevado a cabo por convección, pasando aire caliente sobre el producto. El aire es enfriado por el producto y la humedad es trasferida hacia el aire. En este caso la presión del vapor de la humedad sobre el sólido es menor que la presión atmosférica.
Cinética del secado
Si un lote de polvo o granos húmedo es secado en lecho fluidizado y el contenido de humedad X (definido como peso de agua por unidad de peso de solido seco) es determinado como una función de tiempo t, la curva resultante de X contra t será igual a la curva de la figura 5.1ª. Esta es convencionalmente dividida en dos partes, el primero llamado periodo de velocidad constante de secado y el segundo velocidad decreciente d secado. El contenido de humedad en el punto de transición entre los dos periodos es llamado contenido crítico de humedad Xcr. Si el secado continúa más tiempo, X se aproximara al contenido de humedad Xe, correspondiente a la humedad de equilibrio. En cualquier punto de la curva, la cantidad de humedad removible permaneciente (X – Xe) se conoce como el contenido de humedad libre.
Figura 5.1 ejemplo de curvas de secado y velocidad de secado
La velocidad de secado, -dX/dt, puede ser determinada en cualquier punto derivando la curva de X contra t. una gráfica de -dX/dt contra el contenido de unidad libre (X –Xe) es una forma alterna de representar el secado característico de un material tal y como se muestra en la figura 5.1b. Como un método aproximado, el periodo de velocidad constante puede ser considerado como correspondiente a la humedad removida de la superficie de las partículas, mientras que el periodo de velocidad correspondiente a la eliminación de la humedad interna. Velocidad constante de secado La superficie contiene humedad, la vaporización se lleva a cabo a partir de ahí. En esta etapa de secado se lleva a cabo la difusión de vapor del agua a través de la interface aire/humedad y la velocidad a la cual la superficie por difusión es eliminada. Hacia el final del periodo constante la humedad tuvo que ser transportada del interior del solido hacia la superficie por fuerzas capilares. Cuando el promedio del contenido de humedad crítico Xcr, la película de la humedad en la superficie ha sido tan reducida por evaporación que más allá del secado causa distorsiones más allá de la superficie, entonces, el proceso se controla por las resistencias exteriores. Velocidad decreciente de secado. La velocidad a la cual la humedad puede pasar a través del sólido como resultado de la concentración de gradientes entre las partes más profundas y la superficie es el paso a controlar. Dado que, la profundidad media del nivel de humedad aumenta progresivamente y la conductividad de calor de las zonas externad secas es muy pequeña, la velocidad de secado es cada vez más influenciada por la conducción de calor. Sin embargo, si el producto seco tiene una densidad alta y cavidad pequeña con poros pequeños, el secado es determinado no tanto por la conducción de calor pero, si por una resistencia alta a la difusión dentro del producto. Como la concentración de la humedad disminuye por el secado, la velocidad del movimiento de humedad interna también disminuye. Determinación del contenido de humedad Métodos directos
Estos consisten esencialmente en la determinación del contenido de humedad de una muestra de secado llevada a cabo en un horno de secado con o sin soplado a través de aire, o por secado en una cámara de vacío o en defecto en un desecador de vacío. La muestra de material tiene que ser preparada en cada caso de la siguiente manera: el material es desintegrado en piezas de 1-2 mm3, y una muestra con masa de 4-5 g es colocada dentro de un previamente y pesado contenedor de vidrio, el cual es colocado dentro de una cámara de secado y secar a 102 – 105 °C. la medida de la masa es llevada a cabo a temperatura ambiente, no sin antes dejar que la muestra sea enfriada en el desecador. El proceso de secado puede considerarse completo cuando la diferencia entre el valor obtenido por el contenido de la humedad del material en dos medidas consecutivas no exceda _+ 0.05%. La literatura indica que este proceso es más rápido cuando se lleva a cabo a 130 – 150 °C. Sin embargo, investigaciones probaron que los resultados obtenidos de esta manera pueden variar 0.5-1.0 %. Así, el método más rápido parece ser conveniente solo para determinación aproximada del contenido de humedad del material.
Métodos indirectos
En el caso particular de las industrias, el contenido de humedad presente en el material tiene que ser determinado por métodos más rápidos que los métodos directos. Ejemplos de métodos indirectos son los siguientes: métodos eléctricos de los cuales tres han llegado a ser muy difundidos: determinación de la humedad basado en el cambio de resistencia DC, medida de capacitación electrostática, y la medición de las perdidas en un campo de AC. Otros métodos rápidos son los métodos químicos desarrollado princi palmente para la mayoría de los casos, cuando la humedad es agua, tal en el caso del análisis de Kart-Fischer basado en reacción química del yodo en la presencia de agua, y el método de extracción a la cual es llevado a cabo con etanol. Clasificación y selección de secadores La selección del contenido final de la humedad es principalmente dictada por los requerimientos de almacenamiento y estabilidad. El contenido final de humedad determina el tiempo de secado y las condiciones requeridas para el proceso. Los gradientes de humedad interna dentro de las partículas y la variación del contenido de humedad entre las partículas son importantes. Las restricciones de temperatura pueden aumentar a causa de la degradación térmica, cambios de fase, decoloración y manchas, flamabilidad de polvos, entre otros factores. La sensibilidad térmica fija la temperatura máxima a la cual la sustancia puede ser expuesta durante el tiempo de secado. La primera subdivisión está basada en métodos de transferencia de calor: 1. Conducción del calor. Son típicos de la industria papelera, donde la banda de papel húmedo se seca por contacto con la superficie exterior de un cilindro hueco en cuyo interior se condensa vapor de agua.
2. Convección de calor.
Pueden ser de convección natural al aire, pero son mucho más frecuentes los secaderos de convección forzada utilizándose como fluido caliente los humos procedentes de una combustión o aire calentado eléctricamente o por otros medios. La siguiente subdivisión está basada en el tipo de recipiente secador: 1. 2. 3. 4. 5.
Bandeja. Tambor rotatorio. Lecho fluidizado. Neumático. Spray.
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 típico, tal como el que se muestra en la figura siguiente, 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. 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. 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.
El secado mediante lecho fluidizado es un método sumamente efectivo para secar partículas sólidas. La superficie de cada partícula es expuesta al secado al ser suspendida en el caudal de aire, lo que deriva en una mejor transferencia de calor y un menor tiempo de secado. La temperatura de producto homogénea y el secado uniforme del producto se alcanzan mediante la regulación y mezcla continua y rigurosa del aire de secado de entrada y salida. Para optimizar el proceso de secado es necesario llevar un monitoreo preciso de la humedad en el aire de secado. Las condiciones pueden variar según la humedad y la temperatura. En muchos procesos de secado, especialmente de la industria farmacéutica, el aire de salida puede contener altos niveles de solventes y químicos evaporados. En estos casos se requiere una tecnología de sensores muy estables. En las condiciones más severas, la salida de lecho
fluidizado es considerada un área de riesgo y requiere de un instrumento de medición de seguridad intrínseca.
Un secador rotatorio consta de un cilindro hueco que gira por lo general, sobre su eje, con una ligera inclinación hacia la salida. Los sólidos granulares húmedos se alimentan por la parte superior, tal como se muestra en la figura siguiente y se desplazan por el cilindro a medida que éste gira. El calentamiento se lleva a cabo por contacto directo con gases calientes mediante un flujo a contracorriente. En algunos casos, el calentamiento es por contacto indirecto a través de la pared calentada del cilindro.
Las partículas granulares se desplazan hacia adelante con lentitud y una distancia corta antes de caer a través de los gases calientes, como se muestra. Existen muchas otras variaciones del secador rotatorio.
El secado spray es un proceso industrial muy utilizado ya que permite la formación de partículas y el secado, también permite producir sólidos en forma de polvo de forma continua. El proceso de secado spray ofrece como resultado productos que cumplen con altos estándares de calidad y puede formar tanto polvo como aglomerados y granulados a partir de una materia prima líquida.
SECADORES CONTINUOS DE TÚNEL Los secadores continuos de túnel suelen ser compartimentos de bandejas o de carretillas que operan en serie, tal como se muestra en la figura a. Los sólidos se colocan sobre bandejas o en carretillas que se desplazan continuamente por un túnel con gases calientes que pasan
sobre la superficie de cada bandeja. El flujo de aire caliente puede ser a contracorriente, en paralelo, o una combinación de ambos. Muchos alimentos se secan por este procedimiento.
Cuando se desea secar partículas sólidas granulares, pueden utilizarse transportadores perforados o de fondo de tamiz, como el de la figura b. Los sólidos granulares húmedos se transportan en forma de una capa que tiene entre 25 y 150 mm de profundidad, sobre una superficie de tamiz o perforada a través de la cual se fuerza el paso de aire caliente, ya sea hacia arriba o hacia abajo. El secador consta de diversas secciones en serie, cada una con un ventilador y serpentines de calentamiento. Un ventilador adicional extrae cierta cantidad de aire hacia la atmósfera. En algunos casos, los materiales en forma de pasta pueden preformarse en cilindros y colocarse sobre el transportador para secarse.
SECADORES POR ASPERSIÓN En un secador por aspersión, un líquido o una suspensión se atomiza o se rueda en una corriente de gas caliente para obtener una lluvia de gotas finas. El agua se evapora de dichas gotas con rapidez, y se obtienen partículas secas de sólido que se separan de la corriente de gas. El flujo de líquido de la cámara de aspersión puede ser a contracorriente, en paralelo, o una combinación de ambos. Las gotas finas se forman al introducir el líquido en toberas de atomización o discos giratorios de rociado de alta velocidad en el interior de una cámara cilíndrica como en la figura siguiente. Es necesario asegurarse de que las gotas o partículas húmedas del sólido no
choquen ni se adhieran a las superficies solidas antes de que hayan secado. Por consiguiente, se emplean cámaras bastante grandes.
Los sólidos secos salen por el fondo de la cámara a través de un transportador de tornillo. Los gases de escape fluyen hacia un separador de ciclón para filtrar las partículas muy finas. Las partículas que se obtienen son muy ligeras y bastante porosas. La leche en polvo se obtiene mediante este proceso.
SECADORES DE TAMBOR Un secador de tambor consta de un tambor de metal calentado, como se indica en la figura siguiente en cuyo exterior se evapora una capa delgada de un líquido o una suspensión hasta que se seca. El sólido seco final se le raspa al tambor, que gira lentamente.
Los secadores de tambor son adecuados para procesar suspensiones o pastas de sólidos finos, así como soluciones verdaderas. El tambor funciona en parte como evaporador y en parte como secador. Otras variaciones del secador de tambor son los tambores rotatorios dobles con alimentación por inmersión, o bien con alimentación superior en el espacio entre los dos tambores. El puré de papa se procesa en secadores de tambor para obtener el material en forma de escamas.
SECADOR TIPO FLASH En los que el producto es transportado neumáticamente por un fluido que actúa simultáneamente como transportador y como agente de secado. Están constituidos por un tubo elevador vertical en el que la corriente de aire caliente va de abajo a arriba, arrastrando el producto a secar en forma de grano fino, que se separa luego con uno o varios ciclones.
SECADO DE COSECHAS Y GRANOS Los granos de una cosecha contienen aproximadamente de 30 a 35% de humedad y para poder almacenarlos sin problemas durante un año deben secarse hasta un 13% de humedad en peso. En la figura siguiente se muestra un secador de flujo continuo típico. En la tolva de secado, el espesor de la capa de granos, a través de la cual pasa el aire caliente, es 0.5 m o menos. Una corriente de aire (sin calentar) en la sección del fondo, enfría los granos secos antes de la salida.
3. Radiación de calor. Se basan en la transferencia de energía radiante para evaporar la humedad del producto. Esta energía se produce eléctricamente (infrarrojos) o por medios de refractarios únicamente calentados con gas. El costo de la energía necesaria para este método es de dos a cuatro veces mayor que el costo del combustible de los secadores mencionados anteriormente. El producto es sometido a radiación, operando normalmente en continuo y con radiación infrarroja.
4. Calefacción dieléctrica. El calentamiento y desecación se produce al someter al cuerpo a una corriente eléctrica que genera calor por efecto Joule .
