Informe Secado Final

Universidad de Tarapacá. Escuela Universitaria. Ingeniería en Mecánica.

INFORME LABORATORIO SECADO DE UN SÓLIDO CON FORMA IRREGULAR

“

Profesores: Sapiaín A. Raúl

”

Alumnos:

Cayo M. Carlos

Gaete P. Robert

Tirado N. Nehemías


Índice Introducción

3

Objetivos

5

Marco Teórico

6

Descripción de equipos

13

Desarrollo del laboratorio de secado de piedra pome

14

Ejemplo de cálculo

18

Discusión Resultado

20

Conclusión

21

Bibliografía

22

Página 2


Introducción En general se entiende por secado la separación de humedad de sólidos, líquidos o gases. Para el secado de gases y de líquidos se aplica generalmente la adsorción. Un campo de aplicación típico del secado de sólidos es el de la tecnología de alimentos. En el caso del secado térmico de sólidos se extrae la humedad del material por vaporización. La evolución del secado depende de la forma en que esté presente la humedad en el material. Al principio se evapora el líquido adherido a la superficie del material a secar. Una vez eliminado este líquido, comienza el secado de la humedad contenida en los capilares y los poros. La velocidad de secado va disminuyendo debido a que es necesario superar las fuerzas capilares o la resistencia a la difusión. El agua de cristalización ligada a la estructura cristalina sólo se puede eliminar por calentamiento intenso y a velocidades de secado bajas. Debido a la gran diversidad de materiales húmedos de importancia técnica, cuyos comportamientos de secado pueden ser radicalmente diferentes, en la técnica de secado se aplican muchos de los principios de la ingeniería de procesos. Se pueden distinguir las siguientes operaciones básicas: Secado por convección: una corriente de gas transmite por convección el calor

necesario para secar el material. Además de aportar calor, el gas sirve también para arrastrar y eliminar la humedad perdida por el material.

Secado por contacto directo: el material a secar se deposita o se hace pasar sobre

superficies muy calientes. El calor se transmite al material preferentemente por conducción.

Página 3

Universidad de Tarapacá. Escuela Universitaria. Ingeniería en Mecánica. Secado por radiación: el material a secar absorbe radiación electromagnética

emitida por fuentes de radiación (p. ej. Radiadores de infrarrojos). El calentamiento y la evaporación se producen en este caso no sólo en la superficie del material, sino también en su interior.

Liofilización: la humedad del material húmedo congelado se transfiere, bajo vacío

y por debajo del punto triple, directamente del estado sólido al de vapor.

Secado por alta frecuencia: el material a secar se dispone entre los electrodos de

un condensador de placas y se expone a campos eléctricos de alta frecuencia. Una parte de la energía suministrada es absorbida por el material. Como consecuencia, se calienta el material y la humedad se elimina.

Página 4


Objetivos.

Determinación experimental de la velocidad de secado de productos sólidos porosos de diversas formas geométrica para nuestro caso un material de forma irregular.

Página 5


Marco Teórico

El secado de sólidos se puede definir de distintas maneras, según el enfoque que se desee adoptar. En los estudios más teóricos se pone en énfasis en los mecanismos de transferencia de energía y de materia. Así, el secado se puede definir como un proceso en que hay intercambio simultaneo de calor y masa, entre el aire del ambiente de secado y el sólido. Dos procesos ocurren simultáneamente cuando un sólido húmedo es sometido a un secado térmico.

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

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. 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.

Condiciones internas.

Durante la transferencia de calor en la cual se pretende eliminar el agua en forma de vapor de la superficie de la partícula, algunas condiciones toman un papel importante como son: flujo de aire y humedad, área de superficie expuesta al calor y presión. Ya que estas condiciones durante la etapa inicial del secado son importante para remover la Página 6


humedad de la superficie. En algunos materiales el exceso de evaporación en la superficie, puede causar encogimiento, esto después de que la humedad inicial ha sido removida dando lugar a altos porcentajes de humedad del interior hacia la superficie, formando tensiones dentro de la materia ocasionada deformaciones.

Condiciones internas.

Los factores que pueden determinar la rapidez de secado, son: la temperatura, su contenido de humedad y la naturaleza física dentro de la partícula. Durante la transferencia de calor hacia un materia húmedo, un gradiente de temperatura se genera dentro del materia mientras la evaporación de la humedad ocurre en la superficie. La evaporación hace que la humedad del material vaya desde el interior hacia la superficie, lo cual sucede a través de mecanismos como son: difusión, flujo capilar, presión interna causada por el encogimiento durante el secado.

Existen dos métodos para quitar la humedad de un sólido y son la evaporación y la vaporización, el primero ocurre cuando la presión del vapor de la humedad en la superficie del solido iguala la presión parcial del gas en el aire. Esto sucede por el aumento de temperatura de la humedad hasta el punto de ebullición. Pero si el material es sensible al calor. Entonces la temperatura a la cual la evaporación ocurre, puede ser disminuida, bajando la presión (evaporación a vacío). Si la presión disminuye y baja más allá del punto tiple, entonces la fase líquida no tendría lugar y la humedad en el producto estaría congelada. Por otro lado, en la vaporización, el secado es llevado a cabo por convección, haciendo pasar aire caliente sobre el sólido húmedo. El aire es enfriado por el sólido y la humedad es transferida hacia el aire y en este caso la presión del vapor de la humedad sobre el sólido es menor que la presión parcial del gas en el aire.

Página 7

Universidad de Tarapacá. Escuela Universitaria. Ingeniería en Mecánica. Secadores.

Sustancias húmedas pueden ser secadas mediante la transferencia de calor, utilizando gases secos a través del materia húmedo, independientemente de que el material a secar pueda o no se fluidizable, un suministro de calor, comúnmente de gases seco es necesario. En algunos casos el producto a ser secado va a tolerar ser secado por gases calientes para procesos de combustión, mientras que otros productos son menos tolerantes y requieren de gases no contaminantes como lo es el aire caliente para realizar el secado, como en la manufactura del cemento, etc. Algunos tipos de sistemas proveen fluidos calientes de combustión mientras que otros producen aire limpio y caliente.

Método de secado.

Existen dos métodos para quitar la humedad de un solido y son la evaporación y la vaporización, el primero ocurre cuando la presión del vapor de la humedad en la superficie del solido iguala la presión parcial del fas en el aire. Esto sucede por el aumento de la temperatura de la humedad hasta el punto de ebullición. Pero si el material es sensible al calor, entonces la temperatura a la cual se evapora ocurre, puede ser disminuida, bajando la presión (evaporación a vacío). Si la presión disminuye y baja más allá del punto triple, entonces la fase líquida no tendría lugar y la humedad en el proceso estaría congelada. Por otro lado, en la vaporización, el secado es llevado a cabo por convección, haciendo pasar aire caliente sobre el sólido húmedo. El aire es enfriado por el sólido y la humedad es transferida hacia el aire y en este caso la presión del vapor de la humedad sobre el sólido es menor que la presión parcial del gas en el aire.

Página 8


Fases de secado: observaciones experimentales han llevado a la división de los fases de secado, 1 la velocidad constante y 2 la velocidad creciente de secado. El contenido de humedad durante estas dos fases ocurre en el punto de transición y se llama punto crítico conocido comúnmente como la humedad critica X crit y se le conoce como periodo inicial a la etapa constante,

la figura a continuación nos muestra el

comportamiento de la humedad con respecto al tiempo durante un proceso de. La parte uniforme periodo

corresponde de

la

al

velocidad

contante y la no uniforme a la velocidad decreciente.

Figura 1: humedad contra tiempo

La humedad de equilibrio X eq, es función de la humedad relativa y de la temperatura para una determinada sustancia. En la figura n°2 muestra la curva de secado contra la humedad en exceso (X- X eq) y de esta forma observa la velocidad del proceso.

Figura 2: Tasa de secado contra humedad en exceso

Página 9


Las operaciones de secado, se pueden clasificar, de modo general, de la siguiente manera: 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. Los equipos utilizados para secar se pueden clasificar también de acuerdo a cualquiera de estas categorías: I.

Métodos de operación: Continuos ó Discontinuos.

II.

Métodos de propiciar el calor necesario para la evaporación de la humedad:

En secadores directos e indirectos.

III.

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. Los factores que se deben considerar en la selección y diseño de un secador para cualquier aplicación industrial, son los siguientes: Propiedades del material

Las propiedades de los materiales en la carga durante el ciclo de secado y descarga. Son características de inflación, toxicidad y abrasión.

Página 10


Características de secado

El contenido inicial de humedad y su relación con la humedad de equilibrio bajo diferentes condiciones, el tipo de humedad (limite v/s no limite) y las limitaciones de temperatura de secado y los requisitos de tiempo de secado. Especificación directa del producto

La pureza, contenido final de humedad, distribución dimensional, forma física, densidad del producto seco, algunas contracciones respecto de las propiedades químicas o superficiales. Productos perdidos

Los productos perdidos como impurezas (vapores). Si hay solvente presente, la pérdida del solvente.

Gráfico humedad retenida en el sólido. 

*

Humedad de equilibrio: x , Humedad del sólido cuando su presión de vapor se

iguala a la presión de vapor del gas. Es decir, humedad del sólido cuando está en equilibrio con el gas. Página 11

Universidad de Tarapacá. Escuela Universitaria. Ingeniería en Mecánica. 

*

Humedad libre: x- x , Es la humedad del sólido; que es la humedad que está en

exceso (en base seca), con relación a la humedad de equilibrio. Es ésta la humedad que se puede evaporar y depende de la concentración de vapor en la corriente gaseosa.





La humedad en un sólido se retiene en dos formas, estas son: Humedad límite: La humedad límite ejerce una presión de equilibrio de vapor

menor que la del agua libre a la misma temperatura, como esta humedad está retenida dependiendo de la naturaleza del sólido, esta puede estar retenida en finos capilares o absorbida en superficies, dentro de celdas, paredes fibrosas o combinaciones físico-químicas con el sólido. Es agua ligada.



Humedad no limite: Esta humedad ejerce una presión de equilibrio de vapor igual a

la del agua a la misma temperatura. Está retenida en espacios vacíos del sólido. Es agua no ligada.

Curva de humedad en el tiempo. Fórmula para el contenido de humedad en base seca, x:

Página 12


Descripción de equipos

El equipo de secado básicamente consiste en túnel por el cual circula aire que es impulsado por un ventilador, donde este aire previamente es “pre -calentado” por calefactores, además este equipo cuenta con una balanza digital donde se pesa el producto a secar, a continuación se mostrara las características básicas que se debe tener conocimiento de este equipo.

Banco de túnel de secado

Marca: Tecquipment Typene: CH31 Volts: Nº Serie: Frecuencia: Amperaje: Fase:

380 - 440 002 50 Hz 15 3

Termómetro

Bulbo seco(columna de mercurio) Rango de indicación -14-52°C Rango de operación -14-52,53°C Resolución 0,1°C Bulbo húmedo (columna de mercurio) Rango de indicación -14-52°C Rango de operación 14-52,2°C resolución 0,1°C Termoanemómetro

marca Rango de operación Rango de indicación resolución Temperatura Rango de operación Rango de indicación resolución

Airflow TA35 0-20(m/S) 0-20(m/S) 0,1 (m/S) 0-80°C 0-80°C 0,1°C

pesa

marca Rango de operación Rango de indicación resolución Página 13


Procedimiento Experimental Se retira el termómetro de bulbo húmedo del banco de túnel de secado y se moja la parte inferior de éste con agua a temperatura ambiente, se estruja para retirar el exceso de agua y se vuelve a instalar en el equipo, se toman algunos datos como base del experimente, t(°c), P(mbar), HR(humedad relativa). Se pesa la piedra pome en estado seco junto con el gancho, para tener una referencia. Se calibra la pesa en cero, para evitar errores, Se humedece la piedra pome, luego se cuelga en la balanza cuidadosamente. Se enciende el ventilador y los calefactores de manera que las mediciones se realicen bajo condiciones de régimen permanente. Se realizan las mediciones de temperaturas de bulbo húmedo y seco, masa del sólido, velocidad, temperatura y humedad relativa del aire a la salida del túnel de secado. 

Tres mediciones, intervalos de 1 minuto,



Tres mediciones, intercalo de 3 minutos y



Tres mediciones, intervalo de 5 minutos.

Se realiza mediciones de velocidad en distintos puntos del túnel a la salida, ya que se registran variaciones en ellas al variar la ubicación, para luego tomar un promedio.

En todo momento se mantiene constante la t° del bulbo seco, y se termina el laboratorio cuando se hayan realizado todas las mediciones.

Página 14


Desarrollo del laboratorio de secado de piedra pome.

Tabulación de los valores obtenidos en el ensayo de secado de producto sólido.

Tabla N°1: Condiciones de inicio de la experiencia. Elemento de análisis

Condiciones de confort

Peso de la piedra pome en estado seco(gr) Peso de la piedra pome en estado húmedo(gr) Temperatura medio ambiente (°C) Presión del medio (mbar) Humedad relativa (%) Velocidad promedio aire (m/s)

54,07 54,3 22,6 10,19 48,5 4,62



Se tomo peso seco de la figura como 54,07 para obtención de resultado coerentes

Tabla N°2: Datos de temperatura del bulbo seco, bulbo húmedo y las variaciones del peso con respecto al tiempo de exposición del elemento a la transferencia de calor por convección forzada.

Primer periodo Segundo periodo Tercero periodo Cuarto periodo Quinto periodo Sexto periodo Séptimo periodo Octavo periodo Noveno periodo

Bulbo seco(°C)

Bulbo húmedo(°C)

Tiempo en (min)

Peso (gr)

22 22 22 22,5 22,5 22,5 23 23 23

39 39 39 39,5 39,5 39,5 39,5 39,5 39,5

1 2 3 6 9 12 17 22 27

58,5 57,4 56,7 56 55,5 55,1 54,7 54,3 54,1

Página 15


Con los datos obtenidos en la experiencia podemos construir el grafico, el cual nos permitirá observar la variación del peso en gramos del elemento (piedra pome) respecto al tiempo Grafico N°1: Curva de pérdida de peso (gr) v/s tiempo de secado en minuto.

Tabla Nº3.- Tabla con los datos obtenidos de medir el tiempo y el peso del elemento a secar. Bulbo seco(°C)

Bulbo húmedo(°C)

Tiempo en (min)

Peso (gr)

22 22 22 22,5 22,5 22,5 23 23 23

39 39 39 39,5 39,5 39,5 39,5 39,5 39,5

1 2 3 6 9 12 17 22 27

58,5 57,4 56,7 56 55,5 55,1 54,7 54,3 54,1

x

X*

X-X*

dx

dt

dx/dt

8,19 6,16 4,86 3,57 2,64 1,90 1,17 0,43 0,06

0,06 0,06 0,06 0,06 0,06 0,06 0,06 0,06 0,06

8,13 6,10 4,80 3,51 2,58 1,84 1,11 0,37

2,03 1,29 1,29 0,92 0,74 0,74 0,74 0,37

1 1 3 3 3 5 5 5

2,03 1,29 0,43 0,31 0,25 0,15 0,15 0,07

Página 16


Gráfico N°2.- El siguiente grafico muestra la variación de la razón de secado respecto a la diferencia de humedades.

Página 17


Ejemplo de cálculo El siguiente ejemplo de cálculo, sintetiza los cálculos realizados para obtener los datos correspondientes a los futuros análisis . Calculo de la humedad absoluta X



mw



mo

mo

Donde: mw : masa húmeda. mo : masa seca. Tomando de la tabla n°2, “primera medición” tenemos que: mw : 58,5 [gr] mo : 54,07 [gr] X



mw



mo

mo



58,5  54,07 54,07

*100  8,19

Luego tenemos que X= 8,19%

Página 18


Obtención de la humedad de equilibrio Para obtener el peso de equilibrio de la muestra húmeda se utiliza el gráfico Pérdida de peso v/s Tiempo de secado, entonces tenemos la siguiente expresión: X

*

m

*

w





mo

mo

mw*: masa húmeda de equilibrio. mo: masa seca

X

*

m

*

w





mo

mo



54,1  54,07 54,07

*100  0,055%  0,06%

X*=0,06%

Calculo de la humedad libre = X-X* Con “ X “ ya calculado para la tabla n°2, y con X*, tenemos que “X -X*”, para un caculo

X-X*= 8,19-0,06=8,13% Calculo de la velocidad de secado: dx dt



x n 1 t n

 x n

 t n 1

Tomando “ X “ de los primeros datos y el tiempo, tenemos que: dx dt



8,19  6,16 2 1



2,03

Luego se realiza un tabla(n°3) en la cual se representa estos cálculos.

Página 19


Discusión Resultado 1.- Observando el grafico n°1, y el cuadro n°2 notamos que en los primeros minutos la pérdida de masa es bien casi proporcional al tiempo, luego en los tiempos finales la pérdida de masa es muy lenta llegando al final del laboratorio con 54,1 gr. 2.- otra observación que se le puede tener al grafico n°1, el producto no tubo un secado 100%, la diferencia es de 0,06 gramos que faltaron por secarse. 3.- se pueden distinguir zonas de distintas pendientes. Para la zona de mayor humedad libre corresponden las mayores razones de secado, y como se observa la razón de secado disminuye a valores cercanos a cero para los menores valores de humedad libre. 4.- Se pudo pensar en principio que al ser una pieza(piedra pome), pequeña esta se tendría un tiempo de secado más rápido y al 100%, pero no fue así y fue más lento los últimos 10 minutos, para un secado del 100% se requeriría de más tiempo para este proceso.

Página 20


Conclusión Dado a que el proceso de secado muy importante en la industria, de alimento como los más conocidos, el acelerar este proceso provoca un avance en la comercialización de productos. También podemos decir que si la humedad de un sólido es mayor que la humedad de equilibrio, el sólido se secara hasta alcanzar la humedad de equilibrio, mientras que si su humedad es menor que la de equilibrio absorberá agua del aire hasta que alcance las condiciones de equilibrio. El proceso es más rápido en su comienzo, y va disminuyendo la velocidad de secado conforme el tiempo pasa, se puede tener en cuenta la diferencia de presiones y la cantidad de masa por retirar. Esto económicamente no es viable, llegar al 100% de sacado requiere un mayor tiempo lo cual se representaría en perdidas.

Página 21


Bibliografía

•

Catalogo del equipo CH 31.

•

Diagrama de Mollier para aire húmedo.

•

Problemas de Ingeniería Química - Ocon Tojo.

Página 22

Informe Secado Final

Recommend Documents