LOU 2 SECADO POR ATOMIZACION

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA

LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS 2

SECADO POR ATOM ATOM IZACIÓN IZACIÓN 1. OBJETIVO y

Conocer el equipo de secado por atomización y su funcionamiento por medio de una corrida de prueba en el equipo.

y

Conocer las relaciones existentes entre las condiciones de operación de equipo de secado y las características características del producto final.

2. FUNDAM FUNDAM ENTO ENTO TEORICO alimentos y/o produ ctos orgánicos disueltos El secado por atomización es utilizado para alimentos en agua. Inicialmente, el alimento fluido es transformado en gotas, g otas, que se secan por atomización en un medio continuo de aire caliente. El modo más común utilizado en estos tipos de secado es un ciclo abierto, tal como se muestra en la siguiente figura:

El aire de secado es calentado utilizando un reostado (calentador por resistencias eléctricas), además, es limpiado con ciclones antes de ser lanzado a la atmósfera. En este tipo de operación el aire que abandona el sistema todavía puede contener calor. Un segundo tipo es la utilización de un circuito cerrado con un medio de calefacción (aire, CO 2 , etc.). El aire se utiliza en el proceso de secado, después se limpia, se seca y se reutiliza de nuevo en un pr oceso continuo. La eficiencia de este tipo d e secado es superior superior a la de los sistemas abiertos. En los sistemas de circuito cerrado únicamente sale del sistema el producto seco, mientras que en los de circuito abierto también se lanza al exterior aire caliente, caliente, que en algunos o casiones puede contener micro partículas. partículas.

Este tipo de secado incluye la atomización del alimento en un medio de secado en el que se elimina la humedad por evaporación. El secado se realiza hasta que se llega al nivel de humedad fijado para el producto. Este secado se controla por las condiciones de flujo y temperatura, tanto del producto como del aire de entrada.

Figura 1. Ciclo abierto, secado por atomización

3



El secado por a tomización se utilizo utilizo por primera vez en el secado de leche hacia 1900 y más tarde se aplico en huevos y café.

Tabla 1. Efecto del proceso p roceso en algunos tamaños de gotas

Los tipos de secadores, la distancia que recorre una gota hasta que se ve afectada por completo por el aire depende del tamaño, forma y densidad de la misma. Los atomizadores ordinarios son más independientes del flujo de aire, mientras que en los atomizadores finos debe considerarse el flujo de aire. El movimiento de la atomización se puede clasificar de acuerdo al diseño del secadero como equicorriente, contracorriente o flujo mezclado.

4



figura 2. Clasificación de secadores por medio corriente de la atomización

Descripción del equipo el equipo, utilizado en el laboratorio es e s un equipo que consta de las siguientes partes: Cámara de secado. y y El atomizador. Calentador eléctrico de aire (en la actualidad se utiliza el equipo de ésta manera). y y Calentador a gas d el aire. y Motor y ventilador (aspirador de aire).

Ingreso de líquido a secar:

Ingreso de aire presurizado, el cual sircve para aumentar los RPM del disco c entrífugo

EQUIPO DE SECADO POR ATOMIZACION

CICLON

Ingreso de sólido al ciclon, para sepa ración s ólido-aire. El sólido se recupera en la parte inferior del cic lon.

CAMARA DE SECADO

CONSOLA CONSOLA DE

Ingreso de aire caliente Salida en forma de polvo, del fluido secado.

5

MANEJO



Figura 3. Descripción del equipo y disco centrifugo.

Aplicación del ³Spray Dryer´ o secado por atomización: Es aplicado a cualquier producto posible de bombear emulsiones, pastas, soluciones y suspensiones de las

siguientes industrias: y

Alimenticias: Tales como cereales y extractos de plantas, lacticinios en general,

cafés y sus sucedáneos, levaduras, hidrolizados de proteínas, derivados marinos, subproductos d e frigoríficos, huevos, frutas y extractos de frutas. y

F armacéuticas: armacéuticas: Antibióticos y derivados, vacunas, vitaminas, fármacos en

general. y y

Arcillas para aplicaciones diversas y especiales C erámica: erámica: Arcillas

Ácidos, sales orgánicas, compuestos nitrogenados, Química Orgánica: plásticos, resinas, catalizadores y colorantes, fertilizantes, pesticidas, insecticidas, detergentes en general, taninos naturales y sintéticos etc. Compuestos de aluminio, bario, boro, cromo, azufre, flúor, yodo, magnesio, hidróxido y óxidos en general.

y

Química Inorgánica:

y

C elulosa: elulosa:

S uphite waste liquor, lignosulphonates, etc.

Secadores a nivel industrial: NIRO ATO M IZ ER (marca del secador por atomización en

laboratorio) NIRO es especialista especialista en sistemas de secadores por atomización de todos los tamaños para aplicaciones en la industria alimenticia y química. Está empresa ofrece un gama complete de productos y servicios, dependiendo de las necesidades de sus clientes. Para una capacidad de secado dado, las propiedades del líquido a ser secado y las características del polvo a ser producido, son cruciales y deben ser consideradas cuidadosamente cuando se selecciona el diseño de un secador por atomización.Los secadores de esta empresa son diseñadas para obtener el producto que uno desea, esto se

logra realizando una simulación con la información de la alimentación que se les debe proporcionar y las especificaciones especificaciones del producto q ue se desea obt ener.

6



Esta empresa ofrece un rango completo de tamaños y capacidades, para procesos, para laboratorios y para plantas piloto, en general los secadores que ofrecen se pueden agrupar en las siguientes categorías: Large S ystems, plantas piloto y F luidized luidized Spray Dryer que explicaremos detalladamente en el anexo del informe.

Figura 4. Equipos que proporciona NIRO ATO M IZER IZER

3. ESQUE M MA DEL EQUIPO

7



4. DATOS EXPERI M MENTALES E NTALES Datos tomados en la experiencia: T1

Temperatura entrada de aire

160ºC

8

320

ºF



T2

Te Tem m eratura salida de aire

45 º º C

113

º F F

To :

Tem Tem eratura del am am iente

27 º º C

80.6

º F F

Xs :

fracción de sólidos en la carga

0.25

Xh :

fracción de agua en sólidos de salida

0





¡

C AIRE calorífica del aire a T 1 AIRE T1 : capacidad calorífica

0.2432

BTU/Lb-º BTU/Lb-º F F

C AIRE calorífica del aire a T 2 AIRE T2 : capacidad calorífica

0.2406


C AGUA calorífica del agua a T 1 (vapor) AGUA T1: capacidad calorífica

0.4735


C AGUA calorífica del agua a T 2 (vapor) AGUA T2: capacidad calorífica

0.5550


1050

BTU/Lb

l VAP Tr

entalpía de vaporización a Tr

(2442 KJ/Kg)

C* AGUA AGUA

capacidad calorífica calorífica del agua (liquida)

1

BTU/Lb-º BTU/Lb- º F F

Cs

capacidad calorífica calorífica de los sólidos de la leche

0.85

BTU/Lb-º BTU/Lb- º F F

Tr :

tem temperatura de referencia

20 º º C

68

º F F

Trocío :

tem temperatura de rocío

14 º C

57.2

º F F

rl:

densidad de la leche

1.06

gr/cc

ra:

densidad del agua

1

gr/cc

s:

tensión superficial del agua

72.75

dinas/c m

V:

volum volu men tratado

300

ml

t:

tiem tiempo de operación

2529

s

1

cp

66.5

gr

(20 º º C) (20 C)

m agua: viscosidad del agua W tss

Peso total de solido seco

Datos usando la Carta Psicomé Psico métrica trica T sat :

tem temperatura de saturación

42.00 º 42.00 º C

9

107.6 º º F F



Y1:

Hum Humedad abs. de entrada

0.00700

lb agua/lb aire seco

H 1 :

Hum Humedad abs. de entrada

0.01128

lb-m lb- mol agua/lb-m agua/lb-mol aire seco

Y2:

Hum Humedad abs. de salida

0.05200


H 2 :

Hum Humedad abs. de salida

0.08378

lb-m lb- mol agua/lb-m agua/lb- mol aire seco

Cálculo del flujo de leche

Ma :

flujo de entrada de la leche

0.12574 gr/s.

0.000277 lb/seg.

Mp :

flujo de salida de la leche

0.03144 gr/s.

0.693

lb/seg.

5. TRATAMIENTO DE DATOS 5.1. Det Det ermi ermi ¢

i ¥

£

¤

¦

¢

e l humedad y t emperat emperat ura ura de sat sat uraci uraci ¥

£

¢

ad i i abáti abáti ca: ca:

De la Carta Psicométrica con:

Temp eratura d e bulbo s eco d el air e de alim entación (To)

2 7 °C

Temp eratura d e bulbo húm edo d el air e de alim entación (Th)

15 °C

Humedad de la alimentación (H1):

0.01128


de saturación adiabática:

Temperatura

de saturación adiabática (TSat ):

42.00 ºC

107.6°

§

Seguimos la r ecta d e saturación adiabática hasta cortar a la v ertical de la

temp eratura 2 y leemos la hum edad d e salida: Humedad de salida (H 2):

5.2. Det Det ermi ermi aci aci ©

¨

¨

0.08378

lb agua/ lb. aire seco

del del f f l u ent rada rada de l a l eche eche y del del so soli do obt obt eni eni do: do: lujo jo de ent li do

10



Flujo de entrada d e la l eche= Flujo

V LECHE .V

Ma !

t

0.000277 lb/s

de entrada de la leche (MA)=

Mp

!

Flujo de salida d el sólido = Flujo

Ma.x s

1 xh 

0.693 lb/s

de salida del sólido (Mp)=

5.3. Cal Cal cul cul o de l a vi vi scosi scosi dad dad de l a l eche: eche: Cálculo d e la viscosidad d e la L ech e  Cpo: En la experiencia ll evada a cabo e n el laboratorio s e utilizó el viscosím etro d e Ostwald, se tuvo registros de tiempos de paso para el a gua así como para la l ech e: Tiempo de paso de agua por el viscosím etro d e Ostwald = (ta) Tiempo de paso de la l eche por el viscosím etro d e Ostwald = (tl) Entonces:  lech e = agua * (t l eche / t a gua ) * ( V leche/ V agua )

Cálculo d e la t ensión sup erficial d e la leche ( l) dinas/cm:

En la exp eriencia se registraron las alturas d e liquido en los capilar es para el agua y la l eche respectivam e nte.

 l eche=(h l eche/h a gua)*( V le che/ V agua)*  a gua

5.4. Cal Cal cul cul o del del f f l lujo u jo de ai ai re re (caso ad i iabáti a báti co) co) Balance de humedad:

entrada - salida + generación = acumulación

generación = acumulación = 0

G

Ma.(1 !



xs

(1 x h ).(Y 2 





xh ) Y 1 ) 11



0.004620 0.000159

G = G =

lb air e seco /s lb-mol air e seco/s

Cálculo d e la d ensidad d el air e a las condicion es de entrada: P =

1 atm.

T =

301 K

n =

1.00 6 mol-gr/s

R =

82.06 atm. cc/g-mol K

M=

28.97 gr/gr.-mol

d air e =

0.001 2 gr/cm

Q air e =

2487 0.2 cm /s

Q air e =

0.02 49 m /s

3

3

3

Ga = Gs*(1+ Y 1) 0.000159 0.004652

G = Ga =

5.5 Cal Cal cul cul o del del f f l lujo u jo de ai ai re re (caso no ad i iabáti a báti co) co) Ecuación general:

G1 .H 1  M A .H A y

y

y

!

G 2 .H 2  M p .H p  Qperd .

G 1 .H 1 = Gs. [(Cp aire + Y1 xCp vapor agua )(T1 - Tr ) + Y1 .P agua Tr] G 1 . 1 69.472xG 1 G 2 .H 2 = Gs [(Cp aire + Y2 * Cp vapor agua )(T2 - Tr ) + Y2 .P agua Tr] G 2 .H 2 = (10.8278 + Y2 * 1074.9750) xG 2 a.Ha =

a.Xs.Cs.( Ta - Tr ) + a.(1 - Xs).Cp agua li .(Ta - Tr ) 

a.Ha = 0.003361 y



p.Hp

=

p.Hp

!

Qperdido

BTU s

).[(1 - X h ) * Cs + X h * Cp agua li ] p.(T 2bh - Tr ).[(1 

0.0023327

!

BTU s

Z * Gs(T1 - To) * (Cpaire 

Con un Z asumido d e 10%

12

Y1 * Cp vapor agua)

mol -lb aire seco/s mol -lb aire húmedo/s





Qperdi perdi o 5.9015 * Gs !



G

Ma.(1 !



xs

(1 x h ).(Y 2 









s

xh ) Y 1 )

Reemplazando todas las expresiones anteriores en la ecuación del balance de energía tendremos:

Gs

!

0.004920

Y 2

!

0.049259

Ga

!

0.004954

Lb ( aire aire sec o ) s Lb ( agua ) Lb ( aire aire sec o )

Lb( aire aire sec o) s

5.6 Cal Cal cul cul o de l as as ef i enci as as del del proceso proceso i ci enci

Eficiencia

Formula

Eficiencia térmica global (Egb)

Eid Eid !

Eficiencia térmica ideal (Eid)

Eid Eid !

Eficiencia térmica evaporativa (Eev)

E ev ev !

Eficiencia de secado

E s

!

T 1  T 2 T 1  T 0 T 1  Ts T 1  T 0 T 1  T 2

T 1  Ts Pr od uct uct o sec o

sol idosdea dosdea li entaci entacio o

13

Respuesta 86.47 % 88,72% 97,46 % 0,8365

5.7 Cal Cal cul cul o y d i is t r ri i buci b uci n de t amaño amaño de par tí tí cul cul as: as: 

y

Según Friedman: N úm ero

d e revoluciones por minuto

N

Viscosidad d e la l ech e.

:

30800 r.p.m

ul :

tensión sup erficial d e la l eche

0,459 lb/pi e -min

tsup:

# V entanas* altura d e cada una .

nh :

0,44 pie

r:

0,082 pie

radio d el rodet e d ensidad d e la l eche alim entación d e lech e car ga d el liquido en la v entana

417,44 lb/min^2

dl:

68,94 0 lb/pi e3

Ml:

0,023 lb/min

Mp:

(MP / dl*N *r2)^0,6 = (ul/MP)^ 0,2

0,052 lb/min-pi e

0,000 548

1,543

=

(tsup*nh/Mp2)^0,1 =

4,638

Entonces Dvs = K'*r*(Mp/dl*N*r2)0,6*(ul/Mp)0,2 *(tsup.*nh/Mp)0,1

Dvs=

0,00011908 pies 36,296 micras

Dvs= D95%= Dmáx.=

y

icras

50,814

m

108,887

m

icras

Según Herring y Marshall ML =

0,023 lb/min

(ML)^0,24 =

0,405

N=

30800,0

d=

1,97 pulg

(N*d)^0,83 =

9330,482

n=

24

h= (nh)^0,12 =

r.p.m.

0,236 pulg 1,23

entonces

X=

(D*Nd0,83 *(nh)0,12* 10-4)/(ML 0,24)

X=

2,839 *D

D=

0,352 X,,,,,,,,,,,,(5)

de donde

con los si guie ntes datos d e N , d, Mp' y Vt en la tabla 6,12 proporcionada e n la guía Vt =

velocidad tan gencial = w*r = 2*pi*f*r

Vt =

264,481 pies/s

% de volum en acumulado d e partículas m e nor es qu e D=50%

X1/2 =

9, 3

=

86,49

X

% de volum en acumulado d e partículas m e nor es qu e D=95 %

X1/2 =

12, 8

=

163,8 4

X

% de volum en acumulado d e partículas m e nor es qu e D=99, 9%

X1/2 =

1 5, 8

=

249,6

X

e n ( 1)

[Escribir texto]

D5 0%

= D 95 % = D99,9% =

30, 469 micras 57,718 micras 87,9 44 micras

6. OBSERVACIONES Con respect pecto a la inf luenci encia de las var iables de oper aci n 

y

Se

deb e mantener la presi n de ent ada de aire compr imido a 4 Kg/cm2 en el panel entr ada nel d e 

cont control rol con la f inalidad de que la v eloci ocidad de giro del rodete sea constante 30800 rpm. y

La

aliment entaci n al s ecador se hi o con f lujo constante par a así obtener mayor ef icienci encia 



en el secado de las gotas al tener con ener conttacto con el aire. Con respect pecto al manej nejo del equipo. y

Ant es

de iniciar la oper aci n de secado, se deb e precalent entar la cámar a de s ecad o y ada se encuent cerci cercior ar s e de qu e la corr ient ente de aire de ent entr ada entre lo su f icient entement ent e calien lientte par a asegur ar qu e el producto que s e va a obtener se encuent entre s eco. 

C on on respect respect o al prod uct uct o obt obt enid enid o y

Ini cial ment ente

se obtuvo un pro ducto que se car acter i aba por mostr ar se como un pol polvillo illo f ino, aparent rentement ente s eco al tacto. Pero cuando se detuvo la oper aci n, y se pesó ado, se procedió a sacar residuos remanent el total de producto recuper ad nentes de pro ducto que están en el inter ior del equipo, pero que no tení enían las mismas car acter ístic ticas del producto que s obtuvo inicialment ente, ya que tení enía ap ar ienci encia pastosa, debido a su elevado asas. cont conteni enido de humedad y gr asas. !

"

7. CONCLUSIONES y

y

y

y

proces o de S ecado por atomi ación involucr a fenómenos d e tr ansferenci ferencia d e masa y calor . La tr ansferenci ferencia de masa ocurre desde las par tes per ifér icas de la gota disper sada sada hacia el aire calien lientte. La tr ansferenci ferencia de calor ocurre ha cia la gota disper sada sada, ocasionando la evapor ación del solvent ente, en nuestro caso Agua.

El

#

secador NIR Atomi ar es un equipo a nivel industr ial usado par a la remoci oción a gr an escala de solvent entes pres ent entes en una suspensión y se usa ampliament ente en muchas industr ias. El

%

$

La humedad rel relativa del aire luego del calent entamient ento f ue muy baja, sin embar go al sadas por tr ansferenci reci recibir la humedad de las gotas disper sadas ferencia de masa su estado a. rel relativo de satur ación aument entó, aument entando a la vez la temper atur a.

Par a obtener re ener respuestas más reales s e deb er ía proceder a calcular el f lujo de gas y su humedad teni eniendo en cuent enta el punto 4.10 p uesto qu e estos cál cálculos involucr an todas las var iables medidas en el exper iment ento, el cál cálculo par a el caso adiabático ti co toma consider aciones y aproxi proximaciones qu e son poco probables par a obtener un resultado conf iable.

[Escribir texto]

8 .

[Esc

ANEXO

te to] )

&

'

(

'

&

[Esc

te to] 3

0

1

2

1

0

[Esc

te to] 7

4

5

6

5

4

[Esc

te to] A

8

9

@

9

8

[Esc

te to] E

B

C

D

C

B

[Esc

te to] I

F

G

H

G

F

[Esc

te to] S

P

Q

R

Q

P

[Esc

te to] W

T

U

V

U

T

[Esc

te to] a

X

Y

`

Y

X

[Esc

te to] e

b

c

d

c

b

[Esc

te to] i

f

g

h

g

f

[Esc

te to] s

p

q

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q

p

[Esc

te to] w

t

u

v

u

t

LOU 2 SECADO POR ATOMIZACION

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