UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO FACULTAD DE QUÍMICA LABORATORIO DE INGENIERIA QUIMICA III GRUPO: 10 Aguirr Gurrr! A"# G#$ri%
Secado de Sólidos
PROBLEMA Se requiere secar muestras de pimiento, determinar cómo varía el tiempo de secado en cada muestra para lograr que alcancen la humedad de equilirio, a!o las siguientes condiciones e"perimentales#
El espesor de cada muestra ser$ de %& ' ( mm) La velocidad del aire en la descarga del secador deer$ regularse entre %)( ' *)( m+s) La humedad inicial del sólido estar$ entre el ' el - . masa) La presión del vapor en el intercamiador de calor se estalece entre %- ' *% l+pulg*)
E/01PO Secador de charolas Arm2eld 3ecnical Education)
RES0L3A4OS
Tiempo (min)
56AROLA 7RA84E Masa agua evaporada %h 9g:
X promedi o ΔX
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Masa Agua [g] X %*&)* =&)>* % =)>> %&>)> -=)%? % -)*&
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Periodo de velocidad constante
periodo de humedad crítica
Periodo de velocidad decreciente
Periodo de velocidad constante Periodo de velocidad decreciente periodo de humedad crítica
"uestionario #$ e&nir 'os siguientes oneptos humedad 'ire+ humedad r,tia+ humedad 'igada+ periodo de seado anteritio+ periodo de seado posr,tio$ Humedad libre# Es la humedad del sólido que es la humedad que est$ en e"ceso con relación a la humedad de equilirio) Es Csta la humedad que se puede evaporar ' depende de la concentración de vapor en la corriente gaseosa) Humedad crítica: humedad en la cual la rapideD de secado de!a de ser constante ' pasa a ser decreciente con el tiempo) Humedad ligada# se re2ere a la humedad contenida en una sustancia que e!erce una presión de vapor en el equilirio menor que la del líquido puro a la misma temperatura) Es decir, es la humedad de equilirio del sólido en contacto con el aire saturado a cierta temperatura) Humedad en el equilibrio: es el contenido de humedad de una sustancia que est$ en el equilirio con una presión dada del vapor) Periodo de secado ante-crítico: durante la operación de secado, es el periodo antes de llegar a la humedad crítica, en el cual la rapideD de secado es pr$cticamente constante) Periodo de secado post-crítico: es el periodo de secado despuCs de haer pasado la humedad crítica, en el cual rapideD de secado decrece con el tiempo) 2$ -!p'iar 'os .enmenos de api'aridad 0 di.usin durante e' seado de s'idos$ Difusión líquida: Se puede producir la diusión de la humedad líquida deido a los gradientes de concentración entre las proundidades del sólido, donde la concentración es alta ' la super2cie donde Csta es a!a) Movimiento capilar: La humedad no límite en sólidos granulares ' porosos tales como arcillas, pigmentos de pinturas ' otros seme!antes, se traslada a travCs de capilares
e intersticios de los sólidos mediante un mecanismo que implica tensión super2cial) Los capilares se e"tienden desde pequeos recept$culos de humedad dentro del sólido hasta la super2cie de secado) A medida que se lleva a cao el secado, al principio la humedad se traslada por capilaridad hacia la super2cie con su2ciente rapideD, siendo constante el rCgimen de secado) Difusión de vapor: Especialmente si se suministra calor a una super2cie de un sólido mientras en otra el secado continFa, se puede evaporar la humedad dea!o de la super2cie, diundiCndola hacia auera como vapor) 3amiCn se puede evaporar dea!o de la super2cie, las partículas de humedad e"istentes en sólidos granulares en orma aislada de la porción ma'or de humedad que Gu'e a travCs de los capilares) 1$ eterminar 'a e'oidad de' aire en 'a mara de seado+ uti'i3ando 'a e'oidad de' aire a 'a sa'ida de' seador 0 'as arater,stias geom4trias de 'a mara de seado$ Como el ujo es el mismo podemos igualar: v ducto A ducto=v salida A salida
l !rea de salida es una sección circular " la del ducto es cuadrangular #rea de salida: D$%&'mm( r $')*%&m 2
a salida =π ∗( 0.125 m ) =0.05 m
2
#rea de ducto: +$ ,')&m.% $ ')%'%&m% Para v$/)0m1s 3.9 m
v ducto =
v salida A salida Aducto
=
s
∗0.05 m
0.2025 m
2
2
= 0.96 m / s
5$ A partir de 'os datos e!perimenta'es otenidos omp'ete 'as ta'as 1 0 5$ 6er resu'tados 7$ A partir de 'os datos e!perimenta'es onstruir 'as uras de seado 8r&a # Masa de' s'ido húmedo s tiempo$ 8r&a 2 X [kg92:$ kgss;#] s tiempo 8r.ia 1 ; X/ t (rapide3 de amio de 'a humedad) s X promedio$
8r&a 5
$ edad r,tia 0 tiempo r,tio de seado para e' materia' e!perimentado$ Humedad critica en 2$ &)%g agua1g solido seco 3i masa solido seco$ &4 g 56 g
ss∗5.2 gagua =291.2 g agua gss
hc =
291.2 gagua ∗100=83.9 56 g ss + 291.2 gagua
?$ "a'u'ar 'a humedad 'ire en e' punto r,tio$ 5a 6umedad libre se calcula: 2 libre$2-2 eq n el punto crítico 2$)7 De la gra8ca: 2 eq $ / 2 libre$ )7-/ $ *)7 @$ "ua' es 'a humedad de eBui'irio para 'as dos muestrasC 56 g
heq =
ss∗3 gagua =168 gagua gss 168 gagua 56 g ss+ 168 gagua
∗100 = 75
=) -n Bu4 tiempo se a'an3a 'a humedad de eBui'irio para ada espesor de' materia' húmedo e!perimentadoH 3iempoI %>& min I * horas *& min #D$
##$ "a'u'ar 'a presin paria' de' agua en e' aire de seado (antes de tener ontato on e' materia')$ Para el aire de entrada tenemos que 9e es de ')'*/gH%;)gs1s 3e sabe qu<
y e
= (Y e *
29 18
) /(1 + Y e *
29
) 18 = entonces aplicando esta ecuación se tiene que:
y e =
( (
0.013∗29 18
1+
)
0.013∗29 18
)
=0.021
>ue es igual para el caso del aire que entra al calentador= entonces= la presión parcial del agua en aire de secado es: Pagua$ ')'%*&?&mmHg $ *%mmHg
#2$ "a'u'ar 'a presin de apor de' agua en 'a super&ie de' s'ido+ EF92:$ (-$ e Antoine o eBuia'ente)$ 5a presión de vapor se calcula con la ecuación de +ntoine) In Pv
B = A - C + T
P @$A mmHg B @$A n este caso= las constantes de +ntoine son: +$*?)/'/4 $/?*4) C$-4)*/ B$%' EC$%0/)*&
(
(
P° =exp 18.3036 −
))
3816.44 =17.35 mmHg −46.13 + 293.15 K
#1$ "a'u'ar 'a .uer3a impu'sora de 'a trans.erenia de masa durante e' periodo de e'oidad de seado onstante$ Para obtener el FP que nos representa la fuerGa impulsora de la transferencia de masa durante el periodo de secado constante= se 6ace uso de la carta psicom
=
W
∆P
4onde J es la rapideD de secado J 9I: Kg6*O m*hr%) J dee ser al tiempo crítico El tiempo crítico es de, ( minutos t es#
rea de una charola# las charolas son cuadrados de &)*m de lado si tenemos * charolas llenas de sólido
(
)
2
2∗ 0.2 m =0.08 m
2
Dela gra8ca J $')''% Kg agua 1s m% 2
0.0042 K g agua / m h r w 45.458 Kg atm K g = = = 2 ∆P mmHg ∗1 atm m s 5.35 760 mmHg
#7$ "a'u'ar 'a .uer3a impu'sora durante 'a transmisin de a'or en e' periodo ante r,tio+ onsiderando 'a temperatura de' aire en 'a mara 0 'a temperatura de seado de' s'ido$ (e!presar 'a respuesta en F")$ Para calcular la fuerGa impulsora durante la transmisión de calor en el periodo ante crítico se toman como base las gra8cas traGadas) Para un tiempo de **'min aproLimadamente que es donde empieGa la velocidad decreciente tenemos: FB$ Baire c!mara IBaire salida FB$ &7-&%$&EC #>$ "a'u'ar e' oe&iente de transmisin de a'or+ onsiderando Bue e' a'or es transmitido a' s'ido úniamente para 'a eaporain de' agua$
n este caso utiliGamos la eLpresión: Donde > se calcula se la siguiente manera:
Q
U=
Q
A ⋅ ∆T
=
olumen condensado $ )7%& g 1637 KJ ∗60 min kg∗2259 KJ 65 Q =.725 = =1511.8 Kj / hr Kg 1 hr 1511.8 KJ / hr 2 U = =1889.7 KJ / hrK m 2 5 K ∗.16 m
W λ vap ⋅
λ vap
=
2259.43 KJ
Kg
#?$ "mo ar,an 'os oe&ientes de transmisin de energ,a 0 trans.erenia de masa on e' espesor de' materia'C l coe8ciente de transmisión de energía resulta ser ma"or para un espesor ma"or= mientras que el coe8ciente de transferencia de masa disminu"en para espesores pequeNos)
#@$ A partir de' oe&iente de transmisin de a'or+ H+ otenido para 'as dos muestras+ determine Bu4 porentaIe de 'a energ,a t4rmia suministrada por e' apor de a'entamiento .ue aproehada para 'a eaporain de' agua ontenida en e' s'ido$ Cantidad de agua condensada: )7%& Kg Q
=
# !n" λ !n" ⋅
Ocond $%%/*)/? K1g M,condensados total eLperimental.$*''Q e8ciencia M,condensados total calculado. $ RS >$ *&**)? j16r #=
Q λ !n"
=
1511.8 2231.38
= &.$%Kg
8ciencia =
0.67 0.725
∗100 =92
#J$ "on ase a 'os resu'tados e!perimenta'es omo se re'aionan e' a'or de 'os oe&ientes otenidos on 'a rapide3 de seado$ + ma"or coe8ciente de transferencia de masa= ma"or rapideG de secado) 2D$ A partir de 'a re'ain de pendientes de 'as retas Bue representan e' periodo de e'oidad de seado ante rKtio para 'as muestras e!perimentadas+ argumente 'a onenienia de se'eionar a'guno de 'os dos espesores para uti'i3ar estos datos omo Lases de diseoN de un seador industria'$ Se oserva que el de menor espesor es el m$s conveniente) 5O85L0S1O8ES El menor espesor es el me!or para secar los sólidos) 5omo 'a se menciono anteriormente, los coe2cientes de transerencia energCticos ' m$sicos aumentan cuando disminu'e el di$metro 'a que los menores di$metros avorecen la conducción para el calentamiento de la charola ' la diusión para el Gu!o del agua ' su evaporación en la super2cie) En las gra2cas ? ' > ' se pudo distinguir el punto crítico, el periodo anticrítico ' poscrítico, ' la humedad de equilirio de la muestra, así como la tendencia en línea recta del periodo anticrítico) 5on esta e"perimentación se puede concluir que el espesor óptimo para el secado de un sólido es el menor que sea posile dentro a las condiciones del equipo de secado)