SECADO POR ATOMIZACION.docx

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA

SECADO POR ATOMIZACIÓN OPERACIONES DE TRANSFERENCIA DE MASA EN EQUILIBRIO II

CÁTEDRA:

CATEDRÁTICO:: Ms. Arturo Misael Melgar Merino CATEDRÁTICO

PRESENTADO POR:

     

MEZA LOARDO ALEXANDER OSORES FABIAN KILMER CORONEL CABEZAS JUNIOR CCORPA DANIEL JOSE LEODAN CHANCO JAVIER EDISON PAUCAR CASAS LUIS MIGUEL

SEMESTRE:

VIII

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HUANCAYO- PERÚ 2016

INTRODUCCIÓN El proceso de secado por atomización es una operación básica que consiste en la transformación transformación de una suspensión o disolución en un material seco particulado, mediante la atomización del primero en un medio caliente y seco. El secado por atomización de gotas es utilizado en muchas aplicaciones industriales de los sectores cerámico, químico, alimentario, farmacéutico. Cada proceso industrial y uso posterior del polvo atomizado obtenido requiere de unas propiedades propiedades determinadas, determinadas, que sean óptimas para la aplicación en cuestión. Por ejemplo, en industria farmacéutica se desea producir gránulos huecos y porosos que actúen como portadores de fármacos. fármacos. Por el contrario, para optimizar el proceso de proyección proyección por plasma de materiales, es necesario hacer uso de gránulos de elevada densidad y compacidad. En el caso de la industria de detergentes, la microestructura interna y la porosidad de los gránulos también debe ser la adecuada para permitir la retención de agentes activos en su interior. Las características del polvo atomizado resultante del proceso de secado por atomización vienen determinadas, para cada instalación industrial, por varios factores. Dentro de las variables que influyen en el proceso se puede distinguir entre aquellas propias de la suspensión: densidad de la suspensión, contenido en sólidos, viscosidad, tensión superficial, temperatura de la suspensión, estado de desfloculación y distribución de tamaños de partícula de las materias primas; y las del equipo de secado: temperatura, caudal y humedad relativa del aire de secado, presión de inyección y el diámetro de salida del inyector. Debido al elevado número de variables que influyen en la cinética de secado y en las propiedades propiedades del producto final se pueden obtener materiales granulados granulados de características características muy diferentes en función de las condiciones experimentales bajo las cuales se lleve a cabo el proceso de secado. Es por esto que resulta de gran interés el hecho de poder controlar, cuantificar y modelar la influencia que ejerce cada variable en la cinética de secado y en las propiedades finales del gránulo, y así producir materiales de características óptimas para cada aplicación en cuestión. De las etapas presentes en el proceso de secado secado por atomización, es durante la evaporación evaporación cuando tienen lugar todas las transformaciones físico-estructurales que confieren al gránulo la microestructura y geometría final y por lo tanto determina sus propiedades físicas. Es por esto que el estudio de dicha etapa resulta de gran interés con el fin de poder controlar y predecir las características características del material resultante. 2













OBJETIVOS OBJETIVO GENERAL: 

Reconocer e identificar las características y propiedades del método de secado por atomización.

OBJETIVOS ESPECIFICOS: 

Identificar los tipos de secadores y sistemas de transferencia de calor del secado por atomización. atomización.



Reconocer los tipos de atomizadores empleados en este método de secado por atomización.



Analizar las etapas del secado por atomización.



Identificar las partes y componentes de un secador por atomización.













MARCO TEORICO: 1. DEFINICIÓN: La operación de secado por aspersión consiste en la transformación de una alimentación en estado líquido a un producto sólido y seco, al ponerlo en contacto con dicha alimentación en forma de gotas finas con una corriente de aire caliente. El tiempo de contacto es muy corto y en consecuencia consecuencia el daño debido al calor es también mínimo (Masters, 1985). En la siguiente imagen se muestra el proceso de secado por aspersión. La flecha negra simboliza la transferencia de materia (agua) de la gota a la corriente de aire caliente, mientras que la flecha blanca representa la transferencia de calor a la gota; al transcurrir un tiempo determinado t1 al t2 (donde t1
F uente uente: Secado Secado por por aspe asper sión, si ón, Uni U nive verr sida si dad d de del Tolima T olima Colombia Colombia

2. ETAPAS DE SECADO POR ATOMIZACION La operación de secado por atomización comprende cuatro pasos fundamentales: fundamentales:

1. Atomización. 2. Contacto atomizado - aire. 3. Secado (evaporación (evaporación de la humedad). 4. Separación Separación del producto.













F i g ura2. ur a2. E tapa tapass de del secad secado o (Me (M endoza ndoza et al,2003) al,2003) A ) A tom tomi zaci zación, ón, B) B ) C ontac ontacto to air e g ota, ota, C) C) E vapo vaporr ación, D ) R ecuper cuper aci aci ón del del prod pr oducto ucto seco seco

F i g ura ur a 3. E tapa tapass de secad secado o por por atom atomii zaci zación ón

F uente uente: Secado Secado por por aspe asper sión, si ón, Uni U nive verr sida si dad d de del Tolima T olima Colombia Colombia

3. ATOMIZACIÓN Independientemente de la aplicación, la primera etapa implica el bombeo de una alimentación en forma líquida hacía un atomizador. El atomizador es operado de manera que se produce una pulverización de gotitas de la distribución del tamaño deseado. Existen tres tipos de atomizadores:















Los que utilizan energía cinética (atomizador neumático o de dos fluidos)

El tipo de atomizador determina la energía requerida para formar la nube, el tamaño y la distribución de tamaño t amaño de las partículas atomizadas, su trayectoria y velocidad, siendo estos los factores de los que depende el tamaño final de la partícula seca (Filková et al., 2006). 2006). Los intervalos típicos de tamaño de partículas obtenidos en secadores por aspersión se muestran en la siguiente tabla: T abla abla 1. T amaño amaño de de par par tícula tí cula obte obteni nido do en los tipos de de boqui boquillas llas (M ( M aster aster s, 1991)

TAMAÑO DE PARTICULA

ATOMIZADOR

(µm)

Discos rotatorios

1-600

Boquillas de presión de un fluido Boquillas de presión de dos fluidos

10-800 5-300

3.1.Atomizador 3.1.Atomizador centrífugo Consiste en un disco que gira al extremo de un eje. Existen cabezas atomizadoras de diferente tamaño, desde discos de 5 cm que giran a 50.000 rpm a ruedas de 76 cm que giran a 3.450 rpm. Pueden producir partículas muy finas, pero también gruesas, trabajar con líquidos viscosos y a velocidades lentas. F i gura gur a 4. A tom tomi zador cent centrí rí fugo fug o.

F uente uente:: http://www.hydrosol.de/centro-tecnico-de-pulverizacion.html















El líquido se bombea a presión alta a través de un orifico pequeño formando una niebla de líquido en forma de cono hueco. F i gur a 5. Atomi Atomi zador ador a pr pr esión si ón

F uente: uente: http h ttp:: //www.process-h www.process-hea eatiting ng.com/ .com/

3.3.Boquillas a presión de un fluido La boquilla a presión de un fluido crea el aerosol como consecuencia de presiones que oscilan de 5 a 7 MPa (50-70 bar) y que ejerce el líquido al pasar a través del orificio de la boquilla. El diámetro del orificio es generalmente pequeño, de 0.4 a 4 mm, y la capacidad generalmente de la boquilla no excede de 100 L/h. cuando el caudal de entrada es elevado se pueden utilizar varias boquillas en el compartimiento de secado. Con este tipo de boquilla es posible producir las gotitas dentro de una gama estrecha de diámetros y las partículas secadas son generalmente esferas huecas. Las boquillas a presión de un fluido no son convenientes para suspensiones altamente

concentradas y materiales abrasivos debido a su tendencia a obstruir y a erosionar el orificio de la boquilla. F i gura gur a 6. Bo B oquilla a presión presión













3.4.Boquillas a presión de dos fluidos El sistema de dos fluidos utiliza una boquilla que trabaja con aire comprimido o vapor para atomizar el líquido. En este caso caso la alimentación se mezcla con el aire fuera fuera del cuerpo de la boquilla. Aproximadamente son necesarios 0.5 m3 de aire comprimido para atomizar 1 Kg de líquido. La capacidad de una sola boquilla no excede generalmente los 1000 Kg/h de alimentación. Los aerosoles de alimentaciones poco viscosas se caracterizan por tamaños de gotita de medio a bajo y un alto grado de homogeneidad, con alimentaciones altamente viscosas, se producen tamaños más grandes de la gotita pero la homogeneidad no es tan alta. Estas boquillas producen gotitas grandes o pequeñas según el cociente aire-líquido. El alto coste del aire comprimido (rango de presiones, 1.5-8 bares) llega a ser importante para la economía de estas boquillas, que tienen el consumo de energía más alto de los tres tipos t ipos de atomizadores. F i gur a 7. Boq B oqui uilla lla a pr esión si ón para para dos dos fluid flui dos














F i gur a 8. B oqui oquilla lla ato atom mi zaci aci ón para para tres tres flui f luid dos


3.6.Atomizador 3.6.Atomizador neumático Utiliza una alta velocidad del gas que permite crear fuerzas de fricción elevada que causa la rotura del líquido en gotas. Este mecanismo usa como medio gaseoso aire y vapor. F i gur a 9. A tom tomi zador ador neumát neumátii co













F i g ura ur a

10.

Ti T i pos pos

de de

contac contacto to

air e-gota

( B arbosa-C arbosa-C ánova ánovas, s,

et

al.,

2000). 2000) .

4.1.Flujo paralelo El asperjado y el aire caliente se introducen en la zona superior de la cámara y viajan en la misma dirección a t ravés del secador. El aire caliente contacta inicialmente a las gotas atomizadas. Esto favorece a los materiales termolábiles, ya que éstos son protegidos de las altas temperaturas por enfriamiento evaporativo. El gas de secado se va enfriando al pasar a través de la cámara y las partículas secas se encuentran con aire más frío a la salida del equipo. Cuando se utiliza un atomizador rotatorio se presenta un perfil homogéneo homogéneo de temperaturas temperaturas dentro de la cámara de secado.

4.2.Flujo a contracorriente contracorriente













Una boquilla se coloca en el fondo de la cámara, dirigida hacia arriba, dentro de la corriente descendente del gas, cuya entrada se encuentra en el techo de la cámara. Este arreglo no se recomienda para productos termolábiles ya que las partículas secas están en contacto con el aire más caliente, sin embargo, se recomienda para partículas gruesas en cámaras pequeñas, pequeñas, ya que la longitud del patrón de viaje de las partículas es grande. Se ha observado que estas partículas pueden presentar movimiento dentro de la cámara tanto del tipo paralelo como en contracorriente. contracorriente. (Mondragón, Barba, & Jarque, 2013)

5. EVAPORACIÓN Las combinaciones de las dos primeras fases crean las condiciones necesarias para el secado de las gotitas y la formación de partícula, la siguiente figura representa representa la curva de velocidad de secado que simboliza el cambio del contenido de humedad (en base seca) del producto con respecto al tiempo ti empo durante todo el proceso de deshidratación. deshidratación. (Guzman Gil, 2002) Figura 11. Diagrama de Evaporación y su influencia en la velocidad















través de la cual debe difundirse el agua del interior para salir. Conforme la capa sólida de la partícula se hace más gruesa, aumenta la resistencia a la difusión del agua hacia la superficie, la velocidad de deshidratación disminuye y comienza el periodo de velocidad decreciente. decreciente.

Periodo de velocidad decreciente (C-D y D-E ) La temperatura de la partícula se incrementa y el l íquido atrapado en el interior de la partícula se vaporiza generando generando presión, presión, lo que finalmente finalmente rompe la capa capa dura, liberando el vapor, la capa dura en ocasiones previene la volatilización de compuestos del aroma y sabor (Baker, 1997). En la etapa de velocidad decreciente, la velocidad de transferencia de calor es mayor que la de masa, por lo que la temperatura en la superficie del producto se incrementa i ncrementa paulatinamente. paulatinamente. El contenido critico critico de humedad humedad se alcanza cuando se ha eliminado prácticamente prácticamente toda su agua libre y le resta aun agua débilmente débilmente ligada y agua ligada, por último el contenido contenido de humedad humedad en equilibrio equilibrio (x*) es la humedad humedad más baja baja a la que puede llegar un producto, se alcanza cuando es imposible que la gota siga perdiendo humedad, por lo que ya no hay transferencia transferencia de calor calor ni de masa comúnmente la humedad final de un producto deshidratado es ligeramente superior al contenido de humedad en equilibrio (Baker, 1997).













Componentes del secadero por aspersión . En la siguiente figura se muestran los componentes componentes de un secadero por aspersión: (Nexira, 2016)

F i g ura ur a 13. Com C ompo ponente nentess de un secade secaderr o por por asper asper sión si ón















Separador ciclónico: Debe separar el producto seco del aire que se expulsa a la atmósfera.



Ventilador de descarga de aire y filtro: En la etapa final el aire pasar por un filtro para eliminar todas las partículas del sólido seco y evacuar el aire.

7. APLICACIONES DEL SECADO POR ATOMIZACION EN LAS DIFERENTES INDUSTRIAS. ALIMENTICIA: 

Aromas, Cereales, Extractos, Café (negro, verde, mate)



Hidrolizados de proteínas

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Hortalizas en polvo (zanahoria, betarraga, espinaca, alcausil, feijón u otros)

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Frutas en polvo con la carga



Productos derivados derivados del maíz y la mandioca, almidón, maltodextrinas



Productos derivados derivados de la l a soja, leche de soja integral, extracto soluble, proteína aislada de soja.



Leche y derivados de leche













QUIMICA:



Sales organicas



Sales inorganicas



Detergentes en general



Plásticos



Resinas



Catalizadores Catalizadores y Colorantes



Fertilizantes

CERAMICA:



Productos de cerámica



Pigmentos para cerámica

8. CÁLCULO DE SECADORES













Donde: Ac = área transversal del secador, Z = longitud del secador. Sustituyendo tendremos:

Puede apreciarse de esta relación que los métodos de cálculo de secadores que funcionan en continuo permitirán conocer indiferentemente θ o Z. El cálculo del tiempo de secado puede efectuarse a partir de curvas de secado, a partir de ecuaciones que conduzcan a valores de θ o Z establecidos a partir de balances de materia y energía, o bien a partir de expresiones de transferencia de materia y energía.

8.1.FUNCIONAMIENTO 8.1.FUNCIONAMIENTO DE SECADORES El funcionamiento de un secador por atomización es una expresión que evalúa la eficiencia térmica del proceso y en términos prácticos define la disponibilidad del secador para generar el producto deseado en forma económica. La eficiencia térmica de un secador por atomización depende de las temperaturas de operación y se define como:

Este valor puede evaluarse por medio de balances de materia y energía.















utilizara, el aire se enfriaría adiabáticamente y la temperatura mínima a alcanzar sería la de bulbo seco de saturación (Tsat). En realidad, la cámara no está aislada y no se sigue un enfriamiento adiabático. El aire sale a una temperatura t emperatura T2' (ni está saturado ni el proceso fue adiabático), debido a la baja relación aire-producto. Si el proceso fuera adiabático, saldría a T2 (proceso adiabático y masas iguales de aire y producto). Así, podemos definir ciertos términos:

Eficiencia térmica máxima (caso ideal)

que nos daría la energía máxima disponible.













Difieren de los de presión en que el líquido logra velocidad sin alta presión. En la siguiente tabla se resumen los efectos de las variables en el tamaño de la gota en un atomizador rotatorio.













Tabla 2. Efecto de las variables sobre el tamaño de la gota

Tamaño promedio de las gotas. El tamaño promedio de las gotas se puede estimar por el siguiente modelo













Potencia necesaria. Potencia necesaria para lograr la velocidad periférica:

8.2.2. BALANCES DE MATERIA Y ENERGIA Un balance alrededor del sistema, sin pérdidas o acumulación:

Donde Fs masa de sólido seco (Kg), ws1 contenido de humedad en el alimento (Kg de agua/Kg de sólido seco), ws2 contenido de humedad del sólido saliendo del secador (Kg de agua/Kg de sólido seco), Ga flujo de aire (Kg/s), Ha1 y Ha2 humedad del aire a la entrada y salida (Kg de agua/Kg de aire seco).













Donde D es el diámetro de la gota, Cd coeficiente de arrastre, Vr velocidad de la gota relativa al aire, A es el área de la gota ( πD2/4), ρw es la densidad de la gota, ρa es la densidad del aire. Secado de gotas de líquido puro. La transferencia de calor y masa ocurre bajo condiciones turbulentas turbulentas alrededor de la gota del líquido, líqui do, pueden expresar como sigue

Donde Nu es el número de Nusselt, Sh es el número de Sherwood, Re número de Reynolds, Pr es el número de Prandtl, Sc es el número de Schmidt, h coeficiente de















Balance de energía

Donde w es la humedad (Kg agua/Kg de sólido seco), t es el tiempo (s), Km es el coeficiente de transferencia de masa (Kg/m-s2), pw y pa son la presión parcial del agua y del aire respectivamente (kPa), Deff difusividad efectiva,

l densidad del













Para una cámara de secado con base cónica (ángulo de 60º) y altura cilíndrica:













Tabla 6. Relaciones entre tamaño de partícula y eficiencia en los ciclones

























independientes a los que es necesario asignar valores para resolver las ecuaciones, Nsp es el número número de componentes componentes o especies especies que hay en la corriente. corriente.

8.2.7. ECUACIÓN PARA EL CALENTADOR DE AIRE Balance de materia y energía generalizado y análisis de variables















CONCLUSIONES













BIBLOGRAFÍA

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