operaciones de separación secado (2)

Operaciones de separación por transferencia de materia: Secado

Docente

Diana Catalina Moreno Guarín

Contenido

• Definición

• Equilibrio y conceptos generales

• Mecanismos y cinética de secado

1. Mecanismos de transferencia de calor y materia

2. Cinética de secado (velocidad y tiempo de secado)

• Clasificación de secadores

Secado

• El secado consiste en separar pequeñas cantidades de agua u otro líquido de un material sólido con el fin de reducir el contenido de líquido residual hasta un valor aceptablemente bajo.

Fuente: http://agronegocioscr.com/wp-content/uploads/2011/08/PATIO_PARA_SECADO_AL_SOL.jpg

Secado• El agua u otros líquidos

pueden separarse de sólidos mecánicamente mediante prensas o centrífugas, o bien térmicamente mediante evaporación.

• Generalmente eliminar líquidos por métodos mecánicos es más barato que por métodos térmicos, y por esta razón es aconsejable reducir el contenido de líquido en lo posible antes de operar en secadero térmico.


Secado• El contenido de líquido de una

sustancia seca varía de un producto a otro.

• Ocasionalmente el producto no contiene líquido y recibe el nombre de totalmente seco, pero lo más frecuente es que el producto contenga algo de líquido. La sal de mesa, por ejemplo, contiene del orden de 0,5 g por 100 g de agua, el carbón seco un 4 por 100 y la caseína un 8 por 100. Secado es un término relativo y tan sólo quiere decir que hay una reducción del contenido de líquido.


Secado

El secado es una operación que suele estar presente en todaslas industrias químicas. Las razones para su empleo son dediversos tipos:

1. Facilitar la manipulación en etapas posteriores.2. Reducir gastos de transporte.3. Facilitar la conservación, sobre todo en alimentos y medicamentos.4. Aumentar el valor del producto.5. Aprovechar subproductos.6. Reducir volumen y aumentar la capacidad de aparatos enotras etapas del proceso, etc.

Secado

La humedad contenida en un sólido húmedo o en una solución ejerce una presión de vapor dependiente de la naturaleza de la humedad, de la naturaleza del sólido y de la temperatura.

Equilibrio

Fuente: http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/kinetic/imgkin/vapp1.gif

Secado

Si el sólido húmedo se expone a unacorriente de gas con una presiónparcial del vapor p, el sólido perderáhumedad por evaporación, o laganará a expensas del gas hasta quela presión de vapor de la humedaddel sólido iguales a la presión parcialde dicha corriente gaseosa. El sólidoy el gas se encuentran, entonces enequilibrio, y la humedad del sólido sedenomina humedad de equilibrio.

Equilibrio

Fuente: http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/kinetic/imgkin/vapp1.gif

Secado

Equilibrio

La figura muestra una seriede comportamiento típicosde equilibrio de distintossólidos, donde la humedades en todos los casos agua.Se ha representado lahumedad relativa (ϕ) del gasfrente a la humedad delsólido(X kg agua/kg sólido seco).

Secado

Equilibrio

Considerando la curva para lamadera, si ésta tiene unahumedad inicial superior a lacorrespondiente al punto B, y seexpusiera a la acción de un airecon una humedad ϕ1, la maderaperdería humedad porevaporación hasta alcanzar suconcentración de equilibrio, lacorrespondiente al punto A.Una exposición más prolongadaa este aire no ocasionaríapérdida adicional de agua,independientemente deltiempo.

Secado

Equilibrio

El contenido de humedadpodría ser reducidoutilizando un aire con unahumedad relativa menor.Pero para secar totalmenteel sólido debería emplearseaire totalmente seco, esdecir con ϕ=0.

Secado

Conceptos generales

Humedad: El contenido de humedad de un sólido puedeexpresarse sobre base seca o base húmeda; pero en el secado desólidos es más conveniente referir la humedad sobre base seca(masa de agua que acompaña al sólido seco).

Humedad de equilibrio (X*): Cuando un sólido húmedo se pone encontacto, con aire de temperatura y humedad determinadas yconstantes, se alcanzaran las condiciones de equilibrio entre el airey el sólido húmedo. Se logran las condiciones de equilibrio cuandola presión parcial del agua que acompaña al sólido húmedo es iguala la presión de vapor del agua en el aire.

Secado

Conceptos generales

Cuerpos húmedos y cuerpos higroscópicos: Para una temperaturadeterminada, la presión de vapor del agua contenida en el sólidohúmedo aumenta con su humedad para todas las sustancias, hastaalcanzar el valor de la tensión de vapor del agua pura a latemperatura considerada. Se llama sólido higroscópico cuando lapresión de vapor del agua que acompaña al sólido es menor que latensión de vapor del agua a la misma temperatura. Y si esta presiónde vapor del agua del sólido es igual que la tensión de vapor, sellama sólido húmedo.

Secado

Conceptos generales

Humedad libre: Es la diferencia entre la humedad del sólido y lahumedad de equilibrio con el aire en las condiciones dadas: F=X -X*. Es la humedad que puede perder el sólido después de untiempo de contacto con el aire en las condiciones dadas yconstantes.

Humedad ligada o agua ligada: Es el valor de la humedad deequilibrio del sólido en contacto con aire saturado; o bien lahumedad mínima del sólido necesaria para que este deje decomportarse como higroscópico.

Secado

Conceptos generales

Humedad libre o desligada: Es elagua que el solido puede perdermediante métodos físicos, que seencuentra unida al solidosuperficialmente. Si el sólidotiene humedad libre secomportará como húmedo.

Humedad crítica: La humedadcrítica de un sólido es el puntoque separa los dos períodos desecado pre-crítico y post-crítico.

Humedad crítica

Fuente: http://www.monografias.com/trabajos15/operacion-secado/Image2103.gif

Secado

Conceptos generales

Período pre-crítico: Es el períodode tiempo en el que la velocidadde secado es constante, desde lahumedad inicial hasta lahumedad crítica.

Período post-crítico: Es el períodode tiempo en el que la velocidadde secado disminuye hasta llegara un valor de cero. Este períodoempieza con la humedad críticahasta la humedad de equilibrio.

Humedad crítica

Fuente: http://www.monografias.com/trabajos15/operacion-secado/Image2103.gif

Secado

Conceptos generales

Histéresis: Los sólidos muestrandiferentes características deequilibrio dependiendo de si éstese alcanza por condensación(adsorción) o por evaporación(desorción) de la humedad. Enoperaciones de secado lo queinteresa es el equilibrio dedesorción, que normalmente esel que presenta mayores valoresde humedad adsorbida de los dosposibles.

Secado

Mecanismos y cinética de secado

En los procesos de secado ocurrensimultáneamente los fenómenos detransporte de materia y calor.Entonces se va a hacer una breveintroducción a estos mecanismos

Secado


El transporte de calor hacia la interfasepuede tener lugar por conducción,convección y radiación. Dentro del sólido eltransporte tendrá lugar por conducción.

Transferencia de calor

Secado


Transferencia de materia

El transporte de materia tiene lugar en sentidoopuesto a la transmisión de calor y puedemanifestarse por capilaridad y/o difusión através del sólido y por difusión desde lainterfase hacia el seno de la fase gaseosa.

Secado


Velocidad de secado

Mediante el establecimiento de la velocidad de secado sepueden determinar la capacidad del equipo y el tiempo desecado.

Para el estudio de la velocidad de secado se utilizancondiciones constantes de operación: presión, temperatura,humedad, velocidad del aire.

Secado


Velocidad de secado

El procedimiento para determinar la velocidad de secadoconsta de dos pasos:

1. Obtención de la curva de perdida de peso en el tiempo2. Obtención de la curva de velocidad de secado

Secado


Velocidad de secado

Para la obtención de la curva de pérdida de peso se lleva un registro en el tiempo dela merma de peso que sufre el material de estudio en una operación de baja escalasin interrupciones. Se debe tener en cuenta que:

• El material que se estudia debe distribuirse (bastidores, bandejas) en formasimilar a la operación en gran escala.

• La muestra no debe ser pequeña con el fin de percibir fácilmente los cambiosde peso.

• Las condiciones operativas deben ser similares a las de la operación a granescala.

Secado


Curva de pérdida de peso de secado

Secado


Velocidad de secado

Análisis de la curva de pérdida de peso

• Tramo AB: Sólido frio.• Tramo A´B: Sólido caliente.• Tramo BC: Tramo de pendiente constante, velocidad constante.• Tramo CD: Pendiente decreciente, disminución de la velocidad desecado. Se denomina: 1° Período de Velocidad Decreciente.• Tramo DE: Velocidad de secado decrece con mas rapidez.•Se denomina: 2° Período de Velocidad Decreciente

Secado


Velocidad de secado

Para la obtención de la gráfica de velocidad de secado se realiza laconversión de datos: se determina la humedad libre (X) y se realiza unaderivación con respecto del tiempo

Humedad en base seca en t:

Humedad en base humeda en t:

Secado


Velocidad de secado

Humedad libre:

Velocidad de secado:

En donde X* es la humedad de equilibrio, Xt es la humedad en el tiempo t,dX/dt es la derivada de la humedad con respecto al tiempo que puedeestar dada por ΔX/Δt y Ls es la cantidad de sólido inicial (Kg) y A el área dela superficie de secado (m²)

Secado


Curva de velocidad de secado

Secado

Variables de influencia en la velocidad de secado

Secado


Tiempo de secado

En el periodo de velocidad constante puedeobtenerse a partir de la ecuación de velocidad desecado:

Secado


Tiempo de secado

En el periodo de velocidad decreciente el tiempo desecado esta dado por:

Secado

Tipos de secadores

Los secadores se clasifican según el método detransmisión de calor a los sólidos húmedos, en:

• Secadores directos.

• Secadores indirectos.

Secado

Secadores directos

La transferencia de calor para la desecación se lograpor contacto directo entre los sólidos húmedos y losgases calientes. El líquido vaporizado se arrastra conel medio de desecación; es decir, con los gasescalientes. Los secadores directos se llaman tambiénsecadores por convección.

Secado

Secadores indirectos

El calor de desecación se transfiere al sólido húmedoa través de una pared de retención. El líquidovaporizado se separa independientemente del mediode calentamiento. La velocidad de desecacióndepende del contacto que se establezca entre elmaterial mojado y las superficies calientes. Lossecadores indirectos se llaman también secadores porconducción o de contacto.

Secado

Tipos de secadores

Los secadores también se pueden clasificar por:

El tipo de operación:• Secadores continuos• Secadores por lotes

La naturaleza de la alimentación:•Secador de líquidos o pastas•Secadores de sólidos

Secado

Tipos de secadores

Por su configuración y tipo de alimentación:

Secador de bandejas

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Secado

Tipos de secadores


Secador de lecho fluidizado

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Secado

Tipos de secadores


Secador de túnel

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Secado

Tipos de secadores


Secador rotatorio

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Secado

Tipos de secadores


Secador por aspersión o spray dryer

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Ejercicio

El polen es un subproducto apícola de altocontenido vitamínico. Sin embargo necesitaun proceso de secado para su conservación.Un laboratorio va a hacer el estudio de polencon una muestra de 1600 g con 20% dehumedad en base húmeda. Los datosobtenidos se muestran a continuación.

t (h) peso (g)0 1600

0.5 15701 1540

1.5 15102 1480

2.5 14503 1420

3.5 14054 1396

4.5 13905 1388

5.5 13856 1385

Hallar:

• La curva se secado delpolen a esas condiciones.

• La humedad del polen a las4 horas de secado.

• La humedad de equilibrio.

Solución

• 1. Obtener el peso seco:

• 2. Hallar el porcentaje de humedad en cada uno de los puntos.

t(h) X(%)0 20.00

0.5 18.471 16.88

1.5 15.232 13.51

2.5 11.723 9.86

3.5 8.904 8.31

4.5 7.915 7.78

5.5 7.586 7.58

• 3. Hallar la curva de secado

0.00

5.00

10.00

15.00

20.00

25.00

0 1 2 3 4 5 6 7

% h

um

ed

ad

t(h)

• 3. Hallar la humedad de equilibrio

0.00

5.00

10.00

15.00

20.00

25.00

0 1 2 3 4 5 6 7

% h

um

ed

ad

t(h)

7.58%

Referencias

• Perry’s Chemical Engineer’s Handbook. Green, D. Perry, R. Editorial McGraw Hill. 8ª Edición. 2008.

• Operaciones unitarias en ingeniería química. McCabe, W. ,Smith, J. ,Hariott, P. Editorial McGraw Hill. 4ª Edición. 1998.

• Operaciones de transferencia de masa. Treybal, R.E. Editorial McGraw Hill. 2ª Edición. 1997.

• Introducción a las operaciones de separación de contacto continuo. Marcilla Gornis, A. Editorial Compobell S.L. Murcia. 1ª Edición. 1999.

operaciones de separación secado (2)

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