UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA FACULTAD DE

INGENIERÍA QUÍMICA Y TEXTIL

Escuela Profesional de Ingeniería Química

Laboratorio de Operaciones Unitarias II

PI 135 BSECADO POR ATOMIZACION

Nombre del profesor responsable de la práctica

Ing.  Emerson Collado Domínguez

Nombre y código de alumnos integrantes del grupo de trabajo:

BRAVO LEON ANGEL ORLANDO 20112102D CADENAS VASQUEZ WALTER 20110388H CRIBILLERO LOAYZA JAIR MARTIN 20110278H FLORES GIL KEVIN ANDREI 20112140C SOTO MORENO MIGUEL EDUARDO 20114003C

Lima, 07 de Octubre del 2015

INDICE

I. RESUMEN……………………………………………………………..Pag.3

II. INTRODUCCIÓN………………………………………………………Pag.4

1. FUNDAMENTO TEORICO……………………………………………… Pag.5

2. OBJETIVOS……………….……………………………………………… Pag.14

3. METODOLOGÍA…………………………………………………………...Pag.14.

4. RESULTADOS…………………………………………………………. .Pag.15

5. CONCLUSIONES………………………………………………………. Pag.24

6. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS………………………………….….Pag.24

SECADO POR ATOMIZACION

I. RESUMEN O ABSTRAC

II. INTRODUCCION

La transformación de un producto líquido en un producto seco requiere la eliminación de prácticamente toda el agua, cuya cantidad excede muchas veces el peso del producto final.Durante el proceso de eliminación del agua el producto tratado es sometido a grandes cambios en su estructura y apariencia física; al principio del proceso es un líquido diluido como el agua y al final un polvo seco. Por consiguiente, un único método para eliminar el agua nunca puede ser óptimo a través de todo el proceso, ya que también la composición del producto difiere de un alimento al otro. En la industria alimenticia y láctea se han adoptado los siguientes métodos de deshidratación:

Evaporación: La concentración de leche líquida de una viscosidad como la del agua en un concentrado.

Atomizador30000RPM

Cámara Capacidad de 6 lt/hr de H2O evaporada

Compresor

Aire para girar el rotor atomizador

Entrada de leche

Secado por atomización: La transformación del concentrado en gotitas evaporando el agua de éstas para obtener un polvo consistente en partículas secas.

Secado en lechos fluidizados vibrantes: se han introducido Vibro-Fluidizadores para el post-secado y enfriamiento, con el fin de mejorar la eficiencia del secado y mejorar la calidad del polvo.

Secado en lechos fluidizados integrados: Para mejorar aún más la economía del secado, y al mismo tiempo ofrecer la posibilidad de secar productos difíciles.

Secado con cinta integrada: En un secador con una cinta de transporte al fondo de la cámara de secado, para productos sumamente difíciles de secar con el método convencional.

Cada método debe ajustarse a las propiedades del material procesado (como tensión superficial, densidad, viscosidad,etc) en cada etapa del procesamiento. Cuanto más difícil el producto, tanto más compleja la planta. Sera conveniente hacer un secado por atomización para productos que se encuentran en suspensión como el caso de la leche.

1) FUNDAMENTO TEORICOLa definición del proceso de secado por atomización es la transformación de una materia en forma líquida en forma seca atomizándola en un medio de secado caliente. Se realiza en una sola operación continua. La materia puede tener la forma de una solución, una suspensión o una pasta. El producto seco es un polvo que está compuesto de partículas o aglomerados, dependiendo todo de las propiedades físicas y químicas del producto de entrada y del diseño y operación del secador.El primer atomizador rotativo fue desarrollado por el alemán Sr. Kraus en 1912, pero la comercialización de este método de atomización no se manifestó hasta en 1933 cuando el ingeniero danés Sr. Nyrop solicitó su patente mundial. Estos pioneros formaron la base para la industria moderna de leche en polvo, y el desarrollo has sido rápido. Los equipos instalados hoy son en su mayoría muy sofisticados e implican un avanzado diseño técnico y tecnológico.La operación de un secador convencional es la siguiente:

El concentrado es bombeado desde el tanque de alimentación de producto al dispositivo atomizador colocado en el dispersor de aire sobre la cámara de secado. El aire de secado es aspirado de la atmósfera a través de un filtro por un ventilador pasando luego al dispersor a través del calentador de aire. Las gotas atomizadas encuentran el aire caliente y la evaporación tiene lugar al mismo tiempo que se enfría el aire. A continuación del secado en la cámara, la mayor parte del producto seco cae al fondo de la misma y pasa a un sistema de transporte neumático y de enfriamiento. Los finos, es decir las partículas con un diámetro pequeño, son arrastrados por el aire, y es necesario por tanto pasar el aire a través de ciclones para separarlos. Los finos abandonan el ciclón por la base mediante un dispositivo de cierre y entran asimismo en el sistema neumático. El aire de salida sale a la atmósfera por medio del ventilador de aspiración. Las dos fracciones de polvo son recogidas en el sistema neumático de transporte y enfriamiento y luego pasadas a través de un ciclón para separación y ensacado. La instrumentación comprende la medida de la temperatura del aire de entrada y salida, así como el control automático de la temperatura de entrada mediante la variación de la presión del vapor o la cantidad de fuel o aire al calentador, y el control automático de la temperatura de salida mediante la variación de la cantidad de alimentación bombeada al dispositivo atomizador.

Productos en los que se puede usar:

Mecanismo de secado

Se utiliza cuando la alimentación:

No puede evaporarse mecánicamente. Son sensibles a altas temperaturas. No puede exponerse a tiempos prolongados. Posee un contenido ultra fino de partículas.

DEL SECADO POR ATOMIZACIÓN

VENTAJAS DESVENTAJAS

Puesto que los tiempos de secado son muy cortos, muchos materiales termosencibles pueden ser secados satisfactoriamente, mientras que otros tipos de equipos de secado resultarían inadecuados

En este secado el material no está en contacto con las paredes del equipo hasta que está seco y, además las paredes se encuentran aproximadamente a la temperatura del aire de salida; por lo tanto se reducen los problemas de pegado y corrosión en el equipo.

El producto es obtenido como polvo fluido finamente dividido y en forma fácilmente soluble en un

El calor requerido por unidad de peso de producto es alto pues:

El contenido de humedad en la alimentación puede ser grande comparado con la mayor parte de los otros tipos de secadores.

El rendimiento térmico es bajo debido a restricciones en la temperatura de entrada del aire y a la temperatura relativamente alta del aire de salida.

En algunos casos la baja densidad aparente del producto puede ser una desventaja (sin embargo, el secado por atomización no

disolvente apropiado. El tamaño de partícula de algunos

productos es ajustable dentro de ciertos límites, variando las condiciones de atomización.

El proceso es adecuado para el secado continuo de cantidades relativamente grandes de material.

En ciertos casos el proceso puede eliminar la necesidad de filtración o molturación, aunque en forma alternativa estos pueden resultar necesarios.

En ciertos casos, donde es conveniente obtener una baja densidad aparente del producto, es ventajoso el secado por atomización.

Las condiciones de limpieza y semiesterilidad son más fácilmente obtenidas que en la mayoría de los equipos de secado.

produce necesariamente un producto con baja densidad aparente y no se debe suponer que en todos los casos ocurre así).

El costo del equipo es alto respecto del tonelaje anual de producto secado particularmente en el caso de equipos de pequeña capacidad

El equipo requiere mucho espacio.

La recuperación en los gases de salida de producto que forma polvo puede ser problemática o puede necesitar un equipo auxiliar costoso.

No se puede usar el secador por atomización con productos tóxicos a menos que se tomen precauciones especiales

Todas las impurezas de la alimentación quedan retenidas en el producto.

2) DATOS

DATOS EXPERIMENTALES

Datos de la Operación

Corrida Θ(min) P(kg/cm2 ¿

T 1(°C) T 2(°C) t(segundos)

Observación

1 0 4 140 40 6.7 Inicio2 10 4 160 40 8.06 Parada en el minuto 153 20 4 225 44 5.31 Parada en el minuto 204 30 4 235 50 6.255 40 4 260 60 6.29

V o=20gotas

DATOS EXPERIMENTALES

Temperatura de entrada de aire T1 204 ºC

Temperatura de salida de aire T2 46.8 ºCTemperatura de bulbo seco del aire de

alimentación To 21 ºCTemperatura de bulbo húmedo del aire de

alimentación Th 18 ºC

Fracción de sólidos en la carga. XS 0.25

Fracción de agua en sólidos de la salida XH 0

Densidad de la leche (20 °C) d leche 1.032 gr/cc

Densidad del agua (20°C) d agua 0.0997 gr/cc

Tiempo de operación. t 2400 s

Peso de sólido recuperado Wrecup 49 gr

Altura en el capilar para el agua hagua 1 mm

Altura en el capilar para la leche hleche 7 mm

Volumen de leche tratada V 300 mlTiempo de paso del agua en el viscosímetro de

Ostwald Ta 31.37 sTiempo de paso de la leche en el viscosímetro

de Ostwald Tl 309 s

DATOS DE TABLAS

Temperatura de referencia Tref 20°C

Capacidad calorífica del aire Caire 0.24 btu/lbºF

Capacidad calorífica del agua (vapor) Cagua 0.446 btu/lbºF

Capacidad calorífica del agua (líquido) C*agua 1 btu/lbºF

Capacidad calorífica de la leche. Cleche 0.29 btu/lbºF

Tensión superficial del aguat sup agua

71.814 dinas/cm

Viscosidad del agua u agua 0.955 Cpo

3) CÁLCULOS Y RESULTADOS

Flujo de aire

Donde:G: Flujo de aire secoMA: Flujo de la alimentación de secarMp: Flujo del producto secadoXs: Fracción en peso de sólidos en MA

Xh: Fracción en peso de agua en Mp

T1: Temperatura de entrada a la cámara de secadoT2: Temperatura de salida de la cámara de secado

1. Medición de las propiedades físicas:

Viscosidad de la leche:

Entonces: leche = 9.407 cPo

Tensión superficial de la leche

Agua (mm) Leche (mm)Altura alcanzada en capilar 11.0 7.0

De la relación:

Entonces: leche = 42.875g/s2

2. Calculo de los flujos de leche

De las relaciones:

μleche=μagua∗t lechetagua

σ leche=σ agua∗hlechehagua

∗ρlecheρagua

Flujo de entrada de leche (MA) = 0.129g/s Flujo de salida (MP) = 0.034375g/s

3. Eficiencia del secado:

E secado=cantidad solidorecuperadocantidad inicial de solido

.100 %

Reemplazando:

E secado=Peso solido secoV .ρ leche . Xs

= 49g

(300 cc)(1.032gcc

)(0.25)= 49g .

77.4 g ..100 %=63.31%

4. Determinación de la humedad y temperatura de saturación.Tbulbo seco = 21°CTbulbo húmedo = 18°CDe la carta psicométrica.Humedad de entrada de la alimentación (H1) = 0.015 Kg H20/Kg A.S.Temperatura de saturación adiabática (Tsat.) = 44.5°CHumedad de salida de la alimentación (H2) = 0.083 Kg H20/Kg A.S.

5. CÁLCULO DEL FLUJO DE GAS (AIRE) (CASO ADIABÁTICO) Balance de humedad

ENTRADA - SALIDA + GENERACIÓN = ACUMULACIÓN

GENERACIÓN = ACUMULACIÓN = 0

Entonces: G*H1 + Ma (1 - Xs) = G*H2 + Mp * Xh

Pero: Mp=(MA*Xs)/(1-Xh)

Por lo tanto:

Siendo: G = 1.4230 gr aire seco/seg

Con ello podemos hallar el G en mol-gr

G =0.0491 mol-gr aire seco/seg

Cálculo del flujo de aire húmedo

Ma= ρ∗VtSecado

Mp=Ma∗Xs1−Xh

G⋅(H2−H1 )=M A⋅( 1−x s−xh1−xh )

Ga = G (1+ H1)

Ga = 0.050 gr aire húmedo/seg

6. CÁLCULO DEL FLUJO DE GAS (AIRE) (CASO GENERAL) Balance de energía:

ENTRADA - SALIDA + GENERACIÓN = ACUMULACIÓN

Como: GENERACIÓN = -QPERD. y ACUMULACIÓN = 0

Entonces: ENTRADA = SALIDA + QPERD.

Siendo Hi entalpias

G1*H1 +Ma*HA =G2*H2 + Mp*Hp + Qperd.

G1*H1 = G[(Caire + H1*Cagua )(T1 - TR) + H1*λagua a TR]

G1*H1 =G[ (0.24 + 0.015*0.446)(399.2-68)+ 0.015*970.3]

G1*H1 =96.30*G BTU/Lb

G2*H2 = G[(Caire + H2*Cagua )(T2 - TR) + H2*λagua a TR]

G2*H2 = G[0.24+ H2*0.446)(116.24-68) + H2 * 970.3]

G2*H2 = 11.5776*G + 991.82*G* H2 BTU/Lb

MA*HA = MA*Xs*Cs*(TA - TR) + MA*(1-Xs)*C*agua *(TA - TR)

Como TA = Tambiente = TR entonces MA*HA = 0

Mp*Hp = Mp (1-Xh )*Cs *(T2bH - TR ) + Mp *Xh *C*agua * (T2BH - TR )

Mp*Hp = Mp *(Tsat. adiab. - TR)*[(1-Xh )*CS + Xh *C*agua ]

Mp*Hp = 0.273*(112.1-68)*[1-0)*0.29 +0* 1]

Mp*Hp = 3.4914 BTU/ Lb

Asumiendo que:

El Qperdido es nulo puesto que se asumió que el secador trabaja a condiciones adiabáticas, por ende el calor perdido o ganado es “cero”:

Q perdido = 0

Reemplazando en la ecuación general del balance de energía los términos calculados:

96.30 × G + 0 = 11.5776 × G + 991.82× G × H2 + 3.4914 + 0

84.7224 × G = 991.82× G × H2 + 3.4914

Ahora de la ecuación de balance de masa la reemplazamos en la ecuación de arriba:

G H2 = Ma (1 - xs ) + G H1

G H2= 0.76725Lbh

+ 0.015 × G Lbh

De ambas ecuaciones, obtenemos:

G = 10.9452 kg Aire secoh

H2 =008 5 kg aguakg Aire Seco

De la misma forma que para el cálculo del flujo de aire seco usando el balance de materia, para este caso también hallaremos el flujo de aire húmedo, usando la misma ecuación que en el caso anterior es por eso que reemplazando valores obtenemos lo siguiente:

Ga = 10.9452 kgh

(1 + 0.0 15Kg AguaKg Aire Seco ) = 11.11

kg Aire húmedoh

7. Eficiencia térmica global (ETg)

ET g=Calor utilizadoen secado

Calor entregadocalentamiento=G .Cpaire .(T 1−T 2)G .Cpaire .(T 1−T 0)

ET g=(T 1−T 2)(T 1−T 0)

=204 ° C−46.8 ° C204 ° C−21 °C

=85,9 %

Eficiencia térmica ideal (ETi)

ET i=Calor utilizadoen secadocon vap . saturado

Calor entregadocalentamiento=G .Cpaire.(T 1−T sat )G.Cpaire .(T 1−T 0)

ET g=(T 1−T sat )(T 1−T 0)

=204 ° C−44.5 ° C204 °C−21 °C

=87.16 %

Eficiencia térmica evaporativa (ETe)

ET i=Calorutilizado ensecado

Calor entregado calentamiento hasta saturacion=G .Cpaire.(T 1−T2)G .Cpaire .(T 1−T sat )

ET g=(T 1−T 2)(T 1−T sat )

=204 ° C−46.8 ° C204 ° C−44.5 ° C

=¿98.6%

8. Distribución de Tamaño de Partículas Cálculo de distribución de tamaño de partícula:

- Según la ecuación de Friedman:

Dvs = k ' r [(Mp

ρ N (r2 ) )0.6 ] [ (μM p )

0.2] [(σ ρ nhMp2 )

0.1]Donde:

N :Número de revoluciones por minuto

30800 r.p.m.

μ : Viscosidad de la leche. 0.3793 lb/pie-min

σ : Tensión superficial de la leche340.28

3lb/min2

nh :

N° ventanas x altura de cada una.

0.44 pie

r Radio del rodete 0.082 pieρ: Densidad de la leche 64.45 lb/pie3

MA: Alimentación de leche 0.0171 lb/minMp: Carga del líquido en la ventana 0.0389 lb/min-pie

Remplazando los datos de la ecuación:

Dvs = (0.37) × (0.082 ) × (0.038964.45 × 30800 × 0.0822 )

0.6

(0.37930.0389 )

0.2

((340.283) (64.45) (0.44)(0.0389)2 )

0.1

Dvs = 0.1094 × 10 -3 pies

Dvs = 33.35 micras

D95% = 1.4 × Dvs = 46.68 micras

Dmáx = 3 × Dvs = 100.05 micras

- Según la ecuación de Herring y Marshall:

X = D × (Nd )0.83 × (nh )0.12 × 10 -4

MA0.24

MA : 0.0171 lb/min(MA )0,24 = 0.3766

N = 30800 r.p.m.d = 1.97 pulg

(Nd)0,83 = 9330.48n = 24h = 0.22 pulg

(nh)0,12 = 1.221Reemplazando los datos en la ecuación:

X = D × (30800 rpm × 1.97 pulg )0.83 × (24 × 0.22 pulg )0.12 × 10-4

(0.0171 lbmin

)0.24

X = 3.628 D

De donde:

D = 0.276 X Ec . (1)

MP=0.00324 lb/min-pulg

Vt = 2 × π × f × r = 2 × π × 30800 rpm × 0.082 pie60

= 264.48 pies

% de volumen acumulado de partículas menores que D = 50%:

X12 = 1.3

X = 86.5

% de volumen acumulado de partículas menores que D = 95%:

X12 = 12.8

X = 163.84

% de volumen acumulado de partículas menores que D=99,9%:

X12 = 15.8

X = 249.64

Reemplazando en la ecuación 1 tenemos:

D50 % 23.874 micrasD95 % 45.22 micrasD99 % 68.90 micras

Bibliografía:

Manual del Ingeniero Químico, Robert H. Perry, Editorial Mc. Graw Hill -5ta edición, España, 1983, Paginas: 20-3 20-7

Operaciones Unitarias en Ingeniería Química, Warren L. Mc Cabe, Julian C. Smith, Editorial Mc Graw Hill – 4ta edición, España 1991, Paginas: 821-827

http://www.qualicer.org/recopilatorio/ponencias/pdf/9423071s.pdf

http://www.cib.espol.edu.ec/Digipath/D_Tesis_PDF/D-31056.pdf

http://www.vaxasoftware.com/doc_edu/qui/viscoh2o.pdf http://www.vaxasoftware.com/doc_edu/qui/denh2o.pdf