Planta piloto Facultad de Industrias Alimentarias
En la planta piloto podemos ver el funcionamiento de un secador
de slidos industrial por conveccin pero a pequea escala. Esta nos
permite estudiar la velocidad de secado de diferentes materiales y
la variacin del proceso de secado en funcin de diferentes
velocidades del aire y su relacin con la potencia calefactora.
En la siguiente imagen podemos ver cada una de las partes del
aparato:
El equipo tiene unas medidas de 2540 x 750 x 1350 mm. El peso
aproximado es de 125 Kg. La alimentacin elctrica es de 230 V/50-60
Hz/1 fase.
Si observamos cada uno de los elementos del secador con detalle,
podemos observar las diferentes partes:
El ventilador (1) tiene un nmero de revoluciones mximo de 950
rpm y una potencia mxima de transporte de 700 m3/h. Tiene un
consumo de potencia de 33 W y un consumo de corriente de 0.2 A.
Siempre ha de conectarse antes el ventilador que el calefactor.
Estos dos se conectan por el armario de mando.
Desde el Armario de mando (3) podemos ver los diferentes valores
de temperatura, humedad relativa y velocidad del aire que vamos
obteniendo a medida que avanza el experimento.
En el canal de secado con ventana (4) es donde se produce la
operacin de secado del material. El material slido est colocado en
las bandejas y en todo momento se puede mirar por la tapa
trasparente (5). Las bandejas estn colocadas con unos soportes de
material a secar con bastidor (6) que estn en todo momento
colocadas encima de la balanza (10) para controlar su peso.
El canal de secado (4) tiene unas medidas de 2540 x 390 x 390 mm
y las medidas interiores son de 350 x 350 mm.
Hay un total de 4 bandejas de secado que tienen unas medidas de
400 x 300 x 15 mm y que estan hechas de AlMg3.
La balanza digital (10) tiene un rango de medida de entre 5 a
8000g. La resolucin es de 0.1 g. Con esta se mide la disminucin de
peso que experimenta el material durante el proceso de secado. La
balanza se puede tarar directamente mediante un pulsador existente
en la balanza o bien con el software de GUNT CE 130.
El anemmetro (8) mide la velocidad del aire al final del canal
de secado, con un rango de medida de 0.2-2.5 m/s. La temperatura de
servicio del fluido es de -20 a +85 C. La precisin de medida es
de(5% del valor medido + 0,4% del rango de medida).
El sensor de temperatura y humedad (9 y 11) registra la
temperatura y la humedad relativa del aire antes y despus de las
bandejas del material a secar. Los valores medidos se muestran en
el armario de mando mediante visualizadores digitales. El cuadro de
control tiene un rango de medida de 0 a 100 % de humedad relativa.
Es necesario considerar el campo de trabajo:
a 23 C2,0%R.H. (40-60%R.H)
a 23 C2,5%R.H. (restante campo de trabajo)
A continuacin se muestra una imagen del sensor de
temperatura/humedad (derecha) y del anemmetro (izquierda):
Revisin Literaria
1.1. Tipos de secadores
a) Discontinuos
- De bandejas a presin atmosfrica o al vaco
- Discontinuo agitado a presin atmosfrica o al vaco
- Rotatorio a presin atmosfrica o al vaco
b) Continuos
- Lecho fluidizado
- Banda continua con circulacin transversal
- Neumtico
- Rotatorio directo o indirecto
- Vertical, con estantes rotatorios
- Pulverizador (spray)
A continuacin podemos ver una serie de imgenes de los diferentes
secadores de slidos descritos anteriormente y que se pueden
encontrar en el mercado.
2. FUNDAMENTOS TERICOS
Para poder realizar las prcticas, hacen falta unos conocimientos
previos que nos permitan llegar a unos resultados
satisfactorios.
Con este objetivo , a continuacin se explican los fundamentos
tericos para poder entender el funcionamiento de la planta y los
clculos necesarios para la realizacin de las prcticas.
2.1 Conceptos de secado
Para poder entender los fundamentos tericos del secado a
continuacin se describen los principales conceptos:
-Humedad: El contenido de humedad de un slido puede expresarse
sobre base seca o base hmeda; pero en el secado de slidos es ms
conveniente referir la humedad sobre base seca (masa de agua que
acompaa al slido seco).
-Humedad de equilibrio (X*): Cuando un slido hmedo se pone en
contacto, con aire de temperatura y humedad determinadas y
constantes, se alcanzaran las condiciones de equilibrio entre el
aire y el slido hmedo. Se logran las condiciones de equilibrio
cuando la presin parcial del agua que acompaa al slido hmedo es
igual a la presin de vapor del agua en el aire.
-Cuerpos hmedos y cuerpos higroscpicos: Para una temperatura
determinada, la presin de vapor del agua contenida en el slido
hmedo aumenta con su humedad para todas las sustancias, hasta
alcanzar el valor de la tensin de vapor del agua pura a la
temperatura considerada. Se llama slido higroscpico cuando la
presin de vapor del agua que acompaa al slido es menor que la
tensin de vapor del agua a la misma temperatura. Y si esta presin
de vapor del agua del slido es igual que la tensin de vapor, se
llama slido hmedo.
-Humedad libre: Es la diferencia entre la humedad del slido y la
humedad de equilibrio con el aire en las condiciones dadas: F=X -
X*. Es la humedad que puede perder el slido despus de un tiempo de
contacto con el aire en las condiciones dadas y constantes.
-Humedad ligada o agua ligada:Es el valor de la humedad de
equilibrio del slido en contacto con aire saturado; o bien la
humedad mnima del slido necesaria para que este deje de comportarse
como higroscpico.
-Humedad desligada o agua desligada:Es la diferencia entre la
humedad del slido y la humedad ligada; o bien la humedad libre del
slido en contacto con aire saturado. Si el slido tiene humedad
desligada se comportar como hmedo.
-Humedad crtica:La humedad crtica de un slido es el punto que
separa los dos perodos de secado antecrtico y poscrtico.
-Perodo antecrtico:Es el perodo de tiempo en el que la velocidad
de secado es constante, desde la humedad inicial hasta la humedad
crtica.
-Perodo poscrtico:Es el perodo de tiempo en el que la velocidad
de secado disminuye hasta llegar a un valor de cero. Este perodo
empieza con la humedad crtica hasta la humedad de equilibrio.
2.2 Velocidad de secado
Se define la velocidad de secado como la prdida de humedad del
slido hmedo por unidad de tiempo, y ms exactamente por el cociente
diferencial (-dX/d) operando en condiciones constantes de secado,
es decir con aire a las condiciones de temperatura, presin, humedad
y velocidad constantes en el tiempo.
Analticamente, la velocidad de secado se refiere por unidad de
rea de superficie de secado, de acuerdo con la ecuacin:
Donde :S = peso del slido seco;A =rea de la superficie
expuesta;W =velocidad de secado;= diferencia de humedad respecto
del tiempo.Hay dos perodos de velocidad de secado:A)Perodo
antecrtico o de velocidad de secado constante:En este perodo la
superficie del slido est totalmente cubierta por una capa de lquido
y la evaporacin depender solo de la velocidad de difusin del vapor
o de la intensidad de paso de calor a travs de la capa lmite del
aire. Esta velocidad de secado vendr dada por:
Donde:
= coeficiente de transporte de materia= humedad en la interfase=
humedad en el seno del aireAtendiendo a la intensidad de paso de
calor, si el calor se emplea exclusivamente en evaporar la humedad,
la velocidad de secado vendr dada por:Donde= coeficiente integral
de transmisin de la calor= calor latente de vaporizacin del lquido
a la temperatura de interfasei t son la temperatura en el seno del
aire
B)Perodo poscrtico:En general este perodo se puede dividir en
dos tramos: uno en el que la velocidad de secado varia linealmente
con la humedad desde el punto crtico (primer perodo poscrtico), y
otro en el que no se cumple esta variacin lineal (segundo perodo
poscrtico), aunque puede no presentarse esta separacin neta entre
ambos tramos. Durante el primer perodo poscrtico, la velocidad de
secado est regida por la evaporacin del agua sobre la fraccin de
superficie mojada; esta fraccin disminuye continuamente hasta que
al final de este perodo la superficie est seca. Se puede calcular
la velocidad de secado en cualquier instante de este perodo en
funcin de las velocidades y humedades crtica y final
correspondientes a este perodo, de acuerdo con la ecuacin:Durante
el segundo perodo poscrtico la superficie est totalmente seca y la
velocidad de secado ha de evaluarse atendiendo al proceso de
transporte de humedad desde el interior del slido hasta la
superficie, que se puede realizar por diversos mecanismos. Si el
mecanismo de transporte se realiza por difusin (caso de los slidos
de estructura continua tales como jabones, maderas, papeles, etc.)
la velocidad de secado viene dada por:
Y el tiempo de secado entre las humedades X1 y X2 ser:Siendo el
peso especfico del slido seco, kilogramos por metro cbico; z el
espesor, metros; D la difusividad, metros cuadrados por hora.En el
caso de que el mecanismo de transporte este controlado por el flujo
capilar (caso de slidos granulares, tales como arenas, pigmentos,
etc.) el tiempo de secado entre las humedades X1y X2vendr dado por
la ecuacin:con la que se supone que la velocidad de secado vara
linealmente con la humedad hasta que se alcanza el equilibrio.Para
los slidos de estructura capilar uniforme cuando los capilares no
son muy pequeos y la estructura no vara durante el secado, las
zonas de evaporacin se reducen uniformemente en el material durante
el perodo poscrtico, y estas zonas permanecen con una humedad igual
a la crtica y temperatura igual a la temperatura hmeda. En
cualquier instante, el espesor de la capa secaeest relacionado con
la humedad X por la expresin:El coeficiente integral de transmisin
de la calor entre el aire que fluye al largo de la superficie del
slido y la zona de evaporacin viene dada por:Y la velocidad de
secado ser:Combinando estas dos ecuaciones resulta:Y de acuerdo con
esta expresin el tiempo de secado ser:
2.3 Tiempo de secado
El tiempo de secado de un slido hmedo se determina por la
integracin entre las humedades iniciales y finales de la ecuacin de
la velocidad de secado. Hecha la integracin mencionada
obtenemos:
Para resolver esta ecuacin, tenemos que conocer la velocidad de
secado W que es funcin de la humedad (X), y en general
distinguiremos dos perodos diferentes:
a) Perodo antecrtico: Es el perodo en el cual la humedad
disminuye linealmente con el tiempo de secado o lo que es lo mismo,
que durante este perodo la velocidad de secado es constante. La
humedad del slido disminuye linealmente hasta un valor de humedad
crtica (Xc). La integracin desde la humedad crtica nos lleva a la
siguiente ecuacin:
Donde:
= tiempo de secado del perodo antecrticoS = peso del slido secoA
= rea de la superficie expuestaXi = humedad inicialXc = humedad
crticaWc = velocidad de secado crticaSi la humedad final Xfes ms
grande que la humedad crtica, ha de substituirse Xcpor Xfen esta
ltima ecuacin.
b)Perodo poscrtico:Es el perodo en el cual la velocidad de
secado disminuye hasta que se anula. Empieza con la humedad crtica
hasta que llega a la humedad final o humedad de equilibrio.Hay dos
mtodos para resolver este ltimo perodo:
- Mtodo grfico:Si no se conoce la relacin analtica W=f(x), la
integracin de la ecuacin ha de hacerse grficamente representando X
frente a 1/W. El valor de la integral ser el rea limitada por la
curva, eje de abscisas y las ordenadas extremas Xcy Xf.
- Mtodos analticos:Si la velocidad de secado vara linealmente
con la humedad, desde la humedad crtica hasta la final, la
integracin de la ecuacin conduce a la expresin:Donde:= tiempo de
secado perodo poscrticoS = peso del slido secoA = rea de la
superficie expuestaXc= humedad crticaXf= humedad finalWc= velocidad
de secado crticaWf= velocidad de secado finalWlog= velocidad de
secado logartmicaSi no se conoce la forma en que vara la velocidad
de secado en este perodo, se puede obtener una expresin aproximada
suponiendo que la variacin es lineal desde la humedad crtica hasta
la de equilibrio. Admitiendo esta hiptesis se llega a la siguiente
expresin:Donde:= tiempo de secado del perodo poscrticoS = peso del
slido secoA = rea de la superficie expuestaXc= humedad crticaX*=
humedad de equilibrioXf= humedad finalWc= velocidad de secado
crticaEn estas dos ltimas ecuaciones se supone que la humedad
inicial es mayor que la crtica; en caso contrario, ha de
substituirse Xcpor Xi.
Revisin bibliogrfica
Libros
* BENETT, C.O. Transferencia de cantidad de movimiento, calor y
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* COULSON, RICHARDSON. Chemical Engineering. Volum VI. Editioral
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* EMPRESA GUNT. Manual instrucciones banco ensayos secado por
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* HENLEY, E. J. Operaciones de separacin por etapas de
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Pginas web
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