Contenido1. OBJETIVOS22. FUNDAMENTO TERICO23. DATOS33.1 Datos
Experimentales:33.2 Datos tericos:64. ESQUEMA DEL PROCESO DE SECADO
POR ATOMIZACIN65. CALCULOS Y RESULTADOS75.1 Clculo del flujo de
alimentacin a secar y flujo del producto secado75.2 Clculo del
flujo de aire seco (Caso adiabtico)75.3 Clculo del flujo de aire
total en la salida:95.4 Clculo del flujo de aire seco (Caso no
adiabtico)105.5 Clculo de las Eficiencias Trmicas:125.5.1
Eficiencia Trmica Global125.5.2 Eficiencia Trmica Ideal135.5.3
Eficiencia Trmica Evaporativa135.6 Clculo de la Eficiencia del
Secado135.7 Medicin de las Propiedades Fsicas135.7.1
Densidad135.7.2 Viscosidad13145.7.3 Tensin Superficial145.8
Distribucin de Tamao de Partcula145.8.1 Uso de la Correlacin de
Friedman145.8.2 Uso de la Correlacin de Herring y Marshall166.
OBSERVACIONES167. CONCLUSIONES168. ANEXO16
SECADO POR ATOMIZACIN1. OBJETIVOS:
Conocer el equipo de secado por atomizacin y su funcionamiento
por medio de una corrida de prueba en el equipo. Conocer las
relaciones existentes entre las condiciones de operacin de equipo
de secado y las caractersticas del producto final.2. FUNDAMENTO
TERICOEl secado es la operacin unitaria en la cual el contenido de
humedad del material es eliminado hasta alcanzar la humedad de
equilibrio mediante evaporacin como resultado de la aplicacin de
calor bajo condiciones controladas [1]. [1] ALAMILLA, L. Aspectos
sobre el uso de secadores por aspersin. Documento predoctoral.
Mxico: ENCB-IPN, 2001. Pg. 81-90.
2.1 Criterios para la seleccin del mtodo de secado. Hay que
tomar en cuenta diversos criterios para escoger el mtodo que mejor
se adapte al secado de una sustancia [2]:- El modo de
funcionamiento del aparato- La naturaleza y calidad del producto a
secar- La fuente de calor y el modo de transmisin del mismo- La
seguridad- El consumo de energa- La facilidad para controlar el
tiempo de tratamiento- 6 - La eleccin del mtodo de secado es
generalmente una situacin ponderada de todos estos factores. Modo
de funcionamiento del aparato. El funcionamiento puede ser
discontinuo o continuo. La seleccin depende de la importancia de la
produccin. Si sta es pequea, a menudo se escoge un funcionamiento
discontinuo. Si al contrario, la produccin es importante, las
operaciones de carga o descarga a efectuar en discontinuo se
volveran ms tediosas. Por lo tanto, el funcionamiento continuo es
deseable y econmicamente ms rentable [2]. Naturaleza del producto a
secar. La preparacin, modo de manejo, fuente de calor a utilizar,
modo de transmisin y concepcin de los sistemas de aireacin,
dependen de la naturaleza del producto a secar. Puede tratarse de
lquidos, pastas, materiales pulverizados, granulados, fibrosos o
compactos [2]. LAND VANT, C.M. Selecting Dryers. En: Chemical
Engineering. Vol. 9, No. 5. EE.UU.: 1984. Pg. 70-77.2.2 Proceso de
secado por atomizacinEl secado por aspersin tambin llamado
atomizacin, roco o spray es ampliamente utilizada en la industria
procesadora de alimentos, polmeros, cermicas, etc. Consiste en la
transformacin de una materia en forma lquida en forma seca se logra
mediante la generacin de gotas minsculas que poseen una gran rea
superficial para la evaporacin de su humedad, el medio secante
suele ser un gas caliente en gran volumen; con la suficiente energa
para completar la evaporacin del lquido [3].
2.3 Secuencia del proceso de secado por atomizacin. Cualquiera
sea el sistema y el proceso la aspersin experimenta tres fases
distintas: en la primera el gas atomizante se expande
adiabticamente de la boquilla a la cmara de secado (atmsfera), el
gas sufre el efecto Joule-Thomson y su temperatura cae. En la
segunda el lquido forma gotas, durante la aspersin el rea
superficial especfica se incrementa mil veces. Tericamente se
requiere poca energa para formar las gotas.Sin embargo, la
ineficiencia mecnica, la presin y la inercia adems de la perdida
por viscosidad causan un elevado consumo de energa [3]. En la
tercera etapa viajan estando formadas para convertirse en materia
seca, durante esta fase el solvente se evapora y el dimetro de la
gota decrece. La primera fase ocurre instantneamente, la segunda
dura larga, calmadamente y firme (cerca de 0.1 s o menos), la
tercera puede sostener un tiempo relativamente grande dependiendo
de las condiciones de la aspersin, el lquido disperso y la
saturacin relativa del aire ambiente [6].El secado es controlado
por medio del producto y las condiciones del aire a la entrada
(flujo y temperatura). Finalmente, el producto es recuperado del
aire. El secador por aspersin ms comn es el de ciclo abierto, este
sistema tiene entrada continua de aire que es calentado y usado
como medio secante, limpiado por medio de ciclones o agotadores y
luego liberado al ambiente. Un segundo tipo es el de ciclo cerrado,
donde el aire es calentado, usado como agente secante, limpiado,
secado y de nuevo usado [3]. LONG, G. Atomizacin Teora y Prctica.
En: Ingeniera Qumica. Vol. 85, No. 6. EE.UU.: 1978. Pg. 73-77.
3. DATOS3.1 Datos Experimentales:A continuacin se presentan los
datos hallados experimentalmente en la prctica del
laboratorio.VariablesValorUnidades
Temperatura de bulbo seco del ambiente:To 30C
Temperatura de bulbo hmedo del ambiente:Th 22C
Temperatura de entrada a la cmara secadorT1 160C
Temperatura de salida dela cmara de secadoT2 55.1C
Fraccin de slidos en la alimentacin:xS 0.25
Fraccin de agua en slidos de la salida:Xh 0.016
Tiempo de operacin:t 45min
Masa de la alimentacin experimental385g
Masa del producto pesado 92.47g
Tabla N 1: Datos de la alimentacin y productos.
VariablesValorUnidades
Nmero de revoluciones por minutoN30800rpm
Altura de cada ventanah0.006m
Ancho de cada ventanaw0.0035m
Radio del rodeter0.025m
Nmero de ventanasn24
Tabla N 2: medidas del rodete de la cmara de secado.
Segn el densmetro:VariablesValorUnidades
Densidad de la leche1100Kg/m3
Propiedades de la leche (1) Segn el viscosmetro de Ostwald
t1 (s)t2 (s)t3 (s)
Agua24.8325.0524.93
Leche209.42209.31
Propiedades de la leche (2)
Ascenso de leche en el tubo capilarh (m)
Altura de ascenso0.008
Propiedades de la leche (3)
Flujo (gota/min)T2 bulbo seco (C)T2 bulbo hmedo (C)
1505231
1905431
1805732
1605732
1905733
1705633
1705331
1905531
1705532
Tabla N3: Datos del flujo de la alimentacin en gotas/min y Datos
de temperaturas de bulbo seco y hmedo en la salida del secador del
aire seco.
*Tratamiento de datos para la tabla N3:De los valores
experimentales de los flujos de la alimentacin debemos tomar un
valor representativo pero debido a la dispersin de los datos
procederemos a calcular la varianza para descartar valores que se
alejen de la media de los datos.
Dispersin de datos
Calculo de la varianza:Datos()-
15023.333544.444
190-16.667277.778
180-6.66744.444
16013.333177.778
190-16.667277.778
1703.33311.111
1703.33311.111
190-16.667277.778
1703.33311.111
Media( )173.3330.833181.481
Calculamos la varianza como la media de todos los : Entonces la
desviacin estndar ser: Lmite superior: Lmite inferior: .861El rango
donde se encontraran los verdaderos valores representativos
ser:
Entonces descartamos los valores alejados del rango: (150 y
190)Flujo (gota/min)T2 bulbo seco (C)T2 bulbo hmedo (C)
1805732
1605732
1705633
1705331
1705532
Promedio17055.632
Tabla N4: Datos del flujo de la alimentacin en gotas/min y Datos
de temperaturas de bulbo seco y hmedo en la salida del secador del
aire seco. (Tratamiento De Datos)
3.2 Datos tericos:
ValorUnidades
Tensin Superficial del agua a 30C0.0718N/m
Viscosidad del agua a 30C0.000798Kg/m.s
capacidad calorfica del aire0.24Btu/lbF
capacidad calorfica del agua (vapor)0.446Btu/lbF
capacidad calorfica del agua (lquido)1Btu/lbF
Calor latente de vaporizacin a Tr1044.62Btu/lb
Capacidad calorfica de la leche en polvo: (Cs)0.94Btu/lbF
Tabla N5: datos tericos4. ESQUEMA DEL PROCESO DE SECADO POR
ATOMIZACIN
5. CALCULOS Y RESULTADOS5.1 Clculo del flujo de alimentacin a
secar y flujo del producto secado Para el flujo de alimentacin
(Ma), que se obtuvo del tratamiento de datos en la tabla N
4.Entonces:
Para el clculo del flujo del producto seco (Mp) se obtiene de la
siguiente manera:
5.2 Clculo del flujo de aire seco (Caso adiabtico) Balance de
Humedad:Entrada Salida + Generacin = Acumulacin
Como no hay ni acumulacin ni generacin entonces:Entrada =
Salida
ECUACIN (a)Pero: ; entonces reemplazando en la ecuacin (a),
tendremos: ECUACIN 1
Para la ecuacin 1 se calculan las variables H1 y H2 usando la
carta psicomtrica, donde:H1: Humedad absoluta del aire en la
entrada H2: Humedad absoluta del aire en la salida
*De la carta psicomtrica:
Para hallar el valor de H1 :Temperatura de bulbo seco del
ambiente: To = 30C = 86 FTemperatura de bulbo hmedo del ambiente:
Th= 22C = 71.6 FEntonces de la grfica se obtiene:
Para hallar el valor de la temperatura adiabtica:Temperatura de
entrada a la cmara de secado: T1 = 160 C = 320 FTemperatura de
saturacin adiabtica:
T2bm = 112 F
Para hallar el valor de H2:Se sigue la recta de saturacin
adiabtica hasta intersectar la vertical de T2 y se obtiene la
humedad absoluta de salida H2:Temperatura de salida de la cmara de
secado: T2 = 55.1C = 132.08FEntonces de la grfica se obtiene:
H2=
Entonces en la ecuacin 1 se reemplaza los datos obtenidos:
5.3 Clculo del flujo de aire total en la salida: De los datos
obtenidos anteriormente se calcula el flujo de aire terico total en
la salida del equipo:
Clculo del flujo de aire total en la salida experimentalmente:La
velocidad del aire fue medido con el tacmetro a la temperatura de
30 C:Densidad del aire1.165 kg/m3
Velocidad del aire2.2 m/s
Dimetro del tubo por donde sale el aire0.0762 m
Entonces:
Si comparamos tendremos:
5.4 Clculo del flujo de aire seco (Caso no adiabtico)
Balance de Energa ( Caso General):Entrada Salida + Generacin =
Acumulacin* Acumulacin = 0*Generacin= - Q perd. Entonces: Entrada =
Salida + Q perd. ecuacin 2Dnde:Hi: Entalpia en el punto
iTemperatura de referencia: Tr = 30 C = 86 F
Para hallar algunos trminos de la ecuacin 2 tenemos que hacer
uso de la tabla donde se muestran los datos tericos extrados de
tablas ( ver tabla N5)
*G
Ta=Tr entonces:
Btu/hReemplazando las ecuaciones y los datos tericos a la
ecuacin 2, tenemos:
ECUAC. 3 Se conoce una relacin para expresar G en funcin de H2:
Del balance: Reemplazando los valores:
.. Ecuacin () Se asume la siguiente relacin:Asumiendo que se
pierde el 10% de calor en la resistencia:
. Ecuacin ()
La ecuacin () se reemplaza en la ecuacin 3, donde todo queda en
funcin de G y H2 pero en la ecuacin () se hall la relacin entre
esas dos variables, entonces tenemos que:
Reemplazo H2 en la ecuacin () para hallar el flujo de aire seco
:
En S.I
Reemplazo en la ecuacin () y se obtiene el Qperd.:
/h
En S.I
5.5 Clculo de las Eficiencias Trmicas:Para el clculo de las
eficiencias trmicas, se tienen los siguientes datos: C K
T del ambienteTo 30303.15
T a la entrada de la cmara de secadoT1 160433.15
T a la salida de la cmara de secadoT2 55.6328.75
T de saturacin a la salida de la cmaraTs 44.44317.59
5.5.1 Eficiencia Trmica Global
5.5.2 Eficiencia Trmica Ideal
5.5.3 Eficiencia Trmica Evaporativa
5.6 Clculo de la Eficiencia del Secado
Para la eficiencia del secado se utiliza la siguiente
relacin:
Slidos de la alimentacin= Producto Seco = Reemplazando:
5.7 Medicin de las Propiedades Fsicas5.7.1 DensidadPara la
medicin de la densidad se utiliz un densmetro, donde:
5.7.2 ViscosidadSe utiliz el viscosimetro de Ostwald, donde se
toma el tiempo que pasa un volumen determinado por el capilar del
viscosmetro. Esto se realiz tanto como para la leche como para el
agua.
Viscosidad del agua a 30C: 0.000798 Kg/m.sDensidad del agua a 30
C: 995.71 kg/m3t1 (s)t2 (s)t3 (s)tprom. (s)
Agua24.8325.0524.9324.94
Leche209.42209.31209.37
Reemplazando en la ecuacin inicial:
5.7.3 Tensin SuperficialSe utiliz un tuno capilar, el cual se
sumergi parcialmente en un volumen de leche y se midi el ascenso
del lquido en el capilar.
Tensin Superficial del agua a 30C: 0.0718 N/mH agua (cm)=1
H leche (cm) =0.8
0.06318 N/m
5.8 Distribucin de Tamao de Partcula5.8.1 Uso de la Correlacin
de FriedmanPara la siguiente correlacin se utilizar las siguientes
variables anteriormente medidos y calculados:VariablesUnidad
Nmero de Revoluciones por MinutoN30800rpm
Viscosidad de la Leche0.0074Kg/(m.s)
Tensin Superficial de la Leche0.063184Kg/s2
Densidad de la Leche1100Kg/m3
Nmero de Ventanasn24
Altura de cada Ventanah0.006m
# Ventanas x Altura de c/un * h0.144m
Radio del Rodeter0.025m
Alimentacin de LecheMl0.5809Kg/s
Carga de lquido en la ventanaMp4.034Kg/s.m
K'0.37
Tenemos: = 0.00586
= 0.2836
= 0.9525
Reemplazando los resultados de las tres ecuaciones halladas en
la ecuacin principal:
Para el clculo del D95%:
Para el clculo del Dmax:
5.8.2 Uso de la Correlacin de Herring y Marshall6.
OBSERVACIONES:
La leche se verti en una pera de decantacin, la cual iba
vaciando el lquido en un embudo que va conectado a la entrada
superior del equipo; esta pera deba ir siendo ajustada para tener
un goteo aproximadamente constante entre 150 y 200 gotas por
minuto. Todo el tiempo se iban manipulando los controles del equipo
manualmente para mantener la temperatura de la resistencia y la
presin del aire comprimido del aspersor, tal es as que se not que
cuando alguno de estos parmetros no se mantena adecuadamente la
temperatura del flujo de aire a la salida del secador variaba de 2
a 3 C. Se midi manualmente la temperatura del aire que sala del
secador para tomar un dato ms exacto ya que la termocupla del
equipo no era precisa. Al acabar la experiencia se observ que en el
colector del material seco no haba mucha cantidad por lo que
tuvimos que recuperar manualmente y con escobillas todo el polvo
que quedo dentro del equipo y de sus conductos debido a la grasa
natural de la leche que hace que se quede adherida a las paredes
del equipo.
7. CONCLUSIONES
En el proceso de secado por aspersin intervienen fenmenos de
transferencia de masa y calor. La transferencia de masa ocurre del
agua que se encuentra en la periferia de las pequeas gotas
dispersas hacia el aire caliente que entra por la parte inferior.
La transferencia de calor ocurre desde el aire caliente hacia el
slido que est dentro de la gota liquida, ocasionando la evaporacin.
Notamos que hay un error considerable en el clculo del flujo de
aire de salida, esto se puede deber a que el equipo no est
hermticamente cerrado y existen corrientes de aire que escapan por
otros orificios del equipo y por esto no ocurre la conservacin del
flujo. Las eficiencias trmicas calculadas, tanto global, ideal y
evaporativa nos han dado buenos resultados, por encima del 80%, con
esto podramos interpretar que el equipo an est trabajando bien en
relacin al secado, a la vez tambin tuvimos una buena manipulacin
del flujo de entrada del lquido y evitamos que el producto se
degrade al quemarse o no llegue al secado ideal (quede con mayor
humedad). Con el uso de la correlacin de Friedman pudimos obtener
la distribucin del tamao de las partculas de leche en polvo donde
el 95% de las partculas tienen un tamao aproximado de micras y las
partculas ms grandes son de aproximadamente esto calculado con la
correlacin de Friedman.
8. ANEXO
En este artculo nos detallan como es la manufactura ms usada en
la obtencin de las arcillas activadas. Es un proceso donde la
arcilla en bruto se seca con aire, luego es transportada al molino
de rodillos para reducir su tamao. El producto es llevado a tanques
de tratamiento y mezclado con agua formando un lodo con la
consistencia que se desea. Este lodo espeso se bombea al tanque de
tratamiento donde se le aade cido sulfrico, calentando hasta
ebullicin con vapor de agua, es donde se dice que el lodo se activ.
Despus de la activacin se traslada el lodo a un sistema de
decantadores para lavar y sedimentar los lodos. Luego la pasta
lavada es bombeada hacia un filtro rotatorio al vaco, la torta del
filtro es enviada a un secador rotatorio donde se reduce la humedad
pero quedan partculas gruesas por lo que se necesita otra unidad de
molienda donde se da la pulverizacin en el molino que est equipado
con un clasificador que proporciona un producto final de un D85
igual a 200 de la malla Tyler.Este trabajo es una propuesta para
cambiar el procedimiento de fabricacin de la arcilla activada
(betonita) que consiste de las fases antes mencionadas que deben
estar muy bien controladas en sus variables de proceso; las ltimas
tres etapas, que son filtro rotatorio continuo al vaco, secador de
horno rotatorio y el molino Raymond por una nica etapa, la cual
sera el secado por atomizacin logrando as una optimizacin.Cabe
resaltar que en el presente artculo mencionan varias de las
bondades que se obtendran si se usara el secado por atomizacin en
lugar de dichas etapas como son: Un menor tiempo de operacin en el
proceso. Menor exigencia en condiciones de presiones y
temperaturas. Eliminacin de las tres operaciones mencionadas. Se
minimizan perdidas de material y costos de operacin y mantenimiento
de equipos.Al no tener antecedentes de este procedimiento y segn
este estudio parece ser muy prometedor emplearlo, entonces los
autores proponen poner en marcha una prueba en la planta piloto del
Lab. 23 de la FIQT usando el secador de la firma sueca
Niro-Atomizer, tipo Minor, modelo 53-MQ-2/Q, con un atomizador de
disco centrfugo para que se pueda demostrar experimentalmente la
factibilidad del nuevo proceso.