Universidad Nacional Autonoma de Mxico.
Laboatorio Experimental Multidiciplinario V Nave-1000Informe
Experimental-Secador Rotatorio
Integrantes:Aquino del Angel Eduardo; Daz Loranca Ernesto David;
Flores Romero Francisco Xavier; Landaverde Resndiz Francisco
Gabriel
Facultad de Estudios Superiores Cuautitlan, Campo 1, Ingenieria
Quimica, Grupo 2701.10 de Marzo
2014._______________________________________________________________________________
Introduccion.
El Proceso de secado de slidos es de considerable importancia
prctica y econmica en todas las industrias. La operacin vara
muchsimo segn el material a secar, desde unos pocos segundos a
algunos das. En gran parte su prctica es ms un arte que una
ciencia, si bien explicable por los principios cientficos.
La operacin de secado es una operacin simultnea de transferencia
de calor y masa de contacto gas- slido, donde la humedad contenida
en el slido se transfiere por evaporacin hacia la fase gaseosa, en
base a la diferencia entre la presin de vapor ejercida por el slido
hmedo y la presin parcial de vapor de la corriente gaseosa. Cuando
estas dos presiones se igualan, se dice que el slido y el gas estn
en equilibrio y el proceso desecado cesa.
Para la realizacin de esta prctica se utiliz el secador
rotatorio instalado en el LEM de Ingeniera Qumica, en el cual se
introdujo la gravilla hmeda de forma continua y se utiliz aire
caliente a contracorriente para el secado de este, se midieron
algunas variables como son; temperatura, presin y tiempo de
retencin, para este ltimo, la tcnica consisti en marcar una
gravilla y tomar el intervalo de tiempo desde la entrada hasta la
salida de esta, para cada bote de gravilla agregado.
La operacin de secado es imprtate ya que muchos productos
qumicos, farmacuticos y alimenticios, entre otros requieren ciertos
estndares de humedad para ser comercializados o utilizados como
materias primas de otros procesos.
Un ejemplo es la fabricacin de papel ya que cuando el papel sale
de la seccin de prensas, su contenido de agua suele ser de un 60%.
A partir de aqu no es posible eliminar ms agua por medios fsicos
sino que la nica manera de hacerlo ser mediante la aplicacin de
calor. Esto se realiza con la operacin de secado, con la cual se
conseguir reducir la humedad del papel hasta un 5% de agua, que es
la cantidad que debe tener al final del proceso de fabricacin. Esta
operacin es la ms costosa dentro de la fabricacin de papel.
En el presente reporte, se determinaran los coeficientes de
transferencia de calor y masa, tanto tericos y experimentales en un
sacador rotatorio aplicando analogas simultaneas de transferencia
establecidas para cumplir el objetivo planteado, as tambin se
calcula el factor de retencin. Todo esto para entender ms a fondo
el funcionamiento del secador rotario, aplicando conocimientos de
transferencia de masa y calor, utilizando gravilla hmeda.
Informe
Experimenta___________________________________________________________________________
9Generalidades
Para la realizacin de esta prctica se utiliz el secador
rotatorio instalado en el LEM de Ingeniera Qumica. Los slidos
granulares hmedos se alimentan por la parte superior, tal como se
muestra en el diagrama de flujo y se desplazan por el cilindro a
medida que ste gira. El calentamiento se lleva a cabo por contacto
directo con gases calientes mediante un flujo a contracorriente. En
algunos de los casos, el calentamiento es por contacto indirecto a
travs de la pared calentada del cilindro.
El secador rotatorio es uno de los equipos ms utilizados para
llevar a cabo la operacin de secado; ste se puede operar a
contracorriente y en forma adiabtica. Entre los principales
materiales secados en este tipo de secador se encuentran, los
minerales, arena, gravilla, piedra caliza, arcilla, fertilizantes,
azcar.
Coeficiente Experimental de transferencia de calor
En base al diagrama anterior obtuvimos los siguientes
balances:Balance de Materia
Balance de Energa
Coeficiente Terico de transferencia de masa:
Determinamos el JD:
Dnde: = Coeficiente Terico de Transferencia de Masa. [Kmol/m2s]=
Peso Molecular Promedio (Kg/Kmol)= Media Logartmica del Componente
B (aire) Numero Adimensional Schimth
Coeficiente Terico global de transferencia de calor
Dnde: Masa velocidad del gas [Kg/s m2] Dimetro del
secador[m]
Coeficiente de transferencia de masa experimental:
Dnde: Relacin de Tiempo Total /Tiempo de Partcula [S/S] Masa
Velocidad de Aire Seco [kg/s m2] rea de seccin transversal [m2]
Humedad en la Superficie del Slido [Kg agua/Kg Slido Seco] Humedad
de entrada del aire [Kg agua/Kg Aire Seco] Humedad de salida de la
zona II [Kg agua/Kg Aire Seco]
Factor de Retencin
Dnde:Masa Velocidad del Slido Seco [Kg/h m2] Densidad aparente
del slido, [] Longitud del secador, [m]Td= Dimetro del Secador
[m]
PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
MATERIAL, EQUIPO Y SERVICIOS
MaterialEquipoServicios
4 vidrios de relojBalanza GranatariaAire comprimido
1 probeta de 2L3 Termmetros de bulbo de mercurio de -10 a
110CVapor
Botes de PlsticoBalanza de humedadEnerga Elctrica
1 esptula
Gravilla
PROCEDIMIENTO1. Purgar el intercambiador de calor y la lnea de
condensado.2. Encender el motor del secador para eliminar cualquier
cantidad de acumulado.3. Abrir la vlvula de la lnea de aire
comprimido, lentamente para evitar cambios bruscos de presin que
ocasionen daos al manmetro diferencial en U del annubar.4. Alcanzar
las condiciones de operacin estables (temperatura, velocidad y
humedad del aire).5. Pesar el material a secar (en este caso
gravilla) completo y humedecerlo.6. Dividirlo en botes que
contengan ms o menos la misma cantidad de gravilla. En cada bote
colocaremos 1 piedra de referencial color blanco para tomar el
tiempo que tarda en recorrer el secador.7. Una sola persona se
encargara de vaciar completamente la gravilla en el secador;
mientras lo hace se tomara el tiempo de vaciado total del material,
el tiempo que tarda en vaciarse cada bote y el tiempo que tarda en
recorrer cada piedra el secador.8. Tomaremos temperaturas de Aire a
la salida (bulbo seco y bulbo hmedo) Tambin se tomaran las
temperaturas del solido de salida y a la entrada.9. Al final del
secado, se tomara una muestra de solido y se llevara a la balanza
de humedad, realizando medidas a 4 muestras mas o menos del mismo
peso.10. Al terminar, cerrar servicios, purgar el condensado y
eliminar el solido remanente.
Resultados Experimentales La primera tabla arroja las
condiciones a las que entro el aire y la gravilla hmeda al secador.
Las temperaturas de salida del aire reportadas en la tabla son las
promedio.
Tabla 1. Condiciones del secador.SolidoEntrada AireSalida
Aire
Gravilla Seca (kg)Gravilla Hmeda (kg)Tbs (C)Tbh (C)Tbh (C)Tbs
(C)
9,29,95622429,242,2
El peso total de la gravilla se dividi en 5 botes en partes
iguales para que se agregaran de forma continua al secador
rotatorio. En la siguiente tabla se muestran los resultados
arrogados durante la experimentacin, estos corresponden a el tiempo
en que se agregaron los botes con gravilla, tratando de que fuera
lo ms continuo y constante posible. Sumado a esto se arrogan los
datos del tiempo de retencin.
Tabla 2. Tiempos al agregar los botes de gravilla y
retencin.BotesTiempo al agregar la gravilla (s)Tiempo de retencin
(min)
1351,05
2351,1
3370,55
4391,04
5391,07
Los siguientes resultados fueron tomados de la balanza de
Humedad, tomando como el ms importante el ltimo ya que es el valor
promedio.
Tabla 3. Resultados de la balanza de humedad.Balanza de
Humedad
Solido Entrada (g)Solido Salida (g)
32.64732.985
32.57832.912
32.69832.97
32.64132.955667
Utilizando las ecuaciones propuestas en las generalidades y
tomando algunos datos extras, se realizaro los calculos para los
coeficientes de calor y masa, tanto teoricos como experimentales.
En la siguiente Tabla se muestran los valores de cada uno de
estos.
Tabla 4. Coeficientes de Calor y Masa.Coeficientes de
Transferencia de CalorCoeficientes de Transferencia de Masa
U Experimental(W/m K)U Terico (W/m K)Ky(Kg/m s)Kg(kmol/m s)
22.181386061368.7339090.9350419363.973x10-8
Los calculos obtenidos para el coeficiente de calor experimental
resultan ser muy por debajo de los teoricos, esto nos indica que en
las condiciones de la experimentacion no se aprovecho el equipo al
cien porciento y basicamente que este trabajo sobrado.
En cuanto a los coeficientes de transferencia de masa se puede
ovbservar que el Ky es mayor al coeficiente de transferencia
teorico esto puede ser debido a algun error experienmtal. De igual
forma los coeficientes son muy pequeos , esto ya que el flujo de
aire es muy pequeo y de ah derivan varios de los calculos, nos
indica de igual manera que la cantidad de aire por m2 segundo, que
esta en contacto con el solido es muy pequeo y difiere de igual
manera uno del otro.
Memoria de Calculo
Se necesitaron de algunos datos extras para la elaboracion del
informe como son:
Cp gravilla (J/ Kg K)Cp Agua (J/Kg K)Cp Aire (J/Kg K)
879.01841871012
Humedad Real del Solido Entrada.Con los datos de la Balanza de
Humedad se calculo la masa promedio de antrada y salida, La
diferencia de estos nos da la cantidad de agua.
Carga de arena total que entra al secador = 9.95 Kg
Humedad Real del Solido Salida.
Carga de arena total que sale del secador = 8.9 Kg
Solido Humedo
rea Transferencia para el solido
Solido seco.
Flujo de Gas del Balance de Humedad.
De la carta psicomtrica:
Y`(KgH2O/KgA.S.)Y`(KgH2O/KgA.S.)
0.0070.011
Entalpia del Slido
La entalpia del solido a la salida:
La entalpia del solido a la salida:
Se toma la temperatura promedio de salida del solido = 35 C
Entalpia del aire
Entalpia de entrada
Entalpia de salida
Balance de energa para obtener la cantidad de calor en el
sistema.
Coeficiente global Transferencia de Calor experimental.
Coeficiente de transferencia de calor Terico
Balance en Etapa III
T3, Y3, H3En la zona III
El balance queda como:
Para conocer Th y Tb hay que suponer primero Th despus entrar a
la carta psicomtrica con las temperatura Tb y Y3 y se obtiene. Esta
iteracin termina cuando Th supuesta es Igual a Th calculada.
Balance Zona III
(TB)TH sup
61.834378130
61.8012537229
61.7681293428
61.7681293428
TB= 61.7681C y TH= 28C
Conociendo TB y TH se calcula Ta del balance en la zona I.
Balance en la Zona I
El balance queda como:
Despejando TA=42.43C
Con estas temperaturas de la carta psicomtrica obtenemos las
humedades superficiales y crticas.
Ys(KgH2O/KgA.S.)Yc(KgH2O/KgA.S.)
0.0210.01
Coeficiente experimental de transferencia de masa.Para el
coeficiente de transferencia experimental de masa tenemos:
Solo se considera esta zona en el secador para determinar el
coeficiente experimental de transferencia de masa, ya que la etapa
I ocurre poco secado ya que es la zona de precalentamiento,
mientras que para la zona III no existe transferencia de masa, es
la parte de recalentamiento hasta la temperatura de salida del
secador.
Despejando el Ky tenemos:
Determinamos el valor de que ser la relacin del tiempo total de
secado y el tiempo promedio de la piedra pintada al salir del
secador para lo que tenemos
Sustituyendo valores en la ecuacin:
Coeficiente de transferencia de masa teorico.
Numero de Reynolds
Sustituyendo nuestros valores tenemos
Nmero Adimensional Schmith
Dnde:=Viscosidad del Aire = Densidad del Aire DAB= Difusividad
del Aire en el Agua
Difusividad del Aire en Agua
El coeficiente de Difusin reportado en la literatura es el
siguiente y se obtuvo de la tabla 2.1 del Treybal.
DAire-Agua 25C1atm=2.58x10-5m2/sCorreccin al coeficiente de
difusin reportado en la literatura.La ecuacin para corregir el
coeficiente es:
Sustancia
Aire78.90.3711
Agua809.10.2641
Separacin media Molecular:
Energa de atraccin Molecular de AB:
Funcin de choque para la difusin a 298.15K y 315.35 K
De la grfica 2.5 del Treybal obtendremos la funcin de
choque:
De la grafica
Sustituyendo en la ecuacin
Calculando el Nmero Adimensional Schmith.
Para poder calcular la presin media logartmica del componente B
primero hay que obtener las presiones de vapor con la ecuacin de
Antoine para agua, con las temperaturas de bulbo hmedo tanto para
entrada como salida.
Peso molecular promedio
Sustituyendo en la ecuacin
Para el clculo del Tiempo Promedio de Retencin:
Factor de Retencin
Sustituyendo
Factorizando el trmino de densidad aparente del slido
tenemos:
Sustituyendo el termino de Factor de Retencin en la ecuacin de
Tiempo promedio de Retencin
Es posible simplificar el trmino de densidad aparente del slido
quedando
Para determinar la pendiente del secador=S, en m/m se tiene:
Sustituyendo nuestros valores tenemos:
Conclusiones
El secador rotatorio se trabaj bajo rgimen constante, es decir,
con parmetros controlados, tales como la presin, temperatura y
flujo; facilitando la obtencin de datos experimentales que se
necesitan para establecer el balance de materia y energa como paso
previo al clculo de los coeficientes de transferencia de masa.
En esta prctica nos fue posible entender el proceso de secado de
un slido (este caso particular arcilla) que se lleva dentro del
secador, analizando las zonas que componen el secado y como es la
variacin de la temperatura tanto del gas y del solido contra la
distancia a travs del secador, nos fue posible determinar los
coeficientes uno global para la transferencia de calor y uno para
la zona II correspondiente al coeficiente de transferencia de masa
, solo se calcula en esta parte, ya que es aqu donde se lleva a
cabo la transferencia de masa, porque las otras dos zonas
corresponden al precalentamiento y recalentamiento del slido.
BIBLIOGRAFA
Treybal R. E., Mass Transfer Operations, 3 Edition, McGraw-Hill,
New York, 1981.
Foust A. S., Wenzel L. A. y col., Principios de operaciones
unitarias, Compaia editorial continental, Mexico, 1987.
Kneule F., El secado, Enciclopedia de la tecnologia quimica,
Tomo 1, Urmo,Bilbao, 1976.