TRABAJO DE OPERACIONESUNITARIAS III- SECADORES Docente: Williams S. Castillo Martínez. Integrantes: Aguilar Tarazona Robert Castillo Mendoza Abigail Córdova Rodas Jonathan Laguna Milla Carlos Moreno Sánchez Sully Villaca Terrones Walter SECADO I. FUNDAMENTO TEÓRICO : El secado se refiere a la eliminación de agua de los materiales de proceso y de otras sustancias. El término secado se usa también con referencia a la eliminación de otros líquidos orgánicos, como benceno o disolventes orgánicos, de los materiales sólidos. En general, el secado significa la remoción de cantidades de agua relativamente pequeñas de cierto material. La evaporación se refiere a la eliminación de cantidades de agua bastante grandes; además, ahí el agua se elimina en forma de vapor a su punto de ebullición. En el secado, el agua casi siempre se elimina en forma de vapor con aire II. DEFINICIÓN: Son equipos utilizados para separar un líquido de un sólido mediante la evaporación. Principalmente es utilizado para reducir o eliminar humedad. En estos equipos la fuente de calor es una corriente de gas caliente. El material para el secado puede estar estático, móvil, fluido o diluido. Estático: éste es un lecho denso de sólidos en el cual cada partícula descansa sobre otras, debido a la densidad de la masa de la fase sólida. Es decir, no existe movimiento relativo entre las partículas sólidas. Móvil: este es un tipo de lecho de sólidos ligeramente restringido en el cual las partículas están separadas apenas lo suficiente para fluir o deslizarse unas sobre otras. Por lo común el flujo es descendente por acción de la fuerza de gravedad; pero también se puede registrar un movimiento ascendente debido a la elevación mecánica o a la agitación, generadas dentro del equipo de proceso. Fluidizado: las partículas sólidas se sostienen por medio de fuerzas de arrastre provocadas por la fase gaseosa que pasa por los intersticios de las partículas, con una velocidad crítica dada. Diluido: ésta es una condición de expansión total en la cual las partículas sólidas están tan separadas entre sí que prácticamente no ejercen ninguna influencia unas sobre otras. El flujo de gas caliente puede ser paralelo, perpendicular, transversal, en contracorriente. Flujo paralelo: la dirección del flujo del gas es paralela a la superficie de la fase sólida el lecho de sólidos se encuentra generalmente en condición estática. Flujo perpendicular: la dirección de la corriente de gas es normal en la entrecara de las fases. El gas choca contra el lecho de sólidos, encontrándose también en este caso dicho lecho de manera estática. Circulación directa: el gas penetra y fluye directamente pasando a través de los intersticios de los sólidos, circulando de una manera más o menos libre en torno a las partículas individuales. Flujo de gas equicorriente: la fase gaseosa y las partículas sólidas se desplazan en la misma dirección. Flujo de gas en contracorriente: la dirección del flujo de gas es exactamente opuesta a la que sigue el movimiento de los sólidos. Flujo transversal de gas: la dirección de la corriente de gas se realiza según ángulos rectos en relación con el movimiento de los sólidos, a través del lecho de sólidos III. TIPOS DE SECADORES 3.1. SECADORES DIRECTOS 3.1.1. HORNOS INDUSTRIALES Entendemos por hornos industriales los equipos o dispositivos utilizados en la industria en los que se calientan las piezas o elementos colocados en su interior por encima de la temperatura ambiente. El calentamiento puede servir para diferentes aplicaciones, como: Fundir. Ablandar para una operación de conformado posterior. Tratar térmicamente para impartir determinadas propiedades. Recubrir las piezas con otros elementos. Hay que señalar que esta definición, aparentemente clara, no lo es tanto en la práctica, ya que es frecuente utilizar otros términos tales como: 1. Estufas, para hornos que operen a bajas temperaturas, normalmente inferior a 500 - 600°C. Sin embargo, se sigue denominando horno de revenido a un equipo que realiza este tratamiento, aunque sea a 180°C y su diseño sea idéntico al tradicional de una estufa. En cambio, se denominan estufas Cowper a los precalentadores de aire de los hornos altos, que operan a altas temperaturas 2. Secaderos, también denominados estufas de secado cuando el secado se realiza por elevación de la temperatura. La temperatura de secado puede ser elevada y adoptarse una técnica de construcción similar a la de los hornos. 3. Baterías de coque, para las series de hornos en forma de celdas utilizados en la producción del coque a partir del carbón de hulla. Para evitar ambigüedades, denominaremos en este documento hornos a todos aquellos equipos o instalaciones que operan, en todo o en parte del proceso, a temperatura superior a la ambiente, realizándose el calentamiento sobre las piezas de forma directa (inducción, resistencia propia,..) o de forma indirecta por transmisión de calor de otros elementos (tubos radiantes, humos de combustión,...) En cuanto a la clasificación de los humos, se puede hacer atendiendo a diferentes aspectos: Forma de funcionamiento (continuo o discontinuo). Tipo de calefacción utilizado (quemadores de combustible, energía eléctrica,...). Disposición de la calefacción (superior, inferior,...). Tipo de efecto en el producto (fusión, recalentamiento,...). Tipo de recinto (solera, carro, crisol,...). Forma de recuperación del calor de gases. Los hornos industriales se aplican en un gran número de procesos dentro de diferentes sectores de la industria. En la Industria Siderúrgica, desde hornos altos de reducción de mineral de hierro hasta hornos de tratamientos térmicos de barras, chapas, perfiles, etc. A continuación vamos a profundizar, desde el punto de vista energético, en el funcionamiento y características de tres tipos de hornos empleados en la Industria Siderúrgica, como son: 1. Hornos de recalentamiento, empleados fundamentalmente en el recalentamiento de materiales para su conformado en caliente. 2. Horno eléctrico de arco, utilizado fundamentalmente para la fusión de chatarra y/o prerreducidos en acerías y fundiciones. 3. Horno eléctrico de inducción, utilizado principalmente para la fusión de chatarra en fundiciones y el calentamiento de piezas de acero para forja y estampación. 3.1.2. SECADORES DE TUNEL: Los secadores de túnel son muy comunes en la deshidratación de alimentos. Pueden configurarse en paralelo y contra corriente siendo la primera la más suave para el producto mientras que, en la segunda, el contacto del aire más caliente con el producto seco propicia el endurecimiento de su superficie. Pueden alcanzar hasta 24m de longitud y consisten en una cabina en la que hay un mecanismo de rieles que mueven carros con producto a lo largo de ella. El proceso es entonces semi continuo. 3.1.3. SECADORA DE BANDA CONTINÚA A BAJA TEMPERATURA PARA BIOMASA La secadora de banda continua a baja temperatura para serrín, pellets, astillas de madera y otros productos de biomasa es un proceso de secado de gran eficacia, que se emplea en los segmentos industriales y los sectores de productos más diversos. A nuestra gama de productos pertenecen por ejemplo: astillas de madera, cortezas, serrín y tableros OSB, así como otros productos de biomasa. Y al operar la secadora de banda continua con un bajo poder calorífico (temperatura de secado de 60 a 100 °C) se produce un secado suave y homogéneo del producto. Otra ventaja decisiva son las bajas emisiones. Hay que añadir a esto un peligro de explosión y de incendio. La temperatura de la secadora de banda continua se genera con calor de escape, como por ejemplo proveniente de centrales eléctricas, lo que conlleva a un ahorro energético considerable. 3.1.4. SECADO EN LECHOS FLUIDIZADOS El procesamiento en lechos fluidizados implica el secado, enfriamiento, aglomeración, granulación y revestimiento de los materiales en gránulos. Es ideal para una amplia gama de productos sensibles y no sensibles al calor. El procesamiento uniforme se logra haciendo pasar un gas (por lo general aire) a una velocidad controlada a través de una capa del producto para crear un estado fluidizado. El gas de fluidización aporta el calor para el secado en lechos fluidizados, pero el flujo del gas no tiene que provenir de una sola fuente. El calor se puede introducir de manera eficaz calentando las superficies (paneles o tubos) inmersas en la capa fluidizada. En el enfriamiento en lechos fluidizados se usa gas frío (por lo general aire acondicionado o ambiental). En las plantas de tamaño más económico en ocasiones será necesario acondicionar el gas para lograr que el producto se enfríe adecuadamente y para evitar que capte partículas volátiles (por lo general humedad). El calor también se puede eliminar enfriando las superficies inmersas en la capa fluidizada. La aglomeración y la granulación se pueden realizar de varias formas, dependiendo del producto que se vaya a alimentar y las propiedades que deba tener el producto final. El revestimiento en lechos fluidizados de polvos, gránulos o tabletas requiere de la aspersión de un líquido en condiciones estrictamente controladas sobre el polvo fluidizado. El Grupo Niro ofrece toda una serie de sistemas para el secado en lechos fluidizados. Los secadores continuos y por lotes, los enfriadores y los sistemas de aglomeración, revestimiento, aglomeración en bolas y granulación están diseñados para que operar en ciclos abiertos (que implican la evaporación de agua), o en ciclos cerrados (que implican la evaporación de solventes, en su mayor parte orgánicos). Para los productos que presentan riesgo de explosión de polvo durante el procesamiento, existen disponibles diseños a prueba de choques de explosión y sistemas auto- inertizados y de ciclo cerrado. Productos químicos Productos farmacéuticos y bioquímicos Polímeros Productos alimenticios y lácteos Ventajas: El secado en lechos fluidizados ofrece ventajas importantes sobre los demás métodos de secado de los materiales en gránulos. La fluidización de los materiales en gránulos permite una mayor facilidad en el transporte de los materiales, altas velocidades de intercambio de calor con una gran eficiencia térmica, a la vez que evita el sobrecalentamiento de las partículas. Las propiedades de los productos se determinan basándose en la información derivada de su velocidad de secado, por ejemplo, la forma en que el contenido de partículas volátiles cambia con el tiempo en un lote en lecho fluidizado que opera en condiciones controladas. Otras propiedades importantes son la velocidad del gas de fluidización, el punto de fluidización (es decir, el contenido de partículas volátiles bajo el cual se logra la fluidización sin agitación mecánica o vibración), el contenido de partículas volátiles en equilibrio y el coeficiente de transferencia de calor para las superficies de calentamiento inmersas. Estos y otros datos se alimentan a un modelo por computadora del procesamiento en lechos fluidizados permitiendo así dimensionar los sistemas de secado industriales. El secado en lechos fluidizados resulta adecuado para polvos, gránulos aglomerados y pastillas con un tamaño de partícula promedio entre 50 y 500 micras. Es muy probable que los polvos muy finos y ligeros o las partículas altamente elongadas requieran vibración para lograr con éxito el secado en lechos fluidizados. 3.1.5. SECADO ROTATORIO Un secadero rotatorio consiste en una carcasa cilíndrica giratoria, dispuestahorizontalmente o ligeramente inclinada hacia la salida. Al girar la carcasa, unaspestañas levantan los sólidos para caer después en forma de lluvia a través delinterior de las carcasas. La alimentación entra por un extremo del cilindro y elproducto seco descarga por el otro. se calientan por contacto directo del gas conlos sólidos, por gas caliente que pasa a través de un encadenamiento externo, opor medio de vapor de agua que condensa en último de estos tipos recibe elnombre de secadero rotatorio con tubos instalados sobre la superficie interior dela carcasa. El último de estos tipos recibe el nombre de secadero rotatorio contubos de vapor de agua. En un secadero rotatorio directo-indirecto el gas calientepasa primeramente a través del encamisado y luego a través del encamisado yluego a través de la carcasa, donde se pone en contacto con los sólidos. El aire circula a través del secadero mediante un ventilador que si se desea, descarga el calentador de aire, de forma que todo el sistema se encuentra a sobrepresión. Los secaderos rotatorios se utilizan con frecuencia para sal, azúcar y todo tipo de materiales granulares y cristalinos que han de mantenerse limpios y que no se pueden exponer directamente a gases de combustión muy calientes. 3.2. SECADORES INDIRECTOS El calor de desecación se transfiere al sólido húmedo a través de una pared de retención. El líquido vaporizado se separa independientemente del medio de calentamiento. La velocidad de desecación depende del contacto que se establezca entre el material mojado y las superficies calientes. Los secadores indirectos se llaman también secadores por conducción o de contacto. • Secadores I-Continuos: la desecación se efectúa haciendo pasar el material de manera continua por el secador, y poniéndolo en contacto con las superficies calientes. • Secadores I-Por lotes: en general los secadores indirectos por lotes se adaptan muy bien a operaciones al vacío. Se subdividen en tipos agitados y no agitados. SECADORES INDIRECTOS AL VACÍO CON ANAQUELES Este tipo de secador, es un secador por lotes, que funciona de manera similar al secador de bandejas. Este secador está formado por un gabinete de hierro con puertas herméticas, de modo que se trabaje al vacío. Los anaqueles están vacíos dónde se colocan las bandejas con los materiales húmedos. En términos generales, se trabaja con aire calentado con vapor. Esto no es siempre cierto, pues es posible utilizar agua caliente, para operaciones a temperaturas suficientemente bajas. Cabe recordar, que este tipo de secadores, puede ser utilizado para el secado de materias termolábiles, como lo son algunos materiales biológicos y en ocasiones los farmacéuticos, aunque el secado de estos no es tan común. La conducción de calor en este tipo de secadores es por radiación desde las paredes metálicas del secador. La humedad extraída del material es recogida por un condensador dispuesto en el interior. SECADOS AL VACÍO Secados a baja temperatura y alto vacío: No Degrada. Control de granulometría y rotura de grumos. Posibilidad de operaciones varias en el mismo recipiente: mezclado, secado y control de partícula. Variable en función al producto Gelatinas, bebidas en polvo vitaminadas, saborizantes y especies, consomés, sopas, extractos de sabor, chocolates, harinas preparadas y una gran diversidad de productos alimenticios se producen ya con la alta eficiencia de éstos equipos, en sustitución de máquinas de bajo costo, habiendo demostrado ya su versatilidad para elaborar diversos procesos en un mismo recipiente. SECADO POR ESTUFA Y CÁMARA DE CALEFACCIÓN: Estufas de secado y cámaras de calefacción para un secado eficiente y un almacenamiento a largo plazo a temperaturas elevadas controladas con precisión. PROBLEMAS 1. Un lote de sólido húmedo se procesa en un secador de bandejas usando condiciones de secado constantes y un espesor de material en la bandeja de 25.4 mm. Solo se expone al secado la superficie superior. La velocidad de secado durante el periodo de velocidad constante es de R = 2.05 Kg H 2 O/h.m 2 (0.42 lb m H 2 O/h.pie 2 ). la relación Ls/A usada es de 24.4 kg solido seco/m2 superficie expuesta (5.0 lb m solido seco/pie 2 ). La humedad libre inicial es X 1 =0.55 y el contenido critico de humedad X c = 0.22 kg de humedad libre/kg de solido seco. Calcule el tiempo para secar un lote de este material desde X 1 = 0.45 hasta X 2 = 0.30, usando las misma condiciones de secado, pero un espesor de 50.8 mm con secado para las superficies superior e inferior. (Sugerencia: calcule primero L s /A para estas nuevas condiciones.). Datos: Espesor (Bandeja): 25.4 mm Relación L s /A: 24.4 kg solido seco/m 2 Velocidad de secado, R c : 2.05 kg H 2 O/h.m 2 Humedad libre inicial, X 1 : 0.55 Contenido critico de humedad, X c : 0.22 kg de humedad libre/kg de solido seco Calculo: a) Calculo de la relación b) Calculo del tiempo para secar las superficies superior e inferior, t. = . = . × . . = . Los valores de X1 y X2 suministrados en el enunciado del problema son mayores al valor de Xc, esto permite evidenciar que el tiempo calculado se encentra en el periodo de velocidad constante. 2. Para determinar la factibilidad de secar cierto producto alimenticio, se obtuvieron datos de secado con un secador de bandejas y flujo de aire sobre la superficie superior expuesta, con área de 0.186 m2. El peso de la muestra totalmente seca fue de 3.765 kg de solido seco. La muestra húmeda en equilibrio peso 3.955 kg H2O + solido. Por consiguiente, contenía 3.955 – 3.765, o 0.190, kg de humedad de equilibrio. En el ensayo de secado se obtuvieron los siguientes pesos de la muestras en función del tiempo. a) Calcule el contenido de humedad libre X kg H 2 O/kg de solido seco para cada punto y construye la curva de X en función del tiempo. (Sugerencia: para 0 h, hay 4.944 - 0.190 – 3.765= 0.989 kg de humedad libre en 3.765 kg de solido seco. Por consiguiente, X= 0.989/3.765.). b) Mida las pendientes, calcule las velocidades de secado R en kg H2O/h.m2, y grafique R en función de X. c) Empleando esta curva de velocidad de secado, pronostique el tiempo total necesario para secar la muestra desde X = 0.20 hasta X=0.04. use un método de integración grafica para el periodo de velocidad decreciente. ¿Cuál es la velocidad de secado Rc en el periodo de velocidad constante y el valor de Xc? Datos: Área, A: 0.186 m2 Peso total de la muestra seca, Ls: 3.765 kg de solido seco Muestra húmeda en equilibrio: 3.955 kg H2O + solido Húmeda en equilibrio: 0.190 kg = × − = . . . −. = . Calculo: a) Calculo de la humedad libre, X: Datos de secado de un producto alimenticio: Tiempo (h) Peso (kg) Kg de humedad libre en 3.765 kg de solido seco X (kg H 2 O/kg de solido seco) dX/dt R kg/h.m 2 0.0 4.9440 0.9890 0.2627 0.00 0.4 4.8850 0.9300 0.2470 -0.039 0.79 0.8 4.8080 0.8530 0.2266 -0.051 1.03 1.4 4.6990 0.7440 0.1976 -0.048 0.98 2.2 4.5540 0.5990 0.1591 -0.048 0.97 3.0 4.4040 0.4490 0.1193 -0.050 1.01 4.2 4.2410 0.2860 0.0760 -0.036 0.73 5.0 4.1500 0.1950 0.0518 -0.030 0.61 7.0 4.0190 0.0640 0.0170 -0.017 0.35 9.0 3.9780 0.0230 0.0061 -0.005 0.11 12.0 3.9550 0.0000 0.0000 -0.002 0.04 b) Calculo de la velocidad de secado, Rc en el periodo de velocidad constante: Mediante la figura se puede concluir que el periodo de velocidad constante que esta entre el punto C y el B, lo que corresponde a los valores de R comprendidos entre 1.03 y 1.01, promediando todas estas velocidades se obtiene: c) Calculo de la humedad critica, Xc: = . + . +. +. = . . El valor de Xc se ubica, de acuerdo a la figura en el punto C, equivalente a 0.1193 kg H 2 O/kg de solido seco d) Calculo del tiempo total necesario para secar la muestra desde X=0.20 hasta 0.04: 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0 2 4 6 8 10 12 14 X t,h 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 R X RESULTADOS: R 0.9985 kg/h.m2 Xc 0.1193 kg H2O/kg solido seco t 4.0484 h = + = . × . +. × = = = 20.24190.2 = 4.0484 ℎ 2 1 3. Un material se procesa en un secador de bandejas de tipo en condiciones de secado constante. Cuando el contenido inicial de humedad libre era 0.28 kg de humedad libre/kg de solido seco, se requirieron 6.0 h para secar el material hasta un contenido de humedad libre de 0.08 kg de humedad libre/kg de solido seco. El contenido critico de humedad libre es de 0.14. suponiendo una velocidad de secado en la región de velocidad decreciente, donde la velocidad es una línea recta desde el punto crítico hasta el origen, pronostique el tiempo necesario para secar una muestra desde un contenido de humedad libre de 0.33 hasta 0..4 kg de humedad libre /kg de solido seco. (Sugerencia: use primero las ecuaciones analíticas para los periodos de velocidad constante y de velocidad decreciente lineal con el tiempo total conocido de 6.0 h. después emplee las misma ecuaciones para las nuevas condiciones.) Contenido inicial de humedad libre, X1: 0.28 kg de humedad libre/kg de S.S Tiempo de secado necesario, t: 6h Contenido de humedad libre, X2: 0.08kg de humedad libre/kg de S.S Contenido critico de humedad libre, Xc: 0.14kg de humedad libre/kg de S.S Contenido inicial de humedad libre, Xa: 0.33kg de humedad libre/kg de S.S Contenido de humedad libre, Xb: 0.04kg de humedad libre/kg de S.S Cálculos a) Calculo de la relación del tiempo de secado para el periodo de velocidad constante, t: En la figura se observa que desde valores de X de 0.14 pasando por 0.28 y 0.33 la velocidad de secado es constante (además de A y L s ), lo que permite realzar el siguiente análisis: b) Calculo de la relacion del tiempo de secado para el periodo de velocidad decreciente, t: De forma similar se puede comprobar que A,Rc,Xc y Ls son valores cosntantes, entonces: c) Calculo de la relación del tiempo de total de secado para las condiciones iniciales, t: × = − . = − . = − . . . = − − = . −. . −. = . × × = . = . = . . . = = . . . . = . . × = − . = . . . = − . . = . . −. . . = . d) Calculo del tiempo de secado para ñlos datos iniciales, t: e) Calculo del tiempo de secado para los datos finales, t: El tiempo total de secado para las nuevas condiciones será: = . + . = . + . × . = . +. = . = . = . . = − . = −. = . = . + . = . × . +. × . = . × . +. × . = . +. = . . = . . = . RESULTADOS . : 3.8471 h . : 2.1529 h . : 5.2208 h . : 4.8195 h : 10.0403 h