SECADO DE SOLIDOS: PROPUESTA

SECADO DE SOLIDOS

JEAN CARLOS RODRIGUEZ PEREZ

1930130

MAG. PEDRO SAUL RIVERA CARVAJAL

UINVERSIDAD FRANCISCO DE PAULA SANTANDER

FACULTAD DE INGENIERIA

TECNOLOGIA QUIMICA

FUNDAMENTOS PROCESOS UNITARIOS

CUCUTA

2014

OBJETIVOS

· Identificar los conceptos básicos de secado de sólidos.

· Explicar las variables que intervienen en el secado.

· Formulas y aplicaciones industriales en el secado de sólidos.

· Aplicar y desarrollar ejercicios de carácter real en la industria.

· Diseñar un blog sobre un tema de operaciones unitarias.

SECADO DE SOLIDOS

MARCO TEORICO

El secado de sólidos consiste en la eliminación de cantidades pequeñas de agua u otro líquido contenido en un material sólido, con el fin de reducir el líquido residual hasta un valor aceptablemente bajo. Suele ser la operación final de un proceso de fabricación y se hace antes del envasado o expedición; con ello se reducen costes de transporte, se evita la humedad que puede ser causante de corrosiones y se obtienen materiales más manejables.

FIGURA NUMERO 2

El secado se puede hacer por métodos mecánicos, prensado o por métodos térmicos, evaporación. El agua u otros líquidos pueden separarse de los sólidos de manera mecánica mediante prensas o centrifugas. O bien de modo térmico mediante evaporación. Los sólidos que se secan presentan diferentes formas escamas, gránulos, cristales, polvos, hojas o laminas continuas y poseen propiedades muy diferentes. El líquido que ha de vaporizarse puede estar sobre la superficie del solido, como en el secado de cristales salinos, completamente en el interior del solido, como en el caso de la eliminación del solvente de una lamina de un polímero, o parte en el exterior y parte en el interior.

Los productos cristalinos que se obtienen por filtración no se encuentran perfectamente secos. Suelen estar impregnados del disolvente en el que se ha producido la cristalización y muchos de ellos atrapan humedad del ambiente. El procedimiento más eficaz para su secado es introducir la muestra en un desecador

El cual permite hacer vacío cuado se conecta a una trompa de agua o un bomba de vacío. En el interior se coloca la muestra en presencia de un agente desecante, como pueda ser ácido sulfúrico, pentóxido de fósforo, cloruro cálcico etc. Si se va a hacer vacío en su interior, es conveniente tapar el recipiente en el que se encuentra el sólido con un papel de filtro que ajuste a la boca del recipiente, al que se le han hecho una serie de perforaciones para dejar pasar el aire, para evitar proyecciones del sólido al hacer vacío o al abrir el desecador. Cuando se quiera abrir el desecador. si se ha hecho vacío situar un trozo de papel de filtro en la entrada de aire para que esta sea lo mas suave posible y no se produzcan torbellinos que hagan saltar los cristales fuera del recipiente.

FIGURA NUMERO 3

El exceso de humedad contenida por los materiales puede eliminarse por métodos mecánicos (sedimentación, filtración, centrifugación). Sin embargo, la eliminación más completa de la humedad se obtiene por evaporación y eliminación de los vapores formados, es decir, mediante el secado térmico, ya sea empleando una corriente gaseosa o sin la ayuda del gas para extraer el vapor (Knoule , 1968).

Esta operación se utiliza ampliamente en la tecnología química y es muy común que sea la última operación en la producción precedente a la salida del producto resultante (Kasatkin, 1985)(Treybal, 1965). Es evidente que la eliminación de agua o en general de líquidos existentes en sólidos es más económica por acción mecánica que por acción térmica. La dificultad de los medios mecánicos surge cuando los productosfinales y gran número de productos intermedios deben cumplir especificaciones rigurosas en cuanto a la humedad final. Habitualmente una centrífuga trabajando con grandes cargas de sólido húmedo dejará humedades en torno al 10-20 %, aunque en casos excepcionales como la sal común o cloruro sódico se puede alcanzar el 1 %.

La operación de secado es una operación de transferencia de masa de contacto gas- sólido, donde la humedad contenida en el sólido se transfiere por evaporación hacia la fase gaseosa, en base a la diferencia entre la presión de vapor ejercida por el sólido húmedo y la presión parcial de vapor de la corriente gaseosa. Cuando estas dos presiones se igualan, se dice que el sólido y el gas están en equilibrio y el proceso de secado cesa.

CONCEPTOS BÁSICOS

El contenido de humedad de una materia suele expresarse como porcentaje en peso respecto al material seco. Un sólido expuesto al aire a una determinada humedad y temperatura pierde o gana agua hasta alcanzar unas condiciones de equilibrio; el grado de humedad, en el equilibrio, depende de las características del material.

♦ Humedad de un sólido es el peso de agua que acompaña a la unidad de peso de sólido seco.

FIGURA NUMERO 4

♦ Humedad de equilibrio es la humedad alcanzada por un sólido en equilibrio con una masa de aire a una determinada temperatura y humedad. También, es el límite de humedad que puede alcanzar un sólido en contacto con una masa de aire. Si la humedad del sólido es mayor que la humedad de equilibrio, el sólido se seca; si es menor, el sólido capta agua hasta la humedad de equilibrio.

FIGURA NUMERO 5

♦ Humedad libre es el exceso de humedad de un sólido, respecto a la humedad de equilibrio, en contacto con una determinada masa de aire. Es la humedad que puede perder un sólido después de un contacto prolongado con el aire.

FIGURA NUMERO 6

♦ Humedad ligada es la humedad de equilibrio de un sólido en contacto con una masa de aire de humedad relativa del 100 %. También, la humedad mínima necesaria para que el sólido deje de comportarse como higroscópico.

FIGURANUMERO 7

♦ Humedad desligada es la diferencia entre la humedad del sólido y la humedad ligada, ó la humedad libre del sólido en contacto con aire saturado. El sólido se comporta como sólido húmedo.

FIGUR NUMERO 8

Sólido húmedo es aquel cuya presión de vapor del agua contenida en él es igual a la del agua pura a la misma temperatura. El sólido húmedo es totalmente inerte para el agua que le acompaña.

FIGURA NUMERO 9

♦ Sólido higroscópico, el agua tiene una presión de vapor menor que la del agua pura a la misma temperatura; el cuerpo higroscópico modifica la tensión de vapor del agua que está ocluida en sus poros o entre las partículas del mismo.

FIGURA NUMERO 10

VARIABLES QUE INTERVIENEN

· Velocidad del secado de material solido

En la operación de secado hay que eliminar la humedad sobre la superficie y la del interior del sólido. Si la humedad es elevada, la evaporación tiene lugar sobre la superficie totalmente mojada; el líquido se renueva continuamente por difusión rápida desde el interior y la velocidad de secado permanece constante sin depender de la humedad total, es el periodo de velocidad de secado constante y se prolonga hasta alcanzar la humedad crítica.

Cuando la humedad del sólido es inferior a la humedad crítica, la difusión desde el interior no puede suministrar todo el líquido que se evapora en la superficie, lo que lleva consigo el descenso de la velocidad de evaporación. Tiene lugar la aparición de zonas secas sobre la superficie, y termina cuando la superficie de sólido queda libre le líquido, se le conoce como 1^erperiodo de velocidad decreciente.

A continuación, la velocidad de secado sigue descendiendo, la evaporación se produce en el interior del sólido, cada vez más lejos de la superficie, difundiendo posteriormente el vapor, es el 2^erperiodo de velocidad decreciente.

En cada momento, la velocidad de secado es función de la velocidad de transmisión de calor y de la velocidad de transferencia de materia que depende del tipo y características del material. En la figura 9.3 se muestra la velocidad de secado de dos sólidos; la curva 1 corresponde al secado de arena y la curva 2 al secado de jabón.

FIGURA NUMERO 11

La curva 2 tiene dos zonas de secado definidas, el tramo AB de velocidad constante, independiente de la humedad y el tramo BC que corresponde a un descenso continuado de la velocidad de secado, la velocidad varía linealmente con la humedad El punto B indica la humedad crítica.

En la curva 1 se distinguen tres periodos de velocidad de secado, DE secado a velocidad constante; EF línea recta que indica el primer periodo de secado de velocidad decreciente, velocidad varía linealmente con la humedad; la última etapa FC que es el segundo periodo de velocidad decreciente, no existe relación lineal entre la humedad y la velocidad de secado.

· Velocidad del secado constante

El secado tiene lugar desde la superficie del sólido saturada de líquido, por difusión del vapor de agua hacia la corriente de aire. La ecuación que regula el proceso es:

K_GA (P_s-P_w)= kA(H_s-H).

W= velocidad másica de evaporación (kg/seg)

K_G= coeficiente de difusión (s/m)

A= área de la interface (m²)

P_s= presión del vapor de agua, (N/m²)

P_w=presión parcial vapor de agua en la corriente de aire (N/m²)

ΔT= diferencia de temperatura entre el aire y el agua.

h= coeficiente de transmisión de calor desde el aire a la superficie mojada (W/m²K). h= c.G ^0'8.

G= velocidad másica de flujo de aire, (kg/sm²).

c= 14,5 para flujos paralelos a la superficie del sólido.

λ=calor latente de vaporización (J/kg)

· Tiempo de secado

Si el secado de un material se consigue haciendo circular aire caliente sobre su superficie mojada; la curva de velocidad de secado.

FIGURA NUMERO 12

w= humedad final (kg agua/kg sólido) w e= humedad de equilibrio (E) wc= humedad crítica (C) w 1= humedad inicial (B) w-we= Humedad libre.

· Periodo de velocidad constante (tc)

Desde la humedad inicial w1 hasta la humedad crítica wc; el tiempo de secado es

A = área de la superficie expuesta (m2).

Rc = velocidad de secado por unidad de área en este periodo (kg agua/kg sólido m2 s).

· Periodo de velocidad decreciente (tf)

En este caso la velocidad de secado es directamente proporcional a la humedad libre (w-we), y tiene la siguiente expresión.

f=humedad libre. fc=humedad libre en las condiciones críticas. m=proporción entre la humedad y la velocidad de secado por unidad de área (1/m2s).

♦ Tiempo total de secado

El tiempo total de secado desde w1 hasta w es t = tc + tf. La velocidad de secado Rc en el periodo de velocidad constante es igual a la velocidad de secado inicial en el periodo de velocidad decreciente, por lo que Rc = mfc

APLICACIONES EN LA INDUSTRIA

Los equipos industriales de secado se pueden diferenciar teniendo en cuenta aspectos de funcionamiento o características del material como,

Temperatura y presión en el secadero Método de calefacción Medio por el que es transportado el material a través del secadero Dispositivos para mejorar el secado Método de conseguir la circulación del aire Forma de sostener el material húmedo Medio calefactor Naturaleza del sólido húmedo y forma de introducirlo en el secadero.

Dos aspectos importantes a consideras son el tipo de funcionamiento, continuo o discontinuo; así como la forma de calefacción, es decir si se realiza por contacto con una superficie sólida caliente, sistema indirecto; o directamente por convección o radiación, sistema directo.

El secado en continuo es más fácil de integrar con el resto del proceso y el coste unitario de secado es menor. Si la producción disminuye, por debajo de 50.00 kg/día, el secado en discontinuo es mas rentable. Por otra parte, el secadero discontinuo es más versátil y puede utilizarse para distintos tipos de materiales.

Por lo que se refiere al sistema de calefacción, en el sistema directo el material es calentado por convección desde el aire que lo rodea. Presentan ventajas como el precio del equipo, por la ausencia de tubos o camisas calefactoras; es más fácil controlar la temperatura de calefacción y evitar un exceso de temperatura del sólido. Como desventajas se destacan las pérdidas térmicas en el aire caliente que abandona el secadero; esto se puede evitar mediante modificaciones en el diseño, que siempre encarecen el equipo.

Si se trabaja en secaderos discontinuos y con elevados tiempos de secado puede ser interesante establecer un cierto grado de vacío para disminuir la temperatura de secado y evitar posibles efectos negativos sobre el producto. A continuación se describen algunos de los modelos de secadero industriales más importantes.

Secadores de Bandejas

El secador de bandejas, o secador de anaqueles, consiste en un gabinete, de tamaño suficientemente grande para alojar los materiales a secar, en el cual se hace correr suficiente cantidad de aire caliente y seco. En general, el aire es calentado por vapor, pero no saturado, de modo que pueda arrastrar suficiente agua para un secado eficiente.

FIGURA NUMERO 13

FIGURA NUMERO 14

FIGURA NUMERO 15

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.

FIGURANUMERO 16

Secadores continuos de túnel

Este tipo de secador está formado por un túnel, por el cual pasan bandejas o carretillas con el material a secar, dentro del túnel, se hace fluir, generalmente a contracorriente, aire caliente, el cual sirve para secar los sólidos. Este tipo de secador es típico de la industria alimenticia.

Es utilizado en el secado de grandes cantidades de producto que en el tipo de secadero anterior implicaría excesiva mano de obra, como por ejemplo en el secado de jabones, gelatinas, objetos de alfarería. Las bandejas o carretillas se pueden sustituir por cintas transportadoras que circulan por el túnel, suele ser adecuado si se trabaja a vacío. El secadero de túnel se suele construir de obra o de chapa metálica y de muy diversos tamaños; si se emplea para el secado de arcillas pueden llegar a tener una longitud de 30 m.

FIGURA NUMERO 17

Secadero de cinta transportadora perforada

El funcionamiento es continuo y con circulación transversal del aire. El material se dispone en capas de 3 - 15 cm de espesor, se transporta en cintas metálicas perforadas, a través de la cámara de secado.

Existen varias secciones con su propio sistema de calefacción y ventilación, que permite variar las condiciones de secado en cada parte del proceso. En la entrada del secadero, el aire circula hacia arriba, a través de la cinta y de los sólidos; en el extremo de descarga el aire pasa en dirección contraria. Las dimensiones suelen ser 2 m ancho y de 4 a 50 m de largo.

FIGURA NUMERO 18

♦ Secaderos de tornillo sinfín

Es un secaderos continuos de calefacción indirecta. Consiste en un transportador horizontal de tornillo sinfín, montado dentro de una carcasa cilíndrica encamisada, que permite una calefacción indirecta.

El vapor generado en el secadero, se extrae por la parte superior de la carcasa, lo que permite la recuperación de disolventes valiosos. La velocidad de rotación del tornillo es lenta 2 a 30 r.p.m.

Secadores Rotatorios

En general, un secador rotatorio consta de un cilindro hueco que gira sobre su eje, con una ligera inclinación, para permitir el desliz de los sólidos a secar hacia la boca de salida. Se alimentan por la boca de entrada y por la boca de salida se alimenta el gas caliente, que habrá de secar a contracorriente el sólido que se desliza despacio hacia la salida, a medida que se va secando.

FIGURA NUMERO 19

Secadores de tambor rotatorio

Este tipo de secadores son típicos del trabajo con pastas, suspensiones, y soluciones. El tambor resulta como un híbrido entre un secador y un evaporador. El secado se produce por el calor que le llega a través de la superficie caliente del tambor y depende del tiempo que el sólido esté en contacto con el tambor (velocidad de giro de éste, 1-10 r.p.m.). El tambor arrastra una pequeña capa de sólido que es secado, arrancando la costra formada al final del proceso por medio de una cuchilla. Se emplea para el secado de suspensiones y para materiales que se presentan en forma de láminas (papel, tejidos,.etc.).

FIGURA NUMERO 20

Secadores por aspersión

En este tipo de secador, se atomiza una suspensión líquida, la cual es recibida por una corriente a contraflujo de aire caliente que evapora el líquido, de modo que caen las partículas sólidas que se separan de la corriente de gas, por no ser volátiles.

Un aparato que completa los equipos de secado es el ciclón; en los secaderos de contacto directo y continuos los gases que abandonan el sistema, arrastran una buena proporción del sólido en forma de polvo; para la recuperación de éstos se puede emplear el ciclón. El aire cargado de polvo entra tangencialmente a gran velocidad en un cuerpo cilíndrico; la fuerza centrífuga creada por el movimiento de rotación, despide el polvo hacia las paredes, donde por choque pierde velocidad y cae recogiéndose por la parte inferior. El aire sin partículas en suspensión sale por la parte superior.

Secaderos neumáticos o de pulverizar En el secado de suspensiones o disoluciones es muy importante la superficie de contacto entre el material y el aire o gas que se utilice para el secado. La evaporación de disoluciones y obtención de soluto seco por medio de aire caliente, se consigue de una forma más rápida cuanto más fino sea el estado de división de la disolución en la entrada del sistema.Los secaderos neumáticos constan de una cámara vertical cilíndrica, en cuya parte superior se rocía, mediante atomizadores, la disolución o suspensión. Las gotas se ponen en contacto con una corriente de aire caliente procedente de un horno. El producto seco se acumula en el fondo; las partículas más finas pueden ser arrastradas por la corriente de aire, siendo posteriormente recuperadas con el empleo de un ciclón.