LOU 2 SECADO POR ATOMIZACION

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS 2

LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS

INTEGRANTES:

CANDIA ANTAY ERNESTO

LIMAYMANTA TINEO DANNY

REINA CONDE JACQUELINE

RIVERA MONTALVAN CARLOS

SAYRE QUILLAS MARIA LUISA

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2010

UNIFACULTAD DE INGENIERÍA QUIMICA Y TEXTIL


2011-1

INDICE1. OBJETIVOS:………………………………………………………………………1

2. FUNDAMENTO:………………………………………………………………….1

3. ESQUEMA DEL EQUIPO------------------------------------------------------------6

4. DATOS DE LA FILTRACIÓN:………………………………………………………6

5. TRATAMIENTO DE DATOS………………………………………………………..7

6. OBSERVACIONES………………………………………………………………….13

7. CONCLUSIONES:…………………………………………………………………..13

8. ANEXO……………………………………………………………………………….14

9. BIBLIOGRAFIA:…………………………………………………………………….28

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SECADO POR ATOMIZACIÓN

1. OBJETIVO

Conocer el equipo de secado por atomización y su funcionamiento por medio de una corrida de prueba en el equipo.

Conocer las relaciones existentes entre las condiciones de operación de equipo de secado y las características del producto final.

2. FUNDAMENTO TEORICO

El secado por atomización es utilizado para alimentos y/o productos orgánicos disueltos en agua.

Inicialmente, el alimento fluido es transformado en gotas, que se secan por atomización en un medio continuo de aire caliente. El modo más común utilizado en estos tipos de secado es un ciclo abierto, tal como se muestra en la siguiente figura:

El aire de secado es calentado utilizando un reostado (calentador por resistencias eléctricas), además, es limpiado con ciclones antes de ser lanzado a la atmósfera. En este tipo de operación el aire que abandona el sistema todavía puede contener calor. Un segundo tipo es la utilización de un circuito cerrado con un medio de calefacción (aire, CO2, etc.). El aire se utiliza en el proceso de secado, después se limpia, se seca y se reutiliza de nuevo en un proceso continuo. La eficiencia de este tipo de secado es superior a la de los sistemas abiertos. En los sistemas de circuito cerrado únicamente sale del sistema el producto seco, mientras que en los de circuito abierto también se lanza al exterior aire caliente, que en algunos ocasiones puede contener micro partículas.

Este tipo de secado incluye la atomización del alimento en un medio de secado en el que se elimina la humedad por evaporación. El secado se realiza hasta que se llega al nivel de humedad fijado para el producto. Este secado se controla por las condiciones de flujo y temperatura, tanto del producto como del aire de entrada.

Figura 1. Ciclo abierto, secado por atomización

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El secado por atomización se utilizo por primera vez en el secado de leche hacia 1900 y más tarde se aplico en huevos y café.

Tabla 1. Efecto del proceso en algunos tamaños de gotas

Los tipos de secadores, la distancia que recorre una gota hasta que se ve afectada por completo por el aire depende del tamaño, forma y densidad de la misma. Los atomizadores ordinarios son más independientes del flujo de aire, mientras que en los atomizadores finos debe considerarse el flujo de aire. El movimiento de la atomización se puede clasificar de acuerdo al diseño del secadero como equicorriente, contracorriente o flujo mezclado.

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figura 2. Clasificación de secadores por medio corriente de la atomización

Descripción del equipo el equipo, utilizado en el laboratorio es un equipo que consta de las siguientes partes:

Cámara de secado. El atomizador. Calentador eléctrico de aire (en la actualidad se utiliza el equipo de ésta manera). Calentador a gas del aire. Motor y ventilador (aspirador de aire).

Ingreso de aire presurizado, el cual sircve para aumentar los RPM del disco centrífugo

Ingreso de líquido a secar:

Salida en forma de polvo, del fluido secado.

Ingreso de sólido al ciclon, para separación sólido-aire. El sólido se recupera en la parte inferior del ciclon.

Ingreso de aire caliente

EQUIPO DE SECADO POR ATOMIZACION

CAMARA DE

SECADO

CICLON

CONSOLA DE MANEJO

Ingreso de aire presurizado, el cual sircve para aumentar los RPM del disco centrífugo

Ingreso de líquido a secar:

Salida en forma de polvo, del fluido secado.

Ingreso de sólido al ciclon, para separación sólido-aire. El sólido se recupera en la parte inferior del ciclon.

Ingreso de aire caliente

EQUIPO DE SECADO POR ATOMIZACION

CAMARA DE

SECADO

CICLON

CONSOLA DE MANEJO

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Figura 3. Descripción del equipo y disco centrifugo.

Aplicación del “Spray Dryer” o secado por atomización: Es aplicado a cualquier producto posible de bombear emulsiones, pastas, soluciones y suspensiones de las siguientes industrias:

Alimenticias: Tales como cereales y extractos de plantas, lacticinios en general, cafés y sus sucedáneos, levaduras, hidrolizados de proteínas, derivados marinos, subproductos de frigoríficos, huevos, frutas y extractos de frutas.

Farmacéuticas: Antibióticos y derivados, vacunas, vitaminas, fármacos en general.

Cerámica:Arcillas para aplicaciones diversas y especiales Química Orgánica: Ácidos, sales orgánicas, compuestos nitrogenados,

plásticos, resinas, catalizadores y colorantes, fertilizantes, pesticidas, insecticidas, detergentes en general, taninos naturales y sintéticos etc.

Química Inorgánica: Compuestos de aluminio, bario, boro, cromo, azufre, flúor, yodo, magnesio, hidróxido y óxidos en general.

Celulosa: Suphite waste liquor, lignosulphonates, etc.

Secadores a nivel industrial: NIRO ATOMIZER (marca del secador por atomización en laboratorio)

NIRO es especialista en sistemas de secadores por atomización de todos los tamaños para aplicaciones en la industria alimenticia y química. Está empresa ofrece un gama complete de productos y servicios, dependiendo de las necesidades de sus clientes. Para una capacidad de secado dado, las propiedades del líquido a ser secado y las características del polvo a ser producido, son cruciales y deben ser consideradas cuidadosamente cuando se selecciona el diseño de un secador por atomización. Los secadores de esta empresa son diseñadas para obtener el producto que uno desea, esto se logra realizando una simulación con la información de la alimentación que se les debe proporcionar y las especificaciones del producto que se desea obtener.

Esta empresa ofrece un rango completo de tamaños y capacidades, para procesos, para laboratorios y para plantas piloto, en general los secadores que ofrecen se pueden agrupar

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en las siguientes categorías: Large Systems, plantas piloto y Fluidized Spray Dryer que explicaremos detalladamente en el anexo del informe.

Figura 4. Equipos que proporciona NIRO ATOMIZER

3. ESQUEMA DEL EQUIPO

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4. DATOS EXPERIMENTALES

Datos tomados en la experiencia:

T1 Temperatura entrada de aire 160ºC 320 ºF

T2 Temperatura salida de aire 45ºC 113 ºF

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To : Temperatura del ambiente 27ºC 80.6 ºF

Xs : fracción de sólidos en la carga 0.25

Xh : fracción de agua en sólidos de salida 0

CAIRE T1 : capacidad calorífica del aire a T1 0.2432 BTU/Lb-ºF

CAIRE T2 : capacidad calorífica del aire a T2 0.2406 BTU/Lb-ºF

CAGUA T1: capacidad calorífica del agua a T1 (vapor) 0.4735 BTU/Lb-ºF

CAGUA T2: capacidad calorífica del agua a T2 (vapor) 0.5550 BTU/Lb-ºF

l VAP Tr entalpía de vaporización a Tr (2442 KJ/Kg) 1050 BTU/Lb

C*AGUA capacidad calorífica del agua (liquida) 1 BTU/Lb-ºF

Cs capacidad calorífica de los sólidos de la leche 0.85 BTU/Lb-ºF

Tr : temperatura de referencia 20ºC 68 ºF

Trocío : temperatura de rocío 14 ºC 57.2 ºF

r l : densidad de la leche 1.06 gr/cc

r a : densidad del agua 1 gr/cc

s : tensión superficial del agua (20 ºC) 72.75 dinas/cm

V : volumen tratado 300 ml

t : tiempo de operación 2529 s

m agua: viscosidad del agua 1 cp

W tss Peso total de solido seco 66.5 gr

Datos usando la Carta Psicométrica

T sat : temperatura de saturación 42.00 ºC 107.6ºF

Y1: Humedad abs. de entrada 0.00700 lb agua/lb aire seco

H1 : Humedad abs. de entrada 0.01128 lb-mol agua/lb-mol aire seco

Y2: Humedad abs. de salida 0.05200 lb agua/lb aire seco

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H2 : Humedad abs. de salida 0.08378 lb-mol agua/lb-mol aire seco

Cálculo del flujo de leche

Ma : flujo de entrada de la leche 0.12574 gr/s. 0.000277 lb/seg.

Mp : flujo de salida de la leche 0.03144 gr/s. 0.693 lb/seg.

5. TRATAMIENTO DE DATOS

5.1. Determinación de la humedad y temperatura de saturación adiabática:

De la Carta Psicométrica con:

Temperatura de bulbo seco del aire de alimentación (To) 27 °C

Temperatura de bulbo húmedo del aire de alimentación (Th) 15 °C

Humedad de la alimentación (H1): 0.01128 lb agua/lb aire seco

de saturación adiabática:

Temperatura de saturación adiabática (TSat): 42.00 ºC 107.6°F

Seguimos la recta de saturación adiabática hasta cortar a la vertical de latemperatura 2 y leemos la humedad de salida:

Humedad de salida (H2): 0.08378 lb agua/ lb. aire seco

5.2. Determinación del flujo de entrada de la leche y del solido obtenido:

Flujo de entrada de la leche=Ma=

ρLECHE . V

tFlujo de entrada de la leche (MA)= 0.000277 lb/s

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Flujo de salida del sólido=Mp=

Ma . xs

1−xh

Flujo de salida del sólido (Mp)= 0.693 lb/s

5.3. Calculo de la viscosidad de la leche:

Cálculo de la viscosidad de la Leche μ Cpo:

En la experiencia llevada a cabo en el laboratorio se utilizó el viscosímetro de Ostwald, se tuvo registros de tiempos de paso para el agua así como para la leche:

Tiempo de paso de agua por el viscosímetro de Ostwald = (ta)

Tiempo de paso de la leche por el viscosímetro de Ostwald = (tl)

Entonces:

μ leche = μagua * (t leche / t agua ) * ( leche/ agua )

Cálculo de la tensión superficial de la leche ( σ l) dinas/cm:

En la experiencia se registraron las alturas de liquido en los capilares para el agua y la leche respectivamente.

σ leche=(h leche/h agua)*( leche/ agua)* σ agua

5.4. Calculo del flujo de aire (caso adiabático)

Balance de humedad:

entrada - salida + generación = acumulación

generación = acumulación = 0

G=Ma .(1−xs−xh )

(1−xh ).(Y 2−Y 1 )

G = 0.004620 lb aire seco /sG = 0.000159 lb-mol aire seco/s

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Cálculo de la densidad del aire a las condiciones de entrada:

P = 1 atm.T = 301 Kn = 1.006 mol-gr/sR = 82.06 atm. cc/g-mol KM = 28.97 gr/gr.-mol

d aire = 0.0012 gr/cm3

Q aire = 24870.2 cm3/sQ aire = 0.0249 m3/s

Ga = Gs*(1+ Y1)

G = 0.000159 mol-lb aire seco/sGa = 0.004652 mol-lb aire húmedo/s

5.5 Calculo del flujo de aire (caso no adiabático)

Ecuación general:

G1 . H1+M A .H A=G2 . H2+Mp . Hp+Qperd .

G1 . H1 = Gs .[ (Cpaire + Y1 xCpvapor agua )(T1 -Tr ) + Y1 . λagua Tr ]G1 . H1 = 69 . 472xG1

G2 . H2 = Gs [(Cpaire + Y2 *Cpvapor agua )(T2 -Tr ) + Y2 . λagua Tr ]G2 . H2 = (10 . 8278+ Y2 ∗1074 . 9750)xG2

Ma . Ha = Ma . Xs .Cs .( Ta-Tr) + Ma.(1-Xs ). Cpagua liq .( Ta-Tr)

Ma . Ha = 0. 003361BTU

s

Mp. Hp = Mp .(T 2bh - Tr ) .[ (1-Xh )*Cs + Xh *Cpagua liq ]

Mp. Hp=0. 0023327BTU

s

Qperdido=Z*Gs(T1-To )∗(Cpaire+Y1*Cp vapor agua ) Con un Z asumido de 10%

Qperdido=5 .9015∗G sBTU

s

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G=

Ma .(1−xs−xh )(1−xh ).(Y 2−Y 1 )

Reemplazando todas las expresiones anteriores en la ecuación del balance de energía tendremos:

Gs=0. 004920Lb(aire seco )

s

Y 2=0 .049259Lb( agua)

Lb( airesec o)

Ga=0 .004954Lb(aire seco )

s

5.6 Calculo de las eficiencias del proceso

Eficiencia Formula Respuesta

Eficiencia térmica global (Egb)

Eid=T 1−T 2T 1−T 0

86.47 %

Eficiencia térmica ideal (Eid)

Eid= T 1−TsT 1−T 0

88,72%

Eficiencia térmica evaporativa (Eev)

Eev=T 1−T 2T 1−Ts

97,46 %

Eficiencia de secado Es=Pr oductosec osolidosdea limentacio

0,8365

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5.7 Calculo y distribución de tamaño de partículas:

Según Friedman:

Número de revoluciones por minuto N : 30800 r.p.mViscosidad de la leche. ul : 0,459 lb/pie-mintensión superficial de la leche tsup: 417,44 lb/min^2

# Ventanas* altura de cada una. nh : 0,44 pieradio del rodete r: 0,082 piedensidad de la leche dl: 68,940 lb/pie3alimentación de leche Ml: 0,023 lb/mincarga del liquido en la ventana Mp: 0,052 lb/min-pie

(MP / dl*N*r2)^0,6 = 0,000548

(ul/MP)^0,2 = 1,543

(tsup*nh/Mp2)^0,1= 4,638

Entonces Dvs = K'*r*(Mp/dl*N*r2)0,6*(ul/Mp)0,2 *(tsup.*nh/Mp)0,1

Dvs=0,000119

08 pies

Dvs= 36,296 micras

D95%= 50,814 micras

Dmáx.= 108,887 micras

Según Herring y Marshall

ML = 0,023 lb/min

(ML)^0,24 = 0,405

N = 30800,0 r.p.m.

d = 1,97 pulg

(N*d)^0,83 = 9330,482

n = 24

h = 0,236 pulg

(nh)^0,12 = 1,23

entonces X= (D*Nd0,83 *(nh)0,12* 10-4)/(ML0,24)X= 2,839 *D

de dondeD= 0,352 X,,,,,,,,,,,,(5)

con los siguientes datos de N , d, Mp' y Vt en la tabla 6,12 proporcionada en la guía

Vt = velocidad tangencial = w*r = 2*pi*f*rVt = 264,481 pies/s

% de volumen acumulado de partículas menores que D=50%

X1/2 = 9,3X = 86,49

% de volumen acumulado de partículas menores que D=95%

X1/2 = 12,8X = 163,84

% de volumen acumulado de partículas menores que D=99,9%X1/2 = 15,8

X = 249,6

en (1) D50% = 30,469 micrasD95% = 57,718 micrasD99,9% = 87,944 micras

[Escribir texto]

6. OBSERVACIONES

Con respecto a la influencia de las variables de operación

Se debe mantener la presión de entrada de aire comprimido a 4 Kg/cm 2 en el panel de

control con la finalidad de que la velocidad de giro del rodete sea constante 30800 rpm.

La alimentación al secador se hizo con flujo constante para así obtener mayor eficiencia

en el secado de las gotas al tener contacto con el aire.

Con respecto al manejo del equipo.

Antes de iniciar la operación de secado, se debe precalentar la cámara de secado y cerciorarse de que la corriente de aire de entrada se encuentre lo suficientemente caliente para asegurar que el producto que se va a obtener se encuentre seco.

Con respecto al producto obtenido

Inicialmente se obtuvo un producto que se caracterizaba por mostrarse como un polvillo fino, aparentemente seco al tacto. Pero cuando se detuvo la operación, y se pesó el total de producto recuperado, se procedió a sacar residuos remanentes de producto que están en el interior del equipo, pero que no tenían las mismas características del producto que s obtuvo inicialmente, ya que tenía apariencia pastosa, debido a su elevado contenido de humedad y grasas.

7. CONCLUSIONES

El proceso de Secado por atomización involucra fenómenos de transferencia de masa y calor. La transferencia de masa ocurre desde las partes periféricas de la gota dispersada hacia el aire caliente. La transferencia de calor ocurre hacia la gota dispersada, ocasionando la evaporación del solvente, en nuestro caso Agua.

El secador NIRO Atomizar es un equipo a nivel industrial usado para la remoción a gran escala de solventes presentes en una suspensión y se usa ampliamente en muchas industrias.

La humedad relativa del aire luego del calentamiento fue muy baja, sin embargo al recibir la humedad de las gotas dispersadas por transferencia de masa su estado relativo de saturación aumentó, aumentando a la vez la temperatura.

Para obtener respuestas más reales se debería proceder a calcular el flujo de gas y su humedad teniendo en cuenta el punto 4.10 puesto que estos cálculos involucran todas las variables medidas en el experimento, el cálculo para el caso adiabático toma consideraciones y aproximaciones que son poco probables para obtener un resultado confiable.

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8. ANEXO

[Escribir texto]

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