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.