SECADO DE SOLIDOS

INTRODUCCION 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 productos finales 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 %.

DEFINICION

El secado puede ser:

Directo (Aire) Continuo Discontinuo

Indirecto (fuente térmica)

De modo general se pueden clasificar las operaciones de secado en continuas y discontinuas. En las operaciones continuas pasan continuamente a través del equipo tanto la sustancia a secar como el gas. La operación discontinua en la práctica se refiere generalmente a un proceso semicontinuo, en el que se expone una cierta cantidad de sustancia a secar a una corriente de gas que fluye continuamente en la que se evapora la humedad (Treybal, 1965).

HUMEDAD

La humedad H de una mezcla de aire-aguase define como la masa de vapor de agua por unidad de masa de aire seco

Utilizando la ecuación general de los gases ideales se puede expresar la ecuación anterior :

PA=Presión parcial del agua en el aire PT=Presión total de la mezcla aire agua MA=Peso molecular del agua (18g/mol) MB=Peso molecular del aire (29g/mol)

Se puede deducir la ecuación anterior que la humedad solo depende de la presión del agua y la presión total del sistema

Humedad del sistema Una mezcla de aire-agua esta saturada a cierta temperatura y presión , cuando la presión parcial

del agua en la mezcla es igual a la presión de vapor del agua de tal manera que:

Donde PAS es la presión de vapor del agua pura a la temperatura y a la presión dada y HS es humedad de saturación

Porcentaje de humedad El porcentaje de humedad se define como la relación porcentual de la humedad con con respecto a la humedad de saturación :

RELACION ENTRE %H y Hr

Es necesario advertir que el porcentaje de humedad (%H) no es igual al porcentaje de humedad relativa (Hr)

Punto de roció El punto de roció de una mezcla aire-agua es la temperatura a la cual dicha mezcla ( sin estar en contacto con agua ) se satura al ser enfriado a presión total constante. Cuando una mezcla en su punto de roció se enfría mas allá de ese punto , el vapor de agua condensa formando una neblina o roció .En este proceso la humedad de la mezcla no cambia, de tal manera que se puede calcular el punto de roció de una mezcla utilizando carta psicométrica.

Humedad en el equilibrio x*: Es el contenido de humedad de una sustancia que está en el equilibrio con una presión parcial dada del vapor.

Humedad ligada: Se refiere a !a humedad contenida en una sustancia que ejerce una presión de vapor en el equilibrio menor que la del líquido puro a la misma temperatura.

Humedad no ligada: Se refiere a la humedad contenida en una sustancia que ejerce una presión de vapor en el equilibrio igual a la del líquido puro a la misma temperatura.

Humedad libre. La humedad libre es la humedad contenida por una sustancia en exceso de la humedad en el equilibrio: X - x*. Sólo puede evaporarse la humedad libre; contenido de humedad libre de un sólido depende de la concentración del vapor en el gas

Efectos colaterales del secado Cuando el secado de un material biológico no se realiza

apropiadamente, se presentan daños que afectan la calidad del producto, tales como:

• Endurecimiento. Se presenta cuando la velocidad de secado es muy alta y el sólido forma una capa interior húmeda y una capa exterior seca e impermeable, que impide la evaporación y el secado.

•Deshidratación química. Consiste en la eliminación de agua de la estructura molecular del producto y también se origina por una velocidad de secado alta.

• Desnaturalización. Es el daño que sufren las proteínas en el secado. Este proceso generalmente sigue una cinética de primer orden.

CINETICA DEL SECADO : Se define la velocidad de secado por la pérdida de humedad del sólido húmedo en la unidad de tiempo ,operando en condiciones constantes de secado , es decir con aire cuyas condiciones (temperatura, presión ,humedad y velocidad)permanecen constantes con el tiempo.

Ecuación(I)

Una plancha de cartón de dimensiones 100cm x100cmx1cm se somete a secado por ambas caras en condiciones constantes. Cuando se introduce en el secadero su peso es de 15Kg y durante las dos primeras horas de secado pierde 5 Kg de agua ,secándose con velocidad constante .A partir de ese momento ,la velocidad de secado es decreciente ,y después del tiempo suficiente ,la velocidad de secado se hace cero ,reduciéndose el peso de la plancha a 7,5 Kg. En las condiciones en que se efectúa el secado el cuerpo ya no pierde más peso ;sin embargo, la determinación de humedad del sólido a la salida del secadero indica que contiene todavía 1,5 Kg de agua ,Calcúlese

a)La humedad críticab)La velocidad de secado en periodo anticríticoc)La humedad de equilibrio d)La humedad libre en el punto crítico

Tiempo de Secado:a partir de la ecuación (I) se puede cacular la duración del secado por integración entre la humedades inicial y final

Si no se conoce la forma en que varía la velocidad de secado en este periodo se puede obtener una expresión aproximada suponiendo que la variación es lineal desde la humedad crítica hasta la humedad de equilibrio

EJEMPLO: Se han obtenido los datos siguientes en el secado de un material en condiciones constantes:horas……………………………………………….…… 0 1 2 4.5Humedad, Kg de agua/Kg de solido seco 0.63 0.48 0.33 0.1125

Durante las dos primeras horas la velocidad de secado es constante. En las condiciones de operación la humedad de equilibrio es X*=0.05Kg de agua/Kg de solido seco. Calcúlese el aumento porcentual del tiempo de secado si en lugar de reducir la humedad al 11.25% se reduce al 8%

Solución: Para reducir la humedad del 63% hasta el 11.25% necesitamos 4.5h, correspondiendo 2.5h al periodo poscritico. Admitiendo que para todo este periodo de secado varia linealmente con la humedad hasta la conclusión del secado, el tiempo empleado para secar el material desde XC hasta X1= 0.1125 (2.5h) nos lleva a la expresión

El tiempo empleado para reducir la humedad desde el 11.25% al 8% será:

Dividiendo miembro a miembro la ecuaciones (B) y (A)

El aumento porcentual sobre el tiempo total de secado será:

BALANCE DE MATERIA Y ENERGIAEn la figura 3 se muestra un diagrama de flujo para un secador continuo, arreglado para el flujo a contracorriente. El sólido entra con un flujo SS masa sólido seco/tiempo (área); se seca de X1 a X2 masa humedad/masa sólido seco y sufre un cambio de temperatura de ts1 a ts2. El gas fluye con una rapidez Gs masa gas seco/tiempo (área) y sufre un cambio de humedad de Y2 a Y1 masa humedad/masa gas seco y un cambio de temperatura tG1 a tG2 . Entonces, un balance de humedad es: 

SECADOR CONTINUO

Figura 3 Balance de materia secador continúo

La entalpía del sólido húmedo está dada por la ecuación

En donde H’S = entalpía del sólido húmedo en tS con respecto al sólido y líquido a la temperatura de referencia t0, energía/masa sólido seco.CS = capacidad calorífica del sólido seco, energía/masa (temp.)CA = capacidad calorífica de la humedad, como un líquido, energía/masa (temp.)∆HA = calor integral de humidificación (o de adsorción, hidratación o solución) con referencia al líquido y sólido puros, en t0, energía/masa sólido seco.

Si la pérdida neta de calor en el secador es Q energía/tiempo, el balance de entalpía se vuelve:

Balance de materia y entalpia, secador continúo en contracorriente

Ejemplo 12.7 Un secador rotatorio a contracorriente con aire caliente, no aislado se va a utilizar para secar sulfato de amonio de 3.5 a 0.2% de humedad. El secador tiene 1.2 m (4 ft) de diámetro, 6.7 m (22 ft) longitud. Se va a calentar aire atmosférico a 25 °C, 50% de humedad, pasándolo sobre espirales de calentamiento hasta que llegue a 90 °C antes de que entre en el secador; se desea descargarlo a 32 °C. El sólido va a entrar a 25 °C; se espera descargarlo a 60 °C. Se van a introducir 900 kg de producto por hora. Calcule las necesidades de aire y calor para el secador.

SOLUCIÓN Defina los flujos en función de kg/h. X2 = 0.2/(100 - 0.2) = 0.0020; X1 = 3.5/(100 - 3.5) = 0.0363 kg agua/kg sólido seco. SS = 900(1 - 0.0020) = 898.2 kg sólido seco/h.

La rapidez de secado = 898.2 (0.0363 - 0.0020) = 30.81 kg agua evap. /h.

A 25 °C, 50% humedad, la humedad absoluta del aire que se tiene = 0.010 kg agua/kg aire seco = Y2.

Puesto que tG2 = 90 °C y con t0 = 0 °C, la entalpía del aire que entra al secador (Tabla 7.1) es

H’G2 =[1005 + 1884(0.01)] 90 + 2 502 300(0.01) = 117 200 J/kg aire seco Para el aire saliente, tG1 = 32 °C, H’G1= (1005 + 1884Y2) (32) + 2 502 3OOY1 = 32 160 + 2 504 200Y1

La capacidad calorífica del sulfato de amonio seco es CS = 1 507 y la del agua 4 187 J/kg K. Se va a suponer que ∆HA es despreciable Se toma t0 = 0 °C, de forma que las entalpías del gas y del sólido sean uniformes; puesto que tS1 = 25 °C, tS2 = 60 °C,

las entalpías del sólido, J/kg solido seco, son: [ecuación (ll .45)]  H’S2 = 1507(60 - 0) + 0.002(4187)(60 - 0) = 90 922 H’S1- 1507(25 - 0) + 0.0363 (4187)(25 - 0) = 41 475

El coeficiente estimado de transferencia de calor para la convección natural y la radiación combinado, desde el secador a los alrededores, es 12 W/m2. K. La t promedio entre el secador y los alrededores se toma como

[(90 - 25) + (32 - 25)]/2 = 36 °C Y el área expuesta como Π(1.2)(6.7) = 25.3 m2, de donde la pérdida de calor estimada es Q = 12(3600)(25.3)(36) = 39 350 kJ/h

El balance de humedad 898.2 (0.0363 - 0.002) = Gs( Y1 - 0.01) El balance de entalpía 898.2(41 475) + Gs(117 200) = 898.2(90 922) + Gs(32 160 + 2 504 2OOY,) + 39 350 000  Cuando se resuelven simultáneamente, se obtiene GS = 2 682 kg aire seco/h Y1 = 0.0215 kg agua/kg aire seco

La entalpia del aire fresco es 56 kJ/kg aire seco; Por lo tanto, la carga calorífica del calentador es 2 682(117 200 - 56 000) = 164 140 kJ/h. Si el vapor está a la presión de 70 kN/m2 (10.2 psig), cuyo calor latente es 2 215 kJ/kg,

el vapor que se requiere es 164 140/2 215 = 74.1 kg vapor/h o 74.1/30.81 = 2.4 kg vapor/kg agua evaporada.