From liquid - to powder - to perfection
Temas básicos en el secado por aspersión
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Temas principales en el secado por aspersiónIntroducciónPrincipios del secadoFormación de la partículaCalentamiento del aireDiseño de la cámaraSeparación del producto seco y aspectos
ambientalesDetalles en el diseñoControl del sistema de secadoSeguridad en el secadoEconomía en la operación
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Introducción
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Secado por aspersión - Introducción
Definición.- Es la transformación de un líquido en un polvo al convertir el líquido en una nube de particulas y ponerlas en contacto con un gas caliente.
Antecedentes.- Se conocen aplicaciones industriales en leche y detergentes desde 1920, sin embargo mucho antes de esta fecha se conocen los principios del secado por aspersión, en la literatura y los patentes se tienen algunos referentes al huevo desde 1865, el pionero es el Sr. Samuel Percy y sus patentes de 1872.
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Selección del tipo de secado de acuerdo a las características físicas de la alimentación
El secado de acuerdo a las características de Alimentación
Liquido (solución)Liquido (concentrado)
Lechada (Slurry)SuspensiónPasta, bombeablePasta, no- bombeableTorta de filtración (Filter cake), cohesivaTorta de filtración (Filter cake), no-cohesiva
PartículasGranulados, aglomeradosPolvo
Spray dryer
Fluid bed
Spin flash dryer
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Usos en el área de lácteos
Fórmulas LácteasLeche en polvo descremadaLeche en polvo enteraPolvo de alta grasaPolvo de YoghurtBases para productos lácteos LactosaSuero de Leche
035
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Usos en el área de alimentos
HuevoGelatinaSabores NaturalesExtractos de hierbasCafé y TéJugos de frutasCrema de cocoLevaduraIngredientes:Maltodextrina, etc.
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Usos en el área Química
Químicos a granelQuímicos finosColorantesPetroquímicosAgroquímicosFertilizantesProductos
BiotecnológicosDetergentes
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Principios de secado
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Balance de energía y materia
1 2
3
4
1. Entrada de aire (Ga), (Ta)1, (Qa)1,( H1)
2. Entrada de producto (MS), (Ts)1, (Qs)1, ( Ws)1.
3. Salida de aire (Ga), (Ta)2, (Qa)2,( H2)
4. Entrada de producto (MS), (Ts)2, (Qs)2, ( Ws)2.
Premisas= lo que entra es igual a lo que sale
El calor que entra es igual al que sale mas lo que se pierdeMs: Kg/hr sólidos B.S.
Ws: humedad de los sólidos por kg B.S.
Ts: Temperatura del producto
Ta: temperatura del aire
H: humedad absoluta del aire
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Carta Psicométrica
Vapor de agua en el aire a 1.0133 bar
0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.20
100
50
400
350
300
250
200
150
8000
6000
5000
4000
3000
X kJ/kg
ΔH/ΔX kJ/kg
H kJ/kg 600
500400
300
200
100
1.21.11.0
0.9
0.8
0.7
0.6pr
opan
e
toC
rkg/m3
oil na
t. ga
s40
,000
20,0
00
Secado por Aspersión – Principios de secado
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Etapas del secado por aspersión• Atomización de la alimentación al Secador
RotatorioBoquillas
• Contacto de la nube de aspersión con el aire:Co- corrienteContra-corrienteMixto
• Evaporación de la nube• Separación del producto seco del aire de secado
Separación parcial en la cámara Separación del polvo en la unidad de separación
Secado por Aspersión – Principios de secado
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El secado de gotas en aire caliente
Relación entre la temperatura del aire y la del producto y el tiempo del secado
100
500
200
300
400
Temperatura del aire
Temperatura del producto
Principio del secado
1
23 4
5
1 Transferencia de calor al sólido por convección2 Transferencia de calor interna3 Evaporación4 Difusión interna del vapor de agua5 Transferencia de masa externa por convección del agua al aire
Fin del secado
Temperatura oC
Secado por Aspersión – Principios de secado
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Perfil Típico de Temperatura dentro de un Secador
200 -110 oC110 -105 oC105 -100 oC100 - 95 oC95 - 80 oC80 - 60 oC60 - oC
T entrada : 200 oCT salida : 100 oC
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Secado por Aspersión – Principios de secado
Efecto de la temperatura de entrada
3000
3500
4000
4500
5000
5500
6000
6500
7000
7500
8000
100 130 160 190 220 250 280 310 340 370 400
Temperatura de entrada de aire, oC
Con
sum
o de
ene
rgía
,KJ/
kg
Temperatura de salida
40 0C arriba del punto de roció
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Formación de la partícula
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Atomizadores Centrífugos
Atomizadores centrífugos de 0,5 - 1200 kW.Atomizadores acoplados directa e indirectamente
Capacidades hasta 100 t/h
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Secado por Aspersión – Formación de la partícula
El distribuidor de aire y un atomizador rotatorio
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H19P nozzle atomizer
Las lanzas individuales se pueden cambiar durante la operación
Secado por Aspersión – Formación de la partícula
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Secado por Aspersión – formación de la partícula
HP nozzle atomizer “Atomizador de alta presión”
El Atomizador HP es flexible y permite regresar los finos para su aglomeración.
Central nozzle
ProductProductFines
Air distributor
Peripheral nozzle
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Secado por Aspersión – formación de la partícula
Micro photos
Típicas Fotos de partículas formadas por atomización
Pressure nozzle atomization
Centrifugal atomization
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Secado por Aspersión – formación de la partícula
La operación de aspersión es afectada por: La presión, densidad del líquido y la viscosidad del líquido.
• El ángulo de Aspersión: se requiere un mínimo de presión para generar un ángulo de espreado 1.4 atm. (20 psi), al aumentar la presión disminuye el ángulo.
• Efectos de las variables en el tamaño de partícula:Efecto de la capacidad en el tamaño de la partícula, Normalmente si se trabaja por debajo de la capacidad de la boquilla, el tamaño de la partícula ira disminuyendo hasta llegar a la capacidad. El flujo está ligado a la presión.Partículas más pequeñas se formaran con boquillas de mayor ángulo.A mayor presión menor tamaño de partícula.A mayor viscosidad mayor tamaño de partícula. La viscosidad está relacionada con la densidad (mayor o menor materia) y la temperatura.
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Secado por Aspersión – Calentamiento de Aire
Clasificaciones de tipo de Calentadores• Directo: GN, GLP, Combustoleo • Indirecto: GN, GLP, Vapor, Electricidad, Líquido térmico
Calentamiento de Aire
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Secado por Aspersión – Calentamiento de Aire
Requerimiento específico de aire para secado
10
100
1000
0 50 100 150 200 250
Temperatura de Aire de entrada C۫ ۫
kg A
ire p
or k
gag
ua e
vap
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Secado por Aspersión – Calentamiento de Aire
Clasificaciones de tipo de secadoresDirecto e indirecto
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Secado por Aspersión – Calentamiento de Aire
Calentador indirecto de gas
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Secado por Aspersión – Diseño de la Cámara
Diseño de la cámara
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Secado por Aspersión – Diseño de la Cámara
Distribución del tamaño de la partícula1
10
1001 10 100 1000
Diámetro de la partícula en mm.
Porc
enta
je e
n pe
so
en una etapa Dos etapas Tres etapasMulti etapas SBD agglomerador.
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Secado por Aspersión – Diseño de la Cámara
Flujo de Aire y producto
A = AireF = Producto (Feed)
AF
Co-Current
Counter-Current Mixed Flow
A
AF
AFA
AAF
A F F A F A
A
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Sistema de Secado por aspersión en la Industria Láctea y de Alimentos
Secado en una etapa (1CSD)
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Sistema de Secado por aspersión en la Industria Láctea y de Alimentos
Secado en dos etapas (2CSD)
Salida de producto
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Sistema de Secado por aspersión en la Industria Láctea y de Alimentos
Secado en 3 etapas con retorno de finos(3CSD)
1 Calentador de aire2 Distribuidor de
aire3 Atomizador4 Sist. alimentación5 Cámara de
secado6 L.F. integrado7 L.F. externo8 Manejo de aire del
L.F.9 Ciclón recolector10 Filtro de bolsas
12
3
5
46
8 7
910
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Secado por Aspersión – Diseño de la Cámara
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Secado por Aspersión – Aspectos técnicos
•Ciclones•Filtros de bolsas•Lavador húmedo•Precipitador electrostático•Oxidador térmico (VOC)
Separación del producto seco y aspectos ambientales
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Separación del producto seco y aspectos ambientales
Recuperación de Producto
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Separación del producto seco y aspectos ambientales
Filtro de Bolsas CIP-able
Aire limpioAire de limpieza por pulsos
Finos en limpiezaSeparación de producto
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Separación del producto seco y aspectos ambientales
Environmental concerns - scrubber
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Separación del producto seco y aspectos ambientales
Filtro de bolsas.
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Secado por Aspersión – Detalles de diseño
Detalles de Diseño del secado por aspersión
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Secado por Aspersión – Detalles de diseño
Tiempo de residencia Corto.- De 10 a 15 segundos, recomendado pata polvos
finos no sensitivos al tratamiento térmico, conteniendo altas cantidades de humedad no ligada, no higroscópicos.
Medio.- de 25 a 35 segundos, recomendado para polvos semi-gruesos con tamaño medio de partícula por debajo de 180 micras, para productos sensitivos y resistentes al tratamiento térmico, humedad residual requerida baja (3 al 1%), higroscópicos.
Largo. - 40 segundos o mas, recomendado para polvos muy gruesos con tamaño medio de partícula de 200 a 275 micras, no sensibles al tratamiento térmico y humedad residual muy baja (menor a 0.5%)
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Secado por Aspersión – Detalles de diseño
Temperatura de entrada Se usa el mayor valor posible basado en la sensibilidad al tratamiento térmico, efecto del calor en la estructura química del producto (degradación o descomposición), riesgo de explosión o incendio del producto, ,máxima temperatura recomendable para la operación del equipo.
Temperatura de salida La determina la humedad residual requerida.
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Generalidades para selección de sistema de atomización Condición Atomización
Rotatoria BoquillasCámara de secado Co — corriente si siContra corriente no si Flujo cruzado no si
Rotatoria Boquillas Propiedades de la alimentación Soluciones y emulsionesBaja viscosidad si siAlta viscosidad si no EmulsionesNo abrasiva si siMedio abrasiva si siMuy abrasiva si noFlujo de alimentaciónMenor a 3 m3/hr si siMayor a 3 m3/hr si no Gota/Tamaño de partícula (mean)De 30 a 120 micras si noDe 120 o 250 micras no si
Secado por Aspersión – Detalles de diseño
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Sistema de separación y limpieza del aire
De bajo costo y mantenimiento con facilidad de limpieza, la mejor opción son los ciclones. De costo medio, muy eficiente y específicamente para plantas de descarga en un solo punto y productos de alto valor, con temperaturas de aire exhausto por debajo de los 110ºC, lo recomendable son los filtros de bolsas.
Cuando la recuperación de producto es importante, pero es más los requerimientos ambientales. la combinación de ciclones y lavador húmedo es lo mas adecuado.
En caso de presentar alto volúmenes de VOC’s se requerirá de un oxidador térmico o un lavador Húmedo químico
Secado por Aspersión – Detalles de diseño
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La combinación de Ventilador de suministro y Exhausto
El ventilador de suministro es colocado en el lado de entrada de aire a la cámara. Este ventilador fuerza el aire a través del calentador y el dispersor de aire hasta que entra en la cámara y el ventilador de exhausto evacua el aire introducido a la cámara, más el agua evaporada y los aires auxiliares del sistema.
Usando esta combinación, el sistema obtiene gran flexibilidad en lo que respecta a la presión de operación de la cámara. El ventilador de suministro esta dimensionado para balancear el ventilador de exhausto y la cámara puede operar a presiones cerca de la atmosférica si se requiere- Lo normal es operar la cámara a una presión que oscila de cero a —10 mm c.a.
La presión de operación de la cámara con frecuencia controla la carga de polvo que el aire exhausto acarrea hacia el sistema de separación y limpieza de gases. De esta manera, la presión de operación de la cámara puede ser ajustada para obtener la carga de polvo óptima para eficientar la operación del sistema de separación y limpieza de gases.
Secado por Aspersión – Detalles de diseño
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Presión de operación de la cámara.El correcto balance entre los ventiladores de suministro y exhausto, determina la
presión de operación de la cámara. De esta manera, por medio de la apertura de las compuertas de regulación de flujo incorporadas a la succión de los ventiladores o en la actualidad la utilización de variadores de frecuencia, se puede variar el flujo de aire que desplaza cada ventilador Por ejemplo, si la apertura de la compuerta del ventilador de suministro excede la capacidad de evacuación (incluyendo aires auxiliares y la evaporación) del ventilador de exhausto, entonces el sistema se presiona y se presentan anomalías en la distribución del aire, depósitos en las paredes de la cámara, alto acarreo de polvo al sistema de limpieza, alta temperatura de producto, etc
En el caso contrario, la cámara trabaja en una condición de alto vacío, causando primero una reducción en la capacidad de la planta (por la falta de aire seco para transportar el agua evaporada), disminución de la temperatura de exhausto y aumento en la humedad residual del producto.
En la condición de vacío existe por lo regular un sistema de protección (interruptor de baja presión), que inhabilita el ventilador de exhausto para prevenir una situación de colapsamiento de la cámara
Secado por Aspersión – Detalles de diseño
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Criterios importantes en el diseño de una planta de secado por aspersión
CapacidadPropiedad del productoSeguridadHabilidad de la planta (tiempos muertos, cambios de producto)Consideraciones ambientalesCostos de operación
Secado por Aspersión – Detalles de diseño
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Secado por Aspersión – Control del sistema
Control del Sistema de Secado por Aspersión
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Secado por Aspersión – Control del sistema
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Ajuste de la presión de Operación
El ajuste de la presión de operación de la cámara se efectúa a través del control de la apertura de la compuerta de regulación de flujo del ventilador de exhausto. Esta apertura esta regida por un controlador de presión localizado en el cuerpo del secador y transmite una señal de apertura o cierre que es directamente proporcional al vacío de la cámara, esto es, alto vacío, entonces cierra la compuerta y viceversa.
La presión dentro del secador, de esta manera, solo varia por la manipulación de la apertura/cierre de la compuerta de regulación de flujo de aire del ventilador de suministro, haciéndose la compensación al punto de ajuste (set point) del controlador, por medio de la apertura/cierre de la compuerta del ventilador de exhausto.
Secado por Aspersión – Control del sistema
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Control de la temperaturas de OperaciónTemperatura de entrada.-Es normalmente constante, manteniendo de esta manera una
entrada fija de energía al sistema, por medio del control de flujo de combustible (en el caso de calentadores directos o indirectos) o el de vapor (en el caso de calentadores de aire indirectos)
Temperatura de salida o del aire exhaustoDado que la temperatura de entrada es preferible mantenerla
constante, la temperatura de salida del sistema es controlada por medio de un loop que ajusta la cantidad de alimentación enviada al sistema. El control de este flujo puede ser por medio de una válvula de control o por medio de la variación de la velocidad de la bomba de alimentación.
Secado por Aspersión – Control del sistema
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Seguridad en la Operación de Secado
Secado por Aspersión – Seguridad
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Métodos para protegerse de una explosión de polvo
Métodos:• Venteo• Supresión • Contención• Gas inerte como medio de secado
Secado por Aspersión – Seguridad
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Venteo
Ventajas:• Tecnología ampliamente conocida e
información para su dimensionamiento• Relativamente baja inversión
Desventajas:• El producto se lanza a la atmósfera• Mayor efecto psicológico cuando se activa • Menor flexibilidad en el arreglo de planta ( Plant
layout).
Secado por Aspersión – Seguridad
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Venteo de una explosión de polvo
Secado por Aspersión – Seguridad
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Supresión
Ventajas:• Contiene la explosión dentro del secador
Desventajas:• Muy alto costo de inversión• Requiere servicio de mantenimiento constante
de especialistas• Requiere de mucha instrumentación • Contamina la planta y el producto si se activa
por error
Secado por Aspersión – Seguridad
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Contención
Ventajas:• Contiene la explosión• No requiere instrumentación especial • No se utiliza ningún medio de extinción
Desventajas:• Se requiere equipo diseñado a muy altas
presiones• El mantenimiento y limpieza de la planta se
dificulta• Costo de inversión muy alto
Secado por Aspersión – Seguridad
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Gas inerte como medio de secado
Ventajas:• Elimina la posibilidad de que ocurra una
explosión• Virtualmente ninguna cantidad de gas escapara
de la planta
Desventaja:• Mayor complicación del diseño de la planta y del
control• Consume gas inerte• Consume agua de enfriamiento
Secado por Aspersión – Seguridad
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Explosión
Factores que se requieren:• Producto flamable• Oxigeno• Fuente de ignición
Medidas para contrarrestar la explosión:• Remover el oxigeno• Eliminar las fuentes de ignición
Secado por Aspersión – Seguridad
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Fuentes de ignición
Típicas fuentes:• Chispas de partes en movimiento• Electricidad estática• Equipos eléctricos sobre calentados y superficies calientes
Medidas para contrarrestar:• Que todas las partes en movimiento no produzcan chispas• Cuidadoso aterrizaje de la planta• Usar el adecuado material eléctrico de acuerdo a la
clasificación de área e intrínsicamente instrumentación segura• Un buen diseño de ventilación del área de producción.
Secado por Aspersión – Seguridad
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Diagrama de una planta de circuito cerrado
A
1 3
2
B
6 G
F
4
D
5
E
C
A alimentaciónB vaporC agua de enfriamientoD polvoE solventeF nitrógenoG venteo de gas
1 Tanque de alimentación
2 atomizador3 Cámara de secado4 ciclón5 condensador6 Calentador de gas
Secado por Aspersión – Seguridad
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Secador por aspersión de circuito cerrado
Secado por Aspersión – Seguridad
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Sistema de bajo oxigeno (Lo-Ox)
Air heater
Combustion air inlet
Air outlet
Powder outlet
Condensate
Scrubber/condenser
Air inlet
Secado por Aspersión – Seguridad
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Secador por aspersión de bajo oxigeno(Low-Ox)
Secado por Aspersión – Seguridad
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Economía en la operación.• Mayor temperatura posible sin degradar el producto.• Mayor tiempo de utilización de la planta en continuo.• Utilización de los sistemas automáticos de control en
especial los variadores de frecuencia.• Utilización de sistemas de recuperación de calor.• Evitar perdidas de calor (fugas).
Secado por Aspersión – Economía en la operación
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Sistemas ecológicos de recuperación de calor
Secado por Aspersión – Economía en la operación
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ConclusiónIntroducciónPrincipios del secadoFormación de la partículaCalentamiento del aireDiseño de la cámaraSeparación del producto seco y aspectos
ambientalesDetalles en el diseñoControl del sistema de secadoSeguridad en el secadoEconomía en la operación
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