preinforme secado por_lotes

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Preparado por: Catalina Arango Bedoya Javier Alonso Ordoñez Karime Galvis Mayra Alejandra Perez UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA SEDE MEDELLIÍN Laboratorio de Operaciones de Transferencia y Control de Procesos TUNEL DE SECADO OBJETIVO GENERAL Determinar la curva de secado con los datos obtenidos durante la práctica, es decir, la curva de la variación de la humedad con el tiempo, la cual será útil para determinar el tiempo necesario para el secado de un mismo sólido bajo diferentes condiciones con el

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Page 1: Preinforme secado por_lotes

Preparado por:

Catalina Arango Bedoya

Javier Alonso Ordoñez

Karime Galvis

Mayra Alejandra Perez

UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA

SEDE MEDELLIÍN

Laboratorio de Operaciones de Transferencia y Control de Procesos

TUNEL DE SECADO

OBJETIVO GENERAL

Determinar la curva de secado con los datos obtenidos durante la práctica, es decir, la curva de la variación de la humedad con el tiempo, la cual será útil para determinar el tiempo necesario para el secado de un mismo sólido bajo diferentes condiciones con el fin de tener una idea de la influencia que tienen en la velocidad de secado las variables del proceso: temperatura, velocidad del aire, etc. Estos datos se convertirán a régimen de secado a partir de los modelos teóricos existentes y serán llevados a un gráfico en función del contenido de humedad.

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INTRODUCCIÓN

Cuando hablamos de secado nos referimos a la separación de pequeñas cantidades de agua o líquido, de un sólido, por evaporación de este en presencia o no de una corriente de gas. El secado es habitualmente la etapa final de una serie de operaciones.

Los equipos para secado se pueden clasificar de dos maneras: Secadores directos y secadores indirectos, el secador que se encuentra en el Laboratorio De Operaciones Unitarias está dentro del grupo de secadores directos, ya que en este la transferencia de calor se logra por contacto directo entre el sólido húmedo y el gas caliente. Más específicamente este equipo es un secador D- Por lotes, por lo que sabemos que las condiciones de contenido de humedad y temperatura varían continuamente en cualquier punto de este.

El túnel de secado con el que trabajaremos es un secador de bandeja, por lo que consiste en un gabinete para alojar los materiales a secar, en el cual se hace correr suficiente cantidad de aire caliente. Para este tipo de secadores son importantes variables como:

Tiempo de contacto entre el sólido y el gas, como el área de contacto. Gradiente de temperatura. Humedad del sólido y el gas. Resistencia del sólido. Velocidad del gas. Espesor del sólido.

En el laboratorio realizamos varias mediciones con el fin de entender este proceso, además de obtener datos experimentales que nos sirvan como parámetros para un diseño a nivel industrial.

1. HIPOTESIS EXPERIMENTAL

A partir del secado de sólidos se puede obtener una curva de rapidez de secado, la cual nos da información de cómo es la velocidad de secado y en qué momento se logra una humedad deseada, a la vez que marca un margen de cuando detener la operación.

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2. CONCEPTOS BÁSICOS

2.1 SECADO DE SOLIDOS

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. En particular, el secado de sólidos comienza cuando se establece un flujo de moléculas de agua desde el interior del sólido hacia el seno de aire, formándose así un gradiente de humedad entre la superficie del sólido y el interior del mismo. Este gradiente actúa coma la fuerza impulsora de las moléculas de agua, que las lleva hasta la interfase sólido-aire. Cuando las dos presiones se igualan, se dice que el sólido y el gas están en equilibrio y el proceso de secado cesa.

En el mercado de equipos para la industria química hay muchos tipos de secadores, cada uno diseñado para su propia especialidad y algunos lo suficientemente versátiles como para secar más de un solo tipo de material húmedo. Sin embargo, la elección de un tipo de secador para un servicio en particular por parte del ingeniero, se reduce a elegir entre los tipos de secadores existentes, teniendo en cuenta el rendimiento y costo de cada uno de ellos.

2.2 TIPOS DE SECADORES

Los equipos utilizados para secar se pueden clasificar de acuerdo a cualquiera de estas categorías:

I. Métodos de operación: Continuos ó Discontinuos.II. Métodos de propiciar el calor necesario para la evaporación de la humedad: En secadores

directos e indirectos

III. Naturaleza de la sustancia a secar: Puede ser la sustancia un sólido rígido como la madera, un material flexible como el papel o la tela, un sólido granular tal como la masa de cristales, entre otros.

Los diferentes tipos de secadores se pueden observar en el siguiente diagrama:

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3.3 DEFINICIONES FUNDAMENTALES

Contenido de humedad, base seca

SECADORES

CALENTAMIENTO DIRECTO

CALENTAMIENTO INDIRECTO

CONTINUOS DISCONTINUOS CONTINUOS DISCONTINUOS

De túnel

Neumáticos

Ciclonicos

De cama chorreada

De cama vibratoria

De lecho fluidizado

Sprays

De tipo turbina

Rotatorios

De bandeja con

corriente de aire

Con circulación a

través del lecho sólido

Lecho Fluidizado

De tambor

Con circulación a

través del lecho

De bandeja de vacío

De bandeja a presión

atmosférica

Por congelación

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Contenido de humedad, base húmeda

Humedad de equilibrio: Humedad del sólido cuando su presión de vapor se iguala a la presión de vapor del gas. Es decir, humedad del sólido cuando está en equilibrio con el gas.

Humedad libre: Es la humedad del sólido; que es la humedad que está en exceso con relación a la humedad de equilibrio. Es ésta la humedad que se puede evaporar y depende de la concentración de vapor en la corriente gaseosa.

Humedad crítica: Es la humedad a la cual se cambia del periodo régimen constante al periodo de caída de régimen en la curva de régimen de secado.

Cuando se produce la evaporación superficial, debe haber un movimiento de humedad desde las profundidades del sólido hacia la superficie, es decir, que los líquidos se mueven dentro del solido, este hecho tiene relación con las curvas fundamentales de secado, las cuales mostraremos más adelante, por eso es importante entender varios conceptos, por medio de los cuales se ha buscado explicar este movimiento

Difusión liquida: Se puede producir la difusión de la humedad líquida debido a los gradientes de concentración entre las profundidades del sólido, donde la concentración es alta y la superficie donde ésta es baja (Treybal, 1965).

Movimiento capilar: La humedad se traslada a través de capilares e intersticios de los sólidos mediante un mecanismo que implica tensión superficial. Los capilares se extienden desde pequeños receptáculos de humedad dentro del sólido hasta la superficie de secado. A medida que se lleva a cabo el secado, al principio la humedad se traslada por capilaridad hacia la superficie con suficiente rapidez, siendo constante el régimen de secado.

Más adelante en las curvas de régimen de secado nos referiremos a términos como

Condiciones internas: Están definidas, por la transferencia de calor y de masa a través del sólido. En el caso que predominen, es decir, que la resistencia a la transferencia de masa a través del material sea muy superior a la de la capa límite del gas, la difusión interna controlará el proceso y lo más importante será las propiedades del sólido.

Condiciones externas: Están definidas por la resistencia a la transferencia de calor y de masa de la capa límite del gas, y en el caso que predominen, el secado no dependerá de las características del sólido sino de las condiciones del gas, y estará controlado por la transferencia de masa y calor entre el gas y la superficie del sólido, empleándose en la

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evaporación todo el calor que se recibe del gas, la cual se comporta como una superficie libre de agua.

Comportamiento higroscópico: Es la capacidad de algunas sustancias de absorber o ceder humedad de sus alrededores.

Temperatura de bulbo húmedo: Es la temperatura que da un termómetro con el bulbo envuelto en una mecha de algodón húmedo bajo una corriente de aire.

3. SECADO EN LA INGENIERIA QUIMICA

Las razones para realizar el secado de un material son tan amplias como la variedad de materiales que necesitan o pueden ser secados. Por ejemplo algunos polvos necesitan perder humedad antes de ser prensados, asunto que es de importancia en la industria de la química farmacéutica. El secado también puede disminuir los costos de transporte.

Ahora bien en la industria química el secado es una operación muy importante y es muy común que sea la última operación en la producción precedente a la salida del producto resultante, varios ejemplos de tales procesos en los que es necesario el secado resultan ser:

Secado de materiales de construcción, materiales biológicos y productos poliméricos. En diversos procesos de tratamientos de desechos sólidos se incluye la remoción de

humedad para el desecho limpio y seguro o reciclaje de esos materiales, siendo asi este proceso de gran relevancia en muchos procesos productivos para el cuidado del medio ambiente.

El secado está presente en la mayoría de procesos de fabricación de alimentos.

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4. EQUIPO

4.1 DESCRIPCION GENERAL

FIGURA 1. Equipo túnel de secado

4.1.1 Cuerpo del equipo

El túnel de secado que se encuentra en el laboratorio de operaciones unitarias es un secador de bandeja que está conformado por varios módulos de hierro galvanizado calibre 22., el aire ingresa al secador utilizando un ventilador de aspas con un motor SIEMENS cuya potencia es 0.9 hp. Dicho motor es trifásico a 220 voltios, y cuenta con un interruptor de encendido (botón verde) y apagado (botón rojo) el cual se encuentra en el panel frontal. El acceso de aire es regulado manualmente por medio de la válvula mariposa.

4.1.2 Sistema de calentamiento de aire y secado

En el ducto hay instaladas 10 resistencias eléctricas con aletas de tipo rectangular que transmiten la energía necesaria para el calentamiento del aire (1 kW/cada una). El aire ya calentado pasa a una cámara de secado (ancho = 25 cm, largo = 30 cm) que dispone de una ventana de acrílico de 45 x 25 cm para el ingreso de las muestras. En la cámara de secado el material se coloca sobre una bandeja de aluminio que se sostiene de un soporte acoplado a una balanza. Después de la cámara de secado el módulo siguiente presenta un ángulo suavizado de 90° (a este modulo se le conoce como cámara de secado transversal a través del cual el aire caliente y más húmedo sale del secador.

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En la cámara de secado también se encuentra instalada una termocupla, conectada a un lector de temperatura que se encuentra instalado en el panel frontal, y da la temperatura de secado dentro del túnel.

4.1.3 Potencia

El suministro de corriente al equipo se realiza por medio de un circuito eléctrico que parte del panel principal de breakers, Dicho circuito consta de un breaker trifásico de 80A, y tres líneas de cable de cobre AWG №4 (color negro), como complemento a dicho circuito se encuentran otros dos cables de cobre también AWG №6, uno para la tierra física y el otro para el neutro (ambos color negro). Al llegar dichas líneas al equipo la distribución de corriente a las resistencias se realiza por medio de líneas de cable de cobre AWG №10 (color verde) y №12 (color azul), el corte de la corriente se hace con la ayuda de un interruptor tipo cuchilla (corte principal para todas las resistencias), y de un interruptor también tipo cuchilla para cada una de ellas.

4.2 DESCRIPCION POR PARTES

FIGURA 2. Equipo túnel de secado por partes

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1. Es un ducto rectangular de 25 cm. de ancho por 30.5 cm. de largo. En ésta parte del ducto se mide la velocidad del aire.

2. Balanza3. Cabina de secado: El material de la cámara, al igual que el resto del túnel es hierro

galvanizado, a esta se le diseño una venta lateral (L=45 cm y W=25 cm), para el acceso de las bandejas, con seguro, bisagras y empaques para no permitir fugas.

4. Cuchilla de corriente para el circuito de resistencias. 5. Ventilador de aspas: accionado por los switches verde (apagado) y rojo (encendido) que

están ubicados al lado del indicador de temperatura. Este ventilador está conectado por medio de un juego de poleas y una banda a un motor SIEMENS cuya potencia es de0.9 hp y que tiene conexión eléctrica. El acceso de aire es regulado manualmente por medio de la válvula mariposa.

6. Válvula mariposa: manipula la entrada del aire, lo cual se traduce en caudal. 7. Entrada de aire. 8. De derecha a izquierda cuchillas de encendido y apagado de los circuitos C1 – C5. Cada

circuito está conformado por dos resistencias.

FIGURA 3. Diagrama de flujo del túnel de secado

4.3 OPERACIÓN BASICA DEL EQUIPO

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FIGURA 4. Panel de encendido del túnel de secado4.3.1 Encendido

• Verificar que todas los interruptores tipo cuchilla se encuentren en la posición de apagado, tanto la principal como las secundarias.• Encienda el breaker ubicado en el panel principal de breakers y rotulado “TUNEL DE SECADO”.• Instalar la balanza y el soporte para la bandeja que contendrá la muestra.• Encender el ventilador por medio del interruptor (botón verde).• Colocar el interruptor principal tipo cuchilla en la posición encendido.• Abrir la válvula mariposa hasta la posición deseada para la realización de la práctica.• Encender las resistencias que considere necesarias•Esperar unos minutos hasta que las condiciones del sistema permanezcan constantes y aproximadas a los valores deseados (temperatura y flujo volumétrico).• Introducir la bandeja con la muestra y tape rápidamente.

4.3.2 Apagado

• Apagar las resistencias por medio de los interruptores tipo cuchilla (los secundarios y el principal).• Esperar a que la temperatura de salida del aire sea igual a la temperatura de entrada, y proceda al apagado del ventilador por medio del interruptor (botón rojo).• Apagar el breaker ubicado en el panel principal de breakers y rotulado “TUNEL DE SECADO”.• Retire y proceda a determinar el peso de la muestra.• Proceder a la limpieza de los instrumentos suministrados y del sitio de trabajo

4.4 UBICACIÓN

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FIGURA 5. Ubicación del túnel de secado en el Laboratorio De Operaciones Unitarias5. PROCEDIMIENTO

Con el fin de llevar a cabo los objetivos de la práctica, se siguieron los siguientes pasos:

Instalar la balanza y el soporte para la bandeja que contendrá la muestra.

Encender el ventilador.

Colocar el interruptor tipo cuchilla en la posición de encendido.

Abrir la válvula mariposa hasta la posición deseada para fijar el flujo volumétrico de aire. Determinar su velocidad usando un anemómetro.

Encender la resistencia marcada con el número 1 (señalada con una flecha en la Fig.1), la cual proporcionara una temperatura adecuada para el secado.

Como la termocupla se encuentra mala, debe introducirse un termómetro en la cámara de secado, donde se introduce la bandeja con la muestra. En la parte trasera hay un hueco especialmente para ello.

En la misma cámara de secado debe introducirse el termómetro de bulbo húmedo, la cual también tiene un pequeño orificio para este fin.

Esperar unos minutos hasta que las condiciones del sistema se estabilicen, es decir, cuando los termómetros marquen una temperatura constante (dejen de aumentar).

Cubrir la bandeja con la muestra a secar procurando que esta tenga un espesor lo más pequeño posible (1-3 mm) de modo que el área de secado sea aproximadamente el área superficial de la muestra.

Introducir la bandeja y tapar rápidamente.

Tomar datos de peso de sólido y humedad relativa del aire de secado en intervalos de tiempo de inicialmente 2 minuto e ir incrementándolos a medida que el secado avance.

Cuando el peso de la muestra sea aproximadamente constante con el tiempo, apagar las resistencias por medio de los interruptores cuchilla.

Esperar a que la temperatura de salida del aire sea igual a la del aire a la entrada para apagar el ventilador.

Retirar la bandeja con la muestra y luego dejarlo secar en la estufa durante 24 horas.

Proceder con la limpieza de los instrumentos suministrados y del sitio de trabajo.

Pasadas las 24 horas, determinar el peso de sólido seco.

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6. CONSTRUCCION DE LAS CURVAS

Con el fin de fijar horarios de secado y determinar el tamaño del equipo, es necesario determinar el tiempo que se requerirá para secar una sustancia a partir de un contenido de humedad a otro en condiciones especificas.

En pro de este fin, la construcción de curvas de secado experimentales nos brindan una solución a este problema, pues con ellas podemos relacionar variables como la cantidad de humedad, velocidad de evaporación y cantidades predominantes de la transferencia de masa y calor entre la interfase sólida y el aire; así como su variación con la temperatura y la velocidad del aire.

6.1. CURVA DE VELOCIDAD DE EVAPORACION

El cambio en la cantidad de humedad (base seca) con respecto al tiempo de secado de una sustancia nos muestra como es el comportamiento en la evaporación y sus etapas.

FIGURA 6. Humedad del material vs. Tiempo. X (Kg. agua/Kg. solidó seco) vs. t (s)

Esta grafica se construye tomando el peso de la muestra a secar en un intervalo de

tiempo constante y graficando en las abscisas y en el eje

coordenado.

Peso inicial de la muestra (peso solido húmedo).

Peso de la muestra seca.

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Tiempo

6.2. CURVA DE RAPIDEZ DE SECACO

A partir de la grafica de humedad vs. tiempo puede obtenerse mucha información si se toman datos de las rapideces de secado y se grafican contra humedad.

FIGURA 7. Rapidez de secado vs. Humedad del material. N (Kg. agua/m2s) vs. X (Kg. agua/Kg. solidó seco)

Esta grafica puede realizarse midiendo las pendientes de las tangentes trazadas a la curva

de velocidad o tomando pequeños cambios de humedad para los cambios de tiempo

y calculando W

En estas curvas se pueden observar secciones de las cuales podemos obtener información y que se consideran típicas en un proceso de secado.

Se tiene así un periodo inicial (AB) en el cual la intensidad de la evaporación es poca esto debido a que la velocidad de evaporación aumenta mientras alcanza la

temperatura (temperatura de bulbo húmedo del gas).Una vez alcanzada esta

temperatura, en el proceso de secado, este se da a una velocidad constante de evaporación (BC) debido a que la cantidad de agua ligada en el sólido, en forma mecánica que pasa

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al liquido es igual al agua que se transporta por capilaridad hasta la superficie. este periodo se mantiene así hasta que alcanza el punto de humedad critica.

En el segundo período de secado (CE) o período de velocidad de secado decreciente; donde se evapora la humedad ligada del material y predominan las condiciones internas o las características internas y externas simultáneamente. En estas condiciones el sólido tiene un comportamiento higroscópico. Durante el período, la temperatura del material sobrepasa la de bulbo húmedo debido a que el descenso de la velocidad de secado rompe el equilibrio térmico que mantiene estable la temperatura y una parte considerable del calor se emplea en un calentamiento del sólido.

6.2. MODELO MATEMATICO PARA CALULAR EL TIEMPO DE SECADO

(1)

Reorganizando la ecuación se tiene

(2)

Integrando

(3)

Para una rapidez constante obtenemos

(4)

Para el caso en el cual la rapidez no es constante.

Si es menor que el secado se efectúa a velocidad variable, por lo que la ecuación (3) se

puede resolver de la siguiente forma:

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a) Caso general. La ecuación 3 se integra gráficamente a fin de determinar el área bajo la

curva con como ordenada y como abscisa, datos que se pueden obtener a

partir de la figura 7.b) Para el caso en que W varía linealmente con X, se toma la ecuación de una recta.

Donde

Pendiente de la porción lineal de la curva.

Constante.

Pero: Wi = mXi + b y Wf = mXf + b

Teniendo que

7. RECOMENDACIONES Y SEGURIDAD

Es importante tener en cuenta ciertas recomendaciones antes de iniciar la práctica, por esto hemos enumerado las siguientes:

No encienda las resistencias sin antes haber encendido el ventilador, ya que de lo contrario las resistencias se dañarían al no tener un fluido que les retirase la energía en forma de calor que estas producen.

Cuando apague las resistencias deje funcionado el ventilador por unos cuantos minutos hasta que la temperatura a la salida de la corriente de aire sea aproximadamente la del ambiente.

Antes de introducir la bandeja con el sólido húmedo en la canastilla, se debe pesar para obtener el dato del contenido de humedad inicial.

Procurar que el soporte de la balanza, no roce con ninguna parte del equipo, ya que esto puede desestabilizar y por tanto descontrolar el registro de la balanza.

Introduzca la muestra solo cuando las condiciones de temperatura y flujo sean constantes.

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En el proceso de toma de datos experimentales, preste especial atención a los datos relacionados a la zona del periodo de ajuste inicial, en el cual los intervalos de tiempo deben de ser pequeños para obtener puntos suficientes de análisis.

Si nota que alguno de los circuitos se está recalentando, proceda inmediatamente a su apagado y comuníquelo al monitor o al profesor.

Garantice que el bulbo del termómetro se encuentre húmedo al momento de realizar la medición de la temperatura de bulbo húmedo.

Realice una calibración inicial de los instrumentos de medición.

El valor del peso del sólido seco se obtiene secando la muestra en una estufa durante 24 horas a una temperatura de aproximadamente 60°C.

Tomar datos hasta que el valor del peso de la muestra se mantenga relativamente constante, hasta que la variación sea muy pequeña.

8. TABLAS DE DATOS

Se recomienda trabajar bajo las siguientes tablas, por eso es importante imprimirlas para tenerlas a la mano el día que se realice la práctica y así no olvidar ningún dato

TABLA 1. Condiciones del laboratorio

Presión atmosférica [mm Hg]Temperatura ambiente [°C]

TABLA 2. Condiciones iníciales (Túnel de secado)

Temperatura del aire la entradaTemperatura del aire en la cámara de secadoVelocidad del aire (m/s)Humedad relativa del aire de entrada [%]Espesor del sólido a secar [cm]Área ocupada por el sólido a secar [m²]Masa sólido seco [g]

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TABLA 3. Datos experimentales (Túnel de secado)

= Temperatura de bulbo húmedo

Temperatura del gas

Velocidad del gas

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Humedad relativa

9. BIBLIOGRAFIA

http://www.monografias.com/trabajos15/operacion-secado/operacion-secado.shtml#MOVIMIEN

http://www.romerconsulting.com/d054.htm Treybal R. C. " Operaciones con transferencia de masa" http://www.sarec-fiq.edu.ni/index.php?id=11 MSc. Ing. Luz María Contreras Velásquez. Aspectos teóricos de la operación de secado y su

aplicación en productos sólidos. Prácticas de laboratorio procesos de separación ll, UNAM, facultad de Ing. química