1SECADO

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAOFacultad de Ingeniera QumicaProfesor: Ing. Celso Montalvo

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Secado La operacin de secado consiste en la eliminacin

de la humedad de un material slido una pasta. La humedad se retira del slido por evaporacin

por sublimacin. Requiere mucha energa, por ello previamente se

remueve la mayor cantidad de humedad posible por otros medios: gravedad, presin, vaco, compresin, sedimentacin, centrifugado, etc.

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Secado Modos de transferir calor para el secado.

Conveccin de un gas caliente en contacto con el slido. Conduccin desde una superficie caliente en contacto

con el slido. Radiacin desde un gas superficie caliente. Radiacin con ondas infrarrojas. Generacin de calor en el slido por irradiacin de

microondas por efectos dieltricos

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Secado Aplicaciones:

Secado de partculas cristalinas para flujo libre. Materiales biolgicos y alimentos para prevenir

descomposicin. Productos farmacuticos. Detergentes. Madera, papel, lminas fibras. Colorantes. Catalizadores.

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Tipos de Humedad La Humedad en Exceso no

tiene ligazn con el slido y basta escurrir para retirarla.

Luego de escurrir queda una humedad retenida en el slido por tensin superficial. Esta Humedad No Ligada se evapora hasta llegar al equilibrio.

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Tipos de Humedad La humedad adsorbida en

los intersticios, unida por fuerzas fisico-qumicas requiere la aplicacin de calor para forzar su difusin y salida del slido.

La humedad qumica queda unida por enlaces qumicos y fuerzas entre tomos (p. ej. enlaces de hidrgeno). Requiere de una reaccin a mayor temperatura.

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Definiciones Humedad en Base Seca = peso de humedad por peso

de slido seco. Expresin estndar como X. Humedad en Base Hmeda = peso de humedad por

peso de slido hmedo = X/(1+X). Humedad en equilibrio: la que est en equilibrio con la

humedad del aire ambiente a una P.Vap. dada. Humedad Ligada: la que ejerce menor P.Vap. que el

vapor en el aire, por ello no puede ser evaporada. Humedad No Ligada: la humedad total menos la de

equilibrio. Es la humedad que puede ser evaporada. Curva de Equilibrio: humedad absoluta remanente vs

humedad relativa del aire. (%HR P.Vap).

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Tipos de Humedad La presin de vapor que

ejerce la humedad dentro del slido depende del tipo de humedad, el slido y la temperatura.

Si la presin de vapor de la humedad dentro del slido es menor que la presin de vapor del agua en el aire, la humedad se reducir hasta llegar al equilibrio.

Tras llegar al equilibrio, el tiempo no seca ms.

Si se coloca estos materiales en el mismo airesaturado, el ZnO absorber menos agua y lahoja de tabaco ms. En un aire muy seco (ej.0.2% HR). El ZnO habr perdido muy pocoagua en comparacin con su peso seco y lahoja de tabaco mucho ms.

Cmo se explica la curva de la madera?

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Tipos de Humedad La humedad no retenida

no tiene ligazn con el slido, equivale a agua libre en el depsito, se evapora hasta saturar el aire.

La Humedad retenida (ligada) es contenida dentro del slido por capilaridad adsorcin.

Para aire no saturado A la humedad del slido es la indicada en la curva (Humedad de Equilibrio).

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Histresis Debido a las caractersticas

del slido, es posible que la curva de secado sea ligeramente diferente a la curva de humidificacin.

Para las operaciones de secado la curva ms importante es la de desorcin. Por ello, al secar se debe llevar la humedad hasta 0.53% HR si al final el aire ambiente estar en 0.6% HR.

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Efecto de la Temperatura La variacin de

temperatura afecta la humedad final, sin embargo tambin afecta el comportamiento del slido y la curva de secado.

%HR

kgH

2O/k

gSS 40C

45C

60C

100C

120C

200C300C

0 1000

0.10

0.20

0.15

0.05

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Slidos Solubles Los slidos solubles en un

lquido no retienen humedad. Para X>1.1, el NaNO3 est

disuelto y la P.Vap crece. En B la soluc. es saturada. Expuesto a aire de 17.7 mm

Hg, se seca hasta una humedad absoluta muy baja.

El slido seco expuesto en aire de ms de 20 mm Hg presenta delicuescencia. Curva de Equilibrio a 25C - NaNO3

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Slidos Hidratados Algunos slidos muestras

varios estados de hidratacin y por ello se comportan diferente al variar la P.Vap.

El agua est atrapada entre los cristales del slido.

Si la hidratacin es qumica (parte de la molcula) el agua se vaporiza slo por encima de cierta temperatura porque ocurre una reaccin qumica. Curva de Equilibrio a 25C CuSO4

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Psicrometra Ya que las operaciones de secado mayormente

consisten en transferir humedad hacia el aire gas, la psicrometra es el conocimiento clave para resolver los problemas de secado.

En la Carta Psicromtrica se puede obtener: Temperatura de Bulbo Seco. Temp. de Bulbo Hmedo. Humedad Absoluta. Humedad Relativa.

Punto de Roco. Entalpa del Aire. Volumen Hmedo. Otras posibles variables

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Carta Psicromtrica

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Carta Psicromtrica

PerrysChemicalEngineersHandbook; 7th Ed. p.12-28

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Clculos Psicromtricos( )ln BPsat A

C T=

+

vapor

T gas

PMPvYP Pv PM

=

Presin de Saturacin:

Humedad Absoluta

100PvHRPsat

= Humedad Relativa

1H

gas vapor T

Y RTVPM PM P

= +

Volumen Hmedo

gas vaporCs Cp Cp Y= + Calor Hmedo

( )( ) ( )

0

0 0 0B

H Cs T T Y

H Cs T T Y Cp T T

= +

= + + Entalpa

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24C

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Problema de Secado Ejemplo: Secador por recirculacin Un secador remueve 100 kg agua/h de un material que se seca. El aire entra a

una temperatura de bulbo seco de 82C y temperatura de bulbo hmedo de 43C. El aire sale del secador a 60C. Una porcin del aire se recircula trasmezclarse con aire del ambiente que tiene una temperatura de bulbo seco de 24C y humedad relativa de 60%. Determinar la cantidad de aire requerido, la tasa de recirculacin y la carga al precalentador si se asume que el sistema esadiabtico. Descartar el calor para calentar el producto y el equipo.

Solucin.

82C 0.0418 kgH2O/kgAS43C

60C0.0518 kgH2O/kgAS

0.0113 kgH2O/kgAS60%

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Problema de Secado Ejemplo: Secador por recirculacin Un secador remueve 100 kg agua/h de un material que se seca. El aire entra a

una temperatura de bulbo seco de 82C y temperatura de bulbo hmedo de 43C. El aire sale del secador a 60C. Una porcin del aire se recircula trasmezclarse con aire del ambiente que tiene una temperatura de bulbo seco de 24C y humedad relativa de 60%. Determinar la cantidad de aire requerido, la tasa de recirculacin y la carga al precalentador si se asume que el sistema esadiabtico. Descartar el calor para calentar el producto y el equipo.

Solucin. El camino se muestra en la figura. Humedad del aire ambiental en H1 = 0.0113 kg/kg AS Humedad ingresando al secador H3 = 0.0418 kg/kg AS Humedad saliendo del secador H4 = 0.0518 kg/kg AS Entalpa del aire ambiental h1 = 52.6 kJ/kg AS Entalpa del aire que ingresa h3 = 193.0 kJ/kg AS Entalpa del aire que sale h4 = 194.6 kJ/kgAS

h1h2

h3

h4

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Problema de Secado Aire requerido: 100kg/(0.0518 - 0.0418)kgH2O/kgAS = 10,000 kg AS/h. En la

entrada del secador el volumen especfico es 1.067 m3/kg AS. Volumen de Aire: (10,000)(1.067)/60 = 177.83 m3/min. La fraccin que se elimina es:

= 0.247 Donde X es la cantidad de aire fresco y Wa el flujo de aire total. As, el 75.3 %

del aire es recirculado. La carga trmica en el precalentador se obtiene del balance de entalpa: qa = 10,000(193) - 2470(52.6) - 7530(194.6) qa = 334,740 kJ/h

h1h2

h3

h4

0.0518 0.04180.0518 0.0113

XWa

=

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Operaciones de Secado En el secado con gas/aire, el

slido puede encontrarse de la siguiente manera: Esttico. Mvil. Fluidizado. Diludo.

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Operaciones de Secado En el secado con gas/aire, el

contacto gas-slido puede efectuarse de la siguiente manera: Flujo Paralelo. Flujo Perpendicular. Circulacin a travs. Flujo Co-corriente. Flujo Contracorriente. Flujo Cruzado.

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Operaciones de Secado La operacin puede ser:

Por lotes: El secador se carga y la masa queda hasta que seca. Continuo: La masa ingresa hmeda y sale seca continuamente

Segn la transferencia de calor el secado puede ser: Directo: el gas caliente contacta directamente la masa. Indirecto: el calor pasa a la masa a travs de una superficie.

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Perodos de Secado En general, durante el

secado la humedad disminuye siguiendo una curva como la mostrada.

Estas curvas son importantes en el diseo del secado y de los secadores.

La derivada de esta curva provee la Curva de Rapidez de Secado.

Secado por Lotes

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Perodos de Secado Al inicio, es posible que el

slido fro produzca una velocidad creciente (A-B) mientras la temperatura superficial se estabiliza.

Luego, tpicamente hay un perodo de velocidad cte. mientras la transferencia de calor es cte. (B-C). La vaporizacin es superficial.

Curva de Rapidez de Secado

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Perodos de Secado Cuando se alcanza el

contenido crtico de humedad (C), la pelcula se reduce, la tensin superficial y adsorcin tienen mayor efecto y la vaporizacin puede realizarse dentro del slido. En este punto la velocidad disminuye de modo constante. (C-D).

Curva de Rapidez de Secado

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Perodos de Secado A partir del punto D no

existe capa lquida superficial y la difusin interna controla la vaporizacin combinada con la adsorcin.

La velocidad decrece ms rpido con curvas muy particulares para cada material. (D-E)

En E la humedad es la de equilibrio y no es posible evaporar ms.

Curva de Rapidez de Secado

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Tiempo de Secado La Rapidez de Secado se define como:

Ss dXNA dt

=

En el perodo de velocidad constante:

( )A B

Ss dXdtA NX XSst

A Nc

=

=

En el perodo de velocidad decreciente, si la curva es lineal:

( )( )

ln

ln

D

C

X CX

D

C D C

C D D

N mX b

mX bSs dX SstA mX b mA mX b

X X NSstA N N N

= +

+= = + +

=

En el tramo D-E la curva se puede integrar numricamenteD

C

X

X

Ss dXtA N

=

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Ejemplo 160 kg de slido hmedo se secan desde 25% a 6% (base

hmeda). El rea es 1 m2 para 40 kg de material. Calcular el tiempo de secado. Se muestra la curva de rapidez de secado.

Solucin

( ) ( )3

0.333 0.240 17,730sec1 0.3 10

A BX XSstA Nc

= = =

Se debe trabajar en base seca:0.25 0.333 0.2

1 0.25A BX X= = =

Para el tramo A-B:

( )( )

( )( ) 3

0.2 0.140 0.3ln ln 18,480sec1 0.150.3 0.15 10

C D C

C D D

X X NSstA N N N

= = =

Para el tramo B-C:

La intergacin numrica de D-E:23,920D

C

X

X

Ss dXtA N

= =Tiempo total: 60,130sec (16.7hr)

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Secadores por Lotes Se muestra un secador

tpico. El aire ingresa y se mezcla con el aire que recircula (2).

La mezcla se calienta (3) y es forzado hacia la masa en bandejas (1) para secar la masa.

Una parte del aire se elimina para retirar la humedad.

Tras el tiempo de secado se cambian las bandejas.

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Secadores por Lotes Variantes en la

construccin del secador: a) las bandejas se colocan sobre carros que pueden moverse por la planta.

b) Las bandejas son perforadas de mallas para flujo del gas a travs

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Problema de Secado por Lotes En un secador batch se seca un producto mineral desde 40% a

15%. El rea libre para el flujo del aire es de 0.8 m2 y la velocidad del aire es de 4 m/sec. El aire que pase sobre las bandejas debe tener 95 C y 0.05 kgH2O/kgAireSeco partiendo de aire ambiente de 25 C cuya humedad es 0.01 kgH2O/kgAire seco. En la operacin se consigue retirar la humedad a un ritmo constante de 0.01 kg/sec. Calcular el flujo volumtrico del aire que debe mover el ventilador, el calor que debe producir el calentador y el flujo de aire fresco que se debe reponer continuamente.

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Problema de Secado por LotesSolucinDe la carta Psicromtrica:

Treybal, Tabla 7.1, p.262

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Problema de Secado por LotesEl aire sale de las bandejas con 0.01 kgH2O/sec, es decir, su humedad es:

Esta es la caracterstica del aire que sale por B. El balance de materia de aire seco da:

GA = GB

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Problema de Secado por LotesEl aire que sale de las bandejas sale saturado. Su entalpa es 225 kJ/kgAireSeco [Carta Psicrom.]El aire fresco tiene una entalpa de 50 kJ/kgAireSeco. La mezcla de ambos produce:

As el calentador debe suministrar:

Corresponde a aire saturado de 0.064 kgH2O/kgAireSeco. Como el aire que se quiere tiene 0.05kgH2O/kgAireSeco su temp. De bulbo seco ser 75C (Carta Psicrom.)

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Bibliografa Treybal, R. E. Operaciones de Transferencia de Masa,

2da ed., 1980. Cap.12 Seader, J. D., E. J. Henley Separation Process Principles,

2nd Ed., 2006. Ch. 18. Perry, R. H., D. W. Green, J. O. Maloney (Editors)

Perrys Chemical Engineers Handbook, 7th Ed. 1999. Ch.12.

Schweitzer, P. A. (Editor) Handbook of SeparationTechniques for Chemical Engineers, 1979, Sec.4-10

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FIN

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SECADOSecadoSecadoSecadoTipos de HumedadTipos de HumedadDefinicionesTipos de HumedadTipos de HumedadHistresisEfecto de la TemperaturaSlidos SolublesSlidos HidratadosPsicrometraCarta PsicromtricaCarta PsicromtricaClculos PsicromtricosProblema de SecadoProblema de SecadoProblema de SecadoOperaciones de SecadoOperaciones de SecadoOperaciones de SecadoPerodos de SecadoPerodos de SecadoPerodos de SecadoPerodos de SecadoTiempo de SecadoEjemploSecadores por LotesSecadores por LotesProblema de Secado por LotesProblema de Secado por LotesProblema de Secado por LotesProblema de Secado por LotesBibliografaFIN