UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA

FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA Y TEXTIL

Escuela Profesional de Ingeniería Química

Laboratorio de Operaciones Unitarias II

PI 136 (A)

Secado por atomización

PROFESOR: Ing. Emerson Collado

Alumnos:

- Álvarez Rojas ,Michael Anghelo

- Paucar Quiroz , Ronald Edinson

-

Lima 23/09 /15

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ContenidoINTRODUCCION.......................................................................................................................3

RESUMEN.................................................................................................................................5

OBJETIVOS...............................................................................................................................6

FUNDAMENTO TEORICO..........................................................................................................6

Secado por aspersión.....................................................................................................................6

DATOS......................................................................................................................................9

Experimentales...............................................................................................................................9

Datos teóricos..............................................................................................................................10

CALCULOS Y RESULTADOS:....................................................................................................13

Calculando el flujo de Leche.........................................................................................................13

Propiedades físicas de la leche:....................................................................................................13

Cálculos de las eficiencias.............................................................................................................14

Eficiencia de Secado.................................................................................................................14

Eficiencia Térmica Global.........................................................................................................14

Eficiencia Térmica Ideal............................................................................................................15

Eficiencia Térmica Evaporativa.................................................................................................15

Cálculo del flujo de aire húmedo..................................................................................................15

Balance de Humedad...............................................................................................................15

Balance de energía...................................................................................................................15

Distribución del tamaño de partículas..........................................................................................17

OBSERVACIONES....................................................................................................................18

CONCLUSIONES......................................................................................................................19

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INTRODUCCION

Debido a la importancia de las operaciones unitarias en muchos de los procesos industriales, se estudia en esta oportunidad la operación de secado, el cual es realizado en el Laboratorio de Operaciones Unitarias de la Facultad de Ingeniería Química.

El secado es una operación de suma importancia en varias industrias; como por ejemplo la de los lácteos. Muchas veces hemos consumido leche en polvo, ya sea de soja o proveniente del ganado vacuno. Sin embargo, desconocíamos el proceso y las variables involucradas en él.

En la actual industria se requiere equipos que tengan la capacidad de satisfacer las necesidades del mercado, cada vez más exigente, de parte de los consumidores. Así por ejemplo el ser humano prefiere un delicioso jugo de naranjas en el trayecto de un viaje, donde las juglerías son muy escasas, además sería demasiado tedioso llevar el jugo durante el viaje; qué hará el hombre ante tal dificultad, llevar jugos de frutas en polvo, ello supone una interesante opción para atender el mercado de productos de rápida preparación, con uno de los procesos más adecuados para sustancias termosensibles. Lo que implica que puede utilizarse el secador por atomización. En el presente trabajo se busca explicar el funcionamiento del dicho equipo, así como el proceso que se sigue para la óptima operación que se desea.

Secado – Operación Unitaria

El secado es una operación unitaria mediante la cual se elimina humedad de una sustancia. La fase previa a todo secado es la eliminación mecánica de agua mediante filtros-prensa o centrífugas, reduciéndose después por vía térmica la humedad que quede. Esta última fase es propiamente la operación de secado. En ella se somete el producto húmedo a la acción de una corriente de aire caliente y seco, evaporándose el líquido con el consiguiente aumento de la humedad del aire.

El punto final o límite de la desecación estará en la eliminación del líquido (normalmente agua) del material, hasta que la humedad de dicho material esté en equilibrio con el aire que le rodea; es decir, hasta que la presión de vapor de la humedad del sólido iguale a la presión parcial de la corriente gaseosa.

Los fenómenos que suceden son:

1. Transferencia de materia a través del sólido. Se produce por capilaridad (altos niveles de humedad) y difusión (bajos niveles de humedad).

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2. Transferencia de vapor de agua desde la interfase sólido gas al seno del gas. Se produce por transporte turbulento.

3. Transferencia de calor desde el seno del gas a la interfase. Se produce por conducción, convección o radiación.

4. Transferencia de calor desde la interfase al seno del sólido. Sólo puede tener lugar por conducción.

Casi todos los aparatos utilizados para llevar a cabo esta operación están basados en poner en contacto el sólido húmedo pulverizado con una corriente de aire caliente no saturado: se produce simultáneamente la transferencia de calor sensible y de agua debido a las dos fuerzas impulsoras (de calor y materia) que aparecen. Este es el proceso por contacto directo. Existen también aparatos en los que el secado se produce sin contacto de la fuente de calor con el sólido. Este es el proceso por contacto indirecto (análogo a una evaporación).

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RESUMEN

Esta experiencia es realizada en el Laboratorio de Operaciones Unitarias, para realizar la experiencia disponemos de los materiales proporcionados por el encargado de laboratorio y también de un tarro de leche gloria.

Para proceder con la experiencia, se realiza la medición de densidad con un densímetro y la viscosidad con un viscosímetro de Ostwald, ambos mediciones fueron realizadas a condiciones ambientales.

Luego medimos 300 mL de leche en una probeta y la colocamos en la Pera de decantación que se encuentra en la parte superior del atomizador.

Una vez dispuesta la leche, se enciende el atomizador y se lleva el flujo de entrada de aire a una temperatura aproximada entre 160-170°C y a una presión de 4 Kg/cm2. Una vez fijado las condiciones y dado un tiempo de 20 min para que se estabilice el atomizador, se inicia el flujo de leche hacia el interior del atomizador.

Finalmente la leche en polvo pasa del atomizador hacia el ciclón, el cual separara las partículas de leche en polvo del aire, que serán recolectadas en un recipiente de vidrio, mientras que el aire caliente es eliminado a la atmósfera.

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OBJETIVOS

Conocer el equipo de secado por atomización y su funcionamiento por medio de una corrida de prueba en el equipo.

Conocer las relaciones existentes entre las condiciones de operación del equipo de secado y las características del producto final.

FUNDAMENTO TEORICO

Secado por aspersión

El secado por aspersión, pulverización o "spray drying" se utiliza desde principios del siglo XX. Aunque existen patentes para el SA de huevos y leche desde 1850, la atomización industrial de alimentos apareció en 1913 en un proceso desarrollado para leche por Grey y Jensen en 1913. El primer equipo rotativo lo desarrolló el alemán Kraus (1912) pero, comercialmente se conoció gracias al danés Nyro (1933).

El principio de este sistema es la obtención de un producto en polvo a partir de un material líquido concentrado que se pulveriza finamente formando una niebla que entra en contacto con una corriente de aire caliente (entre 200 y 300ºC para alimentos) que actúa como medio calefactor y fluido de transporte.

Genéricamente se pueden atomizar soluciones y papillas alimenticias; como ejemplos concretos están el café, té, los ovoproductos, los jugos o concentrados de frutas, mezclas de helados, sueros, mantequilla, queso, proteínas comestibles y extractos de carne.

Componentes de un sistema de atomización.

Los elementos de un secador de este tipo son:

• Unidad de concentración• Atomizador

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• Cámara de secado• Sistema de manejo de aire• Sistema de separación• Sistema de transporte y enfriamiento

La unidad de concentración es un evaporador que lleve el producto hasta concentraciones entre 30 y 55% de sólidos.

El atomizador puede usar energía de presión (toberas de presión) , energía cinética (toberas de dos fluidos o atomización neumática) o energía centrífuga (discos rotativos). En cualquier caso se busca crear la máxima superficie posible para la evaporación con un tamaño de gota lo más homogéneo posible.

Ilustración 01: Arreglo de corrientes de un secador por aspersiónFormación de gránulos y cinética de secado de gotas

El proceso de secado por atomización es una operación unitaria que interviene en numerosas aplicaciones industriales. Para cada aplicación en concreto, el material granulado resultante debe poseer unas propiedades determinadas que dependen de las condiciones en las que se lleve a cabo el secado por atomización, y cuya dependencia debe conocerse para así optimizar la calidad del material obtenido. El gran número de variables que influyen en los procesos de transferencia de materia y energía que tienen lugar, y en la formación del material granulado, han hecho necesario el análisis en detalle del proceso de secado. A lo largo de los años han sido muchos los estudios realizados sobre el secado por atomización y la influencia de las variables del proceso en la cinética de secado y las propiedades del material granulado obtenido, para todo tipo de materiales.

A medida que transcurre el proceso de secado y se modifica la humedad de la gota, tienen lugar una serie de transformaciones que confieren al gránulo unas determinadas

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características morfológicas y microestructurales. Durante el primer periodo de secado, debido a que la energía superficial de la interfase sólido-vapor es mayor que la correspondiente a la interfase líquido-vapor, las partículas se desplazan hacia el interior de la gota para minimizar la energía superficial (2, 9). Esta migración de sólido favorece que la superficie de la gota se encuentre saturada de humedad prolongándose el primer periodo de secado. Si la velocidad de reordenación de partículas hacia el centro de la gota es mucho más lenta que el secado, se alcanzará una situación en la que la superficie no puede conservar la condición de saturación y las partículas colapsan formando una costra. A partir de ese instante el gránulo deja de contraer, se inicia el segundo periodo de secado y la humedad presente en el gránulo corresponde a la humedad crítica. A medida que la costra empieza a formarse se genera una fuerza capilar debido a los meniscos de líquido entre partículas que hacen que éstas se aproximen y se mantengan unidas en la superficie (10). Por otra parte, cuando una cantidad pequeña de agua se evapora se transmite un flujo de calor desde la superficie de la gota hasta el aire. En la superficie se crean gradientes locales de temperatura que causan el desplazamiento termoforético de las partículas hacia la interfase líquido-vapor debido al enfriamiento por evaporación, provocando la acumulación de partículas en la interfase. De esta forma, durante el segundo periodo de secado el retroceso del plano de evaporación provoca un aumento de la densidad de partículas en la superficie, y la costra crece progresivamente desde la superficie del gránulo hacia el interior como resultado de la incorporación progresiva de partículas a la costra.

Ilustración 02: (a) Variación de la humedad con el tiempo. (b) Evolución de la temperatura de la gota durante el secado.

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Ilustración 03: Formación de gránulos (a) huecos y (b) compactos durante el proceso de secado.

DATOS

Experimentales

Tabla 01

TiempoPresión

(kg /cm2)

Flujo leche(ml/s)

T1(°C)

T2(°C) Observación

03:15 4 0.17 220 45

03:25 4 0.17 160 45 Ligero olor característico de la leche a la salida del aire

03:29 4 0.11 160 45 disminuye flujo

03:38 4 0.11 160 45 Flujo disminuye se regula

03:46 4 0.17 160 45 Termino

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Datos teóricos

Tabla 02

DESCRIPCIÓN VALOR UNIDADES

T1 (prom) Temperatura entrada de aire 160 ºC 320 °F

T2 (prom) Temperatura salida de aire 45 ºC 113 °F

T2-bh Temperatura del bulbo húmedo a la salida 29ºC 84,2 °F

To Temperatura de bulbo seco ambiente 20 ºC 68 °F

Xs fracción de sólidos en la carga 0.25

Xh fracción de agua en sólidos de salida 0

CAIRE Calor especifico del aire 0.24 BTU/Lb-°F

CAGUA Calor especifico del agua (vapor) 0.446 BTU/Lb-°F

l VAP Tr Entalpía de vaporización a Tr (2442 KJ/Kg) 1050 BTU/Lb

C*AGUA Calor especifico del agua (liquida) 1 BTU/Lb-°F

Cs Capacidad calorífica de la leche 0,29 BTU/Lb-°F

Tr Temperatura de referencia 68 °F

Th Temperatura de bulbo húmedo ambiente 17ºC 62.6 °F

l Densidad de la leche 1.12 gr/ml

a Densidad del agua 1 gr/ml

σ20 Tensión superficial del agua a 20 ºC 72.75 dinas/cm

σ25 Tensión superficial del agua a 25 ºC 71.57 dinas/cm

V Volumen tratado 300 ml

T Tiempo de operación 1860 seg.

μagua Viscosidad del agua a 20 °C 1 cp

Wtss Peso total de sólido seco 57.7 gr

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De la carta psicométrica se obtienen los siguientes datos:

Tabla 03

T sat Temperatura de saturación 111.2 °F

H1 Humedad abs. de entrada 0.011 lb agua/lb aire seco

H1 Humedad abs. de entrada 0.0177 lb-mol agua/lb-mol aire seco

H2 Humedad abs. de salida 0.059 lb agua/lb aire seco

H2 Humedad abs. de salida 0.09506 lb-mol agua/lb-mol aire seco

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CALCULOS Y RESULTADOS:

Calculando el flujo de LecheSabiendo que

MP=M A xs

1−xh

Propiedades físicas de la leche:

Cálculo de la densidad de la leche ( ρleche¿

Para este cálculo se usó un densímetro en el cual se lee directamente la densidad de la leche el cual fue:

ρleche=1.12g

cm3 ρleche=69.91

lb

ft3

Cálculo de la viscosidad de la leche ( μleche¿

Tiempo que demora la leche en pasar por el viscosímetro de Ostwald (t leche): s

Tiempo que demora el agua en pasar por el viscosímetro de Ostwald (t agua): s

μleche=μagua×t lechetagua

μleche=1cp∗ss

μleche=cp

μleche=lb

ft .min

Cálculo de la tensión superficial de la leche (σ leche)

Se usara el método del ascenso capilar, para lo cual tomaremos medidas de alturas del líquido que asciende por un capilar, siendo los resultados los siguientes:

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Ma Flujo de entrada de la leche 0.14 gr/s 0.000306346 lb/s

Mp Flujo de salida de la leche 0.035 gr/s 0.00007659 lb/s

Entonces: σ leche=σagua×hleche

hagua

×ρleche

ρagua

σ leche=72.75dinascm

×mmmm

×

1.12gr

cm3

1grcm3

σ leche=dinascm

σ leche=lb

min2

Resumen de las propiedades físicas calculadas:

Propiedad Agua Leche

Densidad (gr/cm3) 1 1.12

Viscosidad (cp) 1

Tensión Superficial (N/m) 72.75

Cálculos de las eficiencias

Eficiencia de SecadoProducto secado: 57.7 gr

Producto de alimentación: 84 gr

Es= Producto SecadoProducto en la alimentacion

∗100→Es=68.7%

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Sustancia Altura en el capilar

Agua mm

Leche mm

Eficiencia Térmica Global

Egn=T 1−T2T1−T0

∗100→Egb=82.1%

Eficiencia Térmica Ideal

Eid=T 1−T S

T 1−T 0∗100→Eid=83.21%

Eficiencia Térmica Evaporativa

Eev=T 1−T 2T1−T S

∗100→Eev=98.71%

Cálculo del flujo de aire húmedo

Balance de Humedad

G∗H1+Ma∗(1−Xs )=G∗H2+Mp∗Xh

G=Ma∗(1−Xs−Xh )

(1−Xh )∗(H 2−H1 )

G = 0.00478 lb aire seco/seg

G = 0.00165 mol-lb aire seco/seg

G = 2.1875 gr aire seco/segG = 0.0754 mol-gr aire seco/seg

Ga=G∗(1+H1)

Ga = 0,004484 lb aire humedo/seg

Balance de energía

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Entrada=Salida+Qperdido

G1∗H1+Ma∗Ha=G2H 2+Mp∗Hp+Qperdido

G1∗H1=G∗[ (Caire+H1∗Cagua)∗(T 1−Tr )+H1∗λaguaTr ]

G 1∗H 1=73.27∗GBtu /seg … Ec. (1)

Ec. (02)

G 2∗H 2=[10.79+H 2∗1070]∗GBtu /seg

... Ec. (03)

Si Ta = Tr entonces Ma*Ha = 0

Mp∗Hp=Mp∗(T Sat−Tr )∗[ (1−Xh )∗Cs+Xh∗Cagua ] Ecuación 04

Mp∗Hp=0.0009594 BTUseg

Asumiendo Z=0.15

… Ec. (5)

Q perdido=9.2574∗GBTU /s

Del balance de masa se obtiene

G=Ma∗(1−Xs−Xh )

(1−Xh )∗(H 2−H1 ) … Ec. 06

G∗H 2=0,00021974+G∗0,00950 BTU /s

Reemplazando (1) (2) (3) (4) (5) (6) en el balance de energía

G = 0.005956 lb aire seco/sH2 = 0.049574 lb agua/lb aire seco

Finalmente:

Ga 0.006021 lb aire húmedo/s

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=

Distribución del tamaño de partículas

Uso de la ecuación de Friedman.

VARIABLE DESCRIPCIÓN VALOR UNIDADES

N número de revoluciones por minuto 30833.33 r.p.m.

μl Viscosidad de la leche. 0.472 lb/pie-min

tsup tensión superficial de la leche 528.62 lb/min^2

nh # Ventanas* altura de cada una. 0.44 pie

r radio del rodete 0.082 pie

dl densidad de la leche 69.89 lb/pie3

Ml alimentación de leche 0.01838074 lb/min

Mp carga del líquido en la ventana 0.042 lb/min-pie

Reemplazando los valores de las variables en la Ecuación de Friedman.

K' = 0.37Dvs = 7.60396E-05Dvs = 23.18 micras

D95% = 31.06 micrasDmáx. = 69.53 micras

Uso de la ecuación de Herring y Marshall.

VARIABLE VALOR UNIDADES

ML 0.018380744 lb/min

(ML )0,24 0.3832

N 30833.33 r.p.m.

D 1.97 pulg

(Nd)0,83 9338.9

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n 24

H 0.22 pulg

(nh)0,12 1.221 lb/min

Entonces:X = (D*Nd0,83 *(nh)0,12* 10-4)/(ML

0,24)X = 2.976*D

D = 0.336*X …(5)

Con los siguientes datos de N , d, Mp' y Vt en la tabla 6.12 proporcionada en la guía.

Vt =velocidad tangencial = w*r = 2*pi*f*rVt = 265pies/s

% de volumen acumulado de partículas menores que D=50%

x1/2 = 9.3X = 86.49

% de volumen acumulado de partículas menores que D=95%

x1/2 = 12.8X = 163.84

% de volumen acumulado de partículas menores que D=99,9%

x1/2 = 15.8X = 249.64

En (1): D50% = 29.1 micrasD95%=55.1 micras

D99,9% = 83.9 micras

Cálculo de la densidad del aire a las condiciones de salida:P = 1 atm.

T = 49.70 °C = 322.70R = 82.06 atm. cc/g-mol K

Densidad del aire = 0.00109 g/cc

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Diámetro del tubo de sal. = 4 pulgArea = 0.00811 m2

Velocidad del aire = 4 m/sCaudal del aire = 0.0324 m3/s

Flujo de aire = 2.482 mol-lb a.h/sCaudal del aire = 3.24295E-08 m3/sG = 2.482 mol-lb a. h/s

OBSERVACIONES

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CONCLUSIONES

20