1. INTRODUCCIÓN

Un secador de sólidos es un aparato que introduciendo aire caliente, este hace evaporar el líquido adherido a un sólido, quitando así la humedad del sólido.

La transferencia de calor se produce por conducción o por convección. En el primer caso, el sólido húmedo se sitúa en un recipiente calentado externamente, que tiene una salida para eliminar el vapor; frecuentemente se mantiene el recipiente a presión reducida para aumentar la fuerza impulsora. En el caso del secado por convección, el gas caliente se sopla sobre una superficie del sólido húmedo proporcionándole los dos efectos, entregar calor y eliminar el vapor formado.

El secado de sólidos puede realizarse mediante un método continuo o discontinuo, según si la carga del material se añade completamente al principio de la operación (método discontinuo) o si se va añadiendo continuamente durante la misma (método continuo).

1.2. Secador de sólidos de bandejas

En la industria se utilizan mucho los secadores de sólidos para quitar la humedad a los productos. El secador de bandejas se utiliza para trabajar en discontinuo y con pocas cantidades de material. A continuación se puede ver el funcionamiento de este tipo de secadores. Las partes de este equipo se pueden ver en el apartado de presentación de la planta.

2. FUNDAMENTOS TEÓRICOS

Para poder realizar las prácticas, hacen falta unos conocimientos previos que nos permitan llegar a unos resultados satisfactorios.

Con este objetivo , a continuación se explican los fundamentos teóricos para poder entender el funcionamiento de la planta y los cálculos necesarios para la realización de las prácticas.

2.1 Conceptos de secado

Para poder entender los fundamentos teóricos del secado a continuación se describen los principales conceptos:

- Humedad: El contenido de humedad de un sólido puede expresarse sobre base seca o base húmeda; pero en el secado de sólidos es más conveniente referir la humedad sobre base seca (masa de agua que acompaña al sólido seco).

- Humedad de equilibrio (X*): Cuando un sólido húmedo se pone en contacto, con aire de temperatura y humedad determinadas y constantes, se alcanzaran las condiciones de equilibrio entre el aire y el sólido húmedo. Se logran las condiciones de equilibrio cuando la presión parcial del agua que acompaña al sólido húmedo es igual a la presión de vapor del agua en el aire.

- Cuerpos húmedos y cuerpos higroscópicos: Para una temperatura determinada, la presión de vapor del agua contenida en el sólido húmedo aumenta con su humedad para todas las

sustancias, hasta alcanzar el valor de la tensión de vapor del agua pura a la temperatura considerada. Se llama sólido higroscópico cuando la presión de vapor del agua que acompaña al sólido es menor que la tensión de vapor del agua a la misma temperatura. Y si esta presión de vapor del agua del sólido es igual que la tensión de vapor, se llama sólido húmedo.

- Humedad libre: Es la diferencia entre la humedad del sólido y la humedad de equilibrio con el aire en las condiciones dadas: F=X - X*. Es la humedad que puede perder el sólido después de un tiempo de contacto con el aire en las condiciones dadas y constantes.

- Humedad ligada o agua ligada: Es el valor de la humedad de equilibrio del sólido en contacto con aire saturado; o bien la humedad mínima del sólido necesaria para que este deje de comportarse como higroscópico.

- Humedad desligada o agua desligada: Es la diferencia entre la humedad del sólido y la humedad ligada; o bien la humedad libre del sólido en contacto con aire saturado. Si el sólido tiene humedad desligada se comportará como húmedo.

- Humedad crítica: La humedad crítica de un sólido es el punto que separa los dos períodos de secado antecrítico y poscrítico.

- Período antecrítico: Es el período de tiempo en el que la velocidad de secado es constante, desde la humedad inicial hasta la humedad crítica.

- Período poscrítico: Es el período de tiempo en el que la velocidad de secado disminuye hasta llegar a un valor de cero. Este período empieza con la humedad crítica hasta la humedad de equilibrio.

2.2 Velocidad de secado

Se define la velocidad de secado como la pérdida de humedad del sólido húmedo por unidad de tiempo, y más exactamente por el cociente diferencial (-dX/dθ) operando en condiciones constantes de secado, es decir con aire a las condiciones de temperatura, presión, humedad y velocidad constantes en el tiempo.

Analíticamente, la velocidad de secado se refiere por unidad de área de superficie de secado, de acuerdo con la ecuación:

 

Donde : S = peso del sólido seco;A =área de la superficie expuesta;W =velocidad de secado;

= diferencia de humedad respecto del tiempo. 

Hay dos períodos de velocidad de secado:

A) Período antecrítico o de velocidad de secado constante: En este período la superficie del sólido está totalmente cubierta por una capa de líquido y la evaporación dependerá solo de la velocidad de difusión del vapor o de la intensidad de paso de calor a través de la capa límite del aire. Esta velocidad de secado vendrá dada por:

  Donde:

 = coeficiente de transporte de materia

 = humedad en la interfase

= humedad en el seno del aire

Atendiendo a la intensidad de paso de calor, si el calor se emplea exclusivamente en evaporar la humedad, la velocidad de secado vendrá dada por:

 

Donde  = coeficiente integral de transmisión de la calor

 = calor latente de vaporización del líquido a la temperatura de interfase

 i t son la temperatura en el seno del aire

B) Período poscrítico: En general este período se puede dividir en dos tramos: uno en el que la velocidad de secado varia linealmente con la humedad desde el punto crítico (primer período poscrítico), y otro en el que no se cumple esta variación lineal (segundo período poscrítico), aunque puede no presentarse esta separación neta entre ambos tramos. Durante el primer período poscrítico, la velocidad de secado está regida por la evaporación del agua sobre la fracción de superficie mojada; esta fracción disminuye continuamente hasta que al final de este período la superficie está seca. Se puede calcular la velocidad de secado en cualquier instante de este período en función de las velocidades y humedades crítica y final correspondientes a este período, de acuerdo con la ecuación:

Durante el segundo período poscrítico la superficie está totalmente seca y la velocidad de secado ha de evaluarse atendiendo al proceso de transporte de humedad desde el interior del sólido hasta la superficie, que se puede realizar por diversos mecanismos. Si el mecanismo de transporte se realiza por difusión (caso de los sólidos de estructura continua tales como jabones, maderas, papeles, etc.) la velocidad de secado viene dada por:

 Y el tiempo de secado entre las humedades X1 y X2 será:

Siendo γ el peso específico del sólido seco, kilogramos por metro cúbico; z el espesor, metros; D la difusividad, metros cuadrados por hora.En el caso de que el mecanismo de transporte este controlado por el flujo capilar (caso de sólidos granulares, tales como arenas, pigmentos, etc.) el tiempo de secado entre las humedades X1 y X2 vendrá dado por la ecuación:

con la que se supone que la velocidad de secado varía linealmente con la humedad hasta que se alcanza el equilibrio.

Para los sólidos de estructura capilar uniforme cuando los capilares no son muy pequeños y la estructura no varía durante el secado, las zonas de evaporación se reducen uniformemente en el material durante el período poscrítico, y estas zonas permanecen con una humedad igual a

la crítica y temperatura igual a la temperatura húmeda. En cualquier instante, el espesor de la capa seca e está relacionado con la humedad X por la expresión:

El coeficiente integral de transmisión de la calor entre el aire que fluye al largo de la superficie del sólido y la zona de evaporación viene dada por:

Y la velocidad de secado será:

Combinando estas dos ecuaciones resulta:

Y de acuerdo con esta expresión el tiempo de secado será:

   

2.3 Tiempo de secado

El tiempo de secado de un sólido húmedo se determina por la integración entre las humedades iniciales y finales de la ecuación de la velocidad de secado. Hecha la integración mencionada obtenemos:

Para resolver esta ecuación, tenemos que conocer la velocidad de secado W que es función de la humedad (X), y en general distinguiremos dos períodos diferentes:

a) Período antecrítico: Es el período en el cual la humedad disminuye linealmente con el tiempo de secado o lo que es lo mismo, que durante este período la velocidad de secado es constante. La humedad del sólido disminuye linealmente hasta un valor de humedad crítica (Xc). La integración desde la humedad crítica nos lleva a la siguiente ecuación:

Donde:

 = tiempo de secado del período antecrítico S = peso del sólido secoA = área de la superficie expuestaXi = humedad inicialXc = humedad críticaWc = velocidad de secado crítica

Si la humedad final Xf es más grande que la humedad crítica, ha de substituirse Xc por Xf en esta última ecuación.

b) Período poscrítico: Es el período en el cual la velocidad de secado disminuye hasta que se anula. Empieza con la humedad crítica hasta que llega a la humedad final o humedad de equilibrio.Hay dos métodos para resolver este último período:

- Método gráfico: 

Si no se conoce la relación analítica W=f(x), la integración de la ecuación ha de hacerse gráficamente representando X frente a 1/W. El valor de la integral será el área limitada por la curva, eje de abscisas y las ordenadas extremas Xc y Xf.

- Métodos analíticos:

Si la velocidad de secado varía linealmente con la humedad, desde la humedad crítica hasta la final, la integración de la ecuación conduce a la expresión:

Donde:

= tiempo de secado período poscríticoS = peso del sólido secoA = área de la superficie expuestaXc = humedad críticaXf = humedad finalWc = velocidad de secado críticaWf = velocidad de secado finalWlog = velocidad de secado logarítmica

Si no se conoce la forma en que varía la velocidad de secado en este período, se puede obtener una expresión aproximada suponiendo que la variación es lineal desde la humedad crítica hasta la de equilibrio. Admitiendo esta hipótesis se llega a la siguiente expresión:

Donde:

= tiempo de secado del período poscríticoS = peso del sólido secoA = área de la superficie expuestaXc = humedad críticaX*= humedad de equilibrio Xf = humedad finalWc = velocidad de secado crítica

En estas dos últimas ecuaciones se supone que la humedad inicial es mayor que la crítica; en caso contrario, ha de substituirse Xc por Xi.

3. PRESENTACIÓN DE LA PLANTA

En la planta piloto podemos ver el funcionamiento de un secador de sólidos industrial por convección pero a pequeña escala. Esta nos permite estudiar la velocidad de secado de diferentes materiales y la variación del proceso de secado en función de diferentes velocidades del aire y su relación con la potencia calefactora.

En la siguiente imagen podemos ver cada una de las partes del aparato:

Donde:

1) Ventilador 5) Tapa trasparente9) Registro del sensor de temperatura/ humedad

2) Carcasa6) Soporte de material a secar con bastidor

10) Balanza digital

3) Armario de mando

7) Tornillo de compensación

11) Temperatura T1-sensor de humedad  1

4) Canal de secado con ventana

8) Anemómetro12) Conexión del elemento calefactor

El equipo tiene unas medidas de 2540 x 750 x 1350 mm. El peso aproximado es de 125 Kg. La alimentación eléctrica es de 230 V/50-60 Hz/1 fase.

Si observamos cada uno de los elementos del secador con detalle, podemos observar las diferentes partes:

• El ventilador (1) tiene un número de revoluciones máximo de 950 rpm y una potencia máxima de transporte de 700 m3/h. Tiene un consumo de potencia de 33 W y un consumo de corriente de 0.2 A. Siempre ha de conectarse antes el ventilador que el calefactor. Estos dos se conectan por el armario de mando.

• Desde el Armario de mando (3) podemos ver los diferentes valores de temperatura, humedad relativa y velocidad del aire que vamos obteniendo a medida que avanza el experimento.

Donde:

a) Velocidad del aire en el canal (m/s)

e) Interruptor de conexión/desconexión para el ventilador

i) Conmutador escalonado para potencia calefactora

b) Temperatura T1/T2

f) Interruptor de conexión/desconexión para el calefactor

j) Conector USB para registrar los datos con el ordenador

c) Humedad relativa del aire 1/ 2

g) Indicador de sobrecalentamiento

k) Conexión para la balanza

d) Interruptor principal

h) Control del número de revoluciones del ventilador

l) Base del enchufe de red

El calefactor tiene una potencia entre 500 y 3500 W.

• En el canal de secado con ventana (4) es donde se produce la operación de secado del material. El material sólido está colocado en las bandejas y en todo momento se puede mirar por la tapa trasparente (5). Las bandejas están colocadas con unos soportes de material a secar con bastidor (6) que están en todo momento colocadas encima de la balanza (10) para controlar su peso.

El canal de secado (4) tiene unas medidas de 2540 x 390 x 390 mm y las medidas interiores son de 350 x 350 mm.

Hay un total de 4 bandejas de secado que tienen unas medidas de 400 x 300 x 15 mm y que estan hechas de AlMg3.

La balanza digital (10) tiene un rango de medida de entre 5 a 8000g. La resolución es de 0.1 g. Con esta se mide la disminución de peso que experimenta el material durante el proceso de secado. La balanza se puede tarar directamente mediante un pulsador existente en la balanza o bien con el software de GUNT CE 130.

• El anemómetro (8) mide la velocidad del aire al final del canal de secado, con un rango de medida de 0.2-2.5 m/s. La temperatura de servicio del fluido es de -20 a +85 ºC. La precisión de medida es de   (5% del valor medido + 0,4% del rango de medida).

El sensor de temperatura y humedad (9 y 11) registra la temperatura y la humedad relativa del aire antes y después de las bandejas del material a secar. Los valores medidos se muestran en el armario de mando mediante visualizadores digitales. El cuadro de control tiene un rango de medida de 0 a 100 % de humedad relativa. Es necesario considerar el campo de trabajo:

a 23 ºC   2,0%R.H. (40-60%R.H)

a 23 ºC   2,5%R.H. (restante campo de trabajo)

A continuación se muestra una imagen del sensor de temperatura/humedad (derecha) y del anemómetro (izquierda):

En el siguiente vídeo podremos ver las diferentes partes de la planta piloto:

4. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

El objetivo principal del experimento es obtener los gráficos de la velocidad de secado y del tiempo de secado.

4.1. Práctica 1: Determinación experimental de las curvas de secado de la arena

Objetivo

Nuestro objetivo en esta práctica es obtener las curvas de secado.

Introducción 

El objetivo de esta práctica es la obtención de las curvas de secado e identificar el período antecrítico y el período poscrítico.La función de un secador de sólidos de bandejas es eliminar el agua del sólido, sin alterar sus propiedades. En esta planta piloto se mantiene controlado en todo momento la temperatura, humedad y velocidad del aire, y además, el peso del sólido.

En la siguiente imagen se pueden ver las partes principales del equipo:

Donde:

1) Ventilador 5) Tapa transparente9) Registro del sensor de temperatura/ humedad

2) Carcasa6) Soporte de material a secar con bastidor

10) Balanza digital

3) Armario de mando 7) Tornillo de compensación 11) Temperatura T1-sensor de

humedad  1

4) Canal de secado con ventana

8) Anemómetro12) Conexión del elemento calefactor

Las partes del armario de mando son las siguientes:

Donde:

a) Velocidad del aire en el canal (m/s)

e) Interruptor de conexión/desconexión para el ventilador

i) Conmutador escalonado para potencia calefactora

b) Temperatura T1/T2

f) Interruptor de conexión/desconexión para el calefactor

j) Conector USB para registrar los datos con el ordenador

c) Humedad relativa del aire  1/ 2

g) Indicador de sobrecalentamiento

k) Conexión para la balanza

d) Interruptor principal

h) Control del número de revoluciones del ventilador

l) Base del enchufe de red

Materiales

Los materiales que se utilizaran será la planta piloto de secado de sólidos, arena fina de grosor 0-3 mm y agua destilada.

Procedimiento 

Encender el ordenador. Conectar la balanza con el ordenador. Girar el interruptor principal del armario de mando en posición ON.

Encender la balanza apretando el botón “ON” y sin las bandejas, tarar la balanza. Poner las bandejas de una en una y anotar el peso de cada una, dejarlas fuera del

aparato. Pulsar el pulsador doble de conexión del ventilador en posición ON. Después se seleccionan las revoluciones del ventilador, girando la rueda. Como

máximo puede llegar a 950 rpm. Después se enciende el calefactor con el pulsador doble en posición ON. Se selecciona la potencia calefactora mediante el conmutador escalonado. Como

máximo puede llegar a 3500 W (escalón 7). Se tiene que tener en cuenta que no puede funcionar el calefactor con la potencia máxima y el ventilador a la velocidad mínima ya que se desconectaría por sobrecalentamiento.

Se dejará el ventilador y el calefactor encendidos hasta que se llegue a unas condiciones constantes.

Una vez se ha llegado a las condiciones estables se anota el valor del flujo del aire, temperatura y el % de humedad relativa que se muestra en el armario de mando.

Seguidamente se llenaran las 4 bandejas con una capa de arena húmeda. Se colocaran una por una en el bastidor, y se anotará el peso de cada una por

separado. Una vez pesadas, se introducirán las 4 bandejas y se iniciará el software para guardar

los datos. Se dejará el proceso de secado hasta un peso constante. Para parar el aparato, primero de todo se desconectará el calefactor pulsando el

pulsador doble en posición OFF. Se dejará unos 5 minutos el ventilador encendido y a continuación se parará

poniéndolo en posición OFF. Se sacaran las bandejas y se limpiaran cuidadosamente. Se apagará la balanza. Finalmente se desconectará el secador por la rueda del armario de mando poniéndolo

en posición OFF.

En el siguiente vídeo podemos ver la experimentación en la planta:

Elaboración de resultados

Para poder expresar los resultados en forma de gráficos hará falta una tabla del tipo:

- Para las curvas referidas al sólido:

Tiempo (h)

Masa sólido húmedo (g)

Masa agua (g)

Humedad sólido (X) (g H2O/g sólido seco)

Variación humedad (∆X/∆t)

(g H2O/g sólido seco·h)

Velocidad de secado (W)

(g H2O/m2·h)

                                                                             

Donde: W=-(S/A)·(∆X/∆t)

- Para las curvas referidas al aire:

Tiempo (h)

Potencia eléctrica calefactor (W)

Temperatura entrada (ºC)

Temperatura salida (ºC)

PHI_1 (%)

PHI_0 (%)

x1 (g vapor/Kg aire seco)

Caudal volumétrico aire (dV/dt) (m3/h)

                                                                                                         

Donde: PHI_1 es la humedad relativa del aire en la entrada. PHI_0 es la humedad relativa del aire en la salida. 

En el apartado de fundamentos teóricos hay expresadas todas las fórmulas necesarias para los cálculos y además la explicación de todos los conceptos.

1. ¿En qué consiste el secado de sólidos?

A. :-)  En la eliminación de la humedad mediante la transferencia de calor por convección, por conducción y por irradiación.

B.   ?    En la eliminación de la humedad mediante sustancias químicas.

C.   ?    En la eliminación de la humedad mediante otro sólido seco.

D. En la eliminación de la humedad sin transferencia de calor.

2. Marca la afirmación correcta:

A. En el período antecrítico la velocidad de secado no es constante.

B. En el período poscrítico la velocidad de secado es constante.

C. :-)  En el período antecrítico la velocidad de secado es constante.

D.   ?    En el período poscrítico la velocidad de secado corresponde a la velocidad inicial.

3. Un tipo de secador que trabaja en continuo puede ser:

A.   ?    Rotatorio a presión atmosférica o al vacío.

B.   ?    Bandejas a presión atmosférica o al vacío.

C. :-)  Pulverizador ("spray")

D.   ?    Discontinuo agitado a presión atmosférica o al vacío.

4. Marca la afirmación correcta:

A. :-)  El período antecrítico va desde un valor de humedad inicial hasta la humedad crítica.

B. El período antecrítico va desde un valor de humedad inicial hasta la humedad de equilibrio.

C.   ?    El período antecrítico va desde un valor de humedad crítica hasta un valor de humedad de equilibrio.

D.   ?    El período antecrítico va desde un valor de humedad crítica hasta un valor de humedad final.

5. ¿Qué le pasa a la humedad del sólido respecto al tiempo?

A.   ?    Va aumentando de manera gradual a medida que avanza el secado.

B.   ?    La humedad es constante durante todo el proceso de secado.

C. :-)  La humedad va disminuyendo durante el proceso de secado.

D.   ?    La humedad del sólido, durante el proceso de secado, aumenta y disminuye sucesivamente.

6. ¿Qué comportamiento tiene la humedad absoluta del aire respecto del tiempo?

A.   ?    La humedad absoluta del aire debe ir disminuyendo a medida que pasa el tiempo.

B. :-)  La humedad absoluta del aire debe ir aumentando a medida que pasa el tiempo.

C.   ?    La humedad absoluta del aire debe de ser constante durante todo el proceso de secado.

D.   ?    La humedad absoluta del aire debe de ser nula durante todo el proceso de secado, a medida que pasa el tiempo.

7. ¿Cuando se acaba el proceso de secado?

A.   ?    Cuando la temperatura de salida del aire empieza a disminuir.

B.   ?    Cuando la temperatura de salida del aire empieza a aumentar.

C.   ?    Cuando la humedad del aire se mantiene constante.

D. :-)  Cuando el peso del sólido se mantiene constante.

8. 6. NOMENCLATURA

A Área de superficie expuesta del sólido (m2)

dV/dt Caudal volumétrico aire (m3/h)

PHI_1 Humedad relativa del aire en la entrada (%)

PHI_0 Humedad relativa del aire en la salida (%)

S Peso del sólido seco (g)

T0 Temperatura del aire de entrada (ºC)

T1 Temperatura del aire de salida (ºC)

Tiempo de secado período antecrítico (h)

Tiempo de secado período poscrítico (h)

W Velocidad de secado (g H2O/m2·h)

Wc Velocidad de secado crítica (g H2O/m2·h)

X1 Humedad absoluta del aire (g vapor/Kg aire seco)

X Humedad del sólido (g H2O/g sólido seco)

Xi Humedad inicial del sólido (g H2O/g sólido seco)

Xc Humedad crítica del sólido (g H2O/g sólido seco)

X* Humedad de equilibrio del sólido (g H2O/g sólido seco)

Xf Humedad final del sólido (g H2O/g sólido seco)

7. REFERENCIAS

Libros

* BENETT, C.O.  Transferencia de cantidad de movimiento, calor y materia. Editorial Reverté, 1979.

* COULSON, RICHARDSON. Chemical Engineering. Volum VI. Editioral Oxford, 1999.

* EMPRESA GUNT. Manual instrucciones banco ensayos secado por convección.

* HENLEY, E. J. Operaciones de separación por etapas de equilibrio en ingeniería química. Editorial Reverté, 1988.

* KNEULE, FRIEDRICH. El secado. Edicions URMO, 1966.

* McCABE, W.L., SMITH, J.C. i HARRIOT, P. Operaciones unitarias en ingeniería química. Sisena edició. Mèxic: McGraw-Hill, 2002.

* NONHEBEL, G. i MOSS, A.A. El secado de sólidos en la industria química. Editorial Reverté, 1979.

* OCON, J. i TOJO, G. Problemas de ingeniería química. Volum II. Madrid: Aguilar S.A., 1976.

* PERRY, R. Manual del ingeniero químico. Volum I. Setena edició. Madrid: McGraw-Hill, 2001.

Páginas web

* ACE PROCESS EQUIPMENT. [Consulta: Febrero 2011]. Disponible en:

< http://www.indiamart.com/aceeqpt/>

* CHANGJIANG DRYING EQUIPMENT. [Consulta: Febrero 2011]. Disponible en:

< http://www.dryersmachine.com/>

* CHITRA MACHINERIES. [Consulta: Febrero 2011]. Disponible en:

< http://chitramachineries.com/>

* CIMBRIA. [Consulta: Febrero 2011]. Disponible en: < http://www.cimbria.com/>

* COMESSA. [Consulta: Febrero 2011]. Disponible en: < http://www.comessa.fr/>

* EKATO. [Consulta: Febrero 2011]. Disponible en: < http://www.ekato.com/>

* ERATIC S.A. [Consulta: Febrero 2011]. Disponible en: < http://www.eratic.es/>

* KOPAR. [Consulta: Febrero 2011]. Disponible en: <http://www.kopar.com.mx>

* OLSA. [Consulta: Febrero 2011]. Disponible en: < http://www.olsa.com>

* MUNSON. [Consulta: Febrero 2011]. Disponible en:

< http://www.munsonmachinery.com/>

Varios

* Catálogos de varias empresas comerciales: Alfa-Laval, ReHeat-Ultraflex, etc.