SEPARAror2Pgina 1 de 1 LTIMA CORRECCINMARZ0 19, 2004. PORING. PEDRO REYES RODRGUEZSEPARAror2Pgina 2 de 2 LABORATORIO DE PROCESOS DE SEPARACIN SECADOR ROTATORIO. OBJETIVOS. Observar el funcionamiento de un secador rotatorio. Calcular diferentes eficiencias de un secador rotatorio. Calcular terica y experimentalmente el nmero y longitud de unidades de transferencia de masa. Analizar las diferencias entre los valores tericos y experimentales obtenidos. INTRODUCCIN. El secado es una operacin en donde se transfiere un lquido procedente de un slido hmedo a una fase gaseosa no saturada.Cuandounmaterialseseca,setransfierecalorparaevaporarallquido.Elmecanismodelprocesodel secadoesregidoporlos principios de transferencia de masa y calory consistenen eltransporte demasadesdeel interior del slido a la superficie, la vaporizacin del lquido, en o cerca de la superficie y el transporte de vapor hacia la masa gaseosa. Simultneamente se transfiere calor de la masa gaseosa a la fase slida, donde todo o una porcin del calor vaporiza el lquido o se acumula en el slido como calor sensible. Elsecadorrotatorio(fig.1)eselmsutilizadoenlaindustria.Hasidoutilizadopormuchosaosyaquepresenta muchas ventajas; por ejemplo, en capacidades altas y medianas la inversin en capital es moderada, pueden operar durante aos sin problemas de mantenimiento y su eficiencia trmica es alta (50 a 85% dependiendo del secador). El secador rotatorio consiste en una coraza cilndrica sostenida sobre engranes, de manera que pueda girar sobre su propio eje. Est montado con una pequea inclinacin respecto a la horizontal, que junto con una Hlice en el cilindro impulsaalosslidosalimentadosparaquefluyanhastalasalidadelcilindrosecador.Elmediodesecadoes generalmenteairequesecalientapreviamenteconcombustible,vaporsobrecalentadooenbajascapacidadescon resistencias elctricas. Su operacin es comnmente de tipo directo, habiendo secadores de tipo indirecto. Lossecadoresrotatorioscuentanconaletasensuinteriorquesirvenparalevantarelslidoyesparcirloenla corriente gaseosa, mejorando la transferencia de calor. Elgasutilizadocomomediodesecadopuedefluirenparalelooacontracorrienteconrespectoalflujodeslidoa secar, ste ltimo se utiliza en materiales sensibles al calor como en el caso de la alfalfa, yeso y piritas de hierro. SEPARAror2Pgina 3 de 3 La capacidad evaporativa tpica de secadores rotatorios varia entre______KCal/hr m3(1000 y 6000 BTU/hr pie3 ). El slidoocupadel5al15%delvolumendelcilindro.Surelacinlongitud/dimetrovaraentre4y15.Lavelocidad ptimadelgasatravsdelcilindroesde1.7a3.4m/s(4.9a9.8pies/s).Eltiempoderetencindeslidoen secadores rotatorios comerciales vara de 5 min. a 2 hr. La pendiente del cilindro est comprendida entre el 2.5 y 5% con respecto a la horizontal. En los secadores continuos se pueden distinguir 3 zonas de secado: a)Zona I o de pre-calefaccin. b)Zona II, en la que se evapora la humedad superficial y la no ligada. c)Zona III, en la que tiene lugar la evaporacin de la humedad ligada. La humedad ligada es aquella que se encuentra dentro de las paredes celulares (en el caso de productos vegetales), en combinacin qumica, en pequeos capilares y poros y adsorbidos en la superficie de slidos. Es aquella humedad que ejerce una tensin de vapor menor a la del agua pura. La humedad no ligada es aquella que contiene el slido en excedencia de la ligada. La figura 2 muestra el comportamiento de las temperaturas del gas y del slido a lo largo del secador. En funcin de la temperatura a la cual se lleva a cabo la operacin, el secado se puede dividir en: Secado de baja y de alta temperatura. En el primero la temperatura del gas es del mismo orden que la de ebullicin del agua mientras que en el segundo es bastante superior a sta. En el secado a temperatura elevada no se puede despreciar la longitud de la zona I de precalefaccin. Por lo tanto la evaporacin que ocurre en las zonas II y III es relativamente pequea y se pueden considerar despreciables. Debidoasto,nosepuedenestablecermodelossencillosenbasealasleyesdetransferenciademasaenla interfase, por lo que suelen aplicarse las leyes de transferencia de calor. El balance de masa queda: G1G2 W1W2 W1+ G1 = W2 +G2.....(1) donde: W1 =Gasto msico de slido a la entrada (M/). W2=Gasto msico de slido a la salida (M/). G1=Gasto msico de aire a la entrada (M/). G2=Gasto msico de aire a la salida (M/). de otra forma: X1WS + GSY1 = X2WS + Y2GS .....(2) donde: WS=Gasto msico de slido seco (M/). GS=Gasto msico de aire seco (M/). Y1=Humedad absoluta del aire a la entrada (Magua / Maire seco). Y2=Humedad absoluta del aire a la salida (Magua / Maire seco). X1=Humedad absoluta del slido a la entrada (Magua / Mslido seco). X2=Humedad absoluta del slido a la salida (Magua / Mslido seco). Tambin se tiene que: Wi = WS(1+Xi)y Gi = GS(1+Yi).....(3) SEPARAror2Pgina 4 de 4 Para el clculo se G2 se utiliza la cada de presin en el Venturi con las siguientes frmulas: ( )v Cg HvAGUAAIRE=214 .....(4) donde: v =Velocidad del aire en la garganta (pies/segundo). P=Cada de presin en el Venturi (pies H2O). aire=Densidad del aire (lb/pie3). agua=Densidad del agua (lb/pie3). Cv=0.98. =0.5 g =32.2 pies/s2. La densidad del aire se calcula a partir de la siguiente ecuacin: aire = 1/VhY se tiene que:V VV VYYh A SA S SS= ++ |\

|.|. .,.2 .....(5 y 6) donde: Vh=Volumen hmedo (L3/M) VA.S.=Volumen de aire seco (L3/M). VS=Volumen de aire saturado (L3/M). YS=Humedad de saturacin absoluta (Magua / MA.S.). Para resolver esta ecuacin se deben obtener los valores de la carta psicromtrica a las condiciones del laboratorio (550 mmHg). Otra forma de obtener el volumen hmedo es: donde: VY TPhGT= +|\

|.|+ |\

|.| 0 73129 184602......(7) Vh=Volumen hmedo (pies3/lb). TG=Temperatura de bulbo seco (F). PT=Presin atmosfrica (atm) El valor del gasto msico de aire en el cilindro de secado (G2) se obtiene a partir de: G2 = Avaire.....(8) donde: A=rea de la garganta del Venturi (25 cm2). El balance de calor en un elemento de volumen con longitud dz es: dZ W1 t1W2 t2 tt+dt G1 T1 qpG2 T2 TT+dT Z donde: T =Temperatura del gas. t =Temperatura del slido. Planteando el balance: dqg = dqs + qp.....(9) donde: qs=Calor recibido por el slido (H/). SEPARAror2Pgina 5 de 5 qp=Prdidas de calor (H/). qg=Calor cedido por el gas (H/). El calor cedido por el gas es: dqg = GS CS dT.....(10) donde: CS=Calor hmedo del aire (H/T). El calor recibido por el slido es de acuerdo a la ecuacin general de transferencia de calor: dqs = U dA (T-t)dA = a S dZ.....(11 y 12) donde: U=Coeficiente de transferencia de calor (H/L2T). a=Superficie de las partculas slidas expuestas al aire por unidad de volumen de secador (L2/L3). Generalmentesesuponequeelsecadorestaperfectamenteaisladoporloquenoexistenprdidasdecalor;las ecuaciones (10) y (11) se pueden igualar y despejando dZ se tiene: ( )dZGCUadTT tS=.....(13) Considerando a U y CS constantes e integrando se obtiene: ( )ZG CUasdTT tS STT=12.....(14) Sabemos que: ZTerica = LUT*NUT.....(15) Donde Z sera la longitud terica del secador. Entonces:LUTG CUaS=

( )NUTdTT tTT=12. ....(16 y 17) Con una serie de consideraciones se llega a que:

( )NUTT TT tm=1 2Donde: ( ) T tT TT tT tm =

((2 12 21 1ln .....(18 y 19) AlproductoUaseleconocecomocoeficientevolumtrico.Diversosautoreshanutilizadocorrelacionesquese pueden reducir a la forma: Donde: UaKGDn=.....(20) Ua=Coeficiente volumtrico (BTU/hr F pie3). K=0.5 BTU/hr pie2. G=masa velocidad del gas (lb/hr pie2). N=0.67. D=dimetro del cilindro del secador (pies) El calor suministrado dentro del sistema se puede definir como: qs = w * Cp * (T1-Tamb.) (21) Consumo de Calor Unitario y Eficiencias Trmicas Los consumos unitarios de calor y los valores de eficiencias trmicas de la operacin de secado son expresiones del comportamiento de un secador. SEPARAror2Pgina 6 de 6 Entrminosprcticosexpresanlacantidaddecalornecesarioparaproducirunaunidaddeproductoseco hastaunaciertahumedad(segnlasespecificacionesdeseadas)obienlacantidaddecalorporunidaddeagua evaporada. Las ecuaciones siguientes presentan estas relaciones: producto lb BTUenFqsproducto por calor de unitario Consumo Jp.. .2. . . . . = =...... (22)

lbaguaBTUenWqsevaporada agua por calor de unitario Consumo Ja = = . . . . . ....... (23) Laeficienciatrmicaesdirectamentedependientedelastemperaturasdeoperacinyentrminosgeneralesse define como la relacin de: Calor usado en la evaporacin Calor suministrado Deacuerdoaloanteriorlaeficienciaseincrementacuandolatemperaturadelairedeentradaseeleva(sila naturaleza del producto y el diseo del secador lo permite) y el secador se opera a una temperatura de salida tan baja como lo permite el proceso (calidad y especificaciones del producto). La eficiencia trmica de la operacin de secado puede expresarse de las siguientes maneras: 1.Eficiencia Trmica Global : Se define como la fraccin total del calor suministrado al secador en relacin al calor usado en el proceso. La relacin siguiente proporciona un valor aproximado: 100 *12 1Tamb Ta T Thglobal=.....(24) donde:Tamb=temperatura ambiente bulbo seco. T2a=temperaturadesalidadelosgasescomosilaoperacinfueseverdaderamente adiabtica,esdecirquepuedeconsiderarsecomolatemperaturatericadesalida del gas esperada si no hubiese prdidas de calor (Ver figura 2). FIGURA 2FIGURA 3 Y2 Y1 Y1 T2 T2a T1TsatT1 Lneas de Humidificacin Adiabtica T2 :Tb seco salidaTsat : Temp.saturacin T2a : Tb seco salida adiabticaT1 : Tb seco entrada T1 : Tb seco entrada 2.Eficiencia evaporativa: Se define como la relacin entre la capacidad de evaporacin real con la capacidad que se obtendra en el caso ideal de que el aire de salida hubiese llegado hasta la saturacin dicha eficiencia se puede calcular aproximadamente mediante la ecuacin siguiente: 100 *12 1Ts Ta T Tva hevaporati=..... (25) donde:Ts=temperatura de saturacin. (Ver Figura 3.) SEPARAror2Pgina 7 de 7 3.Finalmentebasndoseenlastemperaturasesposibleestimarelporcentajedecalorperdidoporconceptode conveccin, radiacin del Venturi de alimentacin, ductos de secado, aislamiento y colector ciclnico, si como por el calentamiento que lleva el producto ya seco. Calor perdidoT a TT T a. * =2 21 2100..... (26) EQUIPO. El secador rotatorio utilizado en la prctica se muestra en la figura 3. Losslidossecolocanenunatolvaysealimentanmedianteunalimentadortiponcoraqueregulaelflujo.El secadorestinclinadoaproximadamente1conrespectoalahorizontal,parafacilitarelflujodelosslidos;cuenta adems, con unas paletas de tipo aspas de borde 90 para levantarlos y esparcirlos en la corriente gaseosa. El aire para el secado se impulsa por un ventilador de tiro inducido y se calienta al cruzar una cmara en la que se quema gasdomstico.Elflujodelaireesenlamismadireccindelslido;esdecir,losflujossonparalelos.Losslidos despus de pasar a travs del cilindro, salen por una compuerta y caen a un recolector. El aire a su vez, pasa por un recolector ciclnico para recuperar los slidos que hayan sido arrastrados y finalmente, por un medidor de tipo Venturi con garganta cuadrada, con el cual se determina la velocidad de los gases. Las reas transversales del Venturi son 4 x 4 pulg y 2 x 2 pulg. El dimetro del cilindro es de 15.2 cm (0.5 pies) y tiene una longitud de 1.98 cm (6.5 pies). La seccin transversal (s) es de 0.018 m2. TRABAJO DE PRELABORATORIO. 1.Explicar el significado fsico de NUT y LUT 2.Cules son las mediciones que se deben hacer para obtener el LUT? 3.Cmo calcular el NUT tericamente? 4.Qu variables afectan la eficiencia del secado en el secador rotatorio? 5.Cmosepodravariareltiempoderesidenciadelmaterialenelsecadoryqueefectosprovocaraesta variacin? 6.Porqu crees que para medir la temperatura en el quemador se tienen instalados varios termopares? 7.LLEVAR UN DISKETTE NUEVO EN BLANCO POR EQUIPO TraerundiscoNUEVOde3.5porequipo,pararegistrarlosdatosenlaPCdelsecador.Delocontrario tendrn que tomar las mediciones a mano. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL. Humedecer el aserrn con 30 min. de anticipacin, la cantidad de agua adicionada no debe sobrepasar la necesaria paraalcanzarel50%dehmb.h.,tomarunamuestraparamedirlahumedadinicialenlabalanza.Entoncesse empieza a alimentar el material y se toman temperaturas de bulbo hmedo y bulbo seco del ambiente. Hacerdosexperimentosde20o30min.c/u.Iniciarelregistrodedatos5min.despusdehaberiniciadola recoleccin.Cuandoselleguealrgimenpermanente(odeestadoestable),colocarotracubeta previamente pesada para recoleccin de los slidos secos, efectuar medicin detiempo de recoleccin, medidas de SEPARAror2Pgina 8 de 8 temperatura de bulbo hmedo y seco del aire (para obtener un promedio),cada de presin en el Venturi, etc. (Tabla 1) Finalmente retirar la cubeta y detener la alimentacin. Tomar muestras para determinar la humedad.. Se recomienda usarparaelproductosecadolabalanzadeHumedaddeslidosDELMHORTSG6MoistureMeter,laescalade calibracin correspondiente a aserrn o al material de prueba utilizado. REPORTE. A. Presentar los datos de las Tablas 1 y 2. B. En adicin, realizar las grficas de : Tiempo vs T b.s. y T b.h. del aire de secado. En Carta de Humedad (anexa) especial para las temperaturas utilizadas en este secador, graficar la lnea dehumidificacindeaquelexperimentocuyoresultadoseaelmejor.Dichacartapuedeextraersede internet con base al programa Incluido en el archivo de Laboratorio de Balances : http//200.13.98.241/ren BIBLIOGRAFA. Foust, A.S. et al., Principios de Operaciones Unitarias. Ed. John Wiley & Sons, Mxico 1983. McKetta, R., Encyclopaedia of Chemical Processing and Design, Tomo 17, New York 1983. Perry y Chilton, Enciclopedia del Ingeniero Qumico, 2a edicin en espaol, Ed. McGraw-Hill, Mxico 1986. Treybal R., Operaciones de Transferencia de Masa, 2a edicin, Ed. McGraw-Hill, Mxico 1988. Schweutzer P.A., Handbook of Separation Technics for Chemical Engineers, 2a edicin, Ed. McGraw-Hill, Book co. 1988. TABLA 1.- DATOS EXPERIMENTALES (SECADOR POR TRANSPORTE NEUMTICO) Fecha: ______________ Material: ___________________ Tam. Partcula: _________________ mm.Lote: ________________ Cubetagrande de alimentacin:Material de prueba ____________Kg. SEPARAror2Pgina 9 de 9 Agua adicionada____________Kg. Total en cubeta _______________Kg.Humedades: EXPERIMENTO 1 Tbs ambiente: _______________ C Tbh ambiente:____________C Tslidos a la entrada: __________ C TOTAL ____________ EXPERIMENTO 2 Humedades: Tbs ambiente:____________________ C Tbh ambiente:_____________________ CTslidos a la entrada:_____________________ C TOTAL ____________ *La humedad de material ya seco puede determinarse conmedidor de Humedad de materiales slidos:DELMHORST G6 Moisture meter. TABLA 2.- DATOS EXPERIMENTALES Y RESULTADOS Resumen (SECADOR ROTATORIO TRANSFERENCIA) GRUPO: ____________ FECHA DE REALIZACIN:______________ Responsable de esta hoja:__________________________ FECHA DE ENTREGA: __________________Lote: __________________________ MATERIAL A SECAR:_____________________________________________________________________ Condiciones y resultadosSmboloUnidadesExp. 1Exp. 2 Peso g. Antes de secarA la salidadel secador Charola aluminiog. g. Muestra hmedag. g. Muestra secag. g. Humedad b.h. __________ % _______%_* Humedad b.s.__________ % _______%_* TEMPERATURAS C E N T R A D ASALIDA Gases Tiempo (min.) 1er.termopar T. b.s. 2do. termoparT. b.s.Promedio T1 b.s.T2 b.s.T2wb.h. Slidos secos Ts2 Descarga de slidos secos Kg. Presin esttica Venturi Velocidadde los gases m/seg Masa Velocidad en cilindro0 5 10 15 20 25 30 Prom. Peso g. Antes de secarA la salidadel secador Charola aluminiog. g. Muestra hmedag. g. Muestra secag. g. Humedad b.h. __________ % _______%_* Humedad b.s.__________ % _______%_* TEMPERATURAS C E N T R A D ASALIDA Gases Tiempo (min.) 1er.termopar T. b.s. 2do. termoparT. b.s.Promedio T1 b.s.T2 b.s.T2wb.h. Slidos secos Ts2 Descarga de slidos secos Kg. Presin esttica Venturi Velocidadde los gases m/seg Masa Velocidad en cilindro0 5 10 15 20 25 30 Prom. SEPARAror2Pgina 10 de 10 Temperatura de entrada de gases, b.s.T1 o C Temp. entrada de gases, b.h. (ver * Nota)T1w o C Temperatura de salida de gases, b.s.T2 o C Temperatura de salida de gases, b.h.T2w o C Temperatura de salida de los slidosTs2 o C Humedad absoluta de gases a la entradaY1Kg.agua/Kg.aire Humedad absoluta de gases a la salidaY2Kg.agua/Kg.aire Humedad de entrada del material, b.h.X1% humedad. Humedad de salida del material, b.h.X2% humedad Humedad de entrada del material, b.s.Ws1 g. agua/ g.slidoHumedad de salida del material, b.s.Ws2 g. agua/ g.slidoVolumen Hmedo del aire Vh Calor hmedo del aire CS Velocidad media de los gasesVm m/s Densidad del aire aire ensidad media de los gases mKg a.s./ m 3 cantidad de gases manejadoswKg a.s./ seg. Capacidad de alimentacin base slidos secosFsg/min Gasto de aire seco GS Masa velocidad de gasesG Kg a.s./hr m2 Cantidad de material hmedo alimentadoF1 g/min Cantidad de agua evaporadaWg/min Cantidad de material seco obtenidoF2 g /min Humedad relativa de gases de salidaHr2% Humedad relativa de gases a la entradaHr1% calor total suministradoqs Btu /hr Consumo unitario de calor por agua evaporadaJaBtu /lb H2O Kcal / Kg Consumo unitario de calor por productoJpBtu /lb producto eficiencia trmica globalhg% eficiencia evaporativahe% Calor perdidoCalor p% Nmero de unidades de transferenciaNUT real Nmero de unidades de transferenciaNUT calculado Longitud de una unidad de transferenciaZpies Coeficiente volumtrico de transferenciaUaBtu/hr pie3 F Coeficiente volumtrico de transferenciaUKcal/hr m3 C * NOTA: Para los fines de esta prctica utilizar el valor de Temp. de bulbo hmedo del aire ambiental. SEPARAror2Pgina 11 de 11 CARTA DE HUMEDAD A 550 mm Hg00,10,20,30,40,50,60,70,80,911,11,21,31,41,51,61,71,81,9230 50 70 90 110 130 150 170 190 210 230 250 270 290Temperatura CVolumen hmedo, m3/Kg de aire seco00,010,020,030,040,050,060,070,080,090,1y = humedad, Kg vapor de agua/Kg aire seco0,24 0,25 0,26 0,27 0,28 0,29Calor hmedo, Cs,Kcal/KgC