INDICE

1.−Introducción 2

2.−Tipos de secadores rotatorios 3

2.1.−Secador rotatorio de cascada con calentamiento directo. 3

2.1.1.−Dirección de los flujos aire/sólido. 4

2.1.2.−Elevadores para secadores de cascadas. 5

2.2.−Secador de persianas. 5

2.3.−Secador indirecto. 7

3.−Equipos auxiliares. 8

3.1 Calentadores de aire para secadores directos. 8

3.1.1.− Calentadores de aire Directos. 9

3.1.1.1.−Quemadores de gas. 9

3.1.1.2.−Quemadores de petróleo. 9

3.1.1.3.−Combustibles sólidos. 9

3.1.2.− Calentadores de aire Indirectos. 10

4.−Diseño de secadores rotatorios. 10

4.1−Tiempo de retención. 10

4.2.−Procedimiento de diseño. 13

4.2.1.− Cálculo del diámetro del secador. 13

4.2.2.− Balance de Energía. 13

4.2.3.− Cálculo de la temperatura del gas de salida. 13

4.2.4.− Cálculo de la velocidad másica del gas. 14

4.2.5.− Cálculo de la humedad del gas de salida. 14

4.2.6.− Cálculo de la longitud del secador. 14

4.2.7.− Cálculo del tiempo de retención. 15

1

4.2.8.− Calculo alternativo del volumen del secador. 15

4.2.9.− Operación Contracorriente v/s Paralelo. 15

5.−Comportamiento característico de un secador de tipo directo. 16

5.1.− Efecto de la velocidad del gas. 16

5.2.− Efecto de la velocidad de rotación. 16

5.3.− Efecto de la Inclinación de la carcasa. 16

5.4.− Efecto de la carga del secador. 16

5.5.− Requerimientos de Potencia. 17

6.− Ejemplo: Problema típico de diseño. 17

7.−Conclusiones. 20

8.−Bibliografía. 21

1.−INTRODUCCIÓN

El secador rotatorio constituye una de las formas más ampliamente utilizadas para el secado, de una ampliagama de materiales, a nivel industrial, en forma rápida y con bajo costo unitario cuando se trata de grandescantidades. En este tipo de secador, el material húmedo es continuamente elevado por la rotación del secador,dejándolo caer a través de una corriente de aire caliente que circula a lo largo de la carcasa del secador. Elflujo de aire puede ser tanto en paralelo como en contracorriente. Los secadores de gran tamaño poseen, acontinuación, un enfriador del producto, que opera en base al mismo principio y con aire en contracorriente oun enfriador en lecho fluidizado. Estos secadores se pueden diseñar para tiempos de secado comprendidosentre 5 y 60 minutos y capacidad de secado desde unos pocos cientos de kilogramos por hora hasta alcanzarlas 200 t/h.

En la industria química su mayor uso es el secado de sales fertilizantes, como el sulfato nitrato y fosfato deamonio, sales potásicas y fertilizantes.

Son muy adecuados para el secado de productos granulares, con buenas características de flujo que requierentiempos de secado moderados. Pueden ser adaptados para manipular materiales algo pegajosos mediantedispositivos especiales que disgreguen las costras sólidas formadas. De hecho, la acción de volcado esbeneficiosa dentro de ciertos límites para todos los productos, pues se rompe la corteza semipermeable que seforma en la superficie de las partículas que se secan, con lo cual se facilita la salida de la humedad desde elinterior de las partículas. Además se adecuan bastante bien para materiales termosensibles, en los casos en queuna restricción en la temperatura de secado no implique que el tiempo de secado tenga que ser muyprolongado. Sin embargo, no son adecuados para las siguientes aplicaciones: secado de barros, suspensiones,materiales muy pegajosos y materiales que requieran más de una hora para el secado. Además, presentanlimitaciones en el secado de materiales polvorientos o livianos, los cuales son arrastrados fácilmente por lacorriente gaseosa. En estos casos deben tomarse en consideración los secadores rotatorios indirectos, como losmás adecuados.

2.−TIPOS DE SECADORES ROTATORIOS

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Los secadores rotatorios pueden ser clasificados en tres tipos:

Secador rotatorio de cascada con calentamiento directo.• Secador directo con persianas periféricas para el aire caliente.• Secador por calentamiento indirecto.•

El secador con persianas periféricas es, en realidad un equipo continuo de secador agitado con circulacióntransversal.

2.1.−Secador rotatorio de cascada con calentamiento directo.

En la figura 1 está esquematizada la disposición más ampliamente usada de secador rotatorio. En ella semuestra un calentador directo que quema petróleo, pero puede usarse cualquier combustible y si es necesario,un sistema de calefacción indirecto. El aire fluye a lo largo de la carcasa en contracorriente o en paralelo, talcomo se muestra en la figura.

La carcasa rotatoria puede alcanzar los 3 m de diámetro; según la producción requerida, la longitud estáhabitualmente comprendida entre cuatro y quince diámetros. Para provocar el desplazamiento longitudinal delsólido que se está secando, la carcasa está montada con una pendiente comprendida entre el 2.5 y el 5%(aunque algunas ocasiones los secadores en paralelo pueden estar prácticamente horizontales). Unidas a lapared interna del cilindro del secador hay una serie continua de elevadores, como puede verse en la figura 2. amedida que gira el secador, estos elevadores toman material y lo arrojan en cascada dentro de la corrientegaseosa. El secador gira a una velocidad de 4 a 5 rpm. La velocidad del aire varía de 1.5 s 2.5 m/s,dependiendo del tamaño de las partícula a secar y de la cantidad de polvo fino formado dentro del secador.

Figura 1. Secador rotatorio directo en cascada

Figura 2. Tipos de elevadores.

2.1.1.−Dirección de los flujos aire/sólido.

Es fundamental usar los flujos de aire y sólido en paralelo cuando se debe evaporar una gran proporción dehumedad en las primeras etapas del secado; además esto permite utilizar altas temperaturas en el aire deentrada sin alcanzar altas temperaturas en el producto a secar. Por ello es indicado para el secado demateriales termosensibles, incluyendo aquellos que contienen componentes volátiles, como son las sales deamonio.

Puesto que las temperaturas del aire y de los sólidos convergen a medida que se acercan a la salida, latemperatura del sólido seco que abandona la planta es fácilmente controlada hasta que alcance su valormáximo, mientras se mantiene la ventaja de tener una gran diferencia de temperaturas en las primeras etapasdel secado. En el secador con flujos en contracorriente, la temperatura del sólido seco tiende a alcanzar latemperatura del aire de entrada; en consecuencia, la operación en contracorriente se indica cuando esnecesario calentar el sólido a una temperatura relativamente alta para completar el proceso de secado.

La temperatura del aire que sale en un secador en paralelo, es unos 10 a 20ºC mayor que la temperatura de lossólidos que abandonan al equipo. Por ello el aire que sale puede estar próximo a su punto de rocío y puedeformar fácilmente depósitos de polvo húmedo de los colectores de polvo que tengan poco arrastre. Se puedeprevenir este problema adicionándole a esta corriente, el aire polvoriento que sale del enfriador o utilizandoun lavador húmedo.

2.1.2.−Elevadores para secadores de cascadas.

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Se obtiene el máximo de transferencia de calor y materia, cuando todo el material en el proceso cae encascada. Bajo esas condiciones los coeficientes de transferencia por unidad de longitud del secador sonproporcionales a su retención.Sin embargo, se tiene en cuenta, que el material no tomado por los elevadores,permanece en el fondo de la carcasa dando vueltas sobre sí mismo y provocando cortocircuito en la operaciónde secado. También es importante que las cascadas o cortinas de material que cae, deben ser llevadas a travésde todo el cilindro con el objeto de alcanzar el mejor contacto posible con la corriente gaseosa. Por esta razónse deben seleccionar los elevadores que den un patrón de flujo correspondiente al diagrama d de la figura 2 .Con este diseño particular de elevador, la máxima retención de sólidos alcanza al 14% del volumen de lacarcasa. Los materiales pegajosos, presentan la desventaja de acumularse en la zona curva del elevador. Estopuede ser superado en cierta medida, aunque con alguna pérdida en el rendimiento haciendo la curvaturamenos pronunciada. No obstante, si el diseño se aproxima a un sencillo elevador radial, la pérdida deefectividad es lo suficientemente grande como para justificar, con alternativa, el desarrollo de mejoras en laalimentación, mediante modificaciones en el proceso, o con alguna forma de tratamiento previo, como puedeser un cierto grado de retromezclado del producto seco. Además, debe tomarse en consideración la posibilidadde usar un tipo distinto de secador.

Se debe tomar en cuenta que un sistema complicado de elevadores será más dificultoso para limpiar y máscostoso para mantener, en particular cuando es inevitable una cierta abrasión en los secadores rotatorios degran producción. Por ello, deben preferirse los sistemas más sencillos a pesar de las atracciones teóricas quepresentan los dispositivos más complejos..

2.2.−Secador de persianas.

En la figura 3 se muestra un secador rotatorio de persianas, donde el aire fluye por canales formados portablillas conformadas de persiana y escapa a través del lecho de sólido. Una válvula asegura que el aire fluyesólo por aquella persiana que en ese momento se encuentra bajo el lecho de material a secar, mientras que lasuperposición de las tablillas que forman las persianas asegura que no entre material sólido en los conductosdel aire. Las persianas forman un tambor interno levemente cónico, con lo cual se logra el movimiento axialdel sólido aunque el eje del secador este horizontal. En el extremo de salida hay un anillo de retenciónformado por un sistema de hojas articuladas superpuestas.

En una operación normal se usa un lecho relativamente espeso, que ocupa alrededor del 40% del volumen delsecador, pero es posible modificar el espesor del lecho cambiando el ángulo de las hojas que forman el anillode retención; además esto permite vaciar rápidamente el secador. El aire que abandona el secador eshabitualmente canalizado hasta un conjunto de ciclones de alta eficiencia.

El suave rodar del lecho impide la formación de costras y minimiza la rotura de los materiales que producenpolvos. El espesor relativamente grande del lecho de material, permite lograr un tiempo de retenciónsatisfactorio en un equipo pequeño, comparado con el secador de cascada, y su consumo de potencia esmenor, puesto que es baja su velocidad de rotación. Además como se puede alcanzar un alto coeficiente detransferencia de calor, resulta ser un equipo compacto al usarlo con materiales que sequen principalmente enel período de secado a velocidad decreciente.

Este secador no es apropiado para materiales pegajosos, los cuales tienden a taponear las rendijas de laspersianas y a formar grandes apelotonamientos debido al movimiento rotatorio. Puesto que este equipo secomporta como un intercambiador de calor de corrientes cruzadas, la temperatura de los sólidos a la salida seaproxima a la del aire de la entrada, lo cual puede limitar el valor máximo de esta última. Además, la caída dela temperatura del aire en la región de secado a velocidad decreciente es pequeña, por lo cual el rendimientotérmico tiende a ser pequeño; éste será alto en la zona de secado a velocidad constante donde es máxima ladiferencia de temperatura entre el aire de entrada y de salida.

Puesto que el aire entra a la misma temperatura en toda la extensión del lecho, una porción de alimentación

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tendrá el mismo proceso de secado recorriendo este equipo, que si es secado en condiciones similares, en unsecador discontinuo. Por lo tanto, es posible llevar a cabo pruebas de laboratorio en un pequeño secadordiscontinuo para determinar un caudal de aire y el correspondiente tiempo de secado. El secador de tamañoindustrial es entonces dimensionado para obtener las mismas condiciones.

Figura 3. Secador de Persianas.

2.3.−Secador indirecto.

Un tipo de secador indirecto posee una carcasa rotatoria inclinada, como los secadores directos, pero en lugarde elevadores está provisto de tubos que contienen vapor o agua caliente. Los equipos pequeños poseen unasola fila de tubos, pero los equipos de mayor tamaño emplean dos filas de tubos, de las cuales la interna estáformada por tubos de menor diámetro que los tubos de la fila externa (ver la figura 4 ).

La alimentación se calienta por contacto directo con los tubos sobre los cuales fluye formando una delgadacapa. Se inyecta aire a través del secador en cantidad suficiente para eliminar el vapor de agua. El aireabandona el secador prácticamente saturado, por lo cual la cantidad requerida, suele ser mucho menor que enun secador rotatorio directo. El problema de la eliminación de polvo en el aire de salida está simplificado y enmuchos casos es adecuada la circulación natural del aire sin ayuda de ventiladores. La velocidad del aire seencuentra por lo común alrededor de los 0,3 m/s.

El vapor de calefacción es introducido dentro de los tubos, y el condensado eliminado mediante undistribuidor dispuesto en el extremo de descarga de los sólidos. Los sólidos secos se descargan a través deaberturas practicadas en la carcasa, las cuales poseen una pestaña que permite mantener un espesor de lechosuficiente.

Este secador es especialmente adecuado para materiales que presentan un período de secado a velocidaddecreciente prolongado y por ello deben mantenerse durante un largo tiempo a una temperatura prácticamenteconstante. Por otra parte, la rotación evita la formación de terrones de material y facilita la salida del vapor deagua. Puesto que hay poca pérdida de calor en la corriente gaseosa que sale, su rendimiento térmico eselevado. Este equipo es adecuado para el secado de materiales termosensibles, pues la temperatura máxima

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alcanzable puede ser controlada con precisión al controlar la temperatura del fluido calefactor. No esadecuado para el secado de materiales que formen costras adherentes sobre los tubos de calefacción.

Por razones de índole mecánica los secadores indirectos no pueden ser tan grandes como las mayoressecadores directos utilizados para producciones muy grandes, pero afortunadamente las producciones demateriales para los que es particularmente adecuado este secador, son relativamente pequeñas. Lasdimensiones de las carcasas varían 1.5 a 3.0 m de diámetro y 10 a 20 m de longitud, y los tubos de calefaccióntienen como dimensiones típicas las siguientes: fila externa, 110 mm, y fila interna, 75 mm; obteniéndosecoeficientes de transferencia de calor del orden de los 2 KW/mºC.

Figura 4. Principio de funcionamiento de un secador indirecto, flujo en contracorriente.

3.−EQUIPOS AUXILIARES.

Salvo en el caso de los secadores pequeños, es esencial enfriar prácticamente todos los productos que salendel secador mediante una corriente de aire en un enfriador rotatorio o enfriador de lecho fluidizado, puestoque puede ser excesivo el contenido calórico de una descarga continua de 20 a 200 t/h que abandona elsecador a unos 100 ºC, especialmente si el material es empaquetado en bolsas de plástico o de fibra sin pasarpreviamente por el almacenamiento en un silo; además, muchos productos tienden a aglutinarse si se lesalmacena calientes en un silo. En general, es conveniente alcanzar una temperatura que supere a la ambienteen 20 ó 30ºC.

Entre otros equipos auxiliares se incluyen a los calefactores de aire, tanto directos como indirectos, cámarasde templado del aire, colectores de polvo eficientes y ventiladores; además de un sistema de transportadores(mediante cintas) para la alimentación y salida del producto.

En algunas plantas es necesario aplicar un sistema de raspadores operados automáticamente para despegar elmaterial aglomerado sobre los elevadores. Estos son ruidosos y a veces es problemático mantenerlos encondiciones efectivas de operación.

3.1 Calentadores de aire para secadores directos.

Este tipo de calentadores es alimentado con gas o petróleo, su cámara de combustión es cilíndrica y tiene unalongitud aproximada de dos diámetros. Los productos calientes de la combustión descargan dentro de unacámara de mezclado donde se mezclan con el resto del total del aire (aire de enfriamiento o de dilución). Paraobtener una combustión completa, de manera que no se produzca una corriente gaseosa humeante, esnecesario utilizar un quemador con tiro forzado, ya que el de tiro inducido es insuficiente para hacer funcionarlos quemadores de baja presión.

Prácticamente todo el calor liberado en la llama aparece como el calor sensible de los gases y como laspérdidas de calor por las paredes son comparativamente pequeñas, la temperatura de la pared esta entre unos100 a 200ºC por debajo de la temperatura de la llama. Cuando el quemador trabaja con una baja relación deexceso de aire, las paredes de éste alcanzarían una temperatura de pared de aproximadamente 1700ºC y seríanecesario usar un material súper refractario, el cual es muy costoso. Para superar esto se debe operar con unexceso de aire de un 100%, del cual se admite un 30% en el quemador y el 70% restante por un anillo detomas dispuesto alrededor de la cámara de combustión, lo cual mantendrá la temperatura del materialrefractario alrededor de los 1400ºC, teniéndose una temperatura en la llama de aproximadamente entre 1500 y1600ºC. El uso de un ventilador es suficiente para obtener el exceso deseado.

La cámara de mezclado del aire de dilución debe tener idealmente una longitud aproximada de 10 a 12diámetros para asegurar un mezclado satisfactorio. En la práctica esto no resulta cómodo, pero la introducciónde3 una o más curvas de en ángulo recto o un cortacorrientes anular mejora el mezclado y resulta sencillo de

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disponer. Además, la curva actúa como blindaje a la radiación, lo cual es importante cuando el combustibleusado es petróleo, pues la cámara se comporta como un cuerpo negro a 1500ºC.

Los calentadores de aire se dividen en dos grupos:

Calentadores de aire Directos.• Calentadores de aire Indirectos.•

3.1.1.− Calentadores de aire Directos.

Dentro de esta categoría, existe una subdivisión en base al tipo de combustible que se utilice, y por ende eltipo de quemador.

3.1.1.1.−Quemadores de gas.

Este tipo de quemadores, la llama es muy estable, pudiéndose regular la relación aire/gas en un margen de 3:1,manteniendo el máximo caudal de aire y pudiéndose alcanzar una variación de 10:1 en el caudal de gas, si seregula en la misma proporción al caudal de aire. Estos quemadores se pueden clasificar como de baja y altapresión.

Quemadores de baja presión. La energía para el mezclado es suministrada por el aire que ingresa con 15 a 25mbar para la combustión.

Quemadores de alta presión. La corriente de gas en este tipo de quemadores ingresa con una presión de hasta1.5 bar.

3.1.1.2.−Quemadores de petróleo.

Cuando se secan materiales claros, es fundamental que la combustión sea completa y no presente trazas dehollín, de tal manera que no coloreen el material. Por lo cual estos quemadores deben cumplir las siguientestres condiciones:

La atomización del combustible debe ser muy buena, de manera que sea pequeño el residuo no volátil enlas gotitas.

•

Es necesario obtener una llama turbulenta con un rápido mezclado para quemar todas las partículassecundarias de carbón que se forman en la llama por reacción térmica, antes que éstas alcancen un grantamaño. Para cumplir este requerimiento se debe disponer de tiro forzado.

•

Los gases de la llama no deben enfriarse por dilución hasta que no se haya completado la combustión.•

3.1.1.3.−Combustibles sólidos.

Se utilizan combustibles sólidos en los secadores con fuego directo cuando no existe objeción a lacontaminación del producto por las partículas de ceniza. Se utilizan alimentadores neumáticos para manteneruna operación continua y un buen control de la temperatura. En los secadores de gran tamaño generalmente seutiliza carbón pulverizado. Al igual que los quemadores de petróleo debe usarse una cámara de combustióncompleta antes de reunir los gases calientes con el aire de dilución.

3.1.2.− Calentadores de aire Indirectos.

Este tipo de calentadores son más costoso que los calentadores directos, pero son necesarios cuando se debencumplir normas estrictas de limpieza.

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Para operaciones a bajas temperaturas se pueden utilizar vapor como fuente de calor y el diseño del calentadorse efectúa según la práctica convencional de los intercambiadores de calor. Los valores relativos entre loscoeficientes de transferencia de calor interno externo indican la conveniencia de usar tubos de aletas.

Para alcanzar altas temperaturas, se pueden utilizar calefactores con quemadores de combustible. El diseño deestos calentadores se acerca al de los calentadores tubulares. Los tubos rodean la zona radiante de la cámarade combustión, la cual es seguida de una sección convectiva. Existen calentadores que sólo poseen la zonaradiante, pero presentan una menor eficiencia y sólo se justifica su uso cuando el combustible sea bastanteeconómico. Estos calefactores brindan una alternativa económica respecto al uso de costosos combustibleslimpios en un calentador directo, cuando se requiere que los gases estén limpios . sin embargo, si es necesarioutilizar aleaciones con alto contenido de cromo y níquel, el calentador se torna muy costoso y se tiene elpeligro de que los tubos sean atacados por los compuestos de vanadio contenidos en los residuos de los aceitespesados. Los quemadores de gas y petróleo son similares a los que son adecuados para un calentamientodirecto y la tecnología del calor es similar a la requerida por una caldera. Además puede usarse combustiblesólido, en este caso es fundamental utilizar un alimentador mecánico para poder obtener un funcionamientocontinuo y conseguir un buen control de la temperatura del aire.

4.−DISEÑO DE SECADORES ROTATORIOS.

A continuación se presentan las ecuaciones de diseño para los secaderos rotatorios.

4.1−Tiempo de retención.

Una estimación del tiempo de residencia es dificultoso de obtener debido a la compleja interacción de lossiguientes factores:

Porcentaje de carga.• Número de elevadores.• Diseño de elevadores.• Inclinación de el secador desde la base horizontal.• Velocidad de rotación de la carcasa del secador.• Longitud (efectiva) del secador.• Diámetro del secador.• Propiedades físicas del material a secar.• Velocidad del aire dentro del secador.•

Una expresión empírica encontrado por Williams−Gardner, basado en trabajos experimentales, para el tiempode residencia es:

(1)

Donde

t: Tiempo de retención, min.

L: Longitud efectiva del secador, pie.

n: Velocidad angular, rpm.

D: Diámetro de la carcasa, pie.

S: Inclinación de la carcasa, pulg/pie.

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v: Velocidad del aire, pie/min.

K,Y: Constantes.

Las constantes K y Y dependen de ciertos características de diseño tales como número y diseño de loselevadores, tamaño y densidad de partícula, y método de operación del secador.

Para secadores directos de carcasa sencilla,

(2)

donde se asume de 10 a 15%, en volumen, de elevadores. K tiene un valor de 0.52 a 2.0 cuando se trabaja conflujos en contracorrientes y de 0.2 a 0.17 para flujos en paralelos.

Friedman y Marshall sugieren la siguiente relación para el tiempo de residencia t en

minutos:

(3)

Donde:es una constante cuyo valor depende del material a secar.

DP : Promedio ponderado del tamaño de partícula del material, �m.

F: Velocidad de alimentación, lb material/h*pie2(área transversal al flujo).

S: Inclinación, pie/pie.

N: Velocidad angular, rpm.

L: Longitud del secador, pie.

D: Diámetro del secador, pie.

G: Velocidad másica de aire, lb/h*pie2.

Para flujos en contracorrientes, el signo en la expresión (3) es positivo, y para flujo en paralelo éste esnegativo. Alternativamente, Seaman y Mitchell recomiendan:

(4)

donde a y b son constantes, y vm es negativo para flujo en contracorriente. El producto bvm es el equivalente ala inclinación hecha por el desplazamiento de la caída de material por la corriente de aire.

Peck y Wasan, derivaron teóricamente una expresión para el tiempo de residencia. Su expresión es:

(5)

donde la constante C depende del diseño del elevador, K es un coeficiente de arrastre (partícula a aire) y � esel ángulo de inclinación de el secador.

Las caracterización de los secadores rotatorios, se determina en función de:

9

Transporte de material a traves de la zona de secado.• Intercambio de calor y masa entre el aire y el producto.•

Debido a la compleja relación entre el producto y el flujo de aire, la predicción de los coeficientes detransferencia de calor y masa debe, necesariamente, conocerse empíricamente. Conocido el coeficiente detransferencia de calor volumétrico Ua, uno puede calcular el volumen del secador V de la expresión:

(6)

donde q: Calor total transferido, Btu/h.

�Tm: Diferencia de temperatura media entre el gas caliente y el producto.

La relación empírica para el coeficiente es:

(7)

donde, K, n: Constante.

G: Velocidad másica de aire, lb/h*pie2.

D: Diámetro de la carcasa, pie.

El valor de n = 0.67 es probablemente el más representativo de los equipos comerciales. El ChemicalEngineer's Handbook (5ª edición) recomienda la siguiente expresión:

(8)

donde, L: Longitud del secador, pie.

D: Diámetro del secador, pie.

�Tm: Diferencia de temperatura media logarítmica del gas caliente a la entrada y salida del secador.

4.2.−Procedimiento de diseño.

4.2.1.−Cálculo del diámetro del secador.

La máxima velocidad másica de gas permisible es usualmente el valor en cual ocurre el arrastre de partículas.En base a las temperaturas del gas de entrada y salida, el flujo volumétrico de gas puede ser obtenido a travésde los balances de masa y de calor. Entonces, si asumimos que área transversal de flujo disponible para el gases el 85% del área total, el diámetro del secador puede ser calculado.

4.2.2.−Balance de Energía.

En el secador el balance de energía queda (9):

donde, E : velocidad de vaporización, lb/h.

� : calor latente del agua a Tent, ºF.

Tsal : Temperatura del gas de salida, ºF.

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Tent : Temperatura de entrada del gas, ºF.

tent : Temperatura de entrada del producto, ºF.

tsal : Temperatura de salida del producto, ºF.

S : Flujo másico de producto, lb/h.

Xent : contenido de humedad del producto húmedo, lbagua/lbsólidos secos.

Xsal : contenido de humedad del producto seco, lb agua/ lb sólidos secos.

CP : Calor específico de producto seco, Btu/(lb)(ºF).

qrad : pérdida de calor por radiación desde el secador hacia los alrededores, Btu/h.

4.2.3.− Cálculo de la temperatura del gas de salida.

Experiencias prácticas indican que, para secadores directos el número unitario de transferencia de calor, NT,debe ser entre 1.5 y 2.0 para una operación eficiente. El número de transferencia de calor esta dado por:

(10)

donde, Tent = Temperatura del gas de entrada.

Tsal : Temperatura del gas de salida..

�Tm : Diferencia de temperatura global entre el gas y el material.

En el caso de un material con un alto contenido de humedad, �Tm puede ser definido como la medialogarítmica de la temperatura del gas a la salida y la entrada con la temperatura de bulbo húmedo, Tw. Así,

(11)

por lo tanto,

(12)

donde NT esta entre 1.5 y 2.0.

4.2.4.− Cálculo de la velocidad másica del gas.

Si se asume que las pérdidas de calor por radiación y convección son alrededor 7.5% del de evaporación,entonces qT se puede evaluar de la ecuación ( 9). Entonces, la velocidad másica de gas esta dad por:

(13)

donde, G: Velocidad másica de aire, lb/h.

CP : Calor específico del gas, Btu/(lb)(ºF).

4.2.5.− Cálculo de la humedad del gas de salida.

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Asumiendo el hecho de que la humedad de salida es tal que no excederá la de saturación, entonces la humedadde salida, Xsal, estará dada por:

(14)

donde, E/G : Humedad recogida por el gas, lbagua/lbaire seco.

E : rapidez de evaporación, lbagua/h.

Así, teniendo calculado la humedad y la temperatura del gas de salida, tendremos completamente determinadoel estado termodinámico.

4.2.6.− Cálculo de la longitud del secador.

La longitud puede ser calculada teóricamente de la siguiente ecuación:

(15)

La razón L/D, basado sobre el calculo anterior, debe estar dentro del rango 4 a 10. Si esto no ocurre, otro valorde NT se debe escoger en orden a obtener un valor dentro del rango deseado.

4.2.7.− Cálculo del tiempo de retención.

El tiempo de retención � esta definido como H/S donde H es el material en el secador y S es la velocidad deproducción (lbsólidoseco/h). Para un buen diseño, la cantidad de material debe ser alrededor del 7 a 8% delvolumen del secador. Así,

(16)

donde �s: Densidad volumétrica del producto seco.

4.2.8.− Calculo alternativo del volumen del secador.

En general, es deseable encontrar el tiempo de retención por experimentación antes que por la estimaciónteórica descrita anteriormente. Así, si se tienen datos de planta piloto para el tiempo de retención experimentalrequerido por el diseñador, el volumen del secador esta dado por:

(17)

El tiempo de retención estimado a partir de una prueba experimental fidedigna, debe primar en casosextremos, bajo contenido de humedad final y alta temperatura del producto final. Los datos a escalaproporcionado por una planta piloto proveen información aplicable para una secador a tamaño industrial, sinembargo, se requiere de experiencia y un buen juicio por parte del diseñador.

4.2.9.− Operación Contracorriente v/s Paralelo.

La decisión de diseñar para un flujo en paralelo depende de los siguientes factores:

Sensibilidad al calor por parte del producto.• Contribución al efecto de arrastre de la velocidad de flujo.• Bajo contenido de humedad de los polvos de sólido.•

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Desde el gas y producto de alimentación hasta el mismo fin del secador, la diferencia de temperatura (gas ssólido) en estos puntos es mínimo. Así, el comportamiento del secador es ineficiente en términos de potencialde secado. Por el contrario, la operación en contracorriente asegura una distribución más uniforme de ladiferencia de temperatura. Consecuentemente, la eficiencia en el secador es maximizada. Otros factores queestán controlando en el flujo en contracorriente son:

Compatibilidad del producto con altas temperaturas.• Inhibición del efecto de arrastre producto de la velocidad de flujo.• Mal control de la temperatura del producto final.• Arrastres de partículas húmedas.•

5.−COMPORTAMIENTO CARACTERÍSTICO DE UN SECADOR DE TIPO DIRECTO.

A continuación se describen algunos parámetros característicos de este tipo de secador:

La eficiencia térmica varía de 30 a 55% para secadores calentados con vapor, y de 50 a 75% para secadoresque utilizan combustible. La velocidad de operación en un secador calentado con vapor va desde 0.2 a 2.0lbagua/pie3. Para secadores directos de combustible la evaporación va de 2.0 a 7.0 lbagua/pie3.

5.1.− Efecto de la velocidad del gas.

La velocidad del gas afecta el comportamiento del secador de varias maneras, directa e indirectamente. Conrespecto a lo primero, la velocidad del gas tiene un efecto significativo sobre el coeficiente de transferencia decalor. Con respecto a lo segundo, la velocidad del gas influye en el tiempo de retención del producto y en elgrado de arrastre del producto.

5.2.− Efecto de la velocidad de rotación.

El tiempo de retención es inversamente proporcional a la de rotación. La velocidad rotacional del secadorusualmente esta entre 25 y 35 rpm .

5.3.− Efecto de la Inclinación de la carcasa.

Para una velocidad de rotación dada, la inclinación del secador se incrementa y el tiempo de retencióndecrece. Para el rango de inclinaciones y velocidades de rotaciones comúnmente usadas ( ¼ a ¾ pulg/pie y 2 a7 rpm) el tiempo de retención es inversamente proporcional a la inclinación.

5.4.− Efecto de la carga del secador.

El porcentaje de carga en el secador, es decir, la razón de material en el secador al volumen del secador,influyen en el tiempo de retención. La carga optima de un secador yace entre 8 a 12% de el volumen delsecador. El tiempo de retención esta relacionada con la carga del secador por:

(18)

donde, H : Material por unidad de longitud, lb/pie.

L : Longitud del secador, pie.

S : Velocidad másica del producto, lb/h.

� : Tiempo de retención, h.

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5.5.− Requerimientos de Potencia.

La potencia requerida para hacer rotar la carcasa del secador esta dada por

(20)

donde, P : Potencia, kW.

WT : Peso total de las partes de rotación del secador., kg.

Vr : Velocidad periférica de los polines, m/s.

B : masa de material, kg.

D : Diámetro de la carcasa, m.

f : número promedio de elevadores por revolución da la carcasa del secador.

N : Velocidad de rotación, rpm.

6.− EJEMPLO: PROBLEMA TÍPICO DE DISEÑO.

Un secador rotatorio directo va a ser diseñado para secar pellets catalíticos a una velocidad de 1000 lb/h dematerial seco desde un contenido de humedad inicial de 0.60 lbagua/lbsólido seco a una humedad final de0.05 lb/lb. De un estudio de comportamiento en un secador rotatorio, tamaño planta piloto, los siguientesdatos fueron recogidos:

Temperatura del aire de entrada 320ºF

Temperatura bulbo húmedo del aire de entrada 110 ºF

Temperatura final del aire 160 ºF

Velocidad másica promedio del aire 36.0 lb/pie2min

Tiempo de retención del producto 20 min

Contenido de humedad inicial 0.60 lb/lb

Contenido de humedad final 0.05 lb/lb

Temperatura del producto final 110 ºF

Temperatura bulbo húmedo del producto final 108 ºF

Dirección del flujo de aire Paralelo

Propiedades físicas del producto

Densidad volumétrica 34 lb/pie3

Calor específico 0.24 Btu/lbºF

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Producto no pegajoso

Se desea un diseño preliminar de el secador.

Solución:

La operación a corriente en paralelo va a ser usada debido a la sensibilidad a la temperatura del producto seco.

Carga de calor al secador:

Se tiene:

Calor por evaporación: 523.8*1030 = 540000 Btu/h

Calor para el vapor: 523.8(160−110)*0.45 = 12000

Calor para el líquido: 523.8(110−70)*1.0 = 21000

Calor para el producto

Sólido: 953*0.24(110−70) = 9000

Agua: 45*1.0(110−70) = 2000 .

584000 Btu/h

Estimando la pérdida de calor por radiación alrededor del 10% obtenemos el calor total qr = 58400 Btu/h.

Cálculo de la velocidad másica de aire:

Sobre la base de los datos de la planta piloto la temperatura del aire de salida se asume será de 160ºF. Lavelocidad de aire requerida, es entonces:

Cálculo del diámetro del secador.

Las pruebas indican que el mínimo arrastre de producto ocurre cuando es usado un flujo de 36 lb/pie2min.Asumiendo que un 85% de la sección transversal del secador esta libre de material, obtenemos el diámetro dela carcasa requerida. Así,

Cálculo de la humedad del aire de salida.

Cálculo del número unitario de transferencia.

Cálculo de la longitud del secador.

Asumiendo material en el secador de 7.5%, obtenemos el volumen V:

entonces,

y

Consumo de vapor.

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La carga de energía para el intercambiador esta dado por la cantidad de calor necesario para elevar latemperatura del aire de 60 a 320ºF. Por lo tanto,

Asumiendo la presión de vapor de 175 lb/pulg2, encontramos que el consumo de vapor es 1040000/845 =1230 lb/h. La eficiencia térmica del secador es:

7.−CONCLUSIONES.

Como se ha visto en el presente informe, el diseño y la utilización de los secadores presentan un sinnúmero desingularidades, partiendo desde la naturaleza del material hasta las revoluciones por minuto a las que debegirar, todo para obtener en las mejores condiciones el producto deseado. En particular, los secadores rotatoriosson los más usados a nivel industrial debido a su gran capacidad y moderado costo de operación, así lopodemos apreciar en las plantas industriales de nuestra región, por ejemplo: en la minería no metálica como loes la planta de nitrato de SQM en María Elena , como también en la minería metálica, en Chuquicamata dondese utilizan este tipo de secadores con el propósito de bajarle la humedad al material que se alimentará a loshornos de fundición .

No obstante, no hay que dejarse engañar ya que los secadores rotatorios, presentan la desventaja de aglomerarmaterial, en las zonas en que la carcasa está en contacto con los elevadores o pestañas, provocando una bajaen la eficiencia de estos ya que los elevadores no tendrán superficie para levantar el material, lo quedesembocará en un producto de mala calidad.

Cuando se este pensando en un secador sólo se debe pensar en un rotatorio cuando el producto a secar no seatan pastoso ni pegajoso, y cuando se desee trabajar con grandes capacidades, ya que es en esto donde muestrasu mejor desempeño.

8.−BIBLIOGRAFÍA.

Operaciones básicas de Ingeniería Química, McCabe Warren L., Smith Julian C. y Harriot Peter. EdMcGraw−Hill. 4ª edición.1991.

•

El Secado de sólidos en la Industria Química, Nonhebel G., Moss A.A.H., Ed Reverté S.A., 1ªedición ,1979.

•

Handbook of separation techniques for Chemicals Engineers, Schweitzer Philip A. Ed.McGraw−Hill, 1979.

•

Operaciones de Transferencia de Masa, Treybal Robert E., Ed. McGraw−Hill, 2ª edición, 1980.•

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