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From liquid - to powder - to perfection

Temas básicos en el secado por aspersión

PTS-Anhydro A10eng. - page 2

Temas principales en el secado por aspersiónIntroducciónPrincipios del secadoFormación de la partículaCalentamiento del aireDiseño de la cámaraSeparación del producto seco y aspectos

ambientalesDetalles en el diseñoControl del sistema de secadoSeguridad en el secadoEconomía en la operación


Introducción


Secado por aspersión - Introducción

Definición.- Es la transformación de un líquido en un polvo al convertir el líquido en una nube de particulas y ponerlas en contacto con un gas caliente.

Antecedentes.- Se conocen aplicaciones industriales en leche y detergentes desde 1920, sin embargo mucho antes de esta fecha se conocen los principios del secado por aspersión, en la literatura y los patentes se tienen algunos referentes al huevo desde 1865, el pionero es el Sr. Samuel Percy y sus patentes de 1872.


Selección del tipo de secado de acuerdo a las características físicas de la alimentación

El secado de acuerdo a las características de Alimentación

Liquido (solución)Liquido (concentrado)

Lechada (Slurry)SuspensiónPasta, bombeablePasta, no- bombeableTorta de filtración (Filter cake), cohesivaTorta de filtración (Filter cake), no-cohesiva

PartículasGranulados, aglomeradosPolvo

Spray dryer

Fluid bed

Spin flash dryer


Usos en el área de lácteos

Fórmulas LácteasLeche en polvo descremadaLeche en polvo enteraPolvo de alta grasaPolvo de YoghurtBases para productos lácteos LactosaSuero de Leche

035


Usos en el área de alimentos

HuevoGelatinaSabores NaturalesExtractos de hierbasCafé y TéJugos de frutasCrema de cocoLevaduraIngredientes:Maltodextrina, etc.


Usos en el área Química

Químicos a granelQuímicos finosColorantesPetroquímicosAgroquímicosFertilizantesProductos

BiotecnológicosDetergentes


Principios de secado


Balance de energía y materia

1 2

3

4

1. Entrada de aire (Ga), (Ta)1, (Qa)1,( H1)

2. Entrada de producto (MS), (Ts)1, (Qs)1, ( Ws)1.

3. Salida de aire (Ga), (Ta)2, (Qa)2,( H2)

4. Entrada de producto (MS), (Ts)2, (Qs)2, ( Ws)2.

Premisas= lo que entra es igual a lo que sale

El calor que entra es igual al que sale mas lo que se pierdeMs: Kg/hr sólidos B.S.

Ws: humedad de los sólidos por kg B.S.

Ts: Temperatura del producto

Ta: temperatura del aire

H: humedad absoluta del aire


Carta Psicométrica

Vapor de agua en el aire a 1.0133 bar

0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.20

100

50

400

350

300

250

200

150

8000

6000

5000

4000

3000

X kJ/kg

ΔH/ΔX kJ/kg

H kJ/kg 600

500400

300

200

100

1.21.11.0

0.9

0.8

0.7

0.6pr

opan

e

toC

rkg/m3

oil na

t. ga

s40

,000

20,0

00

Secado por Aspersión – Principios de secado


Etapas del secado por aspersión• Atomización de la alimentación al Secador

RotatorioBoquillas

• Contacto de la nube de aspersión con el aire:Co- corrienteContra-corrienteMixto

• Evaporación de la nube• Separación del producto seco del aire de secado

Separación parcial en la cámara Separación del polvo en la unidad de separación



El secado de gotas en aire caliente

Relación entre la temperatura del aire y la del producto y el tiempo del secado

100

500

200

300

400

Temperatura del aire

Temperatura del producto

Principio del secado

1

23 4

5

1 Transferencia de calor al sólido por convección2 Transferencia de calor interna3 Evaporación4 Difusión interna del vapor de agua5 Transferencia de masa externa por convección del agua al aire

Fin del secado

Temperatura oC



Perfil Típico de Temperatura dentro de un Secador

200 -110 oC110 -105 oC105 -100 oC100 - 95 oC95 - 80 oC80 - 60 oC60 - oC

T entrada : 200 oCT salida : 100 oC



Efecto de la temperatura de entrada

3000

3500

4000

4500

5000

5500

6000

6500

7000

7500

8000

100 130 160 190 220 250 280 310 340 370 400

Temperatura de entrada de aire, oC

Con

sum

o de

ene

rgía

,KJ/

kg

Temperatura de salida

40 0C arriba del punto de roció


Formación de la partícula


Atomizadores Centrífugos

Atomizadores centrífugos de 0,5 - 1200 kW.Atomizadores acoplados directa e indirectamente

Capacidades hasta 100 t/h


Secado por Aspersión – Formación de la partícula

El distribuidor de aire y un atomizador rotatorio


H19P nozzle atomizer

Las lanzas individuales se pueden cambiar durante la operación

Secado por Aspersión – Formación de la partícula


Secado por Aspersión – formación de la partícula

HP nozzle atomizer “Atomizador de alta presión”

El Atomizador HP es flexible y permite regresar los finos para su aglomeración.

Central nozzle

ProductProductFines

Air distributor

Peripheral nozzle



Micro photos

Típicas Fotos de partículas formadas por atomización

Pressure nozzle atomization

Centrifugal atomization



La operación de aspersión es afectada por: La presión, densidad del líquido y la viscosidad del líquido.

• El ángulo de Aspersión: se requiere un mínimo de presión para generar un ángulo de espreado 1.4 atm. (20 psi), al aumentar la presión disminuye el ángulo.

• Efectos de las variables en el tamaño de partícula:Efecto de la capacidad en el tamaño de la partícula, Normalmente si se trabaja por debajo de la capacidad de la boquilla, el tamaño de la partícula ira disminuyendo hasta llegar a la capacidad. El flujo está ligado a la presión.Partículas más pequeñas se formaran con boquillas de mayor ángulo.A mayor presión menor tamaño de partícula.A mayor viscosidad mayor tamaño de partícula. La viscosidad está relacionada con la densidad (mayor o menor materia) y la temperatura.


Secado por Aspersión – Calentamiento de Aire

Clasificaciones de tipo de Calentadores• Directo: GN, GLP, Combustoleo • Indirecto: GN, GLP, Vapor, Electricidad, Líquido térmico

Calentamiento de Aire



Requerimiento específico de aire para secado

10

100

1000

0 50 100 150 200 250

Temperatura de Aire de entrada C۫ ۫

kg A

ire p

or k

gag

ua e

vap



Clasificaciones de tipo de secadoresDirecto e indirecto



Calentador indirecto de gas


Secado por Aspersión – Diseño de la Cámara

Diseño de la cámara



Distribución del tamaño de la partícula1

10

1001 10 100 1000

Diámetro de la partícula en mm.

Porc

enta

je e

n pe

so

en una etapa Dos etapas Tres etapasMulti etapas SBD agglomerador.



Flujo de Aire y producto

A = AireF = Producto (Feed)

AF

Co-Current

Counter-Current Mixed Flow

A

AF

AFA

AAF

A F F A F A

A


Sistema de Secado por aspersión en la Industria Láctea y de Alimentos

Secado en una etapa (1CSD)



Secado en dos etapas (2CSD)

Salida de producto



Secado en 3 etapas con retorno de finos(3CSD)

1 Calentador de aire2 Distribuidor de

aire3 Atomizador4 Sist. alimentación5 Cámara de

secado6 L.F. integrado7 L.F. externo8 Manejo de aire del

L.F.9 Ciclón recolector10 Filtro de bolsas

12

3

5

46

8 7

910


Secado por Aspersión – Aspectos técnicos

•Ciclones•Filtros de bolsas•Lavador húmedo•Precipitador electrostático•Oxidador térmico (VOC)

Separación del producto seco y aspectos ambientales



Recuperación de Producto



Filtro de Bolsas CIP-able

Aire limpioAire de limpieza por pulsos

Finos en limpiezaSeparación de producto



Environmental concerns - scrubber



Filtro de bolsas.


Secado por Aspersión – Detalles de diseño

Detalles de Diseño del secado por aspersión



Tiempo de residencia Corto.- De 10 a 15 segundos, recomendado pata polvos

finos no sensitivos al tratamiento térmico, conteniendo altas cantidades de humedad no ligada, no higroscópicos.

Medio.- de 25 a 35 segundos, recomendado para polvos semi-gruesos con tamaño medio de partícula por debajo de 180 micras, para productos sensitivos y resistentes al tratamiento térmico, humedad residual requerida baja (3 al 1%), higroscópicos.

Largo. - 40 segundos o mas, recomendado para polvos muy gruesos con tamaño medio de partícula de 200 a 275 micras, no sensibles al tratamiento térmico y humedad residual muy baja (menor a 0.5%)



Temperatura de entrada Se usa el mayor valor posible basado en la sensibilidad al tratamiento térmico, efecto del calor en la estructura química del producto (degradación o descomposición), riesgo de explosión o incendio del producto, ,máxima temperatura recomendable para la operación del equipo.

Temperatura de salida La determina la humedad residual requerida.


Generalidades para selección de sistema de atomización Condición Atomización

Rotatoria BoquillasCámara de secado Co — corriente si siContra corriente no si Flujo cruzado no si

Rotatoria Boquillas Propiedades de la alimentación Soluciones y emulsionesBaja viscosidad si siAlta viscosidad si no EmulsionesNo abrasiva si siMedio abrasiva si siMuy abrasiva si noFlujo de alimentaciónMenor a 3 m3/hr si siMayor a 3 m3/hr si no Gota/Tamaño de partícula (mean)De 30 a 120 micras si noDe 120 o 250 micras no si



Sistema de separación y limpieza del aire

De bajo costo y mantenimiento con facilidad de limpieza, la mejor opción son los ciclones. De costo medio, muy eficiente y específicamente para plantas de descarga en un solo punto y productos de alto valor, con temperaturas de aire exhausto por debajo de los 110ºC, lo recomendable son los filtros de bolsas.

Cuando la recuperación de producto es importante, pero es más los requerimientos ambientales. la combinación de ciclones y lavador húmedo es lo mas adecuado.

En caso de presentar alto volúmenes de VOC’s se requerirá de un oxidador térmico o un lavador Húmedo químico



La combinación de Ventilador de suministro y Exhausto

El ventilador de suministro es colocado en el lado de entrada de aire a la cámara. Este ventilador fuerza el aire a través del calentador y el dispersor de aire hasta que entra en la cámara y el ventilador de exhausto evacua el aire introducido a la cámara, más el agua evaporada y los aires auxiliares del sistema.

Usando esta combinación, el sistema obtiene gran flexibilidad en lo que respecta a la presión de operación de la cámara. El ventilador de suministro esta dimensionado para balancear el ventilador de exhausto y la cámara puede operar a presiones cerca de la atmosférica si se requiere- Lo normal es operar la cámara a una presión que oscila de cero a —10 mm c.a.

La presión de operación de la cámara con frecuencia controla la carga de polvo que el aire exhausto acarrea hacia el sistema de separación y limpieza de gases. De esta manera, la presión de operación de la cámara puede ser ajustada para obtener la carga de polvo óptima para eficientar la operación del sistema de separación y limpieza de gases.



Presión de operación de la cámara.El correcto balance entre los ventiladores de suministro y exhausto, determina la

presión de operación de la cámara. De esta manera, por medio de la apertura de las compuertas de regulación de flujo incorporadas a la succión de los ventiladores o en la actualidad la utilización de variadores de frecuencia, se puede variar el flujo de aire que desplaza cada ventilador Por ejemplo, si la apertura de la compuerta del ventilador de suministro excede la capacidad de evacuación (incluyendo aires auxiliares y la evaporación) del ventilador de exhausto, entonces el sistema se presiona y se presentan anomalías en la distribución del aire, depósitos en las paredes de la cámara, alto acarreo de polvo al sistema de limpieza, alta temperatura de producto, etc

En el caso contrario, la cámara trabaja en una condición de alto vacío, causando primero una reducción en la capacidad de la planta (por la falta de aire seco para transportar el agua evaporada), disminución de la temperatura de exhausto y aumento en la humedad residual del producto.

En la condición de vacío existe por lo regular un sistema de protección (interruptor de baja presión), que inhabilita el ventilador de exhausto para prevenir una situación de colapsamiento de la cámara



Criterios importantes en el diseño de una planta de secado por aspersión

CapacidadPropiedad del productoSeguridadHabilidad de la planta (tiempos muertos, cambios de producto)Consideraciones ambientalesCostos de operación



Secado por Aspersión – Control del sistema

Control del Sistema de Secado por Aspersión


Ajuste de la presión de Operación

El ajuste de la presión de operación de la cámara se efectúa a través del control de la apertura de la compuerta de regulación de flujo del ventilador de exhausto. Esta apertura esta regida por un controlador de presión localizado en el cuerpo del secador y transmite una señal de apertura o cierre que es directamente proporcional al vacío de la cámara, esto es, alto vacío, entonces cierra la compuerta y viceversa.

La presión dentro del secador, de esta manera, solo varia por la manipulación de la apertura/cierre de la compuerta de regulación de flujo de aire del ventilador de suministro, haciéndose la compensación al punto de ajuste (set point) del controlador, por medio de la apertura/cierre de la compuerta del ventilador de exhausto.



Control de la temperaturas de OperaciónTemperatura de entrada.-Es normalmente constante, manteniendo de esta manera una

entrada fija de energía al sistema, por medio del control de flujo de combustible (en el caso de calentadores directos o indirectos) o el de vapor (en el caso de calentadores de aire indirectos)

Temperatura de salida o del aire exhaustoDado que la temperatura de entrada es preferible mantenerla

constante, la temperatura de salida del sistema es controlada por medio de un loop que ajusta la cantidad de alimentación enviada al sistema. El control de este flujo puede ser por medio de una válvula de control o por medio de la variación de la velocidad de la bomba de alimentación.



Seguridad en la Operación de Secado

Secado por Aspersión – Seguridad


Métodos para protegerse de una explosión de polvo

Métodos:• Venteo• Supresión • Contención• Gas inerte como medio de secado



Venteo

Ventajas:• Tecnología ampliamente conocida e

información para su dimensionamiento• Relativamente baja inversión

Desventajas:• El producto se lanza a la atmósfera• Mayor efecto psicológico cuando se activa • Menor flexibilidad en el arreglo de planta ( Plant

layout).



Venteo de una explosión de polvo



Supresión

Ventajas:• Contiene la explosión dentro del secador

Desventajas:• Muy alto costo de inversión• Requiere servicio de mantenimiento constante

de especialistas• Requiere de mucha instrumentación • Contamina la planta y el producto si se activa

por error



Contención

Ventajas:• Contiene la explosión• No requiere instrumentación especial • No se utiliza ningún medio de extinción

Desventajas:• Se requiere equipo diseñado a muy altas

presiones• El mantenimiento y limpieza de la planta se

dificulta• Costo de inversión muy alto



Gas inerte como medio de secado

Ventajas:• Elimina la posibilidad de que ocurra una

explosión• Virtualmente ninguna cantidad de gas escapara

de la planta

Desventaja:• Mayor complicación del diseño de la planta y del

control• Consume gas inerte• Consume agua de enfriamiento



Explosión

Factores que se requieren:• Producto flamable• Oxigeno• Fuente de ignición

Medidas para contrarrestar la explosión:• Remover el oxigeno• Eliminar las fuentes de ignición



Fuentes de ignición

Típicas fuentes:• Chispas de partes en movimiento• Electricidad estática• Equipos eléctricos sobre calentados y superficies calientes

Medidas para contrarrestar:• Que todas las partes en movimiento no produzcan chispas• Cuidadoso aterrizaje de la planta• Usar el adecuado material eléctrico de acuerdo a la

clasificación de área e intrínsicamente instrumentación segura• Un buen diseño de ventilación del área de producción.



Diagrama de una planta de circuito cerrado

A

1 3

2

B

6 G

F

4

D

5

E

C

A alimentaciónB vaporC agua de enfriamientoD polvoE solventeF nitrógenoG venteo de gas

1 Tanque de alimentación

2 atomizador3 Cámara de secado4 ciclón5 condensador6 Calentador de gas



Secador por aspersión de circuito cerrado



Sistema de bajo oxigeno (Lo-Ox)

Air heater

Combustion air inlet

Air outlet

Powder outlet

Condensate

Scrubber/condenser

Air inlet



Secador por aspersión de bajo oxigeno(Low-Ox)



Economía en la operación.• Mayor temperatura posible sin degradar el producto.• Mayor tiempo de utilización de la planta en continuo.• Utilización de los sistemas automáticos de control en

especial los variadores de frecuencia.• Utilización de sistemas de recuperación de calor.• Evitar perdidas de calor (fugas).

Secado por Aspersión – Economía en la operación


Sistemas ecológicos de recuperación de calor

Secado por Aspersión – Economía en la operación


ConclusiónIntroducciónPrincipios del secadoFormación de la partículaCalentamiento del aireDiseño de la cámaraSeparación del producto seco y aspectos

ambientalesDetalles en el diseñoControl del sistema de secadoSeguridad en el secadoEconomía en la operación

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