7 - Secado - Resumen Operaciones Unitarias PDF

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Buen resumen del tema...

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SECADO - Extracción de humedad contenida en sólidos o líquidos por medio de la evaporación de una corriente gaseosa. - Consiste en separar pequeñas cantidades de agua u otro líquido de un material sólido con el fin de reducir el contenido de líquido residual hasta valores bajos.

En el mercado existe un gran número de tipos de secadores comerciales. La diferencia reside fundamentalmente en la forma en que se mueven los sólidos a través de la zona de secado y en la forma en la que se transmite calor.

, porque con determinadas condiciones los microorganismos pueden reaccionar.

Alimento en contacto con aire caliente, el calor se suministra por convección. El calor se suministra por conducción.

Se congela la humedad contenida en el alimento y luego se la sublima hasta vapor, normalmente mediante la aplicación de calor en condiciones de presión muy bajas. Al aumentar la temperatura (más de 70°C) matamos los microorganismos, y a temperaturas muy bajas (congelación) sólo los inhibimos, hay que tener cuidado al descongelar, porque si bien congelados los microorganismos están inhibidos, al descongelarlos, el número de los mismos crece de manera exponencial muy rápido, y así si congelamos y descongelamos una y otra vez, dando como única posibilidad la carbonización del alimento, lo que no nos sirve.

Tenemos secaderos tanto continuos como discontinuos, algunos secaderos mantienen agitado el sólido y otros no. Para reducir la temperatura de secado, puede operarse a vacío. Existen secaderos que pueden operar con cualquier tipo de material mientras que otros presentan limitaciones en la alimentación.

1 Alejandro Carlucci - Legajo nº: 09409

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Los sólidos están expuestos al gas de alguna de estas formas:

El gas circula sobre la superficie de un lecho o lámina del sólido o sobre una o ambas caras de una lámina o película continua. La velocidad del gas es baja y no provoca arrastre de partículas sólidas.

El gas circula a través de un lecho de sólidos granulares gruesos que están soportados sobre una rejilla. En este caso la velocidad del gas también es baja y no provoca arrastre.

Los sólidos descienden en forma de lluvia a través de una corriente gaseosa que se mueve lentamente. Se produce un arrastre no deseado de las partículas finas. Para el azúcar y todo material granular cristalino que no puede exponerse a los gases de combustión.

El gas pasa a través de los sólidos con una velocidad suficiente para fluidizar el lecho. Hay arrastre de las partículas más finas. Los sólidos son totalmente arrastrados por una corriente gaseosa de alta velocidad y neumáticamente transportados desde un dispositivo de mezclas hasta un separador mecánico.

El único gas a separar es el vapor de agua o disolvente que se vaporiza, aunque en algunas ocasiones se hace circular a través de la unidad una pequeña cantidad de “gas de barrido” (aire o nitrógeno).

- Los sólidos se esparcen sobre una superficie horizontal estacionaria o que se desplaza lentamente y se “cuecen” hasta que se secan. La superficie puede calentarse eléctricamente o mediante un fluido.

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La forma en que la temperatura varía en los secaderos depende de: -

En un secadero discontinuo con medio de calefacción a temperatura constante, la temperatura de los sólidos húmedos aumenta rápidamente desde su valor inicial TSA hasta su temperatura de vaporización TV. - Si es no adiabático → T V = TEB del líquido - Si es adiabático → TV = temperatura húmeda del gas, si el gas es aire y el líquido agua → T V = TSAT AD. El secado transcurre a TV durante un periodo de tiempo considerable, es decir, que gran parte del líquido se puede vaporizar a una temperatura inferior a la del medio de calefacción. En las etapas finales del secado la temperatura de los sólidos asciende hasta T SB que puede ser ligeramente superior que T V o considerablemente superior.

La temperatura del medio de calefacción puede ser constante o puede programarse y seguir una secuencia durante el secado. Cuando se opera en estado estacionario la temperatura en cualquier punto del secadero continuo es constante, pero varía a lo largo de la longitud del secadero.

→ Secadero adiabático en contracorriente El gas entra caliente a Tha con poca humedad, se enfría rápidamente al principio y después más lentamente a medida que disminuye la diferencia de temperatura. Su humedad aumenta continuamente a medida que se va evaporando el líquido.

En el secado adiabático la difusión está casi siempre presente, pero con frecuencia la velocidad de secado está controlada por la transmisión de calor en lugar de por la transferencia de materia.

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௦ : masa de sólidos totalmente secos que han de secarse en la unidad de tiempo. x a: contenido inicial de vapor de líquido x b: contenido final de vapor de líquido TSA: temperatura inicial del sólido TV: temperatura de vaporización TSB: temperatura final del sólido TVB: temperatura final del vapor λ: calor latente de vaporización CPS, CPL, C PV: calores específicos del sólido, líquido y vapor Cantidad de calor transmitido por unidad de masa de sólido:

Suponiendo que los calores específicos y latentes son constantes y que la vaporización transcurre a una temperatura constante TV. Esto rara vez se cumple pero la ecuación es una buena estimación. En un secadero adiabático TV es la temperatura húmeda de gas y T VB es la temperatura del gas a la salida THB. El calor transmitido a los sólidos, al líquido y al vapor procede del enfriamiento del gas. Para un secadero adiabático continuo:  Siendo: ௚ : velocidad másica del gas seco Ha: humedad del gas Csa : calor húmedo del gas

் = ∆ , ∆T: diferencia media de temperatura (no necesariamente es la MLDT) Con frecuencia existe una incertidumbre en el área disponible para la transmisión de calor. Por esto, los secaderos se diseñan sobre la base de un coeficiente volumétrico de transmisión de calor Ua, donde “a” es el área de transmisión de calor por unidad de volumen de secadero (que es desconocido).

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Las unidades de transferencia pueden basarse en la variación de temperatura en una cualquiera de las fases, pero en los secaderos siempre se basan en la fase gaseosa.

்ೌ ೓

௧ = 

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௛  − ௛௕  (1) = ௛௔ ∆ ௛ − ௦

Cuando el contenido inicial de líquido de los sólidos es elevado y la mayor parte del calor transmitido se utiliza en la vaporización, ∆T puede tomarse como la diferencia media logarítmica entre las temperaturas seca y húmeda.

∆ = ∆௅ =

௛௔ − ௪௔  − ௛௕ − ௪௕   (2)  −    ௛௔ − ௪௔  ௛௕ ௪௕

Siendo Thb la temperatura de bulbo seco cuando sale y T wb la temperatura de bulbo húmedo cuando sale. Para el sistema agua-aire T wa= Twb , porque las adiabáticas son iguales a las de bulbo húmedo, entonces reemplazando (2) en (1) y haciendo que Twa = Twb: 

En todos los secaderos en los que un gas circula sobre o a través de sólidos la materia tiene que transferirse desde la superficie del sólido hasta el gas y a veces a través de los poros interiores del sólido. La resistencia a la transferencia de materia, y no a la transmisión de calor, puede controlar la velocidad de secado. Esto ocurre en secado con circulación sobre tablas, láminas o lechos de sólidos. 

Siendo ௩ la velocidad media de transferencia de materia. Si el gas entra con humedad Ha, la humedad de salida es:  ௕ = ௔ +

௦௔ − ௕  ௚

→

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- Contenido de humedad:

El contenido de humedad en base al peso húmedo no se usa casi porque el contenido de humedad varía con el tiempo. Cuando un sólido húmedo se pone en contacto con aire de una humedad inferior a la correspondiente al contenido de humedad del sólido, dada por la curva de humedad de equilibrio, el sólido tiende a perder humedad y secarse hasta alcanzar el equilibrio con el aire. Cuando el aire es más húmedo que el sólido en equilibrio con él, el sólido absorbe humedad del aire hasta que se alcanza el equilibrio.

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El aire que entra en un secadero suele no estar completamente seco, sino que contiene algo de humedad y posee una humedad relativa definida. Para un aire de humedad definida, el contenido de humedad del sólido que sale del secadero no puede ser inferior al contenido de humedad de equilibrio correspondiente a la humedad del sólido que entra.

: (dada por la intersección de las curvas con la línea del 100% de humedad). Ejerce una presión de vapor menor que la del agua líquida a la misma temperatura. Los sólidos que contienen agua ligada son sólidos higroscópicos. Curva de equilibrio a T=cte. Xeq depende de las condiciones de secado, X ligada y XNL (no ligada) dependen del material. Al aumentar la temperatura, la humedad relativa del aire disminuye y por ende la humedad de equilibrio también → el aire seca más el sólido. La humedad ligada incluye a la humedad de equilibrio y depende del sólido, mientras que la humedad equivalente sólo depende de las condiciones de secado

Cuando intervienen transmisión de calor y transferencia de materia, el mecanismo de secado depende tanto de la naturaleza de los sólidos como del método de contacto entre sólidos y el gas.

no contienen líquido interior y el secado tiene lugar en la superficie del sólido únicamente. -

contienen líquido en el interior de los poros, ej.: pastillas de catalizadores. comprenden geles coloidales como jabón y sólidos celulares densos como la madera.

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Aunque solamente las condiciones de la corriente de aire son constantes ya que el contenido de humedad y otros factores del sólido varían.

representa la menor humedad a la que puedo llegar para las condiciones de presión y temperatura dadas.

comienza el secado. Línea casi recta, para tiempos iguales, tenemos pérdidas iguales de humedad. velocidad de secado constante. La humedad se mantiene constante en la superficie, hay un permanente intercambio de calor sensible del aire y vapor de agua del sólido al aire. El sólido utiliza el calor sensible que le da el aire como calor latente, hay vaporización del agua. Esto se da a la temperatura de bulbo húmedo del aire. disminuye la velocidad de secado. Comenzamos a ver manchas secas en la superficie. Todo el calor que recibe no lo usa solo para evaporar sino que comienza a calentar las partes que ya están secas. (↑ T). - : toda la superficie está seca. hay dos teorías, una es que se evapora dentro del cuerpo el agua y escapa al aire (sólido poroso) y la otra es que en la superficie se produce evaporación flash (difunde a la superficie y luego al ambiente → sólido no poroso).

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A medida que disminuye el contenido de humedad, termina el período de velocidad constante y V empieza a disminuir. .

La resistencia a la transferencia de vapor de agua desde la superficie del sólido hasta el aire es generalmente despreciable y la difusión en el sólido controla la velocidad global de secado.

Como las capas externas pierden humedad antes que las interiores, la concentración de humedad en estas capas es menor que en el interior y las capas superficiales se contraen frente a un núcleo central de volumen constante.

En la superficie hay bocas de poros de varios tamaños. A medida que el agua es retirada por vaporización, se forma un menisco en cada poro que genera una fuerza capilar debido a la tensión superficial entre el agua y el sólido. Las fuerzas capilares poseen fuerzas en dirección perpendicular a la superficie del sólido. Estas fuerzas proporcionan la fuerza impulsora para el movimiento del agua a través de los poros hacia la superficie.

El tiempo de secado se puede determinar a partir de la curva de velocidad de secado cuando se puede disponer de la misma. Esta curva se obtiene por experimentación.

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X1: contenido inicial de humedad libre. X2: contenido final de humedad libre. tT: tiempo total de secado.

 V = a.x + b → dV = a.dx → dx = (a/dV) #ி % &

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a: pendiente de la curva de V -%

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Una capa de material a secar es transportada lentamente sobre un tamiz metálico que se mueve a través de una larga cámara o túnel de secado.

Características: -

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