GUIA DE EJERCICIOS DE OPERACIONES UNITARIAS II SECADO

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1 LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS FACULTAD DE CS QUÍMICAS Y FARMACÉUTICAS UNIVERSIDAD DE CHILE GUIA DE EJERCICIOS DE OPERACIONES UNITARIAS II SECADO 1.- Una plancha de cartón de dimensiones 100 cm x 100 cm x 1 cm, se somete a secado por ambas caras en condiciones constantes. Cuando se introduce en el secador su peso es de 15 Kg y durante las dos primeras horas de secado pierde 5 Kg de agua, secándose con la velocidad constante. A partir de ese momento, la velocidad de secado es decreciente, y después del tiempo suficiente la velocidad se hace cero, reduciéndose el peso de la plancha a 7,5 Kg. En las condiciones en que se produce el secado el cuerpo ya no pierde más peso; sin embargo la humedad del sólido a la salida del secador indica que contiene todavía 1,5 Kg de agua. Calcúlese: a) La humedad crítica. b) La velocidad del secado constante. c) La humedad de equilibrio. d) La humedad libre en el punto crítico. R: a) 0,6667 ; b) 1,25 Kg/h m 2 ; c) 0,25 ; d) 0, En las experiencias de secado efectuadas en condiciones constantes de secado sobre un material dispuesto en planchas de dimensiones 20 cm x 30 cm x 1 cm, se han obtenido los siguientes datos: Tiempo (min) Peso Total (g) Tiempo (min) Peso Total (g) El peso de sólido seco es de 350 g. a) Construya las curvas de secado (x vs tiempo, y N vs x). b) Calcule la humedad crítica y la humedad de equilibrio. R: X C = 0,44 Kg H2O ; X eq = 0,21 Kg H2O

2 3.- Se van a secar 150 Kg de un producto químico húmedo, el cual presenta un área al secado de 12 m 2. Durante las 2 primeras horas de secado pierde 50 Kg de agua, secándose a velocidad constante. A partir de ese momento, la velocidad de secado se torna decreciente, variando linealmente con los cambios de humedad hasta hacerse igual a cero, reduciéndose su peso a 75 Kg, de los cuales 15 Kg corresponden a agua. Calcule: a) La humedad crítica. b) La velocidad de secado en el período antecrítico de velocidad constante. c) La humedad de equilibrio. d) La humedad libre en el punto crítico. R: a) 0,667 ; b) 2,08 Kg H2O /h m 2 ; c) 0,25 ; d) 0,416 Kg H2O /Kg s.s 4.- En un secador de bandejas se secan 40 Kg de manzanas con 50% humedad (base húmeda), secándose a velocidad constante las 2 primeras horas a razón de 4 Kg H2O /h, variando posteriormente linealmente la velocidad de secado con la humedad. Calcule: La humedad del sólido (en base húmeda) a 3 horas de iniciado el período postcrítico de secado (de velocidad decreciente), si la humedad de equilibrio en base húmeda es del 4%. R: 0,1878 Kg H2O /Kg s.s 5.- La humedad de un material se ha de reducir desde el 20% al 6% por secado en condiciones constantes. Su humedad crítica es del 15% y la del equilibrio del 3%. La superficie de secado por Kg de material seco es de 0,030 m 2. La velocidad de secado en el período antecrítico vale 1,5 Kg H2O /h m 2. Calcúlese el tiempo de secado si la velocidad de secado en el período postcrítico disminuye linealmente con la humedad del material hasta que se alcanza el equilibrio, y las humedades están dadas sobre base seca. R: θ T = 4,81 h 6.- En condiciones constantes de secado un sólido húmedo se seca desde la humedad del 30% hasta el 10% en cuatro horas. Su humedad crítica es del 16% y la del equilibrio del 3% (expresadas las humedades sobre base húmeda). Calcúlese el tiempo necesario para secarlo desde la humedad del 10% hasta el 6%, empleando las mismas condiciones constantes de secado. R: 1,58 h

3 7.- Se han obtenido los datos siguientes en el secado de una substancia química en condiciones constantes: Tiempo (horas) ,5 Humedad (b. seca) 0,63 0,48 0,33 0,1125 Durante las dos primeras horas la velocidad de secado es constante. En las condiciones de operación la humedad de equilibrio es X eq =0,05 Kg H2O /Kg ss. Asumiendo un período postcrítico lineal de secado. calcule el aumento porcentual del tiempo de secado si en lugar de reducir la humedad al 11,25% se reduce al 8%. R: 27,2% 8.- De una experiencia de secado de un producto dado se han reunido los siguientes datos: Peso Producto (Kg) ,9 5,8 3,6 3,0 2,8 2,55 V. Secado (Kg/h m 2 ) ,89 3,65 1,18 0,51 0,17 0,00 Si la cantidad de producto seco es 2,5 Kg y el tiempo total empleado en secar el producto hasta el 7,42% (b. húmeda) es de 3 h. calcule: a) Tiempo de secado a velocidad constante (tiempo crítico). b) La humedad libre en el punto crítico. c) El tiempo en secar el producto, en las mismas condiciones hasta una humedad final del 16,67% (b. húmeda). R: a) 0,50 h b) 1,78 Kg H2O /Kg ss. c) 2,18 h 9.- Un secador se carga con cierto número de placas de dimensiones 100 cm x 75 cm x 1 cm, que se secan por las dos caras en condiciones constantes de secado. Calcúlese el tiempo total de secado a partir de los siguientes datos de las humedades expresadas sobre base húmeda: X i = 50% X f = 5% X c = 28% X eq = 3% Peso de la muestra seca por unidad de superficie de secado es 4 Kg/m 2 Velocidad de secado en el período antecrítico es 3 Kg/m 2 h R: θ T = 2,15 h

4 10.- Planchas de cartón de dimensiones 1,5 m x 3 m x 0,01 m se han de secar desde la humedad del 60% hasta la del 15% (base húmeda) en condiciones de secado constante. En experiencias de laboratorio realizadas en las mismas condiciones en que ha de efectuarse el secado se ha encontrado que la velocidad de secado para el período antecrítico resulta 0,30 Kg/m 2 h, mientras que para el período postcrítico dicha velocidad de secado varía linealmente con la humedad, desde la humedad crítica (X c = 0,35 Kg H2O hasta la humedad de 0,10 Kg H2O, en que la velocidad de secado vale 0,10 Kg/m 2 h. El secado se efectúa por ambas caras y el peso de cada plancha de cartón seco es de 50 Kg. Calcúlese los ciclos de secado que puede realizarse por día (24 h). R: 1 ciclo/día 11.- Experiencias de laboratorio efectuadas en condiciones constantes de secado a 20 C con t w =15 C se ha encontrado que la velocidad de secado para el período antecrítico es de 1,0 Kg/m 2 h. Calcule el valor de esa velocidad si la temperatura del aire se eleva a 40 C conservando la misma humedad, circulando con la misma velocidad másica y suponiendo despreciable la radiación y conducción. R: 3,5 Kg/m 2 h 12.- Una prueba de secado que se realiza en condiciones constantes de secado (velocidad del aire 5 m/s, t=70 C, t w =30 C) da una velocidad de secado para el período de velocidad constante de 3,0 Kg/m 2 h. Calcule la velocidad de secado: a) Para la misma velocidad del aire si su temperatura es de 65 C y la t w =40 C. b) Si la velocidad del aire es de 3,0 m/s con t=70 C y t w =30 C (las iniciales). Asuma despreciable la radiación y la conducción R: a) 1,89 b) 1,99 (ambas en Kg/m 2 h)

5 13.- En las pruebas experimentales de secado de un producto bajo condiciones constantes : t=71 C, t bh =32 C, G= Kg/m2 h, se obtuvo que la velocidad de secado constante es de 3,1 Kg/m 2 h. Usando el mismo secador de bandejas se desea secar un producto desde X i =0,70 a X f =0,02 para obtener una producción por ciclo de 250 Kg (245 de sólidos secos) empleando el mismo flujo de aire y temperatura húmeda del aire, pero con temperatura seca del aire de 52 C. Despreciando la radiación y la conducción, calcúlese: a) la velocidad de secado constante b) el número de bandejas del secador Datos: X c = 0,20 ; X eq = 0,01 todas las humedades en base seca El área de las bandejas es de 1,5 m 2 N ciclos por día = 4 (con 1 h/ciclo para carga y descarga del material) R: a) 1,59 Kg/m 2 h b) La producción diaria de un secadero es de 1000 Kg/día (24 h) empleando en cada ciclo 5 h para el secado y 1 h para la descarga del material. El sólido a secar constituído por torta filtrante que se coloca en bandejas de 1 m x 1 m entra en el secadero con humedad del 42% y sale con humedad del 10%. El secado se efectúa en condiciones constantes de secado con aire a 70 C y temperatura húmeda de 40 C, a la velocidad másica de 6500 Kg/m 2 h. En estas condiciones de secado la humedad crítica es de 18% y la de equilibrio 2% (referidas todas las humedades sobre base húmeda). La velocidad de secado para el período antecrítico viene dada por: 0,81 N = ( ,15 t ) G ( Y - Y ) c w estando N c expresada en Kg/m 2 s, G en Kg/m 2 s, y t en C. Puede admitirse que la contracción de la torta es despreciable, y la densidad del sólido seco es de 650 Kg/m 3. Calcúlese: a) el espesor del material en cada bandeja b) el número necesario de bandejas R: a) 1 cm b) 35 bandejas

6 15.- Determinar la velocidad de secado constante N C para un pan que está en un medio ambiente cuya t seca es de 330 F y t w =140 F. Las paredes del secador son negras e irradian calor hacia el pan, el cual es resistente al calor. El aire circula por convección natural. El secador es un cubo de 3 pies de lado. Las dimensiones del pan son: 1 pie de largo x 0,33 pie de ancho x 0,33 pie de alto. Para el secado sólo está disponible la parte superior del pan. El coeficiente individual de transferencia de calor h c está dado por la siguiente expresión: 0,25 h c = 0,30 ( t - t s ) t=t ambiente t s =t superficie del producto La emisividad del pan ε=0,5 y la conductividad térmica k = 0,20 [Btu/h pie F] R: N c = 0,75 [lb H2O /h pie 2 ] 16.- Se ha de secar un pigmento inorgánico de densidad 650 Kg/m 3 en un secador de bandejas, empleando aire que fluye paralelamente al sólido con G = 5000 Kg/h m 2 a 85 C y Y = 0,024. El espesor del material en las bandejas 3 cm. La relación A no expuesta /A de sólido a secar es 0,36. Calcule: a) la velocidad de secado (N c ) b) los Kg de agua eliminados/h Kg de sólido Si ε = 0,92 y k = 1,5 Kcal/h m C R: a) 2,83 [Kg H2O /h m 2 ] b) 0, Se dispone de planchas de cartón de 2,5 cm de espesor con humedad inicial del 25% (b. seca) y han de secarse a velocidad decreciente hasta que su humedad se reduzca al 8% (b. seca), empleando para el secado un aire que está practicamente seco ( X eq 0 ). a) Calcule el tiempo de secado si en la scondiciones de operación D H2O = m 2 /h b) Si la densidad del cartón seco es 550 Kg/m 3, estime la velocidad de secado al inicio del proceso. R: a) 96 h b) N d (inicial) = 0,0407

7 18.- Para secar CaCO 3 desde un 5% hasta un 0,4% de humedad en base húmeda, se va a utilizar un secador rotatorio de 0,80 m de diámetro por 12 m de longitud. El aire en el ambiente se encuentra a 20 C y ϕ = 40%, el cual se calienta mediante resistencias eléctricas hasta 85 C, haciéndolo ingresar así al secadero del cual sale a 30 C. El CaCO 3 entra en contracorriente a 20 C y sale a 60 C, a razón de 1000 Kg/h. Calcule el flujo de aire (G) y el calor necesario para precalefaccionar el aire ambiental a 85 C. Datos: Cp s (CaCO 3 ) = 0,42 Entalpia de mezcla (CaCO 3 -H 2 O) 0 U SECADOR-AIRE = 12 Kcal/h m 2 C R: a) G = 4490 [Kg AIRE SECO /h m 2 ] b) q = 70,736 [Kcal/h]

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