PRACTICA No. 1. SECADO DE SÓLIDOS

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1 UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL FRANCISCO DE MIRANDA ÁREA DE TECNOLOGIA COMPLEJO ACADEMICO EL SABINO DEPARTAMENTO DE ENERGETICA LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS PRACTICA No. 1. SECADO DE SÓLIDOS 1. OBJETIVO GENERAL - Evaluar las principales variables que controlan el proceso de secado en un secador rotatorio. 1.1 OBJETIVOS ESPECÍFICOS Observar el funcionamiento de un secador rotatorio Evaluar la influencia de las variables, tales como: velocidad de flujo, temperatura, humedad relativa del aire, tiempo de residencia, velocidad de transferencia de calor, inclinación del secador, sobre la eficiencia del proceso de secado Calcular el coeficiente volumétrico. Determinar la eficiencia de un secador rotatorio a diferentes condiciones de operación. 2. EQUIPOS NECESARIOS - Unidad de secado, secador rotatorio - Muestra sólida: Sílice - 1 Cronómetro. - 3 Vasos precipitados de 250 ml. - Anemómetro. - 2 Termómetros de mercurio - Psicrómetro - Estufa - Balanza analítica - Espátula - Recipiente para producto seco 3. DATOS EXPERIMENTALES - Masa inicial y final de muestra de sólido. - Temperatura de bulbo seco y húmedo de entrada y salida del aire. - Temperatura de entrada y salida del sólido. - Tiempo de residencia del sólido - Velocidad del aire, m/s - Diámetro del secador: 0,22 m (0,75 pie) - Longitud del secador: 1,4 m (4,6 pie) 4. MARCO TEÓRICO El secado de sólidos es una operación de transferencia simultanea de materia y energía de contacto gas-sólido, donde la humedad contenida en el sólido se transfiere por evaporación hacia la fase gaseosa, en base a la diferencia de presión de vapor ejercida por el sólido húmedo y la presión parcial de vapor de la corriente gaseosa. Cuando estas dos presiones se igualan, se dice que el sólido y el gas están en equilibrio y el proceso de secado cesa. Suele ser la operación final de un proceso de fabricación y se hace antes del envasado; con ello se reducen los costos de transporte, se evita la humedad que pueda causar la corrosión y se obtienen productos más manejables. Dos subprocesos ocurren cuando un sólido es sometido a un secado térmico: - Transferencia de energía en forma de calor del ambiente que rodea al sólido para evaporar la humedad de la superficie. La eliminación del agua en forma de vapor de la superficie del material, depende de las condiciones externas tales como. Temperatura, humedad, flujo de aire, presión, área de la superficie expuesta y tipo de secador. - Transferencia de la humedad interna del sólido a la superficie de éste y su subsiguiente evaporación. El movimiento de la humedad dentro del sólido es una función de la naturaleza física, temperatura y contenido de humedad. Cualquiera de los dos subprocesos descritos puede ser el factor limitante que gobierne la velocidad de secado, a pesar de que ambos ocurren simultáneamente. Definiciones fundamentales. Contenido de humedad, base seca: El contenido de humedad de un material suele expresarse como porcentaje en peso respecto al material seco ó Contenido de humedad, base húmeda: ó ó Humedad de equilibrio: humedad del sólido cuando su presión de vapor se iguala a la presión de vapor del gas. Es decir, humedad del sólido cuando está en equilibrio con el gas a una determinada temperatura y humedad, (Figura 1). Humedad libre: es el exceso de humedad de un sólido respecto a la humedad de equilibrio, en contacto con una determinada masa de aire. Es la humedad que se puede evaporar después de un contacto prolongado con el gas. 1

2 Humedad límite: es la humedad del sólido que ejerce una presión de vapor de equilibrio menos que aquella que ejerce el líquido puro a la misma temperatura. Humedad no límite: es la humedad del sólido que ejerce una presión de vapor igual a la del líquido puro a la misma temperatura. sistema que se usa en la práctica, aire agua, esta temperatura es la de bulbo húmedo. La temperatura de bulbo húmedo es la temperatura en equilibrio alcanzada por una superficie de evaporación, ocurre cuando la velocidad de calor transferido a la superficie por convección es igual al calor perdido por evaporación. Con el objeto de facilitar su estudio, los secadores rotatorios se dividen en tres zonas. En la primera, el sólido se calienta hasta la temperatura de bulbo húmedo. No hay secado, solo precalentamiento. En la segunda se evapora toda la humedad de los sólidos a una temperatura constante igual a la temperatura de bulbo húmedo a la entrada del aire. En la tercera etapa se recalientan los sólidos, esta etapa puede darse o no. En la Figura 2 se muestra el perfil de temperatura del aire y el sólido a lo largo del secador en las tres zonas descritas anteriormente. Figura 1. Variación del contenido de humedad respecto a la humedad ambiental. Humedad absoluta del aire: G S2, Y 2 T G2, H G2 S S2, X 2 T S2, H S2 2 III II I 1 G S1, Y 1 T G1, H G1 S S1, X 1 T S1, H S1 Secador rotatorio T G2 Son secadores continuos y con una elevada producción (2-2,25 Tm/m 2 h) Tienen calefacción directa y con sistema de agitación continua. Se emplea para el secado de productos granulados como sal, azúcar y sales inorgánicas. T S2 Longitud T G1 T S1 Consiste en una carcasa cilíndrica de 0,6 a 2 m de diámetro y 2 a 20 m de longitud, ligeramente inclinada y montada sobre unos rodillos que le dan un movimiento rotativo constante. Interiormente dispone de un sistema de aletas que permite la agitación del producto a secar, produciendo el descenso de los sólidos en forma de lluvia a través de una corriente gaseosa que se mueve lentamente, con frecuencia dando lugar a un arrastre no deseado de las partículas finas en el gas. La capacidad evaporativa típica de secadores rotatorios varía entre 1000 y 6000 BTU/h.pie 3. El sólido ocupa del 5 al 15% del volumen del cilindro. Su relación longitud/diámetro varía entre 4 y 15. La velocidad óptima del gas a través del cilindro es de 1,7 a 3,4 m/s. El tiempo de retención del sólido en secadores rotatorios varía de 5 min a 2 h. La pendiente del cilindro está comprendida entre 2,5 y 5% con respecto a la horizontal. En los secadores rotatorios, el secado se lleva a cabo en el periodo de velocidad constante y la temperatura de saturación adiabática del aire en la entrada. Para el Figura 2. Flujos de entrada y salida del secador. Perfil de temperatura. Balance de materia en un secador rotatorio: ó Balance de energía en un secador rotatorio,,,, 2

3 S 1 1 X 1 X 1, X 2 : humedad del solido a la entrada y salida, respectivamente. Y 2, Y 1 : humedad del aire a la entrada y salida, respectivamente. S S : Flujo de sólido libre de humedad H S1, H S2 : Entalpia del sólido a la entrada y salida del secador, respectivamente. H G2, H G1 : Entalpía del aire a la entrada y salida del secador, respectivamente. C P,sol : Calor especifico del sólido C P, agua : calor especifico de la humedad líquida Q P : Pérdidas de calor. 5 DESCRIPCION DEL EQUIPO El equipo de secado, secador rotatorio, está constituido por un cilindro hueco que gira sobre su eje con una ligera inclinación hacia la salida del sólido (Figura 3). El sólido que se desea secar es ingresado por una tolva de alimentación y de allí pasa al interior del secador donde es puesto en contacto con el aire desecado. Debido a la inclinación del equipo, el sólido desciende en forma de lluvia a través de una corriente gaseosa que se mueve lentamente y se va desplazando hacia la salida del equipo donde es recogido en un contenedor. El flujo de aire es inducido mediante un ventilador que se encuentra en el extremo opuesto a la alimentación del sólido. A su entrada por el túnel, el aire es puesto en contacto con resistencias de calentamiento mediante las cuales se eleva su temperatura. El equipo involucra dos termopares para la medición de la temperatura del aire a la entrada y salida del secador. El sistema de control consta una perilla para la regulación de la velocidad del ventilador, botones de encendido para cada resistencia de calentamiento y botón de encendido para la rotación sobre su eje del secador. Eficiencia térmica global: se define como la fracción total del calor suministrado al secador en relación al calor usado en el proceso. Eficiencia evaporativa: es la relación entre la capacidad de evaporación real con la capacidad que se obtendría en el caso ideal de que el aire de salida hubiese llegado hasta la saturación. 5.1 EXPERIMENTACIÓN Las principales variables a evaluar para el cálculo de la eficiencia del secador serán: velocidad del aire, temperatura del aire. Cada una de las experiencias mencionadas a continuación se realiza a varias inclinaciones del secador: - 01 resistencia encendida máxima velocidad del ventilador - 01 resistencia encendida mínima velocidad del ventilador - 02 resistencias encendidas mínima velocidad del ventilador - 02 resistencias encendidas máxima velocidad del ventilador. 5.2 PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL 1. Encender el equipo a las condiciones especificadas en el experimento a realizar. Esperar hasta alcanzar una temperatura sugerida, condición de estado estable. 2. Pesar, simultáneamente, 50 g y 10 g de la muestra sólida y colocar esta última en la estufa durante 30min a 130 ºC, luego pesar nuevamente. 3. Medir la temperatura de entrada de la muestra sólida, 50 g, antes de introducirla a la tolva de alimentación del secador. 4. Encender el sistema de rodamiento 5. Determinar las revoluciones por minuto del secador rotatorio. 6. Medir la temperatura de bulbo seco y bulbo húmedo a la entrada y salida de aire 7. Introducir la muestra sólida, 50 g, a un flujo aproximadamente constante en la tolva de alimentación, medir el tiempo que transcurre desde que comienza a caer en el secador hasta que cae completamente la muestra. Sin detener el cronometro, medir el tiempo que transcurre hasta que sale la última partícula de sólido del secador. 8. Medir la temperatura de bulbo seco y húmedo a la entrada y salida del aire. 9. Medir la temperatura de salida de la muestra sólida 10. Pesar la muestra e introducir el sólido seco en la estufa durante 30 min a 130 ºC; luego de transcurrido este tiempo pesar nuevamente la muestra Este procedimiento se repite para cada experiencia a realizar. Eficiencia térmica: es la relación entre el calor usado en la evaporación y el calor suministrado 3

4 6 TRABAJO A REALIZAR - Determinar la humedad de entrada y salida del sólido del secador - Determinar la humedad relativa del aire a la entrada y salida del secador - Estimar el tiempo de retención - Determinar la humedad absoluta del aire a la entrada y salida del secador - Determinar la eficiencia térmica global y evaporativa del proceso de secado - Determinar el calor perdido - Determinar el coeficiente volumétrico de calor experimental - Calcular el calor utilizado para secar. Ecuación general de transferencia de calor: Q: calor utilizado para secar, Kcal/h V: volumen del secador, m 3 U: coeficiente volumétrico de transferencia de calor, Kcal/h.m 3.ºC T Lm : diferencia media de temperatura, tomada como logarítmica de las depresiones de bulbo húmedo a la entrada (2) y salida (1) del secador. Tbs 1 T 1a Tbs 2 Carta psicrométrica Eficiencia evaporativa, ε E,, T S : Temperatura de saturación Y 1 Y 2 Y 2 T S Tbs 2 Carta psicrométrica Correlación de Friedman y Marshall para el cálculo del coeficiente volumétrico:,, G S : velocidad másica del aire, lb/pie 2.h D: diámetro, pie U: Coeficiente volumétrico, BTU/h.ºF.pie 3 Eficiencia Térmica global, ε TG,, T 1a : Temperatura de salida de los gases como si la operación fuese verdaderamente adiabática, es decir que puede considerarse como la temperatura teórica de salida del gas si no hubiese pérdidas de calor. T amb : Temperatura ambiente. T bs,2 = Temperatura de bulbo seco en la entrada T bs,1 = Temperatura de bulbo seco a la salida 7 PRE LABORATORIO Investigar: 1. Presión de vapor de un líquido y dependencia con la temperatura 2. Humedad absoluta y relativa 3. Temperatura de bulbo seco y bulbo húmedo 4. Capacidad de secado 5. Tipos de secadores, características. 6. Eficiencia evaporativa y global 7. Cómo se podría variar el tiempo de residencia del material en el secador y que efectos provocaría esta variación? 8. Qué variables afectan la eficiencia del secado en el secador rotatorio? Referencias Bibliográficas: McCabe, W. L.; Smith, J. C.; Harriott, P. (1998) Operaciones Unitarias en Ingeniería Química. McGraw-Hill Cuarta edición,. Foust, A.; Wenzel,L.; Clump, C.; Maus, L.; Andersen, L. B. (1980) Principles of Unit Operations. Segunda Edición. John Wiley & Sons editores. Treybal R. (1980). Operaciones de transferencia de masa. Segunda edición. Editorial McGraw Hill. 4

5 Geankoplis, C. J. (1998) Procesos de transporte y operaciones unitarias. Tercera edición. Editorial Cecsa. Marcilla Gomis, A. (1998). Introducción a las operaciones de separación. Calculo por etapas de equilibrio. Publicaciones de la Universidad de Alicante. Edición electrónica Espagrafic. Perry R., H.; Green, D. W.; Maloney, J. O. (1998). Manual del Ingeniero Químico. Sexta Edición. Editorial McGraw Hill. 5

6 REPORTE DE DATOS 1: 2: 3: 4: Condiciones del aire Entrada Salida Velocidad del aire a la salida (m/s) Angulo de Inclinación Velocidad de rotación, rpm Tiempo en el secador Tiempo de alimentación, t A (s) Tiempo de salida primera partícula sólida, s Tiempo total, t T (min) Características del sólido Masa del sólido Húmedo entrada Estufa: MsHeE, (g) Masa del sólido Húmedo salida Estufa: MsHsE, (g) Masa del sólido Húmedo entrada al Secador: MsHeS (g) Masa del sólido Seco entrada Estufa: MsSeE, (g) Masa del sólido Seco salida Estufa: MsSsE, (g) Temperatura de entrada del sólido Húmedo, T esh Temperatura de salida del sólido Seco: T sss Sección: Grupo: Fecha: Integrantes: Nombre y Apellido C.I. Firma 6