CAPÍTULO 5 PROCESO DE SECADO A VACÍO

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1 CAPÍTULO 5 PROCESO DE SECADO A VACÍO Introducción En este capítulo se tratarán los efectos en el proceso de secado por fluidización ocupando vacío como presión de operación. Este tipo de técnica se esta empezando a ocupar debido a que ha demostrado tener efectos positivos en el secado de partículas. Muchos de estos efectos se deben al uso de vacío en el proceso, unos de los efectos positivos es el hecho de que el riesgo de combustión por mezcla de oxigeno y un gas inflamable por las altas temperaturas y presión es controlado y disminuido. Otro de los problemas es que se utilizan temperaturas relativamente altas para secar los alimentos y esto provoca degradación química de los alimentos. Al utilizar vacío el uso de temperaturas excesivas es eliminado ya que la evaporación puede ocurrir a más bajas temperaturas. Hidrodinámica para la Fluidización a Vacío El comportamiento de un lecho fluidizado a vacío cambia como resultado de incrementar el camino libre de las moléculas, esto es, porque baja la densidad provocada por el vacío. El vacío provoca tres regimenes del lecho los cuales son definidos por el número de Knudsen. λ Kn = (5.) D Este número adimensional es el cociente del camino libre de las moléculas y el diámetro del lecho. Se observan los siguientes regimenes. 76

2 75 Flujo molecular. Este tipo de flujo se observa cuando Kn >> esto es cuando el diámetro es muy pequeño en relación al camino libre de las moléculas. La fluidización es muy difícil de obtener bajo estas condiciones con muy baja densidad. La viscosidad es despreciable. Esto es porque el gas se encuentra en estado molecular o enrarecido, Las colisiones de las partículas son más frecuente entre la pared que entre ellas mismas. Flujo intermedio. Este tipo de flujo se observa con Kn ~ este tipo de régimen contiene flujo molecular y flujo viscoso. El camino libre de las moléculas es similar al diámetro del lecho. El lecho fluidizado puede trabajar en estas condiciones. Flujo viscoso. Este tipo de flujo con Kn << es el flujo donde todos los lechos de fluidización trabajan debido a que las líneas del camino libre de moléculas son pequeñas y puede actuar la viscosidad del fluido y arrastrar las partículas debido a que contiene la densidad suficiente para desprender las partículas del lecho. Este régimen está gobernado por el flujo laminar, transitorio y turbulento el cual esta definido por el número de Reynolds. Pocos trabajos se han desarrollado acerca de la fluidización a vacío, estos trabajos han desarrollados modelos matemáticos para describir el cambio, otros autores han realizado pruebas experimentales para ver el efecto de las diferentes variables que afectan este fenómeno y otros simplemente por simplicidad ocupan los valores a presión atmosférica dado que algunos experimentos han demostrado que presentan propiedades similares a esta presión, hacer esta asunción es un error dado que no todas las partículas presentan propiedades similares a la fluidización atmosférica y mucho menos a diferentes tipos de vacíos.

3 76 Trabajos desarrollados como Kozanoglu, et al. [8] han demostrado que la velocidad mínima de fluidización se ve afectada a bajas presiones como se observa en la siguiente Figura (5.) Figura 5. Valores experimentales de la velocidad mínima de fluidización [8] Este tipo de trabajos demuestran que la velocidad mínima de fluidización sufre un incremento con el aumento de vacío, esto se obtiene manteniendo la temperatura fija a 98K y con diferentes tipos de partículas ya sean porosas o compactas. El aumento de la velocidad mínima de fluidización es resultado del incremento del camino libre de las moléculas como resultado de la disminución de la presión. Hay que mencionar que algunos parámetros no se ven afectados como son la oquedad (porosidad) de lecho. Este parámetro tiene ligeras variaciones y podemos decir que básicamente permanece constante.

4 77 Parámetros de Fluidización a Vacío Se ha diferenciado en los distintos tipos de flujo y regímenes en el vacío. Y con esto puedo mostrar las ecuaciones propuestas por Llop [9] para los distintos tipos de flujos. Para el flujo molecular de baja presión Llop obtuvo la siguiente ecuación. 0.8 πrt dp QP = Dc (5.) 6 M dl c Para el flujo viscoso con Kn <<, las leyes de Hagen-Poisseuille se aplican estableciendo la siguiente ecuación. 4 πdc P dp QP = (5.) 8µ dl c Estos dos tipos de flujos pueden mezclarse para formar la ecuación que servirá para el flujo intermedio el cual muestra una ecuación general para los dos casos de flujo πrt dp πdc P dp QP = Dc + (5.4) 6 M dl 8µ dl c c De la ecuación anterior puede reacomodarse la ecuación y sustituir los siguientes datos: La ecuación (5.5) la velocidad del flujo como función de la velocidad intersticial, La ecuación (5.6) da la velocidad de los canales intersticiales en función de la oquedad y la tortuosidad, la ecuación (5.7) da la longitud de estos canales como función de la altura del lecho y la tortuosidad y finalmente la ecuación (5.8) nos da el valor del diámetro hidráulico de los canales intersticiales. D cπ Q = uc (5.5) 4 u u c = (5.6) ε cosψ

5 78 l l c = (5.7) cosψ εdφ Dc = dh = (5.8) ( ε ) Sustituidos estos valores obtenemos una ecuación que permite los cálculos para la caída de presión experimentado por el gas a través de un lecho particular sobre el rango de fluido intermedio y viscoso. dp = dl 6 cos 45 ψ ε φd u cos ψ + ( ε ) πρp 7 µ ( ε ) ε φ d (5.9) Sin embargo la expresión propuesta en Ergun [0] para un fluido en estado turbulento puede ampliar la ecuación (5.9), haciendo esta una ecuación más general y aplicable a más situaciones. La ecuación obtenida es la siguiente (5.0) se debe notar que se adhiere la expresión de Burke y Plumier al final. ( ε ) πρp 7 µ ( ε ) ( ε ) dp u = +.75 ρu (5.0) dl 6 ε φd cos ψ ε φ d ε φd cos ψ + 45 Finalmente para obtener una ecuación con la cual se pueda obtener la velocidad mínima de fluidización Llop [9] simplifica la ecuación (5.0) y da la siguiente ecuación. Este tipo de ecuaciones en parte son obtenidas empíricamente. Re / Z Ar Z =.5C + (5.).75C. 5C Donde se tienen las siguientes ecuaciones que amplifican la ecuación anterior (5.) Z = (5.) Knp + K C K C

6 79 C = (5.) ε φ C ε = (5.4) ε φ C = (5.5) ε φ 7 K = (5.6) cos ψ 45π K = (5.7) cos ψ En la ecuación (5.) Kn p es el número de Knudsen de la partícula. Las ecuaciones (5.) a (5.7) son función de forma de la partícula. Finalmente se han probado valores para estas ecuaciones los cuales se basan en la esfericidad por simplicidad de uso. Y por consiguiente Kozanoglu [8] propone unos valores para dichos coeficientes. Tabla 5. Valores de constantes para la ecuación (5.). Autores Tipo de partículas K K C C C Kozanoglu et al [8] Redondas Agudas o Filosas Ambas Llop et al [9] Redondas Agudas o Filosas Estos coeficientes se sustituyen en la ecuación (5.) y (5.). Al sustituir estos valores se pueden observar que son aproximados a los valores experimentales obtenidos. La

7 80 variación puede atribuirse al efecto de jetting de las partículas, así como cargas electrostáticas descritas por Canada, et al [4]. Efecto del Cambio de Parámetros en un Lecho Fluidizado a vacío Se ha dicho que la fluidización es un gran método de secado con respecto a otros métodos, podemos ver las ventajas en la siguiente figura (5.) Figura 5. Comparación del lecho fluidizado con secado al sol de pimienta verde [6]. De esta figura se puede concluir que el aumento en la temperatura de operación influencia directamente en el proceso de secado teniendo un efecto positivo al reducir el tiempo de secado y disminuyendo la cantidad de humedad removida. Este efecto también es encontrado en fluidización normal. Otra de las variables con las que se obtiene una respuesta es la presión, dado que en los resultados obtenidos por Kozanoglu, et al [5] muestran que la reducción en la presión de operación tiene mayor efecto en la velocidad de secado de partículas porosas, sin embargo las partículas compactas no presentaban un cambio significativo. Las conclusiones obtenidas por Kozanoglu, et al, fueron que la disminución de la presión producía una disminución en las velocidades de remoción de calor y masa para todo tipo de partículas.

8 8 Así mismo, había una mejora en la difusividad interna a través de partículas porosas, esto es por que las partículas porosas no permiten la difusividad interna. En el caso de partículas compactas la disminución de presión realiza un efecto negativo disminuyendo la transferencia de masa hacia el exterior. Figura 5. Variable de presión para una partícula porosa [5] La velocidad del fluido también presenta una de las variables que afectan la fluidización a vacío, al aumentar la velocidad del gas superficial mejora las propiedades de secado esto es debido a que produce una disminución de las resistencias externas a la transferencia de masa. Este efecto no presenta mucha variación en la fluidización típica como lo muestran Uçkan y Ülkü [40] dado que en el secado de granos el cambio en la velocidad del fluido no presenta mucho cambio y puede considerarse que el cambio velocidad no es significativo. Proyección del Secado en la Fluidización a Vacío La fluidización a vacío es un campo prometedor debido a que pueden obtenerse mejoras con respecto a la fluidización típica, esto es en partículas porosas. La fluidización puede

9 8 realizarse fácilmente por laboratorios sencillos y generar grandes ventajas. Los estudios realizados por muchos investigadores han tenido como resultado en la descripción del comportamiento del fenómeno con acercamientos matemáticos y numéricos. Los investigadores con grandes equipos pueden monitorear con exactitud todas las variables que presenta este fenómeno y pueden mejorar e incluso encontrar las condiciones óptimas para distintos tipos de materiales y requerimientos de secado. Las investigaciones han avanzado sustituyendo el aire por el uso de vapor sobrecalentado como fluido fluidizante como se puede ver en el artículo de Chaiyong Taechapairoj, et al [5]. Estas investigaciones han arrojado e incrementado el campo de visión dado que se han reportado resultados exitosos, este tipo de investigaciones pueden llegar a secar más el producto y no perder sus propiedades de olor y sabor esto puede hacer a la fluidización con vapor como un campo aún no muy utilizado en la deshidratación de alimentos.