TRANSFERENCIA DE MASA II SECADO

Transcripción

1 TRANSFERENCIA DE MASA II SECADO

2 SECADO Constituye uno de los métodos que permite separar un líquido de un sólido. Se entiende por secado como la separación de humedad de los sólidos o de los líquidos por evaporación en una corriente gaseosa.

3 ALTERNATIVAS AL SECADO PRENSADO.- consiste en separar un líquido de un sistema sólidolíquido por compresión del sistema en condiciones que permitan que el líquido escape mientras que el sólido quede retenido entre las superficies que los comprimen. CENTRIFUGACIÓN. Consiste en aplicar una fuerza centrífuga suficientemente elevada, de forma que el líquido se desplaza en la dirección de la fuerza produciéndose la separación.

4 ALTERNATIVAS AL SECADO ADSORCIÓN: consiste en la separación de la humedad por retención sobre un sólido adsorbente. EVAPORACIÓN SUPERFICIAL: cuando el producto húmedo se somete a la acción de una corriente de aire caliente, el líquido se evapora aumentando la humedad del aire. SUPERFICIE SÓLIDA LIOFILIZACIÓN: el líquido a eliminar, previamente congelado, se separa del producto que lo contiene mediante sublimación por aportación de calor y vacío.

5 VENTAJAS Facilitar el manejo posterior del producto. Permitir el empleo satisfactorio del mismo. Reducir el costo del embarque. Aumentar la capacidad de los aparatos. Preservar los productos durante el almacenamiento y transporte. Aumentar el valor de productos residuales.

6 DESVENTAJAS Se producen cambios y alteraciones no necesariamente deseables en: la textura, sabor, color, Calidad nutritiva y forma. Es una operación que consume mucha energía y eso aumenta el costo del producto terminado.

7 APLICACIONES INDUSTRIA Partículas cristalinas de sales inorgánicas y compuestos orgánicos. Materiales biológicos. Productos farmaceúticos. Detergentes. Papel. Colorantes. Leche. Películas y recubrimientos. Catalizadores sólidos. QUIMICA

8 DIAGRAMA DE EQUILIBRIO CONTENIDO DE AGUA EN EQUILIBRIO HOJA DE TABACO (KG AGUA POR 100 KG DE SÓLIDO SECO) MADERA LANA DE VIDRIO 0 HUMEDAD RELATIVA 100

9 La humedad contenida en un sólido húmedo ejerce una presión de vapor dependiente de la naturaleza de la humedad, de la naturaleza del sólido y de la temperatura. Si el sólido húmedo se expone a una corriente de gas con una presión parcial del vapor, el sólido perderá humedad por evaporación, o la ganará a expensas del gas hasta que la presión de vapor de la humedad del sólido iguale a la presión parcial de dicha corriente gaseosa. EQUILIBRIO A L

10 EQUILIBRIO El sólido y el gas se encuentran entonces en equilibrio, y la humedad del sólido se denomina humedad de equilibrio. CONTENIDO DE AGUA EN EQUILIBRIO HUMEDAD RELATIVA

11 DIAGRAMA DE EQUILIBRIO PARA ALIMENTOS CONTENIDO DE AGUA EN EQUILIBRIO (KG AGUA POR 100 KG DE SÓLIDO SECO) macarrones harina galletas 0 HUMEDAD RELATIVA 100

12 HUMEDAD DE EQUILIBRIO DE DIVERSOS MATERIALES Si el material contiene más humedad que su valor de equilibrio en contacto con un gas a determinada humedad y temperatura, se secará hasta alcanzar su valor de equilibrio. Si el material contiene menos humedad que su valor de equilibrio, adsorberá agua hasta alcanzar el valor de equilibrio. Cuando el aire tiene 0% de humedad, el valor de la humedad de equilibrio del material es cero.

13 EFECTO DE LA TEMPERATURA CONTENIDO DE AGUA EN EQUILIBRIO (KG AGUA POR 100 KG DE SÓLIDO SECO) 96 F 219 F 165 F F HUMEDAD RELATIVA 100

14 CONTENIDO DE AGUA EN EQUILIBRIO (KG AGUA POR 100 KG DE SÓLIDO SECO) ISOTERMA TIPICA Humedad libre Humedad total Contenido de humedad unida Humedad ligada Humedad no ligada 0 Humedad en equilibrio HUMEDAD RELATIVA 100

15 TERMINOS Contenido de humedad en base húmeda: se describe en función del porcentaje en peso de humedad como (kg humedad / kg sólido húmedo)100 = [(kg humedad/(kg sólido seco+ kg humedad)]100. Contenido de humedad en base seca: se expresa como kg humedad/kg sólido seco= X Humedad en el equilibrio X * : es el contenido de humedad de una sustancia que está en el equilibrio con una presión parcial dada del vapor. Humedad ligada es la humedad contenida en una sustancia que ejerce una presión de vapor en el equilibrio menor que la del líquido puro a la misma temperatura. Humedad no ligada es la humedad contenida en una sustancia que ejerce una presión de vapor en el equilibrio igual a la del líquido puro a la misma temperatura. Humedad libre es la humedad contenida por una sustancia en exceso de la humedad en el equilibrio.

16 AGUA COMBINADA Esta agua en el sólido desarrolla una presión inferior a la del agua líquida a la misma temperatura. La humedad en un poro puede tener sólidos disueltos y desarrollar una presión de vapor más baja. El agua líquida en los capilares de diámetro muy pequeño puede desarrollar una presión de vapor más baja. Las sustancias con agua combinada se llaman materiales higroscópicos CONTENIDO DE AGUA EN EQUILIBRIO Agua combinada HUMEDAD RELATIVA

17 AGUA NO COMBINADA Si el material contiene más agua que la que indica la intersección con la línea de humedad de 100 %, sólo podrá desarrollar una presión de vapor tan alta como la del agua común a la misma temperatura. Este exceso de humedad se llama agua no combinada y existe principalmente en los espacios vacíos en el sólido. CONTENIDO DE AGUA EN EQUILIBRIO Agua no combinada HUMEDAD RELATIVA

18 HISTÉRESIS SATURACIÓN RELATIVA ADSORCIÓN DESORCIÓN HUMEDAD EN EQUILIBRIO

19 SÓLIDOS HÚMEDOS SÓLIDOS CRISTALINOS O GRANULARES MATERIALES FIBROSOS AMORFOS O PARECIDOS A LOS GELES

20 SÓLIDOS CRISTALINOS O Son rocas trituradas, arena, catalizadores, dióxido de titanio. El sólido no es afectado por la remoción de la humedad. Los materiales pueden ser secados rápidamente a muy bajos contenidos de humedad. GRANULARES

21 MATERIALES FIBROSOS, AMORFOS O PARECIDOS A LOS Son sólidos orgánicos como árboles, plantas, vegetales, almidón, algodón o lana. Estos materiales son afectados significativamente por la remoción de la humedad, encogiéndose cuando se seca e inflamándose cuando se humedecen. GELES

22 MECANISMO DE SECADO El secado de sólidos incluye dos procesos fundamentales y simultáneos: 1) Se transmite calor para evaporar el líquido puede tener lugar por conducción, convección y radiación. 2) Se transmite masa en forma de líquido o vapor dentro del sólido y como vapor desde la superficie.

23 MODOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR A Conducción de calor a través del sólido.. Convección desde un gas caliente en contacto con el material. L Radiación desde un gas caliente o una superficie caliente ante la presencia del material. El calor que llega a la superficie será la suma de los anteriores.

24 TRANSPORTE DE MATERIA El transporte de materia tiene lugar en sentido opuesto a la transmisión de calor y puede manifestarse por capilaridad y/o difusión a través del sólido y por difusión desde la interfase hacia el seno de la fase gaseosa.

25 MECANISMO INTERNO DE LA CIRCULACION DEL LIQUIDO Difusión en sólidos homogéneos continuos. Flujo capilar en sólidos granulados y porosos. Flujo provocado por gradientes de contracción y presión. Flujo producido por gravedad. Flujo originado por una secuencia de evaporación y condensación. Humedad Sólido poroso FLUJO DE GAS

26 CURVA DE VELOCIDAD DE Para determinar experimentalmente la velocidad de secado de un material: 1)El material sólido se debe llenar por completo la bandeja, de manera que sólo quede expuesta a la corriente de aire de secado la superficie de dicho sólido. 2) La pérdida en peso de humedad puede determinarse a diferentes intervalos sin interrumpir la operación, colgando la bandeja de una balanza adaptada a un ducto a través del cual fluye el aire de secado SECADO

27 CONVERSION DE LOS DATOS Los datos se expresan como peso total W del sólido húmedo a diferentes tiempos de t horas en el período de secado. Ws es el peso del sólido seco en kilogramos. X W W W S S kgtotales.. de. agua kg. solido.sec o

28 CONTENIDO DE HUMEDAD DE EQUILIBRIO Se determina el contenido de humedad de equilibrio X* kg humedad de equilibrio/kg sólido seco. X = X t X* X el contenido de humedad libre en kg agua libre/kg de sólido seco.

29 CURVA TIPICA DE VELOCIDAD DE SECADO HUMEDAD LIBRE A X B Sólidos muy húmedos C C X * D TIEMPO E

30 OBTENCION DE LOS DATOS PARA LA CURVA DE SECADO HUMEDAD LIBRE X X 2 A B C dx dt X t 2 2 X t 1 1 X 1 D E t 1 t 2 TIEMPO

31 DETERMINAR LA VELOCIDAD DE SECADO R L S dx A dt R: velocidad de secado en kg agua/h.m 2. L s : kilogramos de sólido seco A: área superficial expuesta al secado en m 2.

32 OTRO METODO PARA DETERMINAR LA VELOCIDAD DE SECADO R L S ( X 2 X 1 ) A ( t 2 t 1 ) R es el promedio y se grafica versus la concentración promedio. X X X 2 1 2

33 CURVA DE VELOCIDAD DE SECADO VELOCIDAD DE SECADO R C VELOCIDAD DECRECIENTE C VELOCIDAD CONSTANTE B A D D A Período de inducción E X C HUMEDAD LIBRE

34 CURVA DE VELOCIDAD DE SECADO EN FUNCION DEL TIEMPO VELOCIDAD DE SECADO A B C D D E TIEMPO

35 INFLUENCIA DE LA NATURALEZA DEL MATERIAL EN LA VELOCIDAD DE SECADO HUMEDAD DEL SÓLIDO PAPA GUISANTES HABAS TIEMPO

36 HUMEDAD DEL SÓLIDO INFLUENCIA DE LA TEMPERATURA EN LA VELOCIDAD DE SECADO T 1 < T 2 < T 3 T 1 T 2 T 3 TIEMPO

37 INFLUENCIA DE LA VELOCIDAD MÁSICA DEL AIRE EN LA VELOCIDAD DE SECADO HUMEDAD DEL SÓLIDO G 1 < G 2 < G 3 G 1 G 2 G 3 TIEMPO

38 SECADO DURANTE EL PERIODO DE VELOCIDAD CONSTANTE La superficie del sólido está muy mojada y sobre ella hay una película de agua continua. Esta capa de agua es agua no combinada y actúa como si el sólido no estuviera presente. Si el sólido es poroso la mayor parte del agua proviene de su interior y continúa mientras el agua siga llegando a la superficie con la misma rapidez con la que se evapora. VELOCIDAD DE SECADO R C VELOCIDAD DECRECIENTE E D D C VELOCIDAD CONSTANTE X C B A A HUMEDAD LIBRE

39 Humedad PERIODO DE VELOCIDAD CONSTANTE FLUJO DE GAS Sólido poroso

40 SECADO DURANTE EL PERIODO DE VELOCIDAD DECRECIENTE El punto C corresponde al contenido crítico de humedad libre X c. En este punto no hay suficiente agua en la superficie para mantener la película continua. La superficie ya no está totalmente mojada, y la porción mojada comienza a disminuir durante el período de velocidad decreciente hasta que la superficie queda seca en su totalidad en el punto D. VELOCIDAD DE SECADO R C VELOCIDAD DECRECIENTE E D D C VELOCIDAD CONSTANTE X C B A A HUMEDAD LIBRE

41 PRIMER PERIODO DE VELOCIDAD DECRECIENTE Humedad FLUJO DE GAS Sólido poroso

42 SECADO DURANTE EL SEGUNDO PERIODO DE VELOCIDAD DECRECIENTE El segundo período de velocidad decreciente empieza en el punto D cuando la superficie está seca en su totalidad. El plano de evaporación comienza a desplazarse con lentitud por debajo de la superficie. El calor de evaporación se transfiere a través del sólido hasta la zona de vaporización. El agua evaporada atraviesa el sólido para llegar hasta la corriente de aire. VELOCIDAD DE SECADO R C VELOCIDAD DECRECIENTE E D D C VELOCIDAD CONSTANTE X C B A A HUMEDAD LIBRE

43 SEGUNDO PERIODO DE VELOCIDAD DECRECIENTE FLUJO DE GAS

44 SECADO DURANTE EL SEGUNDO PERIODO DE VELOCIDAD DECRECIENTE En algunos casos no hay discontinuidad definida en el punto D y el cambio de condiciones de secado de una superficie completamente seca, es tan gradual que no se detecta punto de inflexión. Es posible que la cantidad de humedad que se elimina durante el período de velocidad decreciente sea bastante pequeña; no obstante el tiempo requerido puede ser largo. VELOCIDAD DE SECADO R C VELOCIDAD DECRECIENTE E D D C VELOCIDAD CONSTANTE X C B A A HUMEDAD LIBRE

45 SÓLIDO AL TERMINAR EL SECADO FLUJO DE GAS

46 TEORIAS PARA EXPLICAR LA CURVA DE VELOCIDAD DECRECIENTE TEORIA DE LA DIFUSION DEL LIQUIDO. MOVIMIEN TO CAPILAR EN LOS SOLIDOS POROSOS. VELOCIDAD DE SECADO R C E VELOCIDAD DECRECIENTE D D C X C VELOCIDAD CONSTANTE B A A HUMEDAD LIBRE

47 TEORIA DE LA DIFUSION DEL LIQUIDO La difusión de la humedad líquida se verifica cuando existe una diferencia de concentración entre el interior del sólido y la superficie. Los materiales se secan por difusión, aunque los mecanismos reales pueden ser bastante complicados. Se presenta en sólidos no porosos, pastas, jabones, arcillas, madera, cuero, papel, almidones, textiles, gelatina, pegamento. VELOCIDAD DE SECADO HUMEDAD LIBRE

48 PERIODO DE VELOCIDAD DECRECIENTE CONTROLADO POR CAPILARIDAD EN UN SÓLIDO DE POROS FINOS En sólidos porosos la humedad sin combinar se desplaza a través de los capilares y espacios vacíos de los sólidos por acción capilar y no por difusión. Las fuerzas capilares se originan por la tensión interfacial entre el agua y el sólido. Constituyen el impulso para desplazar el agua a través de los poros hasta la superficie. En un sólido de poros finos la curva de velocidad de secado en el segundo período de velocidad decreciente puede seguir la ley de difusión. VELOCIDAD DE SECADO HUMEDAD LIBRE