2.3.2 VELOCIDAD DE SECADO

Uno de los parámetros más importantes, en las operaciones de secado y que

debe ser conocido para el dimensionamiento de algunos tipos de secadores, es la

velocidad de secado.

La velocidad o tasa de secado de un sólido (dw / dt), cantidad de agua que se

evapora por unidad de tiempo, se determina experimentalmente bajo condiciones

físicas y termodinámicas, constantes. Estas condiciones son la temperatura,

humedad, velocidad y dirección del flujo del aire a través de la superficie del

secado.

En una operación normal de secado por aire, inicialmente se evapora el agua

superficial y dado que las condiciones del aire son constantes, el calor latente de

evaporación del agua es constante y consecuencialmente la velocidad de

evaporación o de secado, para este caso, es constante. Una vez termina de

evaporarse el agua superficial, el agua del interior del cuerpo debe migrar a la

superficie gastando un tiempo con lo cual se disminuye la velocidad de secado.

Al representar gráficamente los datos de contenido de humedad del sólido como

una función del tiempo y establecer la diferenciación de los datos, permite

encontrar la tasa de secado.

La velocidad de secado que determina el tiempo para llevar a cabo la operación

que depende de la velocidad de transferencia de calor y de la velocidad de

evaporación. Se define la velocidad de secado como la pérdida de humedad del

sólido húmedo por unidad de tiempo, y más exactamente por el cociente

diferencial (-dX/dθ) operando en condiciones constantes de secado, es decir con

aire a las condiciones de temperatura, presión, humedad y velocidad constantes

en el tiempo.

A) Período antecrítico o de velocidad de secado constante: En este período la

superficie del sólido está totalmente cubierta por una capa de líquido y la

evaporación dependerá solo de la velocidad de difusión del vapor o de la

intensidad de paso de calor a través de la capa límite del aire.

B) Período poscrítico: En general este período se puede dividir en dos tramos:

uno en el que la velocidad de secado varía linealmente con la humedad desde el

punto crítico (primer período poscrítico), y otro en el que no se cumple esta

variación lineal (segundo período poscrítico), aunque puede no presentarse esta

separación neta entre ambos tramos. Durante el primer período poscrítico, la

velocidad de secado está regida por la evaporación del agua sobre la fracción de

superficie mojada; esta fracción disminuye continuamente hasta que al final de

este período la superficie está seca. Se puede calcular la velocidad de secado en

cualquier instante de este período en función de las velocidades y

humedadescrítica y final correspondientes a este período,

Durante el segundo período poscrítico la superficie está totalmente seca y la

velocidad de secado ha de evaluarse atendiendo al proceso de transporte de

humedad desde el interior del sólido hasta la superficie, que se puede realizar por

diversos mecanismos. Si el mecanismo de transporte se realiza por difusión (caso

de los sólidos de estructura continua tales como jabones, maderas, papeles, etc.)

Curvas de secado

El comportamiento de los sólidos en el secado es medido como la perdida de

humedad en función del tiempo.

•  Etapa A-B: Es una etapa de calentamiento (o enfriamiento) inicial del

sólido normalmente de poca duración en la cual la evaporación no es

significativa por su intensidad ni por su cantidad

• Etapa B-C: Es el llamado primer período de secado o período de velocidad

de secado constante; donde se evapora la humedad libre o no ligada del

material y predominan las condiciones externas. En este período el sólido

tiene un comportamiento no higroscópico.

• Etapa C-D: Es el segundo período de secado o período de velocidad de

secado decreciente; donde se evapora la humedad ligada del material y

predominan las condiciones internas o las características internas y

externas simultáneamente.

• Etapa D-E: En esta etapa la evaporación ocurre desde el interior del sólido

y ocurre hasta que no existe secado adicional.

Figura 5-3:

Los períodos anteriormente descritos no ocurren en todos los casos. Existen

operaciones de secado en que la humedad final es mayor que el contenido crítico

de humedad, en este caso se tiene únicamente el período de Tasa Constante.

En otros casos, por ejemplo en el secado del jabón, la humedad inicial es más

baja que el contenido de equilibrio y el secado ocurre sólo con tasa decreciente.

Ejemplo 5-4.

En un ensayo de secado sobre una pulpa colocada en una bandeja de cuatro (4)

pies cuadrados y 2 pulgadas de espesor, se obtuvieron los siguientes valores.

Peso de la pulpa seca 25 libras

Peso inicial de la pulpa húmeda 33.13 libras

Peso Final de la Pulpa 27,37

 

Tabla 5 -1

Se desea obtener la curva de secamiento de este ensayo y las tasas de

secamiento.

Solución: De los datos obtenidos se determina el contenido de humedad, el

contenido promedio de humedad y la tasa de secado que se tabulan de acuerdo a

la tabla siguiente.

Las cifras se obtuvieron asi:

Diferencia de Humedad 8,13 - 7,76 = 0,37 lbs

7,76 - 7.41 = 0,35 lbs

Tasa de secado: 

TABLA 5-2

Tasa de secado: 

 

Contenido de humedad: 

 

Figura 5 – 4.

Contenido de humedad, libras de agua por libra de pulpa húmeda

 

Con los datos tabulados se elabora la gráfica de Tasa de Secado versus Humedad

Promedio, representada en la figura 5-4

De la gráfica obtenemos:

Para el Período de Tasa Constante, Tasa de Secado w / A x t = 0,187 lb/hr ft2

Período de Tasa Decreciente

 

 

 

Para el período de Tasa Decreciente, la pendiente (no la tasa), tiene un valor de

2,69.

 Contenido critico

Tanto la tasa de secado como el tiempo, se pueden determinar con considerable

exactitud durante el período de tasa constante, sin embargo, no es posible

determinar el rango de humedad en el cual se tiene el período de tasa constante.

este período continua en la medida que el agua evaporada es igual al agua,

que,  del interior del cuerpo, llega a la superficie húmeda y ello depende del

espesor y características propias del material, de la misma velocidad de secado,

temperatura y humedad del aire y del mismo equipo que se está empleando.

En el momento en que la cantidad de agua evaporada es superior a la que llega

del interior, la tasas de secado disminuye y el contenido de humedad para el cual

ocurre el cambio en la tasa  se denomina Punto Crítico o Contenido Crítico de

Humedad.

Cuando la humedad inicial del sólido es inferior a su contenido crítico de humedad,

no puede existir el periodo de tasa constante, y el proceso de secado se efectuará

con una tasa decreciente.

Figura 5-5

 

Figura 5-6 Efecto de la velocidad del aire  estando el interior de la sustancia aún

húmedo.

Las figuras 5-5,  5-6 y 5-7, nos muestran los efectos del contenido de agua libre,

velocidad del aire y espesor del material sobre el contenido crítico de humedad en

ensayos de laboratorio.

 

Figura 5-7 Efecto del espesor en el contenido crítico de humedad

 

2.3.3 TIEMPO DE SECADO

Como el secado es una operación que es cara por el gasto de energía eléctrica a

través de resistencias. Entonces el tiempo que permanece un alimento en el

secador es de mucha importancia. Hay dos tipos de tiempo de secado, uno es

constante y el otro decreciente. 

Tiempo Constante: El tiempo de secado constante es el tiempo que se demora

un alimento en secar a velocidad constante. Prácticamente es el tiempo que

demora el alimento en secar en su superficie.

Tiempo Decreciente: El tiempo de secado decreciente es el tiempo que se

demora un alimento en secar a una velocidad decreciente. Prácticamente es el

tiempo que demora en secar el alimento hasta su punto central.

Tiempo total de secado

 Para determinar el tiempo total de secado para un proceso dado, es necesario

hacer una determinación de los tiempos durante el período de tasa constante y e;

período de tasa decreciente.

Una ecuación aproximada para aquellos materiales cuyo movimiento del líquido en

su interior está controlado por la capilaridad es:

 

 (5-28)

 (5-29)

 

Siendo:

Hi Humedad inicial en lb agua/lb sólido seco

Hc Humedad crítica.

He Humedad de equilibrio

H Humedad al tiempo T.

h Coeficiente total de transferencia de calor

T Temperatura del aire.

Ts Temperatura de la superficie.

D T Diferencia media logarítmica de temperatura.

X Espesor del material en la bandeja (secado por una cara)

Densidad del sólido seco.

Calor latente de vaporización a Ts.

Bibliografía

A., D. J. (s.f.). Unam. Recuperado el 10 de Octubre de 2015, de

http://www.ier.unam.mx/xml/sgtv/AFM/Secado-Fac-Quimica-UNAM.pdf

Chavéz, G. (s.f.). Slideshare. Recuperado el 10 de Octubre de 2015, de

http://es.slideshare.net/rociovlima/el-secado-de-los-alimentos11

Virtual Unual. (s.f.). Recuperado el 10 de Octubre de 2015, de

http://www.virtual.unal.edu.co/cursos/sedes/manizales/4070035/lecciones/cap7/leccion7_5.htm