Planta piloto Facultad de Industrias Alimentarias

En la planta piloto podemos ver el funcionamiento de un secador de slidos industrial por conveccin pero a pequea escala. Esta nos permite estudiar la velocidad de secado de diferentes materiales y la variacin del proceso de secado en funcin de diferentes velocidades del aire y su relacin con la potencia calefactora.

En la siguiente imagen podemos ver cada una de las partes del aparato:

El equipo tiene unas medidas de 2540 x 750 x 1350 mm. El peso aproximado es de 125 Kg. La alimentacin elctrica es de 230 V/50-60 Hz/1 fase.

Si observamos cada uno de los elementos del secador con detalle, podemos observar las diferentes partes:

El ventilador (1) tiene un nmero de revoluciones mximo de 950 rpm y una potencia mxima de transporte de 700 m3/h. Tiene un consumo de potencia de 33 W y un consumo de corriente de 0.2 A. Siempre ha de conectarse antes el ventilador que el calefactor. Estos dos se conectan por el armario de mando.

Desde el Armario de mando (3) podemos ver los diferentes valores de temperatura, humedad relativa y velocidad del aire que vamos obteniendo a medida que avanza el experimento.

En el canal de secado con ventana (4) es donde se produce la operacin de secado del material. El material slido est colocado en las bandejas y en todo momento se puede mirar por la tapa trasparente (5). Las bandejas estn colocadas con unos soportes de material a secar con bastidor (6) que estn en todo momento colocadas encima de la balanza (10) para controlar su peso.

El canal de secado (4) tiene unas medidas de 2540 x 390 x 390 mm y las medidas interiores son de 350 x 350 mm.

Hay un total de 4 bandejas de secado que tienen unas medidas de 400 x 300 x 15 mm y que estan hechas de AlMg3.

La balanza digital (10) tiene un rango de medida de entre 5 a 8000g. La resolucin es de 0.1 g. Con esta se mide la disminucin de peso que experimenta el material durante el proceso de secado. La balanza se puede tarar directamente mediante un pulsador existente en la balanza o bien con el software de GUNT CE 130.

El anemmetro (8) mide la velocidad del aire al final del canal de secado, con un rango de medida de 0.2-2.5 m/s. La temperatura de servicio del fluido es de -20 a +85 C. La precisin de medida es de(5% del valor medido + 0,4% del rango de medida).

El sensor de temperatura y humedad (9 y 11) registra la temperatura y la humedad relativa del aire antes y despus de las bandejas del material a secar. Los valores medidos se muestran en el armario de mando mediante visualizadores digitales. El cuadro de control tiene un rango de medida de 0 a 100 % de humedad relativa. Es necesario considerar el campo de trabajo:

a 23 C2,0%R.H. (40-60%R.H)

a 23 C2,5%R.H. (restante campo de trabajo)

A continuacin se muestra una imagen del sensor de temperatura/humedad (derecha) y del anemmetro (izquierda):

Revisin Literaria

1.1. Tipos de secadores

a) Discontinuos

- De bandejas a presin atmosfrica o al vaco

- Discontinuo agitado a presin atmosfrica o al vaco

- Rotatorio a presin atmosfrica o al vaco

b) Continuos

- Lecho fluidizado

- Banda continua con circulacin transversal

- Neumtico

- Rotatorio directo o indirecto

- Vertical, con estantes rotatorios

- Pulverizador (spray)

A continuacin podemos ver una serie de imgenes de los diferentes secadores de slidos descritos anteriormente y que se pueden encontrar en el mercado.

2. FUNDAMENTOS TERICOS

Para poder realizar las prcticas, hacen falta unos conocimientos previos que nos permitan llegar a unos resultados satisfactorios.

Con este objetivo , a continuacin se explican los fundamentos tericos para poder entender el funcionamiento de la planta y los clculos necesarios para la realizacin de las prcticas.

2.1 Conceptos de secado

Para poder entender los fundamentos tericos del secado a continuacin se describen los principales conceptos:

-Humedad: El contenido de humedad de un slido puede expresarse sobre base seca o base hmeda; pero en el secado de slidos es ms conveniente referir la humedad sobre base seca (masa de agua que acompaa al slido seco).

-Humedad de equilibrio (X*): Cuando un slido hmedo se pone en contacto, con aire de temperatura y humedad determinadas y constantes, se alcanzaran las condiciones de equilibrio entre el aire y el slido hmedo. Se logran las condiciones de equilibrio cuando la presin parcial del agua que acompaa al slido hmedo es igual a la presin de vapor del agua en el aire.

-Cuerpos hmedos y cuerpos higroscpicos: Para una temperatura determinada, la presin de vapor del agua contenida en el slido hmedo aumenta con su humedad para todas las sustancias, hasta alcanzar el valor de la tensin de vapor del agua pura a la temperatura considerada. Se llama slido higroscpico cuando la presin de vapor del agua que acompaa al slido es menor que la tensin de vapor del agua a la misma temperatura. Y si esta presin de vapor del agua del slido es igual que la tensin de vapor, se llama slido hmedo.

-Humedad libre: Es la diferencia entre la humedad del slido y la humedad de equilibrio con el aire en las condiciones dadas: F=X - X*. Es la humedad que puede perder el slido despus de un tiempo de contacto con el aire en las condiciones dadas y constantes.

-Humedad ligada o agua ligada:Es el valor de la humedad de equilibrio del slido en contacto con aire saturado; o bien la humedad mnima del slido necesaria para que este deje de comportarse como higroscpico.

-Humedad desligada o agua desligada:Es la diferencia entre la humedad del slido y la humedad ligada; o bien la humedad libre del slido en contacto con aire saturado. Si el slido tiene humedad desligada se comportar como hmedo.

-Humedad crtica:La humedad crtica de un slido es el punto que separa los dos perodos de secado antecrtico y poscrtico.

-Perodo antecrtico:Es el perodo de tiempo en el que la velocidad de secado es constante, desde la humedad inicial hasta la humedad crtica.

-Perodo poscrtico:Es el perodo de tiempo en el que la velocidad de secado disminuye hasta llegar a un valor de cero. Este perodo empieza con la humedad crtica hasta la humedad de equilibrio.

2.2 Velocidad de secado

Se define la velocidad de secado como la prdida de humedad del slido hmedo por unidad de tiempo, y ms exactamente por el cociente diferencial (-dX/d) operando en condiciones constantes de secado, es decir con aire a las condiciones de temperatura, presin, humedad y velocidad constantes en el tiempo.

Analticamente, la velocidad de secado se refiere por unidad de rea de superficie de secado, de acuerdo con la ecuacin:

Donde :S = peso del slido seco;A =rea de la superficie expuesta;W =velocidad de secado;= diferencia de humedad respecto del tiempo.Hay dos perodos de velocidad de secado:A)Perodo antecrtico o de velocidad de secado constante:En este perodo la superficie del slido est totalmente cubierta por una capa de lquido y la evaporacin depender solo de la velocidad de difusin del vapor o de la intensidad de paso de calor a travs de la capa lmite del aire. Esta velocidad de secado vendr dada por:

Donde:

= coeficiente de transporte de materia= humedad en la interfase= humedad en el seno del aireAtendiendo a la intensidad de paso de calor, si el calor se emplea exclusivamente en evaporar la humedad, la velocidad de secado vendr dada por:Donde= coeficiente integral de transmisin de la calor= calor latente de vaporizacin del lquido a la temperatura de interfasei t son la temperatura en el seno del aire

B)Perodo poscrtico:En general este perodo se puede dividir en dos tramos: uno en el que la velocidad de secado varia linealmente con la humedad desde el punto crtico (primer perodo poscrtico), y otro en el que no se cumple esta variacin lineal (segundo perodo poscrtico), aunque puede no presentarse esta separacin neta entre ambos tramos. Durante el primer perodo poscrtico, la velocidad de secado est regida por la evaporacin del agua sobre la fraccin de superficie mojada; esta fraccin disminuye continuamente hasta que al final de este perodo la superficie est seca. Se puede calcular la velocidad de secado en cualquier instante de este perodo en funcin de las velocidades y humedades crtica y final correspondientes a este perodo, de acuerdo con la ecuacin:Durante el segundo perodo poscrtico la superficie est totalmente seca y la velocidad de secado ha de evaluarse atendiendo al proceso de transporte de humedad desde el interior del slido hasta la superficie, que se puede realizar por diversos mecanismos. Si el mecanismo de transporte se realiza por difusin (caso de los slidos de estructura continua tales como jabones, maderas, papeles, etc.) la velocidad de secado viene dada por:

Y el tiempo de secado entre las humedades X1 y X2 ser:Siendo el peso especfico del slido seco, kilogramos por metro cbico; z el espesor, metros; D la difusividad, metros cuadrados por hora.En el caso de que el mecanismo de transporte este controlado por el flujo capilar (caso de slidos granulares, tales como arenas, pigmentos, etc.) el tiempo de secado entre las humedades X1y X2vendr dado por la ecuacin:con la que se supone que la velocidad de secado vara linealmente con la humedad hasta que se alcanza el equilibrio.Para los slidos de estructura capilar uniforme cuando los capilares no son muy pequeos y la estructura no vara durante el secado, las zonas de evaporacin se reducen uniformemente en el material durante el perodo poscrtico, y estas zonas permanecen con una humedad igual a la crtica y temperatura igual a la temperatura hmeda. En cualquier instante, el espesor de la capa secaeest relacionado con la humedad X por la expresin:El coeficiente integral de transmisin de la calor entre el aire que fluye al largo de la superficie del slido y la zona de evaporacin viene dada por:Y la velocidad de secado ser:Combinando estas dos ecuaciones resulta:Y de acuerdo con esta expresin el tiempo de secado ser:

2.3 Tiempo de secado

El tiempo de secado de un slido hmedo se determina por la integracin entre las humedades iniciales y finales de la ecuacin de la velocidad de secado. Hecha la integracin mencionada obtenemos:

Para resolver esta ecuacin, tenemos que conocer la velocidad de secado W que es funcin de la humedad (X), y en general distinguiremos dos perodos diferentes:

a) Perodo antecrtico: Es el perodo en el cual la humedad disminuye linealmente con el tiempo de secado o lo que es lo mismo, que durante este perodo la velocidad de secado es constante. La humedad del slido disminuye linealmente hasta un valor de humedad crtica (Xc). La integracin desde la humedad crtica nos lleva a la siguiente ecuacin:

Donde:

= tiempo de secado del perodo antecrticoS = peso del slido secoA = rea de la superficie expuestaXi = humedad inicialXc = humedad crticaWc = velocidad de secado crticaSi la humedad final Xfes ms grande que la humedad crtica, ha de substituirse Xcpor Xfen esta ltima ecuacin.

b)Perodo poscrtico:Es el perodo en el cual la velocidad de secado disminuye hasta que se anula. Empieza con la humedad crtica hasta que llega a la humedad final o humedad de equilibrio.Hay dos mtodos para resolver este ltimo perodo:

- Mtodo grfico:Si no se conoce la relacin analtica W=f(x), la integracin de la ecuacin ha de hacerse grficamente representando X frente a 1/W. El valor de la integral ser el rea limitada por la curva, eje de abscisas y las ordenadas extremas Xcy Xf.

- Mtodos analticos:Si la velocidad de secado vara linealmente con la humedad, desde la humedad crtica hasta la final, la integracin de la ecuacin conduce a la expresin:Donde:= tiempo de secado perodo poscrticoS = peso del slido secoA = rea de la superficie expuestaXc= humedad crticaXf= humedad finalWc= velocidad de secado crticaWf= velocidad de secado finalWlog= velocidad de secado logartmicaSi no se conoce la forma en que vara la velocidad de secado en este perodo, se puede obtener una expresin aproximada suponiendo que la variacin es lineal desde la humedad crtica hasta la de equilibrio. Admitiendo esta hiptesis se llega a la siguiente expresin:Donde:= tiempo de secado del perodo poscrticoS = peso del slido secoA = rea de la superficie expuestaXc= humedad crticaX*= humedad de equilibrioXf= humedad finalWc= velocidad de secado crticaEn estas dos ltimas ecuaciones se supone que la humedad inicial es mayor que la crtica; en caso contrario, ha de substituirse Xcpor Xi.

Revisin bibliogrfica

Libros

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