Secado Spray Mayo 2013

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    SECADO POR ATOMIZACION Y AGLOMERACION

    Introduccin El mtodo de secado por atomizacin o secado spray es el ms importante para secar productos lquidos. El objetivo de este tipo de deshidratacin es secar los productos tan rpidamente como sea posible y a bajas temperaturas. El secado por atomizacin incluye tanto la formacin de partculas como el secado; el alimento que se encuentra en estado lquido es transformado en gotas y luego en partculas secas mediante atomizacin continua en un medio caliente de secado. Por medio de un pulverizado en una corriente de aire caliente, los productos lquidos pueden ser secados en pocos segundos. La temperatura de vaporizacin de las gotitas, que por lo general poseen un dimetro inferior a 300 micrones, est entre 40 y 50C si las temperaturas del aire de entrada se encuentran en el rango comn para el secado de alimentos, esto es, entre 150 y 220C. Cuando estn secas, las partculas del producto adquieren, a lo sumo, la temperatura del aire de salida. Todo el proceso de atomizacin y secado tiene lugar dentro de un secador spray. Mediante una ventilacin de aspiracin apropiada, un cicln secundario recupera los finos que tienden a permanecer en suspensin en la cmara de secado. De este modo, el tiempo de permanencia del producto en el sistema no depende del caudal de alimentacin sino nicamente de las condiciones de circulacin del aire caliente en el aparato. Principios de operacin El secado por atomizacin se ha vuelto el mtodo ms importante para el secado de alimentos fluidos del mundo occidental. El desarrollo del proceso ha sido asociado ntimamente con la industria lctea y la demanda de leche en polvo deshidratada. Sin embargo, la tecnologa se ha expandido cubriendo un gran grupo de alimentos que hoy se seca exitosamente por este mtodo. Aplicaciones El mtodo de secado por atomizacin se aplica a bananas, sangre, mezclas para tortas, jugos ctricos, caf, jarabe de maz, crema, blanqueadores de caf (coffee creamers), huevo entero, yema de huevo, clara de huevo, concentrados de pescado, frmulas infantiles, leche entera y descremada, sustitutos de leche, papas, protenas animales, protenas de leche, grasas para panadera, derivados de almidones, pur de tomates, t, levaduras, yogur. Aplicaciones del secado spray

    bananas Huevo entero Protenas animales

    sangre Clara de huevo Protenas de leche

    Mezclas para tortas Yema de huevo Protenas vegetales

    Jugos ctricos Concentrados de pescado

    Shortening (panadera)

    Caf Frmulas infantiles Derivados de almidn

    Jarabe de maz Leche entera T

    Crema Leche descremada Pur de tomates

    Sustitutos de crema Sustitutos de leche Levadura

    Cremas farmacuticas Papas Yoghurt

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    Operaciones unitarias El secado spray consiste en las siguientes operaciones unitarias Preconcentracin de lquido Atomizacin (creacin de gotitas) Secado en una corriente de aire caliente y seco Separacin del polvo del aire hmedo Enfriamiento Envasado del producto Se necesitan temperaturas relativamente elevadas para las operaciones de secado spray. Sin embargo, el dao trmico a los productos es generalmente slo leve, debido a un efecto de enfriamiento por evaporacin durante el perodo crtico del secado, y porque el tiempo de exposicin posterior a temperatura alta del material seco es muy corto. La temperatura superficial tpica de una partcula durante la zona de secado constante es 45 50C. Por esta razn es posible secar por spray algunas suspensiones bacterianas sin destruccin de los microorganismos. Las propiedades fsicas de los productos estn ntimamente asociadas con la estructura del polvo que se genera durante el secado spray. Es posible controlar muchos de los factores que tienen influencia sobre la estructura del polvo con el objeto de obtener las propiedades deseadas. Preconcentracin del lquido de alimentacin Para la operacin de un secador spray es prctica habitual preconcentrar el lquido tanto como sea posible. Hay varias razones para ello: Economa de operacin (la evaporacin es menos cara) Capacidad aumentada (la cantidad de agua evaporada es constante) Aumento del tamao de partcula (cada gotita contiene ms slidos) Aumento de la densidad de partcula (reduccin del tamao de las vacuolas) Separacin ms eficiente del polvo (relacionada a la densidad aumentada) Mejor dispersabilidad del producto (reduccin del rea superficial) Debe reconocerse que la eliminacin de agua en un evaporador al vaco y en un secador spray son procesos totalmente diferentes. La evaporacin bajo vaco es un proceso que tiene lugar a temperatura mucho ms baja que en el secado por atomizacin. Generalmente la temperatura del primer efecto es slo de 65C y en los efectos siguientes an menos. Por esta razn, la evaporacin bajo vaco permite el uso de energa de bajo costo y la regeneracin de la energa contenida en el vapor eliminado del producto. En principio se usa muy poca energa trmica En contraste el secado spray tiene lugar a presin atmosfrica; en consecuencia el aire de secado debe calentarse a temperaturas elevadas, generalmente de alrededor de 150-200C. Esto requiere combustible de costo elevado, en la forma de gas o gas oil. Adems, prcticamente no hay oportunidad de regenerar la energa de la fase vapor. Entonces, para lograr una operacin industrial de secado spray es normal combinar ambos procesos. El rendimiento de un secador se mide de acuerdo a la cantidad mxima de agua que puede ser eliminada por este sistema por hora. Por ejemplo, un secador spray que evapora 1000 kg de agua por hora, producir aproximadamente 111 kg / h de producto anhidro a partir de un lquido de 10% de slidos. Si

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    ese mismo lquido es concentrado a 45% de slidos, la produccin de polvo aumenta a alrededor de 818 kg / h de producto anhidro. Finalmente la estructura del polvo y, en consecuencia, sus propiedades fsicas, dependen en una gran medida de la concentracin total de slidos del lquido que se est secando. Si el tamao de las gotitas se mantiene constante, la cantidad de slidos afectar tanto el tamao como la densidad de las partculas secas. La estructura de una partcula secada por spray es la de una esfera hueca,; los slidos forman una cscara que envuelve una vacuola central. A medida que aumenta la concentracin total de slidos en el lquido de alimentacin, esta cscara aumenta su espesor, y, como consecuencia, la partcula se encoge menos durante el secado. Anlogamente, a medida que la vacuola llena de aire disminuye su tamao, aumenta la densidad de la partcula. El aumento de la densidad de la partcula tiene una influencia pronunciada sobre la eficiencia de la separacin y recoleccin de polvo en los ciclones, porque stos operan bajo el principio de una diferencia entre la densidad del aire y de las partculas. Es bien conocido en la industria de secado spray que el secado de un lquido de bajo contenido de slidos origina partculas muy finas que son difciles de recoger. Esto se traduce en prdidas de producto y en polucin ambiental cuando son descargadas a la atmsfera. Limitaciones de la preconcentracin El lmite al grado de preconcentracin de la alimentacin est dictado por la viscosidad del lquido, la que no debe ser tan alta como para impedir el bombeo o la atomizacin de producto. En el caso de la elaboracin de leche en polvo, es habitual preconcentrar la leche (9% de slidos totales en leche descremada, 12,3 % en leche entera) hasta 45% en un evaporador. Para muchos aislados de protena no puede usarse una concentracin tan elevada, debido a que la mayora de las soluciones de protenas son muy viscosas. En este caso el secado spray debe efectuarse con una concentracin de 25% de slidos totales. Esta prctica, sin embargo, hace que las partculas del polvo posean una densidad menor. Por lo tanto, estos productos son muy livianos y el costo unitario de operacin aumenta considerablemente. Planta de secado spray La caracterstica ms importante de la atomizacin es la formacin de gotas y el contacto de stas con el aire. La etapa de atomizacin produce un roco para una condicin ptima de evaporacin y por consiguiente un producto dentro de caractersticas tcnicas. El esquema de esta planta se muestra en la figura 10.8. El aire de entrada aspirado se mantiene limpio por pasaje a travs de un filtro de aire. Este filtro tiene cartuchos filtrantes reemplazables. El calentamiento del aire hasta la temperatura deseada se realiza en un calentador de aire colocado despus del filtro. En general, el aire es calentado indirectamente por medio de vapor. Esto calienta el aire hasta una temperatura de alrededor de 10C por debajo de la producida por el calentador de vapor. La siguiente lista da las temperaturas de vapor saturado correspondiente a cada presin de vapor:

    Presin (bar) Temperatura (C)

    10 180

    15 198

    20 212

    25 224

    40 250

    Si no fuera posible alcanzar la temperatura deseada debido a una presin de vapor muy baja, se puede usar adicionalmente un calentamiento elctrico. El calentamiento por vapor todava existe en las

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    instalaciones antiguas, pero este sistema cada vez se emplea menos debido a su pobre rendimiento trmico. Tambin es posible usar un calentamiento indirecto con aceite o con gas, pero entonces el lado del calentador en contacto con el aire debe ser de acero inoxidable. Tambin se puede emplear una caldera humo tubular en la que se quema combustible y el aire caliente generado sirve para calentar aire filtrado que va al proceso. No es recomendable usar calentamiento directo, por el riesgo de contaminacin del producto a secar con sustancias contenidas en los gases calefactores. El aire caliente es conducido a la cmara de secado, en donde se mezcla con el producto atomizado por medio de toberas o discos rotativos. Evidentemente, el aspecto esencial es el efecto de pulverizacin que confiere al producto una considerable superficie total de transferencia. Una esfera de 1 litro de volumen tiene una superficie externa de 0,05 m2, mientras que 1 litro de lquido pulverizado en gotas de 100 mm de dimetro representa una superficie total de 60 m2.El aire cede su calor, el agua de las gotitas se evapora y el aire se enfra. Las partculas secas se eliminan de la cmara a travs de una vlvula. Cuando el aire caliente y el producto circulan en la misma direccin y el mismo sentido (que se ver ms adelante que es la circulacin apropiada para los productos trmicamente sensibles), todos slos parmetros hacen que se obtenga evaporacin muy activa al principio del secado y por el contrario, dbil caudal de evaporacin al final de la residencia en el equipo. A la entrada del atomizador existe un elevado gradiente de temperatura entre el aire caliente y la superficie del producto, cuya temperatura inicial es la de bulbo hmedo. A medida que las partculas y el aire avanzan hacia la salida, el aire, que cede su energa para la evaporacin, se va enfriando, mientras que aumenta cada vez ms la temperatura superficial del producto, cada vez menos protegido por la evaporacin. Ello provoca un rpido descenso del gradiente de temperatura. En cuanto al gradiente de humedad, sigue la misma evolucin: muy elevado al principio del secado (producto hmedo en contacto con aire en el momento en que ste es ms seco), disminuye notablemente a la salida del recinto a medida que el aire se torna cada vez ms hmedo. Para evitar que la transferencia externa de masa sea limitante, nicamente podemos actuar regulando la humedad del aire a la salida de modo que est netamente por debajo de la saturacin, de lo que se deriva el empleo de gran cantidad de aire por tonelada de agua evaporada. De ello tambin se derivan mediocres rendimientos energticos. Todo ello significa que un atomizador est dividido en una zona superior muy eficaz y una zona inferior que, por el contrario, es particularmente de bajo rendimiento. Como consecuencia de ello los constructores han introducido el secado de doble etapa. La eficacia que pierde que equipo debido a la circulacin en el mismo sentido, la gana el producto en calidad. En efecto, el aire caliente est en contacto con el producto todava protegido por una intensa evaporacin, mientras que el producto seco, el ms vulnerable, est en contacto con el aire menos caliente. La temperatura de la superficie del producto que entra es la del termmetro hmedo. Para un aire a 200C y con 0.02 kg de agua por kg de aire seco, dicha temperatura es slo de 51C. A la salida del secador se admite que la del producto es inferior en 10 a 20C a la temperatura del aire de salida. Existe otro factor que favorece la calidad del producto: el tiempo de residencia no sobrepasa algunos segundos o algunas decenas de segundos. Por lo tanto no es de extraar que los microorganismos del producto slo sean atenuados o moderadamente atenuados y que sea muy suave el efecto pasteurizador de la atomizacin, o incluso nulo en las formas esporuladas. Los nicos factores que el usuario controla directamente son la temperatura de entrada del aire, el caudal de alimentacin del producto y en ocasiones su extracto seco inicial. Estos factores de entrada influyen sobre la humedad del polvo obtenido, as como la temperatura del aire seco empleado. En la medida en que todos estos factores estn relacionados entre ellos, la variacin de uno de los factores provoca variacin de todos los factores de salida. Las partculas que permanecen suspendidas en el aire de salida se separan en un cicln. En algunos casos, el aire que contiene todo el producto secado se enva a un cicln para efectuar la separacin. Cuando se secan alimentos, el producto se lleva inmediatamente a la humedad de equilibrio requerida por medio de un secado final usando el mtodo del lecho fluido, y luego se enfra. Frecuentemente se incluye un

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    proceso de aglomeracin, para dar buenas propiedades instantneas al producto, lo que significa una disolucin y una dispersin rpidas al mojarlo. Al final de la planta se halla un ventilador de aire exhausto que aspira el aire usado para secar a travs de toda la instalacin. Por lo tanto hay una ligera depresin dentro de la misma, por lo que tanto el aire caliente y el polvo no pueden escapar al exterior por fugas. Con el objeto de mantener limpio el aire de salida, dado que el cicln no separa con 100% de eficiencia, generalmente se instala un scrubber hmedo, ya sea antes o despus del ventilador. Las partculas finas de polvo recubren la superficie de las gotitas y de este modo son arrastradas fuera de la cmara de ventilacin. Cmo se puede mejorar el rendimiento trmico de la atomizacin, tan alta consumidora de energa? Aumentando la temperatura de entrada del aire y disminuyendo la de salida (ver figura 10.10). el margen de maniobra es lamentablemente muy reducido, ya que estn relacionadas la humedad del polvo y del aire usado, no se puede jugar sobre este ltimo factor para una humedad del polvo prefijada. En cuanto a la temperatura de entrada del aire caliente, est limitada por la sensibilidad trmica del producto: alrededor de 200C para productos lcteos, alrededor de 300C para los extractos de caf. Estas consideraciones llevaron a los constructores a introducir el secado de doble etapa a partir de 1957. este procedimiento consiste en efectuar un secado incompleto (humedad del polvo a la salida 6 a 8%), y a continuacin un secado complementario en lecho fluidizado (humedad final del polvo 4 a 5%). Esta tcnica permite simultneamente disminuir la temperatura de salida del aire, ya que el polvo sale ms hmedo y aumentar la temperatura de entrada del aire, ya que al ser el producto final ms hmedo es menos vulnerable. El lmite para la humedad de salida del polvo est dado por su plasticidad, que lo hace pegajoso y origina que se adhiera a las paredes de la cmara de secado. Los constructores han resuelto tambin este problema, introduciendo un proceso que se podra denominar de triple etapa. Con el fin de suprimir las paredes, el producto slo es pulverizado por un estrangulamiento y se integra un primer lecho fluido en la base de la torre de secado. La tercera etapa la constituye un vibrofluidificador externo a la torre. Para calcular cunto aire mA es necesario para evaporar una cantidad de agua mW, se establece un balance calrico para el secador.

    En la descripcin de la figura 10.9, Qrad representa el calor radiado hacia el exterior, (i - O) la T entre el

    aire que entra y sale y R la temperatura ambiente o la temperatura inicial del aire. Como simplificacin

    se supone que el producto y el aire tienen la misma temperatura de salida (O), y tambin la misma

    temperatura inicial (R). Luego,

    mS . CS (0 - R) + mW [cW ( - R) + H + cpv (O - ) + Qrad = mA cpA (i - O) (1) en donde: S= slido ; W = agua, ; A = aire ; r= room (ambiente); o = outlet (salida); i = inlet (entrada)

    representa la temperatura de vaporizacin y H el calor de vaporizacin La cantidad de calor necesario para el secado es:

    Qeff = mA . cpA (i - O) (2) y la cantidad total de calor necesario, que incluye el calor del aire de salida es:

    Qtotal = mA . cpA (i - R) (3) La prdida de calor es:

    Qloss = mA . cpA (O - R) (4)

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    Diseo de un secador spray Requerimientos de potencia y altura de la cmara

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    Las alternativas posibles para ahorrar energa son: Aumento de la temperatura del aire de entrada o disminuir la temperatura del aire de salida (figura

    10.10). Esta posibilidad tiene sus limitaciones debido al peligro de dao trmico (si se aumenta mucho la T de entrada) al producto y/o debido al secado incompleto, como ya se mencion.

    Toma de aire del edificio de fbrica y evitar de este modo prdidas por radiacin del secador y escapes de aire caliente hacia el exterior desde la fbrica.

    Uso de un scrubber hmedo (figura 10.11a) para utilizar el aire de la salida para precalentar y preconcentrar el producto. Tambin se evitan completamente las prdidas de producto. Como desventaja pueden surgir problemas higinicos.

    Uso de un filtro de mangas para recuperar los finos y un intercambiador de calor gas/gas para una recuperacin de calor importante (figura 10.11b). desventaja: alto costo de la instalacin.

    Los siguientes valores pueden emplearse para estimar los requerimientos de energa (los valores de c estn en kJ/ kg K):

    cW = 4.2 ; cpA = 1 ; cpv = 1.83 ; CS = 1.5 ; ; R)= aprox. 45C, H = 2394 kJ / kg; mS = (45/55) mW y Qrad = 0

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    Dependiendo de la temperatura del aire de entrada y de la temperatura inicial del producto se obtiene el rango siguiente de valores para el calor real usado por kg de agua evaporada: Qeff / mW = 2500 a 2700 kJ / kg El calor total por kg de agua evaporada es:

    Qtotal / mW = (2500 a 2700) ( 1 + (E - R) / (i - O)) (5.a)

    en donde E representa la temperatura del aire de salida, posiblemente despus de haber pasado por un intercambiador de calor. El requerimiento para el aire es aproximadamente:

    mA = (2500 a 2700) mW / (i - O) (5.b) El dimetro de la cmara de secado spray se puede obtener de la siguiente ecuacin:

    D = [ 4 mA / A vA] (6)

    en donde vA = velocidad axial media del aire basada en la seccin transversal de la cmara, la que a partir de la experiencia debe estar entre 0.1 y 0.4 m/seg. A velocidad muy baja el gas no se distribuye uniformemente en la cmara de secado; velocidades demasiado altas llevan a un flujo inverso local de gas que incorpora producto ya secado debido a resistencia. Cuando se realiza una atomizacin horizontal puede ser necesario tener en cuenta criterios adicionales resultantes del camino de vuelo de las partculas atomizadas. Para hallar la altura de la cmara debe conocerse el tiempo de secado y la velocidad de las partculas. El tiempo que tarda una gota de agua con un dimetro d para evaporarse completamente es:

    T = r.W d2 / 4 Nu ka (A - ) (7)

    El nmero de Nusselt (Nu) se determina a partir de la siguiente relacin: Nu = 2 + 0.535 (Re)1/2 (8) La velocidad de sedimentacin es insertada en el Re en esta ecuacin. El tiempo de evaporacin se reduce en 1/5 para una gota cuyo volumen total consiste en agua y que se evapora a travs de una cubierta imaginaria de dimetro d. La figura 10.12 muestra, para ambos casos, esto es, partculas de dimetro constante y partculas que se encogen, el tiempo de evaporacin de las gotas de agua en funcin de su dimetro, y la diferencia de

    temperatura (A - ) entre el aire y la superficie de las gotas. El subndice I dado a t indica que la evaporacin en la primera etapa del secado ocurre a partir de la superficie. difusin para la humedad que difunde desde el interior de las partculas. Se pudo demostrar que se encuentran tiempos comparables para la primera y la segunda etapa de secado para los tamaos de gotas usualmente hallados en el secado spray. La altura de la cmara de secado puede hallarse a partir del tiempo total de secado ( tI + tII) en la primera y segunda etapas y de la velocidad de cada de las partculas, que depende de la velocidad de sedimentacin de las partculas y de la velocidad media axial del aire en la cmara, vA: H = ( tI + tII) (vS + vA) (9)

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    En la segunda etapa de secado, cuando los slidos son los que se secan, el tiempo permanece en realidad

    proporcional a d2 e inversamente proporcional a (A - ), pero adems debe agregarse la resistencia a la En la figura 10.13 se grafica la altura de la cmara de secado en funcin el dimetro de la gota o la partcula. Aunque se han realizado muchas suposiciones que se aproximan mucho a la prctica, est claro que si el dimetro de las gotas excede los 0.4 mm, la altura habitual de los secadores se vuelve insuficiente para un secado completo. Las cmaras de secado spray se construyen con dimetros de hasta 16 m y alturas de ms de 20 m. Tomando en consideracin la ecuacin (5.b), la energa elctrica requerida para los ventiladores de aire exhausto para el total de aire es:

    Event = (P VA) / f = (2500 a 2700) (P . mW / f . A (i - 0) (10) en donde:

    P = diferencia total de presin a ser superada por el ventilador de aire exhausto VA = flujo total de aire

    f = 0.6 a 0.75, eficiencia del ventilador de exhaustos Flujo de aire El aire puede ser introducido o bien en la misma direccin (co-corriente) o bien en la direccin opuesta (flujo en contracorriente) al del producto atomizado que cae hasta el fondo de la cmara de secado. En la figura 10.14 se muestran de modo cualitativo los cambios de temperatura y de presin de vapor resultantes a lo largo de los caminos de secado. Como puede verse, el secado en contracorriente es ventajoso si se deben usar materiales higroscpicos hasta un contenido final bajo en humedad, dado que el aire de entrada, que tiene una presin parcial de vapor baja, se encuentra en intercambio de masa con el producto terminado seco. La eficiencia trmica tambin es elevada en el flujo en contracorriente, debido a la menor temperatura del aire de salida. Una gran desventaja del mtodo de flujo en contracorriente, particularmente en el secado de alimentos sensibles al calor (especialmente los que contienen azcar y grasa) es la mayor temperatura de descarga del producto secado. Cuando se usan sistemas en co-corriente, el producto se encuentra a temperaturas menores. Se realizaron experimentos repetidos para tratar de secar a temperaturas de entrada menores por el mtodo de contracorriente despus de presecar el aire. No se tuvo xito porque no era econmico debido a las diferencias de temperatura demasiado pequeas, requerimientos de aire demasiado elevados y tiempos de secado muy largos. Frecuentemente fue necesaria una etapa extra de secado de aire. Por las razones antes mencionadas, el mtodo de secado spray usado con ms frecuencia es el de co-corriente. Las figuras 10.15 y 10.16 muestran esquemticamente un nmero de disposiciones de flujo en contracorriente y en co-corriente, con nfasis en los puntos de entrada del aire caliente. Es importante que la velocidad del aire sea uniforme en toda el rea transversal de la cmara. Esto es especialmente importante en el caso de contracorriente para no arrastrar demasiado producto en el aire de salida por un lado, y por el otro, no permitir que muchas partculas sedimenten demasiado rpido en la cmara. La direccin del flujo de aire es una de las caractersticas ms importantes del diseo en el secado spray y determina la calidad del producto. Debe cumplirse:

    Mezclado y distribucin completos del aire y del producto, para evitar bolsones de humedad y secado insuficiente.

    Evitado de sobrecalentamiento local debido a flujo inverso incontrolado del producto secado hacia reas calientes del secador.

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    Las gotitas atomizadas deben poseer la superficie seca antes de alcanzar la pared del secador, para evitar depsito en las mismas.

    En aquella parte de la pared del secador que est en contacto con las partculas del producto, la temperatura debe encontrarse por debajo del punto de fusin de las partculas para evitar el cocinado de las mismas.

    La concentracin del producto secado en el secador no debe ser tan elevada como para llevar a una explosin de polvo por auto ignicin debido a una temperatura demasiado alta (144C para polvo de

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    leche entera y 185C para leche en polvo descremada) o por ignicin como resultado de la aparicin de chispas. A una concentracin de aproximadamente 50g de polvo de leche por m3, existe la posibilidad de una explosin por ignicin por chispas. No hay peligro de explosin a concentraciones < 175 g/m3, segn Hall y Hedrick.

    Descarga del producto secado La eliminacin de la cmara del producto secado puede realizarse de varias maneras, algunas de las cuales se indican en la figura 10.17. En todos los casos el aire de salida se enva a un cicln adyacente. En ningn caso se separa todo el producto en un cicln. Cuando slo se emplea transporte neumtico, el producto sufre un desgaste mecnico por las deflexiones, y de esta manera se aumenta la cantidad de polvo producido. La descarga de producto tiene lugar de modo ms suave en los casos b, c y c, en donde el producto depositado en el fondo se elimina a travs de una vlvula de descarga. Los vibradores y los rascadores rotativos ayudan a llevar el producto al extremo de descarga. En algunas plantas (caso d) hay un barredor rotativo de aire que elimina los depsitos sueltos de las paredes. Inmediatamente despus de la descarga el producto secado, si es necesario, es enfriado y se le da un secado final. Atomizado Es importante que las gotitas producidas por el atomizador se encuentren dentro de un rango especificado de tamao. Si varan muco en tamao el secado puede no ser uniforme. Las condiciones de secado deben ser fijadas de tal modo que las gotitas ms grandes alcancen el tenor de humedad deseado. Estro podra originar que las ms pequeas estn sobreexpuestas al are caliente. como se indic, el tamao de las gotitas puede afectar algunas propiedades importantes del polvo seco, tales como el comportamiento en la rehidratacin y las propiedades de flujo. Existen tres maneras de realizar la atomizacin del lquido, utilizando: 1. toberas de alta presin 2. toberas de dos fluidos 3. discos rotativos Toberas de alta presin

    Para obtener el tamao habitual de gota entre 10 y 100 m, debe forzarse el lquido por alta presin (20 a 60 bar para productos de baja viscosidad, hasta 200 bar para concentrados) por medio de bombas de pistn (fig. 10.18). El lquido entra a la parte interna de modo tangencial, es atomizado por la rotacin y deja la tobera en la forma de un cono hueco. El dimetro del orificio est entre 0.5 y 3 mm y el cono de rociado 60 a 90, dependiendo del tamao del orificio. Las capacidades habituales se encuentran entre 200 y 600 litros por hora y pueden ser modificadas por cambios en la presin, dimetro del orificio y dimetro del agujero tangencial de la cmara de flujo. Cuando deben procesarse cantidades mayores de lquido, se disponen varias toberas en la circunferencia de la cmara de secado, como se muestra en la figura 101.19. En la tobera de alta presin el tamao de la gotita depende de la presin sobre el lquido, de la capacidad de la tobera, de la forma del cono de rociado y de la viscosidad y tensin superficial del lquido. Con este tipo de tobera generalmente es posible producir un rango estrecho de dimetros de gotitas que favorezcan la formacin de esferas huecas de las partculas secas. Los lquidos que contienen slidos no son apropiados para el uso en las toberas de alta presin debido a la tendencia de la tobera a taponarse y a erosionarse.

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    Toberas de dos fluidos este tipo de tobera emplea como segundo material aire o vapor de agua a 1.5 bar para atomizar el lquido (figura 10.20). el cono de rociado mide entre 20 y 40 y puede ser macizo o hueco dependiendo del diseo de la tobera. Con una cantidad de aire de aproximadamente 0.2 a 0.5 kg de aire comprimido por kg de lquido, se pueden procesar hasta 100 kg/h de producto. El lquido puede generalmente ser enviado a la tobera por medio de una simple bomba dosificadora, ya sea sin presin o con baja presin. La capacidad y el ngulo de rociado pueden regularse por alteraciones en la altura de la aguja interior y del tubo que la rodea. El tamao de las gotitas est determinado por las caractersticas del lquido y por el caudal de aire y de producto. En comparacin con la tobera de alta presin, el rango de tamaos de gotitas obtenido con

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    la tobera de dos fluidos es mayor. Discos centrfugos El disco centrfugo que atomiza por fuerza centrfuga se usa ampliamente en el secado spray. An los caudales mayores pueden ser procesados por un solo disco. Para cantidades realmente grandes slo debe aumentarse el nmero de canales (figura 10.21) o su altura (figura 10.23) y la potencia de flujo. Los discos estn montados sobre un eje que es accionado o bien de modo directo por un motor o indirectamente por medio de correas. Como se muestra en la figura 10.22 la entrada de producto y el eje estn rodeados de una camisa enfriadora y protegidos del aire caliente. La distribucin de tamao de partculas proveniente de discos centrfugos cae entre la de la tobera de alta presin y la de dos fluidos. El rango puede ser influenciado por el tipo y nmero de canales y especialmente por la velocidad en la circunferencia. Este tipo de atomizadores es muy utilizado, ya que permite manejar lquidos muy viscosos, no se obtura con facilidad y es resistente a la abrasin. Para obtener un secado adecuado, el comportamiento de las gotitas ms grandes tiene una influencia controlante, dado que necesitan los tiempos de secado ms prolongados, pero son las que se depositan ms rpidamente en la cmara. La figura 10.24 muestra el mximo dimetro de gotita lquida obtenible en funcin de la velocidad de descarga a la salida de la tobera o del disco. En el caso del disco, esto es

    equivalente a la velocidad en la circunferencia, que es v = .D.n. Puede verse que las velocidades para el secado spray no deben ser inferiores a 100 m/s, dado que de otro modo el mximo dimetro de la gotita sera demasiado grande para el secado adecuado. La figura 10.25 muestra que para los dimetros de disco usuales se requieren revoluciones entre 10000 y 30000 rpm. La potencia necesaria para acelerar el lquido a la velocidad en la circunferencia del disco es:

    E. = m. v2 / 2

    Ejemplo: A una eficiencia de = 65% y a una velocidad perifrica de v = 150 m/s se obtiene que para un flujo msico m= 1 kg/s = 3600 kg/h, se requiere una potencia elctrica de E = 17.3 kw.

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    Spray drying nozzles

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    Tobera en funcionamiento SECADO EN LECHO FLUIDO Como ya se mencion en conexin con el secado spray, el secado en lecho fluido se utiliza en este proceso (y en otros) como procedimiento final de secado, para llevar la humedad de los polvos al nivel requerido para su estabilidad durante el almacenaje, esto es, 2-4%. El secado en lecho fluido es una parte integrante del instantaneizado. Otras reas de aplicacin se hallan en la produccin de lactosa, de casena y generalmente de grnulos, polvos y productos similares que pueden ser mantenidos en un colchn de aire. El mtodo de lecho fluidizado puede usarse tambin para el enfriamiento de cualquier material que se puede hacer que fluya.

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    Principios Cuando se pasa un gas a travs de un soporte permeable, sobre el cual descansa un material que puede fluir, el empaque del lecho de material se vuelve menos denso, es decir, el lecho comienza a expandirse cuando se alcanza una cierta velocidad. A velocidades an mayores las partculas lecho comenzarn a estar en movimiento turbulento. Todas las partculas del producto se mezclan completamente en la capa turbulenta y por lo tanto se secan con una velocidad uniforme. Un aumento mayor en la corriente de gas lleva finalmente a una velocidad a la cual las partculas flotan, lo que tiene lugar cuando la fuerza hacia arriba iguala a la de la gravedad que acta sobre las partculas. ms all de esta velocidad es imposible mantener un lecho fluidizado y las partculas son arrastradas por la corriente de gas (transporte neumtico). Un lecho fluido se mantiene entonces a velocidades de aire que se encuentran entre aquellas para las cuales el lecho comienza a expandirse y aqullas a las cuales las partculas flotan. La velocidad a la cual el lecho comienza a expandirse se alcanza cuando la cada de presin es igual a la fuerza de gravedad que acta sobre toda la masa del lecho. Fuerza de gravedad que acta sobre el lecho:

    P = H0 . g. (K - A) (1 - 0) (10.20) en donde: H0 = profundidad del lecho de material en descanso

    K = densidad de la partcula individual

    A = densidad del aire

    0 = porosidad del lecho en descanso (generalmente alrededor de 0.4) La cada de presin del gas al pasar por el lecho es:

    P = (64 1 / 02) [( 1/Re) + ( / 64)] H0 A v

    2 / d* 2 (10.21)

    en donde: 1 = factor debido al aumento en longitud del camino; alrededor de 0.75 para lechos

    Re = nmero de Reynolds, formado por d* y v = v/0

    = coeficiente de resistencia para flujo turbulento v = velocidad del gas basada en la seccin transversal de la torre vaca

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    d* = dimetro hidrulico de los poros, d* es generalmente (2/3)(0 . dK / (1 - 0) para esferas con un dimetro dK La ecuacin (10.21) es vlida para flujo laminar, de transicin y turbulento. La combinacin de las dos ecuaciones da la velocidad a la cual el lecho comienza a expandirse, v. La velocidad de fluidizacin durante el flujo laminar es:

    vs = dK2 (K - A) . g / 18 A,

    En donde A es la viscosidad absoluta del aire. Tipos de lechos fluidizados Las partculas de un producto hmedo pueden ser llevadas a movimiento turbulento usando slo aire siempre que sus superficies no estn adheridas entre s debido a humedad o termoplasticidad. En tal caso el secado en lecho fluido puede ser llevado a cabo en una instalacin relativamente simple, que se muestra en la figura 10.36. Si las partculas se adhieren inicialmente, se pueden lograr lechos fluidos estables usando agitadores mecnicos para romper los aglomerados de partculas. Otra posibilidad de mezclado forzado, que al mismo tiempo produce un transporte forzado, es el lecho fluido vibratorio, mucho ms empleado, que se muestra en la figura 10.37. El secador se basa en una cuba transportadora vibratoria que puede tener hasta 10 m de longitud y 1 m de ancho. La vibracin se produce por medio de motores excntricos que generan la vibracin del secador, que puede estar soportado en resortes helicoidales o de hojas. La direccin de la vibracin puede cambiarse rotando el motor y la amplitud cambiando la excentricidad. Para asegurar una distribucin uniforme del aire sobre toda el rea de la placa de base permeable al aire, la resistencia ofrecida por la placa al flujo de aire debe estar en el rango de 1000 a 2000 Pa, dependiendo del tipo de producto y de la profundidad del lecho. Las perforaciones ocupan por lo general entre 1.5 y 5% del rea de la placa, y la profundidad del lecho, que puede ajustarse por medio de una chapa de sobreflujo, generalmente tiene entre 50 y 300 mm. El lecho fluido vibrado tiene las siguientes ventajas: transporte forzado en una direccin dada, fluidizacin an a bajas velocidades del aire y un tiempo de residencia del producto que puede ser por lo menos controlado parcialmente. Microencapsulacin El secado spray se usa con frecuencia como tcnica de encapsulacin tanto en la industria de la alimentacin como en otras. La sustancia a ser encapsulada (la carga) y un vehculo anfiptico (por lo general algn tipo de almidn modificado que posee propiedades hidroflicas y lipoflicas), se homogenizan como una suspensin en agua. Esta suspensin se alimenta a un secador spray, en donde se atomiza. En parte debido a la elevada tensin superficial del agua y en parte debido a las interacciones hidroflicas / lipoflicas entre el carrier anfiptico, el agua y la carga, la mezcla atomizada forma micelas. El pequeo tamao de las gotas (en promedio con 100 micrones de dimetro) origina un rea superficial relativamente grande que se seca con rapidez. A medida que transcurre el secado, el carrier forma una capa endurecida alrededor de la carga.

    Structure of Spray Dried Powder Particles

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    Fluid bed dryer

    AGLOMERACION / INSTANTANEIZADO Introduccin La reconstitucin es el mojado de un polvo seco para llevarlo generalmente al contenido original de agua. Si este estado puede ser alcanzado muy rpidamente se dice que el polvo posee propiedades instantneas. Sin embargo, muchos estudios y la experiencia cotidiana han mostrado que la mayor parte de los polvos con tamaos de partcula inferiores a 100 micrones son muy difciles de reconstituir. Un proceso que imparte propiedades muy buenas de humectacin a un producto seco se denomina instantaneizado. Estas propiedades por lo general pueden lograrse por medio de la aglomeracin de las partculas pequeas de polvo para dar grnulos con dimetros de 1 a 3 mm. Para ilustrar este problema discutamos brevemente los diferentes pasos de la reconstitucin. Si un polvo se transfiere a la superficie del agua, si el polvo es hidroflico, las partculas aue estn en contacto directo con el agua se disolvern. Adems, las fuerzas capilares producidas por los pequeos espacios entre las partculas contiguas atraen el agua hacia el polvo. Se conoce por experiencia que, para el caso de la leche en polvo por ejemplo, la profundidad de penetracin no es grande (1 a 3 mm). La razn es que, despus de un corto tiempo, se superpone el proceso de hinchamiento (protenas e hidrocoloides) y esto transforma la frontera entre las fases en una masa pegajosa y con consistencia de gel, la que resiste la penetracin posterior del agua. Quedan entonces bolsillos de producto seco, los que generalmente no pueden ser dispersados sin ayuda mecnica. Lo que se requiere entonces es una partcula granular, producida por aglomeracin, , en la que el agua pueda ser introducida por fuerzas capilares por todo el caminohacia el interior antes de que se forme una capa impenetrable de gel. r otra parte los grnulos no deben ser demasiado pequeos, porque de si no se pueden formar bolsillos de polvo seco si el agua penetra demasiado rpido por accin capilar dentro del lecho de grnulos. Por lo tanto, deberan tener lugar los siguientes procesos durante la reconstitucin, ya sea secuencialmente o parcialmente superpuestos entre s.

    Las partculas granulares se mojan a medida que tocan la superficie del agua

    El agua penetra en los poros de las partculas

    Las partculas mojadas se hunden en el agua

    Los grnulos se desintegra dando lugar a las partculas originales y stas se dispersan en el agua

    Las partculas pequeas se disuelven en el agua.

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    El trmino aglomeracin describe la formacin de un cuerpo fsicamente ms grande a partir de un nmero de otros ms pequeos. La aglomeracin se emplea para mejorar la fluidez y para obtener un producto libre de polvo. Tales productos, por muchas razones, se pueden manipular mejor en el procesado subsiguiente La aglomeracin es un paso preliminar en la manufactura de tabletas. El objetivo principal de la

    aglomeracin es entre otros realizar un mezclado de los distintos ingredientes en la proporcin correcta formando grnulos que fluyen libremente (free-flowing).

    La aglomeracin es esencial para fabricar productos instantneos. Los productos no aglomerados tienen por lo general una mojabilidad pobre. Esta propiedad restringe severamente su uso bajo las condiciones normales del hogar. La funcin de la aglomeracin es cambiar la porosidad de los polvos, lo que mejora la penetracin del agua en los grnulos.

    El apelmazado (caking) puede ser un problema grande para un nmero de productos. La aglomeracin disminuye el nmero de contactos superficiales entre partculas y el resultado es la reduccin del nivel de apelmazado.

    La aglomeracin tambin puede ser empleada para recubrir productos (coating). El lecitinado de polvos conteniendo grasa as como de la leche entera son ejemplos bien conocidos de esto.

    La aglomeracin mejora de modo importante el aspecto de los productos. Luego puede ser importante desde el punto de vista de marketing.

    El proceso de aglomeracin Durante la aglomeracin, la unin entre las partculas individuales puede ser originada por fuerzas electrostticas y de atraccin intermolecular (fuerzas de van der Waals). Estas fuerzas slo son efectivas

    cuando las distancias interpartculas son pequeas (

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    o la capacidad de las partculas para hundirse en el agua o la dispersin de los aglomerados en partculas primarias individuales o la disolucin de las partculas en el lquido

    El proceso inicial de mojado de un aglomerado es crucial para todo el proceso de reconstitucin. La fuerza impulsora para el mojado de los aglomerados es la presin capilar. Una presin capilar alta estimula el mojado rpido de los aglomerados, lo que es necesario porque:

    o ayuda a expulsar el aire del grnulo, de modo que ninguno o muy pocos bolsones de aire quedan en la estructura. Esto aumenta la densidad del grnulo y por lo tanto la facilidad para hundirse.

    o La cantidad de slidos que se disuelven permanece pequea, lo que mantiene a su vez bajas la tensin superficial y la viscosidad del lquido que penetra.

    Otros parmetros que afectan la reconstitucin de los aglomerados son:

    o El tamao de los poros. Los poros pequeos (baja porosidad) generan alta presin capilar, pero la friccin del lquido contrarresta este efecto. En realidad hay un tamao crtico de poro por debajo o por encima del cual el mojado aumenta. La figura 2 aclara esto para una mezcla aglomerada de sacarosa y cacao.

    o La atraccin del producto por el agua. La grasa por ejemplo confiere al producto un carcter hidrofbico. Recubriendo con un agente hidroflico, como la lecitina, la reconstitucin se mejora considerablemente.

    o La homogeneidad de los poros. Tamaos uniformes de poros promueve el mojado uniforme, lo que expulsa todo el aire del aglomerado. Esto aumenta la densidad y en consecuencia la capacidad de hundirse y la disolucin de los puentes de partculas.

    o Aire en aglomerados. Un aspecto beneficioso del aire es que est siendo comprimido debido a la presin capilar. Debido a este efecto un aglomerado podra explotar en unidades ms pequeas. Esto se traduce en una aceleracin de la mojabilidad y la capacidad de hundimiento porque la profundidad de penetracin del lquido disminuye.

    o Hinchamiento de partculas. Algunos componentes del producto, tales como protenas y almidn se hinchan durante el mojado, lo que podra llevar al bloqueo de los espacios intersticiales. Este fenmeno para la posterior reconstitucin y puede originar geles indeseablemente espesos, que son difciles de dispersar.

    La aglomeracin y reconstitucin de los aglomerados son fenmenos complejos. El tipo de proceso de aglomeracin tiene una gran influencia sobre las propiedades del producto resultante y por lo tanto sobre la funcionalidad. La seleccin del proceso adecuado y de las condiciones de proceso son las herramientas para obtener las propiedades deseadas del producto. Aglomeracin directa Esto significa que el secado spray y la aglomeracin se llevan a cabo en un proceso. La aglomeracin se lleva a cabo en la zona de atomizacin de la cmara de secado spray. La aglomeracin se logra por una combinacin de: (1) mezclado inter-spray y (2) mojado de los finos por las gotitas atomizadas. El primer mecanismo se denomina aglomeracin inter-spray y el segundo aglomeracin de los finos por las gotitas. Este modo de aglomeracin se lleva a cabo con un sistema de atomizado de toberas mltiples. En este diseo las toberas de atomizado estn dispuestas en racimos, mientras que las lanzas de las toberas estn diseadas con un ngulo en la punta de la tobera. La lanza individual de la tobera puede rotar alrededor de su eje pero tambin se puede mover de modo axial hacia adentro o hacia fuera con respecto al centro del conjunto de toberas mltiples. Este sistema permite a las lluvias de las toberas su intermezclado con una superficie variable de solapado en la cual las gotitas pueden chocar. No todas las partculas del atomizado chocan y los finos resultantes se colectan en

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    un punto central en el sistema de secado para ser recicladas al rea de atomizado para aglomeracin con las gotitas del atomizado. La figura 4 muestra el principio de este sistema de aglomeracin, el cual es efectivo debido a las siguientes razones:

    a) En el rea de atomizacin las gotitas son hmedas y pegajosas b) Todas las partculas, finos y gotitas, estn concentradas en un volumen relativamente chico y

    confinado, lo que se traduce en frecuentes colisiones entre las partculas. c) Debido a que las lanzas de las toberas estn diseadas con un ngulo, las gotitas y las partculas

    tambin chocan en ngulo. Esto genera energa cintica intercolisional, lo que contribuye a formar uniones entre partculas de suficiente fuerza, lo que es importante para consolidar los aglomerados.

    Gracias a la superposicin de los diferentes atomizadores tienen lugar ms o menos colisiones entre las partculas, producindose productos con alta, baja o sin aglomeracin. Este sistema de aglomeracin es una de las partes esenciales de algunos tipos de secadores que tienen este objeto. La aglomeracin tambin puede ocurrir en cualquier otro lugar en el lecho fluido del secador, si las partculas provenientes de la cmara de secado an se hallan hmedas. La concentracin de partculas en el lecho fluido es elevada, lo que permite frecuentes colisiones entre las partculas. Sin embargo, un nmero de productos no puede aglomerarse de este modo debido al hecho que se necesita secado a bajo contenido de humedad en la etapa inicial para poder controlar la termoplasticidad. La figura 5 ilustra un tipo de secador spray diseado para la manufactura de productos aglomerados. Este tipo de secador spray tiene las siguientes caractersticas:

    Un juego mltiple de toberas para lograr la aglomeracin.

    Un sistema de reciclado de finos para lograr la aglomeracin de finos con gotitas.

    Un flujo de aire en co corriente revertido en la cmara de secado. Este diagrama de flujo de aire permite que el secado inicial tenga lugar en el centro de la cmara de secado, en donde las partculas estn todava hmedas y son pegajosas pero no pueden escapar de all debido al flujo de aire ascendente a lo largo de la pared del secador. En el lugar en que el flujo de aire cambia de direccin, las partculas gruesas se separan por gravedad y son descargadas a un lecho fluido externo. Las velocidades del aire en el rea de inversin son bajas. El efecto es un elevado efecto de separacin de polvo, lo que genera una pequea proporcin de polvo fino en el aire de salida del secador. Por naturaleza estas partculas finas tienen baja humedad y por lo tanto no son pegajosas.

    Un lecho fluido externo con flujo bien mezclado/pistn directamente debajo del cono del secador. Las principales funciones de un lecho bien mezclado es el mezclado de polvo hmedo y polvo pegajoso de la cmara con producto del lecho fluido y el secado en segunda etapa bajo condiciones suaves de T. El intermezclado rpido de producto de la cmara y del lecho fluido se logra por alta velocidad de aire, la que es generalmente el doble de la de las secciones de flujo pistn. Esta alta velocidad del aire es posible debido al hecho que el producto en este estado del proceso de secado est todava hmedo y es algo pegajoso.

    Un tipo particular de secado spray es el secado spray en espuma. Este proceso puede ser combinado con la aglomeracin directa. En este tipo de proceso se dispersa o disuelve un gas en el producto de alimentacin, preferentemente bajo alta presin. Luego el proceso debe llevarse a cabo con atomizacin por tobera para mantener el gas en el lquido. Despus de la atomizacin el gas expande las gotitas a esferas huecas. Este tipo de secado spray le da al producto terminado la funcionalidad de una baja densidad aparente (regulable), y dependiendo de su composicin, propiedades espumantes cuando se lo reconstituye. Aglomeracin con humectacin

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    Este tipo de aglomeracin se emplea cuando los ingredientes bsicos estn disponibles como polvo, y cuando se requiere un producto de fcil disolucin. El tipo de aglomerado a producir debe entonces tener suficiente porosidad para poder llevar a cabo una reconstitucin adecuada. Generalmente se usan dos principios para la aglomeracin con rehumectacin:

    Rehumectacin del polvo seco basada en la condensacin de vapor

    Rehumectacin del polvo seco por atomizacin de lquidos La rehumectacin con vapor se basa en el principio de condensacin sobre partculas de polvo fro. Sin embargo, el grado de humectacin con vapor es limitado. Por lo tanto puede agregarse agua para sobresaturar el vapor e incrementar de este modo la velocidad de mojado. Es posible tambin el modo opuesto de operacin cuando se mezcla aire con vapor. Una gran ventaja del vapor como agente humectante es la distribucin homognea de la humedad sobre las partculas. Luego, la humectacin con vapor origina un mximo nmero de puntos de contacto entre partculas y un tamao uniforme de poros. Ambos aspectos favorecen la fuerza del aglomerado y la reconstitucin adecuada. La tobera para inyeccin del vapor de humectacin consiste en un cao colocado de modo coaxial con una salida anular de vapor. La tobera est provista de medios para incorporar agua o aire. La velocidad del vapor es tal que se logra un mezclado ptimo con el polvo a aglomerar.

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