INTRODUCCIÓN

Los procesos industriales están integrados en Operaciones Unitarias que el Ingeniero Químico como tal

debe operar, optimizar, planificar, diseñar y construir. Estos procesos con llevan la producción de

compuestos y productos que, para elaborarlos se requieren de la transformación física y química de la

materia. Por ejemplo, una de las operaciones unitarias utilizadas en la industria es el secado por

aspersión, en la cual un líquido o una suspensión se atomizan o se rocían en una corriente de gas caliente

para obtener la evaporación de la humedad y como producto un sólido con la menor cantidad de agua

posible.

El secado es un proceso que consiste en separar por medios físicos, pequeñas cantidades de agua u otro

líquido, de un material sólido con el fin de reducir el contenido del líquido residual hasta un valor

aceptablemente bajo (Mc Cabe, 2007), o como en el caso de los alimentos, hasta que el nivel de agua sea

adecuada para su conservación por largos periodos. Este proceso surge debido a la necesidad de poder

consumir alimentos que en cierta época del año no se cosechan o producen y que por su composición

química son susceptibles a descomponerse. Además, es uno de los métodos más antiguos que ha

utilizado el hombre para conservar sus alimentos y que ha venido practicando durante siglos; literalmente

desde la era de la prehistoria donde se percató que los frutos y granos que recogía, prolongaban su vida

de consumo cuando se exponían por un tiempo a los rayos del sol.

Con el descubrimiento del fuego, muchos hombres en el nuevo y el viejo continente, usaron el calor que

éste les proveía para secar sus alimentos en el interior de sus refugios. Pero no fue sino hasta 1795, que

se inventó el primer cuarto de deshidratación que utilizaba un flujo de aire caliente. Fue diseñado por

científicos franceses y su función se limitaba únicamente a las hortalizas. Sin embargo, fue hasta el siglo

XVIII que se trabajó industrialmente, aun cuando se utilizaba las formas de secado más primitivas. La

tecnología de secado siguió avanzando, a pesar de ello, fue a finales del siglo XIX cuando se obtuvieron

los primeros prototipos de secadores que aún se utilizan.

Entre los equipos de secado más comúnmente empleados en la actualidad se encuentran los secadores

de tambor, secadores rotatorios, de túnel, de bandejas, de lecho fluidizado y de aspersión, siendo éstos

últimos los más empleados para el secado de materiales sensibles al calor puesto que en ellos se manejan

tiempos cortos de operación y altas velocidades de evaporación (Geankoplis, 2006).

JUSTIFICACIÓN

1

Con la construcción del secador por aspersión se llevarán a cabo investigaciones en el área de alimentos

que nos permitirán determinar diferentes parámetros que influyen en el secado como la temperatura,

características de la pulverización del fluido, tiempo de residencia del material a secar, entre otros. Así

mismo, se pretende profundizar más en otros ámbitos que cubren asignaturas como operaciones unitarias,

procesos de separación y transferencia de calor y masa.

Los costos de los secadores de rocío de nivel laboratorio que se encuentran en el mercado, fluctúan en el

orden de los $ 300,000.00 M.N., dificultando la adquisición de los mismos por escuelas y pequeñas

industrias, es por ello que en el siguiente trabajo, se construirá el prototipo de un secador por rocío, con el

objeto de reducir sustancialmente los gastos de operación y control generados al momento de realizar

prácticas. El centro universitario ya cuenta con un secador construido en su mayoría en acero al carbón,

susceptible al desgaste y corrosión, donde los polvos producto del proceso de secado, no son de fácil

recuperación. Su funcionamiento se basa en el calentamiento de aire a fuego directo. El nuevo secador

utilizará energía eléctrica para elevar la temperatura del aire; se construirá en acero inoxidable, así mismo,

serán anexados accesorios (abrazaderas y empaques tipo clamp, válvula de mariposa, tornillería no

estándar, cableado eléctrico de uso industrial, entre otros) que, con la correcta instrucción, facilitarán al

lector el uso, limpieza, o en su defecto, al desarmado y armado para una nueva ubicación del secador, si

es necesario. Otro propósito en el siguiente proyecto, es ofrecer una alternativa diferente de construcción,

al secador ya existente en el campus. El prototipo estará disponible para procesar huevo crudo ayudando

de ésta manera a corroborar y reafirmar los conocimientos sobre las operaciones de transferencia de calor

en el área de alimentos. Así mismo, contribuiremos con el equipamiento del Laboratorio de Operaciones

Unitarias y con el conocimiento ilustrativo para generaciones venideras.

OBJETIVO

Construir un prototipo de secador por rocío con fines didácticos.

CAPÍTULO I CONCEPTOS BÁSICOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR Y MASA, Y

FUNDAMENTOS DE BALANCES DE MATERIA Y DE ENERGÍA

2

Prácticamente en todas las operaciones unitarias que realiza el ingeniero químico interviene la absorción

de energía en forma de calor. Por lo tanto, las leyes que rigen la transferencia de calor y el tipo de

aparatos, cuyo fin principal es el control del flujo de calor, tienen una gran importancia. A continuación se

describen nociones básicas sobre transferencia de calor y masa.

1.1 Transferencia de calor.

Cuando dos objetos que están a temperaturas diferentes se ponen en contacto térmico, el calor fluye

desde el objeto de temperatura más elevada hacia el de temperatura más baja. El flujo neto se produce

siempre en el sentido de la temperatura decreciente. Los mecanismos por los que fluye el calor son tres:

conducción, convección y radiación, sin embargo, no profundizaremos en el tema sobre los mecanismos

de transferencia de calor debido a que no son el objeto de nuestro estudio (Foust, 2001).

1.1.1 Conducción.

Si existe un gradiente de temperatura en una sustancia, fluido, o cuerpo, el calor fluye a través del

material sin que tenga lugar un movimiento observable de la materia. El flujo de calor de este tipo recibe el

nombre de conducción. En los metales, la conducción térmica resulta del movimiento de los electrones

libres; existe una estrecha relación entre la conductividad térmica y la conductividad eléctrica.

En los sólidos que son malos conductores de la electricidad, y en mayor parte de los líquidos, la

conducción térmica se debe a la transferencia de la cantidad de movimientos entre las moléculas o átomos

adyacentes que vibran. En gases, la conducción se produce por el movimiento al azar de las moléculas, de

forma que el calor se “difunde” desde regiones más calientes hacia otras más frías. (Kern, 2001).

1.1.2 Convección.

La convección se refiere al flujo de calor asociado con el movimiento de un fluido, tal como cuando el aire

caliente de un horno entra en una habitación o a la transferencia de calor de una superficie caliente a un

fluido en movimiento. El segundo significado es más importante para las operaciones unitarias, de forma

que incluye la transferencia de calor a partir de paredes metálicas, partículas sólidas y superficies líquidas.

3

Es un hecho muy conocido que un material se enfría con mucha mayor rapidez cuando se sopla sobre él o

se le aplica una corriente de aire. Cuando las corrientes en un fluido son consecuencia de las fuerzas de

flotación generadas por diferencia de densidad, que a su vez se originan por gradientes de temperatura en

la masa del fluido, la acción recibe el nombre de convección natural. Cuando las corrientes se deben a un

dispositivo mecánico, tal como una bomba o un agitador, el flujo es independiente de las fuerzas de

densidad y recibe el nombre de convección forzada. Las fuerzas de flotación también existen en la

convección forzada, por lo general sólo tienen un pequeño efecto. (Holman, 1998).

1.1.3 Radiación.

Radiación es el término que se emplea para designar a la transferencia de energía a través del espacio

por medio de ondas electromagnéticas. Si la radiación pasa a través de un espacio vacío, no se

transforma en calor ni en otra forma de energía, ni se desvía de su trayectoria. Sin embargo, si en su

trayectoria encuentra algún material, la radiación se transferirá, reflejará o absorberá. Sólo la energía

absorbida es la que aparece como calor y ésta transformación es cuantitativa. Por ejemplo, el cuarzo

fundido transfiere prácticamente toda la radiación que incide sobre él; una superficie opaca pulida o un

espejo reflejan la mayor parte de la radiación incidente; una superficie negra o mate absorbe la mayor

parte de la radiación que recibe y la energía absorbida es transformada cuantitativamente en calor (Mc

Cabe, 2007).

1.2 Transferencia de masa.

Así como la transferencia de calor y momento lineal, otro proceso importante en la industria es la

transferencia de masa, ésta interviene en la destilación, absorción, secado, extracción líquido-líquido,

adsorción, intercambio iónico, cristalización y procesos de membrana. Cuando se transfiere masa de una

fase a otra o a través de una fase, el mecanismo básico es el mismo, ya sea que se trate de gases,

líquidos o sólidos.

4

Los tres procesos de transporte molecular—momento, calor y masa— se caracterizan por utilizar el mismo

tipo de ecuación para su explicación, como se muestra en la figura 1.2-1:

velocidad de transporte= fuerza impulsoraresistencia

(1.2-1)

Esto puede escribirse como la ecuación 1.2-2 para la difusión molecular de las propiedades de momento

lineal, de calor y de masa:

ψ z=−δ dzd Γ (1.2-2)

Donde ψ z se define como el flujo de la propiedad, es decir, como la cantidad de ésta que se transfiere,

por unidad de tiempo, a través de una sección transversal unitaria perpendicular a la dirección z del flujo,

en cantidad de propiedad/s * m2, δ es una constante de proporcionalidad llamada difusividad en m2/s, Γ es

la concentración de la propiedad en cantidad de propiedad/m3, y z es la distancia en la dirección del flujo

en m.

Un grupo de operaciones para la separación de componentes de mezclas está basado en la transferencia

de materia desde una fase homogénea a otra. Contrariamente a las separaciones puramente mecánicas,

estos métodos utilizan diferencias en la presión de vapor, solubilidad, difusividad y no en el tamaño o la

densidad de las partículas. La fuerza impulsora es una transferencia en una diferencia de concentración o

una diferencia en actividad, de la misma forma que una diferencia de temperatura o un gradiente de

temperatura constituye la fuerza impulsora para la transferencia de calor. Estos métodos están agrupados

bajo la denominación de operaciones de transferencia de masa. La transferencia de masa se verifica

cuando el componente de una mezcla emigra en una misma fase o de una fase a otra, a causa de la

diferencia de concentración entre dos puntos.

Muchos de los fenómenos comunes implican una transferencia de masa, por ejemplo,

5

1. el líquido de un recipiente abierto lleno de agua se evapora en el aire estacionario debido a la diferencia

de concentración del vapor de agua entre la superficie del líquido y el aire que lo rodea. Existe una “fuerza

impulsora” de la superficie al aire.

2. Un trozo de azúcar sumergido en una taza de café se disuelve y se difunde, sin agitación, en la solución

que lo rodea. Cuando la madera verde recién cortada se expone a la acción atmosférica, se seca

parcialmente a medida que el agua de la madera se difunde hasta la superficie cortada y después, a la

atmósfera circundante.

La transferencia de masa puede considerarse de forma similar a la aplicación de la ley de conducción de

Fourier a la transferencia de calor. Sin embargo una de las diferencias importantes es que en la

transferencia molecular de masa, uno o más de los componentes del medio se desplaza. En la

transferencia de calor por conducción, el medio suele ser estacionario y sólo transporta energía en forma

de calor. Esto introduce algunas diferencias entre las transferencias de calor y la transferencia de masa

(Foust, 2001).

1.2.1 Ley de Fick para la difusión molecular.

La difusión molecular (o transporte molecular) puede definirse como la transferencia (o desplazamiento) de

moléculas individuales a través de un fluido por medio de los desplazamientos individuales y

desordenados de más moléculas.

Podemos imaginar las moléculas desplazándose en línea recta y cambiando su dirección al rebotar otras

moléculas cuando chocan. Puesto que las moléculas se desplazan en trayectorias al azar, la difusión

molecular a veces se llama también proceso con trayectoria aleatoria.

En la Figura 1.1 se muestra esquemáticamente el proceso de difusión molecular. Se ilustra la trayectoria

desordenada que la molécula “A” puede seguir al difundirse del punto (1) al (2) a través de las moléculas

de “B”. Si hay un mayor de “A“ cerca del punto (1) respecto al punto (2), entonces, y puesto que las

moléculas se difunden de manera desordenada en ambas direcciones, habrá más moléculas de A

difundiéndose de (1) a (2) que de (2) a (1). La difusión neta de A va de una región de alta concentración a

otra de baja concentración.

6

Figura 1.1 Diagrama esquemático del proceso de difusión molecular.Fuente: Tomada de Geankoplis, 2006.

Considérese otro ejemplo, en el que se añade una gota de tinta azul a una tasa de agua. Las moléculas de

la tinta se difundirán con lentitud en todas las partes del agua por difusión molecular. Para incrementar

esta velocidad de mezclado de la tinta, se puede agitar el líquido por medios mecánicos, como una

cuchara, con lo cual se verifica una transferencia convectiva de masa. Los dos mecanismos de

transferencia de calor, esto es, la conducción y la convección, son análogos a la difusión molecular y a la

transferencia convectiva de masa.

Tómese en cuenta la difusión de moléculas cuando la totalidad del fluido está inmóvil, es decir,

estacionario. La difusión de las moléculas se debe a un gradiente de concentración. La ecuación de la ley

general de Fick puede escribirse como sigue para una mezcla binaria de A y B:

J Az¿ =−c DAB

dX A

dz(1.2-3)

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Donde: J Az¿ es el flujo molar del componente A en la dirección z,DABes la difusividad molecular de la

molécula A en B, C es la concentración total de A y B en kg mol A + B/m3 y xA es la fracción mol de A en la

mezcla de A y B. Si c es constante, entonces, puesto que c A=¿ cxA ¿.

cdx A=d (cxA )dcA (1.2-4)

Sustituyendo en la ecuación (2.3-3) se obtiene la siguiente para una concentración total constante.

J Az¿ =−D AB

dc Adz

(1.2-5)

Esta ecuación es la de uso más común en muchos procesos de difusión molecular (Geankoplis, 2006).

1.3 Balances de Materia (De la sección 1.3 a la 1.4.2 es un recopilado tomado de Felder, 2010).

Al diseñar un nuevo proceso o analizar uno ya existente, es necesario tener en cuenta ciertas restricciones

impuestas por la naturaleza. por ejemplo, no es posible especificar que se alimenten 1000 gramos de

plomo a un reactor y produzca 2000 gramos de plomo, de oro o de cualquier otro material.

De igual manera, si se sabe que el carbón que se quema a diario en la caldera de una planta de energía

contiene 1500 lbm de azufre, no necesita analizar las cenizas y los gases de combustión para saber que se

desprenden, en promedio, 1500 lbm de azufre por día de la caldera, de una u otra forma.

La base de ambas observaciones es la ley de conservación de la masa, la cual establece que la masa no

se crea ni se destruye. Las relaciones basadas en la ley de conservación de la masa como "entrada total

de masa = salida total de masa", por ejemplo, "(lbm de azufre/día)"entrada = (lbm de azufre/día)salida" son

ejemplos de balances de masa o balances de materia. El diseño de un nuevo proceso o el análisis de

uno ya existente no está completo hasta que se establece que las entradas y salidas de todo el proceso, y

de cada unidad por separado, satisfacen las ecuaciones de balance.

8

1.3.1 Clasificación de los procesos.

Los procesos químicos pueden clasificarse como intermitentes o por lotes, continuos o semicontinuos y en

estado estacionario o transitorios. Antes de escribir el balance de materia para un sistema de proceso, es

necesario saber a cuál de estas categorías pertenece.

1. Proceso intermitente o por lotes. La alimentación se carga (se introduce) a un recipiente al

comienzo del proceso y, transcurrido cierto tiempo, se retira el contenido de dicho recipiente. No

hay transferencia de masa más allá de los límites del sistema desde el momento en que se carga

la alimentación hasta que se retira el producto. Ejemplo: agregar con rapidez reactivos a un

tanque y retirar los productos y los reactivos no consumidos transcurridos determinado período,

cuando el sistema haya alcanzado el equilibrio.

2. Proceso continuo. Las corrientes de alimentación y descarga fluyen de manera continua durante

todo el proceso. Ejemplo: bombear una mezcla de líquidos a velocidad constante hacia una

columna de destilación y retirar de manera uniforme las corrientes de producto por las partes

superior e inferior de la columna.

3. Proceso semicontinuo. Cualquier proceso que no sea intermitente o por lotes ni continuo.

Ejemplo: permitir que el contenido de un recipiente con gas presionizado escape a la atmósfera;

mezclar poco a poco varios líquidos en un tanque del cual no se retira nada.

Si los valores de todas las variables del proceso (por ejemplo, todas las temperaturas, presiones,

volúmenes, velocidades de flujo) no cambian con el tiempo, exceptuando, quizá las fluctuaciones menores

en torno a los valores medios constantes, se dice que el proceso opera en estado estacionario. si

cualquiera de las variables de proceso cambia con el tiempo, se dice que la operación es transitoria o de

estado no estacionario. Los procesos por lotes y semicontinuos son operaciones en estado no

estacionario, mientras que los procesos continuos pueden ser de estado estacionario o transitorio.

Es común utilizar el procesamiento intermitente o por lotes cuando se van a producir cantidades muy

pequeñas de algún compuesto de una sola vez, mientras que los procesos continuos son más adecuados

para mayores velocidades de producción. Los procesos continuos por lo general se llevan a cabo lo más

cerca posible del estado estacionario; las condiciones de estado no estacionario (transitorias) se dan

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Entrada (entra a través de las fronteras del sistema)

Generación (se produce dentro del sistema)

Salida (sale a través de las fronteras del sistema)

Consumo (entra a través de las fronteras del sistema)

Acumulación (se acumula dentro del sistema)

+ –‒

–‒

=

durante el arranque del proceso y cuando hay cambios (intencionales o no) en las condiciones de

operación de éste.

1.3.2 Ecuación general de balance.

El balance de una cantidad que se conserva (masa total, masa de una especie determinada, energía,

momentum) en un sistema (una sola unidad de proceso, un conjunto de unidades o un proceso completo)

se puede escribir de manera general como se muestra la ecuación 1.3-1:

(1.3-1)

Las reglas siguientes pueden aplicarse para simplificar la ecuación de balance de materia:

Si la cantidad balanceada es la masa total, establecer que generación = 0 y consumo = 0. excepto

en las reacciones nucleares, es imposible crear o destruir la masa.

Si la sustancia balanceada es una especie no reactiva (ni reactivo ni producto), establecer que

generación = 0 y consumo = 0.

Si un sistema se encuentra en estado estacionario, establecer que acumulación = 0, sin importar

lo que se esté balanceando. Por definición, en un sistema en estado estacionario nada cambia

con el tiempo, incluyendo la cantidad de la variable que se balancea.

1.4 Balances de Energía.

Una de las tareas del ingeniero al diseñar un proceso consiste en justificar con cuidado la energía que

entra y sale de cada unidad de proceso y determinar los requerimientos energéticos totales de éste. Para

10

ello recurre a escribir los balances de energía de manera muy similar a los balances de materia que se

describen para explicar los flujos de masa que entran y salen del proceso y de sus unidades.

El principio básico de todos los balances de energía es la ley de conservación de la energía, la cual dice

que la energía no se crea ni se destruye. Esta ley también se conoce como primera ley de la

termodinámica. En su forma más general, la primera ley señala que la velocidad a la cual las corrientes

de entrada llevan energía (cinética + potencial + interna) a un sistema, más la velocidad a la cual dicha

energía entra a éste último como calor, menos la velocidad a la cual la energía sale del sistema a través

de las corrientes de salida, menos la velocidad a la cual sale a manera de trabajo, es igual a la velocidad

de acumulación de energía en dicho sistema. (Es decir: acumulación = entradas - salidas, como sería de

esperarse.)

1.4.1 Balances de energía en sistemas cerrados.

Se dice que un sistema es abierto o cerrado dependiendo de que la masa cruce o no las fronteras del

sistema durante el tiempo cubierto por el balance de energía. Por definición, un sistema de proceso por

lotes es cerrado, y los sistemas semicontinuos y continuos son abiertos.

Es posible escribir el balance de energía integral para un sistema cerrado entre dos instantes dados.

Como la energía no puede crearse ni destruirse, los términos de generación y consumo del balance

general (1.3-1) se cancelan, lo cual se ve en la ecuación 1.4-1:

Acumulación = Entradas - Salidas (1.4-1)

Al derivar el balance integral de masa para un sistema cerrado, se eliminan los términos de entrada y

salida, ya que, por definición, la masa no atraviesa las fronteras de un sistema cerrado. Sin embargo, es

posible que se transfiera energía a través de las fronteras como calor o trabajo, de manera que es

imposible eliminar de forma automática el lado derecho de la ecuación 1.4-1 igual que en los balances de

masa, no obstante, el término de acumulación es igual al valor final de la cantidad balanceada (en este

caso, la energía del sistema), menos el valor inicial de esta cantidad. Por tanto, la ecuación 1.4-1 puede

escribirse como la ecuación 1.4-2:

11

(Energía finaldel sistema )−(Energía inicaldel sistema )=( Energíaneta transferidaalsistema(entradas−salidas)) (1.4-2)

Ahora:

Energía inicial del sistema=U i+Eki+E pi

Energía final del sistema=U f +Ekf +Epf

Energía transferida=Q−W

Donde los subíndices "i" y "f" se refieren a los estados inicial y final del sistema y U, E k, Ep, Q y W

representan la energía interna, la energía cinética, la energía potencial, el calor transferido al sistema

procedente de sus alrededores y el trabajo realizado por el sistema sobre sus alrededores

(respectivamente). En consecuencia, la ecuación 1.4-2 se transforma en la ecuación 1.4-3:

(U f−U i )+(Ekf−Eki )+(E pf−Epi )=Q−W (1.4-3)

Ó, si se usa el símbolo Δ para representar (final - inicial),

ΔU +ΔEk+ΔE p=Q−W (1.4-4)

La ecuación 1.4-4 es la forma básica de la primera ley de la termodinámica para un sistema cerrado.

1.4.2 Balances de energía en sistemas abiertos.

12

Para introducir masa a un sistema es necesario realizar trabajo sobre el mismo y cuando emerge masa del

sistema se lleva a cabo sobre los alrededores. Ambos términos de trabajo deben incluirse en el balance de

energía. La velocidad neta de trabajo por un sistema abierto sobre sus alrededores se expresa como:

Ẇ=W s+Ẇ fl (1.4-5)

Donde:

Ẇ=¿ Trabajo realizado en, o sobre el sistema.

W s=¿ Trabajo de flecha o velocidad de flecha realizada por el fluido del proceso sobre alguna parte

móvil dentro del sistema (por ejemplo, el rotor de una bomba).

Ẇ fl=¿ Trabajo de flujo o velocidad de trabajo realizado por el fluido en la salida del sistema, menos la

velocidad de trabajo realizada sobre el fluido en la entrada del sistema.

La primera ley de la termodinámica para un sistema abierto en estado estacionario tiene la forma:

Entrada = Salida (1.4-6)

En este caso, "entrada" significa la velocidad total de transporte de energías cinética, potencial e interna

por todas las corrientes de entrada al proceso, más la velocidad de transferencia de energía en la entrada

en forma de calor y "salida" es la velocidad total de transporte de energía por las corrientes de salida, más

la velocidad de transferencia de energía hacia afuera en forma de trabajo.

La ecuación 1.4-7 también expresa la primera ley de la termodinámica utilizada como punto inicial para la

mayoría de los cálculos de balance energético en sistemas abiertos en estado estacionario:

ΔḢ+ΔĖk+ΔĖp=Q−W s (1.4-7)

Donde:

13

ΔḢ=¿ Entalpía

ΔĖk=¿ Energía potencial

ΔĖ p=¿ Energía cinética

la expresión anterior indica que la velocidad neta a la que se transfiere energía al sistema como calor y/o

trabajo de flecha (Q−W s ), es igual a la diferencia entre las velocidades a las cuales la cantidad

(entalp í a+energ í acin é tica+energí a potencial ) se transporta hacia dentro y hacia fuera del

sistema (Δ Ḣ+ΔĖk+ΔĖp ).

CAPÍTULO II SECADO Y CONCEPTOS BÁSICOS SOBRE HUMEDAD

En diversas operaciones unitarias, así como en los procesos de transporte, es necesario efectuar cálculos

que se basan en las propiedades de mezcla de vapor de agua y aire. Para estos cálculos se requiere

conocer la concentración del vapor de agua en el aire en diversas condiciones de temperatura y presión,

las propiedades térmicas de estas mezclas y los cambios que se verifican cuando la mezcla se pone en

contacto con agua o con sólidos húmedos para secarla, por ejemplo, el proceso de humidificación.

La humidificación implica la transferencia de agua de una fase líquida a una mezcla gaseosa de aire y

vapor de agua. La deshumidificación implica una transferencia inversa, esto es, el vapor de agua se

transfiere del estado gaseoso al estado líquido. La humidificación y la deshumidificación pueden referirse a

mezclas de vapor de otros materiales, como el benceno, pero la gran mayoría de las aplicaciones

prácticas se refieren al agua (Perry, 2010).

2.1 Presión de vapor del agua y humedad.

El agua tiene tres estados físicos: sólido, líquido y vapor. Su estado físico depende de la temperatura y la

presión. La Figura 2.1 ilustra los diferentes estados físicos del agua y las relaciones presión-temperatura

en equilibrio. En la figura aparecen las regiones de los estados sólido, líquido y vapor. A lo largo de la línea

AB, coexisten la fase líquida y vapor. En la línea AC, las fases que lo hacen son el hielo y la líquida. A lo

largo de la línea AD, coexisten el hielo y el vapor. Si el hielo en el punto (1) se calienta a presión

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constante, la temperatura se eleva y la condición física se desplaza horizontalmente. En cuanto la línea

cruza AC, el sólido se funde, y al cruzar AB, el líquido se evapora. Al desplazarse del punto (2) al (4), el

hielo se sublima (se evapora) para formar vapor sin pasar por el estado líquido. El líquido y el vapor

coexisten en equilibrio a lo largo de la línea AB, que es la línea de presión de vapor del agua. La ebullición

se presenta cuando la presión de vapor del agua es igual a la presión total por encima de su superficie.

15

C

A

B

(2)(1)

(4)(3)

Región del líquido

Región de vapor

Región del sólido

Temperatura

Presión

D

Figura 2.1 Diagrama de fases del agua. Fuente: Tomada de Geankoplis, 2006.

Por ejemplo, a 100 °C (212 °F), la presión de vapor del agua es 101.3 kPa (1.0 atm) y por tanto hervirá a

1 atm de presión. A 65.5 °C (150 °F), las tablas de vapor del apéndice A.2 (Geankoplis, 2006), indican

que la presión de vapor del agua es 25.7 kPa (3.72 lb/pulg2abs). Por consiguiente, el agua también hierve

a 25.7 kPa y 65.6 °C. Si un balde de agua se mantiene a 65.6 °C en una habitación a 101.3 kPa de

presión absoluta, la presión de vapor del agua también será 25.7 kPa. Esto ilustra una propiedad muy

importante de la presión de vapor del agua, en cuanto a que no le afecta la presencia de un gas inerte

como el aire; esto es, la presión de vapor del agua es esencialmente independiente de la presión total del

sistema (Geankoplis, 2006).

2.2 Humedad.

La humedad H de una mezcla de aire-vapor de agua se define como los kilogramos de vapor de agua por

kilogramos de aire seco. Esta definición de la humedad sólo depende de la presión parcial P A del vapor de

agua en el aire y de la presión total P (para éste trabajo supondremos que siempre será igual a 101.325

kPa, 1 atm abs. o 760 mm Hg). Si el peso molecular del agua (A) es de 18.02 y del aire es de 28.97, la

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humedad H en kg H2O/kg aire seco, o en unidades del sistema inglés como lb H2O/lb aire seco, se obtiene

con la ecuación 2.2-1:

H=kg H2O

kg aire seco=

pAP−pA

kgmol H 2O

kgmol aire×

18.02kg H 2O

kgmol H 2O×

128.97kgaire /kgmol aire

(2.2-1)

H=18.02 pA

28.97 (P−p A )

El aire saturado es aquel en el cual el vapor de agua está en equilibrio con el agua líquida en las

condiciones dadas de presión y temperatura. En esta mezcla, la presión parcial del vapor del agua en la

mezcla aire-agua es igual a la presión de vapor PA del agua pura a la temperatura establecida. Por

consiguiente, la humedad de saturación Hs es:

H (s)=18.02PA (s)

28.97 (P−P A (s)) (2.2-2)

El porcentaje de humedad HP se define como 100 multiplicado por la humedad H del aire, dividida entre la

humedad H s que tendría el aire si estuviera saturado a esa misma temperatura y presión:

H P=100H

H (S¿)¿ (2.2-3)

La cantidad de saturación de una mezcla de aire-vapor de agua también puede expresarse como el

porcentaje de humedad relativa H R usando presiones parciales:

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H R=100PAP AS

(2.2-4)

Adviértase que H R≠ H P, puesto que H P se expresa en presiones parciales al combinar las ecuaciones

(2.2-1) (2.2-2) y (2.2-3) obteniendo:

H P=100HH S

=(100 )18.02 p A

28.97 (P−pA )/

18.02 pAS28.97 (P−pAS )

=PAPAS

P−pASP−p A

(100 ) (2.2-5)

2.3 Contenido de humedad de equilibrio de los materiales.

Al igual que en otros procesos de transferencia, como la transferencia de masa, el secado de materiales

se debe considerar desde el punto de vista de las relaciones de equilibrio y además, de las de rapidez. En

la mayoría de los equipos de secado descritos con anterioridad, el material se seca al entrar en contacto

con una mezcla de aire y vapor de agua. Una variable importante en el secado de materiales es la

humedad del aire en contacto con un sólido de determinada humedad, supóngase que un sólido húmedo

se pone en contacto con una corriente de aire con humedad “H” y temperaturas constantes. Se usa un

gran exceso de aire por lo que las condiciones permanecen invariables. Después de haber expuesto el

sólido un tiempo suficiente para alcanzar el equilibrio, llega un momento en que dicho sólido tiene un

contenido de humedad definido. El valor se conoce como contenido de humedad de equilibrio del material

en las condiciones especificadas de humedad y temperatura del aire.

En general, el contenido de humedad se expresa en base seca como kilogramo de agua por kilogramo de

sólido sin humedad (completamente seco) o kg H2O/100 kg de sólido seco; en unidades del sistema inglés

se expresa como lb H2O/100 lb sólido seco. Para algunos sólidos, el valor del contenido de humedad de

equilibrio depende de la dirección en la que se alcance el equilibrio. Los valores de contenido de humedad

de equilibrio varían de acuerdo con que una muestra húmeda se seque por desorción o bien una muestra

seca absorba humedad por adsorción. En los cálculos de secado, se usa un valor de equilibrio por

desorción, puesto que tiene un mayor valor y tiene un interés particular (Martínez, 2004).

18

Contenido de agua en equilibrio

2.4 Datos experimentales para el contenido de humedad de equilibrio de materiales inorgánicos y

biológicos.

1. Datos típicos para diversos materiales. Si el material contiene más humedad que su valor de equilibrio

en contacto con un gas a determinada humedad y temperatura, se caerá hasta alcanzar su valor de

equilibrio, adsorberá agua hasta alcanzar dicho valor de equilibrio. Cuando el aire contiene 0% de

humedad, el valor de la humedad de equilibrio de todos los materiales es cero.

Figura 2.2 Contenidos típicos de humedad en equilibrio para algunos sólidos aproximadamente a 298 ºK Fuente: Tomada de Geankoplis, 2006.

El contenido de humedad de equilibrio varía notablemente con el tipo de material para cualquier porcentaje

de humedad relativa, tal como se muestra en la Figura 2.2 para diversos materiales típicos a temperatura

ambiente.

19

Contenido de agua en equilibrio

Los sólidos insolubles no porosos suelen tener contenidos de humedad de equilibrio bastante bajos, tal

como lo ilustran los casos de la lana de vidrio y caolín. Ciertos materiales esponjosos de tipo celular y de

origen orgánico y biológico suelen presentar valores altos del contenido de humedad de equilibrio. Entre

los ejemplos que se muestran en la Figura 2.2 están la lana, el cuero y la madera.

2. Materiales alimenticios típicos. En la Figura 2.3 se han gratificado los contenidos de humedad de

equilibrio de algunos materiales alimenticios típicos en función del porcentaje de humedad relativa. Estos

materiales biológicos también muestras valores altos del contenido de humedad en equilibrio.

Figura 2.3 Contenidos típicos de humedad en equilibrio para algunos materiales alimenticios a aproximadamente 298 ºK, 1) macarrones, 2) harina, 3) pan, 4) galletas, 5) albúmina de huevo.Fuente: Tomada de Geankoplis, 2006.

Los datos de esta figura anterior indican que con valores altos de porcentaje de humedad relativa de

aproximadamente 60 a 80%, el contenido de humedad de equilibrio aumenta con gran rapidez al

aumentarse la humedad relativa (Geankoplis, 2006).

En general cuando las humedades relativas son bajas, el contenido de humedad de equilibrio es mayor

para materiales alimenticios con alto porcentaje de proteínas, almidones u otros polímeros de alto peso

20

molecular, y más bajo para los materiales alimenticios con gran cantidad de sólidos solubles. Las sales

cristalinas y los azúcares, así como las grasas, generalmente adsorben cantidades pequeñas de agua.

3. Efecto de la temperatura. El contenido de humedad de equilibrio de un sólido disminuye al aumentar la

temperatura. Por ejemplo, para algodón crudo con humedad relativa de 50%, el contenido de humedad de

equilibrio disminuye desde 7.3 kg a 37.8 ºC (311 ºK) hasta aproximadamente 5.3 a 93.3ºC (366.5 ºK), esto

es, una disminución de casi el 25%. Con frecuencia, para intervalos de temperatura moderados, se supone

que el contenido de humedad de equilibrio es constante cuando no se dispone de datos experimentales a

diferentes temperaturas.

En la actualidad, las teorías de la estructura de sólidos y de los fenómenos superficiales no permiten

predecir la variación del contenido de humedad de equilibrio de diversos materiales con base en principios

fundamentales. En general no hay relaciones empíricas para la mayoría de los materiales, y los contenidos

de humedad de equilibrio se deben determinar experimentalmente (Mc Cabe, 2007).

Generalmente, el secado consiste en separar pequeñas cantidades de agua u otro líquido de un material

con el fin de reducir el contenido de líquido residual hasta un valor aceptablemente bajo. El secado es por

lo común la etapa final de una serie de operaciones y con frecuencia, el producto que se extrae de un

secador está listo para ser empaquetado. El agua u otros líquidos pueden separarse de los sólidos de

manera mecánica mediante prensas o centrífugas, o bien, de modo térmico mediante evaporación. Por lo

general resulta más barato eliminar líquidos por medios mecánicos que por medios térmicos, y es por esta

razón que es aconsejable reducir el contenido de líquido tanto como sea posible antes de alimentar el

material a un secador térmico. Los métodos y procesos de secado se clasifican de diferentes maneras; se

dividen en procesos por lotes, cuando el material se introduce en el equipo de secado y el proceso se

verifica por un período; o continuos, si el material se añade sin interrupción en el equipo de secado y se

obtiene material seco en régimen continuo (Geankoplis, 2006).

No existe una forma sencilla de clasificar el equipo de secado. Algunos secadores son continuos, mientras

que otros operan de manera discontinua o por cargas; algunos mantienen en agitación los sólidos y otros

no. Para reducir la temperatura de secado puede operarse con vacío. Existen secadores que pueden

operar con cualquier tipo de material, mientras que otros presentan limitaciones debido a la clase de

alimentación que pueden aceptar.

Los equipos de secado se clasifican en: 1) secadores en los que el sólido se encuentra directamente

expuesto a un gas caliente “por lo general aire”; 2) secadores en los que el calor es transferido al sólido

desde un medio externo tal como el vapor de agua condensante, generalmente a través de una superficie

21

Salida aire

Calentador

Persiana

Entrada

Bandejaaas

Salida

Bandejas

Ventilador

Calentador

aire aire

metálica con la que el sólido está en contacto, y 3) secadores que son calentados por energía eléctrica,

radiante o de microondas. Los secadores que exponen los sólidos a un gas caliente se llaman secadores

directos o adiabáticos; aquellos en los que el calor es transferido desde un medio externo reciben el

nombre de secadores indirectos o no adiabáticos. Algunas unidades combinan el secado adiabático y no

adiabático, y se denominan secadores directo-indirectos. Algunas unidades tienen más de un medio de

transferencia de calor, como gas caliente mas una superficie calentada o un gas caliente más radiación

(Martínez, 2004). Algunos de los equipos de secado más comunes se describen a continuación.

2.5 Secado en bandejas.

En el secador de bandejas, que también se llama secador de anaqueles, de gabinete, o de

compartimentos, el material que puede ser un sólido en forma de terrones o una pasta, se esparce

uniformemente en una bandeja de metal de 10 a 100 mm de profundidad. Un secador de bandejas típico,

tal como el que se muestra en la Figura 2.4 tiene bandejas que se cargan y se descargan de un gabinete.

En dicha figura, un ventilador recircula aire calentado con vapor paralelamente sobre las superficies de la

bandejas. También se usa el calor eléctrico, en especial cuando el calentamiento es más bajo. Más o

menos del 10 al 20% del aire que pasa sobre las bandejas es nuevo, y el resto es aire recirculado.

Después del secado, se abre el gabinete y las bandejas se remplazan por otras con más material para

secado. Una de las modificaciones de este tipo de secadores es el de las bandejas con carretillas, donde

las bandejas se colocan en carretillas rodantes que se introducen en el secador. Esto significa un

considerable ahorro de tiempo, puesto que las carretillas pueden cargarse y descargarse fuera del

secador.

22

Figura 2.4 Secador de bandejas o anaqueles. Fuente: Tomada de Geankoplis, 2006.

En el caso de materiales granulares, el material se puede colocar sobre las bandejas cuyo fondo es un

tamiz. Entonces, con este secador de circulación cruzada, el aire pasa por un lecho permeable y se

obtienen tiempos de secado más cortos, debido a la mayor área superficial expuesta al aire. Las bandejas

que tienen los sólidos mojados se colocan sobre los anaqueles huecos. El calor se conduce a través de las

paredes metálicas y por radiación entre los anaqueles. Para operaciones a temperaturas más bajas, se

usa circulación de agua caliente en lugar de vapor para suministrar el calor que vaporiza la humedad. Los

vapores se colectan en un condensador. Estos secadores se usan para secar materiales costosos o

sensibles a la temperatura, o bien que se oxiden fácilmente. Son muy útiles para manejar materiales con

disolventes tóxicos o valiosos (Geankoplis, 2006).

2.6 Secadores continuos de túnel.

Los secadores continuos de túnel suelen ser compartimentos de bandejas o de carretillas que operan en

serie. Los sólidos se colocan sobre bandejas o en carretillas que se desplazan continuamente por un túnel

con gases calientes que pasan sobre la superficie de cada bandeja. El flujo de aire caliente puede ser a

contracorriente, en paralelo, o una combinación de ambos. Muchos alimentos se secan por este

procedimiento. Cuando se desea secar partículas sólidas granulares, pueden utilizarse transportadores

perforados o de fondo de tamiz. Los sólidos granulares húmedos se transportan en forma de una capa que

tiene entre 25 y 150 mm de profundidad, sobre una superficie de tamiz perforada a través de la cual se

fuerza el paso de aire caliente, ya sea hacia arriba o hacia abajo.

El secador consta de diversas secciones en serie; cada una con un ventilador y serpentines de

calentamiento. Un ventilador adicional extrae cierta cantidad de aire hacia la atmósfera. En algunos casos,

los materiales en forma de pasta pueden preformarse en cilindros y colocarse sobre el transportador para

secarse (Mc Cabe, 2007).

2.7 Secadores rotatorios.

23

Serpentines de calentamiento

Aire

Alimentación

Sólidos secos

Vista frontal

Sólidos secos

Aire

Un secador rotatorio consta de un cilindro hueco que gira por lo general, sobre un eje, con una ligera

inclinación hacia la salida. Los sólidos granulares húmedos se alimentan por la parte superior, tal como se

muestra en la Figura 2.5 y se desplazan por el cilindro a medida que éste gira.

Figura 2.5 Diagrama esquemático de un secador rotatorio con calentamiento directo. Fuente: Tomada de Geankoplis, 2006.

En algunos casos, el calentamiento es por contacto indirecto a través de la pared calentada del cilindro.

Las partículas granulares se desplazan hacia adelante con lentitud y una distancia corta antes de caer a

través de los gases calientes, como se observa radiación (Geankoplis, 2006).

2.8 Secadores de tambor.

Este tipo de secador consta de un tambor de metal calentado, como se indica en la Figura 2.6, en cuyo

exterior se evapora una capa delgada de un líquido o una suspensión hasta que se seca. El sólido seco

final se le raspa al tambor, que gira lentamente.

Otras variaciones del secador de tambor son los tambores rotarios dobles con eliminación por inmersión, o

bien con alimentación superior en el espacio entre los dos tambores. Los secadores de tambor son

adecuados para secar suspensiones o pastas de sólidos finos. El tambor funciona en parte como

evaporador y en parte como secador (Mc Cabe, 2007).

24

Tambor calentado internamente con vapor de agua.

Aplanador

Película

Material seco

Raspador de cuchilla

Alimentación suspensión

Alimentación del líquido

Cámara de aspersión

Separador de ciclónGotas

Aire caliente

Figura 2.6 Secador de tambor rotatorio. Fuente: Tomada de Geankoplis, 2006.

2.9 Secadores por aspersión.

En un secador por aspersión, un líquido o una suspensión se atomizan o se rocía en una corriente de gas

caliente para obtener una lluvia de gotas finas. El agua se evapora de dichas gotas con rapidez y se

obtienen partículas secas de la corriente del sólido que se separan de la corriente del gas. El flujo de gas y

el líquido de la cámara de aspersión pueden ser a contracorriente, en paralelo, o una combinación de

ambos. Las gotas finas se forman al introducir el líquido en toberas de atomización o discos giratorios de

rociado de alta velocidad, en el interior de una cámara cilíndrica (ver Figura 2.7). Es necesario asegurarse

de que las gotas o partículas húmedas del sólido, no choquen ni se adhieran a las superficies sólidas

antes de que se hayan secado.

25

Líquida o

suspensión

Malla de alambre

Entrada de granos

Aire caliente para el secado

Aire de enfriamiento

Figura 2.7 Diagrama de flujo para una unidad de secado por aspersiónFuente: Tomada de Geankoplis, 2006.Por consiguiente, se emplean cámaras bastante grandes. Los sólidos secos pueden salir por la cámara a

través de un transportador de tornillo, una válvula de descarga o cualquier otro accesorio que funcione

como recolector del producto terminado del proceso. Los gases de escape fluyen hacia un separador de

ciclón para filtrar las partículas muy finas. Las partículas que se obtienen son muy ligeras y bastante

porosas. La leche en polvo se obtiene mediante este proceso (Perry, 2010).

2.10 Secado de cosechas y granos.

Los granos de una cosecha contienen aproximadamente de 30 a 50% de humedad y para poder

almacenarlos sin problemas durante un año deben secarse hasta un 13% de humedad en peso. En la

Figura 2.8 se muestra el esquema de un secador de flujo típico para este tipo de proceso.

26

Figura 2.8 Secador vertical de flujo continuo para granos. Fuente: Tomada de Geankoplis, 2006.

En la tolva de secado, el espesor de la capa de granos, a través de la cual pasa el aire caliente, es 0.5

metros o menos. Una corriente de aire (sin calentar) en la sección del fondo, enfría los granos secos antes

de la salida (Geankoplis, 2006).

2.11 Secado por Aspersión.

Por lo general, las sustancias que pueden ser manipuladas como líquidos mediante tuberías, pueden ser

alimentadas y secadas en los secadores de aspersión. Es decir, que pueden ser secadas las soluciones,

emulsiones, suspensiones y pastas que no se depositen. Por lo común, son adecuados los sistemas de

alimentación por gravedad, el tanque que contiene la alimentación estará agitado si es necesario; de otra

manera, el líquido de alimentación puede ser bombeado al atomizador.

Como se menciono con anterioridad, el secador de rocío consta de una cámara cilíndrica grande, casi

siempre vertical, en la cual el material que se va a secar, se atomiza en forma de pequeñas gotitas, dentro

de la cual se alimenta un volumen grande de gas caliente suficiente para proporcionar el calor necesario

para completar la evaporación del líquido. La transferencia de calor y la transferencia de masa se logran

mediante el contacto directo del gas caliente con las gotitas dispersadas. Después de concluir el secado,

el gas enfriado y los sólidos se separan. Esto se logra de un modo parcial en la base de la cámara de

secado, clasificando y separando las partículas secas de mayor tamaño. Las partículas finas se separan

del gas en ciclones externos o recolectores de bolsa (Perry, 2010).

27

El producto siempre se presenta en forma de polvo, pero la forma de las partículas depende de la

sustancia a secar. En el caso de soluciones o emulsiones, las partículas obtenidas son esféricas o

aproximadamente esféricas y frecuentemente son huecas; estas esferas huecas son de mucho mayor

tamaño que las partículas primarias y presentan un orificio en su pared por donde ha escapado el agua

evaporada.

El secado por rocío comprende tres procesos fundamentales:

1. La atomización del líquido.

2. La mezcla de gotitas y gas.

3. El secado de las gotitas del líquido.

La atomización se logra casi siempre por cualquiera de los tres dispositivos siguientes:

1. Boquillas de alta presión.

2. Boquillas de dos fluidos.

3. Discos centrífugos de alta velocidad.

Con estos atomizadores se pueden dispersar soluciones delgadas en gotitas que llegan a tener tamaños

del orden de 1 µm. El tamaño de las gotas mayores raramente excede los 500 µm (malla 35). Debido a la

gran superficie de secado total y a los tamaños pequeñísimos de las gotitas creadas, el tiempo de secado

real en un secador de rocío se mide en segundos. La residencia total de una partícula dentro del sistema

rara vez sobrepasa un promedio de 30 segundos (Marshall, 1954).

2.11.1 Boquillas de presión.

Con las boquillas de presión, se efectúa la atomización forzando el líquido bajo una presión elevada y con

un grado alto de rotación, a través de un pequeño orificio. Las presiones oscilan entre 2,700 a 69,000

kPa/m2, según el grado de atomización, la capacidad y las propiedades físicas. El tamaño de los orificios

de las boquillas varía de 0.25 a 4 mm de diámetro, según la presión deseada para una capacidad en

particular y el grado de atomización requerido. Para presiones elevadas y cuando los sólidos están en

suspensión en el líquido, el orificio de la boquilla está sujeto a desgaste por erosión por lo que debe

fabricarse con una aleación dura, del tipo de carbono de tungsteno o estelita.

28

2.11.2 Boquillas de dos fluidos.

Las boquillas de dos fluidos son accesorios que no operan con eficacia a grandes capacidades y, en

consecuencia, no se emplean muy a menudo en secadores de rocío de tamaño comercial. Su principal

ventaja es que operan a presiones relativamente bajas, del orden de 0 a 400 kPa/m 2, en tanto que el fluido

atomizante rara vez sobre pasa una presión de 700 kPa/m2. El fluido atomizante puede ser vapor o aire.

Las boquillas de dos fluidos se han utilizado para la dispersión de pastas espesas y tortas de filtro que no

se podían manejar anteriormente en atomizadores ordinarios.

2.11.3 Discos centrífugos.

Los discos centrífugos atomizan líquidos diseminándolos en láminas delgadas. Las cuales se descargan a

alta velocidad desde la periferia de un disco especialmente diseñado que gira con gran rapidez. El

diámetro de un disco oscila de 5 cm en los modelos pequeños de laboratorio hasta 35 cm para secadores

de tamaño de fábrica o comerciales. Las velocidades oscilan entre 3,000 y 50,000 rpm, empleándose las

altas velocidades, por lo común, en los de diámetros pequeños. Las velocidades habituales de los

secadores de tamaño comercial varían de 4,000 a 20,000 rpm, según el diámetro del disco y el grado de

atomización deseado. Este último aspecto es una función de la velocidad del disco y se ve afectado por el

producto de su diámetro por la velocidad, es decir, la velocidad periférica en contraposición a la velocidad

angular. Por tanto, un disco de 13 cm que funciona a 30,000 rpm se espera que atomice con mayor finura

que un disco de 5 cm del mismo diseño que gira a 50,000 rpm.

La distribución de los tamaños de partículas obtenida por cualquiera de los tres métodos de atomización

depende de varios factores. En general la distribución de tamaños depende del diseño del atomizador, las

propiedades del líquido y el grado de atomización. Si se intenta la atomización más fina posible, se está

cerca de una condición limitante, y el intervalo de los tamaños de partículas, sea cual fuere el método de

atomización será muy reducido. Esto se aplica a las boquillas de presión, en las que la uniformidad del

tamaño aumenta con la presión.

Por otro lado, para obtener un producto con un alto porcentaje de partículas grandes, el método de

atomización tendrá un efecto notable en la distribución de los tamaños de partículas. La producción de

partículas gruesas y uniformes con discos centrífugos se logra por lo común gracias a un diseño cuidadoso

(Perry, 2010).

29

2.12 Consideraciones del secado por aspersión.

Una de las ventajas principales del secado por rocío es que se generan partículas esféricas, lo cual rara

vez se puede obtener por cualquier otro método de secado. Esta partícula esférica puede ser sólida o

hueca según el material, la condición de la alimentación y las condiciones que prevalecen durante el

secado.

Así como la anterior, existen varias consideraciones que deben tenerse en cuenta al utilizar el secado por

aspersión (Howard, 1988). A continuación se describen las principales ventajas y desventajas de este

proceso.

2.12.1 Ventajas del secado por aspersión.

1. Puesto que los tiempos de secado son muy cortos, muchos materiales termo sensibles pueden ser

secados satisfactoriamente, mientras que los otros equipos de secado resultarían inadecuados.

2. En este tipo de secado el material no está en contacto con las paredes del equipo hasta que está

seco y además, las paredes se encuentran aproximadamente a la temperatura del aire de salida;

por lo tanto, se reducen los problemas de pegado y corrosión en el equipo.

3. El producto es obtenido como un polvo fluido finamente dividido y en forma fácilmente soluble en

un disolvente adecuado.

4. El tamaño de partícula de algunos productos es ajustable dentro de ciertos límites, variando las

condiciones de atomización.

5. El proceso es adecuado para el secado continuo de cantidades relativamente grandes de material.

6. En ciertos casos el proceso puede eliminar la necesidad de filtración o molturación, aunque en

forma alternativa éstos pueden resultar necesarios.

7. En ciertos casos, donde es conveniente obtener una baja densidad aparente del producto, es

ventajoso el secado por aspersión.

8. Las condiciones de limpieza y semi-esterilidad son más fácilmente obtenidas que en la mayoría

de los otros equipos de secado.

2.12.2 Desventajas del secado por aspersión.

1. El calor requerido por unidad de peso del producto es alto, debido a:

30

a) El contenido de humedad en la alimentación puedes ser grande comparado con la mayor

parte de los otros tipos de secadores.

b) El rendimiento térmico es bajo debido de la temperatura de entrada del aire y a la

temperatura relativamente alta del aire de salida.

2. En algunos casos la baja densidad aparente del producto puede ser una desventaja (sin embargo,

el secado por aspersión no produce un producto necesariamente con densidad aparente y no se

debe suponer que en todos los casos ocurre así).

3. El costo del equipo es alto respecto al tonelaje anual de producto secado particularmente en el

caso de equipos de pequeña capacidad.

4. El equipo requiere mucho espacio.

5. La recuperación de los gases de salida del producto que forman polvo puede ser problemática o

necesitar un equipo auxiliar costoso.

6. No se puede usar el secador por aspersión con productos tóxicos a menos que se tomen

precauciones especiales.

7. Todas las impurezas de la alimentación quedan retenidas en el producto.

(Nonhebel, 1979).

31

CAPÍTULO III DESCRIPCIÓN Y CONSTRUCCIÓN DEL SECADOR POR ASPERSIÓN

Actualmente, aun cuando los conceptos comunes de resistencia a la transferencia de calor y materia son

aplicables al secado por aspersión, son de aplicación limitada debido a que sería necesario efectuar una

suposición de estado estacionario del sistema. Una buena teoría del secado por rocío necesita tener en

cuenta una cantidad de problemas interconectados a saber, por ejemplo:

1. La atomización del líquido de alimentación en gotitas, se lleva a cabo mediante una boquilla o un

disco giratorio.

2. El tiempo necesario para evaporar una gota de superficie decreciente y velocidad relativa

decreciente, en un medio cuya humedad aumenta mientras disminuye su temperatura, tanto en el

período de secado a velocidad constante como en el período de secado a velocidad decreciente.

3. La trayectoria de una gotita de masa decreciente.

No se ha deducido hasta ahora un tratamiento teórico satisfactorio y el desarrollo del secado por aspersión

para un determinado propósito está por lo tanto, basado en experiencias anteriores. Se han propuesto

muchas correlaciones empíricas, sin embargo, debido a su limitada base teórica, no es posible utilizarlas

como estándar a los propósitos del secado (Nonhebel, 1979). En el anexo al final de éste documento, se

ilustra el plano de la unidad de secado con sus respectivos accesorios y dimensiones.

3.1 Aspectos a considerar para la construcción de un secador por aspersión.

Las variables de diseño se deben establecer por medio de pruebas experimentales antes de efectuar el

diseño final de una cámara. En general el tamaño de la cámara, la selección del atomizador y los medios

auxiliares de separación se determinan de acuerdo a las características físicas deseadas del producto

final.

Un secador de rocío instalado es relativamente inflexible para satisfacer requisitos de cambios en las

variables de operación al mismo tiempo que mantiene una velocidad de producción constante. Entre las

variables más sobresalientes que se deben fijar antes de diseñar un secador comercial, están las

siguientes:

1. La forma y el tamaño de las partículas que se busca obtener en el producto terminado.

2. Las propiedades físicas de la alimentación: humedad, viscosidad, densidad, etc.

32

3. Las temperaturas máximas del gas de entrada y del producto (Walas, 1990).

El tamaño de la cámara de secado está determinando principalmente por la necesidad de que las

partículas deben estar prácticamente secas antes de tocar las paredes de la cámara. Por la misma razón

la forma de la cámara debe corresponder aproximadamente a la forma del rocío. Como el atomizador del

disco giratorio produce un rocío con forma de paraguas, requiere una cámara de gran diámetro, pero no

necesariamente alta, mientras que las boquillas de presión, requieren una cámara alta pero de diámetro

moderado. Por ésta razón el producto obtenido en un secador por aspersión pequeño, puede ser distinto

del que se obtendría en un secador de tamaño industrial, puesto que en el secador pequeño, con objeto de

que las partículas no toquen las paredes, las gotas deben ser más pequeñas.

En la actualidad no hay información fiable que permita correlacionar los resultados obtenidos en un

secador pequeño, en el diseño de un equipo grande. También es dudoso que los fabricantes de equipos

patentados de secado por aspersión tengan métodos con garantías para el cambio de escala de los

equipos en un factor lo suficientemente grande como para pasar de pruebas de laboratorio al diseño de un

equipo de tamaño industrial y viceversa.

Por ello aunque la experiencia en los secadores de laboratorio puede ser comúnmente hecha para indicar

la posibilidad de secar por aspersión una sustancia determinada, siempre se recomienda que antes de

tomar una decisión acerca de una instalación de secado por rocío deben llevarse a cabo experiencias en

un equipo de secado de tamaño lo más parecido posible al del futuro secador industrial (Nonhebel, 1979).

En la sección 3.4 se describen los factores que se tomaron en cuenta al momento de dimensionar la

cámara de secado del prototipo referente a este proyecto. Asimismo, en el anexo al final de éste

documento, se ilustra el plano completo de la unidad de secado con sus accesorios y cada una de las

medidas correspondientes.

3.2 Estructura de Soporte.

En la industria es común encontrar que los equipos industriales cuenten con estructuras metálicas que

sirven de soporte o fijación para los mismos. Dependiendo de las necesidades y características de los

33

procesos, se construye o adapta para tal efecto un armazón que brinde sostén, seguridad y estabilidad

principalmente en el diseño industrial.

El equipo de secado por aspersión que se construyó cuenta con una estructura de soporte adaptaba al

mismo y que reúne las características fundamentales de sostén y seguridad que requiere la unidad de

secado, la cual se describe a continuación:

Figura 3.1 Parrilla Irving.

El piso de la estructura está conformado por tres piezas de parrilla industrial Irving con una longitud total

de 102 in. (2.6 m.), por 22.6 in. (0.55 m.), de ancho y 1.25 in. (3.3 cm.) de espesor. Pintada en

combinaciones amarillo y negro para marcar las áreas de alto y bajo riesgo, la estructura se divide en

cinco secciones completamente desarmables incluida la escalera, sin embargo, los soportes que sostienen

la cámara de secado, serán descritas en la sección “Cámara de secado y accesorios”. La parte media de

la parrilla es completamente removible como se aprecia en la Figura 3.1.

En la parte superior, soldado a la parrilla y haciendo la función de barandal fue colocada tubería de acero

al carbón de una pulgada, mismo que cuenta con una altura de 40 in. (1 m.) como lo muestra la Figura 3.2

34

Figura 3.2 Estructura de soporte.

Por la parte inferior a las parrillas Irving se soldaron piezas metálicas de PTR de 2 in. (5 cm.) de ancho por

47 in. (1.2 m.) de largo mismas que sirven de soportes y que a un pie (30 cm.) del suelo se encuentran

reforzadas por varilla de acero al carbón de media pulgada.

La Figura 3.3 muestra en vista de perfil, la parte central de la estructura donde se encuentra anclada a la

parrilla, una escalera con 24 in (60 cm.) de ancho, 60 in. (1.53 m.) de largo y que con un ángulo de 50º,

proporcionan una altura de 47 in. (1.2 m.) dividida en 5 escalones con 8.75 in. (22 cm.) de distancia entre

sí.

35

Figura 3.3 Escalera anclada.

Por la parte anterior de la estructura se colocó una solera de 29 in. (74 cm.) por 1.25 in. (3 cm.) de ancho

(ver Figura 3.4), que sirve de muestra para ubicar la distancia a la cual deben colocarse las secciones de

la armazón en caso de armado o desarmado de la misma.

36

Figura 3.4 Solera metálica.

Por último, también por la parte anterior de uno de los extremos de la estructura, se encuentra soldada a la

parrilla Irving y al barandal en su parte media, una base que sirve de descanso para el motor que

proporciona el flujo de entrada a la cámara de secado, como se muestra en la Figura 3.5.

Figura 3.5 Descanso para motor de flujo de entrada.

37

a) b)

3.3 Motores y sistema eléctrico.

3.3.1 Motores.

Para proporcionar el flujo de entrada de aire a la cámara de secado, se utiliza un motor monofásico de 110

V., a 3450 rpm., 0.25 hp. de potencia, 60 Hz. y 6.2 amperes, mismo que se observa en la Figura 3.6. Este

es un motor de uso continuo que en condiciones normales proporciona un volumen de aire superior a los

200 m3/h. En la salida del mismo se adecuó una malla de acero para eliminar impurezas en el aire y

disminuir la velocidad de flujo de entrada al secador, hasta 12.58 m/s.

Figura 3.6 Motor de flujo de entrada: a) vista lateral; b) vista aérea

El motor se fijó a la base de descanso con tornillería no estándar de 11 mm., de ésta manera se asegura

que el motor no se mueva de su lugar con la vibración

provocada por el funcionamiento del mismo (ver Figura 3.7).

38

Figura: 3.7 Atornillado de motor

En el lado opuesto e inferior del tanque, se encuentra posicionado un segundo motor ilustrado en la Figura

3.8 que hace la función de succión en la parte inferior de la cámara, una pulgada por debajo de la junta

inicial del cono, con las siguientes características (únicas visibles en la etiqueta): bifásico de 110 V., a

3450 rpm., 1.75 hp. de potencia, 60 Hz. de uso continuo y succión del flujo del aire, superior a 670m3/hr

a) b)

Figura 3.8 Motor de succión: a) vista frontal; b) vista anterior.

39

a) b)

A dicho motor se le construyó una carcasa cubierta con cuatro capas de pintura amartillada, usada en las

baterías de cocina de uso doméstico. Cuenta con una succión de entrada con diámetro de 4.25 in. y una

salida de 3 in. de diámetro conectada a un ciclón de separación de polvos.

3.3.2 Calentamiento del aire.

Para incrementar la temperatura del flujo de entrada de aire proveniente del motor de alimentación, se

agregaron dos resistencias eléctricas de uso industrial (ver Figura 3.9), una pequeña de 1000 watts de una

sola línea, y una segunda en forma de “S” de 3000 watts, ambas trabajan a 220 V.

Figura 3.9 Resistencias eléctricas: respecto a la cámara, a) vista externa; b) vista interna.

La primera y más pequeña de las resistencias mostrada en la figura 3.10, tiene un longitud total de 3.8 in.

(35 cm.). En ambos extremos posee un área denominada zona fría de una pulgada de longitud arqueada

con un ángulo de 90º, posteriormente y en una pulgada más de longitud, se encuentran ubicadas la

tuercas, que sirven de empotramiento y sostén a cada lado de la resistencia. Al final de los extremos se

sitúan las terminales donde se conectan con el cableado a la corriente eléctrica.

40

Figura 3.10 Resistencia eléctrica de 1000 watts.

La segunda resistencia tiene forma de “S” y cuenta con las siguientes dimensiones: 1 in. de diámetro por

71 in. (180 cm.) de longitud, 5.5 in. de ancho total y 1.5 in. más que incluyen la zona fría en cada extremo,

iniciando al final de la espiral anillada y culminando en la contratuerca de sujeción. Cada uno de los dos

polos están desfasados 15 grados hacia afuera de la perpendicular tal y como se aprecia en la Figura 3.11

Figura 3.11 Resistencia eléctrica de 3000 watts.

3.3.3 Cableado eléctrico.

41

Para hacer las conexiones entre las resistencias y el suministro eléctrico, se utilizó cable bifásico calibre 12

y 16, clavijas de uso industrial e interruptores tipo cola de rata, como se muestra en la Figura 3.12.

Figura

3.12 Cableado eléctrico.

42

3.4 Cámara de secado y accesorios.

Técnicamente el dimensionamiento de la cámara de secado fue basado en el escalado, que para efectos

del presente proyecto, implica la construcción de un nuevo secador, que deba satisfacer en la medida de

lo posible, ciertas especificaciones establecidas en otro secador industrial tomado como referencia, o en

otros casos, satisfacer los resultados previamente obtenidos en las pruebas de una planta piloto si es

factible obtenerlas de ésta manera.

En el presente proyecto, el escalado de la cámara guarda una relación 13:1 respecto al modelo de

referencia, el cual fue tomado de un equipo comercial utilizado en la industria alimenticia, es decir, la

cámara de secado por aspersión del equipo original, es 13 veces mayor que la construida para este

proyecto, esto es, diámetro, altura y fondo cónico. Existen algunas variantes en el diseño original que

fueron consideradas para su modificación en la construcción de la nueva cámara, por ejemplo, el modelo

de referencia utiliza un juego de boquillas de aspersión para la pulverización de la solución a atomizar; en

la nueva cámara fue adaptada una pistola de atomización para el pintado automotriz, situada al centro de

la tapa en la parte superior de la cámara.

Antes de considerar el uso de una pistola de este tipo se tomó en cuenta lo siguiente, actualmente existen

en el mercado agrícola, boquillas o espréas de aspersión en cono y abanico con diferentes calibres y

diámetros de orificio, las cuales se tomaron en cuenta debido a que dicha aspersión, provee un flujo en

forma de lluvia de gotas finas, bastante similar a los sistemas de atomización de uso industrial y que

siendo de fácil adquisición, podrían ser adaptados en el secador prototipo.

a) b)

Figura 3.13 Pruebas de atomización: a) a 80 cm de altura; b) en interior de recipiente de 50 cm. de diámetro.

43

Inicialmente, se realizaron pruebas utilizando diferentes boquillas de este tipo sobre recipientes cilíndricos

de 50 cm. de diámetro (remitirse a la Figura 3.13) hasta llegar a la boquilla más pequeña en el mercado,

con numeración 8001 que ofrecía un diámetro máximo manipulable igual al diámetro del recipiente

utilizado en dicha prueba, a una altura de 80 cm. como se ilustra en la Figura 3.14 (para llevar a cabo las

pruebas de atomización fueron utilizadas diferentes tipos de pulverizadoras de uso agrícola, las cuales,

son mostradas en la Figura 3.15). Al término de las pruebas se llegó concluyó de que si un accesorio de

este tipo provee tal control sobre las dimensiones del cono atomizado, una pistola de pulverización siendo

mucho más precisa en el control de los flujos en aspersión, proporcionará mejores resultados, lo cual

ayudó en la determinación del diámetro de la futura cámara mediante el escalado.

Figura 3.14 Boquilla o espréa de atomización No. 8001 seleccionada para dimensionamiento de cámara de secado.

La pistola, al ofrecer rangos de manipulación para los flujos atomizados, provee el control necesario para

ajustar el ancho del abanico pulverizado, así como la cantidad de producto que sale de ella, evitando que

el espray entre en contacto con las paredes de la cámara produciendo escurrimiento sobre las mismas. El

diseño original de la pistola ofrece diámetros de partícula pulverizada que oscilan (según datos del

proveedor) alrededor de los 500 micrómetros (µm), necesarios para la adecuada atomización de los

barnices automotrices.

En la industria del ramo alimenticio, los polvos obtenidos del proceso de secado son de la más alta calidad

en el mercado y cuyo diámetro de partícula se ubica sobre los 200 µm. Durante las pruebas previamente

44

realizadas para la determinación de los parámetros óptimos de trabajo para la unidad de secado, se

obtuvieron diámetros de partícula entre los 400 y los 600 µm que si bien no son de las mismas

dimensiones que los polvos de alta calidad, son suficientes para cubrir los objetivos de las practicas en el

laboratorio de operaciones unitarias.

Figura 3.15 Pulverizadoras agrícolas utilizadas en pruebas para dimensionamiento de cámara de secado. De derecha a izquierda: pulverizadora de turbina para polvos y líquidos, pulverizadora con motor de doble descarga, pulverizadora de mano.

Otra variante del diseño original sobre la nueva cámara, fue el uso de resistencias eléctricas, para proveer

el calor suficiente a la corriente de aire y de ésta manera llevar a cabo el proceso de secado, en contraste

con el modelo de referencia, que utiliza secado de aire a presión en flujo a contracorriente, para la

eliminación de agua del producto a procesar. Las resistencias eléctricas fueron adaptadas

estratégicamente en el interior de un brazo conectado de forma tangencial a la cámara de secado, el cual

fue construido específicamente para ello. De esta manera y de acuerdo a sus características físicas

(proporcionadas por el fabricante), las resistencias eléctricas transfieran energía calorífica al medio

circundante, a razón de 4 KJ/s suficientes para proveer la temperatura necesaria para llevar a cabo el

proceso.

En general las principales variables que se analizaron para el dimensionamiento de la unidad de secado

fueron:

1. Propiedades físicas de la alimentación: humedad, viscosidad, densidad, tamaño de partícula del

producto final.

45

2. Temperaturas del gas de entrada y del producto inicial.

3. Dimensiones del cono o abanico atomizado.

La Figura 3.16 ilustra la cámara de secado, con fabricación en acero inoxidable comercial 304 calibre 12,

dicha cámara, es un recipiente cilíndrico vertical con 26 in. (66 cm.) de diámetro y una altura de 48 in.

(1.22 m.). Posee un fondo cónico de 21 in. (53 cm.) de altura, adicionales a la cámara, y en su parte

inferior, desemboque para descarga en la punta del mismo, con férula clamp.

Figura 3.16 Cámara de secado.

En la parte inferior del cono a la salida del mismo, se colocó una válvula de mariposa con terminaciones y

empaque clamp en sus extremos, para facilitar la descarga del producto como se aprecia en la figura

anterior. La cámara se aisló con una cubierta de fieltro blanco reforzado de doble capa, desde la tapa

hasta 40 in. (1 m.) hacia abajo, con la finalidad de evitar pérdidas de calor hacia el exterior.

En la parte superior de la cámara 10 in. (25 cm.) por debajo de la tapa y tangente a la misma, se anexó un

tubo de 6 in. (15.24 cm.) de diámetro y 31.5 in. (80 cm.) de longitud, con cuatro perforaciones de media

46

b)a)

pulgada realizadas por la parte de abajo en el tubo para el atornillado de las resistencias eléctricas (ver

Figura 3.17).

Figura 3.17 a) Brazo de seis pulgadas; b) Perforaciones para conexión de las resistencias eléctricas.

Dicho brazo fue aislado con un recubrimiento de lana mineral de 1.5 in. (3.8 cm.) de espesor y está

conectado al motor que proporciona el flujo de aire de entrada, mediante una tolva en forma de cono (ver

Figura 3.18), acoplado justo a la salida del flujo en el motor, con tornillería no estándar de 11 mm.

Figura 3.18 Tolva de conexión.

47

a) b)

Esta tolva tiene un diámetro inicial de dos pulgadas y se expande a lo largo de 19.7 in. (50 cm.) hasta

empotrar al tubo de seis pulgadas. Tal unión se fijó con láminas flexibles de acero inoxidable, cuatro

abrazaderas, dos de tres pulgadas y dos abrazaderas más de seis pulgadas de diámetro (ver Figura 3.19).

Figura 3.19 Fijado

de la tolva.

Siete pulgadas por debajo de la tapa, y seis pulgadas a la derecha del termómetro, se colocó una mirilla

de aluminio con lente de mica de pulgada y media de diámetro, para observar el rociado de la boquilla de

aspersión como se aprecia en la Figura 3.20.

Figura 3.20 Termómetro y mirilla: a) vista interna; b) vista externa.

48

También se atornillo a la altura del brazo y justamente frente a él en las paredes de la cámara, un

termómetro analógico de uso industrial con lectura máxima de 500 ºC.

En la parte inferior de la cámara y a una pulgada por debajo de la junta entre el cono y la cámara de

secado, se anexó un tubo de 12 in. (30 cm.) de longitud y 2.5 in. de diámetro con terminación en férula

clamp, el cual se une a un segundo tubo en forma de “S” también con 2.5 pulgadas de diámetro y una

longitud total de 31.5 in. (80 cm.), mediante una abrazadera y empaque tipo clamp (ver Figura 3.21).

Figura 3.21 Tubo

externo de succión.

Ésta tubería se conecta al motor que hace la función de succión, mediante una segunda tolva cónica con

diámetro inicial de 2.5 in. expandido a lo largo de 8 in. (20 cm.) hasta empotrar con la entrada de la

carcasa del motor, con 4.25 in. de diámetro, como se observa en la Figura 3.22.

49

a) b)

Figura 3.22 Tubería de succión completa.

Dichas uniones también se fijaron con láminas de acero inoxidable y cuatro abrazaderas: dos de 3.25 in.

situadas al inicio de la tolva, y dos más de 6 in. para sujetarla con la carcasa del motor.

El succionador conecta su flujo de salida con un ciclón de separación de polvos, mediante una abrazadera

y empaque tipo clamp de 3 in. de diámetro. No fue necesario fijar el ciclón de separación a la estructura de

soporte, debido a que la abrazadera clamp provee la presión suficiente para mantenerlo en su lugar como

se observa en la Figura 3.23.

Figura 3.23 Ciclón de separación de polvos: a) vista aérea; b) vista frontal.

50

a) b)

La Figura 3.24 ilustra como en la paredes exteriores de la cámara, a cuatro pulgadas de por encima del

cono, fueron soldadas ocho aletas ó placas también en acero inoxidable, dividas en pares en los cuatro

cuadrantes.

Figura 3.24 Estructuras de soporte: a) aletas soldadas; b) ensamblado de patas.

Dichas placas tienen un área de 16 in2 cada una, y están perforadas en su centro con un barreno de media

pulgada, esto con la finalidad de acoplar y sujetar las patas en el interior de los pares de aletas, y de ésta

manera, soportar el cilindro manteniéndolo en posición vertical. Las patas son de acero PTR (perfil

rectangular tubular) de dos pulgadas de acero al carbón, con una longitud total de 47 in. (120 cm). En los

extremos de los PTR en contacto con el suelo, les fueron soldadas placas de 36 in 2 (225 cm2) a cada pata,

mismas que le confieren estabilidad al equipo (ver Figura 3.25).

Figura 3.25 Soporte

inferior de PTR.

51

a) b)

En el otro extremo se hicieron tres barrenos de media pulgada con una distancia entre ellos de 1 pulgada.

Iniciando la primera perforación a 2 pulgadas del límite del tubular. Esto con la finalidad de nivelar altura de

la cámara al momento de instalarla.

Figura 3.26 Válvula de mariposa: a) adaptada el tanque; b) vista aérea.

En la descarga del cono en la parte baja de la cámara, se encuentra adaptada la válvula de mariposa

(remitirse a Figura 3.26) en forma individual al igual que las abrazaderas tipo clamp como se aprecia en la

Figura 3.27.

Figura 3.27 Abrazadera y empaque tipo clamp.

52

a) b)

3.5 Tapa y alimentación.

La cubierta de la cámara, es una placa calibre 12 con fabricación en acero inoxidable (ver Figura 3.28).

Posee 26 in. (66 cm.) de diámetro y cerca de los bordes se le añadieron ocho barrenos calibre 9/16

repartidos en los cuadrantes, que sirven para fijarla a la cámara con tornillería estándar en acero

inoxidable.

Figura 3.28 a) Tapa y conexiones; b) Pistola de atomización.

En el centro de la tapa se hizo otra perforación con un diámetro de 3.3 cm y se le soldó a unos centímetros

del centro una base metálica que sirve para empotrar una pistola de atomización. En dicha tapa, también

fueron añadidos un termómetro analógico y una mirilla que proporcionan visión y permiten el registro de la

temperatura interna de la cámara durante el proceso.

Para la pulverización del líquido dentro de la cámara de secado, se utilizó una pistola de atomización por

gravedad, comúnmente utilizada en el repintado automotriz, así como en la ebanistería y el ámbito

industrial. Dicha pistola, puede alcanzar una presión máxima de 85 psi con una boquilla de 1.4 mm. que

rocía en forma de cono o abanico, pudiendo controlar las dimensiones de los mismos, así como la entrada

de la alimentación y la presión de aire. El funcionamiento óptimo promedio es de 40 psi. Cuenta con un

recipiente plástico de 600 centímetros cúbicos para alojar el material a pulverizar y una conexión de ¼ de

pulgada para la entrada del flujo de aire que es proporcionado por el compresor del laboratorio de

Operaciones Unitarias del campus.

53

CAPÍTULO IV MANUAL DE OPERACIÓN PARA EL SECADOR POR ASPERSIÓN Y EJEMPLO

PRÁCTICO

Todo equipo industrial requiere un procedimiento claro y ordenado para operarlo de manera eficiente. A

continuación se muestra el manual de operación, mismo que los usuarios deben seguir al momento de

operar un secador por aspersión.

4.1 Procedimiento para operar un secador por aspersión.

1. Verificar que la cámara de secado y demás conductos estén completamente cerrados.

2. Conectar a la corriente eléctrica los dispositivos del secador que así lo requieran y encenderlos.

3. Permitir que la cámara de secado alcance los parámetros óptimos de operación.

4. Mientras el secador adquiere las condiciones de operación, preparar la solución a secar y el

sistema de atomización.

5. Considerando los rangos de manipulación del sistema de atomización (flujo de alimentación, flujo

de aire y tamaño del abanico), ajustar la espréa de atomización de acuerdo a las dimensiones de

la cámara de secado.

6. Atomizar la solución a secar durante el tiempo requerido para el proceso.

7. Continuar con la atomización hasta terminar completamente la solución.

8. Una vez concluida la atomización, por seguridad, apagar y desconectar de la corriente eléctrica los

dispositivos que así lo requieran.

9. Recolectar los polvos obtenidos del proceso de secado.

10. Al término del proceso asear completamente el secador por aspersión.

4.2 Manual de operación del secador por aspersión para solución de huevo.

54

1. Cerrar la cámara con la tapa usando la tornillería, asegurándose que las muescas o marcas en la

tapa coincidan con las del borde de la cámara como se ilustra en la Figura 4.1

Figura 4.1 Marcas de referencia en tapa y cámara.

2. Conectar a la corriente eléctrica los ventiladores y resistencias eléctricas, a 110V y 220V

respectivamente.

3. Revisar que la válvula de mariposa en la parte inferior de la cámara, esté completamente cerrada.

4. Encender ventilador y resistencias eléctricas. Checar el funcionamiento de éstas últimas con un

voltímetro a 220 V (ver Figura 4.3).

5. Revisar que la conexión entre las clavijas de las resistencias eléctricas y la toma de suministro de

la corriente eléctrica, sea la correcta para evitar percances.

55

Termómetro en Pared

Termómetro en Tapa

Mirillas

a) b)

Figura 4.2 Encendido y chequeo eléctrico: a) tablero de control; b) revisión de voltaje.

6. Encender el compresor y esperar a que la lectura del manómetro nos indique una presión de 4 a 6

kg/cm2.

7. Esperar a que la cámara de secado alcance una temperatura óptima de 81 ºC termómetro en tapa

y 105 ºC termómetro en la pared de la cámara (ver Figura 4.3).

Figura 4.3

Ubicación de accesorios en cámara de secado.

56

8. Conectar la línea de aire a la pistola y preparar el huevo a pulverizar como se ilustra en la Figura

4.4.

Figura 4.4 Accesorios y parámetros listos para iniciar aspersión.

9. Ajustar los parámetros de atomización, para ello la pistola ofrece tres rangos de manipulación:

flujo de alimentación, flujo de aire y tamaño del abanico, lo que permite controlar los flujos

atomizados en forma combinada (ver Figura 4.5). Para este caso se utilizó una velocidad de

atomización de solución de huevo de 2.1 ml/s. Para ello los controles de la pistola deben estar en

posición de medio giro, es decir, colocar los tres controles al 50 % de la capacidad total de

atomización, que ofrece dicha pistola.

10. Atomizar la solución de huevo en intervalos de 30 segundos.

11. Dejar que la temperatura en la cámara se recupere después del choque térmico por intervalo de

dos a tres minutos entre cada atomización. Es posible que al inicio la cámara necesite un poco

más de tiempo para recuperarse.

12. Volver a atomizar hasta concluir con la muestra a secar.

13. Una vez concluida la atomización, apagar las resistencias.

57

Control del Abanico

Figura 4.5 Sistema de atomización o pistola, y controles.

14. Encender el ventilador No. 2 (extractor) y esperar a que descienda la temperatura para evitar

accidentes. Transcurridos 5 minutos apagar los ventiladores.

15. Desconectar los equipos de la corriente eléctrica.

16. Abrir la cámara, desconectar la tubería en forma de “S” que conecta la cámara con el extractor

(ver Figura 4.6) y recolectar todas las muestras incluyendo la tapa y el ciclón de separación de

polvos.

a) b)

Figura 4.6 Tubería en forma de “S”: a) conectada; b) desconectada.

17. Al término de la práctica limpiar completamente la unidad de secado y accesorios; la pistola de

pulverizar y su recipiente deben enjuagarse con agua limpia, atomizándola, removiendo de ésta

58

forma los residuos y material sobrante en su interior. Las paredes del secador pueden rasparse

con una espátula.

18. Guardar accesorios y material utilizado. La tapa del secador deberá quedar abierta y sobrepuesta

en la cámara de secado para prácticas futuras (ver Figura 4.7). Tener especial cuidado al guardar

la tornillería.

Figura 4.7 Cámara

de secado abierta con tapa sobrepuesta.

59

4.3 Ejemplo práctico sobre el uso del secador por aspersión.

Una vez concluido el armado y eliminados los detalles que surgieron para la puesta en marcha del equipo,

se llevaron a cabo pruebas que consistían en secar solución de huevo y determinar de manera práctica los

parámetros dentro de los cuales el secador por aspersión trabaja en forma eficiente. A continuación se

ilustra un ejemplo práctico sobre cómo se debe utilizar dicho secador:

1. Se cerró la cámara fijando la tapa con la tornillería en la parte superior.

2. Se conectaron los ventiladores y las resistencias a la red eléctrica para iniciar el proceso.

3. Usando un multímetro, se verificó el flujo de la corriente eléctrica a través de las resistencias

durante el proceso, revisando que las lecturas estuviesen alrededor de los 220 volts.

4. Simultáneamente a las resistencias desde el tablero de control, se encendió el ventilador número

uno, que provee el flujo de entrada de aire, esto para evitar que las resistencias eléctricas

contenidas en el tubo tangencial a la cámara de secado, se quemen debido al incremento tan

brusco de temperatura en ausencia de corrientes de aire. Además, el flujo de aire re-direccionará

el calor hacia la cámara de secado, propiciando la formación del vórtice en el interior de la misma.

5. Mientras la cámara alcanza la temperatura óptima para el proceso (80 ºC en 30 minutos en

promedio), se carga el compresor (de 4 a 6 kg/cm2 de presión sin olvidar apagarlo al alcanzar la

presión requerida para la práctica).

6. Se conectó la manguera a la línea de aire y se colocó el recipiente de plástico en la pistola.

7. La solución, constituida de 305 mL de huevo batido (equivalentes a 310.032 gr.), fue vertida en el

recipiente de la pistola de pulverización, que posteriormente se cerró y se conectó a la manguera

de aire.

8. Una vez listo el sistema de pulverización (pistola, recipiente plástico y línea de aire), se colocó

sobre la tapa de la cámara de secado, para iniciar con el atomizado de la solución.

9. Se realizaron atomizaciones con duración de 15 segundos, cada una, con un lapso entre ellas de

2 a 3 minutos, esto, con la finalidad de que la cámara se recuperará del choque térmico en su

60

interior, como se observa en la Figura 4.7. Preferentemente, se recomienda sólo una persona

sobre la estructura de soporte al momento de realizar las atomizaciones para evitar accidentes.

Figura 4.7 Atomizado.

10. De acuerdo a los rangos de manipulación que ofrece la pistola para el pulverizado, se utilizó una

velocidad de atomización de solución de huevo de 2.1 mL/s.

11. Durante el desarrollo de la práctica y preferentemente al momento de pulverizar, se tomaron

lecturas de temperatura, humedad relativa y velocidad de los flujos en puntos específicos del

equipo de secado, por ejemplo, a la entrada y a la salida de las corrientes de aire.

12. Una vez terminado el material a secar, se apagaron las resistencias y se encendió el extractor

para que trabajando simultáneamente al ventilador, disminuya la temperatura de la cámara más

rápidamente.

13. Descendida la temperatura en el interior de la cámara, se retiró la tornillería que sujeta la tapa,

para abrirla y obtener los polvos acumulados en las paredes, así como en la tubería, en forma de

“S”, que conecta al extractor.

61

14. Se recolectaron las muestras obtenidas en el ciclón, válvula de mariposa, tubería que conecta al

extractor y tapa (remitirse a la Figura 4.8).

a) b)

Figura 4.8 Polvo incrustado: a) paredes del tanque; b) tubería.

15. Se registraron los datos obtenidos y se procedió con la limpieza total del equipo así como sus

accesorios.

16. Una vez terminada la práctica y realizado las labores de limpieza respectivas, se colocan todos los

materiales y accesorios utilizados, en los estantes correspondientes de donde fueron tomados al

inicio de la práctica, dejando la tapa sobrepuesta sobre la cámara.

62

CAPÍTULO V OBSERVACIONES, RESULTADOS, BALANCES DE MATERIA Y DE ENERGÍA

5.1 Observaciones y resultados.

1. Durante la práctica, la solución de huevo se atomizó a los 80 ºC mostrados en tapa y, a los 105 ºC

mostrados en el termómetro de la pared del secador, temperaturas alcanzadas a los 30 minutos

de haber encendido las resistencias y el ventilador, y que después de varias pruebas que

consistían en la medición de parámetros como los intervalos de atomización, intervalos de

recuperación de la cámara tras el choque térmico, dimensiones del abanico atomizado, flujo de

alimentación de solución, temperatura y velocidad de los flujos de aire de entrada y de salida; sólo

después de dichas pruebas, se determinó que los parámetros adecuados para iniciar el proceso

son los que aparecen en la Tabla 5.1 ilustrada a continuación:

Tabla 5.1 Condiciones óptimas de operación del secador por aspersión.

2. La solución a atomizar consistió en 305mL. de huevo batido, equivalentes 310.032gr . con

densidad de la solución ¿1.0165 gr /mL determinada mediante el proceso de peso seco.

3. Debido al carácter térmico, se realizaron atomizaciones intermitentes de 15 segundos para dar

tiempo a que la cámara se recuperara del choque térmico en su interior y de esta manera

asegurar que el producto final tuviese la menor cantidad de humedad posible.

63

Variable Valor

Temperatura de Aire de Entrada 105 °C

Temperatura en Tapa 80 °C

Temperatura de Aire de Salida 80 °C

Flujo de Alimentación de Huevo 2.1 ml/s

Presión del Compresor 4 a 6 Kg/cm2

Intervalos de Atomización 15 s

Intervalos de Recuperación 2 a 3 min.

Figura 5.1

Huevo en polvo obtenido del proceso sin sufrir calcinación.

4. Los polvos recuperados no sufren calcinación alguna. La evaporación del agua contenida en el

huevo, es instantánea con lo que se evita la desnaturalización de las proteínas, debido a un

período largo de exposición a una alta temperatura (remitirse a Figura 5.1).

Figura 5.2

Huevo en polvo, obtenido del proceso

de secado.

5. Al final se obtuvieron 63.5 gr. de producto procesado (remitirse a Figura 5.2) de los cuales 60 gr.

son sólidos y el resto es agua, la cual fue determinada utilizando el proceso de peso seco con la

ayuda de una mufla marca Lab Line Instruments, modelo: 3608-5 (ver Figura 5.3).

64

Figura 5.3

Determinación humedad en mufla Lab Line Instruments.

6. Con base en los datos los obtenidos del proceso de secado, la solución atomizada contenía: 20 %

de sólidos (60 gr) y 80 % de agua (250.032 gr), 5 % de diferencia en comparación con la

bibliografía, donde los valores para el agua y los sólidos, oscilan alrededor del 75 % y 25%

respectivamente, con base en éste último dato, el secador mostró una eficiencia del 98.6% en

remoción de agua y 77.4 % en recuperación de sólidos.

7. Para recuperar los polvos acumulados en la tubería en forma de “S” que conecta la cámara con el

extractor, es necesario retirar dicha tubería desconectando la abrazadera tipo clamp como se

ilustró en la Figura 4.6. Tener cuidado de no extraviar los accesorios.

8. La mayoría de los polvos obtenidos del proceso se recuperan de las paredes de la cámara hasta

un 70%, 25% de la tubería y 5% del ciclón.

9. El ventilador 1 es suficiente para generar la corriente de aire necesaria para la formación del

vórtice, incluso para llevar los finos hasta el ciclón de separación de polvos, por lo que no es

necesario el uso del extractor.

10. El extractor o ventilador 2, se utiliza hasta el final del proceso para ayudar en el descenso rápido

de la temperatura de la cámara antes de abrirla. Proporciona un flujo de succión ¿675.936m3/hr

2.8 veces mayor que el proporcionado por el ventilador de alimentación.

65

11. Finalmente, se sometió a tamizado los polvos obtenidos durante el proceso. Los valores arrojados

mostraron que el diámetro de partícula presente con mayor frecuencia en los polvos o producto

terminado, osciló entre los 425 µm y los 600 µm (ver Gráfico 5.1). En la industria alimenticia, los

valores para los diámetros de partícula del producto obtenido en el proceso de secado, oscilan

sobre los 400 µm y para polvos de alta calidad sobre los 200 µm como es el caso de la leche para

bebés.

Gráfico 5.1 Tamizado de huevo en polvo.

2000 850 600 425 300 250 212 1800

5

10

15

20

25

Tamizado de Polvos ObtenidosCantidad (gr.)

12. De los cálculos obtenidos en el balance de energía, se determinó que para el ejemplo práctico,

son necesarios 1618 Watts para remover el agua en la solución inicial de huevo, por lo que el

conjunto de las dos resistencias está sobre diseñado.

66

A

Corriente de Aire

B

C

Solución de huevo atomizada

Aire caliente y sólidos

Secador por Aspersión

Salida de material seco y Aire húmedoAcumulaciónConsumo de ReactivosGeneración de ProductosEntrada de material húmedo y Aire seco

Entrada de material húmedo y Aire secoSalida de material seco y Aire húmedo Acumulación

5.2 Balance de materia del proceso realizado.

Para realizar los cálculos, considerar el diagrama de flujo que aparece más abajo y los datos del anexo I,

al final de este documento.

5.2.1 Ecuación general del balance de materia:

(5.2-1)

En el proceso de secado, la remoción del agente líquido es por evaporación, por lo tanto, si en el proceso

no suceden transformaciones químicas de materia, es decir, no hay reacciones químicas involucradas (el

proceso no es reactivo), los términos de generación de productos y consumo de reactivos son nulos. En

ese caso la expresión se simplifica a la ecuación 5.2-2:

(5.2-2)

Y suponiendo que este proceso ocurre en estado estacionario la ecuación queda como 5.2-3:

67

Determinar:* Cantidad de agua, aire seco y sólidos en el flujo "C"* Cantidad de agua removida de la solución de huevo

Base de Cálculo: 145 segundos

Entrada de material húmedo y Aire secoSalida de material seco y Aire húmedo (5.2-3)

A+B=C (5.2-4)

Calculando parámetros necesarios en B:

Radio(B )=(2.75 ) left ({0.0254 m} over {1 ¿¿)/2=0.034925m

(5.2-5)

˙Aire(B)=(12.58ms )[π (0.034925 )2 ] (145 seg . )=6.9899m3 (5.2-6)

H 2O(B )=¿

(5.2-7)

Calculando flujo total de A:

A=Flujoaire+solucióndehuevo

(5.2-8)

852.614 gr+310.032 gr=1162.646 gr

Ahora:

H 2O(A )=¿

(5.2-9)

68

Balance General:

Partiendo de 5.2-4 tenemos:

A+B=C

1162.646 gr+6535 gr=C (5.2-10)

C=7697.646 gr (5.2-11)

Balance para Aire Seco:

A x A. S (A )+B x A. S (B)=C x A. S(C) (5.2-12)

1162.646 gr (0.702 )+6535 gr (0.963 )=7697.646 gr (x A. S(C)) (5.2-13)

X A .S (C)=0.924 (5.2-14)

Balance para Sólidos:

A xSol(A )=C xSol(C) (5.2-15)

1162.646 gr (xSol (A ) )=7697.646 gr (0.0077) (5.2-16)

xSol( A )=0.052 (5.2-17)

Por lo tanto, de los cálculos anteriores se deduce la Tabla 5.2 y la cantidad de agua removida de la

solución de huevo ¿250.032gr .

Tabla 5.2 Fracciones y cantidades másicas en las flujos.

Corriente o FlujoFracción másica A Cantidad (gr) B Cantidad (gr) C Cantidad (gr)

XAS 0.702 816.581 0.963 6295 0.9240 7111.9

69

XH2O 0.246 286.065 0.037 240 0.0683 525.75XSOL 0.052 59.99 0.000 0.000 0.0077 60

5.3 Cálculos de energía del proceso realizado.

5.3.1 Cálculo de la transferencia de calor de las resistencias.

Se utilizaron dos resistencias, la primera de 1000 W con una medida en zona caliente (longitud del área de

transferencia de calor) de 0.35 mts., la segunda de 3000 W y 1.8 mts. en zona caliente.

Figura 5.4 Curvas para la determinación de la eficiencia térmica en aletas.

Se realizó el cálculo de la transferencia de calor conforme a la figura de la resistencia que básicamente

son resistencias con aletas (remitirse a Figura 5.4), y estas son del tipo circular de acuerdo a Incropera , et

al 2007, para el cálculo se partió de lo propuesto por el mismo autor y se inicó calculando la eficiencia de

la aleta como se detalla:

Primeramente se calcula la eficiencia de la aleta (η f ) de acuerdo con la figura 5.4, tomando en cuenta que:

70

r2c=r2+t2

(5.2-18)

Y Lc3/2( hKA p )

3 /2

(5.2-19)

Donde:

t=espesor de la aleta=0.007m. Lc=L+t2

r1=radiodel tubo=0.00635m. Ap=Lc t

r2=radiototal tubo y aleta=0.0127m . Ap=6.895 x10−5

r2c

r1

=curvade eficiencia t é rmica=255 L=radio de laaleta=0.00635m.

h=50W

° Km2=¿ Coeficiente de transferencia de calor por convección del aire, tomado

de la Tabla 15.1 de Welty (2010).

K=conductividad termicadel acero inoxidable304=14.9Wm° K

de Tabla A1, Incropera, et al.

(2007).

Por lo tanto, de la figura 5.3 se lee: η f=0.943=correspondiente al 94.3% de eficiencia de las aletas

respecto a la transferencia de calor.

De Incropera, et al. (2007), se menciona que para calcular el calor total transferido se puede expresar de la

siguiente manera:

q t=h A t[1− NA fA t

(1−N f )] (T ∞−Tb ) (5.2-20)

Donde:

71

B

CASecador por Aspersión

h=35W

m2ᵒ K=Coheficiente de transferencia decalor por convecció ndel aire

(tomadode Tabla15.1deWelty ,2010) .

At=areade transferencia de calor=NAf+2πr1 (H−Nt )

N=nú merototal dealetas=255

A f=áreade laaleta=1.55 x10−3m2

H=longitud deárea caliente=215m.

T b=temperaturade labasetubular de la resistencia=634 ᵒ K

T ∞=temperaturadel aire de salida=378 ᵒ K

Por lo tanto el área de transferencia de calor total, At=0 .41m2 y q t=3471 .73W éste último valor, es el

calor transferido de las resistencias al medio circundante, en éste caso, a la corriente de aire en

convección forzada. El resto, es decir, la diferencia entre los 4000 watts proporcionados por las

resistencias y el calor transferido (reportado arriba por los cálculos), son disipados por transferencia

conductiva a través de las paredes de la tubería, donde se alojan las resistencias y, debido a que la

corriente en convección forzada no es capaz de absorber en su totalidad la cantidad de calor que se

transfiere al medio.

5.3.2 Balance de energía del proceso realizado.

Considérese el siguiente diagrama de flujo para la ecuación de balance de energía:

72

Se tomará como base la nomenclatura del anexo I. Considerando que H=entalp í aespecífica y

partiendo de la primera de ley de la termodinámica, tenemos:

ΔU +ΔEk+ΔE p=Q−W (5.2-21)

En este caso, el sistema no tiene aceleración, entonces ΔEk=0. El sistema no se eleva ni cae, con lo

que ΔE p=0. El sistema no tiene partes móviles, por lo tanto, W=0 y debido a que la energía interna del

sistema serán los calores específicos de salida menos los calores específicos de entrada, es decir,

ΔU=ΔH , se tiene:

ΔH=Q (5.2-22)

ΔH=H salida−H entrada (5.2-23)

ΔH=¿

(5.2-24)

Considerando los valores de las Tablas 5.2 y del anexo I, se tiene:

73

ΔH=3997.73Kj−3763.21Kj=234.52Kj (5.2-25)

Q=234.52Kj /145 s=1.618Kj/ s (2.2-26)

Por lo tanto, la energía necesaria para remover el agua de los sólidos en la solución de huevo, a las

condiciones descritas en el proceso, es de 1618 watts.

74

CAPÍTULO VI PRÁCTICA PROPUESTA PARA EL SECADOR POR ASPERSIÓN.

Introducción

Hace miles de años que el huevo de gallina forma parte de la alimentación humana y actualmente se

emplean sus subproductos procesados como ingredientes. Está constituido por 10.5% de cáscara la parte

comestible formada por 58.5% de albumen o clara y 31.0% de yema cuyos componentes son lípidos y

proteínas que les confieran alto valor nutritivo. La composición detallada de la clara de huevo aún no está

del todo definida, no obstante, en las Tablas 6.1, 6.2 y 6.3 muestran la composición el huevo, principales

proteínas del albumen, así como las proteínas y lipoproteínas de la yema, respectivamente (Badui, 2006).

Tabla 6.1 Composición global del huevo (excluyendo cáscara).

Tabla 6.2 Principales proteínas del albumen del huevo.

Tabla 6.3 Proteínas y lipoproteínas de la yema de huevo.

PRÁCTICA PROPUESTA

SECADO DE SOLUCION DE HUEVO POR ASPERSIÓN

75

Componente Huevo entero (%) Yema (%) Clara (%)Agua 75.0 50.0 87.8Proteínas 12.9 16.0 10.9Hidratos de carbono 0.4 0.6 0.2Lípidos 11.5 30.6 0.2Cenizas 0.7 2.0 0.3

Componente% Albumen Peso Molecular(base seca) (x 103)

Ovoalbúmina 54.0 4.45Ovotransferina 13.0 76Ovomucoide 11.0 28Ovomucina 3.5 110Globulinas 11.4 3.43

Componente %

Fosfovitina 4Lipovitelinas 84Livitelinas 10Ovovitelina 2

Objetivo:

En base al producto obtenido y las condiciones de operación del sistema para un secador por aspersión,

determinar:

1. Los valores de los componentes: aire, agua y sólidos, en los flujos de entrada y salida.

2. La cantidad total de agua removida en el producto final.

3. El porcentaje de eficiencia del secador respecto a remoción de agua, en la solución inicial de

huevo.

4. El porcentaje de eficiencia del secador en recuperación de sólidos, en relación con los sólidos de

entrada.

5. La cantidad de energía necesaria para remover el agua de la solución inicial

76

B = (Kg/hr)?A = (Kg/hr)?

T C (° K )=? X H 2O(C)=? X Sol(C)=? X AS (C)=?

C = (Kg/hr)?

T (A )(° K )=? X H 2O(A )=? X Sol(A)=? X AS ( A)=?

T B (° K )=? X H 2O(B )=? X AS (B)=?

Fórmulas a utilizar:

Balance de Materia

Balance de energía

Nomenclatura:

n=Flujo A , BóC

T (n ) (° K )=Temperaturaen grados kelvin , del componenten

X H 2O(n)=Fracciónmásicadel agua , enel componente n

X A .S( n)=¿ Fracciónmásica del aire seco, enel componente n

X Sol(n)=Fracciónmásicadel sólido , enel componente n

H .R .(n)=Humedad relativadel aire , enel componenten

ρ x (°K )=¿ Densidad de un fluido x a cierta temperatura en grados kelvinFlujo A = aire + agua + solución de huevoFlujo B = aire + aguaFlujo C = aire + agua + sólidos de huevoProcedimiento:

1. Conectar a la corriente eléctrica los ventiladores y resistencias eléctricas.

2. Encender ventilador y resistencias eléctricas. Checar el funcionamiento de éstas últimas con el

multímetro.

3. Revisar que la válvula de mariposa en la parte inferior del tanque este completamente cerrada.

4. Cargar el compresor de 4 a 6 kg/cm2.

5. Esperar a que la cámara de secado alcance en temperatura óptima (81 ºC termómetro en tapa y

105 ºC termómetro en la pared de la cámara).

6. Conectar la línea de aire a la pistola y preparar la solución huevo a pulverizar.

7. Colocar la pistola de atomización en el lugar adecuado para ella sobre la tapa.

8. Atomizar el huevo en intervalos de 30 segundos.

9. Dejar que la temperatura en la cámara se recupere después del choque térmico por intervalo de

dos a tres minutos entre cada atomización. Es posible que al inicio la cámara necesite un poco

más de tiempo para recuperarse.

77

10. Volver a atomizar hasta concluir con la muestra a secar.

11. Una vez concluida la atomización apagar las resistencias.

12. Encender el ventilador No. 2 (extractor) y esperar a que descienda la temperatura para evitar

accidentes. Transcurridos 5 minutos apagar los ventiladores.

13. Desconectar los equipos de la corriente eléctrica.

14. Abrir la cámara, desconectar la tubería en forma de “S” que conecta la cámara con el extractor y

recolectar todas las muestras incluyendo la tapa y el ciclón de separación de polvos.

15. Al término de la práctica limpiar completamente la unidad de secado así como la pistola de

atomización, accesorios y demás material utilizado. Enjuagar el recipiente de la pistola y verter un

poco de agua limpia en él para atomizarla removiendo de ésta forma los residuos de huevo en

ella.

16. Guardar accesorios y material utilizado en el lugar correspondiente.

17. La tapa del secador deberá quedar abierta y sobrepuesta en la cámara de secado para prácticas

futuras. Tener especial cuidado al guardar la tornillería.

Reportar:

1. Balance de materia.

2. Balance de energía.

3. Valores calculados del objetivo de la práctica.

Material y equipo a utilizar en el secador por aspersión:

Pistola de aspersión

Termómetros para la medición de Temperaturas: bulbo húmedo y bulbo seco

Anemómetro

300 ml de solución de huevo o huevo batido

Báscula Analítica o Granataria.

CAPÍTULO VII SEGURIDAD E HIGIENE

La seguridad es una parte fundamental y de vital importancia en todos los rubros, tanto en el ámbito

industrial como en la vida cotidiana del ser humano. Personas en el mundo definen que la seguridad no es

78

negociable y que debe ser lo más primordial, ya que sin ellas no se puede tener Calidad, Inocuidad y

Producción.

7.1 Recomendaciones de seguridad en el área de trabajo y en el equipo.

La seguridad en los equipos de secado también es importante, ya que dependiendo de su diseño, estos

trabajan con temperaturas elevadas, con presiones negativas y con otros factores que pueden poner en

peligro la integridad física de las personas y de las instalaciones.

Por tanto, favor de tomar en cuenta las siguientes indicaciones para la estancia en el Laboratorio de

Operaciones Unitarias:

1. Los alumnos que trabajen en el laboratorio deberán portar en todo momento bata blanca que llegue a la

rodilla, de manga larga, limpia y en buen estado, calzado cerrado, pantalón largo y lentes de seguridad,

durante el desarrollo de la práctica.

2. No se permiten faldas, shorts, zapatos descubiertos ni zapatillas. Esto se aplica en cualquier actividad

experimental que se ejecute en el laboratorio.

3. Queda estrictamente prohibido fumar dentro del laboratorio e ingerir alimentos y/o bebidas en las áreas

de trabajo.

4. Al terminar cada experimento cada grupo de trabajo, deberá dejar perfectamente limpio y seco el

equipo, material utilizado y su área de trabajo, independientemente del estado en que lo encontró al inicio

de la práctica.

5. Entregar el material prestado, limpio, seco y sin daños.

7.2 Aspectos de higiene a cuidar en el secador por aspersión.

El equipo de trabajo que realice su práctica, al término de ésta se encargara de limpiar el Secador y los

accesorios que lo componen, empleando agua y jabón y si es posible una concentración de Sosa Cáustica

diluida (de 1 a 2 % en volumen) en agua para lavar el interior del Secador.

79

Los accesorios (pistola, tubería conectada al extractor, válvula de mariposa y tapa) también serán aseados

ya sea mediante aire comprimido o con agua (solo el material que pueda ser limpiado) para retirar

cualquier objeto extraño y de ésta forma dejarlo en condiciones de trabajo para prácticas posteriores.

7.3 Aspectos de seguridad en el Laboratorio de Operaciones Unitarias.

Existen normas básicas de seguridad las cuales son claves para tener una correcta actitud frente a un

incidente inesperado o situación en la que se vea inmersa una situación de emergencia, por tal motivo es

motivo de aprendizaje saber las siguientes recomendaciones:

1. Se deberá conocer la ubicación de los elementos de seguridad en el lugar de trabajo, tales como:

extintores, salidas de emergencia, mangueras contra incendio, etc.

2. Por ningún motivo se deben bloquear las rutas de escape o pasillos con equipos, mesas, máquinas u

otros elementos que entorpezcan la correcta circulación, así como los materiales contra incendio.

3. Es indispensable recalcar la prudencia, el cuidado y la manipulación de todo equipo que funcione con

corriente eléctrica, con temperaturas elevadas, partes en movimiento, presiones.

4. No se permitirán instalaciones eléctricas precarias o provisorias. Se tendrá que dar aviso inmediato en

caso de filtraciones o goteras que puedan afectar las instalaciones o equipos y puedan provocar incendios

por cortocircuitos.

5. Es imprescindible mantener el orden y la limpieza, ya que esto nos conlleva a detectar con oportunidad

una falla en un equipo o un material combustible el cual ser iniciador de un conato de incendio o explosión.

80

7.4 Acciones a aplicar en caso de primeros auxilios.

1. Llevar al accidentado a un lugar despejado (en caso de que pueda ser trasladado).

2. Si el accidentando presenta algún daño por contacto con material peligroso, tomar en cuenta las

consideraciones mostradas en las Hojas de Seguridad del Material utilizado.

3. Dar aviso al personal encargado del Laboratorio de Operaciones Unitarias.

4. Llamar al Servicio Médico o de Emergencias correspondiente.

Cruz Roja Tel. 9221141 / 9221201

Instituto Mexicano del Seguro Social Tel. 9221276

Bomberos Tel. 9220020 / 9221975

7.5 Higiene en el área de trabajo y en el equipo.

La Higiene es una disciplina la cual se encarga de evaluar, identificar y controlar agentes contaminantes.

Para ellos existen tres tipos de contaminantes:

1. Contaminantes Físicos.

2. Contaminantes Químicos.

3. Contaminantes Biológicos.

Por tanto antes y después de cualquier práctica en el Laboratorio, cada grupo deberá limpiar su lugar de

trabajo, retirando herramientas, aseando y recogiendo el material utilizado y colocándolo en los estantes o

el lugar correspondiente de donde fue tomado.

81

CAPÍTULO VIII CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

Si bien es cierto que la unidad de secado por aspersión trabaja en forma eficiente, también es posible

realizar algunos cambios sobre ella para mejorar dicha eficiencia. A continuación se detallan algunas

características útiles a éste propósito, así como algunas conclusiones derivadas de la realización del

presente trabajo.

1. Independientemente del ramo o área de aplicación, para llevar a cabo la realización de un

proyecto es indispensable la ejecución de un procedimiento o plan de trabajo. Durante la

realización del presente secador prototipo, se trabajó con el siguiente proceso:

I) Una vez fijado el objetivo a trabajar, se buscó una gran cantidad de información al

respecto sobre el uso y funcionamiento de las unidades de secado por aspersión de uso

industrial, así como de los materiales y formas geométricas adecuados para la cámara,

dependiendo de la manera en que trabaja el secador y las características del producto a

procesar, diferentes tipos de atomización, accesorios mecánicos y eléctricos, conexiones,

motores y bombas utilizados en alimentación, secado y extracción del producto, opciones

para eliminación del agua en el sólido a utilizar, alternativas para calentamiento del gas (si

fuera el caso), así como diferentes tipos de estructuras de soporte para el equipo, etc.

II) Se busco la asesoría con los especialistas en el área y con las empresas dedicadas al

diseño de equipo industrial lo cual fue de gran ayuda en cuanto a la futura elección de los

materiales, calibres y geometría adecuados para el secador, pero no así para el diseño

del mismo.

III) Para proseguir se determino cambiar de estrategia utilizando esta vez el escalado como

técnica para el dimensionamiento de la unidad, combinándolo con practicas a prueba y

error utilizando herramientas y accesorios que simulaban el proceso lo más cercano

posible a la realidad.

IV) Una vez establecidas las dimensiones y el tipo de espréa para el pulverizado y la cámara

de secado, se determinó la opción para el calentamiento del aire (resistencias eléctricas

en este caso) adaptándolas estratégicamente en el brazo tangencial a la cámara de

82

secado, simultáneamente y de acuerdo a sus características y las de los resistores

eléctricos, se instaló el motor de aireación (proporcionado por el Laboratorio de

Operaciones Unitarias).

V) Posteriormente y acorde a las necesidades de la cámara de secado, se dimensionó la

estructura de soporte y la correcta ubicación para el motor de extracción, así como las

conexiones, el cición de separación de polvos (proporcionado por el Laboratorio de

Operaciones Unitarias) y demás accesorios mecánicos y eléctricos.

VI) Una vez terminado el esbozo, se realizó el plano completo de la unidad de secado por

aspersión con las características necesarias para enviarlo al fabricante e iniciar con el

armado una vez entregadas las piezas. En términos generales, dicho plano no solo ofrece

una visión más detallada del secador, sino que favorece una mejor comprensión sobre su

construcción y funcionamiento.

2. Aun cuando varias empresas y expertos en el área brindaron cierta asesoría al respecto, las

patentes de diseño industrial por parte de las empresas y la escasa información empírica con la

cual se contaba referente al tema, limitaban la investigación y con ello la posibilidad de avanzar

con el objetivo planteado inicialmente, motivo por el cual se optó por cambiar de estrategia y

continuar con el proyecto, para tal efecto la alternativa siguiente sería el escalado.

3. La escala 13:1 fue considerada como la mejor opción para su construcción, debido a que esta

relación resultaba la más viable respecto al costo de los materiales y accesorios presentes en el

mercado en ese momento. Además de ofrecer las dimensiones apropiadas para su operación, así

como la manipulación en cuanto al ensamblado y transporte en caso de ser necesario.

4. En la construcción de la cámara referente a éste proyecto se utilizó acero inoxidable 304 calibre

12, no obstante, para la construcción de futuras cámaras prototipo puede utilizarse un calibre más

pequeño, por ejemplo, calibre 14 ó 16 también funcionarán de manera eficiente.

5. La unidad de secado fue construida y adaptados los parámetros, según las pruebas realizadas,

para trabajar específicamente en el secado de huevo con una eficiencia superior al 93%, sin

embrago, para comparar la eficiencia del equipo en diferentes materiales, se realizaron pruebas

83

con leche en polvo y almidón, mostrando eficiencias del 52% y 80% respectivamente. También es

posible utilizar el secador por aspersión, para la deshidratación de otros materiales, investigando

para ellos, los parámetros adecuados mediante las pruebas mencionadas en la sección 5.1 sin

embargo, no se profundizó en el tema debido a que ese no era el propósito del proyecto.

6. Aun en la actualidad no es posible construir una unidad de secado por aspersión con el propósito

de secar diferentes tipos de materiales funcionando de manera óptima para cada uno de ellos.

Esto se debe a que las propiedades fisicoquímicas, son diferentes en cada uno y son

específicamente éstas propiedades, las que se toman en cuenta para la construcción de la

cámara, sin tal consideración, las características de construcción variaran significativamente, sin

importar si dicha cámara será para un modelo prototipo, o para uno a gran escala. Motivo por el

cual se recomienda tolerancia ante los resultados obtenidos, en caso de utilizar un material a

secar, diferente al recomendado en el proyecto.

7. La tubería para obtención de polvos en la parte baja de la cámara, se conecta al motor que hace

la función de succión, mediante una segunda tolva cónica y el motor a su vez al ciclón de

separación de polvos como lo ilustra la Figura 8.1.

8. Una manera de reducir los choques térmicos en la cámara de secado, seria disminuir la cantidad

de flujo atomizado, posiblemente con una boquilla con diámetro de orificio más pequeño,

incrementando con ello los tiempos de atomización, y ayudando con de esta manera a establecer

el proceso de secado en régimen mas continuo.

a) b)

Figura 8.1 Conexiones: a) vista anterior. b) vista aérea

84

9. El ciclón de separación puede adaptarse para conectarlo directamente a la salida inferior donde se

ubica la válvula de mariposa y la tubería lateral cancelarse o en su defecto utilizarla para

obtención de muestras.

10. Se recomienda cubrir con una tela protectora el recubrimiento de lana mineral para evitar el

contacto con el operador del secador, debido a las molestias que provoca en la piel.

11. Es necesario aislar completamente las conexiones de los polos en las resistencias eléctricas como

se muestra en el recuadro de la Figura 8.2.

Figura 8.2 Ilustración de las terminales eléctricas en las resistencias en la parte inferior del brazo tangencial con recubrimiento de lana mineral.

BIBLIOGRAFÍA

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2. Felder, R., Rousseau, I., (2010) Principios Elementales de los Procesos químicos, Editorial

Limusa Wiley, México.

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México.

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6. Howard, F. R., (1988) Ingeniería de Proyectos, Editorial Continental S.A de C.V, México.

85

7. Incropera, P. F., Dewitt, P. D., Bergman, L. T., Lavine, S. A., (2007) Fundamentals of Heat and

Mass Transfer, Editorial John Wiley and Sons, U.S.A.

8. Kern, D., (2001) Procesos de Transferencia de Calor, Editorial CECSA, México.

9. Marshall, W., (1954) Atomization and Spray Drying (Chem. Eng. Monograph), Editorial Butterworth

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10. Martínez de la C. P., (2004) Operaciones de Separación en Ingeniería Química (Métodos de

Cálculo), Editorial Pearson (Prentice Hall), España.

11. Mc Cabe W. L., (2007) Operaciones Unitarias en Ingeniería Química, Editorial Mc Graw Hill,

España.

12. Nonhebel, G., (1979) El Secado de Sólidos en la Industria Química, Editorial Reverté S. A.,

España.

13. Perry, H. R., (2010) Manual del Ingeniero Químico, Editorial Mc Graw Hill, España.

14. Walas, M. S., (1990) Chemical Process Equipment, Editorial Butterworth Heinemann, U.S.A.

15. Welty, R. J., Wicks, E. CH., Wilson, E. R., (2010) Fundamentos de Transferencia de Momento,

Calor y Masa, Editorial Limusa Wiley, España.

86

ANEXO

87

ANEXO I

DATOS Y NOMENCLATURA PARA LA SECCIÓN 5.2

Flujo AT ( A )(° K )=298 X H 2O(A)

=? X A .S( A)

=? X Sol (A)

=?

Flujo Aire( A )=4.953 ¿s

Volumensolución=305mlMasasolución=310.032gr

ρ solución=1.0165grml

P|(A )|=6.608 atmFlujo BT (B )(° K )=378 X H 2O(B)

=?X A .S( B)

=?

ρAire 378° K=0.93496gr¿

H .R .(B )=5% Velocidad del Aire(B )=12.58

ms

Diámetro tubería=2.75Pvap H 2O (378 °K )=1.2 ¿

Atomizadode solución=2.1mls

H .R .( A)=33 %

Flujo CT (C) (° K )=354.15X H 2O(C)

=? X A .S(C)

=? X Sol(C )

=?

ρAire 354°K=0.99982

gr¿

H .R .(C)=35.22 % Nomenclatura:

n=Flujo A , BóCT (n ) (° K )=Temperaturaen grados kelvin , del componentenX H 2O(n)

=Fracciónmásicadel agua , enel componente nX A .S( n)

=¿ Fracciónmásica del aire seco, enel componente nX Sol(n)

=Fracciónmásicadel sólido , enel componente nH .R .(n)=Humedad relativadel aire , enel componentenρ x (°K )=¿ Densidad de un fluido x a cierta temperatura en grados kelvinPvap H 2O (° K )=Presionvapor del aguaacierta temperaturaengrados kelvinP|(n)|=Presiónabsolutaenel componente nFlujo A=aire+agua+solución dehuevo

88

FlujoB=aire+aguaFlujoC=aire+agua+sólidosde huevoANEXO I (CONTINUACIÓN)

ΔU=Energía interna;ΔEk=Energía cinética; ΔE p=Energía potencial;ΔH=Entalpía; Q=Calor transferido;W=Trabajorealizado;

Tabla de capacidades caloríficas de los componentes, en los flujos A,B y C.

Material C p(C)354 ᵒKKJ /Kg C p( A )298ᵒK KJ /Kg C p(B )378ᵒK KJ /Kg

Aire 357.186 299.430 299.430

Agua 2643.700 2547.200 2547.200

Solución de huevo 1125.720 947.64

89

ANEXO II

PLANO DEL SECADOR

POR ASPERSIÓN

90