UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA

FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA Y TEXTIL

Escuela Profesional de Ingeniería Química

Laboratorio de Operaciones Unitarias II

PI 136 B

Práctica de Laboratorio N°2

SECADO POR ATOMIZACIÓNProfesor: Ing. Enrique Filiberto Neira Montoya

GRUPO “B”

Condori Llacta, Alex Renzo 20114099K

Depaz Benavente, Franz Silvano 20110129B

Lima, 24/09/2015

Contenido

Página

RESUMEN............................................................................................................................................ ii

INTRODUCCIÓN................................................................................................................................ iii

1. Fundamento teórico.....................................................................................................................1

2. Objetivos.......................................................................................................................................1

3. Metodología..................................................................................................................................1

4. Resultados....................................................................................................................................2

5. Discusión de Resultados............................................................................................................4

6. Conclusiones................................................................................................................................4

7. Bibliografía....................................................................................................................................4

8. Apéndice.......................................................................................................................................4

8.1. Diagrama de Equipo.................................................................................................4

8.2. Datos de Laboratorio...............................................................................................4

8.3. Muestra de cálculo...................................................................................................4

i

RESUMEN

RESUMEN

En el presente trabajo de laboratorio se desarrolla el proceso de operación unitaria de SECADO por atomización; para nuestro fin, usaremos el aire del medio ambiente, para generar una atmosfera de secado dentro del equipo, específicamente en la cámara de secado, el previo calentamiento y control de la temperatura del aire antes de entrar a la cámara será importante, ya que a través de él nos será más rápido y óptimo el secado.El material a secar será leche comercial, que se introducirá al equipo de secado por la parte superior, luego el será dispersado por el atomizador, entrando así a la cámara de secado, donde se dará el contacto y la transferencia de masa entre el aire caliente y la leche atomizada.La parte seca saldrá por la parte inferior del equipo de secado.

ABSTRAC

In this laboratory work unit operation process spray drying takes place; for our purposes, we'll use the ambient air to generate an atmosphere of dried within the team, specifically in the drying chamber, preheating and control of air temperature before entering the chamber will be important, since through it we will be faster and optimum drying.The material to be dried is commercial milk, to be introduced to the drying equipment top, then it will be dispersed by the atomizer, thereby entering the drying chamber, where it will contact and mass transfer between the hot air atomized and milk.The dry side will come out the bottom of the drying equipment.

INTRODUCCIÓN

ii

El proceso de secado por atomización es una operación básica que consiste en la transformación de una suspensión o disolución en un material seco particulado, mediante la atomización del primero en un medio caliente y seco. El secado por atomización de gotas es utilizado en muchas aplicaciones industriales de los sectores cerámico, químico, alimentario, farmacéutico. Cada proceso industrial y uso posterior del polvo atomizado obtenido requiere de unas propiedades determinadas, que sean óptimas para la aplicación en cuestión.

Las características del polvo atomizado resultante del proceso de secado por atomización vienen determinadas, para cada instalación industrial, por varios factores. Dentro de las variables que influyen en el proceso se puede distinguir entre aquellas propias de la suspensión: densidad de la suspensión, contenido en sólidos, viscosidad, tensión superficial, temperatura de la suspensión, estado de desfloculación y distribución de tamaños de partícula de las materias primas; y las del equipo de secado: temperatura, caudal y humedad relativa del aire de secado, presión de inyección y el diámetro de salida del inyector.

De las etapas presentes en el proceso de secado por atomización, es durante la evaporación cuando tienen lugar todas las transformaciones físico-estructurales que confieren al gránulo la microestructura y geometría final y por lo tanto determina sus propiedades físicas. Es por esto que el estudio de dicha etapa resulta de gran interés con el fin de poder controlar y predecir las características del material resultante.

iii

SECADO POR ATOMIZACIÓN

1. Fundamento teórico

La operación de secado es una operación de transferencia de masa de contacto gas- sólido, donde la humedad contenida en el sólido se transfiere por evaporación hacia la fase gaseosa, en base a la diferencia entre la presión de vapor ejercida por el sólido húmedo y la presión parcial de vapor de la corriente gaseosa. Cuando estas dos presiones se igualan, se dice que el sólido y el gas están en equilibrio y el proceso de secado cesa.Esta operación se utiliza ampliamente en la tecnología química y es muy común que sea la última operación en la producción precedente a la salida del producto resultante. Es evidente que la eliminación de agua o en general de líquidos existentes en sólidos es más económica por acción mecánica que por acción térmica. La dificultad de los medios mecánicos surge cuando los productos finales y gran número de productos intermedios deben cumplir especificaciones rigurosas en cuanto a la humedad final. Habitualmente una centrífuga trabajando con grandes cargas de sólido húmedo dejará humedades en torno al 10-20 %, aunque en casos excepcionales como la sal común o cloruro sódico se puede alcanzar el 1 %

Este tipo de secado incluye la atomización del alimento en un medio de secado en el que se elimina la humedad por evaporación. El secado se realiza hasta que se llega al nivel de humedad fijado para el producto. Este secado se controla por las condiciones de flujo y temperatura, tanto del producto como del aire de entrada.

Figura 1. Ciclo abierto, secado por atomización

Los tipos de secadores, la distancia que recorre una gota hasta que se ve afectada por completo por el aire depende del tamaño, forma y densidad de la misma. Los atomizadores ordinarios son más independientes del flujo de aire, mientras que en los

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atomizadores finos debe considerarse el flujo de aire. El movimiento de la atomización se puede clasificar de acuerdo al diseño del secadero como equicorriente, contracorriente o flujo mezclado.

Figura 2. Clasificación de secadores por medio corriente de la atomización

Cambios microestructurales

A medida que transcurre el proceso de secado y se modifica la humedad de la gota, tienen lugar una serie de transformaciones que confieren al gránulo unas determinadas características morfológicas y microestructurales. Durante el primer periodo de secado, debido a que la energía superficial de la interfase sólido-vapor es mayor que la correspondiente a la interfase líquido-vapor, las partículas se desplazan hacia el interior de la gota para minimizar la energía superficial. Esta migración de sólido favorece que la superficie de la gota se encuentre saturada de humedad prolongándose el primer periodo de secado. Si la velocidad de reordenación de partículas hacia el centro de la gota es mucho más lenta que el secado, se alcanzará una situación en la que la superficie no puede conservar la condición de saturación y las partículas

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Figura 3. (a) Variación de la humedad con el tiempo. (b) Evolución de la temperatura de la gota durante el secado

Colapsan formando una costra. A partir de ese instante el gránulo deja de contraer, se inicia el segundo periodo de secado y la humedad presente en el gránulo corresponde a la humedad crítica. A medida que la costra empieza a formarse se genera una fuerza capilar debido a los meniscos de líquido entre partículas que hacen que éstas se aproximen y se mantengan unidas en la superficie. Por otra parte, cuando una cantidad pequeña de agua se evapora se transmite un flujo de calor desde la superficie de la gota hasta el aire. En la superficie se crean gradientes locales de temperatura que causan el desplazamiento termoforético de las partículas hacia la interfase líquido-vapor debido al enfriamiento por evaporación, provocando la acumulación de partículas en la interfase. De esta forma, durante el segundo periodo de secado el retroceso del plano de evaporación provoca un aumento de la densidad de partículas en la superficie, y la costra crece progresivamente desde la superficie del gránulo hacia el interior como resultado de la incorporación progresiva de partículas a la costra. La formación de gránulos huecos con poro central o gránulos compactos depende de que las partículas tengan la capacidad y el tiempo necesario para reordenarse.

Figura 4. Formación de gránulos (a) huecos y (b) compactos durante el proceso de secado.

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2. Objetivos

3. Metodología

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Página 5

4. Discusión de Resultados

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5. Conclusiones

6. Bibliografía

http://www.sc.ehu.es/nmwmigaj/CartaPsy.htm

https://books.google.com.pe/books?

id=bW_ULacGBZMC&pg=PA260&lpg=PA260&dq=calor+especifico+de+la+leche+en+polvo

&source=bl&ots=QMWp9664lt&sig=HBu1pJojJUrE5lAjBYtjtiA2D6c&hl=es-

419&sa=X&ved=0CBoQ6AEwAGoVChMI6vG1vNeGyAIVi8yACh1FDgN1#v=onepage&q=cal

or%20especifico%20de%20la%20leche%20en%20polvo&f=false

http://www.esi2.us.es/~jfc/Descargas/TC/Coleccion_tablas_graficas_TC.pdf

7. Apéndice

7.1. Diagrama de Equipo

0 200 400 600 800 1000 12000

10

20

30

40

50

60

70

Temperatura de B. húmedo - B. seco vs Tiempo

T.b.húmedo (°C) T.b.seco (°C)

Tiempo (s)

Tem

pera

tura

(°C)

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7.2. Datos de Laboratorio

Tabla N° 1: Datos de operación

T. Ambiente a bulbo húmedo (°C) 17T. Ambiente a bulbo seco (°C) 22

Velocidad de salida del aire (m/s) 3.7Flujo de entrada de la leche (mL/s) 0.1373

Masa de frasco (g) 482Masa de leche en polvo (g) 57

Densidad de la leche (Kg/m3) 1120.00

Densidad de agua (Kg/m3) 997.86Viscosidad de la leche (Kg/m.s) 0.0095

Viscosidad del agua (Kg/m.s) 0.0010Tensión superficial de la leche

(dina/cm)72.27

Tensión superficial del agua (dina/cm) 72.44Presión del aire comprimido (kg/cm2) 4

Velocidad de giro del rodete (rpm) 32800

Tabla N° 2: Temperaturas de bulbo húmedo y seco

Tiempo (s)

T.b.húmedo (°C)

T.b.seco (°C)

Tiempo (s)

T.b.húmedo (°C)

T.b.seco (°C)

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0 17 22 1062 28.5 51107 25 65 1167 28.5 50193 26 62 1240 29 49255 26 60 1322 29 48310 28 60 1387 28 48351 27 59 1440 29 47426 26 58 1484 29 47538 27 55 1543 29 47623 28 50 1699 28.5 46671 29 54 1894 28 46804 28 52 1977 27 45867 29 52 2079 27 45919 29 52 2150 28 45987 29 52

Tabla N° 3: Datos para el modelo de Friedman

Número de revoluciones por minuto N (rpm)

30800

Viscosidad de la leche (lb/pie-min) 0.383tensión superficial de la leche (lb/min2) 573.58

densidad de la leche (lb/pie3) 69.9194

Número de ventanas por altura Nh (pie) 0.44radio del rodete (r) 0.082

Alimentación de leche (Ml) 0.0203Carga del líquido en la ventana (Mp) 0.0461

Tabla N° 4: Datos para el modelo de Herring y Marshall

Ml (lb/min) 0.0203(Ml)^0,24 0,392N (rpm) 30800.00d (pulg) 1,97

(N*d)^0,83 9330.48n 24

h (pulg) 0,22(nh)^0,12 1.2210

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7.3. Cálculos y resultados

a. Determinación de las propiedades físicas a requerir.

Densidad.

La densidad de la leche se calculó mediante el uso de un densímetro. La densidad del agua a

22 °C se encuentra en tablas.

Viscosidad

La viscosidad de la leche se determinó a partir de la siguiente relación:

μ1=μ2xt 1t 2

Dónde:

o t1: tiempo para la leche

o t2: tiempo para el agua

o μ1: viscosidad de la leche

o μ2: viscosidad del agua

Todos los datos fueron evaluados a 22°C.

Tensión superficial.

La tensión superficial de la leche se determinó a partir de la siguiente relación:

σ 1=σ 2xh1h2

xρ1ρ2

Dónde:

o σ 1: tensión superficial para la leche

o σ 2: tensión superficial para el agua

o h1: altura que se eleva en la leche

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o h2: altura que se eleva en el agua

o ρ1: densidad de la leche

o ρ2: viscosidad del agua

Todos los datos fueron evaluados a 22°C.

Los resultados son descritos en la tabla N°.

b. Determinación de la humedad y temperatura de saturación adiabática.

A partir de la carta psicrométrica y con los siguientes datos, se procede a determinar los

siguientes valores:

Temperatura de bulbo seco del aire de alimentación (To): 22 °C

Temperatura de bulbo húmedo del aire de alimentación (Tho): 17 °C

Humedad de la alimentación (H1):

H 1=0.01005KgdeaguaKgdeaire

Como se conoce la temperatura de entrada a la cámara de secado T 1=160° C, se procede,

a determinar la temperatura de saturación adiabática:

Tsat1−2=43.5034 °C

Se sigue la curva de saturación adiabática, hasta intersectar con la temperatura de bulbo

seco a la salida de la cámara de secado:

H 2=0.05904KgdeaguaKgde aire

c. Determinación del flujo de entrada de gas (G) – caso adiabático.

Partiendo del balance de masa de agua siguiente:

E−S+G=A (Ecuación debalance general )G=0 , A=0

E=S

G xH 1+Ma x (1−Xs )=Gx H 2+Mp x Xh

Dónde:

o G: Flujo de aire seco

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o H1: Humedad relativa de las condiciones de entrada al secador

o H2: Humedad relativa de las condiciones de salida al secador

o Ma: Flujo de alimentación a secar

o Mp: Flujo del producto secado

o Xs: Fracción en peso de sólidos en Ma

o Xh: Fracción en peso de agua en Mp

Dado que se conoce Ma:

Ma=Q x ρ=0.1373mLs

x1120.00Kgm 3

=0.000153776Kgs

La fracción en peso de agua de los sólidos a la salida de equipo de secado, se asumirá

cercano a cero (Xh≈0¿, lo cual se tomará como una consideración práctica.

Reemplazando:

G x0.01005+Ma x (1−0.25 )=G x0.05904+Mp x Xh

Pero como se conoce la relación siguiente:

Mp x (1−Xh )=Ma x Xs

G x (0.05904−0.01005 )=0.0001153776Kgs

x ( 1−0.25−01−0

)

G=0.00177Kgs

deaire a laentrada(aprox .)

d. Determinación del flujo de entrada de gas (G) – caso no adiabático.

Para la determinación del G, se requerirá el uso de la siguiente ecuación:

G 1x H 1+Ma x H a=G 2 x H 2+Mp xH p+Qperdidas

Para determinar cada uno de los términos se recurre a las siguientes expresiones:

G 1H 1=G( (Caire+H 1Cagua) (T 1−T R )+H 1 λagua aTR)

G 2H 2=G ((Caire+H 2Cagua) (T 2−T R )+H 2 λaguaaT R)

MaH a=MaXsCs (T A−T R )+Ma (1−Xs )Cagua¿ (T A−T R)

Si T A=T R→MaH a=0

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MpH p=Mp (1−Xh )Cs (T2bh−T A )+Mp XhCagua¿ (T2bh−T A)

MpH p=Mp (T2bh−T A ) ((1−Xh )Cs+XhCagua¿ )

Asumiendo:

Qperdidas=Z G(T 1−T0)(Caire+H 1Cagua)

G 1H 1=G( (1.016+0.01005 x1.977 ) (160−22 )+0.01005 x2448.6)

G 1H 1=167.5583G

G 2H 2=G ((1.007+H 2x 1.912 ) ( 45−22 )+H 2 x2448.6)

G 2H 2=2492.576GH 2+1.007G

MpH p=Mp (43.54−22 ) ( (1−0 ) x 0.3 )=6.462Mp

Para el valor de Z se considera un 10%.

Qperdidas=Z G (160−22 ) (1.0075+0.01005 x1.8669 )=14.1624G

En la ecuación global se tiene:

167.4056G=2492.576GH 2+1.007G+6.462x 0.000038444+14.1624G

152.2362G=2492.576GH 2+0.0002484(1)

Además:

G (H 2−0.01005 )=0.0000153776 x 0.751

(2)

Al resolver ambas ecuaciones se obtiene:

H 2=0.06064KgdeaguaKgde aire

G=0.000228Kgs

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e. Determinación de los índices de eficiencia del proceso.

Eficiencia térmica global.

Egb=T 1−T 2T 1−T 0

x 100 %=160−45160−22

x100 %=83.33 %

Eficiencia térmica ideal.

Eid= T 1−TsT 1−T 0

x 100 %=160−43.5034160−22

x 100 %=84.42 %

Eficiencia térmica evaporativa.

Eev=T 1−T 2T 1−Ts

x100 %=160−43.5034160−22

x100 %=98.72 %

Eficiencia de secado.

Es=5784

x 100 %=67.86 %

f. Cálculo y distribución del tamaño de partícula.

Por el modelo de Friedman: Para los cálculos se hará uso de los datos de la tabla

N°3 , así:

( MpρN r 2 )

0.6

=( 0.046169.9194 30800 0.0822 )

0.6

=5.0322 x10−4

( μMp

)0.2

=( 0.3830.0461

)0.2

=1.5272

( σ ρ nhMp2 )

0.1

=( 573.58 69.9194 0.440.04612 )

0.1

=4.9195

Dvs=k ' r ( MpρN r2 )

0.6

( μMp

)0.2

( σ ρ nhMp2 )

0.1

=0.37 x0.082 x 3.7807x 10−3=1.1471x 10−4 pie

Dvs=34.96micras

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D95 %=1.4 x34.96=48.94 micras

Dmax=3 x34.96=104.88micras

Por el modelo de Herring y Marshall: Para los cálculos se hará uso de los datos de

la tabla N° 4, así:

X=D x (Nd)0.83 x(nh)0.12 x10−4

Ml0.24 =2.9063 D

D=0.3441 X

Con los datos siguientes:

o d: 1.97 pulg.

o N (Velocidad del disco): 30800 rpm

o Mp (Carga del líquido en la ventana): 0.00384 lb/min.pulg.

o Vt (Velocidad tangencial): 265 pie/s

% de volumen acumulado de partículas menores que D=50%

X1/2 = 9,3

X = 86,49

% de volumen acumulado de partículas menores que D=95%

X1/2 = 12,8

X = 163,84

% de volumen acumulado de partículas menores que D=99,9%

X1/2 = 15,8

X = 249,6

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Lo cual resulta:

D50 %=29.76 micras

D95 %=56.38micras

D99 %=85.89micras

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