transferencia de masa ii secado · secado constituye uno de los métodos que permite separar un...

TRANSFERENCIA DE MASA II

SECADO

SECADO

Constituye uno de los

métodos que permite

separar un líquido de un

sólido.

Se entiende por secado

como la separación de

humedad de los sólidos o

de los líquidos por

evaporación en una

corriente gaseosa.

ALTERNATIVAS AL SECADO

PRENSADO.- consiste en separar

un líquido de un sistema sólido-

líquido por compresión del sistema

en condiciones que permitan que el

líquido escape mientras que el

sólido quede retenido entre las

superficies que los comprimen.

CENTRIFUGACIÓN. Consiste en

aplicar una fuerza centrífuga

suficientemente elevada, de forma

que el líquido se desplaza en la

dirección de la fuerza

produciéndose la separación.

ALTERNATIVAS AL SECADO ADSORCIÓN: consiste en la

separación de la humedad por

retención sobre un sólido

adsorbente.

EVAPORACIÓN SUPERFICIAL:

cuando el producto húmedo se

somete a la acción de una corriente

de aire caliente, el líquido se

evapora aumentando la humedad

del aire.

LIOFILIZACIÓN: el líquido a

eliminar, previamente congelado, se

separa del producto que lo contiene

mediante sublimación por

aportación de calor y vacío.

SUPERFICIE SÓLIDA

VENTAJAS

Facilitar el manejo

posterior del producto.

Permitir el empleo

satisfactorio del mismo.

Reducir el costo del

embarque.

Aumentar la capacidad de

los aparatos.

Preservar los productos

durante el almacenamiento

y transporte.

Aumentar el valor de

productos residuales.

DESVENTAJAS

Se producen cambios y

alteraciones no

necesariamente deseables

en:

la textura,

sabor,

color,

Calidad nutritiva y forma.

Es una operación que

consume mucha energía y

eso aumenta el costo del

producto terminado.

APLICACIONES INDUSTRIA

QUIMICA Partículas cristalinas de

sales inorgánicas y compuestos orgánicos.

Materiales biológicos.

Productos farmaceúticos.

Detergentes.

Papel.

Colorantes.

Leche.

Películas y recubrimientos.

Catalizadores sólidos.

DIAGRAMA DE EQUILIBRIO

CONTENIDO

DE AGUA EN

EQUILIBRIO

(KG AGUA

POR 100 KG

DE SÓLIDO

SECO)

HUMEDAD RELATIVA

LANA DE

VIDRIO

HOJA DE

TABACO

MADERA

100 0

EQUILIBRIO

La humedad contenida en un sólido húmedo ejerce una presión de vapor dependiente de la naturaleza de la humedad, de la naturaleza del sólido y de la temperatura.

Si el sólido húmedo se expone a una corriente de gas con una presión parcial del vapor, el sólido perderá humedad por evaporación, o la ganará a expensas del gas hasta que la presión de vapor de la humedad del sólido iguale a la presión parcial de dicha corriente gaseosa.

A L

EQUILIBRIO

El sólido y el gas se encuentran entonces en equilibrio, y la humedad del sólido se denomina humedad de equilibrio.

HUMEDAD RELATIVA

CONTENIDO DE

AGUA EN

EQUILIBRIO

DIAGRAMA DE EQUILIBRIO PARA

ALIMENTOS

CONTENIDO

DE AGUA EN

EQUILIBRIO

(KG AGUA

POR 100 KG

DE SÓLIDO

SECO)

HUMEDAD RELATIVA 100 0

galletas

harina

macarrones

HUMEDAD DE EQUILIBRIO

DE DIVERSOS MATERIALES Si el material contiene más

humedad que su valor de equilibrio en contacto con un gas a determinada humedad y temperatura, se secará hasta alcanzar su valor de equilibrio.

Si el material contiene menos humedad que su valor de equilibrio, adsorberá agua hasta alcanzar el valor de equilibrio.

Cuando el aire tiene 0% de humedad, el valor de la humedad de equilibrio del material es cero.

EFECTO DE LA TEMPERATURA

CONTENIDO

DE AGUA EN

EQUILIBRIO

(KG AGUA

POR 100 KG

DE SÓLIDO

SECO)

HUMEDAD RELATIVA 100 0

302 °F

219 °F

165 °F

96 °F

ISOTERMA TIPICA

Humedad

ligada

Humedad

no ligada

Humedad total

CONTENIDO

DE AGUA EN

EQUILIBRIO

(KG AGUA

POR 100 KG

DE SÓLIDO

SECO)

HUMEDAD RELATIVA 100 0

Humedad en

equilibrio

Humedad libre

Contenido de

humedad

unida

TERMINOS Contenido de humedad en base húmeda: se describe en función del porcentaje

en peso de humedad como (kg humedad / kg sólido húmedo)100 =

[(kg humedad/(kg sólido seco+ kg humedad)]100.

Contenido de humedad en base seca: se expresa como kg humedad/kg sólido

seco= X

Humedad en el equilibrio X*: es el contenido de humedad de una sustancia que

está en el equilibrio con una presión parcial dada del vapor.

Humedad ligada es la humedad contenida en una sustancia que ejerce unapresión de vapor en el equilibrio menor que la del líquido puro a la misma

temperatura.

Humedad no ligada es la humedad contenida en una sustancia que ejerce una

presión de vapor en el equilibrio igual a la del líquido puro a la misma

temperatura.

Humedad libre es la humedad contenida por una sustancia en exceso de la

humedad en el equilibrio.

AGUA COMBINADA

Esta agua en el sólido desarrolla una presión inferior a la del agua líquida a la misma temperatura.

La humedad en un poro puede tener sólidos disueltos y desarrollar una presión de vapor más baja.

El agua líquida en los capilares de diámetro muy pequeño puede desarrollar una presión de vapor más baja.

Las sustancias con agua combinada se llaman materiales higroscópicos

HUMEDAD RELATIVA

CONTENIDO

DE AGUA EN

EQUILIBRIO

Agua

combinada

AGUA NO COMBINADA

HUMEDAD RELATIVA

CONTENIDO

DE AGUA EN

EQUILIBRIO

Agua no

combinada

Si el material contiene más agua que la que indica la intersección con la línea de humedad de 100 %, sólo podrá desarrollar una presión de vapor tan alta como la del agua común a la misma temperatura.

Este exceso de humedad se llama agua no combinada y existe principalmente en los espacios vacíos en el sólido.

HISTÉRESIS

HUMEDAD EN EQUILIBRIO

ADSORCIÓN

DESORCIÓN

SATURACIÓN

RELATIVA

SÓLIDOS HÚMEDOS

SÓLIDOS CRISTALINOS

O GRANULARES

MATERIALES FIBROSOS

AMORFOS O PARECIDOS

A LOS GELES

SÓLIDOS CRISTALINOS O

GRANULARES

Son rocas trituradas,

arena, catalizadores,

dióxido de titanio.

El sólido no es afectado

por la remoción de la

humedad.

Los materiales pueden

ser secados rápidamente

a muy bajos contenidos

de humedad.

MATERIALES FIBROSOS,

AMORFOS O PARECIDOS A LOS

GELES Son sólidos orgánicos

como árboles, plantas,

vegetales, almidón,

algodón o lana.

Estos materiales son

afectados

significativamente por

la remoción de la

humedad, encogiéndose

cuando se seca e

inflamándose cuando se

humedecen.

MECANISMO DE SECADO

El secado de sólidos incluye dos procesos fundamentales y simultáneos:

1) Se transmite calor para evaporar el líquido puede tener lugar por conducción, convección y radiación.

2) Se transmite masa en forma de líquido o vapor dentro del sólido y como vapor desde la superficie.

MODOS DE

TRANSFERENCIA DE CALOR Conducción de calor a

través del sólido..

Convección desde un gas caliente en contacto con el material.

Radiación desde un gas caliente o una superficie caliente ante la presencia del material.

El calor que llega a la superficie será la suma de los anteriores.

A L

TRANSPORTE DE MATERIA

El transporte de materia

tiene lugar en sentido

opuesto a la transmisión

de calor y puede

manifestarse por

capilaridad y/o difusión

a través del sólido y por

difusión desde la

interfase hacia el seno

de la fase gaseosa.

MECANISMO INTERNO DE LA

CIRCULACION DEL LIQUIDO

Difusión en sólidos homogéneos continuos.

Flujo capilar en sólidos granulados y porosos.

Flujo provocado por gradientes de contracción y presión.

Flujo producido por gravedad.

Flujo originado por una secuencia de evaporación y condensación.

FLUJO DE

GAS

Humedad

Sólido

poroso

CURVA DE VELOCIDAD DE

SECADO Para determinar experimentalmente

la velocidad de secado de un material:

1)El material sólido se debe llenar por completo la bandeja, de manera que sólo quede expuesta a la corriente de aire de secado la superficie de dicho sólido.

2) La pérdida en peso de humedad puede determinarse a diferentes intervalos sin interrumpir la operación, colgando la bandeja de una balanza adaptada a un ducto a través del cual fluye el aire de secado

CONVERSION DE LOS

DATOS

Los datos se expresan como peso total W

del sólido húmedo a diferentes tiempos de t

horas en el período de secado.

Ws es el peso del sólido seco en

kilogramos.

osolidokg

aguadetotaleskg

W

WWX

S

S

sec..

...

CONTENIDO DE HUMEDAD

DE EQUILIBRIO

Se determina el contenido de humedad de

equilibrio X* kg humedad de equilibrio/kg

sólido seco.

X = Xt – X*

X el contenido de humedad libre en kg agua

libre/kg de sólido seco.

CURVA TIPICA DE VELOCIDAD DE

SECADO

HUMEDAD

LIBRE

X

TIEMPO

A

B

C

E D

C

X*

Sólidos muy húmedos

OBTENCION DE LOS DATOS PARA LA

CURVA DE SECADO

HUMEDAD

LIBRE

X

TIEMPO

A

B

C

E D

t1 t2

X1

X2

12

12

tt

XX

dt

dX

DETERMINAR LA

VELOCIDAD DE SECADO

dt

dX

A

LR S

R: velocidad de secado en kg agua/h.m2.

Ls : kilogramos de sólido seco

A: área superficial expuesta al secado en m2.

OTRO METODO PARA DETERMINAR

LA VELOCIDAD DE SECADO

R es el promedio y se grafica versus la

concentración promedio.

)(

)(

12

12

tt

XX

A

LR S

212 XX

X

CURVA DE VELOCIDAD DE SECADO

HUMEDAD LIBRE

VELOCIDAD

DE SECADO

XC E

D

C B

A

A´

VELOCIDAD CONSTANTE VELOCIDAD

DECRECIENTE

RC

D Período de

inducción

CURVA DE VELOCIDAD DE SECADO

EN FUNCION DEL TIEMPO

TIEMPO

VELOCIDAD

DE SECADO

D

C B

A

E

D

INFLUENCIA DE LA

NATURALEZA DEL MATERIAL

EN LA VELOCIDAD DE SECADO

PAPA

GUISANTES

HABAS

HUMEDAD

DEL SÓLIDO

TIEMPO

INFLUENCIA DE LA

TEMPERATURA EN LA

VELOCIDAD DE SECADO

T1

T2

T3

HUMEDAD

DEL SÓLIDO

TIEMPO

T1 < T2 < T3

INFLUENCIA DE LA

VELOCIDAD MÁSICA DEL AIRE

EN LA VELOCIDAD DE SECADO

G1

G2

G3

HUMEDAD

DEL SÓLIDO

TIEMPO

G1 < G2 < G3

SECADO DURANTE EL PERIODO

DE VELOCIDAD CONSTANTE

La superficie del sólido está muy mojada y sobre ella hay una película de agua continua. Esta capa de agua es agua no combinada y actúa como si el sólido no estuviera presente.

Si el sólido es poroso la mayor parte del agua proviene de su interior y continúa mientras el agua siga llegando a la superficie con la misma rapidez con la que se evapora.

HUMEDAD

LIBRE

VELOCIDAD

DE SECADO

XC E

D

C B

A

A

´

VELOCIDAD

CONSTANTE VELOCIDAD

DECRECIENTE

RC

D

PERIODO DE VELOCIDAD

CONSTANTE

FLUJO DE GAS Humedad

Sólido poroso

SECADO DURANTE EL PERIODO

DE VELOCIDAD DECRECIENTE

HUMEDAD

LIBRE

VELOCIDAD

DE SECADO

XC E

D

C B

A

A

´

VELOCIDAD

CONSTANTE VELOCIDAD

DECRECIENTE

RC

D

El punto C corresponde al contenido crítico de humedad libre Xc.

En este punto no hay suficiente agua en la superficie para mantener la película continua.

La superficie ya no está totalmente mojada, y la porción mojada comienza a disminuir durante el período de velocidad decreciente hasta que la superficie queda seca en su totalidad en el punto D.

FLUJO DE GAS

PRIMER PERIODO DE

VELOCIDAD DECRECIENTE

Humedad

Sólido poroso

SECADO DURANTE EL SEGUNDO PERIODO

DE VELOCIDAD DECRECIENTE

HUMEDAD

LIBRE

VELOCIDAD

DE SECADO

XC E

D

C B

A

A

´

VELOCIDAD

CONSTANTE VELOCIDAD

DECRECIENTE

RC

D

El segundo período de velocidad decreciente empieza en el punto D cuando la superficie está seca en su totalidad.

El plano de evaporación comienza a desplazarse con lentitud por debajo de la superficie.

El calor de evaporación se transfiere a través del sólido hasta la zona de vaporización.

El agua evaporada atraviesa el sólido para llegar hasta la corriente de aire.

FLUJO DE GAS

SEGUNDO PERIODO DE

VELOCIDAD DECRECIENTE

SECADO DURANTE EL SEGUNDO PERIODO

DE VELOCIDAD DECRECIENTE

HUMEDAD

LIBRE

VELOCIDAD

DE SECADO

XC E

D

C B

A

A

´

VELOCIDAD

CONSTANTE VELOCIDAD

DECRECIENTE

RC

D

En algunos casos no hay discontinuidad definida en el punto D y el cambio de condiciones de secado de una superficie completamente seca, es tan gradual que no se detecta punto de inflexión.

Es posible que la cantidad de humedad que se elimina durante el período de velocidad decreciente sea bastante pequeña; no obstante el tiempo requerido puede ser largo.

FLUJO DE GAS

SÓLIDO AL TERMINAR EL

SECADO

TEORIAS PARA EXPLICAR LA CURVA DE

VELOCIDAD DECRECIENTE

TEORIA DE LA DIFUSION DEL LIQUIDO.

MOVIMIENTO CAPILAR EN LOS SOLIDOS POROSOS.

HUMEDAD LIBRE

VELOCIDAD

DE SECADO

XC E

D

C B

A

A´

VELOCIDAD CONSTANTE

VELOCIDAD

DECRECIENTE

R

C

D

TEORIA DE LA DIFUSION DEL

LIQUIDO

VELOCIDAD

DE SECADO

HUMEDAD LIBRE

La difusión de la humedad

líquida se verifica cuando existe

una diferencia de concentración

entre el interior del sólido y la

superficie.

Los materiales se secan por

difusión, aunque los mecanismos

reales pueden ser bastante

complicados.

Se presenta en sólidos no

porosos, pastas, jabones, arcillas,

madera, cuero, papel, almidones,

textiles, gelatina, pegamento.

PERIODO DE VELOCIDAD DECRECIENTE

CONTROLADO POR CAPILARIDAD EN UN

SÓLIDO DE POROS FINOS

HUMEDAD LIBRE

VELOCIDAD

DE SECADO

En sólidos porosos la humedad sin combinar se desplaza a través de los capilares y espacios vacíos de los sólidos por acción capilar y no por difusión.

Las fuerzas capilares se originan por la tensión interfacial entre el agua y el sólido. Constituyen el impulso para desplazar el agua a través de los poros hasta la superficie.

En un sólido de poros finos la curva de velocidad de secado en el segundo período de velocidad decreciente puede seguir la ley de difusión.