SECADO POR ATOMIZACIÓN

1.- Objetivos:

-Determinar el coeficiente de transferencia de calor

-Determinar el coeficiente de transferencia de masa

-Determinar el tiempo de secado

- Determinar la eficiencia del calentador

2.- Fundamento teórico:

El secado por atomización es una operación básica especialmente indicada para el secado de disoluciones y suspensiones.En nuestro estudio experimental secamos una disolución de citrato sódico en el secadero de atomización. A partir de los datos experimentales realizamos los correspondientes balances de materia y energía y estudiaremos la cinética del proceso para establecer un modelo que nos permita una simulación.La bomba de alta presión envía la solución concentrada hacia la cámara, donde se mezcla perfectamente con el aire caliente, que es enviado por un ventilador y que pasa por un calentador hasta alcanzar la temperatura de 150-250º C. A estas altas temperaturas disminuye la humedad relativa del aire, aumentando así su capacidad de absorber agua. El atomizador divide finamente la solución en pequeñísimas gotas, que se encuentran en la corriente de aire caliente dentro de la cámara de secado. El agua libre se evapora instantáneamente.El agua contenida en el interior pasa por difusión hacia la superficie de la gotita, desde donde es evaporada por el aire caliente. Las partículas de la solución nunca se llegan calentar excesivamente, ya que el calor del aire es consumido en la evaporación del agua y no en el calentamiento de dichas partículas.La solución descarga pasa a la sección de envasado. El aire pasa por un ciclón, que recupera las partículas de polvo que contenga.Como se quiere obtener un producto en polvo que se disuelva en agua de forma instantánea se deben obtener aglomerados porosos, para lo que se recurre a un sistema de atomización al que se conecta otro de fluidización. En esta instalación, el aire de secado entra y sale por la parte superior de la cámara de secado, la cual tiene forma cónica, con una sección cilíndrica de escasa longitud en la parte de arriba. Al final del cono, en su parte más estrecha, se encuentra el secador de lecho fluido. El producto se atomiza en un atomizador situado en el dispersor de aire del techo de la cámara, descendiendo en una atmósfera cargada de polvo hacia el secador de lecho fluido, donde se controla el contenido de humedad y la forma del producto.

3.- Equipos y materiales:

- 1Kg de huevos

- 1/8 de goma arabica

- Balde

- Espátula

4.- Datos y Cálculos:

Wvaso = 0.258 Kg Whuevo = 0.4751 Kg

Wvaso+ WHuevo = 0.730 Kg

Wvaso+ WHuevo+ Wgoma = 0.832 Kg Wsol = 0.574 Kg

Te = 125 ºC, Ts = 90ºC

Tiempo de alimentación = 7’30’’

Wtara+ WHuevo = 0.122 Kg Wss = 0.094 Kg

Wtara = 0.028 Kg

Diámetro de la partícula

dp= 585√ σ / v√ δL + 597(μ/ √ σ δL )0.45 (100 vL/vG)1.5 ……….(1)

Propiedades del vapor de agua a T = 218 ºC

𝜹L = 0.846 g / m3

μ = 1.30* 10-3 poises

v= 1.84 m/s

σ = 33.90 dinas / m

Reemplazando en la ecuación (1)

dp = 6.066* 10-3 m

Calculo del coeficiente de transferencia de calor

………(2)

………….. (3)

Combinando (2) y (3)

Propiedades del aire T= 218 ºC = 491 ºK

Þ = 0.72193 Kg/ m3

μ = 25.987 x 10-6 Kg / m.s

K= 0.03837 w/Km

DAB = 36.238 x 10-6 m2/ s

Cp =457857.6

Dp = 6.006*10-3 m

…….. (4)

De la ec. (4) tenemos

Re = 0.69

….. (5)

Pr = 310.095

HC = 71.7166 Kcal/ h.m.ºC

Calculo del coeficiente de transferencia de masa

……………….. (6)

……………………. (7)

……………….. (8)

De la ec (8)

Sc= 0.9894

Combinando la ec (6) y (7)

Kg = 6.7859 Kg / m2.h.ºC

Calculo de la eficiencia

EFC = Wsol húmedo – Wsol seco / Wsol húmedo * 100

EFC =0.574 -0.094 / 0.574 *100

EFC = 83.61 %

5.- Procedimiento:

- Preparar la solución y añadirla al tanque de alimentación. Primero se bate bien los huevos y después agregarle la goma arabica y mezclar bien

- Prender la bomba de alimentación

- Encender el ventilador

- Prender el comprensor

- Prender el quemador, previa apertura de la válvula de combustible( gas propano)

- Abrir la llave de agua de alimentación del dispersor

- Toma de datos. Controlar la temperatura de operación

6.- Cálculos:

1) Calculo de la humedad del Material

% sólidos totales =W ss

W sol

∗100=0.117 kg0.53 Kg

∗100=22.0754

% Humedad=100- % sólidos totales=100-22.0754= 77.9246 %

2) Calculo de la presión en la cámara de secado

5pulg H 2O * 1 pie

12 pulg *

760mmhg33.91 pie H 2O

= 9.34 mmHg

Presión Absoluta =760 mmHg - 9.34 mmHg = 0.9877 atm

3) Calculo del diámetro de la partícula de sauter

D p=585√δU √ ρL

+597 [ μ

√G. ρL]0.45[ 1000V L

V G ]1.5

Donde

D p=Diametromedio desauter (μm)D pm=Diámetro de la gota de agua (μm)

δ=Tencion superficila( dinacm

)

U=Velocidadrelativa entreel aire yel liquido ( piess )ρL=Densidad delliquido ( g

cm3 )μ=Viscosidad dinamica del liquido (Poise )V L=Gasto volumetrico delliquido

V G=gasto volumetricodel gas

Dp=585√58.65

230.84 √1.053+597[ 9.5 x10−3

√58.65 .1 .053 ]0.45

[1000 x6 x 10−7

9.076 x 10−4 ]1.5

D p=36.107μm

Dpm=3Dp

Dpm=3 (36.107 μm )=108.321 μm

4) Cálculos para hallar el coeficiente de transferencia de calor (hc)

N ℜ=D p∗V∗ρ

u

D p=Diametromedio desauter (m)V=Velocidad del gas secante (m/s)

ρ=Densidad aparente (Kgm3

)

u=viscosidad

N ℜ=(3.6107∗10−5 ) (1.84 ) (1.053 )

2.26∗1 0−5 =3.0955

hc∗D p

K=2+0.6 (N pr )

13 (Nℜ )

12

hc=(2+0.6∗(0.694 )

13 (3.0955 )

12) (0.024 )

3.4525∗10−5 =2038.5225Kcal

m2∗h∗C

5) Calculo de la difusividad

D g1=Dg2[( P1

P2)(T 2

T 1)

1/2]D g1=4∗10−5[( 760

741.32 )( 315.41399 )

1/2]D g2=4∗10−5 cm

2

s

P1=760mmHg

P2=760−9.34=741.32mmHg

T 2=375.41 K (Temperatura secante del Gas)

T 1=126+273=399 K (Temperatura de entrada del Gas)

D g1=3.7567 x10−5 cm2

s

6) Cálculos del coeficiente de transferencia de masa (K g¿

N sc=u

ρ∗D g

= 2.26∗10−5

(1.053 ) ( 3.756∗10−5 )=0.6017

Kg∗M∗DP∗P

Dg∗ρ=2+0.6 (N sc )

13 (N ℜ)

12

Kg∗(29 ) (3.4525∗10−5 ) (0.9877 )(3.767∗10−5 ) (1.053 )

=2+0.6 (0.6017 )( 1

3 )(3.2792 )

12

K g=356.61Kmol

h∗m2∗atm

7) Calculo de la Capacidad de Evaporación

W=dwdθ

=2.π .K . DP(T ent−T sal)

λ

W=2 x 0.9877 x0.0274 x 3.4525 x18.412298.8

W=4.455∗10−8 Kgh

8) Cálculo de la eficiencia de operación

% Eficiencia =0.558−0.117

0.558*100 = 79.03

Resultados

% humedad del Material

77.9246 %

Diametromediode sauter (μm)

D p=36.107μm

Diámetro de la gota de agua (μm)

108.321μm

Coeficiente de transferencia de calor (hc)

2038.5225Kcal

m2∗h∗C Difusividad

D g1=3.7567 x10−5 cm2

s Coeficiente de transferencia de masa (K g¿

K g=356.61Kmol

h∗m2∗atm Capacidad de Evaporación

W=4.455∗10−8 Kgh

Eficiencia de operación

% Eficiencia = 79.03

7.- Conclusiones:

Dado que el Numero de Reynolds es =3.0955 es un flujo Laminar. En este proceso de liquido (H2O) de la solución es eliminado por arrastre de vapor por

el aire a temperatura ligeramente mayor a la temperatura del bulbo húmedo. Prolonga la vida útil de los alimentos y reduce las perdidas. Para obtener un producto seco de mejor calidad se debe alcanzar el equilibrio entre un

nivel máximo y un mínimo de pérdida de componentes esenciales en el alimento. Además se debe de tomar en cuenta que este proceso reduce perdidas y deterioro de los alimentos

8.- Apéndice:

Dp = diámetro de la partícula hc = coeficiente de transferencia de calor Kg = coeficiente de transferencia de masa k = conductividad térmica del gas 𝜹 = densidad del aire Dg = difusividad del gas 𝜹L = densidad del liquido μL = viscosidad del liquido σ = tensión superficial Cp = capacidad calorífica del aire

9.- Bibliografía:

Principios de Operaciones Unitarias

Editorial Continental, México

1era Edición

Christie J G eankaplis

Procesos de Transporte y Operaciones Unitarias

Editorial Continental, México 1998

3era Edición