Proceso de secado de sólidos

El proceso de secado consiste en la remoción de un líquido de un material por la aplicación de calor. Este se logra por la transferencia de un líquido de una superficie de un material a un gas no saturado. El proceso de secado se diferencia del proceso de evaporación en que en este último la cantidad de líquido removido del sólido es mayor que el secado.

Aplicaciones del proceso de secado: ( Para, como y donde se puede utilizar)

- Como operación unitaria después del proceso de granulación húmeda (para elaborar cápsulas, polvos o tabletas).

- En la producción de algunos materiales (ejemplo: preparación de hidróxido de aluminio y lactosa seca, y en la preparación de extractos en polvo).

- En la reducción del volumen y peso de los materiales (disminución del costo por transporte y almacenamiento)

- Ayuda a la conservación y estabilidad de productos animales y vegetales para disminuir el crecimiento de hongos y bacterias.

- Para volver al producto más estable, especialmente en productos como polvos higroscópicos, sales efervescentes, aspirina, penicilinas y ácido Ascórbico. Una vez eliminada el agua, el producto se mantiene a bajos niveles de humedad con ayuda de agentes desecantes o por impermeabilidad del empaque.

CONTENIDO DE HUMEDAD ( material de que esta hecho)

En los materiales existen poros, los cuales encuentran en la intemperie y pueden estar llenos con agua, estos poseen un grado de humedad, el cual es de gran importancia ya que de ésta dependen las características del material.

El contenido de humedad de una materia suele expresarse como porcentaje en peso respecto al material seco.

Humedad = masa del liquido / masa del sólido seco

a) Humedad de equilibrio (X ْ.) - es el contenido de humedad de un material que está en equilibrio con un aire de ciertas características. Si modificamos la humedad del aire o su temperatura, no cambia el valor de humedad del equilibrio del material.

b) Humedad libre (XL) -es la humedad que un material contiene en exceso sobre el valor de humedad de equilibrio.

c) Humedad limite.- es la humedad del material, cuya presión de vapor que ejerza sea menor que la que corresponda al agua a esa temperatura. Esta humedad puede estar de diversas maneras: adsorbida en superficies interiores, retenida en pequeños capilares , formando una solución sólida con el sólido con fugacidades menores que las del líquido puro, en forma de solución de ciertos materiales solubles que contenga el sólido .

d) Humedad no limite.- es la humedad ejerce una presión de vapor igual a la del agua pura a la temperatura en cuestión

Etapas del secado (partes que lo conforman)

1. Se parte de una o varias partículas de sólido pesadas (masa inicial conocida, mo) y del que se conoce su humedad inicial, sus datos de equilibrio. Siempre es una pequeña cantidad.

2. Se exponen a una corriente de aire de características conocidas: velocidad G, humedad ϕy temperatura T.

3. El caudal de gas es lo suficientemente grande como para que la presencia del sólido húmedo no altere las características de la corriente de aire. (No es difícil porque se pone poco sólido).

4. Se deja avanzar el secado y se registra el peso del sólido a intervalos regulares, de forma que se obtienen datos de masa m frente a tiempo t.

http://www.itescam.edu.mx/principal/sylabus/fpdb/recursos/r46891.PDF

Mecanismo de Secado (Funcionamiento)

Hay dos métodos para remover la humedad:

Evaporación: Esta ocurre cuando la presión del vapor de la humedad en la superficie del sólido es igual a la presión parcial del agua en el aire. Esto se debe al aumento de la temperatura de la humedad hasta el punto de ebullición. Si el material que está siendo secado es sensible al calor, entonces la temperatura a la cual la evaporación ocurre puede ser disminuida, bajando la presión (evaporación a vacío). Si la presión disminuye más allá del punto triple, entonces la fase líquida no puede existir y la humedad en el producto es congelada

Vaporización: El secado es llevado a cabo por convección, pasando aire caliente sobre el producto. El aire es enfriado por el producto y la humedad es transferida hacia el aire. En este caso la presión del vapor de la humedad sobre el sólido es menor que la presión parcial del agua en el aire

Tipos y calcificación de secadores industriales.

Humedad higroscópica, la velocidad de secado disminuye, principalmente debido a la retención de la superficie de evaporación (región de control de difusión interna). Debido a que el efecto de enfriamiento de evaporación cesa, la temperatura de la superficie del material gradualmente aumenta casi hasta la temperatura del agente de secado.

Una amplia variedad de diseños de secadores se han construido, con el objetivo de crear un eficiente sistema de secado. Para poder encontrar una clasificación adecuada de los secadores, primero es necesario definir como son suministrados los requerimientos térmicos y los secadores con los que se cuentan actualmente.

En primer lugar, el calor se debe transferir al material mojado, para promover la operación de secado. El calor puede ser aplicado por uno o más de los siguientes métodos:

1. Convección, donde el medio calorífico, usualmente aire o productos de combustión, se encuentran en contacto directo con el material mojado.

2. Conducción, donde el calor es transmitido indirectamente por contacto del material mojado y una superficie caliente.

3. Radiación, donde el calor se transmite directamente y sólo de un cuerpo caliente al material mojado, por radiación de calor

Más conciso, los secadores industriales, se encuentran ubicados en dos categorías principales, secadores de convección y secadores de conducción. Estos secadores tomarán forma de secadores tipo lote o alternativamente secadores continuos. En la siguiente figura se muestra los diferentes tipos de secadores que existen.

Clasificación de secadores industriales.

5-Variación en el proceso de secado de sólidos

Curvas de régimen de secado.

Se puede obtener abundante información si se convierten los datos a regímenes de secado, expresados como N (lb de humedad evaporada/ h· pie2), y se lleva a un gráfico en función del contenido de humedad. Se puede hacer esto midiendo las pendientes a las tangentes trazadas a la curva de humedad contra tiempo, o por medio de la determinación en base a la curva, de pequeños cambios D x en el contenido de humedad para los correspondientes cambios en el tiempo D t y calculando el régimen de secado como: N= -Ls· D x/ A·D t. Donde Ls es el peso del sólido seco y A es la superficie húmeda sobre la que sopla el gas y a través de la cual se lleva a cabo la evaporación en el caso del secado con circulación cruzada de aire.

Figura 3. Curva de velocidad de secado vs humedad.

Generalmente se pueden apreciar dos partes notorias de la curva de régimen de secado: un período de régimen constante y uno de caída de régimen, aunque teóricamente existen o se pueden apreciar tres etapas del proceso o períodos de secado.

Etapa A-B: Es una etapa de calentamiento (o enfriamiento) inicial del sólido normalmente de poca duración en la cual la evaporación no es significativa por su intensidad ni por su cantidad. En esta etapa el sólido se calienta desde la temperatura ambiente hasta que se alcance el equilibrio entre el enfriamiento por evaporación y la absorción de calor de los gases. Este equilibrio se alcanza a la temperatura de bulbo húmedo del gas.

Etapa B-C: Es el llamado primer período de secado o período de velocidad de secado constante; donde se evapora la humedad libre o no ligada del material y predominan las condiciones externas. En este período el sólido tiene un comportamiento no higroscópico. La velocidad de secado se mantiene constante si el gas tiene un estado estacionario y en general depende solo de las propiedades y velocidad del mismo. Si durante el proceso, el gas se enfría, la velocidad de secado decrece pero sigue en esta zona dependiendo de factores externos al sólido. Durante este período la temperatura del sólido se mantiene igual a la de bulbo húmedo del gas, ya que se mantiene el equilibrio alcanzado al final de la etapa de calentamiento.

Etapa C-E: Es el segundo período de secado o período de velocidad de secado decreciente; donde se evapora la humedad ligada del material y predominan las condiciones internas o las características internas y externas simultáneamente. En estas condiciones el sólido tiene un comportamiento higroscópico. Durante el período, la temperatura del material sobrepasa la de bulbo húmedo debido a que el descenso de la velocidad de secado rompe el equilibrio térmico que mantiene estable la temperatura y una parte considerable del calor se emplea en un calentamiento del sólido. Ahora la humedad deberá ser extraída del interior del material con el consiguiente incremento de la resistencia a la evaporación.

Este período de velocidad decreciente puede dividirse en dos partes, con diferentes comportamientos de la velocidad de secado, la cual decrece cada vez mas al diminuir la humedad del sólido. Esto implica dos modelo de secado diferente en dicha zona.

De esta forma el modelo que permite realizar el ajuste a las curvas y estimar el tiempo de secado es el siguiente:

Este método ha sido probado en la práctica para el estudio de la cinética de secado de sólidos porosos y capiloporosos.

Novoa (1995) estima el coeficiente de transferencia de masa mediante la expresión:

Kg = ms·k·( xi - xeq)/A

donde:

k = coeficiente de velocidad de secado (min-1)

Kg = coeficiente de transferencia de masa (kg/m2 · min)

ms = peso del material seco( kg)

xi = humedad del material en un instante de tiempo ( kg/kg)

xeq = humedad de equilibrio ( kg/kg)

x1eq = contenido de humedad del material durante el período inicial de secado o humedad crítica ( kg/kg)

x0 = humedad inicial del material ( kg/kg)

(Que entra y que sale )

Técnicamente todos los producto que se pueda bombear (en solución acuosa o alcohólica), pulverulentos o en trozos de tamaño reducido permitiendo un depósito y una descarga a granel, están adaptados a esta tecnología. Cualitativamente, todos los productos termo sensibles, sensibles a la oxidación o macro biológicamente sensibles (flora por preservar o incluyendo un riesgo de fermentación), pueden ser tratados con esta tecnología.

Partes que conforman el proceso de secado de solido.

Para varios materiales con un contenido de humedad superior al 30% el líquido llena todas las micro capilaridades (r < 10-7 m) y la mayoría de las macro capilaridades (r > 10-7 m), y esto ocurre en la superficie del material en la forma de una delgada capa de Agua. En este caso, el líquido evaporado penetra –por difusión molecular- a través de la capa límite de gas hacia la base del vapor de gas donde la difusión conectiva de humedad tiene lugar.

Si el contenido de humedad es más alto que el contenido de humedad higroscópica, el vapor de agua cerca de la superficie se satura, y así la temperatura de la superficie del material (para secado conectivo) es igual a la temperatura de bulbo húmedo. La velocidad de secado es casi constante porque la intensidad de secado es igual a la intensidad de evaporación de la superficie libre hacia el líquido (región de control de capa limite).

Cuando la capa de líquido es completamente evaporada, el proceso de evaporación empieza al final de las capilaridades. Luego, la intensidad de secado puede ser mayor que la de la capa de líquido. Si el contenido de humedad es menor que la humedad higroscópica, la velocidad de secado disminuye, principalmente debido a la retención de la superficie de evaporación (región de control de difusión interna). Debido a que el efecto de enfriamiento de evaporación cesa, la temperatura de la superficie del material gradualmente aumenta casi hasta la temperatura del agente de secado.