tarea unidad v

TECNOLOGICO NACIONAL DE MEXICOINSTITUTO TECNOLOGICO DE LAZARO CARDENAS

Procesos de Separacion II

Tarea Unidad VSecado

Alumno:

Rolando Martnez Aguilar

Prof.: Zenaido Martnez Ramrez 1

Semestre Enero-Junio 2015

Lazaro Cardenas, Michoacan - 11 de junio de 2015

Fecha de entrega: 10 de Junio del 2015

1Departamento de Ingeniera Qumica y Bioqumica

INSTITUTO TECNOLOGICO DE LAZARO CARDENASTECNOLOGICO NACIONAL DE MEXICO

Ingeniera Qumica

Resumen

En el siguiente trabajo, se habla sobre la operacion unitaria del secado, el cual consistede manera general, en la remocion de cantidades de agua de un material. Se describenlas maneras en que estos pueden ser clasificados, asi como algunos tipos de secadores, loscriterios para la seleccion de alguno de estos y la cinetica que tienen estos.

1. IntroduccionEl secado, es otra operacion unitaria, consiste en separar pequenas cantidades de agua u

otro lquido de un material solido con el fin de reducir el contenido del liquido residual hastalograr un valor aceptablemente bajo. EL secado no se limita a la eliminacion del agua en unproceso industrial, tambien es usado para la remocion de liquidos organicos, como benceno odisolventes organicos. Por lo general, el secado es la etapa final de una serie de operacionesunitarias y en la mayoria de los casos el producto que se extrae en esta etapa esta listo paraser empaquetado.

Algunas veces el agua que contiene un material puede ser eliminada por medios mecanicos(prensas, centrifugas, etc..), lo cual es mas recomendable, ya que el implicar un proceso termicocomo medio para la separacion del fluido implica en la mayoria de los casos un gran costomonetario.

Los solidos que se secan presentan distintas formas (escamas, granulos, cristales, polvos,etc..), cada uno de estos presenta propiedades diversas. El lquido que se va a evaporar puedeestar sobre la superficie del solido, completamente en el interior del solido, o parte en el exteriory parte en el interior.

El secado, es tambien usado como una tecnica de preservacion de alimentos, esto se debe aque los microorganismos que provocan la descomposicion de los alimentos no pueden crecer ymultiplicarse en lugares con ausencia de agua.

Prof. Zenaido Martnez Ramrez 2 Procesos de Separacion II


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2. Tipos de secadoresNo existe una forma sencilla de clasificar un equipo de secado. Algunos secadores son con-

tinuos, otros operan de manera discontinua o por cargas; algunos mantienen en agitacion lossolidos y otros no. Para reducir la temperatura de secado puede operarse con vaco. Existensecadores que pueden operar con cualquier tipo de material, mientras que otros presentan limi-taciones debido a la clase de alimentacion que pueden aceptar.

Los equipos de secado se clasifican en:

Secadores en los que el solido se encuentra directamente expuesto a un gas caliente.

Secadores en los que el calor es transferido al solido desde un medio externo.

Secadores que son calentados por energa dielectrica, radiante o de microondas.

Los secadores que exponen los solidos a un gas caliente se llaman secadores directos oadiabaticos; aquellos en los que el calor es transferido desde un medio externo reciben el nom-bre de secadores indirectos o no adiabaticos. Algunas unidades combinan el secado adiabaticoy no adiabatico, y se denominan secadores directos-indirectos. Algunas unidades tienen masde un medio de transferencia de calor, como gas caliente mas una superficie calentada o gascaliente mas radiacion.[1]

Equipos para secado

Algunos equipos utilizados para el secado, son:

1. Secado en bandejas

En el secador de bandejas, que tambien se llama secador de anaqueles, de gabinete, o decompartimientos, el material, que puede ser un solido en forma de terrones o una pasta,se esparceuniformemente sobre una bandeja de metal de 10 a 100 mm de profundidad.Un secador de bandejas tpico, tal como el que se muestra en la Figura(1), tiene bandejasque se cargan y se descargan de un gabinete.

Un ventilador recircula aire calentado con vapor paralelamente sobre la superficie de lasbandejas. Tambien se usa calor electrico, en especial cuando el calentamiento es bajo.Mas o menos del 10 al 20 % del aire que pasa sobre las bandejas es nuevo, y el resto esaire recirculado.



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Despues del secado, se abre el gabinete y las bandejas se remplazan por otras con masmaterial para secado. Una de las modificaciones de este tipo de secadores es el de lasbandejas con carretillas, donde las bandejas se colocan en carretillas rodantes que seintroducen al secador. Esto significa un considerable ahorro de tiempo, puesto que lascarretillas pueden cargarse y descargarse fuera del secador.

En el caso de materiales granulares, el material se puede colocar sobre bandejas cuyofondo es un tamiz. Entonces, con este secador de circulacion cruzada, el aire pasa porun lecho permeable y se obtienen tiempos de secado mas cortos, debido a la mayor areasuperficial expuesta al aire.[2]

Figura 1: Secado de bandejas o anaqueles.

2. Secadores indirectos al vaco con anaqueles

Los secadores al vaco con anaqueles se calientan indirectamente y son del tipo de lotes,similares a los de las bandejas. Esta clase de secador consta de un gabinete construidode hierro colado o plancha de acero con puertas hermeticas, de tal manera que se puedaoperar al vaco. Los anaqueles huecos de acero se montan dentro de las camaras y seconectan en paralelo, con los colectores de vapor de entrada y de salida. Las bandejas quecontienen los solidos mojados se colocan sobre los anaqueles huecos. El calor se conducea traves de las paredes metalicas y por radiacion entre los anaqueles. Para operacionesa temperaturas mas bajas, se usa circulacion de agua caliente en lugar de vapor parasuministrar 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 bienque se oxiden facilmente. Son muy utiles para manejar materiales con disolventes toxicoso valiosos.[2]



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3. Secadores continuos de tunel

Los secadores continuos de tunel suelen ser compartimentos de bandejas o de carretillasque operan en serie, tal como se muestra en la Figura(2-a). Los solidos se colocan sobrebandejas o en carretillas que se desplazan continuamente por un tunel con gases calientesque pasan sobre la superficie de cada bandeja. El flujo de aire caliente puede ser a contra-corriente, en paralelo, o una combinacion de ambos. Muchos alimentos se secan por esteprocedimiento.

Cuando se desea secar partculas solidas granulares, pueden utilizarse transportadoresperforados o de fondo de tamiz, como el de la Figura(2-b). Los solidos granulares humedosse transportan en forma de una capa que tiene entre 25 y 150 mm de profundidad, sobreuna superficie de tamiz o perforada a traves de la cual se fuerza el paso de aire caliente, yasea hacia arriba o hacia abajo. El secador consta de diversas secciones en serie, cada unacon un ventilador y serpentines de calentamiento. Un ventilador adicional extrae ciertacantidad de aire hacia la atmosfera. En algunos casos, los materiales en forma de pastapueden preformarse en cilindros y colocarse sobre el transportador para secarse.[2]

Figura 2: Secadores continuos de tunel: a)secador de carretillas con flujo de aire a contraco-rriente, b)secador de banda transportadora con circulacion cruzada.



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4. Secadores rotatorios

Un secador rotatorio consta de un cilindro hueco que gira por lo general, sobre su eje,con una ligera inclinacion hacia la salida. Los solidos granulares humedos se alimentanpor la parte superior, tal como se muestra en la Figura(3) y se desplazan por el cilindroa medida que este gira. El calentamiento se lleva a cabo por contacto directo con gasescalientes mediante un flujo a contracorriente. En algunos casos, el calentamiento es porcontacto indirecto a traves de la pared calentada del cilindro. Las partculas granularesse desplazan hacia adelante con lentitud y una distancia corta antes de caer a traves delos gases calientes, como se muestra.[2]

Figura 3: Diagrama esquematico de un secador rotatorio con calentamiento directo.

5. Secadores de tambor

Un secador de tambor consta de un tambor de metal calentado, como se indica en laFigura(4), en cuyo exterior se evapora una capa delgada de un lquido o una suspensionhasta que se seca. El solido seco final se le raspa al tambor, que gira lentamente. Lossecadores de tambor son adecuados para procesar suspensiones o pastas de solidos tinos,as como soluciones verdaderas. El tambor funciona en parte como evaporador y en partecomo secador. Otras variaciones del secador de tambor son los tambores rotatorios doblescon alimentacion por inmersion, o bien con alimentacion superior en el espacio entre losdos tambores. El pure de papa se procesa en secadores de tambor para obtener el materialen forma de escamas.[2]



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Figura 4: Secador de tambor rotatorio.

6. Secadores por aspersion

En un secador por aspersion, un lquido o una suspension se atomiza o se roela en unacorriente de gas caliente para obtener una lluvia de gotas tinas. El agua se evapora dedichas gotas con rapidez, y se obtienen partculas secas de solido que se separan de lacorriente de gas. El flujo de lquido de la camara de aspersion puede ser a contracorriente,en paralelo, o una combinacion de ambos.

Las gotas tinas se forman al introducir el lquido en toberas de atomizacion o discosgiratorios de rociado de alta velocidad en el interior de una camara cilndrica (Figura 5).Es necesario asegurarse de que las gotas o partculas humedas del solido no choquen ni seadhieran a las superficies solidas antes de que hayan secado. Por consiguiente, se empleancamaras bastante grandes. Los solidos secos salen por el fondo de la camara a traves deun transportador de tornillo. Los gases de escape fluyen hacia un separador de ciclon parafiltrar las partculas muy finas. Las partculas que se obtienen son muy ligeras y bastanteporosas. La leche en polvo se obtiene mediante este proceso.[2]

Figura 5: Diagrama de flujo para una unidad de secado por aspersion.



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7. Secado de cosechas y granos

Los granos de una cosecha contienen aproximadamente de 30 a 35 % de humedad y parapoder almacenarlos sin problemas durante un ano deben secarse hasta un 13 % de hume-dad en peso. En la Figura(7) se muestra un secador de flujo continuo tpico. En la tolvade secado, el espesor de la capa de granos, a traves de la cual pasa el aire caliente, es 0.5m o menos. Una corriente de aire (sin calentar) en la seccion del fondo, enfra los granossecos antes de la salida.[2]

Figura 6: Secado vertical de flujo continuo para granos.

8. Secador de platos perforados

Es un secador tpico discontinuo de platos perforados. Consiste en una camara rectangu-lar de chapa metalica que contiene dos carretones para soportar los bastidores H. Cadabastidor lleva numerosos platos perforados poco profundos. Entre los platos se hace circu-lar aire caliente por medio del ventilador C y el motor D, pasando sobre los calentadoresE. Las placas deflectoras G distribuyen el aire de manera uniforme sobre el conjunto deplatos. Parte del aire humedo se expulsa de forma continua a traves del conducto dedescarga B; mientras que por A entra la reposicion del aire fresco. Los bastidores vanmontados sobre las ruedas I, de forma que al final del ciclo de secado es posible retirarlosde la camara y descargar el contenido de los platos.

Resultan convenientes cuando la velocidad de produccion es pequena. Practicamente pue-den secar cualquier producto, pero la mano de obra necesaria para la carga y descarga dalugar a costos de operacion elevados.[1]



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Figura 7: Secador de platos perforados.

9. Secador de tamiz transportador

En estos, el material que se va a secar se transporta lentamente sobre un tamiz metalicoque se mueve a traves de una larga camara o tunel de secado. La camara consiste de unaserie de secciones separadas, cada una con su propio ventilador y calentador de aire. Enel extremo de entrada del secador, el aire por lo general pasa hacia arriba a traves deltamiz y de los solidos, mientras que cerca del extremo de descarga, donde el materialesta seco y puede desprender polvo, el aire circula hacia abajo a traves del tamiz. Latemperatura y la humedad del aire son diferentes en distintas secciones con el fin dealcanzar las condiciones optimas de secado en cada punto. Operan de forma continua ysuave con una gran variedad de solidos; su costo es razonable, y el consumo de vapor deagua es bajo.op

Figura 8: Secador de tamiz transportador con circulacion a traves de solidos.



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10. Torre de secadoUn secador de torre contiene una serie de bandejas circulares montadas una sobre la otracon un vastago central rotativo. La alimentacion solida colocada sobre la bandeja superiorse expone a la corriente de aire o gas caliente que pasa a lo largo de la bandeja. Luegoel solido es raspado y cae a la bandeja inferior. De esta manera se traslada a traves delsecador y, descargandose como producto seco por la base del secador. El flujo del solidoy del gas puede ser paralelo o a contracorriente.

El turbosecador es una torre de secado con recirculacion interna del gas caliente. Losventiladores de turbina hacen circular el aire o el gas hacia fuera entra algunas bandejas,pasando sobre los elementos de calentamiento, y hacia dentro en otras bandejas.

El aire precalentado por lo general se introduce por el fondo de la torre y se expulsa porla parte superior, dando lugar a flujo en contracorriente. Un turbosecador funciona par-cialmente con secado de circulacion transversal, como en un secador de platos perforados,y parcialmente en forma de lluvia de partculas a traves de gas caliente cuando estas caende una bandeja a otra.[1]

Figura 9: Turbosecador.

11. Secador de tornillo transportadorUn secador de tornillo transportador es un secador continuo de calentamiento directo, queconsiste esencialmente en un transportador horizontal de tornillo (o un transportador depalas) confinado dentro de una carcasa cilndrica encamisada. La alimentacion de solidos



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entra por un extremo, circula muy lento a traves de la zona calentada y descarga por elotro extremo.

Estos tratan solidos que son demasiado finos y demasiado espesos para operar con unsecador rotatorio. Estan completamente cerrados y permiten recuperar los vapores delsolvente con poca o ninguna dilucion de aire.op

12. Secador de lecho fluidizado

Los secadores en los que los solidos estan fluidizados por el gas de secado se utilizan endiversos problemas de secado. Las partculas se fluidizan con aire o gas en una unidadde lecho hirviente, tal como se muestra en la Figura(10). La mezcla y la transferencia decalor son muy rapidas. La alimentacion humeda se introduce por la parte superior dellecho; el producto seco se retira lateralmente cerca del fondo.

Las partculas pequenas se calientan hasta la temperatura de bulbo seco del gas fluidizantea la salida; por consiguiente, los materiales sensibles al calor han de secarse en un mediosuspendido relativamente fro. Aun as, el gas a la entrada puede estar caliente, ya que lamezcla es tan rapida que la temperatura es casi uniforme a la temperatura de salida delgas, por todo el lecho.[1]

Figura 10: Secador continuo de lecho fluidizado.



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13. Secador flash

En un secador flash se transporta un solido humedo pulverizado durante pocos segundosen una corriente de gas caliente. El secado tiene lugar durante la transportacion. La ve-locidad de transferencia de calor desde el gas hacia las partculas de solido suspendido eselevada y el secado es rapido, de forma que no se requiere mas de 3 o 4 segundos paraevaporar toda la humedad del solido.[1]

14. Secador de pulverizacion

en este tipo, se dispersa una solucion o suspension en una corriente de gas caliente for-mando una niebla de gotas muy finas. La humedad se evapora muy rapido de las gotitaspara formar partculas residuales de solido seco, que despues se separan de la corrientegaseosa. Los flujos de gas y lquido pueden ser en corrientes paralelas, en contracorrienteo una combinacion de ambos en una misma unidad.

Las gotitas se forman en una camara cilndrica de secado por la accion de boquillas depresion, boquillas de dos fluidos o, en secadores de gran tamano, por medio de discos depulverizacion que giran a gran velocidad.

En la Figura(11)la camara es un cilindro con un fondo conico. La alimentacion de lquidose realiza por bombeo hasta un atomizador de disco situado en el techo de la camara. Eneste secador el disco de pulverizacion tiene unos 300 mm (12 in.) de diametro y gira entre5 000 y 10 000 rpm.; esto atomiza el lquido en finas gotas que se proyectan radialmenteen una corriente de gas caliente que entra cerca de la parte superior de la camara. El gasfro se extrae por medio de un ventilador a traves de una lnea horizontal de descargasituada de manera lateral en el fondo de la seccion cilndrica de la camara. El gas pasa atraves de un separador de ciclon donde se separan las partculas solidas arrastradas. Lamayor parte del solido seco sedimenta del gas en el fondo de la camara del secado, dedonde se retira por medio de una valvula rotatoria y un transportador de tornillo y semezcla con el solido recogido en el ciclon.

Las principales ventajas de los secadores de pulverizacion son el corto tiempo de secado,que permite el secado de materiales altamente sensibles al calor, y la produccion departculas esfericas huecas.[1]



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Figura 11: Secador de pulverizacion con flujo paralelo.

3. Criterios para seleccionar un secadorLa primera consideracion en la seleccion de un secador es su facilidad de operacion; por enci-

ma de cualquier otra consideracion, el equipo ha de ser capaz de obtener el producto deseado enla forma y velocidad especificadas. A pesar de la variedad de secadores industriales que existeen el mercado, los diferentes tipos son en buena medida complementarios y no competitivos, deforma que la naturaleza del problema de secado se impone al tipo de secador que debe utilizarseo al menos limita la eleccion de tal vez dos o tres posibilidades. La eleccion final se decide sobrela base de los costos de inversion y de operacion. Sin embargo, es preciso tener en cuenta loscostos de todo el sistema de separacion y no solo exclusivamente los de secado.[1]

Eficiencia Termica

La eficiencia termica de un secador se puede definir como el porcentaje de energa sumi-nistrado que se emplea para evaporar el agua o el solvente. La eficiencia se puede calcular apartir de las perdidas de energa, que incluyen el calor sensible del aire humedo caliente que seventila, el calor sensible de los solidos descargados y la perdida de calor a los alrededores.

Consideraciones generales

Existen algunas directrices generales para la seleccion de un secador, pero las reglas distanmucho de ser rgidas y las excepciones son frecuentes. Por ejemplo, los secadores discontinuosson en general los mas utilizados cuando la capacidad de produccion de solido seco es inferior de150 a 200 kg/h (300 a 400 lb/h); mientras que los secadores continuos casi siempre se utilizanpara capacidades de produccion superiores a 1 o 2 toneladas/h. Para velocidades de produccion



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intermedias es preciso considerar otros factores. Los materiales sensibles al calor han de secarsea baja temperatura y al vaco, operando con un medio de calentamiento de temperatura baja,o en secadores flash o de pulverizacion con tiempos de contacto muy pequenos. Los cristalesfragiles se tratan por lo general en secadores de bandejas, de tornillo transportador o en torresde secado.

Tambien es preciso que el secador opere con seguridad y economa. Los costos de operaciony mantenimiento no han de ser excesivos; hay que controlar la contaminacion y minimizar elconsumo de energa. Al igual que ocurre con otro tipo de equipo, estas consideraciones a vecesresultan contradictorias y es preciso alcanzar una solucion de compromiso con el fin de selec-cionar el secador optimo para un determiando servicio.

Los secadores adiabaticos son en general mas economicos que los no adiabaticos a pesar dela menor eficiencia termica de las unidades adiabaticas. Desafortunadamente, con frecuencia seproduce arrastre de polvos en los secadores adiabaticos y es necesario separar de la corrientegaseosa de secado estas partculas arrastradas. Se requiere entonces un complicado equipo parala separacion de partculas, y en ocasiones el equipo cuesta tanto como el propio secador. Portanto los secadores adiabaticos son menos economicos que un sistema no adiabatico, en el quese utiliza poco o nada de gas. Los secadores rotatorios son un ejemplo; hace algun tiempo eranel tipo de secador continuo mas frecuente, pero debido al inevitable arrastre, actualmente seseleccionan, siempre que es posible, otros tipos de secadores que evitan el problema de arrastrede polvos. Los secadores no adiabaticos se eligen siempre para partculas muy finas o parasolidos que son demasiado reactivos qumicamente para ser expuestos a una corriente de gas.Tambien son ampliamente utilizados para la separacion y recuperacion de disolventes.

El conjunto completo de aislamiento; evaporador-secador

Muchos procesos industriales comprenden el aislamiento de solidos a partir de una solucionacuosa o de otro solvente para dar lugar a un producto granular, purificado y seco, adecuadopara envasado y venta. Las etapas del proceso necesarias para conseguir esta situacion, son casisiempre evaporacion, cristalizacion, filtracion o centrifugacion, secado, reduccion de tamano yclasificacion o tamizado. Con este fin se necesitan 5 o 6 piezas de equipo. A veces un evaporador-secador puede eliminar muchas de ellas. Los secadores de pulverizacion, los de tambor y los depelcula delgada aceptan alimentacion lquida y convertirla directamente en un producto secolisto para ser envasado. El costo adicional de eliminar de manera termica la humedad en lugarde forma mecanica se compensa con creces por la economa que supone instalar y operar unasola pieza de equipo en lugar de varias. Sera necesario, por supuesto, tratar la alimentacionlquida antes del secado para separar las impurezas que no deben aparecer en el producto seco.Por lo tanto, es esencial que el ingeniero considere el proceso de aislamiento en su conjunto yno solo la etapa de secado.



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4. Cinetica de secadoSe define la velocidad de secado por la perdida de humedad del solido humedo en la unidad

de tiempo, y mas exactamente por el cociente diferencial (dx/d) operando en condicionesconstantes de secado, es decir con aire cuyas condiciones (temperatura, presion, humedad yvelocidad) permanecen constantes con el tiempo.[3]

Analticamente, la velocidad de secado se refiere a la unidad de area de superficie de secado,de acuerdo con la ecuacion:

W = SA

(dxd

)siendo:

S = Peso del solido seco.

A = Area de la superficie expuesta.

W = Velocidad de secado.



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5. Problema 9.1 Ocon Y TojoSe dispone de 500 Kg de un solido humedo con humedad del 30 %.Calculese la cantidad

de agua que ha de evaporarse para reducir su humedad al 10 %, si las humedades estan dadassobre base humeda.

5.1. SolucionEl diagrama del proceso, seria el siguiente:

Se tiene que:

La masa del agua + masa del solido = 500 Kg

Se calcula el agua a la entrada conociendo el porcentage de humedad en base humeda.

(1)Despejando el agua y sustituyendo los valores ya conocidos, tenemos que:

Agua = % Humedad (Masa del solido + agua) = 0.03(500) = 150 Kg de Agua

Enseguida, se calcula el agua a la salida utilizando la ecuacion 1, sabiendo que la masa delsolido es constante:

0,1 = x350 + xResolviendo la ecuacion anterior, se obtiene que el agua a la salida es de 38.88 Kg.



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Una vez que se conoce el agua a la entrada y a la salida, basta con hacer una resta de elagua a la entrada menos la de salida, para conocer el agua que se desprende:

Agua evaporada = 150 - 38.88 = 111.112 Kg

6. Problema 9.2 Ocon y TojoA 100 Kg de una arcilla totalmente seca se le anaden 25 Kg de agua. Calculese:

a) La humedad de la mezcla resultante, expresada sobre base seca.

b) La humedad de la mezcla resultante, expresada sobre base humeda.

c) La cantidad de agua que ha de evaporarse para que su humedad, sobre base humeda, seadel 10.5 %.

6.1. Soluciona) La humedad de la mezcla en base seca, se calcula por medio de la formula:

% Humedad = AguaMasadelsolido

Sustituyendo los valores conocidos en la ecuacion anterior, se obtiene:

% Humedad = 25100 = 0.20 %

b) La humedad de la mezcla en base humeda puede ser obtenida mediante la formula:

% Humedad = AguaMasadelsolido+ Agua

Sustituyendo los valores conocidos en la formula, se obtiene:

% Humedad = 25125 = 0.25 %



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c) La cantidad de agua que ha de eliminarse, se obtiene de manera similar al problema 9.1de Ocon y Tojo, para ello, se realiza un diagrama, para darnos una mejor idea de lo quepasa.

Ya que se conoce el agua que entra, solo es necesario calcular la cantidad de agua quesale, para eso:

0,105 = x100 + x

Resolviendo la ecuacion se obtiene que tiene 11.7318 Kg de agua. Ahora bien, este valores restado a la cantidad de agua inicial para conocer el agua evaporado, obteniendose:

Agua evaporada = 25 - 11.7318 = 13.2682 Kg

7. Referencias Bibliograficas

Referencias[1] Warren L. McCabe, Julian C. Smith, Peter Harriott OPERACIONES UNITARIAS EN

INGENIERIA QUIMICA,Mc Graw Hill,(2007), pag.[833-835;853-870]

[2] Christie John Geankoplis PROCESOS DE TRANSPORTE Y PRINCIPIOS DE PROCE-SOS DE SEPARACION,Patria, (2013), pag.[974-977]

[3] Joaquin Ocon Garcia, Gabriel Tojo Barreiro PROBLEMAS DE INGENIERIA QUIMICATOMO II,Aguilar,(2007), pag.[243-244]


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