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