SECADO Y ACONDICIONAMIENTO DE AIRE

SECADO Y ACONDICIONAMIENTO DE AIRE
Definición:
Se define secado, como la separación total o parcial de un líquido desde un material sólido por
aplicación de calor y su ejecución por medio de la transferencia de líquido desde la superficie del
sólido hacia una fase vapor insaturada.
Es decir, en cualquier proceso de secado se verifican:
a)
Mecanismos de transferencia de masa
b)
Mecanismos de transferencia de calor
Existen otros métodos de separación sólido-líquido como la filtración, centrifugación, adsorción,
absorción, que son medios mecánicos de separación sólido-líquido, es decir, sin aplicación de calor.
Generalmente es más barato eliminar agua mecánicamente (filtración, centrifugación), que por
medios térmicos, por lo que es aconsejable reducir a humedad al máximo posible por éstos medios
antes de llevar el sólido a un secador.
Otra operación en la cual el líquido se elimina por aplicación de calor, es la evaporación, que a
diferencia del secado, el líquido se elimina por ebullición (en el secado el líquido es arrastrado por
el aire en forma de vapor, a temperatura generalmente inferior a la de ebullición). Además las
mezclas tratadas en la evaporación suelen tener más líquido que sólido y en secado sucede lo
contrario, son pequeñas cantidades de líquido en comparación con los sólidos.
En la mayor parte de los problemas prácticos de secado, el líquido a separar suele ser vapor de agua
y el agente secante o gas empleado para el secado suele ser el aire. Este estudio se limitará a este
caso, aunque las relaciones empleados son aplicables a cualquier sistema gas-líquido.
Objetivo del Secado
Prácticamente todos los procesos químicos requieren de la operación de secado. Sus aplicaciones
tiene por objeto:
1.Permitir el empleo satisfactorio del producto en otros procesos o tratamientos (cuando la
presencia de humedad no es deseable en la etapa siguiente del proceso).
2.Facilitar el manejo posterior del producto.
3.Reducir su peso y por lo tanto su costo de embalaje y darle mayor valor y utilidad al
producto final. Aún cuando el producto pueda ser utilizado al estado húmedo, resulta más
barato eliminar el agua por medios térmicos que transportarlo húmedo.
4.Aumentar la capacidad de los aparatos.
5.Proteger los productos durante su almacenamiento y transporte (se elimina agua para
preservar el producto).
6.Recuperar reactivos o subproductos valiosos (casos en que la humedad que acompaña a un
producto es un solvente caro).
Psicrometría y carta psicrométrica
La concentración de vapor de agua en un gas se denomina humedad del gas. La humedad puede ser
expresada de varias maneras dependiendo de la información requerida.
Cuando un sólido húmedo se pone en contacto con aire de menor humedad que la correspondiente
al contenido de humedad del sólido, el sólido tiende a perder humedad y secarse hasta alcanzar
equilibrio con el aire. Al revés, cuando el aire es más húmedo que el sólido con el que está en
contacto, el sólido absorbe humedad del aire hasta que se alcanza el equilibrio.
Un factor crítico en las operaciones de secado es la capacidad de arrastrar vapor del aire, nitrógeno
u otra corriente de gas que pasa sobre el material a secar. Esta capacidad de arrastre determina no
solo la velocidad de secado, sino también el fin del secado, es decir el menor contenido de humedad
al cual un material dado puede ser secado.
La determinación de la concentración del vapor y la capacidad de arrastre del gas se denomina
psicrometría.
Carta psicrométrica
Las características de humedad del aire se describen mejor gráficamente en la llamada carta
psicrométrica o carta de humedad. Una típica carta psicrométrica se muestra en la Fig. 1. Esta
carta presenta una formidable visión debido a la gran información presentada en una pequeña área.
Las curvas básicas de la carta psicrométrica se muestran en forma simplificada en la Fig. 1.
Figura 1: Humedad Absoluta vs Temperatura
Estas curvas son representaciones gráficas de relaciones entre la temperatura y humedad del sistema
aire-vapor de agua a presión constante. La temperatura se muestra sobre el eje horizontal. El eje
vertical representa la humedad absoluta (masa de vapor de agua por unidad de masa de aire seco).
La curva más importante que se muestra es la curva se saturación o de humedad de saturación,
curva CDE.
Humedad de Saturación
Es la humedad absoluta a la cual la presión parcial del vapor de agua en el aire es igual a la presión
de vapor del agua pura a la misma temperatura.
La curva de humedad de saturación es realmente el límite de un diagrama de fases. Cualquier punto
por sobre esta curva, como el punto F por ejemplo representará 2 fases, una líquida y una gaseosa.
Cualquier punto bajo esta curva, como el punto A por ejemplo, representará una sola fase gaseosa.
En el punto C el aire está saturado con vapor de agua, y su temperatura, tr, corresponde al llamado
punto de rocío.
El punto de rocío se define como la temperatura a la cual una mezcla dada de aire y vapor de agua
debe ser enfriada para saturarse (es decir, contiene la máxima humedad sin que condensación se
produzca). Cuando la mezcla es enfriada a temperaturas por debajo del punto de rocío, tales como
t1 (punto F), el vapor de agua condensa para producir un sistema de dos fases, aire saturado (de
condiciones C) y gotas de agua pura.
Para hacer el aire utilizable para propósitos de secado (sin cambiar la humedad absoluta), su
temperatura debe ser aumentada. Si la temperatura se eleva a t2 (punto A), el aire no está
completamente saturado y puede aceptar más vapor de agua. La saturación relativa es comúnmente
medida en términos de por ciento de humedad relativa, que es la razón entre la presión parcial del
vapor de agua en el aire y la presión de vapor del agua pura a la misma temperatura, es decir es la
relación entre la cantidad de vapor que contiene el aire y la que contendría si estuviese saturado a la
misma temperatura.
La curva de humedad de saturación, CDE, es por lo tanto la curva de 100% de humedad
relativa (100% H.R.). Curvas de humedad relativa constante se dibujan sobre los mismos ejes a
intervalos específicos de humedad relativa. Una de estas curvas se muestra en la Fig. 1, como la
curva GK con un valor arbitrario de A% de humedad relativa.
Si aire, bajo condiciones representadas en el punto A, se usa para secar un material húmedo, como
el aire no está saturado, se evapora agua. El calor latente es suministrado por el enfriamiento del
agua. A medida que la temperatura del agua desciende por debajo de la del aire, se transfiere calor
desde el aire al agua. El calor transferido llega a ser igual al calor de vaporización y la temperatura
se estabiliza.
La temperatura que se alcanza es la temperatura de bulbo húmedo (también llamada para las
mezclas vapor de agua/aire como temperatura de saturación adiabática, tsa) del aire y se define
como la temperatura límite de enfriamiento de una pequeña masa de líquido puesta en contacto con
una cantidad mucho mayor de aire húmedo en forma adiabática (sin pérdida ni ganancia de calor
desde los alrededores).
Recibe el nombre de temperatura de bulbo húmedo porque puede medirse en la práctica por medio
de un termómetro cuyo bulbo se cubre con una tela (tejido poroso inerte), empapada de agua.
La temperatura de bulbo húmedo es función de la temperatura y humedad del aire usado para la
evaporación y por lo tanto puede ser utilizado para medir la humedad del aire.
Para este efecto, en la carta psicrométrica se dibujan las líneas de temperatura de bulbo húmedo
constante. Para una aire de condiciones A, la línea de temperatura de bulbo húmedo constante que
le corresponde es AD y la temperatura correspondiente a la saturación en el punto D es la
temperatura de bulbo húmedo tbh
La humedad del aire se determina midiendo sus dos temperaturas, la de bulbo húmedo y la de bulbo
seco. Se entra a la carta psicrométrica con la temperatura de bulbo húmedo y la coordenada se
sigue verticalmente hasta que corta la curva de saturación (100% H.R.). Entonces se sigue la línea
de temperatura de bulbo húmedo constante hasta que corta la coordenada de la temperatura de
bulbo seco. La humedad absoluta puede ser leída directamente y la humedad relativa se encuentra
por interpolación entre as curvas de humedad relativa constante.
Medición de la Humedad
Los métodos de medición de humedad más importantes son:
1)
Métodos Químicos (hidrómetros químicos).
Un volumen conocido de gas (aire) se hace pasar sobre un absorbente adecuado cuyo
aumento de peso se mide. La eficiencia del proceso se puede controlar disponiendo una
serie de recipientes con absorbentes en serie y asegurándose que el aumento de peso del
último de ellos es despreciable. El método es muy seguro pero muy engorroso.
Absorbentes satisfactorio para el vapor de agua son, el P2O5 disperso en piedra pómez, el
H2SO4 conc., CaCl2, etc.
2)
Mediante la temperatura de bulbo húmedo
La temperatura bulbo húmedo se determina normalmente como la temperatura alcanzada por
el bulbo de un termómetro cubierto con un trozo de tejido saturado con el líquido. El aire
debe pasar por o menos a 15 pies/seg (4,5-5 m/seg) mediante ventilador u otro otros medios
similares (psicrómetro de honda). De esta lectura y la temperatura de bulbo seco se
encuentra la humedad en el gráfico de humedad.
3)
Determinación mediante el punto de rocío
El punto de rocío se determina enfriando una superficie altamente pulida en el aire y
observando la temperatura más alta o la cual tiene lugar la condensación. La humedad del
gas es igual a la humedad del gas saturado a la temperatura de rocío.
Existen varios aparatos; el más simple:
termómetro
Otros se basan en evaporar éter o CS2 para producir el frío.
4)
Empleo de higrómetros
Estos instrumentos utilizan ciertos materiales cuyas propiedades cambian en contacto con
aire de diferentes humedades relativas. El higrómetro mecánico usa materiales tales como
el cabello, madera, fibras o plásticos los cuales se expanden o contraen con los cambios de
humedad. El elemento sensible a la humedad se conecta a un indicador de tal manera que
un cambio en su longitud hace que indicador se mueva a través de un dial calibrado en
unidades de humedad.
El higrómetro eléctrico mide los cambios de resistencia eléctrica que experimentan
materiales absorbentes de humedad al variar ésta. (la resistencia varía con la humedad).
Método para aumentar la humedad (HUMIDIFICACIÓN)
La práctica industrial de la humidificación del aire se realiza casi exclusivamente en las
columnas o torres o cámaras de humidificación (saturación) adiabática. Sin embargo,
existen otros métodos de humidificación que, siendo de importancia práctica mucho menor,
da lugar a una serie de problemas de gran interés.
a)
Mezcla de dos Masas de Gases Húmedos
Si se mezclan dos masas de gases húmedos con distintas humedades, el cálculo de las
condiciones en que queda la masa de gas resultante puede efectuarse rápidamente en
función de las condiciones iniciales de las dos corrientes gaseosas.
Balance de materia global:
G + G2 = G
1
Balance componente A (agua):
G1 H 1 + G 2 H 2 = GH
De ambas ecuaciones se deduce:
H
=
G H +G H
G +G
1
1
2
1
2
2
Este es un método que si bien no es el más importante es bastante utilizado industrialmente. Se usa
mucho en recirculación de aire y en secado.
b)
Poniendo en contacto el aire con un líquido que se mantenga a la temperatura de rocío
del aire correspondiente de humedad que nos interesa: En este caso si tenemos aire en
condiciones A (tA, HA) y queremos llevarlo hasta las condiciones B (tB, HB), ha de ponerse en
contacto con agua que se mantenga a la temperatura C (temperatura de rocío del aire B).
Para mantener el agua a esa temperatura ha de suministrársele igual cantidad de calor que la que
absorberá el aire en forma de calor latente al humidificarse. El aire pasará directamente de las
condiciones A a la C, y fuera del contacto con agua hay que suministrarle después el calor necesario
para llevarlo de C a B.
c) Poniendo el aire en contacto directo con agua en una columna de humidificación
(saturación) adiabática.
Este es el método de humidificación de aire más utilizado en la práctica industrial.
En este proceso el contacto aire-agua es tal, que el aire alcanza las condiciones de saturación
adiabática en contacto con agua que entra al humidificador a la temperatura de saturación adiabática
del aire (ya dijimos que la temperatura de saturación adiabática es la misma que la temperatura de
bulbo húmedo del aire, para el sistema aire-agua).
Humedad Absoluta
D
D`
B
A
C
tA
Temperatura
C´
tB
En el proceso se verifican tres etapa
i) Precalefacción. Se calienta el aire fuera del contacto del agua (tramo AC) hasta la temperatura
tc que tiene una temperatura bulbo húmedo tbhc y que es igual a la temperatura de rocío del aire B,
trB
ii) Humidificación adiabática. Se introduce al aire caliente en el humidificador adiabático, en
donde se satura en contacto con agua que se encuentra a una temperatura igual a la de saturación
del aire. (tramo CD). El humidificador consiste, generalmente, en una cámara en la que se riega
agua en forma de múltiples chorros finos. Los distintos diseños tienden a lograr la máxima
eficiencia de intercambio de vapor de agua con un mínimo de volumen de instalación.
iii)
Calefacción Final. (tramo DB) El aire sale del humidificador con la humedad deseada (la de
B) y se calienta fuera del contacto con agua hasta tº final tB.
La humidificación adiabática es una etapa ideal y para lograr realmente las condiciones de
saturación hay que tener un tiempo de contacto bastante grande lo que es poco económico. Por eso
es preferible hacer un precalentamiento un poco mayor C
y entonces introducir el aire al
humidificador (hasta C`). Trayectoria total: AC`D`B
Las calefacciones se hacen en forma eléctrica o introduciendo serpentines de vapor recalentado.
Existen además otros métodos de humidificación de aire que son menos comunes.
d)
Adición directa de vapor vivo. No hay alza considerable de temperatura, pero tiene la
desventaja de agregar impurezas al aire.
e)
Poniendo el gas (aire) en contacto con un sólido húmedo. En realidad este método,
aunque puede conducir a la humidificación del aire, se emplea más con el objeto de secar el sólido
que de humidificar el aire.
Métodos para disminuir la humedad (DESHUMIDIFICACION)
Este problema es menos frecuente que la humidificación y sólo se presenta cuando se trata de
acondicionar el aire en países cálidos y húmedos o bien cuando se requiere de aire muy seco para
algún proceso industrial.
a) Poniendo en contacto el aire con un líquido (o sólido) frío
La temperatura del líquido debe ser menor que el punto de rocío del aire, con lo que parte de la
humedad del aire se condensa.
Se puede utilizar una lluvia directa de gotas del líquido en el aire; una lluvia de líquido sobre
serpentines refrigerados (con agua fría, salmuera o Freón), o bien producir la condensación
pasando el gas por una superficie fría sin intervención de líquido.
b) Comprimiendo el aire y dejándolo enfriar hasta su temperatura original y eliminando el agua
condensada. El sistema se calienta porque el agua cede su calor de vaporización
condensándose. Luego no vuelve a evaporarse porque el calor cedido se ha disipado.
c) Usando deshidratantes. Cuando se requiere bajar mucho la humedad los puntos de rocío que
se necesitan pueden aproximarse al punto de congelación o menos y en estos casos es preferible
usar deshidratantes.
Ejemplo: Fabricación de vidrio inastillable: El empaquetado de lámina interna de plástico
requiere atmósfera de 10% de humedad. Si disponemos de aire de 27ºC y 80% Hr por ej. habría
que calentar el aire hasta 68ºC para tener 10% Hr. Es necesario quitar el agua por enfriamiento,
pero el punto de rocío a 27ºC y 10%Hr es muy bajo (-6,4ºC) que no se puede obtener en forma
natural y hay que usar refrigerantes (como salmuera, Freón) siendo muy caro. Además es
menos que el punto de congelación. Por lo tanto en este caso se debe recurrir a deshidratantes o
absorbentes líquidos o sólidos.
Salmuera de cloruro de Litio
Absorbentes Líquidos
Trietilenglicol (es menos corrosivo)
Gel de sílice
Adsorbentes Sólidos
Alúmina Activada
Al hacer pasar el aire por estos deshidratantes, este se calienta, pues como la deshidratación es
adiabática el calor latente de condensación queda en gran parte en el aire (el aire sale a
temperatura de bulbo seco mayor que el aire que entra). Por lo tanto debe enfriarse.
Secado de Sólidos
Definiciones
Humedad. El contenido de humedad de un sólido puede expresarse sobre base seca o base
húmeda.
Humedad en base húmeda: Xbh
Es la relación entre la masa del líquido existente en el producto húmedo y la unidad de masa del
producto húmedo.
masa de agua
X bh =
X 100 (exp resado en porcentaje )
masa de sólido húmedo
Humedad en base seca: X
Es la relación entre la masa de líquido existente en el producto húmedo y la unidad de masa del
producto seco.
X=
masa de agua
masa de sólido sec o
X
100
Relación entre Xbh y X
Sólido húmedo = Sólido seco + agua
X bh =
agua
1
1
X
=
=
=
1
sólido sec o + agua s. sec o
1+ X
+1
+1
agua
X
X bh =
X
1+ X
De esta ecuación se obtiene:
X bh + XX bh = X
X bh
X =
1 − X bh
La humedad en base seca y la humedad en base húmeda son aproximadamente iguales, si el
contenido de agua del sólido es aproximadamente un 10% o menos, pero estos valores divergen
considerablemente si el contenido de agua en la muestra es mayor. Estas diferencias se ilustran
en la Tabla 1.
Tabla 1
% Xbh
5
10
40
60
80
%X
5.3
11.1
66.7
150
400
En los cálculos de diseño de secadores es más conveniente siempre referir la humedad a base
seca, pues ésta es una constante durante todo el proceso de secado. La base húmeda va
variando a medida que transcurre el secado.
Humedad de equilibrio o contenido de humedad de equilibrio Xeq
Cuando un sólido se pone en contacto, durante un tiempo suficiente, con aire de temperatura y
humedad determinadas y constantes (suponiendo que la cantidad de aire es lo suficientemente
grande para que sus condiciones no varíen durante el tiempo de contacto), se alcanzarán las
condiciones de equilibrio entre el aire y el sólido húmedo.
El vapor de agua que acompaña al aire ejerce una presión parcial determinada. Se alcanzan las
condiciones de equilibrio cuando la presión parcial del vapor de agua en el aire (agente secante)
es igual a la presión de vapor del líquido contenido en el sólido húmedo.
Es la humedad hasta la que podemos secar un sólido por contacto con aire de humedad y
temperatura determinadas.
La humedad de equilibrio dependerá por lo tanto, de las condiciones del agente secante, es decir
de su humedad, temperatura, incluso de su velocidad.
G1 (velocidad másica)
Aire 1
H1 (humedad absoluta)
Xeq1
T1 (temperatura)
G2
Aire 2
H2
Xeq2
T2
Si la humedad de sólido es mayor que la humedad de equilibrio (X > Xeq) el sólido se
deshidratará hasta alcanzar la humedad de equilibrio.
Si la humedad del sólido es menor que la humedad de equilibrio (X < Xeq) el sólido absorberá
agua del aire hasta alcanzar la humedad de equilibrio (sólidos deshidratantes o higroscópicos o
deliquecentes).
Para condiciones dadas o constantes del aire, la humedad de equilibrio dependerá de la
naturaleza del sólido, del estado de la superficie de la temperatura y humedad del aire.
Por ejemplo dos materiales distintos que tienen una misma humedad inicial, al secarlos en las
mismas condiciones van a llegar a humedades de equilibrio distintas. En general para las
sustancias inorgánicas las humedades de equilibrio son más bajas (caolín, talco CaCO3) y los
materiales fibrosos o coloidales de origen vegetal o animal sólo se pueden secar hasta
humedades de equilibrio bastante altas (celulosa, tabaco, alimentos).
Humedad libre : XF
Se denomina humedad libre de un sólido o producto, a la humedad que es posible eliminar, para
unas condiciones dadas y constantes de secado, y es igual a la diferencia entre la humedad del
sólido y la humedad de equilibrio.
XF = X - Xeq
Por tanto es la humedad que puede perder el sólido después de un contacto suficientemente
prolongado con aire en condiciones dadas y constantes.
Conducta de los sólidos durante el secado
¿Cómo podemos saber el tiempo necesario requerido para secar una cantidad de material en cierto
secador?. ¿Cómo se puede determinar el tamaño de un tipo particular de secador que se requiere
para secar una sustancia desde un nivel de humedad a otro deseado?.
Para poder obtener el diseño apropiado de los distintos equipos de secado dependiendo del producto
a secar hay que realizar estudios experimentales y obtener datos experimentales del secado del
producto.
La velocidad de secado de una muestra puede ser determinada suspendiendo el material húmedo, en
el interior de la cámara de secado, en una balanza, y midiendo el peso a intervalos regulares
obteniendo así una curva de humedad versus tiempo.
A partir de los datos humedad-tiempo (X vs θ) se
deduce la curva de velocidad de secado (N vs X)
N es la velocidad de secado y es la pérdida de humedad del sólido húmedo por unidad de tiempo y
unidad de área de secado. Ejemplo: 2 (kg agua eliminadas) / (h)(m2)
Para calcular la velocidad de secado se hace la diferencia de humedades entre dos mediciones y se
divide por el período de tiempo entre las dos mediciones y se grafica contra el promedio de
humedad de las dos mediciones y se obtiene la Fig. B.
Cuando el sólido se pone en contacto con el aire caliente (agente secante) absorbe calor y aumenta
su temperatura. Al mismo tiempo la humedad comienza a evaporarse, lo que hace que el sólido
tienda a enfriarse. Después de un período de ajuste inicial, las velocidades de calentamiento y
enfriamiento se igualan y la temperatura del material que se está secando se estabiliza. En la
medida que la transferencia de calor por radiación sea mínima (o sea haya sólo convección), la
temperatura alcanzada por el sólido será igual a la temperatura de bulbo húmedo del aire secante.
Este período de ajuste inicial se muestra en los segmentos AB de las figuras A y B. Si el sólido
húmedo está inicialmente a alta temperatura mayor que la temperatura de bulbo húmedo del aire, se
enfriará siguiendo el segmento A´B.
En el punto B la temperatura se estabiliza y permanecerá constante mientras la superficie del sólido
permanezca con un film de líquido. Entre los puntos B y C la humedad que se está evaporando
desde la superficie está siendo reemplazada por la difusión del agua desde el interior del sólido a
una velocidad igual a la velocidad de evaporación. La velocidad de secado es constante y el
período BC se llama período de velocidad constante de secado.
En el punto C, el agua superficial no es suficiente como para reemplazar la evaporación y no es
posible mantener un film continuo de líquido en la superficie. Empiezan a aparecer zonas secas y la
velocidad de secado comienza a decrecer. El contenido de humedad al cual esto ocurre se
denomina humedad crítica. Entre los puntos C y D el número y área de las zonas secas continúan
aumentando y la velocidad de secado decrece. El tiempo CD se denomina primer período de
velocidad decreciente.
En el punto D, el film de agua superficial está completamente evaporado y la velocidad de secado
depende de la velocidad de difusión del agua a la superficie del sólido. Entre los puntos D y E la
velocidad de secado cae aún más rápidamente que en el primer período de velocidad decreciente y
el tiempo DE recibe el nombre de segundo período de velocidad decreciente.
Cuando la velocidad de secado es igual a cero (se llega a peso constante), se alcanza la humedad de
equilibrio que es la correspondiente al punto E`(el sólido está en equilibrio con los alrededores).
Continuar secando después de este punto es tiempo y energía perdidos.
Fórmulas para estimar tiempos de secado
Tiempo de secado para el período de velocidad constante (período antecrítico)
LS
ΘC =
( xi − xC )
AN C
Θc = tiempo crítico
LS = sólidos secos
A = área expuesta al secado
Nc = velocidad de secado en el períodos de
velocidad constante
xi = humedad inicial
xc = humedad crítica
Tiempo para período de velocidad decreciente (período postcrítico)
x x − xeq
Ls
(xc − xeq )Ln
Θd =
AN C
x f − x eq
Θd = tiempo período decreciente
xf = humedad final
xeq = humedad equilibrio
Tiempo total
Ls
ΘT =
ANC

xC − xeq 
( xi − xC ) +(xC − xeq )Ln

x
x
−

f
eq 

Equipos de secado
Debido a la gran variedad de tipos de aparatos de secado, resulta difícil la clasificación de los
diferentes equipos de desecación. Dos clasificaciones bastante útiles se basan en:
a) Métodos de calentamiento
b) Métodos de manejo de material
En el primer caso los secadores se dividen en 3 grandes grupos.
1)
Calefacción directa
Se hace pasar gases calientes directamente sobre la superficie del material (el aire se puede
calentar por resistencias eléctricas, mediante vapor, gases productos de combustión, etc.) En
ellos el calor es transferido al sólido que se seca por convección.
2)
Calefacción indirecta. El calentamiento es por contacto con superficie de calefacción,
empleándose corriente de gas para sacar el vapor de agua formado. El calor es transmitido
por conducción a través de la pared, la que es calefaccionada por vapor o agua caliente,
gases de combustión, aceite, Dow Therm o electricidad.
3)
Calefacción por infrarrojo o calor radiante
La transferencia de calor se hace principalmente por radiación desde una fuente de alta
temperatura.
Los secadores de estos tres grupos a su vez pueden ser de alimentación continua o
discontinua.
En los aparatos continuos las condiciones en cualquier punto se mantienen constantes en el
tiempo. En los discontinuos, varían con el tiempo.
El costo de operación de un aparato continuo generalmente es más bajo que en los discontinuos
(mantención, mano de obra, combustible, etc.), pero la inversión inicial es mucho más elevada.
Según el segundo criterio de clasificación, es decir, de acuerdo al método de manejo de los sólidos,
tenemos:
1)
2)
3)
4)
Secadores de lecho estático
Secadores de lecho móvil
Secadores de lecho fluidizado
Secadores neumáticos
Describiremos aquellos sectores más utilizados en la práctica industrial.
1) Secadores de lecho estático. Sistemas en los que no hay movimiento relativo entre las
partículas sólidas que se están secando, aún cuando puede haber movimiento de la masa completa
de material. En ellos sólo una fracción de las partículas está expuesta directamente a la fuente de
calor. La superficie expuesta puede aumentarse, disminuyendo el espesor del lecho y permitiendo
que el aire seco fluya a través de él.
Algunos ejemplos de este tipo de secadores:
Armarios y cámaras de secado. Se emplean para materiales muy diversos. Consiste en una
cámara rectangular en la que el secado se realiza por contacto directo con el aire caliente. El
aire se puede calentar en el exterior del aparato o en el interior. La circulación del aire se activa
mediante ventiladores y a veces se dirige mediante tabiques deflectores.
Las piezas grandes (pieles, cueros) se cuelgan mediante ganchos. Los materiales más pequeños se
colocan sobre bandejas.
Secadores de bandejas.
Son los secadores más comúnmente utilizados en la
industria farmacéutica. Se emplean para materiales
muy diversos: cualquier tipo de material susceptible
de manejarse en bandejas (materiales cristalizados,
sustancias granulares, precipitados, sustancias
plásticas, frutas, productos textiles y otros materiales
similares).
El número de bandejas varía de acuerdo al tamaño del secador. Los secadores de laboratorio
pueden tener 3 o 4 bandejas. Secadores industriales tienen 20 o más bandejas.
En algunos secadores se emplean vagonetas en las que se disponen las bandejas con el material.
Se introduce al secador la vagoneta cargada
lista. Así se consigue una operación casi
continua en lo se refiere a la capacidad del
aparato.
El trabajo requerido para la carga y descarga de cada batch implica una operación costosa, por lo
tanto los secadores de bandejas son útiles cuando la velocidad de producción que se necesita es baja
(caso de la industria farmacéutica en que los batchs son de 500 lb o menos a diferencia de la
industria química en que los batchs son de 2000 lb/h o más).
Las bandejas pueden ser metálicas o plásticas, dependiendo del material a secar. El fondo puede ser
perforado o enrejado, para permitir una buena circulación del aire y el escape del vapor. Esto
permite hacer pasar el aire en forma transversal a través del producto; lo que hace que el secado sea
mucho más rápido.
La operación satisfactoria de estos secadores de bandeja depende principalmente de la uniformidad
del flujo de aire a temperatura constante sobre todo el material y en cualquier punto del secador.
Esto se consigue con la ubicación adecuada de ventiladores y placas deflectoras en el interior del
secador.
Las fuentes de energía preferidas para el calentamiento del aire en estos secadores son el vapor y la
electricidad. Los demás (gas, humos, etc.) no se emplean porque es posible contaminar el producto
(el vapor es más barato que la electricidad).
La mayoría de los secadores de bandeja son del tipo calefacción directa con circulación forzada de
grandes volúmenes de aire caliente. Pero también existen secadores de bandeja con calentamiento
indirecto que utilizan bandejas calentadas o fuentes de calor radiante dentro de la cámara de secado
y vacío o una pequeña cantidad de circulación de aire o gas para arrastrar la humedad evaporada
desde el secador.
Secadores de bandejas al vacío
Pueden ser calentamiento directo o indirecto y trabajan a presión reducida.
Este método de secado se emplea para materiales cuyas características esenciales podrían ser
alternadas, dañadas o destruidas por exposición a condiciones atmosféricas o elevadas temperaturas,
materiales que se inflaman, exploten o que son tóxicos o peligrosos, requieren vacío.
Se emplean extensamente en las industrias químicas, farmacéuticas, de alimentos.
El secador de bandejas de vacío consiste en una cámara de acero con una puerta al frente cerrada
herméticamente, una fuente de vacío y un condensador.
Secadores de Túnel
Son adaptaciones de las cámaras de secado para obtener un secado continuo. En estos secadores el
producto atraviesa una cámara alargada (túnel), en su camino desde la entrada a la salida del
aparato.
Según el estado de agregación del producto, éste es transportado mediante correas transportadoras,
transportadores de cadenas, vagonetas, etc. El calor en general es suministrado por convección
directa (corriente de aire caliente) pero también puede emplearse energía radiante.
El flujo de aire puede ser en paralelo o en contracorriente.
Se emplean estos secadores cuando hay que secar grandes cantidades de material, el que se debe
secar lentamente por ej. maderas, tortas de rayón, tabaco, ladrillos (materiales que sufren
resquebrajamiento por secado rápido).
A lo largo del túnel se sitúan ventiladores para darle mayor velocidad al flujo de aire.
Un tipo de secador de túnel utiliza una rejilla transportadora, que tiene la ventaja de que la
circulación de aire es bastante buena. Se emplea por ej. en plantas químicas de acetato de celulosa,
silica gel, aserrín, pigmentos, CaCO3 , almidón, insecticidas.
Secadores de rodillo o tambor
Son secadores con calefacción indirecta. Los
más sencillo son los empleados en el secado
de artículos que se presentan en forma de hoja
continua o lámina, papel, tejidos, neopreno,
plástico en láminas, etc.
cuchillas
Rodillos con vapor
Constan de uno o más rodillos huecos, de superficie completamente lisa, calentado interiormente
por vapor que giran arrastrando la hoja continua del material. El grado de desecación se gradúa
mediante la temperatura del vapor, la amplitud de la zona de contacto y la velocidad del paso del
material.
También se usan para secar soluciones o suspensiones. El calor se transmite al líquido por
conducción y este se concentra parcialmente dentro del espacio comprendido entre los rodillos. El
líquido sale del fondo en forma de capa viscosa y va cubriendo el resto de la superficie de los
tambores. Prácticamente se evapora todo el líquido a medida que giran los tambores. El producto
seco se extrae con unos cuchillos y se deja caer en unos transportadores.
El rodillo es de Fe galvanizado, va recubierto de bakelita o madera, loma, metal, etc. Aún cuando
el film está en contacto directo con la superficie caliente, generalmente este es tan delgado que el
tiempo que está en contacto es tan corto, que el efecto perjudicial sobre el producto es pequeño.
Por supuesto hay que tomar en consideración la sensibilidad al calor del producto en la selección de
este tipo de secador. Generalmente se usan para secar carbonatos, hidratos, arseniatos, acetatos,
fosfatos, arcillas y productos alimenticios.
2) Secadores de lecho móvil
Son sistemas en los que las partículas a secar están parcialmente separadas de modo que fluyen
deslizándose unas sobre otras. La movilidad puede inducirse ya sea por gravedad o agitación
mecánica. La separación resultante de las partículas y la exposición continua de nuevas superficies
permite mayor transferencia de calor y de masa que los de lecho estático.
Secadores rotatorios
Son usados para sustancias granulares o pulvurulentas.
Constan de un cilindro horizontal rotatorio, con ligera pendiente hacia la descarga. En su interior el
producto gira en contracorriente (puede ser también en paralelo) con aire o gases combinados
calientes, o sea son de calefacción directa. Su diámetro varía de 0,6 a 2 m y su longitud de 2 a 20 m.
El desplazamiento de la alimentación es ayudada mediante cuchillas o placas raspadoras localizadas
en el interior del cilindro (ver corte AA´), para reforzar el material sólido hacia la salida y también
para evitar la formación de depósitos gruesos en las paredes del cilindro.
El flujo de gases puede ser un paralelo o contracorriente con el producto. El flujo en
contracorriente produce un producto final con bajo contenido de humedad, pero no puede ser
utilizado para productos termosensibles, pues los gases más calientes están en contacto con el
producto seco en el punto de descarga.
Los parámetros importantes a estudiar en el diseño de cualquier secador rotatorio son; la
temperatura y humedad del aire y el ángulo de inclinación del secador que es el que determina el
tiempo de residencia del producto en el secador.
3.- Secadores de lecho fluidizado
Son sistemas en los que las partículas sólidas
están suspendidas parcialmente en una
corriente de gas ascendente. Las partículas
son levantadas y luego caen al azar de modo
que la mezcla resultante de sólido y gas actúa
como un liquido en ebullición. El contacto
sólido-gas es excelente y resulta una mejor
transferencia de masa y calor que en los
sistemas ya descritos.
La velocidad es mayor que la velocidad de sedimentación de las partículas por lo que éstas quedan
parcialmente suspendidas en la corriente de gas (la mezcla resultante de sólidos-gas se comporta
como un líquido, por eso se dice que los sólidos están fluidizados).
Esta técnica es muy eficiente para secado de sólidos granulares, porque cada partícula está
completamente rodeada de gas. Ofrece muchas ventajas para el secado de granulaciones para
tabletas (las granulaciones para tabletas tienen el tamaño apropiado para una buena fluidización).
Un secador de lecho fluidizado muestra 2-6 veces mayor eficiencia térmica que los secadores de
bandejas.
Para evitar carga de acumulación electrostática con los peligros de explosión resultante, van
equipados con dispositivos a tierra. Pueden trabajar en forma continua o discontinua.
El secador continuo es más apropiado para el secado de grandes volúmenes de material siendo un
ejemplo de este tipo el secador horizontal de transporte vibratorio (capacidad de 1-2 ton/h). Son
empleados en las grandes plantas farmacéuticas para preparar y secar a la vez granulaciones para
tabletas.
La humedad del producto es función de la temperatura de os gases de salida, por eso se usa un
controlador de temperatura de los gases de salida, para ajustar la temperatura de entrada a medida
que varía la carga a secar, para mantener siempre la temperatura de salida de los gases constante.
4.- Secadores spray o por pulverización (neumáticos).
Estos secadores difieren de los otros en que sólo pueden manejar materiales fluidos, tales como
soluciones, suspensiones y pastas livianas susceptibles de ser atomizadas (leche, café soluble,
productos medicinales, químicos orgánicos e inorgánicos, plasma sanguíneo, sueros en general,
soluciones con alto contenido en sólidos).
Materiales termosensibles se seca con éxito en los secadores spray, pues el tiempo de residencia
del producto en la cámara de secado es muy corto.
Se pulveriza el líquido que se va a secar, y se pone en contacto con aire caliente de manera de
obtener una gran área de contacto sólido-gas y se produce una mejor transferencia térmica.
Hay muchos tipos de secadores spray, cada uno diseñado como para acomodar el material a secar y
las características deseadas del producto. En todos ellos podemos distinguir los siguientes
componentes:
1)
2)
3)
4)
5)
6)
Sistemas de alimentación
Atomizador
Suministro de aire caliente
Cámara de secado
Separador sólido-gases (separador ciclónico)
Sistema colector del producto
En la alimentación del secador spray hay que controlar mucho la densidad y viscosidad del
producto para lograr un buen trabajo del atomizador.
El aire se puede calentar mediante diversos sistemas:
i)
Resistencias eléctricas
ii) Por mechero a gas
iii) Mediante vapor de agua en un intercambiador de calor. Además el aire debe ser filtrado para
evitar suciedades. El atomizador es por lo general un disco rotatorio centrífugo que se hace
funcionar con aire comprimido. Trabaja desde 3.000 a 50.000 rpm.
La velocidad de rotación del disco es
un parámetro importante ya que va a
depender de ella, el tamaño de gotas
que se obtienen: a mayor velocidad
de rotación las gotas atomizadas son
más pequeñas y la transferencia de
calor es mejor.
Existen otros dispositivos atomizadores que son de tipo tobera.