PRACTICA No. 1. SECADO DE SÓLIDOS

UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL
FRANCISCO DE MIRANDA
ÁREA DE TECNOLOGIA
COMPLEJO ACADEMICO EL SABINO
DEPARTAMENTO DE ENERGETICA
LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS
PRACTICA No. 1. SECADO DE SÓLIDOS
1.
-
OBJETIVO GENERAL
Evaluar las principales variables que controlan el
proceso de secado en un secador rotatorio.
1.1 OBJETIVOS ESPECÍFICOS




Observar el funcionamiento de un secador
rotatorio
Evaluar la influencia de las variables, tales como:
velocidad de flujo, temperatura, humedad relativa
del aire, tiempo de residencia, velocidad de
transferencia de calor, inclinación del secador,
sobre la eficiencia del proceso de secado
Calcular el coeficiente volumétrico.
Determinar la eficiencia de un secador rotatorio a
diferentes condiciones de operación.
2. EQUIPOS NECESARIOS
-
Unidad de secado, secador rotatorio
Muestra sólida: Sílice
1 Cronómetro.
3 Vasos precipitados de 250 ml.
Anemómetro.
2 Termómetros de mercurio
Psicrómetro
Estufa
Balanza analítica
Espátula
Recipiente para producto seco
gaseosa. Cuando estas dos presiones se igualan, se dice
que el sólido y el gas están en equilibrio y el proceso de
secado cesa.
Suele ser la operación final de un proceso de fabricación
y se hace antes del envasado; con ello se reducen los
costos de transporte, se evita la humedad que pueda
causar la corrosión y se obtienen productos más
manejables.
Dos subprocesos ocurren cuando un sólido es sometido a
un secado térmico:
- Transferencia de energía en forma de calor del
ambiente que rodea al sólido para evaporar la
humedad de la superficie. La eliminación del agua en
forma de vapor de la superficie del material, depende
de las condiciones externas tales como. Temperatura,
humedad, flujo de aire, presión, área de la superficie
expuesta y tipo de secador.
- Transferencia de la humedad interna del sólido a la
superficie de éste y su subsiguiente evaporación. El
movimiento de la humedad dentro del sólido es una
función de la naturaleza física, temperatura y
contenido de humedad.
Cualquiera de los dos subprocesos descritos puede
ser el factor limitante que gobierne la velocidad de
secado, a pesar de que ambos ocurren
simultáneamente.
Definiciones fundamentales.
Contenido de humedad, base seca: El contenido de
humedad de un material
suele expresarse como
porcentaje en peso respecto al material seco
3. DATOS EXPERIMENTALES
-
Masa inicial y final de muestra de sólido.
Temperatura de bulbo seco y húmedo de entrada y
salida del aire.
Temperatura de entrada y salida del sólido.
Tiempo de residencia del sólido
Velocidad del aire, m/s
Diámetro del secador: 0,22 m (0,75 pie)
Longitud del secador: 1,4 m (4,6 pie)
4. MARCO TEÓRICO
El secado de sólidos es una operación de transferencia
simultanea de materia y energía de contacto gas-sólido,
donde la humedad contenida en el sólido se transfiere por
evaporación hacia la fase gaseosa, en base a la
diferencia de presión de vapor ejercida por el sólido
húmedo y la presión parcial de vapor de la corriente
ó
Contenido de humedad, base húmeda:
ó
ó
Humedad de equilibrio: humedad del sólido cuando su
presión de vapor se iguala a la presión de vapor del gas.
Es decir, humedad del sólido cuando está en equilibrio
con el gas a una determinada temperatura y humedad,
(Figura 1).
Humedad libre: es el exceso de humedad de un sólido
respecto a la humedad de equilibrio, en contacto con una
determinada masa de aire. Es la humedad que se puede
evaporar después de un contacto prolongado con el gas.
1
Humedad límite: es la humedad del sólido que ejerce una
presión de vapor de equilibrio menos que aquella que
ejerce el líquido puro a la misma temperatura.
Humedad no límite: es la humedad del sólido que ejerce
una presión de vapor igual a la del líquido puro a la misma
temperatura.
sistema que se usa en la práctica, aire – agua, esta
temperatura es la de bulbo húmedo.
La temperatura de bulbo húmedo es la temperatura en
equilibrio alcanzada por una superficie de evaporación,
ocurre cuando la velocidad de calor transferido a la
superficie por convección es igual al calor perdido por
evaporación.
Con el objeto de facilitar su estudio, los secadores
rotatorios se dividen en tres zonas. En la primera, el
sólido se calienta hasta la temperatura de bulbo húmedo.
No hay secado, solo precalentamiento.
En la segunda se evapora toda la humedad de los sólidos
a una temperatura constante igual a la temperatura de
bulbo húmedo a la entrada del aire. En la tercera etapa
se recalientan los sólidos, esta etapa puede darse o no.
En la Figura 2 se muestra el perfil de temperatura del aire
y el sólido a lo largo del secador en las tres zonas
descritas anteriormente.
Figura 1. Variación del contenido de humedad respecto a
la humedad ambiental. http://docencia.udea.edu.co
2
SS2, X2
TS2, HS2
Humedad absoluta del aire:
GS2, Y2
TG2, HG2
III
II
I
GS1, Y1
TG1, HG1
1
SS1, X1
TS1, HS1
Secador rotatorio
Son secadores continuos y con una elevada producción
2
(2-2,25 Tm/m h) Tienen calefacción directa y con sistema
de agitación continua. Se emplea para el secado de
productos granulados como sal, azúcar y sales
inorgánicas.
Consiste en una carcasa cilíndrica de 0,6 a 2 m de
diámetro y 2 a 20 m de longitud, ligeramente inclinada y
montada sobre unos rodillos que le dan un movimiento
rotativo constante. Interiormente dispone de un sistema
de aletas que permite la agitación del producto a secar,
produciendo el descenso de los sólidos en forma de lluvia
a través de una corriente gaseosa que se mueve
lentamente, con frecuencia dando lugar a un arrastre no
deseado de las partículas finas en el gas.
La capacidad evaporativa típica de secadores rotatorios
varía entre 1000 y 6000 BTU/h.pie3. El sólido ocupa del 5
al 15% del volumen del cilindro. Su relación
longitud/diámetro varía entre 4 y 15. La velocidad óptima
del gas a través del cilindro es de 1,7 a 3,4 m/s. El tiempo
de retención del sólido en secadores rotatorios varía de 5
min a 2 h. La pendiente del cilindro está comprendida
entre 2,5 y 5% con respecto a la horizontal.
En los secadores rotatorios, el secado se lleva a cabo en
el periodo de velocidad constante y la temperatura de
saturación adiabática del aire en la entrada. Para el
TG2
TG1
TS2
TS1
Longitud
Figura 2. Flujos de entrada y salida del secador. Perfil de
temperatura.
Balance de materia en un secador rotatorio:
∗
∗
∗
ó
∗
Balance de energía en un secador rotatorio
∗
∗
,
,
∗
∗
∗
,
,
∗
∗
∗
2
S1
1 X1
Donde:
X1, X2: humedad del solido a la entrada y salida,
respectivamente.
Y2, Y1: humedad del aire a la entrada y salida,
respectivamente.
SS: Flujo de sólido libre de humedad
HS1, HS2: Entalpia del sólido a la entrada y salida del
secador, respectivamente.
HG2, HG1: Entalpía del aire a la entrada y salida del
secador, respectivamente.
CP,sol: Calor especifico del sólido
CP, agua: calor especifico de la humedad líquida
QP: Pérdidas de calor.
5 DESCRIPCION DEL EQUIPO
El equipo de secado, secador rotatorio, está constituido
por un cilindro hueco que gira sobre su eje con una ligera
inclinación hacia la salida del sólido (Figura 3). El sólido
que se desea secar es ingresado por una tolva de
alimentación y de allí pasa al interior del secador donde
es puesto en contacto con el aire desecado. Debido a la
inclinación del equipo, el sólido desciende en forma de
lluvia a través de una corriente gaseosa que se mueve
lentamente y se va desplazando hacia la salida del equipo
donde es recogido en un contenedor.
El flujo de aire es inducido mediante un ventilador que se
encuentra en el extremo opuesto a la alimentación del
sólido. A su entrada por el túnel, el aire es puesto en
contacto con resistencias de calentamiento mediante las
cuales se eleva su temperatura.
El equipo involucra dos termopares para la medición de la
temperatura del aire a la entrada y salida del secador. El
sistema de control consta una perilla para la regulación de
la velocidad del ventilador, botones de encendido para
cada resistencia de calentamiento y botón de encendido
para la rotación sobre su eje del secador.
Eficiencia térmica global: se define como la fracción
total del calor suministrado al secador en relación al calor
usado en el proceso.
Eficiencia evaporativa: es la relación entre la capacidad
de evaporación real con la capacidad que se obtendría en
el caso ideal de que el aire de salida hubiese llegado
hasta la saturación.
5.1 EXPERIMENTACIÓN
Las principales variables a evaluar para el cálculo de la
eficiencia del secador serán: velocidad del aire,
temperatura del aire.
Cada una de las experiencias mencionadas
continuación se realiza a varias
inclinaciones
secador:
- 01 resistencia encendida máxima velocidad
ventilador
- 01 resistencia encendida mínima velocidad
ventilador
- 02 resistencias encendidas mínima velocidad
ventilador
- 02 resistencias encendidas máxima velocidad
ventilador.
a
del
del
del
del
del
5.2 PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
1. Encender el equipo a las condiciones especificadas en
el experimento a realizar. Esperar hasta alcanzar una
temperatura sugerida, condición de estado estable.
2. Pesar, simultáneamente, 50 g y 10 g de la muestra
sólida y colocar esta última en la estufa durante 30min
a 130 ºC, luego pesar nuevamente.
3. Medir la temperatura de entrada de la muestra sólida,
50 g, antes de introducirla a la tolva de alimentación
del secador.
4. Encender el sistema de rodamiento
5. Determinar las revoluciones por minuto del secador
rotatorio.
6. Medir la temperatura de bulbo seco y bulbo húmedo a
la entrada y salida de aire
7. Introducir la muestra sólida, 50 g, a un flujo
aproximadamente constante en la tolva de
alimentación, medir el tiempo que transcurre desde
que comienza a caer en el secador hasta que cae
completamente la muestra. Sin detener el cronometro,
medir el tiempo que transcurre hasta que sale la
última partícula de sólido del secador.
8. Medir la temperatura de bulbo seco y húmedo a la
entrada y salida del aire.
9. Medir la temperatura de salida de la muestra sólida
10. Pesar la muestra e introducir el sólido seco en la
estufa durante 30 min a 130 ºC; luego de transcurrido
este tiempo pesar nuevamente la muestra
Este procedimiento se repite para cada experiencia a
realizar.
Eficiencia térmica: es la relación entre el calor usado en
la evaporación y el calor suministrado
3
6 TRABAJO A REALIZAR
-
Determinar la humedad de entrada y salida del sólido
del secador
Determinar la humedad relativa del aire a la entrada y
salida del secador
Estimar el tiempo de retención
Determinar la humedad absoluta del aire a la entrada
y salida del secador
Determinar la eficiencia térmica global y evaporativa
del proceso de secado
Determinar el calor perdido
Determinar el coeficiente volumétrico de calor
experimental
Calcular el calor utilizado para secar.
Ecuación general de transferencia de calor:
∗ ∗∆
Y1
Y2
Tbs1
T1a
Tbs2
Carta psicrométrica
Eficiencia evaporativa, εE
,
,
Donde:
TS: Temperatura de saturación
Donde:
Q: calor utilizado para secar, Kcal/h
V: volumen del secador, m3
U: coeficiente volumétrico de transferencia de calor,
3
Kcal/h.m .ºC
∆TLm: diferencia media de temperatura, tomada como
logarítmica de las depresiones de bulbo húmedo a la
entrada (2) y salida (1) del secador.
∆
Correlación de Friedman y Marshall para el cálculo del
coeficiente volumétrico:
,
,
Donde:
2
GS: velocidad másica del aire, lb/pie .h
D: diámetro, pie
3
U: Coeficiente volumétrico, BTU/h.ºF.pie
Eficiencia Térmica global, εTG
,
,
∗
∗
Donde:
T1a: Temperatura de salida de los gases como si la
operación fuese verdaderamente adiabática, es decir que
puede considerarse como la temperatura teórica de salida
del gas si no hubiese pérdidas de calor.
Tamb: Temperatura ambiente.
Tbs,2 = Temperatura de bulbo seco en la entrada
Tbs,1 = Temperatura de bulbo seco a la salida
Y2
TS
Tbs2
Carta psicrométrica
7 PRE – LABORATORIO
Investigar:
1. Presión de vapor de un líquido y dependencia
con la temperatura
2. Humedad absoluta y relativa
3. Temperatura de bulbo seco y bulbo húmedo
4. Capacidad de secado
5. Tipos de secadores, características.
6. Eficiencia evaporativa y global
7. ¿Cómo se podría variar el tiempo de residencia
del material en el secador y que efectos
provocaría esta variación?
8. ¿Qué variables afectan la eficiencia del secado
en el secador rotatorio?
Referencias Bibliográficas:
McCabe, W. L.; Smith, J. C.; Harriott, P. (1998)
Operaciones Unitarias en Ingeniería Química.
McGraw-Hill Cuarta edición,.
Foust, A.; Wenzel,L.; Clump, C.; Maus, L.;
Andersen, L. B. (1980) Principles of Unit Operations.
Segunda Edición. John Wiley & Sons editores.
Treybal R. (1980). Operaciones de transferencia de
masa. Segunda edición. Editorial McGraw Hill.
4
Geankoplis, C. J. (1998) Procesos de transporte y
operaciones unitarias. Tercera edición. Editorial
Cecsa.
Marcilla Gomis, A. (1998). Introducción a las
operaciones de separación. Calculo por etapas de
equilibrio. Publicaciones de la Universidad de
Alicante. Edición electrónica Espagrafic.
Perry R., H.; Green, D. W.; Maloney, J. O. (1998).
Manual del Ingeniero Químico. Sexta Edición.
Editorial McGraw Hill.
5
REPORTE DE DATOS
Experimento 1: _________________________________________________________________________
Experimento 2: _________________________________________________________________________
Experimento 3: _________________________________________________________________________
Experimento 4: _________________________________________________________________________
Condiciones del aire
Experimento 1
TBS
TBH
(ºC)
(ºC)
Experimento 2
TBH
TBS
(ºC)
(ºC)
Experimento 3
TBS
TBH
(ºC)
(ºC)
Experimento 4
TBS
TBH
(ºC)
(ºC)
Entrada
Salida
Velocidad del aire a
la salida (m/s)
Angulo de Inclinación
Velocidad de
rotación, rpm
Tiempo en el secador
Experimento 1
Experimento 2
Experimento 3
Experimento 4
Tiempo de alimentación,
tA (s)
Tiempo de salida primera partícula
sólida, s
Tiempo total,
tT (min)
Características del sólido
Experimento
1
Experimento
2
Experimento
3
Experimento
4
Masa del sólido Húmedo entrada Estufa:
MsHeE, (g)
Masa del sólido Húmedo salida Estufa:
MsHsE, (g)
Masa del sólido Húmedo entrada al
Secador: MsHeS (g)
Masa del sólido Seco entrada Estufa:
MsSeE, (g)
Masa del sólido Seco salida Estufa:
MsSsE, (g)
Temperatura de entrada del sólido
Húmedo, TesH (ºC)
Temperatura de salida del sólido Seco:
TssS (ºC)
Sección: _______
Grupo: ________
Fecha: _______________________
Integrantes:
Nombre y Apellido
_________________________
C.I.
______________
Firma
__________________________
_________________________
______________
__________________________
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______________
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