UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLOFACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA

Laboratorio Nº 04: SECADO POR ATOMIZACIÓN (SPRAY DRYER)

Docente: Ing. Walter Moreno Eustaquio

Ciclo: VII

Alumnas: Cceccaño López, Joselin Rosa León concepción, Alyda Elisa Lujerio Bailón, Ginna Mirelly

Trujillo – Perú

LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS II

SECADO POR ATOMIZACIÓN (SPRAY DRYER)

OBJETIVOS:

1. Determinar el coeficiente de transferencia de calor, hc.2. Determinar el coeficiente de transferencia de masa, Kg.3. Determinar el tiempo de secado, θ4. Determinar la capacidad de evaporación, E.5. Determinar la eficiencia del calentador, EFC6. Elaborar un programa de computación.

FUNDAMENTO TEÓRICO:

El secado por atomización es una operación básica especialmente indicada para el secado de disoluciones y suspensiones.

En nuestro estudio experimental secamos una disolución de citrato sódico en el secadero de atomización. A partir de los datos experimentales realizamos los correspondientes balances de materia y energía y estudiaremos la cinética del proceso para establecer un modelo que nos permita una simulación.

G1, kg/h: Caudal másica de entrada de aire de secado, se varía con la soplante.

T1: Temperatura del aire de secado. Ésta se determina en función de la resistencia térmica del producto que se quiere secar.

H1: Humedad absoluta del aire de secado.

Qa, L/h: Caudal de aire comprimido.

m, kg/h: Caudal de la alimentación, que se controla con la bomba peristáltica.

w, %: Porcentaje en peso de sólidos en la alimentación.

W1, kg agua/kg sólido seco: Humedad del alimento al inicio.

W2, kg agua/kg sólido seco: Humedad del producto final.

El sólido se secará hasta alcanzar una humedad llamada humedad de equilibrio (Weq). Cuando esta humedad se consigue, y depende de las condiciones del sistema (temperatura, caudales de aire de secado y alimento), por mucho que el producto esté en contacto con aire seco no va a perder más humedad.

El secado será más efectivo cuanto más se acerque la humedad de salida del producto (Wf) a la humedad de equilibrio, pero siempre ha de ser menor para que toda la longitud del secadero sea útil, es decir, siempre esté secando a lo largo de su longitud, ya que no se alcanza el equilibrio.

De acuerdo con las características del secado por atomización, la formulación de cualquier modelo de secado necesita del conocimiento del tamaño de las gotas formadas en la boquilla de pulverización, de la fluido dinámica de la fase continua (aire de secado) y de la fase dispersa (gotas), y del cálculo del tiempo medio de residencia.

Condiciones para un buen secado:

- Propiedades de la alimentación: solución con un porcentaje de sólidos mayor al 25%.

- Propiedades del agente calefactor: aire a temperatura de entrada y humedad relativa.

- Propiedad del producto: tamaño de la particula y la densidad aparente.

Proceso de secado por atomización:

Si el funcionamiento de un secador pulverizado implica tres aspectos fundamentales:

1) Atomización o pulverización2) Mezcla del gas y el líquido pulverizado3) Desecación de las gotas del líquido

Aplicaciones del secado por atomización:

Para obtener productos en forma de polvo o gránulos, tales como: detergentes, leche, sangre, café, productos farmacéuticos.

Consideración para el diseño de un SPRAY DRYER:

1) Tamaño y forma de las partículas2) Propiedades físicas de la alimentación3) Temperaturas máximas del gas y producto

Establecemos varios supuestos:

- Gotas mayor diámetro van a ser la porción limitante de nuestro secado, es decir de la gota de rocío.

- La gotita mayor del sólido tiene tres veces el tamaño promedio del diámetro de gota. Ds = 3Dp.

- Para evaluar el Número de Nusselts, considerarlo = 2.- Debido a la turbulencia y mezcla de gases, las condiciones de secado son

uniformes, de tal manera que la temperatura interna de la cámara va a ser igual a la temperatura de salida de los gases.

- La fuerza impulsora de temperatura es la diferencia entre la temperatura del gas y la del líquido puro.

De lo anterior mencionado tenemos por datos experimentalmente lo siguiente:

hcDP

k=KgMDPPtDAB δ

=2+ βPrPReq=2+ βScPReq

Donde:

h c = Coeficiente de transferencia de calor, Kcal/m2h℃

Dp = Diámetro de la particula,m

k = conductividad térmica del gas, Kcal/m.h.℃

Kg = Coeficiente de transferencia de masa, Kmol/m2h.atm

M = Peso molecular medio del gas.

Pt = Presión total del gas, m2/h

DAB = Difusividad del gas, m2/h

δ=¿Densidad del gas, m/Kg./m3

ℜ=DP .u . δ

μ

Pr=C p . μk

Sc= μδ .DAB

Valores de las constantes:

β=0.6

p=0.333

q=0.5

Tiempo de secado, θ

θ=T .W .δ S .DP2

12.k f .(T a−T S)

Donde:

T : Calor latente de vaporización, Kcal/Kg

W : Contenido de humedad la gota o la partícula W=X i−X f , Kg agua/Kg solido seco.

δs : Densidad de la partícula.

Dp : Diámetro de la partícula, m

(Ta – Ts) : Diferencia de temperatura entre la gota y el gas, ºC

Kf : Conductividad térmica del gas, Kcal/mhºC

θ : Tiempo de secado, seg.

Dado que el área de contacto es mayor, el tiempo real de secado se mide en fracciones de segundos y por lo general no excederá los 30 segundos.

Tiempo de contacto, θCT

θCT=V

A .G. v

Donde:

V : volumen de cámara de secado, m3

V = volumen cilíndrico + volumen cono

V = (π r2h)+πh/3(r 12+r 22+r1. r 2)

Ò

V = a.(E)

a = Constrante entre 0.02 y 0.042

E = Capacidad de evaporación (Referente Manuel de Diseño)

G : flujo másico de gas seco, Kg/seg.m2

V : volumen específico del gas, m3/Kg

v=( 129

+ Y18

) 0.082TP

A : área transversal del ducto, m2

A = ¿

θCT : Tiempo que permanece la partícula en el seno de la corriente gaseosa.

Flujo másico del aire:

G=u AIRE . δ AIRE

En donde:

G : flujo másico del aire, Kg/m2.seg

δ : Densidad del gas (1/v).Kg/m3

u : Velocidad del gas 1.8m/seg

Velocidad de evaporación (dw /dθ)

dwdθ

=E=hc . Ao∆T

τ

Donde:

E : Velocidad de evaporación, Kg/hr

Ao : área de la gota, m2 (π .DP2)

∆T : Caida de temperatura entre gas y sólido, ºC

hc : Coeficiente de transferencia de calor.

Eficiencia del calentador

EFC=HB−H A

H combx100

Donde:

HA, HB : entalpias especificas del aire, Kcal/Kg, la entrante y salida del quemador.

Hcomb : entalpía del combustible, Kcal/Kg ≈ 11,080 Kcal/Kg

Nota: Tomar dato del tiempo de operación.

EQUIPO Y MATERIALES

Spray Driyer

Tanque Alimentador

Compresor de 2 etapas

Material a secar

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

1. Preparar la solución y añadirla al tanque de alimentación (25% sólido y una densidad promedio de 1.1 gr/cm3)

2. Prender la bomba de alimentación (FEED PUMP)3. Encender el ventilador (FAN)4. Prender el compresor5. Prender el quemador (BURNER), previa apertura de la válvula de

combustible (gas propano)6. Abrir la llave de agua de alimentación del dispersor.7. Toma los datos. Controlar la temperatura de operación.

CÁLCULOS Y RESULTADOS

Peso de leche 805gGoma arábiga 80gVolumen de leche 800mlDensidad de leche 1.01g/mlTemperatura de entrada 120ºCTemperatura de salida 95ºCPeso de leche en polvo 124gFuente: Datos extraídos del laboratorio

- Cálculo de la humedad del material:

% Só lidos totales=W ss

W solx100

% Só lidos totales=0.124Kg0.864Kg

x100

% Só lidos totales=14.352

% humedad=100%−%s ó lidos totales

% humedad=100−14.352=85.648

- Cálculo de la presión en la cámara de secado:

5 pulgH2Ox1 pie12 pulg

x 760mmHg33.91 pie H 2O

=9.34mmHg

Presió nabsoluta=760mmHg−9.34mmHg

- Cálculo del diámetro de la partícula de sauter:

DP=585√δU √ ρL

+597 [ μ√G . ρL ]

0.45[ 1000V L

V G ]1.5

En donde:

D p=Diametromediode sauter (μm)

D pm=Diámetro de la gota de agua (μm)

δ=Tencion superficila ( dinacm

)

U=Velocidad relativaentre el aire y el liquido ( piess )ρL=Densidaddel liquido ( g

cm3 )μ=Viscosidaddinamica delliquido (Poise )

V L=Gasto volumetr ico del liquido

V G=gasto volumé tricodel gas

D p=585√58.65230.84√1.01

+597 [ 9.5x 10−3

√58.65 .1.053 ]0.45

[1000 x 6 x10−7

9.076 x 10−4 ]1.5

D p=35.069μm

Dpm=3Dp

Dpm=3 (35.069 μm )=105.207 μm

- Cálculos para hallar la transferencia de calor (hc):

N ℜ=Dp∗V∗ρ

u

Donde:

D p=Diametromediode sauter (m)

V=Velocidad del gas secante (m/s)

ρ=Densidadaparente ( Kgm3

)

u=viscosidad

N ℜ=(3.6107∗10−5 ) (1.84 ) (1.0 )

2.26∗10−5=2.9691

hc∗D p

K=2+0 .6 (N pr )

13 (N ℜ)

12

hc=(2+0.6∗(0.694 )

13 (2.9691 )

12 ) (0.024 )

3.4525∗10−5 =2044.3597 Kcalm2∗h∗C

- Calor de difusividad:

D g1=Dg2[( P1P2 )(T 2T 1 )1/2]

D g1=4∗10−5[( 760741.32 )(368.15403 )

1/2]D g1=3.92∗10

−5 cm2

s

P1=760mmHg

P2=760−9.34=741.32mmHg

T 2=95+273=368K (Temperatura secantedel gas)

T 1=120+273=393K (Temperatura entrantedel gas )

- Cálculos del coeficiente de transferencia de masa (Kg):

N sc=u

ρx D g= 2.26 x10−5

(1.053 ) (3.92 x 10−5 )=0.5475

K g xM x DP x PD g xρ

=2+0.6 (N sc )13 (N ℜ)

12

Kg∗(29 ) (3.4525 x 10−5 ) (0.9877 )(3.92x10−5 ) (1.01 )

=2+0.6 ( 0.5475 )( 13 ) (2.9691 )

12

K g=0.1168Kmol

h xm2 xatm

- Cálculo de eficiencia de operación:

EFC=HB−H A

H combx100

EFC=31.2−22.811.08

x100=75.81

- Cálculo del tiempo de operación:

θ=Γ .W .δ s .Dp

2

12 . kf . (Ta−Ts )

θ=538,7 x 0.86 x1010 x (3.4525 x10−5 )2

12 x0.031168 x (25)=5.965 x 10−5h r

- Cálculo de la capacidad de evaporación:

W= dwdθ

=2. π . kf . DP (T ent−T sal)

λ

W=2 x3.1416 x 0.024 x3.4525 x25469.9

=2.76 x 10−2 Kgh

CONCLUSIONES:

El secado por atomización es mucho más eficiente aplicarlo en productos de leche en polvo, café, jabones, detergentes y infinidad de productos de uso domestico.

El tiempo obtenido de muestra q los secadores por atomización son mucho más eficientes para procesar lodos con velocidades de producción relativamente altas a diferencia de los secadores de magnita o olla, tambor, etc.

El proceso de secado por Atomización involucra fenómenos de transferencia de masa y calor. La transferencia de masa ocurre desde las partes periféricas de la gota dispersada hacia el aire caliente. La transferencia de calor ocurre hacia la gota dispersa, ocasionando la evaporación del solvente.

BIBLIOGRAFÍA

“Principios de Transferencia de Masa y Calor”, datos físicos y

técnicos,OCON TOJO(1970).

“Fundamentos de Transferencia de Masa”, TREYBAL (1989).

Geankoplis Christie J. “Transport Processes and Unit Operations” Third

Edition 1993 Prentice Hall.