O.U. SECADO

SFI I

Físico Química y Operaciones Unitarias –Laboratorio de Secado

Integrantes:

-De la Cruz Cabrera Abrahan 20100336E

-Ccahuantico Mamani Rosario 20090220J

-Díaz Torres Víctor Alfonso 20102512E

-Escurra Carlos Fidel Jonathan 20101125H

-Durand Salazar Irvin 20101086B

Profesor: Parra Osorio Hernán

GRUPO 4 42

Universidad Nacional de IngenieríaFacultad de Ingeniería Industrial y Sistemas

Físico Química y Operaciones Unitarias

FISICO QUIMICA Y OPERACIONES UNITARIAS Laboratorio de Secado

INTRODUCCIÓN

La operación unitaria de secado es un proceso de conservación que permite la

obtención de un producto en polvo a partir de un material líquido concentrado

que se pulveriza, eliminando una gran cantidad de agua del alimento. Esto

impide cualquier actividad microbiana o enzimática que deteriore el producto.

El proceso de secado surge debido a la necesidad de poder consumir

alimentos que en cierta época del año no se cosechan o producen y que por su

composición química son susceptibles a descomponerse. En la actualidad los

métodos de secado desarrollados tienen gran auge tanto en la industria

química y de transformación como en la de alimentos como en lácteos (leche,

suero), cereales (almidón, proteína), etc.

Entre los equipos de secado más comúnmente utilizados se encuentran los

secadores de tambor, secadores rotatorios, secador de túnel, de banda y de

aspersión, entre otros. El secado por aspersión (Spray Dryer) es la operación

unitaria en la que se transforma un producto o alimentación desde un estado

líquido hasta un estado en forma pulverizado. Es un proceso prácticamente

instantáneo de alimentación fluida, siendo el aire caliente el medio que

suministra el calor necesario para la evaporación y al mismo tiempo el

acarreador del agua eliminada.

Los rubros en donde está orientado este equipo son en la industria Química,

Alimenticia, Frigorífica, Farmacéutica, Minera, Petroquímica, etc. Las ventajas

que ofrece el secado spray al utilizar este equipo en estas industrias son: Alto

rendimiento, la evaporación del agua contenida, refrigera la partícula

permitiendo usar altas temperaturas de aire de secado sin afectar las

cualidades del producto, proceso continuo y constantemente controlado,

homogeneidad de la producción, inmejorable presentación del producto, un

solo operario maneja la instalación, fácil automatización, puede trabajar

continuo todo el día siempre con un buen mantenimiento.

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OBJETIVOS

Conocer el equipo de secado por atomización y comprender su funcionamiento aplicando los fundamentos teóricos a través del manejo del equipo.

Determinar las variables de las cuales dependen las características de calidad del producto secado, mediante el análisis de la operación.

Conocer las aplicaciones que tienen esta técnica en la elaboración de productos comerciales y otros.

Conocer las aplicaciones industriales de este proceso unitario.

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DESCRIPCIÓN DEL EQUIPO

Partes principales del equipo:

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ATOMIZADOR

El atomizador empleado es un atomizador de disco centrífugo que es la parte más importante del equipo, emplea una rueda o rodete que consta de 24 ventanas para romper la corriente de líquido en pequeñas gotas, cuyos diámetros son casi inversamente proporcionales a la velocidad periférica del rodete.

Funcionan normalmente en el rango de 3000 a 50000 RPM con diámetros de rueda de 5 a 50 cm utilizándose las altas velocidades en los secadores de diámetro pequeño como el estudiado en el presente laboratorio cuya velocidad de giro es de 30000 RPM.

Asimismo, tiene 2 tubos de entrada por donde ingresa el líquido a secar y aire comprimido, este último es conducido a una determinada presión hacia el atomizador transfiriendo energía al rodete para su movimiento.

DISCO CENTRÍFUGO O RODETE

El

aire comprimido que ingresa es regulado por un manómetro que determina la presión y la velocidad de giro del rodete (4kg/cm2-30000 RPM), variables que a su vez obedecen a las características del líquido (viscosidad y densidad).

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CÁMARA DE SECADO

Es la que se encarga de encerrar el rocío que se produce por el atomizador y asegurar que las gotas sean secadas con el flujo de aire caliente. Además, suministra un tiempo de estancia suficiente para evaporar la humedad.

La velocidad de secado es muy alta en el primer periodo de secado cuando la mayoría de la humedad es evaporada en intervalos de tiempo muy corto, pero durante el segundo periodo de secado la velocidad cae rápidamente y requiere más tiempo para reducir aún más la humedad del producto hasta un nivel aceptable.

Esta cámara de secado es de tipo cilíndrico con un cono inferior que hace un ángulo con la vertical entre 40 y 60º para que pueda ser retirado de allí el polvo por gravedad.

Cabe mencionar también que, está aislada térmicamente para reducir las pérdidas energéticas y además tiene la superficie lateral recubierta de acero inoxidable por los problemas de corrosión presentados en el lavado durante su mantenimiento.

Base de la descarga inicial de producto

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CALENTADOR POR RESISTENCIA ELÉCTRICA

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El calentador es el que se encarga de entregar de forma directa energía calorífica al aire que ingresa por un filtro elevando su temperatura hasta 160ºC que viene a ser la temperatura de entrada con la que el aire ingresaría a la cámara de secado.

En el laboratorio están presentes dos tipos de calentadores; el primero, que funciona a base de gas propano y el otro, con un reóstato (calentador por resistencias eléctricas) que corresponden a métodos indirecto y directo respectivamente.

Por el panel de control se regula la temperatura del aire, por medio de las resistencias que la determinan de menos a más; existen 6 tipos de resistencias de alambre de nicrom. En el secado de la leche se trabajo con resistencias del 2do y 3er nivel para mantener una temperatura de entrada de 160ºC.

PARTES DE NIRO ATOMIZER

El tablero de control

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Tiene la siguiente estructura:

1. Regula la presión con la que ingresa el aire al atomizador cuando este aire

es calentado por medio de una resistencia.

2. Regula la presión con la que ingresa el aire al atomizador cuando el aire

que ingresa es calentado por medio de un gas que puede por ejemplo gas

propano.

3. Indica la medida en Kg

cm2 (presión) que presenta el aire comprimido al

ingresar al atomizador esto está directamente relacionado con las RPM que

dará el disco centrífugo del atomizador, por ejemplo cuando marca cuatro el

atomizador estará girando a 30000 RPMque es una variable importante a

considerar pues afecta directamente al proceso de secado, además

depende del tipo de sustancia que se desee secar.

4. Regulador de temperatura del aire que ingresa pues controla la parte del

ventilador y si se usa electricidad controla las resistencias, por ejemplo si

maraca “M” indica que se estás usando el ventilador además activa una

barrera que evita las pérdidas de calor cuando se hace uso de gas propano

o cuando se hace uso de electricidad pues solo se usa uno de estos

sistemas para calentar el aire a la vez.

5. Indica la temperatura en ºC de el aire que ingresa a la cámara de secado

esta temperatura es mayor que la temperatura del aire que sale y es medido

haciendo uso de termocuplas.

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6. Indica la temperatura del aire que sale de la cámara de secado medida en

ºC, este aire que va a dar al ambiente muchas veces es tóxico por ello

ahora se siguen normas que verifiquen la toxicidad antes de ser arrojados al

ambiente.

7. Conmutador de palanca para el encendido

8. Válvula de la entrada del aire comprimido

9. Regulador de la salida del aire húmedo

10.Conducto de la salida del aire húmedo

11.Pilotos como Indicadores visuales del uso de las resistencias

(calentamiento)

Calentador de aire eléctrico

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Parte del equipo que se encarga de elevar la temperatura del aire que

ingresará a la cámara de secado, mediante una resistencia eléctrica.

Se encuentra en la parte derecha y tiene forma cilíndrica.

Calentador de aire a gas

Cumple la misma función que la de un calentador de aire eléctrico, salvo que

su fuente de energía es el gas. Se encuentra al lado izquierdo del equipo y

tiene una forma cónica.

Ciclón

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Parte que es encargada de separar las partículas ya secas del aire y extraerlo

en forma de producto terminado, realizando una absorción y transporte del aire

contenido en la cámara y por gravedad el polvo seco precipita en el vaso de

muestra.

Motor y ventilador.

Cumplen la función de aspirador del aire a utilizar en este proceso.

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

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ARRANQUE DE LA OPERACIÓN

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1. Conectar el cable principal a la a la fuente de corriente alterna y el piloto

verde se encenderá

2. Encender el motor, pasando por “M” el interruptor principal que indica el

funcionamiento del extractor.

3. Iniciar el calentamiento del aire que ingresa por el filtro del calentador

eléctrico por los niveles 1-6 de resistencias para el calentamiento del

aire, hasta establecer una temperatura de ingreso de 160ºC, esto durará

algo de 15 minutos.

4. Abrir la válvula correspondiente a la utilización de electricidad y llevarlo a

una presión de 4kg/cm2 para obtener una velocidad de giro de 10 – 25

mil RPM del rodete, que es la establecida según las propiedades del

líquido a secar como su viscosidad principalmente.

5. Se da la alimentación de flujo por goteo de entre 180 – 220 gotas por

minuto.

LA OPERACIÓN

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1. La alimentación es ingresada a la

cámara por medio del atomizador

de disco centrífugo, que permite

ingresar la leche en micro gotas en

su interior.

2. El rocío a penas saliente se pone

en contacto directo por

contracorriente con el aire caliente

entrante a la cámara donde ocurre

la evaporación del líquido

(transferencia de calor y masa

entre gas caliente y gotas). Ya que

un incremento en la temperatura

de ingreso del aire eleva la

capacidad evaporativa del secador

a niveles constantes de aire; por lo general, al elevar la temperatura

provoca una reducción en la densidad aparente, debido a que los rangos

evaporativos son más rápidos y los productos secan a una estructura

más porosa.

3. El aire arrastra las partículas secas, saliendo por el fondo de la cámara

de secado, siendo atraídos por el extractor hasta el ciclón.

4. En el ciclón, el aire húmedo junto con el sólido

ingresan tangencialmente y se separan mediante

choques y el sólido queda en el frasco.

5. El aire húmedo sale por la parte superior del ciclón aspirado por las

hélices del ventilador a una temperatura de 40ºC, siendo impulsado

hacia fuera por un tubo lateral

PARADA DE LA OPERACIÓN

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1. Se corta la alimentación de leche

2. Se devuelve el interruptor principal a “M” para cesar el calentamiento

3. Se cierra la válvula del suministro de aire a presión a fin de parar el giro

del atomizador.

4. Desconectar los dos tubos del atomizador: De alimentación y del aire a

presión para sacar el atomizador y eliminar los restos del rodete.

5. Destapar la cámara y escobillar hacia abajo cualquier polvo que

quedase para ser aspirado al ciclón y luego al frasco.

6. Girar el interruptor principal a “O” para apagar por completo el equipo.

APLICACIONES INDUSTRIALES

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Actualmente existe una gran cantidad de productos que requieren el uso del sistema de secado por atomización, el cual mantiene las propiedades físico- químicas de los productos y que hasta en algunos casos puede llegar a mejorar esas propiedades. A través de una solución, emulsión, suspensión o pasta, es enorme la diversidad de productos que se pueden secar por medio de este sistema en las industrias Química y Alimenticia. Leche en polvo, jugos, las sopas instantáneas, detergentes, industria del café son algunos de los ejemplos de conocimiento general.

El Secado por Atomización, también se puede usar para la preservación de los alimentos. Mediante este proceso simple y muy rápido, se consigue secar los sólidos y sólidos solubles, con alta calidad, preservando las características esenciales de los mismos.

Otros productos obtenidos mediante el secado son:

- Betarraga

- Lúcuma

- Café

- Mezcla seca de la galleta/de la torta

- Leche de coco

- Polvo del queso

- Café (inmediato)

- Substitutos de café

- Blanqueador del café

- Colores de alimento

- Llenadores del alimento

- Sabores del alimento

- Zumo de fruta (con el llenador)

- Extractos de la comida sana

- Mezcla del helado

- Regaliz

- Alimento a base de leche

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- Mezcla seca de la sopa

- Té (inmediato)

Algunas aplicaciones del secado por atomización se presentan a continuación:

1. AZÚCAR

El azúcar refinado se lava con condensado de vapor, se seca con aire caliente por atomización, se clasifica según el tamaño del cristal y se almacena en silos para su posterior empaque.

Son utilizados ampliamente como saborizantes en diversas clases de alimentos.

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2. JUGOS

Al trabajar con productos hechos de ingredientes naturales se desea retener las propiedades naturales y cualidades en la forma final en polvo.

El polvo reconstituido puede sólo contener un máximo de 3% aditivos, como la sucrosa en una base sólida, para que pueda llamarse jugo. El verdadero polvo de jugo mantiene una alta concentración de fibras naturales en el jugo. A la pulpa colada de frutas se le quita la piel, las semillas y las fibras largas para crear una pasta que pueda secarse por atomización de esta forma, o con sólo una adición limitada de un portador.

Utilizadas como saborizantes de cremas para rellenos de galletas, para cubiertas y rellenos en repostería o para reconstrucción de jugos naturales.

3. TOMATE

Esta fruta especial es secada por atomización en grandes cantidades a partir de una pasta concentrada. El polvo es preparado a partir de pasta concentrada en caliente o en frio. La pasta utilizada es colada para quitarle la piel, semillas y fibras largas.

4. BALDOSAS CERÁMICAS

En la fabricación de pavimentos y revestimientos cerámicos el método usado para secado es el secado por atomización.

El proceso de atomización es un proceso de secado, por el cual una suspensión pulverizada en finas gotas, entra en contacto con aire caliente para producir un producto sólido de bajo contenido en agua.

El contenido en humedad presente en la suspensión (barbotina), suele oscilar en torno a 0,30-0,45 kg. de agua / kg. de sólido seco.

El proceso de secado por atomización se desarrolla siguiendo los sgtes pasos:

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- Bombeo y pulverización de la suspensión.

- Generación y alimentación de los gases calientes.

- Secado por contacto gas caliente-gota suspensión.

- Separación del polvo atomizado de los gases.

La implantación del proceso de secado por atomización para la obtención de la materia prima del soporte (polvo atomizado), conlleva unas importantes ventajas que favorecen el desarrollo de las posteriores etapas del proceso de fabricación. Una de las ventajas más importantes es la obtención de gránulos más o menos esféricos, huecos en su interior y muy uniformes, lo que confiere al polvo atomizado una elevada fluidez, facilitando las operaciones de llenado de los moldes de las prensas y prensado de piezas de gran formato.

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5. OBTENCIÓN Y ALMACENAMIENTO DE AGUACATE EN POLVO :

Este tipo de producto también usa el secado por atomización: palta en polvo, sin que su color típico verde se altere por las altas temperaturas aplicadas y que sea reconstituible por adición de agua.

6.

MICROENCAPSULACIÓN DE JUGO DE CEBADA VERDE MEDIANTE SECADO POR ATOMIZACIÓN

La cebada tiene un alto valor nutritivo. El secado por aspersión ha sido usado como una técnica para encapsular alimentos conservando sus propiedades. De la

operación del secado para obtener un polvo micro encapsulado a partir de cebada. Se determina el contenido de rehidratación.

7. PRODUCCIÓN DE SUERO EN POLVO:

Los productos de suero pueden ser secados por atomización; sin embargo, requieren de sus propias técnicas de manejo. La distribución para suero secado por atomización puede variar de simple a sofisticada. En términos generales, el suero dulce (de queso) es más fácil de secar que

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el suero ácido. Las operaciones principales utilizadas para la producción de polvo de suero son:

Precalentamiento

Concentración

Enfriamiento instantáneo

Pre-cristalización

Secado por Atomización

Enfriamiento en un lecho fluidizado vibratorio

8. DETERGENTES

Los procesos de secado por atomización para la industria de los detergentes pueden ser diseñados con patrones de flujo de aire en co-corriente, contra corriente o combinados.

Los procesos de aglomeración, granulación y secado en la industria de los detergentes convencionales domésticos y en la de los industriales son los necesarios para la producción.

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CONCLUSIONES

Debido a que la eficiencia del equipo es de 20% y que ingresa 410 g de leche (un tarro de leche evaporada), la cantidad en gramos de la leche en polvo es de 82 g aproximadamente.

El equipo de secado espray o por atomización descrito, realiza el secado de diversos productos líquidos tales como la leche, la gelatina, colorantes (azul de metilo), jugo de betarraga, lúcuma, naranja, maíz morado, maca y uña de gato también soluciones de sulfato de magnesio, sulfato de azufre, entre otros.

Para obtener de la mejor manera el producto seco, es necesario tener en constante control simultáneo, primordialmente, donde cada variable a controlar realiza su roll y depende de las otras para que en conjunto resulte eficiente el proceso.

La temperatura de entrada y salida del aire es de 160°C y 40°C respectivamente de lo que se concluye que el aire salió a una temperatura menor que la de entrada, lo que significa que se ha perdido una cantidad considerable de calor y que este calor ha sido cedido a la leche y a las tuberías del secador. Del aire de salida se puede aprovechar el contenido energético reciclando para recalentar la entrada del aire al calentador de aire.

Para cada producto a secar debemos tener en consideración que se de debe manejar el equipo con diferentes valores de las variables, pues las propiedades físicas y químicas de los productos son evidentemente diferentes, por ejemplo el flujo de ingreso para:

Leche : 120-190 gotas por minuto aproximadamente

Lúcuma : 30 gotas por minuto aproximadamente

El secado en Atomizadores ofrece la ventaja de producirse con extremada rapidez para productos sensibles al calor y relativamente bajos costos de operación.

Las pérdidas de calor no son despreciables, pero para efecto de cálculo estas pérdidas puedes despreciarse.

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RECOMENDACIONES

Se debe tener mucho cuidado con la variación de la presión, debe estar en 4 kg/m3, ya que si disminuye, la velocidad del disco baja y se producen mayor tamaño de partícula que tienden a producir aglomeraciones pastosas en las paredes.

Debido a los defectos del equipo propios de su antigüedad, queda mucho polvo en las paredes dela cámara por lo que se recomienda utilizar un extractor más potente para el arrastre debajo de la cámara.

Es recomendable trabajar con el equipo a condiciones controladas donde se produzca líquido atomizado con la mejor relación superficie/peso y a la temperatura adecuada, para hacer de la operación más eficiente.

Recomendamos evaluar la posibilidad de trabajar calentando el aire por combustible, debido a que es más económico el proceso, siempre y cuando el producto final no se vea afectado, debido a que el aire calentado por combustibles impregna un olor característico.

Se debe asegurar la disponibilidad de aire de servicio, para así asegurar la continuidad del proceso

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