• Author / Uploaded
• Xaulo Del Rosario Lecaros

Citation preview

LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS II

SECADO POR ATOMIZACIÓN

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA Y TEXTIL ÁREA ACADÉMICA DE INGENIERIA QUIMICA

LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS II (PI-136A) INFORME N° 1: “SECADO POR ATOMIZACIÓN”

Profesor:

COLLADO DOMINGUEZ, EMERSON

Alumnos:

LOPEZ CASAS

LUIS ANGEL

MACHACA ESTRADA ALBERTO MARCA MEDINA FERNANDO RUBEN

LIMA- PERU 2016

UNI - FIQT

LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS II

SECADO POR ATOMIZACIÓN

SECADO POR ATOMIZACION OBJETIVO 

Conocer el equipo de secado y su funcionamiento, a su vez adquirir destreza en el manejo del equipo de secado por atomización, controlando las condiciones de operación.

FUNDAMENTO TEORICO El secado por atomización es una operación básica, la cual consiste en la transformación de una materia (solución, suspensión o pasta) a un producto seco granulado, mediante la realización de la operación en un medio caliente y seco. Esta operación dependerá de las propiedades del insumo a secar: densidad, contendido de sólidos, viscosidad, tensión superficial, temperatura, estado de desfloculacion y distribucion del tamaño de partícula, y de las condiciones de operación del equipo de secado: temperatura, caudal y humedad relativa del aire de secado, presión de inyección y el diámetro de salida del inyector. Es por esto que las características del polvo obtenido pueden resultar de diferentes tamaños, por lo que van a depender de cómo se controló las variables de operación.

Fig.1 Equipo de Secado SECADO POR ATOMIZACION EN LA OBTENCION DE LA LECHE EN POLVO: Como se sabe, hoy en día el secado por atomización es muy utilizado en la industria de los alimentos, y una de sus aplicaciones es la produccion de la leche en polvo. La obtención de la leche en polvo se da mediante dos etapas de eliminación de agua: Evaporación y Secado. La primera etapa se realiza en un evaporador de varios efectos. La segunda etapa se realiza en una torre de atomización. UNI - FIQT

LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS II

SECADO POR ATOMIZACIÓN

Fig.2 Torre de atomización para la produccion de leche en polvo Descripción de la Fig.2: 1) Bomba de alta presión: Envía la leche concentrada hacia la cámara de mezcla. 2) Atomizador: Divide finamente la leche en pequeñísimas gotas, que se encuentran en la corriente de aire caliente dentro de la cámara de secado. 3) Suministro de aire caliente: El aire pasa por un calentador hasta alcanzar una temperatura entre 150-250°C. 4) Cámara de Mezcla: Aquí se mezcla la leche concentrada con el aire caliente. 5) Cámara de secado: El agua libre se evapora instantáneamente, el agua contenida en el interior pasa por difusión hacia la superficie de las gotitas, en donde es evaporada por el aire caliente. 6) Descarga del producto: La leche en polvo pasa a la sección de envasado. 7) Ciclón: Permite recuperar las partículas de polvo que contenga. ATOMIZACIÓN EN SECADORES PARA PRODUCTOS LÁCTEOS: En la industria de los lácteos se utilizan principalmente dos tipos de secado: 1. Toberas a Presión:  Toberas de alta presión y baja capacidad: Estas operan a una alta presión de 300400 bar. Presentan una capacidad de 50-150 kg de concentrado con un porcentaje de sólidos de 40-42%, si se quiere mantener una solubilidad razonable en el polvo.  Toberas de baja presión y alta capacidad: Operan a presiones de 150-200 bar. Presentan una capacidad de hasta 1000-1500 kg/h, con un contenido en sólidos de hasta 48% sin afectar la solubilidad. Ventajas de las toberas a presión: 

UNI - FIQT

Polvo con bajo contenido de aire ocluido.

LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS II

   

SECADO POR ATOMIZACIÓN

Polvo de una alta densidad específica. Mejor fluidez, especialmente para leche entera. Menor tendencia a formar depósitos en la cámara de secado al tratar productos difíciles. Producción de grandes partículas

2. Atomizador rotativo: El atomizador rotativo es usado al tratar leche descremada, leche entera o concentrada de suero cristalizado. Algunas ventajas:  Capacidad flexible.  Manejo de grandes cantidades.  Manejo de concentrados altamente viscosos.  Diferentes diseños de la rueda dando distintas características en el polvo.  Manejo de productos con cristales. SISTEMAS DE SEPARACION DE POLVO: Debido a que el aire de secado contiene pequeñas cantidades de polvo, se buscara limpiar el aire de las partículas de polvo. Para esto existen diversos sistemas de separación de polvo:   

Ciclones Filtros de mangas Lavadores tipo húmedo

Fig. 3 Ciclón

UNI - FIQT

LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS II

SECADO POR ATOMIZACIÓN

DATOS Datos del agua a 28°C: Tabla 1: Propiedades del agua Datos del agua a 28°C ρ(g/mL) u (cP) σ (dina/cm)

0.996 0.7808 71.52

ρ(lb/pie3) u (lb/pie.min) σ (lbf/min2)

62.178 0.0314 566.43

Datos del rodete: Tabla 2: dimensiones de las ventanas del rodete d (pulg) 1.97 h (pulg)

0.22

Volumen leche alimentada: 300 mL Densidad de la leche: 1.015 g/ml Temperatura ambiente: 28°C Tabla 3: tiempo de inicio y final de la operación: t inicio (s): 03:15 p.m. t final (s):

04:01 p.m.

Tabla 4: datos experimentales Ѳ (seg) 0 10 20 30 40

UNI - FIQT

F (ml/min) P(Kg/cm2) 7.105 8.12 8.2215 8.2215 8.12

4 4 4 4 4

T1 (°C)

T2(°C)

170 165 160 160 160

37 40 40 40 40

LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS II

SECADO POR ATOMIZACIÓN

Flujo de alimentación ML:

Flujo (ml/min)

Flujo (ml/min) 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0

Flujo (ml/min)

0

2

4

6

Prueba

𝑀𝐿 = 𝑝𝑟𝑜𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜 (𝐹𝑖) ∗ 𝜌𝑙𝑒𝑐ℎ𝑒 𝑀𝐿 = 0.01801 𝑙𝑏/𝑚𝑖𝑛 Tensión superficial: Altura de la película en el capilar: 1.6 cm σ: 108.89 dina/cm = 862.4088 lbf/min2 Masa de la leche seca: 72 g Flujo másico Mp: 𝑀𝑝 =

𝑀𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝑙𝑒𝑐ℎ𝑒 𝑠𝑒𝑐𝑎 72 𝑔 60 𝑠𝑒𝑔 = ∗ = 19.11 𝑔/𝑚𝑖𝑛 𝑡𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑑𝑒 𝑜𝑝𝑒𝑟𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 226 𝑠𝑒𝑔 1 𝑚𝑖𝑛 𝑀𝑃 =

𝑀𝑝 𝑙𝑏 = 0.00859 𝑛ℎ 𝑝𝑖𝑒. 𝑚𝑖𝑛

Viscosidad: con el dato del tipo de viscosímetro utilizado, se obtiene una constante cinemática aproximada de 0.035 cSt/s. Multiplicando por el tiempo que duró toda la operación y por la densidad se obtiene la viscosidad dinámica 𝜇 = 0.3248

𝑙𝑏 𝑝𝑖𝑒. 𝑚𝑖𝑛

CALCULOS Eficiencia de secado 𝐸𝑠 =

𝑃𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑡𝑜 𝑆𝑒𝑐𝑜 𝑃𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑡𝑜 𝑆𝑒𝑐𝑜 𝑥100% = ∗ 100% 𝑆𝑜𝑙𝑖𝑑𝑜𝑠 𝑒𝑛 𝑙𝑎 𝑎𝑙𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 ∗ 𝑑𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 ∗ %𝑠𝑜𝑙𝑖𝑑𝑜𝑠 𝐸𝑠 =

72 𝑥100% 300 ∗ 1.015 ∗ 0.25 𝐸𝑠 = 94.58%

UNI - FIQT

LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS II

SECADO POR ATOMIZACIÓN

Porcentaje de humedad en el producto seco Eficiencia térmica global (Egb) 𝐸𝑔𝑏 =

𝑇1 − 𝑇2 𝑥100% 𝑇1 − 𝑇𝑜

𝐸𝑔𝑏 =

170 − 37 𝑥100% 170 − 28

𝐸𝑔𝑏 = 93.67% Eficiencia térmica ideal (Eid) 𝐸𝑖𝑑 =

170 − 20.8 𝑥100% 170 − 28 𝐸𝑖𝑑 = %

Eficiencia térmica evaporativa (Eev) 𝐸𝑒𝑣 =

170 − 37 𝑥100% 170 − 26.5

𝐸𝑒𝑣 = 92.7% Balance de humedad 𝐸−𝑆+𝐺 = 𝐴 G=0 A=0 𝐸=𝑆 𝐺𝐻1 + 𝑀𝐴 (1 − 𝑋𝑆 ) = 𝐺𝐻2 + 𝑀𝑃 𝑋ℎ 𝐺(𝐻1 − 𝐻2 ) = 𝑀𝐴 (1 − 𝑋𝑆 ) − 𝑀𝑃 𝑋ℎ Pero: 𝑀𝑃 =

𝑀𝐴 (𝑋𝑆 ) 1 − 𝑋ℎ

Entonces: 𝐺(𝐻1 − 𝐻2 ) =

𝑀𝐴 (1 − 𝑋𝑆 − 𝑋ℎ ) … (1) 1 − 𝑋ℎ

ML =MA=8.17g/min de leche De la carta psicométrica: 𝐻1 = 14.8𝑔𝐻2𝑂/𝐾𝑔 𝑑𝑒 𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑠𝑒𝑐𝑜

UNI - FIQT

LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS II

SECADO POR ATOMIZACIÓN

𝑇𝑜 = 25°𝐶 𝑇ℎ = 23.5 𝐻𝑅 = 75% DISTRIBUCIÓN GRANULOMETRICA 1. Ecuación de Friedman 𝑀𝑝 0.6 𝜇 0.2 𝜎. 𝜌. 𝑛ℎ 0.1 𝐷𝑣𝑠 = 𝑘 ′ 𝑟 ( ) ( ) ( ) 𝜌𝑁𝑟 2 𝑀𝑝 𝑀𝑝2 N ρ µ σ h nh ML Mp Radio r

30000 63.3643 7.91 cSt 108.89 dina/cm 0.22 0.44 0.01801 0.00859 0.082

rpm Lb/pie3 0.3248 lb/pie.min 862.4088 Lbf/min2 Pie Pie lb/min Lb/min.pie Pie

𝑀𝑝 0.6 𝑀𝑝 0.6 ( ) =[ ] = 1.98 ∗ 10−4 𝜌𝑁𝑟 2 𝜌𝑁𝑟 2 (

𝜇 0.2 𝜇 0.2 ) = ( ) = 2.0679 𝑀𝑝 𝑀𝑝

𝜎. 𝜌. 𝑛ℎ 0.1 𝜎. 𝜌. 𝑛ℎ 0.1 ( ) = ( ) = 7.1008 𝑀𝑝2 𝑀𝑝2 𝑀𝑝 0.6 𝜇 0.2 𝜎. 𝜌. 𝑛ℎ 0.1 𝐷𝑣𝑠 = 𝑘 𝑟 ( ) ( ) ( ) 𝜌𝑁𝑟 2 𝑀𝑝 𝑀𝑝2 ′

𝑀𝑝 0.6 𝜇 0.2 𝜎. 𝜌. 𝑛ℎ 0.1 𝐷𝑣𝑠 = 𝑘 ′ 𝑟 ( ) ( ) ( ) = 0.37 ∗ 0.082 ∗ 1.98 ∗ 10−4 ∗ 2.0679 ∗ 7.1008 𝜌𝑁𝑟 2 𝑀𝑝 𝑀𝑝2 𝐷𝑣𝑠 = 8.82 ∗ 10−5 𝑝𝑖𝑒 𝐷𝑣𝑠 = 26.87 𝑚𝑖𝑐𝑟𝑎𝑠 Se conoce que: 𝐷95% = 1.4𝐷𝑣𝑠 𝐷95% = 1.4 ∗ 26.87 = 37.62 𝑚𝑖𝑐𝑟𝑎𝑠 Además, 𝐷𝑚𝑎𝑥 = 3𝐷𝑣𝑠 = 3 ∗ 26.87

UNI - FIQT

LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS II

SECADO POR ATOMIZACIÓN

𝐷𝑚𝑎𝑥 = 80.61 𝑚𝑖𝑐𝑟𝑎𝑠 2. Ecuación de Herring y Marshall 𝑋=

𝐷. (𝑁𝑑)0.83 . (𝑛ℎ)0.12 . 10−4 𝑀𝐿0.24

Esta vez, se obtiene una relación entre X y D: 𝑋 = 2.923𝐷 𝐷 = 0.341 𝑋

Ec. (α)

Se calcula previamente la velocidad tangencial en las ventanas: 𝑉𝑡 = 𝑁 ∗ 2𝜋 ∗ 𝑟 = 257.61 𝑝𝑖𝑒/𝑠 También:

𝑀𝑝 =

𝑀𝐿 𝑛ℎ

𝑙𝑏

= 0.00341 𝑚𝑖𝑛.𝑝𝑖𝑒

Entonces utilizamos la tabla 6.12 de la guía de laboratorio, donde según nuestros datos tenemos que hacer uso de la gráfica 6.11 del mismo texto, eligiendo entre ellas la curva A. De la gráfica se obtiene el siguiente dato: 1

𝑋 2 = 1.3 𝑋 = 86.5 Reemplazando en la ecuación (α). 𝐷50% = 29.60 𝑚𝑖𝑐𝑟𝑎𝑠 También se encuentra un valor de X para el 95% y 99.9%, de manera que se obtiene: D50% (micras)

29.60

D95% (micras) D99.9% (micras)

56.01 84.35

OBSERVACIONES  Durante la práctica se observó poca presencia de leche seca en el frasco recolector, sin embargo durante el desmontado del equipo se encontró considerables porciones del producto seco en las paredes de la cámara de secado y en las tuberías del equipo. Este hecho evidenciaría que el aparato de succión ya no funciona adecuadamente, lo que disminuye la eficiencia de la operación..  Se ha logrado una eficiencia del 94.58% en el secado de la leche debido a las pérdidas ocasionadas por la incrustación de partículas del producto seco en las tuberías y que no se podía recuperar. Se tomó en cuenta como porcentaje de sólidos en la leche lo que indicaba la etiqueta del insumo (25% de material sólido)  En el equipo de secado debido a los años de uso, se notó que al momento de cerrar la tapa, esta no sellaba completamente, y esto facilitaría las pérdidas de calor y de aire al ambiente.

UNI - FIQT

LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS II

SECADO POR ATOMIZACIÓN

CONCLUSIONES  Conforme se incremente el flujo de entrada, el tamaño de grano será mayor. Esto se evidencia en la ecuación de Friedman donde hay una relación directa entre el tamaño de grano y el flujo de entrada. De esta manera se podría demostrar que las ecuaciones modelan correctamente el comportamiento del equipo. 

BIBLIOGRAFIA http://web.udlap.mx/tsia/files/2015/05/TSIA-82-Gomez-Cruz-et-al-2014.pdf http://repositori.uji.es/xmlui/bitstream/handle/10234/82688/60841.pdf?seque nce=1

UNI - FIQT