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INSTITUTO TECNOLÓGICO DE DURANGO

Departamento de Ingeniería Química

“Tipos de secadores”

Materia: Procesos de separación 2 Catedrático: Mc. Tania Montoya García García Salazar Fernando

Durango, Dgo., diciembre del 2017

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Contenido Introducción ............................................................................................................. 3 Conceptos básicos .................................................................................................. 4 Objetivo del secado ................................................................................................. 4 Desventajas............................................................................................................. 5 Materiales susceptibles a secarse ........................................................................... 5 Formas de secado ................................................................................................... 5 Tipos de secadores ................................................................................................. 6 Secadores de bandejas ........................................................................................... 6 Secadores de tamices transportadores con circulación transversal ........................ 7 Secadores de torre .................................................................................................. 7 Secadores rotatorios ............................................................................................... 8 ................................................................................................................................ 9 Secadores de tornillo transportador ........................................................................ 9 Secadores de tornillo transportador ........................................................................ 9 Secadores de lecho fluidizado............................................................................... 10 Secadores de flash ................................................................................................ 11 Secadores para diluciones y suspensiones........................................................... 11 Secadores de pulverización .................................................................................. 11 Secadores de película delgada ............................................................................. 12 Secadores de tambor ............................................................................................ 12 Secadores de doble tambor .................................................................................. 13 Métodos especializados de secado: ...................................................................... 13 Consideraciones para seleccionar el tipo de secador ........................................... 14 Cantidad de humedad de los sólidos .................................................................... 15 CONTENIDO DE HUMEDAD (Moist Content) M.C: .............................................. 15 Conclusiones ......................................................................................................... 16 Bibliografía ............................................................................................................ 16

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Introducción El secado es una operación que se estudia considerando las relaciones de equilibrio que establecen con el material a secar se pone en contacto con el medio secante y las relaciones que expresan cuantitativamente la velocidad de transferencia del proceso. El secado es un fenómeno caracterizado por la pérdida natural de humedad o de agua de alimento. La deshidratación es una operación en la cual la perdida de humedad se efectúa bajo condiciones específicas y controladas. Algo similar pero podríamos decir que es totalmente lo contrario por eso hay que saber distinguir la distinción de ambos términos ya que se usan de manera indistinta y con un significado análogo. El secado es una de las operaciones más antiguas usadas para conservar alimentos que han dado lugar a productos secos tradicionales tales como carne, queso pescado, frutas. En las últimas décadas nuevos productos llamados alimentos de humedad intermedia han tenido un éxito notable cómo el café soluble y las formulaciones deshidratadas para la preparación de puré de papa la leche en polvo entre muchas más que existen en este momento en el mercado. El secado es una operación que interviene artesanal, agrícola e industrial.

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Conceptos básicos El secado es una operación en la cual se elimina parcial o totalmente, por evaporación, el agua de un solido o de un líquido. El producto final es siempre solido lo cual diferencia del secado de evaporación. En esta ultima aunque hay eliminación de aguase parte para siempre de un líquido para obtener un concentrado liquido aun cuando el objetivó principal no sea secar u alimento el secado puede producirse cuando se efectúan otras operaciones de tratamiento o conservación. Algunos ejemplos Cocción Almacenamiento a temperatura ambiente Conservación frigorífica Congelación Transporte pneumatico Molienda La mayoría de las leyes que ringuen el secado también son válidas para otros procesos en los cuales se quiere eliminar por evaporación una sustancia volátil de una mezcla. Por ejemplo Eliminación del disolvente de extracción de aceite de granos oleaguinosos sin embargo el término secado se emplea cuando la sustancia volátil es agua. En este último ejemplo lo que se desea recuperar del disolvente antes de disponer los desechos de extracción.

Objetivo del secado 1.- conservación para preservar vida en anaquel 2.- reducción de peso y volumen para facilitar empaque y transporte. 3.- presentación de alternativas de consumo Pueden producirse cambios no deseables que afectan tanto la calidad como la aceptación del producto. Procesos de separación 2 4

Desventajas Se producen cambios o alteraciones no necesariamente deseables en la: La textura El sabor El color La calidad nutritiva y la forma Es una operación que consume mucha energía y eso aumenta el costo del producto terminado.

Materiales susceptibles a secarse El secado ocupa un lugar importante dentro de la cadena de transformación y conservación de productos agroalimentarios ya que se realiza en un gran número de alimentos. Productos agrícolas muy hidratados o húmedos Productos de transformación industrial Subproductos industriales

Formas de secado Secado por ebullición Cuando la presión de vapor del agua pura es igual a la presión barométrica local el agua hierve y se evapora. A una presión absoluta de 101.325 kpa el agua hierve a 100 C°. Cuando se disuelven solutos en el agua la presión de vapor de la solución resultante es inferior a la del agua pura y por lo tanto su punto de ebullición es superior al del agua para una misma presión barométrica.

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Secado por arrastre En el exterior del alimento Cuando un alimento húmedo se pon en contacto con una corriente de aire o cualquier otro gas suficientemente caliente y seco se establece espontáneamente entre ellos una diferencia de temperatura y una diferencia de presión parcial del agua y el resultado es la transferencia de calor y de masa entre el alimento y el gas.

Tipos de secadores Para los diferentes tipos de procesos existen secadores con las características para el secado que queremos obtener comprenden secadores de bandejas y de tamices transportadoras para materiales que no puedan agitar así como secadores de torre , rotatorios de tornillo sin fin , de lecho fluidizado, y flash para materiales que se pueden agitar.

Secadores de bandejas Los secadores de bandeja resultan convenientes cuando la capacidad de producción es pequeña. Prácticamente pueden secar cualquier producto pero la mano de obra necesaria para la carga y descarga da lugar a costos de operación elevados. Frecuentemente se utilizan en el secado de materiales valiosos tales como colorantes y productos farmacéuticos. El secado de circulación de aire sobre capas estacionarias de solidos es lento y por consiguiente los ciclos de secado son largos de 4 a 48 horas por carga. Pueden operar a vacío frecuentemente con calentamiento indirecto. Las bandejas pueden estar sustituidas sobre placas metálicas huecas que se calientan con vapor de agua o con agua caliente o bien las mismas bandejas pueden estar previstas de una cámara de circulación de un fluido de calefacción. El vapor que sale del solido se retira mediante un eyector o una bomba de vacío. El secado con congelación o liofilización esto se realiza en secadores especiales De bandejas para secar vitaminas y otros materiales sensibles al calor.

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Secadores de tamices transportadores con circulación transversal Una capa de 1 a 6 pulgadas de espesor del material que se ha de secar es transportada lentamente sobre un tamiz metálico que se mueve a través de una larga cámara o túnel de secado. En el extremo de entrada del secador el aire generalmente pasa hacia arriba a través del tamiz y de los sólidos mientras que cerca del extremo de descarga donde el material está seco y pueda desprender polvo el aire circula hacia abajo a distintas secciones con el fin de alcanzar las condiciones óptimas de secado en cada punto. Materiales gruesos escamosos o fibrosos se pueden secar con circulación transversal sin ningún pretatamiento y sin perdidas de material a través del tamiz. Sin embargo las pastas y las tortas de filtración de las partículas finas deben acondicionarse antes. Los agregados generalmente conservan su forma durante el secado y solo cae una pequeña cantidad de polvo a través del tamiz.

Secadores de torre Un secador de torre contiene una serie de bandejas dispuestas unas encima de otras sobre un eje central rotatorio. La alimentación de solidos s introduce sobre la bandeja superior y esta esta expuesta a una corriente de aire o gas caliente que pasa sobre la bandeja. El sólido es después descargado por medio de una rasqueta y pasa a la bandeja inmediatamente inferior. De esta forma va circulando a través del secador descargando el producto seco en el fondo de la torre. Los flujos de gas y solido pueden ser corrientes paralelas. Las velocidades del gas son generalmente de 2 a 8 pies/s (0.6 a 2.4 m/s). las dos bandejas inferiores del secador constituyen una sección de enfriamiento de los Procesos de separación 2 7

sólidos secos. El aire precalentado generalmente se introduce por el fondo de la torre y se expulsa por la parte superior dando lugar a un flujo en contracorriente. Un turbo secadero funciona parcialmente con un secado superficial como un secadero de torre y parcialmente en forma de lluvia de partículas cuando estas caen de un bandeja a otra.

Secadores rotatorios Un secador rotatorio consiste en una carcasa cilíndrica giratoria dispuesta horizontalmente o ligeramente inclinada hacia la salida al girar la carcasa unas pestañas levantan los sólidos para caer depues en forma de lluvia a través del interior de las carcasas. La alimentación entra por un extremo del cilindro y el producto seco se descarga por otro. Se calientan por contacto directo del gas por los sólidos por gas caliente que pasa a través de un encadenamiento externo o por medio de vapor de agua que condensa en últimos de los dos tipos recibe el nombre de secador rotatorio con tubos instalados sobre la superficie interior de la carcasa. El últimos de estos dos tipos recibe el nombre se secador rotatorio con tubos de vapor de agua. En un secador rotatorio directo-indirecto el gas caliente pasa primeramente a través del encamisado y luego a través de la carcasa donde se pone en contacto con los sólidos. El aire circula a través del secador mediante un ventilador que si desea se descarga el calentador de aire de forma que todo el sistema se encuentra en sobrepresión. Los secadores rotatorios se utilizan con frecuencia para sal, azúcar, y todo tipo de materiales granulares cristalinos que han de mantenerse limpios y que no pueden exponer directamente a gases de combustión muy calientes.

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Secadores de tornillo transportador Secador continuo de calentamiento indirecto que consiste esencialmente en un transportador horizontal de tornillo ( o un transportador de palas ) confinado dentro de una carcasa cilíndrica encamisada. La alimentación del solido que entra por el otro extremo. El vapor que se desprende se retira a través de una serie de tuberías situadas en la parte superior de la carcasa en las que se instalan varios transportadores unos por encima de otros formando una bancada que esta a temperatura mas baja debido a que el solido seco antes de su descarga es enfriado con agua u otro refrigerante que circula por el encamisado. La velocidad de rotación del transportador es lenta de 2 a 30 RPM los coeficientes de transmisión de calor están basados en la superficie interior de la carcasa y depende de la carga de la carcasa y de la velocidad del transportador.

Secadores de tornillo transportador

Tratan solidos demasiados finos y espesos para operar con un secador rotatorio. Están conjuntamente cerrados y permiten recuperar los vapores de disolvente con un poco y ninguna dilución con aire. Cuando se acopla un alimentador adecuado pueden operar a un vacío, moderado y adaptarse a la separación y recuperar continua de disolventes volátiles a partir de los sólidos húmedos con disolventes Procesos de separación 2 9

procedentes de operaciones de lixiviación. Por esta razón a veces se llama recuperadores de disolvente como a los secadores de película delgada.

Secadores de lecho fluidizado Las partículas se fluidizan con aire o con gas en una mezcla de lecho hirviendo la mezcla y la transmisión de calor son muy rápidas. La alimentación húmeda se introduce por la parte superior del lecho fluidizado y el producto seco se retira lateralmente cerca del fondo. En el secadero que representa la figura 25.13 hay una distribución al azar de los tiempos de residencia siendo el tiempo medio de permanencia de una partícula en el secadero de 30 a 120 s cuando solamente se vaporiza liquido superficial y de 15 a 30 minutos si también hay difusión interna. Las partículas pequeñas se calientan hasta la temperatura seca del gas fluidizante a la salida por consiguiente. Los materiales técnicamente sensibles han de secarse en un medio relativamente frio. Aun así el gas de entrada puede estar caliente ya que la mezcla es tan rápida que la temperatura es prácticamente uniforme en todo el lecho e igual a la temperatura del gas. Si hay partículas finas que entran en la alimentación o bien que forman la abrasión del lecho fluidizado puede existir un considerable transporte de solidos con el gas que sale y ser necesario instalar ciclones y filtros de mangas para la recuperación de los finos Algunos secadores de lecho fluidizado poseen compartimentos fluidizados separados a través de los cuales pasan secuencialmente los sólidos desde la entrada hasta la salida. Reciben el nombre de secadores de flujo de pistón y en ellos el secado se puede variar de un compartimento esta fluidizado con gas frio con el fin de enfriar los sólidos antes de la descarga..

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Secadores de flash Transporta un sólido húmedo pulverizado durante unos pocos segundos de 3 a 4 en una corriente de gas caliente. El secado tiene lugar durante el transporte. La temperatura del gas es elevada con frecuencia el orden 1200 grados F ° a la entrada pero el tiempo de contacto es tan corto que la temperatura del solido raramente supera los 100 F ° durante el secado. Por tanto el secado flash se puede aplicar a materiales sensibles que en otro tipo de secadores tendrían que secarse indirectamente con un medio de calefacción mucho más frio.

Secadores para diluciones y suspensiones Los secadores de pulverización los secadores de ´película delgada y los secadores de tambor evaporan completamente las disoluciones y suspensiones hasta sequedad por medios térmicos.

Secadores de pulverización Se dispersa una disolución o suspensión en una corriente de gas caliente formando una niebla con gotas finas. La humedad es rápidamente evaporada las gotitas para formar partículas residuales de solido seco qué después se separan de la corriente gaseosa Las gotitas forman una cámara cilíndrica de secado de acción de las boquillas de presión, b de dos fluidos o en secadores de gran tamaño por medio de discos de pulverización que giran a gran velocidad. En todos los casos es esencial conseguir Procesos de separación 2 11

que las gotitas o partículas húmedas de solido choquen en superficies solidas antes de que el secado tenga lugar. Las principales ventajas de los secadores de pulverización son el corto tiempo de secado que permite el secado de materiales altamente sensibles al calor y la producción de partículas esféricas huecas. La consistencia densidad global apariencia y propiedades de flujo deseadas para algunos productos tales como alimentos o detergentes sólidos. Los secadores de pulverización también tienen la ventaja de producir a partir de la disolución suspensión o pata cremosa una sola etapa un producto se puede envasar fácilmente además de que reduce los costos de operación.

Secadores de película delgada Pueden aceptar una alimentación liquida o una suspensión para dar lugar a un producto solido que fluye libremente. Generalmente se construyen en dos secciones la primera ellas es un secador-agitador vertical. Aquí la mayor parte de el líquido se separa de la alimentación y el sólido parcialmente húmedo descarga en la segunda sección donde el contenido residual del líquido material procedente de la primera sección se reduce hasta el valor deseado. Son útiles para separar recuperar disolventes de productos sólidos. Son relativamente caros y están limitados en cuanto a las áreas de transmisión de calor.

Secadores de tambor

Consiste en uno o más rodillos metálicos calentando en cuya superficie exterior se evapora hasta sequedad una delgada capa de líquido el sólido seco es retirado de los rodillos e medida que giran lentamente. El líquido en la alimentación queda confinado en la parte superior de los rodillos y limitado por placas estacionarias. El calor transmitido por conducción hacia el líquido que parcialmente concentrado en el espacio comprendido entré los rodillos. El líquido concentrado desciende formando una capa viscosa que recubre el resto de la superficie de los tambores dejando una delgada capa de material seco que es retirado mediante cuchillas rascadoras y cae en los trasportadores situados debajo. La humedad evaporada se recoge a través de la campana situada encima de los tambores.

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Secadores de doble tambor Los secadores de doble tambor son eficaces con disoluciones muy diluidas, disoluciones concentradas de materiales muy solubles casi como de las suspensiones de partículas relativamente finas. No son adecuados para sales de solubilidad baja o para suspensiones de solidos abrasivos que sedimentan y crean una presión excesiva en los tambores.

Métodos especializados de secado: Por Aspersión: El secado por aspersión, pulverización o "spray drying" se utiliza desde principios del siglo XX. Aunque existen patentes para el SA de huevos y leche desde 1850, la atomización industrial de alimentos apareció en 1913 en un proceso desarrollado para leche por Grey y Jensen en 1913. El primer equipo rotativo lo desarrolló el alemán Kraus (1912) pero, comercialmente se conoció gracias al danés Nyro (1933). El principio de este sistema es la obtención de un producto en polvo a partir de un material líquido concentrado que se pulveriza finamente formando una niebla que entra en contacto con una corriente de aire caliente (entre 200 y 300ºC para alimentos) que actúa como medio calefactor y fluido de transporte. En estos sistemas la transformación tiene lugar mediante una única operación de una alimentación líquida (solución, suspensión o emulsión) en un producto seco en polvo. (6) La alimentación es atomizada mediante un disco giratorio o boquillas de aspersión, donde la nube de gotas formada entra en contacto directo y por poco tiempo con una corriente de aire caliente; en consecuencia, se presente una rápida evaporación que mantiene bajas temperaturas en las gotas atomizadas, favoreciendo la aplicación de altas temperaturas en el aire de secado sin afectar las características del producto. Por Liofilización La Liofilización es un proceso de secado mediante sublimación que se ha desarrollado con el fin de reducir las pérdidas de los compuestos responsables del sabor y el aroma en los medicamentos, los cuales se afectan en gran medida durante los procesos convencionales de secado.

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La liofilización involucra varias etapas: • Congelación (y acondicionamiento en algunos casos) a bajas temperaturas. Cada producto debe congelarse de una manera tal que garantice que sufrirá pocas alteraciones en el proceso posterior de sublimación. • Secado por sublimación del hielo (o del solvente congelado) del producto congelado, generalmente a muy baja presión y al vacío. • Almacenamiento del producto seco en condiciones controladas.

Consideraciones para seleccionar el tipo de secador Los secadores discontinuos son generalmente los más utilizados cuando la capacidad de producción del solido seco es inferior a 150 0 200 kg/hr mientras que los secadores continuos casi siempre se utilizan para capacidades de producción superiores a una o 2 ton/h. para capacidades de producción intermedias es preciso considerar otros factores. Los materiales sensibles al calor han de secarse a baja temperatura operando con un medio de calefacción de temperatura baja o de secadores flash o de pulverización con tiempos de contacto muy pequeños. Los cristales frágiles se tratan generalmente en secadores de bandeja de tornillo transportador o de torres. También es preciso que el secadero opere con seguridad y economía. Los costos de operación y mantenimiento no han de ser excesivos la contaminación ha de poder controlarse y el consumo de energía ha de minimizar. Estas consideraciones pueden llegar a ser contradictorias y es preciso analizar una solución de compromiso con el fin de seleccionar un secador optimo para un determinado servicio.

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Cantidad de humedad de los sólidos El contenido de humedad de un producto puede expresarse sobre la base del peso húmedo, i.e. masa de agua por unidad de masa de producto húmedo, o sobre la base del peso seco, i.e. masa de agua por unidad de masa de componentes sólidos desecados, el último método se utiliza más frecuentemente en los cálculos de la desecación. L.O.D: Humedad de un sólido expresado en base al peso del solido húmedo. El contenido de humedad de un sólido o solución generalmente se describe en función del porcentaje en peso de humedad; a menos que se indique otra cosa, se sobreentiende que está expresado en base húmeda, es decir, como: 𝑃𝑒𝑠𝑜 𝑑𝑒 𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑒𝑛 𝑙𝑎 𝑚𝑢𝑒𝑠𝑡𝑟𝑎

%LOD= 𝑃𝑒𝑠𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑚𝑢𝑒𝑠𝑡𝑟𝑎 ℎ𝑢𝑚𝑒𝑑𝑎 × 100 LOD es calculada utilizando una balanza que tiene una fuente de calentamiento, no interfiriendo otros materiales volátiles.

CONTENIDO DE HUMEDAD (Moist Content) M.C:

Para expresar la humedad de un sólido en base al peso de la muestra seca. %MC=

𝑃𝑒𝑠𝑜 𝑑𝑒 𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑒𝑛 𝑙𝑎 𝑚𝑢𝑒𝑠𝑡𝑟𝑎 𝑝𝑒𝑠𝑜 𝑑𝑒 𝑚𝑢𝑒𝑠𝑡𝑟𝑎 𝑠𝑒𝑐𝑎

× 100

Este término es más real 1- Sólidos granulados, cristalinos o no porosos: En los sólidos cristalinos el agua se encuentra retenida a poca profundidad y en superficie de los poros abiertos, así, como en los espacios intersticiales entre partículas que es fácilmente accesible a la superficie. Pertenecen a esta categoría los siguientes materiales: Sulfato de calcio, oxido de zinc, oxido de magnesio. 2- Sólidos amorfos o porosos: En los sólidos amorfos, la humedad es una parte integral de la estructura molecular, el agua está físicamente retenida en los finos capilares y pequeños poros interiores. Estos materiales son de estructura fibrosa, amorfa, o gelatinosa; mas o menos difícil de secar. Pertenecen a esta categoría: el almidón, caseína, insulina, materiales gelatinosos como hidróxido de aluminio, entre otros.

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Conclusiones La primera consideración para elegir un proceso de secado es su facilidad de operación el equipo ha de ser capaz de obtener el producto deseado de la forma y velocidad especificadas. Las diferentes tipos son en buena medida complementarias y no competitivas de forma que la naturaleza del problema del secado impone el tipo de secador que debe utilizarse o al menos limita la opción a tal vez dos o de 3 posibilidades. La elección final se decide sobre las bases de los costos de todo el sistema de separación y no exclusivamente del secado

Bibliografía Brennan, J. et a. 1980. Las operaciones de la ingeniería de los alimentos. 2° ed. Ed. Acribia, S.A. Zaragoza (España). pp 319. McCabe, Warren. (2002)Operaciones Unitarias en Ingeniería Química (6º, ed) Mexico:Ed Mc Graw Hill.pag:857-870. Nonhebel, G. El Secado de Sólidos en la Industria Química. 1ª ed. España; 2002

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