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• Edgar Campa

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Instituto Politécnico Nacional Escuela Superior de Ingeniería Química e Industrias Extractivas

LABORATORIO DE PROCESOS DE SEPARACION POR MEMBRANAS Y LO QUE INVOLUCRA UNA FASE SOLIDA

Practica: Secado por Aspersión

Introducción

Entre los equipos de secado más comúnmente utilizados se encuentran los secadores de tambor, secadores rotatorios, secadores de túnel y de aspersión. La operación de secado por aspersión comprende:

 La atomización de la alimentación para formar una nube de pequeñas gotas, su contacto con el medio caliente ocasiona la evaporación de la humedad, el secado hasta el punto deseado y la recuperación del producto final. Se emplea para el secado de lácteos, té, café, derivados del huevo, productos farmacéuticos, vacunas, etc. El secado por aspersión es la operación unitaria en la que se transforma un producto de un estado líquido hasta un estado en forma pulverizado. Es un proceso prácticamente instantáneo de producir un sólido seco a partir de una alimentación fluida, siendo el aire caliente el medio que suministra el calor necesario para la evaporización y al mismo tiempo el acarreador del agua eliminada.

ANTECEDENTES El secado por aspersión, pulverización o "spray drying" se utiliza desde principios del siglo 20. Aunque existen patentes para el secado 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)

OBJETIVO - Obtener leche en polvo con una baja concentración de humedad partiendo de leche evaporada -Observar las características y condiciones de operación de este tipo de secado - Determinar la cantidad de agua eliminada y aire necesario para llevar acabo la operación por medio de un balance de energía

MARCO TEORICO El secado es la operación unitaria en la cual el contenido de humedad del material es eliminado hasta alcanzar la humedad de equilibrio mediante evaporación como resultado de la aplicación de calor bajo condiciones controladas. Características de un proceso de secado. Cuando unas partículas contienen humedad y la humedad sobre pasa el 30%, esto quiere decir que la humedad ha llenado completamente todos los micro y macro capilares, la humedad excede el espacio de los capilares y forma una capa delgada de agua sobre la superficie de la partícula. Cuando comienza el secado y el contenido de humedad es mayor que el contenido de humedad higroscópico. La velocidad de secado es casi constante debido a que la intensidad del secado es igual a la intensidad de evaporación de la superficie libre del líquido. Fuente de calor y modo de transmisión. En los secadores de convección o conducción, pueden utilizarse los fluidos calientes clásicos (vapor, agua caliente, gas de combustión) para suplir el calor necesario para la extracción de humedad. Estos fluidos circulan generalmente por chaquetas o por tubos en contacto con el material a secar (secado por conducción) o dentro de los calentadores de aire (secado por convección). Si los gases de combustión están limpios, se les puede poner en contacto directo con el material a secar. El secado por corrientes de alta frecuencia se utiliza sobre todo cuando la calidad del producto seco es determinante

Componentes del secadero por aspersión

1.- Cámara de secado: Es dónde se produce el contacto entre la gota y el aire caliente, debe tener el tamaño requerido para que el tiempo de residencia de las gotas sea el requerido para el secado. 2.- Sistema de calentamiento: El mismo consta de un ventilador para impulsar el aire y un quemador o un conjunto de resistencias eléctricas que se encargan de elevar la temperatura del aire a la requerida. 3.- Tanque de alimentación: En el cuál se almacena la pasta líquida de los productos a secar. 4.- Bomba de alimentación: Debe ser capaz de bombear el líquido hasta el atomizador con el caudal requerido en el proceso. 5.- Atomizador: Se encarga pulverizar el producto generando gotas para mejorar el proceso de evaporación. 6.- Separador ciclónico: Debe separar el producto seco del aire que se expulsa a la atmósfera. 7.- Ventilador de descarga de aire y filtro: En la etapa final el aire pasar por un filtro para eliminar todas las partículas del sólido seco y evacuar el aire.

Colocar el atomizador en su posicion

conectarlo a la alimentacion de aire y a la de la leche

colocar el frasco receptor debidamente lavado y secado

Alimentar aire al atomizador hasta 4 kg/cm2

Encender el quemador, hasta obtener las temperaturas deseadas

Conectar el extractor de aire permitiendo un tiempo razonable de barrido

Alimentar la solucion o suspension de manera constante

Cuando las condiciones se mantengan constantes determinar temperaturas de bulbo humedo y seco

Determinar las temperaturas de bulbo humedo y seco del ambiente

Retirar el frasco receptor del polvo, se determina la humedad residual

Antes de apagar el extractor se espera hast que la temperatura del aire a la salida sea de 75

Para terminar la operacion se corta la alimentacion, se cierra la valvula de gas

Limpiar los remanentes de polvo dentro del secador

Realizar los calculos necesarios

Datos Tg1 Tg2 Tw1 Tw2 W1 W2 Tiempo

26°C 43.5 °C 16 °C 26 °C 360 gr 45.37 gr 21.5 min

Cálculos 3816.49 ) = 13.4553 𝑚𝑚𝐻𝑔 16 + 273.15 − 46.13 3816.49 ) = 25.024 𝑚𝑚𝐻𝑔 = exp (18.3036 − 26 + 273.15 − 46.13

𝑃𝐴@16°𝐶 = exp (18.3036 − 𝑃𝐴@26°𝐶

𝑌′𝑠1 = 0.622 ∗ 𝑌′1 = 𝑃1 =

13.4553𝑚𝑚𝐻𝑔 = 0.01464 (585 − 13.4553)𝑚𝑚𝐻𝑔

0.01464 ∗ 588.3 − 0.24 ∗ (26 − 16)°𝐶 = 0.01047 588.3 + 0.48 ∗ (26 − 16)°𝐶 585 ∗ 𝑌′ 585 ∗ 0.01047 = = 9.6841𝑚𝑚𝐻𝑔 0.622 + 𝑌′ 0.622 + 0.01047 𝑌𝑅1 =

𝑃 9.6841 ∗ 100 = ∗ 100 = 38.7% 𝑃𝑣 25.024

3816.49 ) = 25.03 𝑚𝑚𝐻𝑔 26 + 273.15 − 46.13 3816.49 ) = 66.39 𝑚𝑚𝐻𝑔 = exp (18.3036 − 43.5 + 273.15 − 46.13

𝑃𝐴@26°𝐶 = exp (18.3036 − 𝑃𝐴@26°𝐶

𝑌′𝑠2 = 0.622 ∗ 𝑌′2 =

25.03 𝑚𝑚𝐻𝑔 = 0.0278 (585 − 25.03)𝑚𝑚𝐻𝑔

0.0278 ∗ 582.6 − 0.24 ∗ (43.5 − 26)°𝐶 = 0.0203 582.6 + 0.48 ∗ (43.5 − 16)°𝐶

𝑃2 =

𝐺=

585 ∗ 𝑌′ 585 ∗ 0.0203 = = 18.489𝑚𝑚𝐻𝑔 0.622 + 𝑌′ 0.622 + 0.0203 𝑃 18.489 𝑌𝑅2 = ∗ 100 = ∗ 100 = 27.84% 𝑃𝑣 66.39

𝑊1 − 𝑊2 360 − 45.37 𝑔 1478.17𝑔 = = 31780.8 = 𝑌 ′ 2 − 𝑌 ′ 1 0.0203 − 0.0104 21.5𝑚𝑖𝑛 𝑚𝑖𝑛 𝑔 1 𝑘𝑔 60 𝑚𝑖𝑛 1478.17 ∗ ∗ = 88.69 𝑘𝑔/ℎ𝑟 𝑚𝑖𝑛 1000𝑔 1 ℎ𝑟 𝑉

𝐻2=[

1 0.0203 0.082∗(43.5+273.15) 𝑚3 + ]∗ =1.2085 585 28.82 18 𝑘𝑔 760

𝑘𝑔 𝑚3 𝑚3 𝐺𝑣 = 88.69 ∗ 1.2085 = 107.18 ℎ𝑟 𝑘𝑔 ℎ𝑟

Calor

del

precalentador 29.117𝑘𝑐𝑎𝑙 ∆𝐻 = (0.24 + 0.45 ∗ 𝑌 ′ 1) ∗ ∆𝑇 = (0.24 + 0.45 ∗ 0.0104) ∗ (145 − 26) = 𝑘𝑔 𝑄 = 𝐺(𝐻0 − 𝐻1) = 𝐺 ∗ ∆𝐻 =

88.69𝑘𝑔 29.117𝑘𝑐𝑎𝑙 𝑘𝑐𝑎𝑙 ∗ = 2582.38 ℎ𝑟 𝑘𝑔 ℎ𝑟

Método Grafico 𝑌 ′ 1 = 0.1 𝑌 ′ 2 = 0.2 𝐺=

𝑊1 − 𝑊2 360 − 45.37 𝑔 1463.3953𝑔 = = 31463 = 𝑌 ′ 2 − 𝑌 ′ 1 0.02 − 0.01 21.5𝑚𝑖𝑛 𝑚𝑖𝑛 𝑔 1 𝑘𝑔 60 𝑚𝑖𝑛 1478.17 ∗ ∗ = 87.8 𝑘𝑔/ℎ𝑟 𝑚𝑖𝑛 1000𝑔 1 ℎ𝑟 𝑉

1 0.02 0.082∗(43.5+273.15) 𝑚3 𝐻2=[ + ]∗ =1.2079 585 28.82 18 𝑘𝑔 760

𝑘𝑔 𝑚3 𝑚3 𝐺𝑣 = 88.69 ∗ 1.2085 = 106.057 ℎ𝑟 𝑘𝑔 ℎ𝑟 Calor

del

precalentador 29.095𝑘𝑐𝑎𝑙 ∆𝐻 = (0.24 + 0.45 ∗ 𝑌 ′ 1) ∗ ∆𝑇 = (0.24 + 0.45 ∗ 0.01) ∗ (145 − 26) = 𝑘𝑔 𝑄 = 𝐺(𝐻0 − 𝐻1) = 𝐺 ∗ ∆𝐻 =

87.8𝑘𝑔 29.095𝑘𝑐𝑎𝑙 𝑘𝑐𝑎𝑙 ∗ = 2554.58 ℎ𝑟 𝑘𝑔 ℎ𝑟

-Por bibliografía se sabe que la cantidad de humedad en la leche evaporada va de 72.7 a 74.7 g de agua por cada 100 g de leche evaporada, para los cálculos posteriores se utiliza una humedad promedio de 73.7 g/100g 73.7𝑔 𝑑𝑒 𝑎𝑔𝑢𝑎 ∗ 360 𝑔 𝑑𝑒 𝑙𝑒𝑐ℎ𝑒 = 265.32 𝑔 𝑑𝑒 𝑎𝑔𝑢𝑎 100𝑔 𝑙𝑒𝑐ℎ𝑒 360 𝑔 𝑑𝑒 𝑙𝑒𝑐ℎ𝑒 − 265.32 𝑔 𝑑𝑒 𝑎𝑔𝑢𝑎 = 94.68 𝑔 𝑑𝑒 𝑠𝑜𝑙𝑖𝑑𝑜𝑠 Para determinar la eficiencia de secado se compara el valor teórico con el valor real obtenido de solido seco 𝜂=

94.68 𝑔 − 45.37 𝑔 ∗ 100 = 52.08% 94.68

Y’1 Y’2 YR1 YR2 G (kg/hr) Vh (m3/kg) Gv (m3/hr) Q (kcal/kg)

Método Analítico 0.01047 0.0203 38.7 27.4 1478.17 1.2085 107.18 2582.37

Método Grafico 0.01 0.02 35 25 1463.3957 1.2079 106.057 2554.585

%E 4.48 1.47 9.56 8.75 1 0.04 1.04 1.075

Observaciones: En esta práctica se obtuvo leche en polvo por medio de un secador de aspersión a partir de leche evaporada CARNATION, durante la operación se observó que la temperatura de bulbo seco y húmedo no coincidía con los valores previamente obtenidos con otro equipo pues el valor de temperaturas eran demasiado bajos, había una gran diferencia entre el valor obtenido en el tablero y el valor a la salida del secador, después de la operación y al abrir el secador se observó que se formó una capa de leche quemada sobre la tobera de aire, esto reduciendo significativamente y progresivamente la capacidad de transferencia de calor, además de que al realizar la limpieza del equipo se encontró con leche con una gran cantidad de humedad localizada en la tubería que va del secador al separador ciclónico.

Conclusiones: Esta operación no resulto como se esperaba por varios motivos, destacando la formación de solido húmedo en las paredes de la tubería provocado principalmente por la humedad remanente en el equipo, se puede concluir que esto paso por diversos factores como por ejemplo, la cantidad de aire suministrado no fue suficiente para eliminar la humedad remanente del equipo, el agua utilizada fue demasiada o se suministró rápidamente, la temperatura de salida del evaporador no alcanzo los valores deseados o necesarios, el agua que se encontraba en el suelo pudo disminuyo la temperatura provocando una condensación dentro de la tubería, mal funcionamiento del atomizador provocado por una falta de calibración del atomizador u obstrucción de la alimentación de aire. Al utilizar el dato de cantidad de solido recabado de otro equipo los cálculos no podrían reflejar un valor verdadero o aproximado al real esto debido a que, si bien se realiza la operación a condiciones similares, el valor de bulbo seco y húmedo a la salida del secador se obtuvo con un error, este valor es diferente a los de otros equipos. Es difícil conocer la cantidad exacta de solido seco en la leche pues depende de diversos valores, cantidad de solidos grasos, azúcar, fabricante etc, por normatividad la cantidad de solido en la leche es de aproximadamente del 27%, la cantidad de solido seco obtenido en comparación al supuesto es mucho menor, podría deberse a la cantidad de polvo localizada en las paredes del secador y la tubería sumado a la eficiencia del separador ciclónico, provocando que las partículas solidas suspendidas no lograran quedarse en el recipiente recolector.