secador rotatorio1

ÚLTIMA CORRECCIÓN POR

SEPARAror2

MARZ0 19, 2004.

ING. PEDRO REYES RODRÍGUEZ

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LABORATORIO DE PROCESOS DE SEPARACIÓN SECADOR ROTATORIO. OBJETIVOS. Observar el funcionamiento de un secador rotatorio. Calcular diferentes eficiencias de un secador rotatorio. Calcular teórica y experimentalmente el número y longitud de unidades de transferencia de masa. Analizar las diferencias entre los valores teóricos y experimentales obtenidos. INTRODUCCIÓN. El secado es una operación en donde se transfiere un líquido procedente de un sólido húmedo a una fase gaseosa no saturada. Cuando un material se seca, se transfiere calor para evaporar al líquido. El mecanismo del proceso del secado es regido por los principios de transferencia de masa y calor y consisten en el transporte de masa desde el interior del sólido a la superficie, la vaporización del líquido, en o cerca de la superficie y el transporte de vapor hacia la masa gaseosa. Simultáneamente se transfiere calor de la masa gaseosa a la fase sólida, donde todo o una porción del calor vaporiza el líquido o se acumula en el sólido como calor sensible. El secador rotatorio (fig. 1) es el más utilizado en la industria. Ha sido utilizado por muchos años ya que presenta muchas ventajas; por ejemplo, en capacidades altas y medianas la inversión en capital es moderada, pueden operar durante años sin problemas de mantenimiento y su eficiencia térmica es alta (50 a 85% dependiendo del secador). El secador rotatorio consiste en una coraza cilíndrica sostenida sobre engranes, de manera que pueda girar sobre su propio eje. Está montado con una pequeña inclinación respecto a la horizontal, que junto con una Hélice en el cilindro impulsa a los sólidos alimentados para que fluyan hasta la salida del cilindro secador. El medio de secado es generalmente aire que se calienta previamente con combustible, vapor sobrecalentado o en bajas capacidades con resistencias eléctricas. Su operación es comúnmente de tipo directo, habiendo secadores de tipo indirecto. Los secadores rotatorios cuentan con aletas en su interior que sirven para levantar el sólido y esparcirlo en la corriente gaseosa, mejorando la transferencia de calor.

El gas utilizado como medio de secado puede fluir en paralelo o a contracorriente con respecto al flujo de sólido a secar, éste último se utiliza en materiales sensibles al calor como en el caso de la alfalfa, yeso y piritas de hierro. Página 2 de 2 SEPARAror2

3

La capacidad evaporativa típica de secadores rotatorios varia entre ______KCal/hr m (1000 y 6000 BTU/hr pie3 ). El sólido ocupa del 5 al 15% del volumen del cilindro. Su relación longitud/diámetro varía entre 4 y 15. La velocidad óptima del gas a través del cilindro es de 1.7 a 3.4 m/s (4.9 a 9.8 pies/s). El tiempo de retención de sólido en secadores rotatorios comerciales varía de 5 min. a 2 hr. La pendiente del cilindro está comprendida entre el 2.5 y 5% con respecto a la horizontal. En los secadores continuos se pueden distinguir 3 zonas de secado: a) b) c)

Zona I o de pre-calefacción. Zona II, en la que se evapora la humedad superficial y la no ligada. Zona III, en la que tiene lugar la evaporación de la humedad ligada.

La humedad ligada es aquella que se encuentra dentro de las paredes celulares (en el caso de productos vegetales), en combinación química, en pequeños capilares y poros y adsorbidos en la superficie de sólidos. Es aquella humedad que ejerce una tensión de vapor menor a la del agua pura. La humedad no ligada es aquella que contiene el sólido en excedencia de la ligada. La figura 2 muestra el comportamiento de las temperaturas del gas y del sólido a lo largo del secador. En función de la temperatura a la cual se lleva a cabo la operación, el secado se puede dividir en: Secado de baja y de alta temperatura. En el primero la temperatura del gas es del mismo orden que la de ebullición del agua mientras que en el segundo es bastante superior a ésta. En el secado a temperatura elevada no se puede despreciar la longitud de la zona I de precalefacción. Por lo tanto la evaporación que ocurre en las zonas II y III es relativamente pequeña y se pueden considerar despreciables. Debido a ésto, no se pueden establecer modelos sencillos en base a las leyes de transferencia de masa en la interfase, por lo que suelen aplicarse las leyes de transferencia de calor. El balance de masa queda: G’1

G’2

W1

W2

W1+ G’1 = W2 +G’2

.....(1)

donde: W1 W2 G’1 G’2

= = = =

Gasto másico de sólido a la entrada (M/θ). Gasto másico de sólido a la salida (M/θ). Gasto másico de aire a la entrada (M/θ). Gasto másico de aire a la salida (M/θ).

de otra forma: X1WS + G’SY1 = X2WS + Y2G’S donde: WS G’S Y1 Y2 X1 X2

= = = = = =

.....(2)

Gasto másico de sólido seco (M/θ). Gasto másico de aire seco (M/θ). Humedad absoluta del aire a la entrada (Magua / Maire seco). Humedad absoluta del aire a la salida (Magua / Maire seco). Humedad absoluta del sólido a la entrada (Magua / Msólido seco). Humedad absoluta del sólido a la salida (Magua / Msólido seco).

También se tiene que: Wi = WS(1+Xi) SEPARAror2

y

G’i = G’S(1+Yi)

.....(3) Página 3 de 3

Para el cálculo se G’2 se utiliza la caída de presión en el Venturi con las siguientes fórmulas:

v = Cv donde: v ∆P ρaire ρagua Cv β g

= = = = = = =

2 g∆Hρ AGUA ρ AIRE 1 − β 4

(

)

.....(4)

Velocidad del aire en la garganta (pies/segundo). Caída de presión en el Venturi (pies H2O). Densidad del aire (lb/pie3). Densidad del agua (lb/pie3). 0.98. 0.5 32.2 pies/s2.

La densidad del aire se calcula a partir de la siguiente ecuación:

donde: Vh VA.S. VS YS

ρaire = 1/Vh = = = =

Y se tiene que:

 V + VS  Vh = VA.S . +  A ,.S  Y2  YS 

.....(5 y 6)

Volumen húmedo (L3/M) Volumen de aire seco (L3/M). Volumen de aire saturado (L3/M). Humedad de saturación absoluta (Magua / MA.S.).

Para resolver esta ecuación se deben obtener los valores de la carta psicrométrica a las condiciones del laboratorio (550 mmHg). Otra forma de obtener el volumen húmedo es:

 1 Y2   TG + 460  Vh = 0.73 +    29 18   PT 

donde: Vh TG PT

= = =

.....(7)

Volumen húmedo (pies3/lb). Temperatura de bulbo seco (ºF). Presión atmosférica (atm)

El valor del gasto másico de aire en el cilindro de secado (G2) se obtiene a partir de: G’2 = Avρaire donde: A = Área de la garganta del Venturi (25 cm2). El balance de calor en un elemento de volumen con longitud dz es: dZ W1 t1 t t+dt G1 T1 qp T T+dT

.....(8)

W2 t2 G2 T2

Z donde: T= t

Temperatura del gas. = Temperatura del sólido.

Planteando el balance: donde: qs SEPARAror2

dqg = dqs + qp =

.....(9)

Calor recibido por el sólido (H/θ). Página 4 de 4

qp qg

= =

Pérdidas de calor (H/θ). Calor cedido por el gas (H/θ).

El calor cedido por el gas es: dqg = G’S CS dT

donde: CS

=

.....(10)

Calor húmedo del aire (H/Tθ).

El calor recibido por el sólido es de acuerdo a la ecuación general de transferencia de calor: dqs = U dA (T-t)

dA = a S dZ donde:

.....(11 y 12)

U= Coeficiente de transferencia de calor (H/L2Tθ). a= Superficie de las partículas sólidas expuestas al aire por unidad de volumen de secador (L2/L3).

Generalmente se supone que el secador esta perfectamente aislado por lo que no existen pérdidas de calor; las ecuaciones (10) y (11) se pueden igualar y despejando dZ se tiene:

dZ =

GCS dT Ua ( T − t )

Considerando a U y CS constantes e integrando se obtiene:

Z=

GS CS Uas

T2

.....(13)

dT

∫ (T − t ) T1

.....(14)

Sabemos que: ZTeórica = LUT*NUT

.....(15)

Donde Z sería la longitud teórica del secador.

LUT = Entonces:

G CS

NUT =

Ua

T2

T1

Con una serie de consideraciones se llega a que:

NUT =

T1 − T 2 (T − t )m

dT

∫ (T − t) .

( T − t )m = Donde:

T2 − T1 T − t  ln  2 2   T1 − t1 

....(16 y 17)

.....(18 y 19)

Al producto Ua se le conoce como coeficiente volumétrico. Diversos autores han utilizado correlaciones que se pueden reducir a la forma:

Ua = Donde: Ua K G N D

= = = = =

KG n D

Coeficiente volumétrico (BTU/hr ºF pie3). 0.5 BTU/hr pie2. masa velocidad del gas (lb/hr pie2). 0.67. diámetro del cilindro del secador (pies)

.....(20)

El calor suministrado dentro del sistema se puede definir como: qs = w’ * Cp * (T1-Tamb.)

…… (21)

Consumo de Calor Unitario y Eficiencias Térmicas Los consumos unitarios de calor y los valores de eficiencias térmicas de la operación de secado son expresiones del comportamiento de un secador. Página 5 de 5 SEPARAror2

En términos prácticos expresan la cantidad de calor necesario para producir una unidad de producto seco hasta una cierta humedad (según las especificaciones deseadas) o bien la cantidad de calor por unidad de agua evaporada. Las ecuaciones siguientes presentan estas relaciones:

qs BTU .en. F2 lb. producto qs BTU Ja = Consumo.unitario.de.calor. por.agua.evaporada = en W lbagua Jp = Consumo.unitario.de.calor. por. producto =

...... (22) ...... (23)

La eficiencia térmica es directamente dependiente de las temperaturas de operación y en términos generales se define como la relación de: Calor usado en la evaporación Calor suministrado De acuerdo a lo anterior la eficiencia se incrementa cuando la temperatura del aire de entrada se eleva (si la naturaleza del producto y el diseño del secador lo permite) y el secador se opera a una temperatura de salida tan baja como lo permite el proceso (calidad y especificaciones del producto). La eficiencia térmica de la operación de secado puede expresarse de las siguientes maneras: 1. Eficiencia Térmica Global : Se define como la fracción total del calor suministrado al secador en relación al calor usado en el proceso. La relación siguiente proporciona un valor aproximado:

hglobal = donde:

Tamb = T2a =

T 1 − T 2a *100 T 1 − Tamb

.....(24)

temperatura ambiente bulbo seco. temperatura de salida de los gases como si la operación fuese verdaderamente adiabática, es decir que puede considerarse como la temperatura teórica de salida del gas esperada si no hubiese pérdidas de calor (Ver figura 2).

FIGURA 2

FIGURA 3

Y2

Y1

Y1 T2 T2a T1

Tsat Líneas de Humidificación Adiabática

T2 : Tb seco salida T2a : Tb seco salida adiabática T1 : Tb seco entrada

T1

Tsat : Temp.saturación T1 : Tb seco entrada

2. Eficiencia evaporativa: Se define como la relación entre la capacidad de evaporación real con la capacidad que se obtendría en el caso ideal de que el aire de salida hubiese llegado hasta la saturación dicha eficiencia se puede calcular aproximadamente mediante la ecuación siguiente:

hevaporativa = donde: SEPARAror2

Ts

=

T 1 − T 2a *100 T 1 − Ts

..... (25)

temperatura de saturación. (Ver Figura 3.) Página 6 de 6

3. Finalmente basándose en las temperaturas es posible estimar el porcentaje de calor perdido por concepto de convección, radiación del Venturi de alimentación, ductos de secado, aislamiento y colector ciclónico, si como por el calentamiento que lleva el producto ya seco.

Calor . perdido =

T 2a − T 2 * 100 T 1 − T 2a

..... (26)

EQUIPO. El secador rotatorio utilizado en la práctica se muestra en la figura 3. Los sólidos se colocan en una tolva y se alimentan mediante un alimentador tipo “áncora” que regula el flujo. El secador está inclinado aproximadamente 1º con respecto a la horizontal, para facilitar el flujo de los sólidos; cuenta además, con unas paletas de tipo aspas de borde 90º para levantarlos y esparcirlos en la corriente gaseosa. El aire para el secado se impulsa por un ventilador de tiro inducido y se calienta al cruzar una cámara en la que se quema gas doméstico. El flujo del aire es en la misma dirección del sólido; es decir, los flujos son paralelos. Los sólidos después de pasar a través del cilindro, salen por una compuerta y caen a un recolector. El aire a su vez, pasa por un recolector ciclónico para recuperar los sólidos que hayan sido arrastrados y finalmente, por un medidor de tipo Venturi con garganta cuadrada, con el cual se determina la velocidad de los gases. Las áreas transversales del Venturi son 4 x 4 pulg y 2 x 2 pulg. El diámetro del cilindro es de 15.2 cm (0.5 pies) y tiene una longitud de 1.98 cm (6.5 pies). La sección transversal (s) 2 es de 0.018 m . TRABAJO DE PRELABORATORIO. 1.

Explicar el significado físico de NUT y LUT

2.

¿Cuáles son las mediciones que se deben hacer para obtener el LUT?

3.

¿Cómo calcular el NUT teóricamente?

4.

¿Qué variables afectan la eficiencia del secado en el secador rotatorio?

5.

¿Cómo se podría variar el tiempo de residencia del material en el secador y que efectos provocaría esta variación?

6.

¿Porqué crees que para medir la temperatura en el quemador se tienen instalados varios termopares?

7.

LLEVAR UN DISKETTE NUEVO EN BLANCO POR EQUIPO Traer un disco NUEVO de 3.5” por equipo, para registrar los datos en la PC del secador. De lo contrario tendrán que tomar las mediciones a mano.

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL. Humedecer el aserrín con 30 min. de anticipación, la cantidad de agua adicionada no debe sobrepasar la necesaria para alcanzar el 50% de húm b.h., tomar una muestra para medir la humedad inicial en la balanza. Entonces se empieza a alimentar el material y se toman temperaturas de bulbo húmedo y bulbo seco del ambiente. Hacer dos experimentos de 20 o 30 min. c/u. Iniciar el registro de datos 5 min. después de haber iniciado la recolección. Cuando se llegue al régimen permanente ( o de estado estable), colocar otra cubeta previamente pesada para recolección de los sólidos secos, efectuar medición de tiempo de recolección, medidas de SEPARAror2

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temperatura de bulbo húmedo y seco del aire (para obtener un promedio), 1)

caída de presión en el Venturi, etc. (Tabla

Finalmente retirar la cubeta y detener la alimentación. Tomar muestras para determinar la humedad.. Se recomienda usar para el “producto secado” la balanza de Humedad de sólidos DELMHORTS G6 Moisture Meter, la escala de calibración correspondiente a aserrín o al material de prueba utilizado. REPORTE. A. Presentar los datos de las Tablas 1 y 2. B. En adición, realizar las gráficas de : • •

Tiempo vs T b.s. y T b.h. del aire de secado. En Carta de Humedad (anexa) especial para las temperaturas utilizadas en este secador, graficar la línea de humidificación de aquel experimento cuyo resultado sea el mejor. Dicha carta puede extraerse de internet con base al programa Incluido en el archivo de Laboratorio de Balances : •

∼

http//200.13.98.241/ rené

BIBLIOGRAFÍA. Foust, A.S. et al., “Principios de Operaciones Unitarias”. Ed. John Wiley & Sons, México 1983. McKetta, R., “Encyclopaedia of Chemical Processing and Design”, Tomo 17, New York 1983. Perry y Chilton, “Enciclopedia del Ingeniero Químico”, 2a edición en español, Ed. McGraw-Hill, México 1986. Treybal R., “Operaciones de Transferencia de Masa”, 2a edición, Ed. McGraw-Hill, México 1988. Schweutzer P.A., “Handbook of Separation Technics for Chemical Engineers”, 2a edición, Ed. McGraw-Hill, Book co. 1988.

TABLA 1.- DATOS EXPERIMENTALES ______________

(SECADOR POR TRANSPORTE NEUMÁTICO)

Material: ___________________ Tam. Partícula: _________________ mm.

Fecha Lote: ________________

Cubeta grande de alimentación: Material de prueba ____________ Kg.

SEPARAror2

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:

Agua adicionada ____________ Kg. Total en cubeta _______________ Kg.

Humedades:

Peso g.

• EXPERIMENTO 1 Tbs ambiente: _______________ ºC Tbh ambiente: ____________ºC Tsólidos a la entrada: __________ ºC

Tiempo (min.)

T

E

M

P

E

Charola aluminio Muestra húmeda Muestra seca Humedad b.h. Humedad b.s.

R

A

T

U

R

ENTRADA 1er. termopar T. b.s.

2do. termopar T. b.s.

A

S

ºC

SALIDA Promedio T1 b.s.

Gases T2 b.s.

Sólidos secos Ts2

T2w b.h.

Antes de secar

A la salida del secador

g. g. g. __________ % __________ %

g. g. g. _______%_* _______%_*

Presión estática Venturi ó Velocidad de los gases m/seg

Descarga de sólidos secos Kg.

Masa Velocidad en cilindro

0 5 10 15 20 25 30 Prom. TOTAL ____________

•

EXPERIMENTO 2 Humedades: Peso g. Charola aluminio Muestra húmeda Muestra seca Humedad b.h. Humedad b.s.

Tbs ambiente: ____________________ ºC Tbh ambiente: _____________________ ºC Tsólidos a la entrada:_____________________ ºC

Tiempo (min.)

T

E

M

P

E

R

A

T

U

R

ENTRADA 1er. termopar T. b.s.

2do. termopar T. b.s.

A

S

ºC

SALIDA Promedio T1 b.s.

Gases T2 b.s.

T2w b.h.

Sólidos secos Ts2

Antes de secar g. g. g. __________ % __________ %

Descarga de sólidos secos Kg.

A la salida del secador g. g. g. _______%_* _______%_*

Presión estática Venturi ó Velocidad de los gases m/seg

Masa Velocidad en cilindro

0 5 10 15 20 25 30 Prom. TOTAL ____________ *La humedad de material ya seco puede determinarse con medidor de Humedad de materiales sólidos: DELMHORST G6 Moisture meter.

TABLA 2.- DATOS EXPERIMENTALES Y RESULTADOS Resumen (SECADOR ROTATORIO TRANSFERENCIA) GRUPO: ____________ FECHA DE REALIZACIÓN: ______________ Responsable de esta hoja: __________________________ FECHA DE ENTREGA: __________________ Lote: __________________________ MATERIAL A SECAR:_____________________________________________________________________ Condiciones y resultados SEPARAror2

Símbolo

Unidades

Exp. 1

Exp. 2 Página 9 de 9

o

Temperatura de entrada de gases, b.s. Temp. entrada de gases, b.h. (ver * Nota) Temperatura de salida de gases, b.s. Temperatura de salida de gases, b.h. Temperatura de salida de los sólidos Humedad absoluta de gases a la entrada Humedad absoluta de gases a la salida Humedad de entrada del material, b.h. Humedad de salida del material, b.h. Humedad de entrada del material, b.s.

T1 T1w T2 T2w Ts2 Y1 Y2 X1 X2 Ws1

C C o C o C o C Kg.agua/Kg.aire Kg.agua/Kg.aire % humedad. % humedad g. agua/ g.sólido

Humedad de salida del material, b.s.

Ws2

g. agua/ g.sólido

Volumen Húmedo del aire Calor húmedo del aire Velocidad media de los gases Densidad del aire ensidad media de los gases cantidad de gases manejados Capacidad de alimentación base sólidos secos Gasto de aire seco Masa velocidad de gases

o

Vh CS Vm

ρaire ρm w Fs

m/s Kg a.s./ m 3 Kg a.s./ seg. g/min

G’S G

Cantidad de material húmedo alimentado

F1

Kg a.s./hr m2 g/min

Cantidad de agua evaporada Cantidad de material seco obtenido

W F2

g/min g /min

Humedad relativa de gases de salida Humedad relativa de gases a la entrada calor total suministrado

Hr2 Hr1 qs

% % Btu /hr

Consumo unitario de calor por agua evaporada

Ja

Btu /lb H2O

Consumo unitario de calor por producto eficiencia térmica global eficiencia evaporativa Calor perdido Número de unidades de transferencia Número de unidades de transferencia Longitud de una unidad de transferencia Coeficiente volumétrico de transferencia

Jp hg he Calor p NUT real NUT calculado Z Ua

Coeficiente volumétrico de transferencia

U

Kcal / Kg Btu /lb producto % % %

pies Btu/hr pie3 ºF Kcal/hr m3 ºC

* NOTA: Para los fines de esta práctica utilizar el valor de Temp. de bulbo húmedo del aire ambiental.

SEPARAror2

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CARTA DE HUMEDAD A 550 mm Hg Calor húmedo, Cs,Kcal/KgºC 0,24

0,25

0,26

0,27

0,28

0,29

2

0,1

1,9 1,8

0,09

1,7 1,6

0,08

1,4

0,07

1,3 1,2

0,06

1,1 1

0,05

0,9 0,8

0,04

0,7 0,6

0,03

0,5 0,4

0,02

0,3 0,2

0,01

0,1 0

0 30

50

70

90

110

130

150

170

190

210

230

Temperatura ºC SEPARAror2

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250

270

290

y = humedad, Kg vapor de agua/Kg aire seco

Volumen húmedo, m3/Kg de aire seco

1,5