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SECADO ATOMIZACIÓN
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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA
Facultad de Ingeniería Industrial y de Sistemas
Fisicoquímica y
Operaciones Unitarias
Estudio del equipo de Secado por Atomización
Profesor: Ing. Carlos Elías Chafloque
Alumnos: Flores Palomino, Jhon
Guerrero García, J. Javier
Retamozo Pauca, Alex
Vivanco Cortez, Klisman
2010
Universidad Nacional de Ingeniería Fisicoquímica y operaciones unitarias TP213 U
SECADO POR ATOMIZACIÓN
I. OBJETIVOS :
Conocer el equipo de secado por atomización y su funcionamiento por
medio de una corrida de prueba en el equipo
Conocer las relaciones existentes entre las condiciones de operación del
equipo de secado y las características del producto final.
I. FUNDAMENTO TEORICO
El secado por atomización, 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). Historia de la máquina
El principio de este sistema es la obtención de un producto en polvo a partir
de un material líquido concentrado que se pulverizar 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.
La cámara de secado mas común es de tipo cilíndrico con un cono inferión
que hace un ángulo con la vertical entre 40 y 60º para que pueda ser retirado de
allí el polvo por gravedad. Esta unidad está aislada térmicamente para reducir
pérdidas energéticas. Su tamaño varía desde unos metros hasta 30 metros de
altura en las unidades mas grandes.
Típicamente, el aire utilizado en la operación tiene temperaturas de entrada
entre 100 y 300ºC .Para alimentos termoestables como el café pueden usarse
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hasta 250ºC mientras que para materiales delicados como leche o huevos pueden
manejarse 100ºC o menos. Las temperaturas de salida del aire oscilan entre 50º y
100ºC . El calentamiento del aire se hace por métodos indirectos ( vapor , gas o
aceite como medios calefactores) o directo ( gas o electricidad)
El equipo desecado por atomización en general consta de una cámara de
secado cilíndrica grande, casi siempre vertical, en la cual el material que se va a
secar se atomiza en forma de pequeñas gotitas y dentro del cual se alimenta un
gran volumen de gas caliente que basta para abastecer del calor necesario para
completar la evaporación del líquido.
La atomización se logra por cualquiera de los tres métodos:
a) Boquillas a alta presión, aquí se efectúa la atomización forzando el líquido
bajo una presión elevada y un alto grado de rotación a través de un
pequeño orificio.
b) Boquilla de dos fluidos, que funcionan a presiones relativamente bajas del
orden de 0 a 60psi, en tanto que el fluido atomizante rara vez sobrepasa
una presión de 100psi.
c) Discos centrífugos, que atomizan los líquidos, esparciéndolos en hojas
delgadas, cuando se descargan a alta velocidad desde la periferia de un
disco especialmente diseñado que gira con gran rapidez. El diseño del
disco asegura esta alta velocidad y la obtención de una distribución
uniforme del tamaña de gotas en el líquido atomizado. El tamaño del disco
oscila de 2pulg en los equipos a nivel de planta piloto hasta 12 o
14pulg.para los secadores comerciales. Una de sus ventajas es trabajar
con suspensiones y pastas que erosionan y taponan las boquillas. Las
patas espesan se pueden trabajar si se utilizan bombas de presión positiva
para alimentarlas al disco.
Cualquiera de los métodos de atomización permiten la obtención de
partículas esféricas –sólidas (a partir de soluciones o lechadas) y huecas (con el
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jabon, gelatina, polímeros solubles en agua) cuando se secan. Las propiedades
del producto que despiertan mayor interés, en general, son:
El tamaño de la partícula
La densidad volumétrica
El grado de polvo que contiene
La mayoría de los secadores por atomización de uso comercial utilizan el
flujo de gas y sólidos en corrientes paralelas. Los secadores de flujo a contra
corriente se emplean primordialmente para secar jabones y detergentes, existen
también secadores de flujo mixto con patrones de flujo complejos. A continuación
se presenta un listado de productos que se puede secar por atomización con
buenos resultados:
MATERIAL Temp. (ºF) %de agua
Evaporació
n
Entrad
a Salida en Alimento ( lb/hr )
Sulfato de zinc 620 230 55 1320
Lignina 400 195 63 910
Hidroxido de aluminio 600 130 93 2560
Gel de sílice 600 170 95 2225
Carbonato de Mg 600 120 92 2400
Extracto curtiente 330 150 46 680
Extracto de café 300 180 70 500
Detergnte 450 250 50 660
Sulfato de Al 290 170 70 230
Resina ureica 500 180 60 505
Pigmento 470 140 73 1750
Sangre animal 330 160 65 780
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Realizado en un equipo de secado por atomización con atomizador de disco
centrífugo (cámara de 18 pies de de diámetro y 18 pies de alto).
Con los accesorios apropiados es posible cambiar entre secado por
pulverización y enfriamiento por pulverización en cuestión de minutos,
posibilitando de esta forma una capacidad experimental aún más amplia.
Factores externos que afectan la velocidad de secado:
a. Efecto de la depresión de la temperatura del bulbo húmedo y seco, si la
depresión del aire es cero, el aire está saturado y el secado no puede
darse, si la depresión es grande, el aire está lejos de la saturación, el
potencial de secado es grande y la velocidad de secado inicial está en su
máximo.
b. Efecto de la temperatura del aire, cuanto mayor sea la diferencia de la
temperatura entre el medio de calentamiento y el alimento, mayor será la
velocidad de transmisión de calor al alimento, la cual proporciona la “fuerza
impulsora” para la eliminación de humedad.
c. Efecto de la velocidad del aire, el aire caliente recoge más humedad que el
aire fresco, pero el aire en movimiento a lata velocidad, además de recoger
humedad, la barre de la superficie del alimento, previniendo la creación de
una atmósfera saturada que disminuiría la velocidad de la eliminación
subsiguiente de humedad. Las velocidades más convenientes de aire
varían entre 1.5 y 5 m/s, por encima de 5 m/s se hace costoso.
d. Efecto de la presión atmosférica, a cualquier presión más baja que la
atmosférica, la ebullición tiene lugar a una temperatura más baja. Si se
mantiene una temperatura constante a medida que se reduce la presión, la
ebullición prosigue a una velocidad más rápida. Esto significa que si se
coloca un alimento en una cámara caliente bajo vacío, se puede eliminar la
humedad del alimento a temperatura más baja que si no se aplicara vacío.
Es muy importante emplear temperaturas más bajas durante períodos más
cortos al secar alimentos que son sensibles al calor.
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III. DESCRIPCIÓN DE LA OPERACIÓN UNITARIA
A) Descripción Del Equipo
El atomizador rotativo es típicamente usado donde existen requerimientos
de partículas, las cuales se desea que estén en un rango de 50-150 micrómetros
generalmente de tamaño; o donde la capacidad de evaporación este excediendo
los 2 Tonne/hr, mientras que un inyector de presión es la opción preferida donde
requieren partículas gruesas en la gama 200-300 micrón.
Para más pequeños secadores donde las dimensiones físicas del rocío que seca
la cámara hacen el empleo de un inyector de presión poco práctico en particular
donde un tamaño de partícula se extiende 100 - requieren 200 micrón, entonces
dos atomizaciones de inyector fluidas es preferida.
La máquina de secado es de origen danés de la firma NIRO ATOMIZER,
modelo Minor y tipo 53; con un ángulo de base cilíndrica de 60º. Este equipo
consta de las siguientes partes principales:
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1. Atomizador (Disco de alta velocidad)
2. Cámara de Secado
3. Separador Gas- Sólido.
4. Tablero de Control
5. Alimentación de aire
6. Ingreso de aire comprimido(Permite el movimiento del disco atomizador)
Así también tenemos el tablero el cual está conformado por:
1. Regulador presión con la que ingresa el aire al atomizador ( electricidad )
2. Regulador presión con la que ingresa el aire al atomizador( gas )
3. Medida de la presión con la que ingresa el aire al atomizador.
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4. Regulador de temperatura del aire que ingresa.
5. Medida de temperatura del aire que ingresa.
6. Medida de temperatura del aire que sale.
La temperatura del aire caliente es medido por unas termocuplas; el
aire del ambiente pasa a través de unas resistencias las cuales son
controladas constantemente en el tablero principal.
B) Descripción De La Operación Unitaria De Secado
A continuación presentaremos el proceso interno de la máquina del secado,
desde el ingreso de la sustancia en su fase líquida, hasta la conversión en sólido,
En este laboratorio trabajaremos en la conversión de la leche líquida (evaporizada,
leche gloria), a leche en polvo.
Para lo cual llenamos el recipiente de la parte superior del
secador de leche, para que esta leche gota por gota (40gotas cada
15s – 8ml/h) en forma dispersada ingresa a la cámara de secado por
medio del atomizador de disco centrífugo (pulverizador), que gira por
el ingreso de aire comprimido a presión de 4 Kg. /cm3; convirtiendo la leche en
gotas de rocío.
En el mismo momento prendemos la máquina para que ingrese aire del
ambiente por la parte inferior, éste pasa por un filtro de polvo y luego por el
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calentador que contiene resistencias eléctricas, y después sale del calentador e
ingresa a la cámara de secado a temperatura de 160º.
Es así que las gotitas de la leche se ponen en contacto con el aire caliente y
en este instante es que se ocasiona la evaporación del líquido, ya que el aire seca
a las partículas de la leche.
Luego el aire arrastra las partículas secas, saliendo por el fondo de la
cámara de secado y llevándolo hasta el separador de gas – sólido (ciclón) en
donde impacta el sólido y la mezcla en una placa separadora, haciendo que el
sólido se caiga para salir por el tubo, y que el aire salga por la parte lateral con
algunos residuos de leche.
Se debe tener mucho cuidado con la variación de la presión, debe estar en
4kg./ m3, ya que si disminuye , la velocidad del disco baja y se producen mayores
tamaño de partícula que tienden a producir aglomeraciones pastosas en las
paredes.
La viscosidad es una característica que influye sobre el producto final.
Productos con viscosidades elevadas producen partículas grandes y huecas que
resultan en baja densidad aparente.
La concentración del material viene a ser una característica decisiva sobre
la densidad aparente del producto seco. Al incrementar esta concentración, la
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densidad tiende a decrecer esto se comprueba al comparar resultados de leche
fresca con leche evaporada.
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.
En nuestro proceso tenemos una temperatura promedio de salida de 105ºC,
que también debe controlarse ya que si existe una alta temperatura de salida
indica que el producto en polvo está saliendo del secador a una temperatura
también alta. Esto puede ocurrir por una alta temperatura de ingreso del aire,
una alta concentración del material de alimentación, un caudal grande del aire
al secador o una alta velocidad del rodete atomizador.
IV. APLICACIONES INDUSTRIALES
Las principales ventajas para la industria que se puede encontrar una
empresa en el uso de este proceso son :
Preserva mejor los productos. El secado es rápido.
El producto final tiene un alto grado de solubilidad.
Permite el almacenamiento y transporte económico de grandes cantidades
de extracto seco.
Permite una mejor y más prolongada conservación de productos, evitando
su deterioro por reacciones bioquímicas o microbiológicas indeseadas.
Operación continúa, su uso permite lograr una reducción en el costo de
mano de obra y por otro lado se aumenta el volumen de producción.
Granulación uniforme, requerida en muchas industrias.
Humedad final y densidad volumétrica constante.
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Espacio económico de la instalación y reducción de costos de operación,
mediante el uso de secadores, el espacio es minimizado.
Industrias en la que generalmente se ve esta operación unitaria
Las industrias que utilizan el secado por atomización son:
Industria del CAFÉ instantáneo.
Industria del TÉ filtrante
Industria de la LECHE en polvo.
Industria de los REFRESCOS en sobre.
Industria de los DETERGENTES
Industria de las Harinas secas y estériles.
Industria de los Colorantes naturales.
Industria de las Frutas tropicales en polvo.
Industria de los Extractos.
Industria de las Productos químicos.
Industria de las Sales ferrosas.
Industria de las Materias primas alimenticias.
Empresas que tienen la operación unitaria de secado
Como ejemplo de las industrias antes mencionadas tenemos:
CAFÉ : Nescafe, Cafetal, Eco (Nestle - Chile).
TÉ : Mc Collins, Yerfil, etc.
LECHE : Anchor, Carnation, Enci, La Lechera.
JUGOS : Kanu, Zuko(Chile), Royal, Mambo, Zip.
Así también tenemos a la empresa BALTMAN &COMPAÑÍA S.A., una
empresa Colombiana que tienen 2 torres para secar diversas clases de líquidos
por atomización con capacidad de evaporar 100 kg de agua/hora y con un secador
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piloto con capacidad de evaporar 6 kg de agua/hora.
Fabrican lo siguientes producto a través del secado por atomización:
Colorantes de Achiote
Achiote (Annatto) soluble en aceite
Achiote (Annatto) soluble en agua
Utilizados para colorear de amarillo y en forma natural margarinas, quesos,
aceites, así como sopas, cremas y salsas. Los colorantes de achiote son
obtenidos por extracción sólido-líquido de las semillas de achiote y pueden
tener base en agua o aceite y luego secados por atomización.
Colorantes de Caramelo
Caramelo en polvo 50/50 en maltodextrina
Caramelo en polvo 50/50 en sal
Utilizados en productos de snacks, sopas, cremas, alimentos en polvo,
cereales, etc. Son obtenidos a través de secado por atomización del caramelo
líquido proveniente de la caramelización del azúcar a alta presión
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Frutas tropicales en polvo
Utilizadas como saborizantes de cremas para rellenos de galletas, para
cubiertas y rellenos en repostería o para reconstrucción de jugos naturales.
Obtenidas por un proceso de secado por atomización o aspersión de la pulpa
de fruta en una base de maltodextrina.
Tenemos:
Plátano
Mandarina
Mango
Maracuyá
Papaya
Piña
Uva
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V. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
Conclusiones:
Un producto secado por atomización presenta grandes ventajas en lo que
se refiere a almacenamiento y transporte (ya que este disminuye su
volumen), etc. Las cuales ya hemos explicado en la aplicación a la
industria.
La velocidad de funcionamiento de la máquina depende del tipo de líquido
que se quiera pulverizar, de su viscosidad, concentración, etc.
La presión del aire comprimido es depende del tamaño de sólido que
queremos obtener ya que a mayor presión menores serán los volúmenes
de las partículas en que se dispersará la solución.
Es imposible que la maquina de secado posea una eficiencia del 100% al
sacar la humedad, por los diferentes factores que existen.
La cantidad de producto final obtenido del proceso es muy pequeña, por tal
razón la maquina de secado debe ser utilizada para grandes volúmenes.
La operación de secado es ampliamente utilizada en la industria química.
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Recomendaciones
La solución a secar debe tener una alta concentración del solidó ya que de
lo contrario es muy probable que sea difícil el proceso de secado, incluso se
obtendría, en el mejor de los casos, partículas húmedas como producto; o
en todo caso se correría el riesgo de quemar el producto ya que para secar
una gran cantidad de humedad se tendría que aumentar la temperatura
En los casos en que se tenga soluciones muy diluidas, es recomendable
pasarlas por un proceso de destilación, previo al proceso de secado, ya que
disminuye enormemente el porcentaje de agua en al solución obteniéndose
concentraciones del 30% ó del 20% en peso
Para obtener las condiciones optimas de temperatura y presión en la
operación de secado, es necesario realizar de 2 a 3 corridas previas y
tomar en cuenta las características de la sustancia.
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