Embed Size (px)
Citation preview
SECADO DE SOLIDOS
1. INTRODUCCIÓN
La operación de secado es una operación de transferencia de masa de contacto gas-
sólido, donde la humedad contenida en el sólido se transfiere por evaporación hacia la
fase gaseosa, en base a la diferencia entre la presión de vapor ejercida por el sólido
húmedo y la presión parcial de vapor de la corriente gaseosa. Cuando estas dos
presiones se igualan, se dice que el sólido y el gas están en equilibrio y el proceso de
secado cesa.
El secado difiere de la evaporación, que también puede definirse así, en los aspectos
más esenciales que son: los aparatos, los métodos y los productos. En la evaporación, el
líquido se elimina por ebullición, mientras que aquí el líquido es arrastrado por el aire
en forma de vapor, a temperatura generalmente muy inferior a la de ebullición. Las
mezclas tratadas a ebullición suelen contener más líquido que sólido, mientras que aquí
sucede lo contrario.
El exceso de humedad contenida por los materiales puede eliminarse por métodos
mecánicos (sedimentación, filtración, centrifugación). Sin embargo, la eliminación más
completa de la humedad se obtiene por evaporación y eliminación de los vapores
formados, es decir, mediante el secado térmico, ya sea empleando una corriente gaseosa
o sin la ayuda del gas para extraer el vapor.
De todos modos, las diferencias son más bien cuantitativas que cualitativas; por esto no
ha de extrañarnos que en algunos casos sea difícil la clasificación del proceso como
uno u otro tipo de operación.
En la práctica del secado es lo más frecuente que el liquido a separar sea el agua, y a
este caso nos referiremos en los razonamientos sucesivos; pero no se excluye la
posibilidad de aplicación de los conceptos estudiados a cualquier liquido diferente del
agua
El secado es una operación importante en muchas industrias químicas y de
transformación; la razón por la que se aplica puede ser una de éstas:
Facilitar el manejo posterior del producto.
Permitir el empleo satisfactorio del mismo.
Reducir el coste de embarque.
Aumentar la capacidad de los aparatos.
Preservarlos productos durante el almacenamiento y transporte.
Aumentar el valor o la utilidad de productos residuales.
Esta operación se utiliza ampliamente en la tecnología química y es muy común que sea
la última operación en la producción precedente a la salida del producto resultante. Por
lo general, resulta más barato eliminar líquidos por métodos mecánicos que por métodos
térmicos, y por esta razón es aconsejable reducir el contenido de líquido tanto como sea
posible antes de alimentar el material a un secador térmico. La dificultad de los medios
mecánicos surge cuando los productos finales y gran número de productos intermedios
deben cumplir especificaciones rigurosas en cuanto a la humedad final. Habitualmente
una centrífuga trabajando con grandes cargas de sólido húmedo dejará humedades en
torno al 10-20 %, aunque en casos excepcionales como la sal común o cloruro sódico se
puede alcanzar de 0,5 a 1 %.
El contenido de líquido de una sustancia seca varía de un producto a otro. En ocasiones,
el producto no contiene líquido, por lo que recibe el nombre de totalmente seco: pero lo
más frecuente es que el producto contenga algo de líquido. La sal de mesa seca. Por
ejemplo, contiene 0.5% de agua, el carbón seco 4% y la caseína seca 8%. El secado es
un término relativo y sólo significa que hay una reducción del contenido de líquido
desde un valor inicial hasta algún valor final aceptable.
Los sólidos que se secan presentan diferentes formas -escamas, gránulos, cristales,
polvos, hojas o láminas continúas y poseen propiedades muy diferentes. El líquido que
ha de vaporizarse puede estar sobre la superficie del sólido, como en el secado de
cristales salinos, completamente en el interior del sólido, como en el caso de
eliminación del solvente de una lámina de un polímero, o parte en el exterior y parte en
el interior. La alimentación de algunos secadores es un líquido en el que está suspendido
el sólido en forma de partículas o en solución. El producto que se seca puede soportar
temperaturas elevadas o tal vez requiera un tratamiento suave a temperaturas bajas o
moderadas. Esto da lugar a que en el mercado exista un gran número de tipos de
secadores comerciales. Las diferencias residen fundamentalmente en la manera en que
los sólidos se mueven en la zona de secado y en la forma en la que se transfiere el calor.
El secado puede efectuarse por contacto directo e indirecto: En el secado por contacto
directo la humedad se elimina haciendo pasar en forma directa una corriente de aire;
para el secado indirecto, la humedad se elimina haciendo pasar el flujo de calor
proveniente de una fuente a través de una superficie metálica.
El secado por contacto directo puede ser continuo y discontinuo. En el secado continuo
se carga el sólido en el secador y se pasa la corriente del aire, en este caso las
condiciones del aire de secado y del material varían en función del tiempo de secado, en
tanto que, en el secado discontinuo se carga el sólido en el secador y se pasa la corriente
de aire, en este caso las condiciones de aire de secado y del material se mantiene
constante.
2. ESTÁTICA DEL SECADO
a). Humedad.- Para estudiar el secado de sólidos es necesario definir las proporciones
relativas de agua y sólido seco contenidos en el mismo. Dado que la cantidad de sólido
seco no se altera en el proceso, la concentración más útil para los cálculos es la referida
al peso de sólido seco: llamaremos humedad XT al peso de agua que acompaña a la
unidad de peso de sólido seco.
Cuando la presión de vapor que acompaña a un sólido es menor al valor de la tensión
del vapor de agua en el aire es un cuerpo higroscópico y cuando la presión de vapor del
sólido es igual al valor de la tensión del vapor del agua en el aire es un cuerpo húmedo.
b). Formas de enlace de la Humedad con el material
El mecanismo del proceso de secado depende considerablemente de la forma de enlace
de la humedad con el material: cuanto más sólido es dicho enlace, tanto más difícil
transcurre el secado. Durante el secado el enlace de la humedad con el material se
altera.
Las formas de enlace de la humedad con el material se clasifican en: químico, físico-
químico y físico- mecánico.
La humedad ligada químicamente es la que se une con mayor solidez al material en
determinadas proporciones (estequiométricas) y puede eliminarse sólo calentando el
material hasta altas temperaturas o como resultado de una reacción química. Esta
humedad no puede ser eliminada del material por secado.
Durante el secado se elimina, como regla, sólo la humedad enlazada con el material en
forma físico-química y mecánica. La más fácil de eliminar resulta la enlazada
mecánicamente que a su vez se subdivide en: humedad de los macrocapilares y
microcapilares (capilares con el radio medio mayor y menor de 10-5
cm). Los
macrocapilares se llenan de humedad durante el contacto directo de ésta con el material,
mientras que en los microcapilares la humedad penetra tanto por contacto directo, como
mediante la adsorción de la misma en el medio ambiente. La humedad de los
macrocapilares se elimina con facilidad no sólo por secado, sino que también
empleando métodos mecánicos.
El enlace físico-químico une dos tipos de humedad que difieren por la solidez del enlace
con el material: la humedad ligada osmóticamente y por adsorción.
La primera llamada también humedad de hinchamiento, se encuentra dentro de las
células del material y se retiene por las fuerzas osmóticas. La segunda se retiene
sólidamente sobre la superficie y en los poros del material. La humedad de adsorción
requiere para su eliminación un gas con una energía considerablemente mayor que la
utilizada para eliminar la humedad de hinchamiento. La existencia de estos tipos de
humedad especialmente se manifiesta en materiales coloidales y poliméricos.
Contenido de humedad, base seca: x
osolidokg
humedadkgx
sec
Contenido de humedad, base húmeda:
osolidokghumedadkg
humedadkgx
sec
Existen otras definiciones como humedad límite; que es la humedad del sólido que
ejerce una presión de vapor de equilibrio menos que aquella que ejerce el líquido puro a
la misma temperatura y la humedad no límite que es la humedad del sólido que ejerce
una presión de vapor igual a la del líquido puro a la misma temperatura.
c). Equilibrio entre fases
Los datos de equilibrio para sólidos húmedos por lo general se expresan mediante
relaciones entre la humedad relativa del gas y el contenido de líquido del sólido, en
masa de líquido por unidad de masa de sólido completamente seco En la figura 1 se
presenta ejemplos de relaciones de equilibrio. Las curvas de este tipo son casi
independientes de la temperatura. Las abscisas de tales curvas pueden convenirse con
facilidad en humedades absolutas, es decir, en masa de vapor por unidad de masa de gas
seco.
Cuando un sólido húmedo se pone en contacto con aire de una humedad inferior a la
correspondiente al contenido de humedad del sólido, dada por la curva de equilibrio
humedad, el sólido tiende a perder humedad y secarse hasta alcanzar el equilibrio con el
aire. Cuando el aire es más húmedo que el sólido en equilibrio con él, el sólido absorbe
humedad del aire hasta que se alcanza el equilibrio. En fases fluidas la difusión está
regida por las diferencias de concentración expresadas en fracciones mol. Sin embargo,
en un sólido húmedo el término fracción mol tiene poco significado, y para los cálculos
de secado, el contenido de humedad casi siempre se expresa en masa de agua por unidad
de masa de sólido totalmente seco.
d). Humedad de Equilibrio y Humedad Libre
El aire que entra en un secador no suele estar completamente seco, sino que contiene
algo de humedad y posee una humedad relativa definida. Para un aire de humedad
definida, el contenido de humedad del sólido que sale del secador no puede ser inferior
al contenido de humedad de equilibrio correspondiente a la humedad del aire que entra
La porción de agua del sólido húmedo que no puede ser removida por el aire que entra
debido a la humedad de éste, recibe el nombre de humedad de equilibrio; entonces, es
la humedad del sólido cuando su presión de vapor se iguala a la presión de vapor del
gas. Es decir, la humedad del sólido cuando está en equilibrio con el gas.
El agua libre es la diferencia entre el contenido total de agua del sólido y el contenido
de agua en el equilibrio. Es ésta la humedad que se puede evaporar y depende de la
concentración de vapor en la corriente gaseosa.Por tanto, si XT es el contenido total de
humedad y X* es el contenido de humedad en el equilibrio, la humedad libre X viene
dada por:
*XXX Tlibreagua
e). Agua Ligada y no Ligada
Si una curva de equilibrio como la de la figura 1 se prolonga hasta su intersección con el
eje de 100% de humedad, el contenido de humedad así definido es la humedad mínima
de este material que todavía puede ejercer una presión de vapor tan grande como la del
agua líquida a la misma temperatura. Si el material contiene más agua que la
correspondiente a esta intersección, la presión de vapor que puede ejercer es sólo la del
agua a la temperatura del sólido. Esto permite distinguir dos tipos de agua retenida por
un material determinado. El agua correspondiente a la menor concentración que está en
equilibrio con aire saturado y que está dada por la intersección de las curvas de la figura
1 con la línea de 100% de humedad recibe el nombre de agua ligada debido a que
ejerce una presión de vapor menor que la del agua líquida a la misma temperatura, es
decir la humedad mínima para que éste deje de comportarse como higroscópico.
Cuando la humedad es menor, la tensión de vapor es inferior a la del líquido puro a la
misma temperatura, luego la presencia del sólido influye sobre la volatilidad del agua;
por esto hay que admitir que en estas condiciones el agua está ligada al sólido por
cualquier tipo de fuerzas, mecánicas o fisicoquímicas. La separación de esta humedad
por evaporación responderá a leyes diferentes a las de evaporación del agua en un
recipiente abierto.
Atendiendo a la figura 1, podemos definir también la humedad ligada como la humedad
mínima de equilibrio con el aire saturado (φ= 100'%). Las sustancias que contienen
agua ligada se llaman con frecuencia sustancias higroscópicas.
Fig. 1 Curvas de equilibrio- humedad a 25 oC
El agua correspondiente a concentraciones mayores que las indicadas por las
intersecciones recibe el nombre de agua no ligada, es decir cuando la humedad es
superior al valor de la humedad ligada, el sólido se comporta como cuerpo húmedo; la
diferencia entre ambas se conoce con el nombre de humedad desligada. La cantidad de
agua correspondiente no está afectada por la presencia del sólido, y las leyes de su
evaporación no diferirán mucho de las dadas para la evaporación del líquido aislado
El agua ligada existe en diferentes condiciones. El agua líquida en finos capilares ejerce
una presión de vapor anormalmente baja debido a la gran curvatura cóncava en la
superficie; la humedad contenida en las células o en las paredes de las fibras pueden
experimentar una disminución de la presión de vapor debido a los sólidos disueltos; el
agua en sustancias orgánicas naturales está física y químicamente combinada, y su
fuerza de unión varía con la naturaleza y el contenido de humedad del sólido. Por otra
parte, el agua no ligada ejerce toda su presión de vapor y se encuentra
fundamentalmente en los huecos del sólido. Partículas grandes no porosas, como arena
de cuarzo, sólo contienen agua no ligada.
Los términos empleados en esta discusión se clarifican haciendo referencia a la figura 1.
Considere, por ejemplo, la curva 2 para estambre. Ésta intersecta a la curva de 100% de
humedad para una humedad de 26%; en consecuencia, cualquier muestra de lana que
contiene menos de 26% de agua sólo contiene agua ligada. Cualquier humedad que
contenga una muestra arriba del 26% es agua no ligada. Si la muestra contiene 30% de
agua, por ejemplo. 4% de esta agua es no ligada y 26% es ligada. Suponga ahora que
esta muestra va a secarse con aire de 30% de humedad relativa. La curva 2 indica que el
menor contenido de humedad que es posible alcanzar bajo estas condiciones es de 9%.
Esto es, por tanto, el contenido de humedad de equilibrio para estas condiciones. Si una
muestra que contiene 30% de humedad total se va a secar con aire de 30% de humedad
relativa, su contenido de agua libre es de 21 % y la humedad en el equilibrio es de 9%.
Cualquier cantidad hasta una concentración de 26% continúa siendo agua ligada, pero la
mayoría de ésta puede evaporarse en el aire y por lo tanto es agua libre. Entonces esta
agua puede ser tanto ligada como libre al mismo tiempo —parcialmente ligada al sólido
pero libre para ser evaporada—. La distinción entre agua ligada y no ligada depende del
material, mientras que la distinción entre la humedad libre y la de equilibrio depende de
las condiciones de secado.
La tensión de vapor de agua sobre un cuerpo higroscópico depende de estos factores:
temperatura, naturaleza del cuerpo, estado de su superficie y proporción de agua
(humedad). A temperatura constante la tensión de vapor de agua aumenta
continuamente con la humedad hasta alcanzar el valor del agua pura a la misma
temperatura. En este punto, el cuerpo empieza a comportarse como húmedo; cualquiera
que sea la humedad, la tensión de vapor se mantendrá constante.
En la figura 2 se representa la tensión de vapor de algunos materiales a 25° C. El caolín,
lo mismo que otras muchas sustancias inorgánicas, alcanza el comportamiento de
cuerpo húmedo para una humedad relativamente baja; sin embargo, los materiales
fibrosos o coloidales de origen vegetal o animal sólo se comportan como húmedos
cuando contienen una cantidad considerable de agua.
Fig. 2. Tensión de vapor de algunas sustancias en función de la humedad a 25 oC
Si el cuerpo higroscópico está en contacto con aire de condiciones determinadas su
humedad tiende hacia un valor de equilibrio, que se alcanza cuando la tensión de vapor
del cuerpo higroscópico es igual a la presión parcial del vapor de agua en el aire. En
lugar de la presión parcial podemos tomar la humedad relativa. A cada humedad del
cuerpo corresponde en el equilibrio una humedad relativa del aire; tomando estas
variables como coordenadas en un diagrama rectangular la correspondencia está
representada por la curva de equilibrio (Fig. 2)
Con el diagrama de fases podemos conocer el sentido en que variará la humedad del
cuerpo puesto en contacto con aire húmedo; si el punto representativo está a la derecha
de la curva de equilibrio (punto P de la Fig. 3), la humedad XT tiende a disminuir, pues
es superior al valor X* de equilibrio con el aire de la misma humedad relativa φ. Si el
punto P estuviese a la izquierda, la humedad del cuerpo tendería a aumentar a expensas
del vapor de agua recibido del aire húmedo.
Fig. 3. Curva de equilibrio de humedad en el diagrama de fases.
Como hemos indicado anteriormente, la humedad de equilibrio depende del estado de la
superficie del cuerpo. Las curvas de la figura 2 no tienen valor absoluto, sino que
corresponden a un material específico; aun para el mismo material se presentan a
menudo fenómenos de histéresis de secado, de modo que la humedad de equilibrio con
aire de condiciones determinadas depende de los cambios de humedad experimentados
anteriormente.
f). Sólidos Solubles
El comportamiento de los sólidos solubles es diferente cuando la presión de vapor de
agua en el aire es inferior a la tensión de vapor de la disolución saturada del sólido, la
humedad de equilibrio del sólido es muy pequeña. En caso contrario el sólido absorbe
humedad del aire y se disuelve, formándose en primer lugar una disolución saturada; la
tensión de vapor de ésta es inferior a la del líquido puro, de acuerdo con la ley de
Raoult. Si la presión parcial de vapor en el aire permanece- constante, el equilibrio sólo
se alcanzará cuando ésta sea igualada por la tensión de vapor de la disolución; para ello
necesario que disminuya la concentración (o sea que la disolución deje de estar
saturada) lo cual sólo es posible en ausencia de sólido (de acuerdo con el equilibrio de
solubilidad). En consecuencia el desequilibrio no desaparece hasta que, una vez disuelto
todo el sólido, la solución alcanza una determinada dilución. Cuando está sometido a
aquel desequilibrio, decimos que el sólido es delicuescente.
Fig. 4 Tensión de vapor de agua sobre el nitrato sódico mojado y sus
disoluciones acuosas.
El término delicuescente se aplica en rigor a la condición del sólido soluble en presencia
de aire de determinada humedad relativa. Si el aire está seco ningún sólido puede
alcanzar aquella condición; si el aire está saturado todos los sólidos solubles serán
delicuescentes. Sin embargo, en términos generales sólo llamamos así a los que
delicuescente para valores normales de la humedad relativa. Teniendo en cuenta la ley
de Raoult se comprende que los sólidos delicuescentes sean precisamente los más
solubles; al ser más solubles es más baja la tensión de vapor de la disolución saturada,
luego también lo será la humedad relativa del aire que está en equilibrio con la misma.
Cuando una disolución está en contacto con aire de humedad relativa inferior a la de
equilibrio, tiende a concentrarse siguiendo la tendencia opuesta.
Si la humedad relativa del aire es todavía menor que la de equilibrio con la di- solución
saturada se llegará a producir la precipitación del sólido. Si la humedad relativa del aire
oscila alrededor del valor de equilibrio con la disolución saturada pueden producirse
alternadamente los fenómenos de disolución y precipitación
3. CINÉTICA DEL SECADO
3.1. Transferencia de Masa y Energía
Un elemento fundamental en el proceso de secado es el estudio de la intensidad de la
transferencia de masa en el mismo. Para esto es necesario conocer los elementos más
útiles de la transferencia de calor y masa que funcionen en los secaderos de contacto
directo.
Según Madariaga (1995), esta depende de una serie de factores que van desde
condiciones internas a externas:
a). Las condiciones externas: están definidas por la resistencia a la transferencia de
calor y de masa de la capa límite del gas, y en el caso que predominen, el secado no
dependerá de las características del sólido sino de las condiciones del gas, y estará
controlado por la transferencia de masa y calor entre el gas y la superficie del sólido,
empleándose en la evaporación todo el calor que se recibe del gas, la cual se comporta
como una superficie libre de agua.
b). Las condiciones internas: están definidas, por la transferencia de calor y de masa a
través del sólido. En el caso que predominen, es decir, que la resistencia a la
transferencia de masa a través del material sea muy superior a la de la capa límite del
gas, la difusión interna controlará el proceso y lo más importante será las propiedades
del sólido.
Cuando se seca un sólido se producen dos procesos fundamentales y simultáneos:
Transmisión del calor para evaporar el líquido.
Transferencia de masa en humedad interna y líquido evaporado.
Independientemente del mecanismo de transmisión de calor el cual puede ser por
conducción, convección, radiación o una combinación de cualquiera de estos, el calor
tiene que pasar primero a la superficie exterior y desde esta al interior del sólido.
Excepto el secado por electricidad de alta frecuencia, que genera el calor
intercambiante, esto conduce a la circulación de calor desde el interior hasta la
superficie exterior. También se ha reportado otro tipo de secado llamado secado por
sublimación.
En el secado por convección el calor necesario para la evaporación del líquido se
transmite por un agente gaseoso o un vapor que pasa por encima del sólido o lo
atraviesa.
En el secado por conducción el producto que debe secarse se encuentra en recipientes
calentado o se desplaza por encima de estos. El calor también se difunde en el sólido a
través de la conductividad del propio sólido.
En el secado por radiación el calor se transmite por las superficies radiantes próximas.
En el secado dieléctrico la energía es generada en el interior del propio material
mediante un campo electromagnético de alta frecuencia en la zona de microondas.
También se reporta en la literatura el secado por sublimación, denominando así al
secado en estado de congelación al vacío profundo. Según el método de transmisión del
calor este procedimiento es análogo al secado por conducción pero debido a sus
peculiaridades el secado por sublimación se destaca como un grupo especial (Kasatkin,
1985).
3.2. Movimiento de la Humedad dentro del Sólido
Cuando se produce la evaporación superficial, debe haber un movimiento de humedad
desde las profundidades del sólido hacia la superficie.
La naturaleza del movimiento influye en el secado en los períodos de caída del régimen.
A continuación se explicarán brevemente algunas de las teorías que se adelantaron para
explicar el movimiento de la humedad y la relación de ésta con las curvas de régimen.
Difusión líquida: Se puede producir la difusión de la humedad líquida debido a los
gradientes de concentración entre las profundidades del sólido, donde la concentración
es alta y la superficie donde ésta es baja (Treybal, 1965).
Movimiento capilar: La humedad no límite en sólidos granulares y porosos tales como
arcillas, pigmentos de pinturas y otros semejantes, se traslada a través de capilares e
intersticios de los sólidos mediante un mecanismo que implica tensión superficial. Los
capilares se extienden desde pequeños receptáculos de humedad dentro del sólido hasta
la superficie de secado. A medida que se lleva a cabo el secado, al principio la humedad
se traslada por capilaridad hacia la superficie con suficiente rapidez, siendo constante el
régimen de secado.
Difusión de vapor: Especialmente si se suministra calor a una superficie de un sólido
mientras en otra el secado continúa, se puede evaporar la humedad debajo de la
superficie, difundiéndola hacia afuera como vapor. También se puede evaporar debajo
de la superficie, las partículas de humedad existentes en sólidos granulares en forma
aislada de la porción mayor de humedad que fluye a través de los capilares.
Presión: Durante el secado debido a la concentración de las capas externas de un sólido,
se puede compeler la humedad hacia la superficie. Usualmente solo podemos conjeturar
sobre cuál de los mecanismos es el apropiado para cada sólido en particular, debiendo
apoyarnos en el trabajo más o menos empírico de los regímenes experimentales de
secado.
3.3. Curvas fundamentales de Secado
La cinética de secado de un material no es más que la dependencia de la humedad del
material y de la intensidad de evaporación con el tiempo o variables relacionadas con
este, como la propia humedad o las dimensiones del equipo.
La intensidad de evaporación se determina a través de la velocidad de secado, que es el
cambio de humedad (base seca) en el tiempo.
A partir de las curvas de cinética de secado (x vs. t, dx/dt vs. x), que deben ser obtenidas
a nivel de laboratorio, puede tenerse una idea del tiempo de secado, del consumo de
energía, del mecanismo de migración de humedad, de las condiciones predominantes en
la transferencia de calor y masa y de la influencia que tienen en la velocidad de secado
las variables del proceso tales como: temperatura, humedad de entrada, velocidad del
aire, etc.
a). Períodos de Secado
Cualquiera que sea el tipo de la instalación a emplear, para determinar la capacidad del
aparato o bien el tiempo de secado es necesario efectuar ensayos de velocidad de secado
del material. Estos ensayos se realizan en condiciones constantes de secado: las
condiciones del aire (presión, temperatura, humedad y velocidad) permanecen
constantes con el tiempo y varían muy poco desde la entrada hasta la salida. A
intervalos regulares se determina por pérdida de humedad del cuerpo: de los datos
humedad-tiempo se deduce la curva de velocidad de secado.
Para que los datos obtenidos tengan la validez máxima es necesario observar una serie
de precauciones encaminadas a lograr la mayor semejanza con las condiciones que han
de prevalecer en la operación a gran escala. Como más importantes citamos las
siguientes:
El material estará soportado en la misma forma que lo ha de estar posteriormente (sobre
bastidores, bandejas, etc.).
Se mantendrá la misma relación entre superficie exterior expuesta y superficie
no expuesta al secado.
Se dispondrán condiciones análogas de recepción de calor radiante.
Es conveniente realizar ensayos con muestras de diferentes espesores.
Con los datos obtenidos durante la prueba de secado o sea de la variación de la humedad
con el tiempo, puede hacerse un gráfico de contenido de humedad en función del
tiempo. Este será útil para la determinación directa del tiempo necesario en el secado
discontinuo de grandes partidas bajo las mismas condiciones de secado.
La velocidad de secado se calcula por la pérdida de humedad en la unidad de tiempo, y
más exactamente por el cociente diferencial (-ds/dθ). En la figura 5-a representamos la
curva humedad-tiempo de una muestra sometida a ensayo de secado: la humedad
disminuye continuamente desde el valor inicial (punto A) y finalmente se aproxima
como límite a la humedad de equilibrio que corresponde a las condiciones constantes
del aire. Por diferenciación gráfica o tabular se obtiene la curva de la figura 5-b (curva
de velocidad de secado)
Afinando más, en muchos casos pueden diferenciarse dos periodos de velocidad
decreciente: durante el primero la velocidad varía linealmente con la humedad (tramo
C-D); en el segundo se pierde aquella relación.
Como es evidente, la presencia de los tres periodos anteriormente mencionados depende
del intervalo de humedades abarcado en el ensayo.
Atendiendo al mecanismo de secado, para definir cuantitativamente la velocidad es
conveniente referir ésta a la unidad de área de superficie de secado. Por definición:
d
dX
A
SW
Donde: W es la velocidad de secado; S el peso de sólido seco; A, el área de superficie
expuesta. Estas dos últimas magnitudes permanecen constantes durante el ensayo de
secado.
FIG. 5 Curvas de secado en condiciones constantes.
Generalmente se pueden apreciar dos partes notorias de la curva de régimen de secado:
un período de régimen constante y uno de caída de régimen, aunque teóricamente
existen o se pueden apreciar tres etapas del proceso o períodos de secado.
Etapa A-B: (que puede no existir o presentar diversas formas) corresponde al llamado
período de inducción, en el que el mecanismo de secado no ha llegado a estabilizarse
Es una etapa de calentamiento (o enfriamiento) inicial del sólido normalmente de poca
duración en la cual la evaporación no es significativa por su intensidad ni por su
cantidad. En esta etapa el sólido se calienta desde la temperatura ambiente hasta que se
alcance el equilibrio entre el enfriamiento por evaporación y la absorción de calor de los
gases. Este equilibrio se alcanza a la temperatura de bulbo húmedo del gas.
Etapa B-C: Es el llamado primer período de secado o período de velocidad de secado
constante; donde se evapora la humedad libre o no ligada del material y predominan las
condiciones externas. En este período el sólido tiene un comportamiento no
higroscópico. La velocidad de secado se mantiene constante si el gas tiene un estado
estacionario y en general depende solo de las propiedades y velocidad del mismo. Si
durante el proceso, el gas se enfría, la velocidad de secado decrece pero sigue en esta
zona dependiendo de factores externos al sólido. Durante este período la temperatura
del sólido se mantiene igual a la de bulbo húmedo del gas, ya que se mantiene el
equilibrio alcanzado al final de la etapa de calentamiento.
Etapa C-E: Es el segundo período de secado o período de velocidad de secado
decreciente; donde se evapora la humedad ligada del material y predominan las
condiciones internas o las características internas y externas simultáneamente. En estas
condiciones el sólido tiene un comportamiento higroscópico. Durante el período, la
temperatura del material sobrepasa la de bulbo húmedo debido a que el descenso de la
velocidad de secado rompe el equilibrio térmico que mantiene estable la temperatura y
una parte considerable del calor se emplea en un calentamiento del sólido. Ahora la
humedad deberá ser extraída del interior del material con el consiguiente incremento de
la resistencia a la evaporación.
Este período de velocidad decreciente puede dividirse en dos partes, con diferentes
comportamientos de la velocidad de secado, la cual decrece cada vez más al disminuir
la humedad del sólido. Esto implica dos modeloss de secado diferente en dicha zona.
Un parámetro muy importante a determinar en los materiales a secar es la humedad a la
cual se cambia del primero al segundo período, llamada humedad crítica. Esta depende
del tipo del material y de la relación de secado en el primer período.
La forma de la curva de secado en el segundo período varía en dependencia de las
características del material a secar. Existen curvas típicas de cuerpos capilar-porosos
con grandes superficies específicas y de pequeñas superficies específicas así como de
cuerpos coloidales.
Se reportan algunos trabajos donde se han realizado estudios de curvas de secado
específicamente de bagazo. Guerra (1971) lo realizó a baja temperatura y no detectó
valor alguno de humedad crítica, partiendo de una humedad del 50 %. Grobart (1973)
determinó un valor constante de humedad crítica de 44.66 % para un rango de
temperatura del aire entre 45 ºC y 70 ºC. Martínez (1988) obtiene una gran cantidad de
cinéticas de secado para bagazo en cama fija donde se aprecia la humedad crítica
alrededor del 30 % aunque no da directamente correlaciones para determinarla y trabaja
solamente hasta una temperatura del agente secante de 90ºC.
Una de las tareas primarias en el estudio del secado de un sólido, es la identificación del
modelo cinético que más adecuadamente se ajuste a los datos experimentales de secado.
La adecuación de un modelo de secado consiste en la estimación de sus parámetros
según algún criterio de comportamiento que tome en cuente la magnitud de la humedad
media del sólido y la magnitud de la humedad calculada por el modelo propuesto
Novoa y Haber (1995) realizaron un estudio de la cinética de secado del cacao donde
con el proceso de secado lograron una disminución de la humedad del grano hasta un
nivel tal que garantiza la conservación en las debidas condiciones hasta su
industrialización. El método utilizado para el procesamiento de los datos experimentales
y ajustar los modelos matemáticos de las curvas de secado, se basó en una ecuación
cinética que permite describir todo el proceso de secado incluyendo ambos períodos,
donde todos los parámetros de la ecuación se pueden determinar fácilmente a partir de
la curva de secado y las condiciones límites.
b). Mecanismo del Secado
Durante el secado es necesario separar tanto la humedad que existe sobre la superficie
como la del interior del sólido. Cuando la humedad es suficientemente grande, la
evaporación transcurre sobre la superficie totalmente mojada, y el líquido se renueva
continuamente por difusión rápida desde el interior; tenemos así un período en que la
velocidad de secado es constante. Si el sólido no recibe calor por otros medios, la
temperatura de la superficie permanecerá constante en un valor sensiblemente igual al
de la temperatura húmeda del aire (Fig. 5-b. En la tabla 1 debido a Gilliland, se indican
las velocidades de evaporación de agua sobre diversos materiales en condiciones de
secado constante: puede observarse que las diferencias entre unas y otras son
relativamente pequeñas, incluida la velocidad de evaporación del agua en una superficie
libre.
Cuando la humedad media del sólido es inferior a la humedad critica Xc, la difusión
desde el interior no puede suministrar lodo el líquido que. se evaporaría en la superficie;
en consecuencia la velocidad de evaporación disminuye, y aparecen sobre la superficie
zonas secas, cada vez, en mayor proporción. Transcurre entonces el primer periodo de
velocidad decreciente: al no estar saturada la superficie la temperatura asciende, y
tiende a aproximarse a la temperatura seca del aire. El primer periodo decreciente, que
puede no existir según las condiciones de secado, concluye cuando la superficie del
sólido queda libre de líquido; a pesar de ello, la humedad media puede tener todavía un
valor apreciable.
Tabla 1 Velocidad de evaporación de agua sobre varios materiales en condiciones medias
Materia Espesor (cm.)
Humedad critica, %
Albayalde 0.11
Arcilla cerámica 1.5 0.14
Arena del mar 0.65
0.50
0.03
0.06
Azul de Prusia 0.40
Caolín 0.14
Carbonato de cobre 3-4 0.60
Cuero al cromo 0.1 1.25
Cuero de suelas 0.6 0.90
Gelatina (con 400 % de agua
inicial)
0.25-0.50 3.0
Lana (sarga sin teñir) 0.08 Madera de álamo 0.4 1.20
Nitrato de bario (cristales) 2.5 0.07
Papel de libros 0.125 0.33
Papel de periódicos 0.6-0.7
Pulpa al sulfito 0.5-2 0.6-0.8
Refractarios de chamota 5.0 0.13
Durante el segundo periodo post-crítico la velocidad de secado sigue descendiendo. En
muchos casos la evaporación se efectúa en un plano interior, que va alejándose de la
superficie del sólido a medida que progresa el secado. Al transporte del líquido desde el
interior hasta el plano de evaporación seguirá entonces la difusión del vapor desde este
plano hasta la superficie del material, y por último la difusión desde la superficie hasta
el seno del aire. En otros casos la evaporación sigue, efectuándose en la superficie, y el
líquido llega hasta ella por los mecanismos de difusión normal, difusión capilar u otros
más complejos.
Fig. 6 Curva de velocidad de secado para un plato de cerámica porosa.
Humedad Crítica: La humedad critica de un material determinado varia con las
condiciones del aire de secado y también con el espesor de aquél. El sentido de
variación puede enunciarse así:
La humedad crítica aumenta ligeramente con la temperatura y la velocidad del
aire (paralelamente al aumento mucho más notable de la velocidad de secado
anticrítico con los mismos factores).
La humedad crítica aumenta, en mayor o menor proporción según el tipo de
material, con el espesor de la capa que se somete al secado.
En cada caso conviene determinar experimentalmente las humedades críticas para
diferentes valores de los factores mencionados.
3.4. Secado en el periodo de Velocidad Decreciente de sólidos porosos y no porosos
Los métodos de estimación de las velocidades de secado durante el periodo de
velocidad decreciente dependen de si el sólido es poroso o no. En un material no
poroso, una vez que ya no hay más humedad superficial, el secado posterior sólo puede
transcurrir con una velocidad regida por la difusión de la humedad interna hacia la
superficie. En un material poroso aparecen otros mecanismos, y la vaporización puede
tener lugar en el interior del sólido en lugar de producirse en la superficie.
a). Sólidos no Porosos: La distribución de la humedad en un sólido no poroso típico es
cualitativamente consistente por lo que se deriva de suponer que la humedad fluye por
difusión a través de los sólidos. Esto difiere algo a partir de la distribución teórica, sobre
todo porque la difusividad varía de manera considerable con el contenido de humedad y
es en especial sensible al encogimiento.
En los materiales que secan de esta forma se dice que el secado se realiza por difusión,
aunque es probable que el mecanismo real sea considerablemente más complicado que
el de difusión simple.
La difusión es característica de los materiales que secan lentamente. La resistencia a la
transferencia de masa de vapor de agua desde la superficie del sólido hasta el aire es en
general despreciable, y la difusión en el sólido controla la velocidad global de secado.
Por tanto, el contenido de humedad en la superficie es muy próximo al valor de
equilibrio. La velocidad del aire tiene poco o ningún efecto, mientras que su humedad
incluye sobre el proceso sobre todo al determinar el contenido de la humedad en el
equilibrio. Puesto que la difusividad se incrementa con la temperatura, la velocidad de
secado aumenta con la temperatura del sólido.
b). Sólidos Porosos: La distribución de humedad en un sólido poroso durante el secado
difiere de manera considerable a partir de la que se indica por difusión en un material no
poroso. La humedad fluye a través de los sólidos porosos por capilaridad y, en alguna
medida, por difusión superficial. Un material poroso contiene una red complicada de
poros y canales interconectados, cuyas secciones transversales varían enormemente. La
embocadura de los poros en la superficie es de diversos tamaños. A medida que el agua
es removida por vaporización, se forma un menisco en cada poro que genera una fuerza
capilar debido a la tensión en la superficie de contacto entre el agua y el sólido. Las
fuerzas capilares poseen componentes en dirección perpendicular a la superficie del
sólido. Estas fuerzas proporcionan la fuerza impulsora para el movimiento del agua a
través de los poros hacia la superficie.
La intensidad de las fuerzas capilares en un determinado punto de un poro depende de la
curvatura del menisco, que a su vez es una función de la sección transversal del poro.
Los poros pequeños desarrollan fuerzas capilares mayores que los poros grandes, y, por
tanto, los poros pequeños pueden extraer agua desde los poros grandes. A medida que
se agota el agua en la superficie, los poros grandes tienden a vaciarse primero. El aire
tiene que desplazar al agua que se retira. Este aire entra, bien a través de las bocas de los
poros más grandes situados en la superficie de secado, o bien desde los lados y la parte
trasera del material cuando éste se seca sólo por una cara.
En la figura 6 se representa una curva típica de velocidad de secado para un sólido
poroso que tiene poros pequeños. Mientras que el aporte de agua desde el interior hasta
la superficie es suficiente para mantener la superficie por completo húmeda la velocidad
de secado es constante. Los poros se van vaciando de agua de manera progresiva, y en
el punto crítico la capa superficial de agua comienza a retroceder hacia el interior del
sólido. Esto inicia en los poros más grandes. Los puntos altos situados sobre la
superficie del sólido comienzan a emerger del líquido y el área disponible para la
transferencia de masa desde el sólido hacia el aire disminuye. Por tanto, aunque la
velocidad de evaporación por unidad de área mojada no se modifica, la velocidad
basada sobre la superficie total, incluyendo tanto el área seca como la mojada, es menor
en el periodo de velocidad constante. La velocidad continúa disminuyendo a medida
que aumenta la fracción de superficie seca.
La primera sección del periodo de velocidad decreciente se representa por medio de la
línea BC en la figura 6. La velocidad de secado durante este periodo depende de los
mismos factores que actúan durante el periodo de velocidad constante, puesto que el
mecanismo de evaporación no varía y la zona de vaporización está en la superficie o
próxima a ella. El agua en los poros es la fase continua y el aire la fase dispersa. En el
primer periodo de velocidad decreciente, la curva de velocidad de secado es por lo
general lineal.
A medida que se va eliminando el agua del sólido, aumenta la fracción de volumen de
poros que es ocupada por el aire. Cuando la fracción alcanza un cieno límite, el agua
retirada es insuficiente para mantener una película continua a través de los poros y éstos
se llenan de aire que ahora se transforma en la fase continua. El agua que queda está
confinada en pequeñas masas aisladas en los rincones e intersticios de los poros.
Cuando aparece este estado, la velocidad de secado disminuye de nuevo bruscamente tal
como indica la línea CD de la figura 6. El contenido de humedad para el cual se produce
el cambio, representado por el punto C de la figura 6, recibe el nombre de segundo
punto crítico, y el periodo que en él se inicia se llama segundo periodo de velocidad
decreciente.
En este periodo final de secado, la velocidad de vaporización es prácticamente
independiente de la velocidad del aire. El vapor de agua se tiene que difundir a través
del sólido, y el calor de vaporización se transmite hasta las zonas de vaporización por
conducción a través del sólido. En el sólido se establecen gradientes de temperatura, y la
temperatura de la superficie del sólido se acerca a la temperatura de bulbo seco del aire.
Para poros finos, la curva de la velocidad de secado durante el segundo periodo de
velocidad decreciente sigue el modelo de difusión, y la curva de la velocidad de secado.
4. CALCULO DE LA VELOCIDAD DE SECADO
4.1. Los períodos de Secado
Cuando se seca experimentalmente un sólido, suelen obtenerse datos que relacionan el
contenido de humedad al tiempo. Estos datos se transportan después para la curva de
contenido de humedad (base seca), W, en función del tiempo Ө, como se ve en la figura
4.1-1a. Esta curva representa el caso general de un sólido húmedo que pierde humedad
primero por evaporación en alguna de sus superficies con humedad libre, a lo que sigue
un período de evaporación desde una superficie con agua libre de área gradualmente
decreciente, y en que, finalmente, se evapora el agua del interior del sólido.
Aunque la figura 4.4-1a indica que la velocidad del secado varía con el tiempo o el
contenido de la humedad, esta variación se ilustra mejor diferenciando la curva y
transportando gráficamente dW/dӨ en función de W, como se indica en la figura 4.1-1b
o dW/dӨ en función de Ө, como se ve en la figura 4.1-1c. Estas curvas de velocidad
muestran que el secado no es un proceso continuo y uniforme en el cual domine un solo
mecanismo durante todo el proceso. La curva de velocidad de la figura 4.1-1c tiene la
ventaja de mostrar el tiempo durante el cual predomina cada período del secado.
La sección BC de cada curva representa el período de velocidad constante. En la figura
4.1-1a es una recta dependiente de dW/dӨ, que se convierte en horizontal en las curvas
de velocidad de las figuras 4.1-1b y 4.1-1c.
La porción curva de CD de la figura 4.1-1a se llama el período de velocidad
decreciente, y, como indican las figuras 4.1-1b y 4.1-1c, se caracteriza por una
velocidad que varía en forma continua durante el resto del ciclo del secado. El punto C,
en donde termina la intensidad constante y empieza a disminuir la velocidad del secado,
se llama contenido crítico de humedad.
La porción designada por AB representa un período de calentamiento y puede o no ser
un factor importante.
Fig. 4.1-1ª Fig. 4.1-1b Fig. 4.4-1c
4.2. Velocidad de Secado
La velocidad de secado se calcula por la pérdida de humedad en la unidad de tiempo y
más exactamente por el cociente diferencial (-dX/dӨ). En la figura 4.2-1a, se representa
la curva humedad-tiempo de una muestra sometida a ensayo de secado: la humedad
disminuye continuamente desde el valor inicial (punto A) y finalmente se aproxima
como límite a la humedad de equilibrio que corresponde a las condiciones constantes
del aire. Por diferenciación tabular o gráfica se obtiene la curva de la figura 4.2-1b
(curva de velocidad de secado), en la que aparecen varios tramos diferentes: el tramo
AB (que puede no existir o presentar diversas formas) corresponde al llamado período
de inducción, en el que el mecanismo de secado no ha llegado a estabilizarse; sigue
después un período (tramo BC) que se caracteriza por la constancia de velocidad del
secado; al alcanzarse la llamada humedad crítica (punto C) la velocidad de secado
empieza a disminuir, alcanzando prácticamente el valor 0 cuando la humedad libre se
anula ( o sea cuando la humedad del material es igual a la del equilibrio con el aire de
secado).
Se distinguen dos períodos importantes de secado:
Período de velocidad constante o anticrítico
Período de velocidad decreciente o postcrítico
Afinando más, en muchos casos pueden diferenciarse dos períodos de velocidad
decreciente: durante el primero la velocidad varía linealmente con la humedad (tramo
CD); en el segundo se pierde aquella relación. Como es evidente, la presencia de los tres
períodos anteriormente mencionados depende del intervalo de humedad abarcado en el
ensayo.
Fig. 4.2-1.- Curvas de secado en condiciones constantes
Atendiendo el mecanismo de secado, para definir cuantitativamente la velocidad es
conveniente referir ésta a la unidad de área de superficie de secado. Por definición:
d
dX
A
SW (4.2-1)
W es la velocidad de secado; S, es el peso del sólido seco; A, el área de superficie
expuesta.
Estas dos últimas magnitudes permanecen durante el ensayo de secado, luego la forma
de la curva de secado (Fig. 4.2-1b) no se altera al sustituir (-dX/dӨ) por W.
4.3. Mecanismo de Secado
Durante el secado es necesario separar tanto la humedad que existe sobre la superficie
como la del interior del sólido. Cuando la humedad es suficientemente grande, la
evaporación trascurre sobre la superficie totalmente mojada, y el líquido se renueva
continuamente por difusión rápida desde el interior; tenemos así un período en que la
velocidad de secado es constante. Si el sólido no recibe calor por otros medios, la
temperatura de la superficie permanecerá constante en un valor sensiblemente igual al
de la temperatura húmeda del aire (Fig. 4.2-1b).
Cuando la humedad media del sólido es inferior a la humedad crítica Xc, la difusión
desde el interior no puede suministrar todo el líquido que se evaporaría en la superficie;
en consecuencia la velocidad de evaporación disminuye, y aparecen sobre la superficie
zonas secas, cada vez en mayor proporción. Transcurre entonces el primer período de
velocidad decreciente, que puede no existir según las condiciones de secado, concluye
cuando la superficie del sólido queda libre de líquido; a pesar de ello, la humedad media
puede tener todavía un valor apreciable.
Durante el segundo período postcrítico la velocidad de secado sigue descendiendo. En
muchos casos la evaporación se efectúa en un plano interior, que va alejándose de la
superficie del sólido a medida que progresa el secado. Al transporte del líquido desde el
interior hasta el plano de evaporación seguirá entonces la difusión del vapor desde este
plano hasta la superficie del material, y por último la difusión desde la superficie hasta
el seno del aire. En otros casos la evaporación sigue efectuándose en la superficie, y el
líquido llega hasta ella por los mecanismos de difusión normal, difusión capilar u otros
más complejos.
Algunos sólidos como el jabón se hinchan cuando hay mucha humedad y se encogen
durante el secado. El encogimiento ayuda a mantener la superficie húmeda y prolonga el
período de velocidad constante. Sin embargo, un secado rápido vuelve dura y quizá
impermeable la superficie del material encogido, reduciendo la masa del sólido de tal
forma que no se pueda separar fácilmente la humedad interior. Este efecto se llama caso
de endurecimiento.
Cuando se secan los sólidos granulares, éstos se esparcen en una capa horizontal, como
en el secador de platos perforados, donde el agua perdida por evaporación se reemplaza
por aire (o vapor), y la superficie de contacto agua-aire retrae hacia abajo a la superficie
sólida. Si el sólido tiene un intervalo de tamaños de poros, la acción capilar puede
mantener algunos poros pequeños llenos de líquido mientras que los poros grandes
llegan a secarse. La velocidad de secado entonces dependerá de la fracción de superficie
que es húmeda, y será por lo menos algo inferior que la velocidad de secado inicial. El
efecto dependerá de las resistencias relativas de la transferencia de masa y calor de la
capa límite por encima del sólido. Si la resistencia de la transferencia de masa en la capa
límite es relativamente grande, la velocidad de secado puede ser reducida sólo en una
pequeña cantidad, aun cuando la otra mitad de la superficie esté seca.
Esto se debe a que el vapor de agua se distribuye por difusión desde las áreas húmedas
hasta la región superior de los poros grandes, cuando el ancho o diámetro de las áreas
secas es pequeño comparado con el espesor de la capa límite gaseosa.
En un período de velocidad en verdad constante, la temperatura de superficie es la
misma que la temperatura de bulbo húmedo, en ausencia de transferencia de calor por
radiación o por conducción a través del sólido.
4.4. Duración del Secado en condiciones constantes
La duración del secado se puede deducir sencillamente una vez evaluada la velocidad
del secado. Separando variables en la ecuación 4.2-1, integramos entre las humedades
inicial y final:
(4.4-1)
Para calcular la integral del segundo miembro distinguiremos entre el período anticrítico
y postcrítico.
4.4.1 Período Anticrítico: Al ser W constante, la ecuación 4.4-1 se transforma en:
(4.4.1-1)
4.4.2 Período Postcrítico: En el caso general no se conoce una relación analítica
sencilla entre W y X; la integración de la ecuación 4.4-1 puede efectuarse
entonces por el método gráfico: en el diagrama X-1/W el valor numérico de la integral
es igual al del área limitada bajo la curva, el eje de las abscisas y las ordenadas extremas
X = X1 y X = X2. Sin embargo, en muchos casos es posible encontrar una relación
aproximada entre W y X. Cuando la velocidad de secado varía linealmente con la
humedad, como en el primer período postcrítico de la figura 4.2-1b, la integración de
4.4-1 nos conduce a esta otra ecuación:
1
2
/
X
X
WdXA
S
cAWXXS /)( 21
(4.4.2-1)
Siendo W1 la velocidad de secado para la humedad X1; W2, la velocidad de secado para
la humedad X2, y Wm, la media logarítmica de ambas.
Aunque no se conozca la forma en que varía la velocidad durante el período postcrítico
podemos obtener una expresión aproximada si suponemos que la variación es lineal
hasta la conclusión del secado; bajo esta suposición la velocidad para la humedad X
será:
W = Wc (X – X*)/(Xc – X*)
Donde Xc, X* y Wc son constantes. Sustituyendo en la ecuación 4.4-1 e integrando
obtenemos:
(4.4.2-2)
A la falta de datos, la ecuación anterior nos permite evaluar la duración del secado
postcrítico, aunque sólo sea de un modo aproximado, si conocemos la humedad crítica,
la humedad de equilibrio y la velocidad de secado en el período anticrítico.
El período postcrítico puede evaluarse mediante dos métodos:
1) Método Gráfico; Si no se conoce la relación analítica W = f(X), la integración de la
ecuación 1., ha de hacerse gráficamente representando X frente a 1/W. El valor de la
integral será el área limitada por la curva, el eje de abscisas y las ordenadas extremas Xc
y Xf.
Área bajo la curva =
Xf
Xc W
dx
Xf
Xc W
dx
A
S
mAWXXSW
W
WWA
XXS/)(ln
)(
)(21
2
1
21
21
*
*ln
*)(
2
1
2
1
XX
XXS
W
W
AW
XXS
c
c
2) Métodos Analíticos: Si la velocidad de secado varía linealmente con la humedad,
desde la humedad crítica hasta la final, la integración de la ecuación 4.4-1 conduce a la
expresión:
)32.3.4(
Si no se conoce la forma en que varía la velocidad de secado en este período se puede
obtener una expresión aproximada suponiendo que la variación es lineal desde la
humedad crítica hasta la de equilibrio. Admitiendo esta hipótesis se llega a la expresión
siguiente:
*
*ln
*
XXf
XXc
Wc
XXc
A
Sp
)42.3.4(
En las ecuaciones (4.3.2-3 y 4.3.2-4) se supone que la humedad inicial es mayor que la
crítica; en caso contrario, ha de sustituirse Xc por Xi.
Ejemplo: Un material de placas de 7.5mm de espesor y humedad 20% /base húmeda),
de densidad global para esta humedad de 800 Kg/m3, se seca por ambas caras en
condiciones de secado constante hasta que su humedad se reduce al 8% (base húmeda).
La velocidad de secado en las condiciones de la humedad inicial es de 4.5 Kg/m2 h para
la humedad final.
Calcúlese el tiempo de secado si la humedad inicial es inferior a la crítica y se supone
que la velocidad de secado varía linealmente con la humedad.
Solución: Las humedades inicial y final, expresadas sobre base seca son:
osolidodeKgaguadeKgXi sec/25.080
20
osolidodeKgaguadeKgXf sec/087.092
8
El tiempo de secado viene dado por:
1
2 2
1ln
x
x bmX
bmX
mA
S
bmX
dX
A
S
Teniendo en cuenta que:
21
21
XX
WWm
bmXW
bmXW
22
11
logln
*
W
XfXc
A
S
Wf
Wc
WfWc
XXc
A
Sp
Llegamos finalmente a:
log
21
2
1ln
21
21
W
XX
A
S
W
W
WW
XX
A
Sp
Para el cálculo de S/A, suponiendo que el área de secado permanece constante,
tenemos:
Volumen de la placa = A. 0.75X10-3
m3
Masa húmeda = V.= A.0.75X10-2
.800 Kg = 6 A kg
Masa seca (si no hay contracción de volumen).
S= 0.8 x6 A= 4.8 A
Por consiguiente.
S/A = 4.8 A /2A= 2.4
El valor de Wlog es:
5.2)2.1/5.4ln(
2.15.4log
W
El tiempo total de secado resulta:
h156.05.2
087.025.04.2
4.5. Velocidad del Secado Anticrítico
La velocidad constante de secado durante el período anticrítico se puede evaluar en
función de las condiciones de difusión y transmisión del calor en la capa límite del aire.
En efecto: hemos admitido que durante este período la superficie del sólido está
recubierta enteramente por una capa de líquido; luego la evaporación depende tan sólo
de la velocidad de difusión del vapor, o bien de la intensidad de paso del calor a través
de la capa límite del aire.
Atendiendo a la difusión del vapor, este proceso tiene lugar por existencia del gradiente
de humedad Yi – Y a través de aquella capa, siendo Y la humedad en el seno del aire e
Yi la humedad en la interfase. Entonces tenemos:
Wc = kY ( Yi – Y ) (4.5-1)
Siendo Wc la evaporación horaria por unidad de superficie, denominada velocidad de
secado y kY, el coeficiente de transferencia de masa.
El calor que llega a la interfase por unidad de área y unidad de tiempo será igual al
producto del cociente integral de transmisión U por la diferencia de temperatura a través
del a capa. Si este calor se emplea exclusivamente a evaporar la humedad podemos
escribir la ecuación de la siguiente manera:
(4.5-2)
Donde U, es el coeficiente total de transferencia de calor; i, es el calor latente de
vaporización a la temperatura de la interfase ti; y, t es la temperatura en el seno del aire.
La velocidad de secado puede evaluarse indistintamente por cualquiera de las dos
ecuaciones anteriores. En el primer caso hemos de conocer previamente la humedad de
la interfase y el coeficiente de transporte; en el segundo caso la temperatura de interfase
y el coeficiente superficial de transmisión de calor (diferente este último del coeficiente
de convección que aparece en la ecuación de temperatura húmeda, ya que ahora el calor
puede llegar a la interfase por cualquiera de los 3 mecanismos de transmisión de calor,
ya se conducción, convección y radiación).
En la práctica se aplica con preferencia la ecuación de transferencia de calor, por
conocerse con mayor seguridad el coeficiente correspondiente.
Coeficiente íntegral de transmisión de calor.- El valor de este coeficiente depende del
mecanismo de paso de calor al Cuerpo húmedo,
a). Si la transmisión del Calor se efectúa solamente por convección del aire a la
superficie húmeda:
hcU
Donde:
hc: es el coeficiente de convención en las condiciones de trabajo, que para le mezcla
aire-agua puede calcularse a partir de las expresiones siguientes:
Para el flujo de aire paralelo a la superficie y valores de G comprendidos entre 2 500 Y
30000 Kg/h. m2:
)35.4(./0175.0 28.0 CmhKcalGhc
Para flujo de aire paralelo a una superficie lisa de longitud L, el valor medio de hc viene dado
por:
)45.4(100000RePrRe664.0 3/12/1
L
k
hcLNUm
Y
)55.4(500000RePrRe057.0 78.078.0 k
hcLNUm
)( i
i
c ttU
W
Con superficies rugosas, deberá tomarse para hc un valor superior en un 5 % al calculado por
estas ecuaciones:
Para flujo de aire perpendicular a la superficie, con valores de G comprendidos entre 4000 Y
20000 Kg/m2·h puede emplearse la ecuación:
)65.4(/ 237.0 ChmKcalGhc
b) Si la transmisión del Calor se efectúa por convección y radiación, el coeficiente
integral viene dado por.
)75.4( hRhcU
En el caso particular de secaderos de bandejas, a la superficie de las bandejas llega calor
por convección desde el aire, por radiación de la bandeja superior, y por conducción a
través del material. Admitiendo que los coeficientes hc Y hR, son los mismos para las
superficies de las bandejas y el material, se llega a la expresión.
)85.4(
)(1
11)(
hRhcK
LhRhcU
Donde:
L= Espesor del material húmedo
k= conductividad calorífica
Los otros factores necesarios para el cálculo de la velocidad de secado son la
temperatura y la humedad de interfase, que dependen a su vez de las condiciones de
transmisión de calor a la superficie mojada. Cuando el calor llega exclusivamente por
convección desde el aire de secado las condiciones de interfase son las mismas de la
temperatura húmeda del aire, y se deducen del diagrama psicométrica. Cuando la
interfase recibe calor por otro mecanismo, su temperatura será superior a la temperatura
húmeda. El caso extremo es aquel en el que el calor llega principalmente por
conducción a través del mismo material desde un foco de temperatura elevada; entonces
el agua se separa principalmente por ebullición, y no podemos aplicar las leyes de
secado mencionadas.
Admitiendo que el coeficiente U corresponde realmente al paso de calor a través de la
capa límite, lo cual no es cierto en todos los casos, se deduce una ecuación que permite
hallar la temperatura de la interfase, tenemos:
(4.5-9)
Para la mezcla aire-vapor de agua, por ser hc/kY = c (calor específico del aire húmedo),
entonces se transforma la ecuación anterior en:
)( i
iY
i ttk
UYY
(4.5-10)
Yi es la humedad de saturación a ti, luego mediante la ecuación última y la relación de
equilibrio de saturación calcularemos los valores de las dos variables.
Para evitar el cálculo por tanteo, que en líneas generales es igual al cálculo de la
temperatura húmeda o la de saturación adiabática, podemos seguir un método gráfico
sobre el diagrama psicométrico.
Efecto de diferentes variables sobre la Velocidad de Secado en este período
a) Velocidad del aire: Si la radiación y la conducción a través del sólido son
despreciables, Wc es proporcional a G0.8
, para flujo paralelo a la superficie, y a G0.37
cuando el flujo es perpendicular, de acuerdo con las ecuaciones 7 y 10. Si la radiación y
la conducción son significativas, el efecto de la velocidad del gas suele ser poco
importante.
La velocidad de secado en función de la temperatura del aire y la temperatura de la
superficie del cuerpo húmedo (que puede tornarse igual a la temperatura húmeda .del
aire) puede calcularse empleando el diagrama de Shepherd, representado en la figura 1.
La variación de la velocidad de secado con la velocidad del aire se calcula
multiplicando la velocidad de secado por el factor de velocidad leído sobre el mismo
diagrama, que es función de la velocidad del aire.
b) Temperatura del aire: AI aumentar la temperatura del aire aumenta la magnitud (t-
ti), y, por tanto, aumenta Wc. En ausencia de efectos de radiación y despreciando la
variación del calor latente de vaporización para intervalos moderados de temperatura,
Wc es proporcional a (t-t¡) de acuerdo con la ecuación 6
c) Humedad del aire: Varía directamente con (Y¡-- Y) y, por tanto, al aumentar la
humedad Y disminuye la velocidad de secado. Generalmente, las variaciones de Y y t
implican variaciones simultáneas de ti e Y¡, Y los efectos se estiman por aplicación
directa de la ecuación.
)115.4()())((
)(
s
tstRhRtitUkhcYYskyWc
)( i
ic
i tth
UYY
Fig. 4.4-1.
d) Espesor del sólido: Al aumentar el espesor del sólido disminuye el área de contacto
por unidad de volumen y, por consiguiente, disminuye la velocidad de secado.
Ejemplo: Sobre una placa de 1m de longitud circula aire paralelamente a la superficie
de la placa en la dirección de la longitud de 1 m, a 80 C con humedad absoluta de 0.020
Kg de agua por Kg de aire seco a la presión de 760mm de Hg. Calcúlese el coeficiente
de transmisión del calor, desde el aire a la superficie de la placa, cuando:
La velocidad del aire es de 1.5 m /s.
La velocidad del aire es de 10 m /s.
Solución: Para le temperatura media de la capa limite podemos tomar la media
aritmética entre la temperatura del aire y la interfase (temperatura húmeda del aire), que
leída sobre el diagrama psicométrico resulta: ti= temperatura limite de enfriamiento =
36 oC, luego:
Ctmedia 582
3680
A esta temperatura, las propiedades del aire tomadas en tablas son:
= 1.087 Kg/m3
µ=1.982X10-5
Kg /m s.
k= 0.0245 Kcal/m h C
Pr= 0.693
8150010982.1
087.115.1Re
5
x
xx
Tenemos:
hCmKcalxxx
h 23/12/1
/56.40272.01
693.081500664.0
b) 54400010982.1
087.1110Re
5
x
xx
hCmKcalxxx
h 278.078.0
/1.220272.01
693.0544000057.0
4.6. Velocidad del Secado Postcrítico
Durante el primer período postcrítico la velocidad de secado está regida por la
evaporación del agua sobre una parte de la superficie útil total; esta fracción disminuye
a medida que transcurre el secado, con arreglo a una norma que ya está determinada por
la difusión del líquido hacia la superficie. De todos modos ya hemos visto cómo
podemos admitir que la velocidad de secado varía linealmente con la humedad durante
este período.
Durante el segundo período postcrítico la superficie está totalmente seca, de modo que
la velocidad de secado sólo puede evaluarse atendiendo al proceso de transporte de la
humedad desde el interior del sólido hasta la superficie. Este transporte puede realizarse
por diversos mecanismos: difusión, flujo capilar, flujo debido a contracciones, etc.; la
variedad de mecanismos complica el posible desarrollo de ecuaciones cinéticas para el
secado postcrítico, sin embargo, se han dado algunas que se aplican con más o menos
aproximación en diversos casos.
Difusión del líquido: Este mecanismo es el responsable del transporte de la humedad a
través de los sólidos de estructura continua, tales como jabones, colas, gelatinas,
arcillas, maderas, etc.
Las ecuaciones de difusión de líquidos a través de sólidos homogéneos son análogas a
las de transmisión de calor con flujo variable. Para una capa de espesor z relativamente
pequeña frente a las dimensiones del área de secado, Sherwood, dedujo la ecuación:
(4.6.-1)
que nos da la humedad X del material al cabo de de secado, en función de la humedad
inicial X0, siendo X* la humedad de equilibrio con el aire, D, la difusividad del líquido
a través del sólido ( valor medio para el intervalo de concentraciones comprendido), y z
el espesor de la capa de difusión; este último se determina por cociente del volumen del
sólido por el área de la superficie de secado ( para una plancha desecada por ambas
caras, z será igual al semiespesor).
El factor entre corchetes del segundo miembro de la ecuación, es una serie indefinida
cuyo término general converge rápidamente hacia 0. Con suficiente aproximación
podemos despreciar los restantes términos frente al primero; el error es tanto menor
...9
18
*
* 22 )2/(9)2/(
2
0
zDzD eeXX
XX
cuanto mayor sea. Para hallar la velocidad de secado W, derivamos respecto al tiempo y
multiplicamos por S/A (que es igual a z):
(4.6-2)
El tiempo de secado entre las humedades X1 y X2 se evaluara por integración de la
ecuación 4.3-2, una vez sustituido en ella W por el valor dado anteriormente:
(4.6-3)
Para aplicar directamente esta ecuación necesitamos conocer la difusividad D, que es
dato poco corriente.
Difusión Capilar: En los sólidos granulares y porosos el líquido de desplaza a través de
los intersticios en virtud de las fuerzas capilares, relacionadas con la tensión superficial.
El flujo a través de los capilares puede evaluarse cuando se conocen la forma y
dimensiones de los mismos: esto sólo es posible cuando se trata de cuerpos formados
por empaquetamiento de piezas de formas regulares. En otros casos habrá que recurrir a
cálculos aproximados.
Para los sólidos de estructura capilar uniforme cuando los capilares no son muy
pequeños y la estructura no varía durante el secado, las zonas de evaporación se reducen
uniformemente en el material durante el período postcrítico, y estas zonas permanecen
con una humedad igual a la crítica y temperatura igual a 1a temperatura húmeda. En
cualquier instante, el espesor de la capa seca e está relacionado con la humedad x por la
expresión:
)46.4(*)/()( XXcXXcLse
Cuando el secado se verifica solamente por una cara, Ls representa el espesor total de la
placa o bandeja húmeda, y cuando el secado tiene lugar por dos caras opuestas, Ls,
representa la mitad del espesor de la placa húmeda.
El coeficiente integral de transmisión del calor entre el aire que fluye a lo largo de la
superficie del sólido y la zona de evaporación viene dada por:
kxhcU //1/1
y la velocidad de secado será:
)( TwTUW
*)(4
2
XXz
DW
*
*ln
4
2
1
2
2
XX
XX
D
z
Combinando estas dos ecuaciones resulta:
)56.4(
)1(*)(
)*)((
XXchcLsXXck
TwTXXchckW
y de acuerdo con esta expresión el tiempo de secado será:
)66.4()1(
)(1
)(
)(
XXc
XfXcZs
hcTwTA
XfXcS
Difusión del vapor: En algunos casos la humedad se evapora en un plano
interior, difundiéndose después el vapor a través de los intersticios.
Particularmente ocurre cuando el material se calienta por un método indirecto,
de modo que la superficie que recibe el calor está alejada de aquella en la tiene
lugar la evaporación.
Contracción superficial: Muchos de los materiales sometidos a secado sufren al
secarse una contracción superficial que tiende a cerrar sus poros; esta
contracción, que en algunos casos impide la salida del líquido, puede originar en
otros la expulsión del líquido hacia la superficie de secado. Evidentemente, las
leyes de transporte de la humedad por este mecanismo son desconocidas.
4.7 Aplicación de la Psicrometría al Secado
El secado en sólido con aire o con gases calientes se divide en dos procesos distintos:
Transmisión de calor para evaporar el agua.
Eliminación del vapor de agua por la corriente de aire o de gases.
Análogamente el proyecto y el funcionamiento de los secadores directos comprendes
dos procesos:
1) El cálculo de la intensidad del secado o recíprocamente, el tiempo necesario para
el secado y el efecto de las variables externas sobre la intensidad del secado.
2) Cálculo de las cantidades de calor y de aire necesarias.
Los primeros cálculos se han estudiado ya. Ahora se va a examinar cuáles son los
conocimientos necesarios para los cálculos indicados en segundo lugar, y para ello nos
basaremos en la utilización del gráfico de humedad.
La forma del gráfico de humedad apropiada para casi todos los cálculos relacionados
con el secado se relacionan con la temperatura atmosférica, la humedad absoluta, en Kg
de vapor / Kg de aire seco.
Suele basarse en una presión de 1atm. La figura 4.7-1 muestra un gráfico de humedad
para mezclas de aire y vapor de agua. Las diferentes cuevas se definen como sigue:
1. La curva de Humedad Saturada: Da el peso máximo de vapor de agua que
puede contener 1Kg de aire seco cuando la presión parcial de vapor de agua del
aire es igual a la presión de vapor del agua a esa temperatura. Se define por la
ecuación:
(4.7-1)
Donde: Hs = humedad saturada, Kg / Kg aire seco
ps = presión de vapor del agua a la temperatura ts
P = presión absoluta
(18/28.9) = relación del peso molecular del agua al del aire
Análogamente, la humedad en cualquier estado por debajo de la saturación la da la
ecuación:
(4.7-2)
2. El punto de Rocío: Es la temperatura a la cual el aire queda saturado con vapor
de agua. La curva de humedad saturada se llama a veces curva de punto de
rocío.
3. Las curvas de porcentaje de Humedad Relativa: Que se trazan el función de la
temperatura, se define por:
(4.7-3)
Donde: HR = porcentaje de humedad relativa
p = presión parcial del vapor de agua en el aire a la temperatura t
pS = presión del vapor de agua a la misma temperatura
El porcentaje de humedad absoluta se define por:
(4.7-4)
Esta ecuación se diferencia de la correspondiente a la humedad relativa por el factor
entre paréntesis. En un gráfico de la humedad puede describirse las curvas de porcentaje
de humedad absoluta por el hecho que no cruza la temperatura correspondiente al punto
de ebullición.
9.28
18
s
ss
pP
pH
9.28
18
pP
pH
S
Rp
pH
100
100
pP
pP
p
pH S
S
A
4. La línea para el Calor Húmedo: se obtiene mediante la ecuación siguiente:
(4.7-5)
Donde: Cs = calor húmedo, Kcal / Kg de aire seco oC
0.24 = calor específico del aire seco, Kcal / Kg oC
0.446 = calor específico del vapor de agua, Kcal / Kg oC
H = humedad absoluta, Kg / Kg de aire seco
5. La línea (recta) del Volumen Específico del aire seco: la da la ecuación
siguiente:
(4.7-6)
Y para el aire saturado la ecuación:
(4.7-7)
Donde: Vd y VS = Volúmenes específicos del aire seco saturado, m3/Kg aire seco
t = temperatura del aire, oC
HS = humedad de saturación, Kg / Kg de aire seco
6. El Calor Latente en función de la temperatura: se obtiene de las tablas de
vapor.
7. La serie de rectas de pendiente negativa: que arrancan en la curva de
saturación representan a la vez líneas de saturación adiabática y temperatura
de ampolla húmeda para la mezcla de aire- vapor de agua solamente. Se basan
en la relación:
(4.7-8)
Donde: Hs y t S = humedad de saturación adiabática y temperatura, respectivamente,
correspondiente al estado del aire representado por: H y t.
CS = calor húmedo para la humedad H
La pendiente de las gráficas de saturación adiabática es CS/, siendo = calor latente de
evaporación a la temperatura tS. Esas líneas rectas muestran la relación entre la
temperatura y la humedad del aire, que pasa por un secador continuo que trabaja
adiabáticamente.
La temperatura de ampolla húmeda se establece por equilibrio dinámico entre la
transmisión de calor y la transferencia de masa cuando se evapora el líquido desde una
masa pequeña, como la ampolla húmeda de un termómetro, dentro de una masa muy
grande gas, de modo que ni la temperatura ni la humedad de esta última varíen. Está
expresada por la relación:
(4.7-9)
HcS 446.024.0
tVd 0028.07721.0
SS HtV 622.0)(273(00455.0
)()( SS
S ttc
HH
)´()( aWWC HHkgtth
Donde: hc = coeficiente de transmisión de calor por convección, Kcal / hm2C
t = temperatura del aire, oC
tW = temperatura de ampolla húmeda del aire, oC
kg´= coeficiente de transferencia de masa, Kg/h m2 (Kg/Kg)
= calor latente de evaporación a la temperatura tw, Kcal/Kg
Hw = humedad del aire ambiente, Kg/Kg aire seco.
Para las mezclas de vapor de agua y aire, hC /kg´= CS aproximadamente, aunque no
existe ninguna razón teórica para que así sea, por consiguiente, puesto que la relación:
Es igual a hC /kg´, que representa la pendiente de las líneas de
la temperatura de la ampolla húmeda es también igual a CS / , la pendiente de las líneas
de saturación adiabática según hemos visto antes.
Un gráfico dado de humedad solo es preciso a la presión apara la cual se construyó.
La mayoría de las gráficas aire- vapor de agua se basa en la presión de una atmósfera,
las humedades deducidas de estas gráficas para valores dados de las temperaturas de
ampolla húmeda y ampolla seca solo son aplicables a la presión atmosférica de 760 mm
de Hg. Si la presión total es diferente de 760 mm de Hg, la humedad para temperaturas
dadas de ampolla húmeda y ampolla seca tiene que corregirse por medio la fórmula
siguiente:
(4.7-11)
Donde: Ha = humedad del aire a la presión P, Kg/Kg aire seco.
H0 = humedad del aire leída en la gráfica de humedad basada en la presión de
760 mm de Hg, a las temperaturas de ampolla húmeda y seca observadas, Kg/Kg aire
seco.
Pw = presión de vapor del agua a la temperatura de ampolla húmeda
observada, mm de Hg.
P = presión a la cual se tomaron las lecturas de ampolla húmeda y seca,
pueden deducirse correcciones análogas para el volumen específico, la curva de
humedad de saturación y humedad relativa.
)/()( awaw ttHH
ww
wappP
pHH760
11622.00
Fig. 4.7.1. Diagrama Psicrométrico
5. EQUIPOS DE SECADO
Los equipos industriales de secado se pueden diferenciar teniendo en cuenta aspectos de
funcionamiento o características del material como,
Temperatura y presión en el secadero.
Método de calefacción.
Medio por el que es transportado el material a través del secadero.
Dispositivos para mejorar el secado.
Método de conseguir la circulación del aire.
Forma de sostener el material húmedo.
Medio calefactor.
Naturaleza del sólido húmedo y forma de introducirlo en el secadero. Dos aspectos
importantes a consideras son el tipo de funcionamiento, continuo o discontinuo; así
como la forma de calefacción, es decir si se realiza por contacto con una superficie
sólida caliente, sistema indirecto; o directamente por convección o radiación, sistema
directo.
El secado en continuo es más fácil de integrar con el resto del proceso y el coste unitario
de secado es menor. Si la producción disminuye, por debajo de 50.00 kg/día, el secado
en discontinuo es más rentable. Por otra parte, el secadero discontinuo es más versátil y
puede utilizarse para distintos tipos de materiales.
Por lo que se refiere al sistema de calefacción, en el sistema directo el material es
calentado por convección desde el aire que lo rodea. Presentan ventajas como el precio
del equipo, por la ausencia de tubos o camisas calefactoras; es más fácil controlar la
temperatura de calefacción y evitar un exceso de temperatura del sólido. Como
desventajas se destacan las pérdidas térmicas en el aire caliente que abandona el
secadero; esto se puede evitar mediante modificaciones en el diseño, que siempre
encarecen el equipo.
Si se trabaja en secaderos discontinuos y con elevados tiempos de secado puede ser
interesante establecer un cierto grado de vacío para disminuir la temperatura de secado
y evitar posibles efectos negativos sobre el producto. A continuación se describen
algunos de los modelos de secadero industriales más importantes.
5.1. Secaderos de Bandejas
Es un secadero que se emplean para secar material granular, su funcionamiento es
discontinuo y permiten calefacción directa (aire que circula sobre el material) y
calefacción indirecta (bandejas calentadas). La figura muestra un esquema de un
secadero de bandeja; el material se coloca sobre bandejas, éstas pueden estar perforadas
de tal manera que el aire pueda pasar verticalmente sobre ellas.
Las dimensiones normales de las bandejas son 75 cm de largo por 10 a 15 cm de
profundidad. El aire circula entre 2 y 5 m/s. El secador se prolonga de 4 a 48 horas y se
emplean para secar productos valiosos.
Fig. 5.1.1. Secadero de bandeja con recirculación de aire
La figura 5.1. Representa es un secadero de bandeja con recirculación de aire. Se hace
circular aire de humedad H1 sobre un serpentín de calefacción con lo que la temperatura
se eleva hasta è1, línea AB de la fig., a continuación el aire pasa sobre el material
húmedo, saliendo saturado (90 % de humedad relativa, por ejemplo) y con una
temperatura T2 (BC) y humedad H2.
El aire pasa por un nuevo serpentín y se calienta hasta è1, (CD). El aire recalentado pasa
por el material húmedo de una segunda bandeja y capta agua hasta la saturación (DE);
el aire sale a una humedad H3 volviendo a ser calentado hasta è1 nuevamente; el
proceso se puede seguir sucesivamente.
Cada kg de aire seco elimina, en las tres etapas que muestra la Fig., 5.1.2. (H4-H1) kg
de agua; pudiendo hallar fácilmente la cantidad de aire necesaria para eliminar una
cierta cantidad de agua del sólido. Como se observa en la Fig., 5.1.3. Si el aire
inicialmente se hubiera calentado hasta la temperatura T5 se hubiera podido eliminar la
misma cantidad de agua en una sola tapa.
Fig. 5.1. 2. Secaderos de bandeja mostrando la recirculación y calefacción de aire
Fig. 5.1. 3. Evolución del aire en un secadero con recalentamiento.
5.2. Secaderos de Túnel
Consiste en una serie de bandejas o carretillas que se desplazan lentamente a través de
un largo túnel, el secado se produce por una corriente de aire caliente. El
funcionamiento es continuo y con calefacción directa, se muestra en la figura siguiente:
Es utilizado en el secado de grandes cantidades de producto que en el tipo de secadero
anterior implicaría excesiva mano de obra, como por ejemplo en el secado de jabones,
gelatinas, objetos de alfarería. Las bandejas o carretillas se pueden sustituir por cintas
transportadoras que circulan por el túnel, suele ser adecuado si se trabaja a vacío. El
secadero de túnel se suele construir de obra o de chapa metálica y de muy diversos
tamaños; si se emplea para el secado de arcillas pueden llegar a tener una longitud de 30
m
Fig. 5.2. Túneles de secado
5.3.Secaderos de Tornillo sin Fin
Es un secadero continuo de calefacción indirecta. Consiste en un transportador
horizontal de tornillo sinfín, montado dentro de una carcasa cilíndrica encamisada, que
permite una calefacción indirecta.
El vapor generado en el secadero, se extrae por la parte superior de la carcasa, lo que
permite la recuperación de disolventes valiosos. La velocidad de rotación del tornillo es
lenta 2 a 30 r.p.m.
5.4. Secadores Rotativos
Un secador rotativo consiste de un cilindro hueco que gira sobre su eje, por lo general
con una ligera inclinación hacia la salida. Los sólidos granulares húmedos se alimentan
por la parte superior y se mueven por el cilindro a medida que éste gira. El
calentamiento se lleva a cabo por contacto directo con gases calientes con flujo a
contracorriente. En algunos casos, el calentamiento es por contacto indirecto a través de
la pared calentada del cilindro.
Fig. 5.4. Diagrama esquemático de un secador rotatorio con calentamiento directo
Las partículas granulares se mueven hacia adelante con lentitud y a contracorriente con
los gases calientes. Existen muchas otras variaciones del secador rotativo
5.5. Secadores de Tambor
Un secador de tambor consiste de un tambor de metal calentado, en cuyo exterior se
evapora la capa delgada de un líquido o una suspensión hasta lograr secarla. El sólido
seco final se raspa del tambor que gira lentamente.
Fig. 5.5. Secador de tambor rotatorio
Los secadores de tambor son adecuados para el procesamiento de suspensiones o pastas
de sólidos finos, así como para soluciones verdaderas. El tambor funciona en parte
como evaporador y en parte como secador. Otras variaciones del secador de tambor son
los tambores dobles rotatorios con alimentación por inmersión, o bien con alimentación
superior sobre el espacio entre los dos tambores. El puré de patatas se seca en secadores
de tambor para obtener el material en forma de escamas.
5.6.Secaderos Neumáticos o de Pulverización.
En el secado de suspensiones o disoluciones es muy importante la superficie de contacto
entre el material y el aire o gas que se utilice para el secado. La evaporación de
disoluciones y obtención de soluto seco por medio de aire caliente, se consigue de una
forma más rápida cuanto más fino sea el estado de división de la disolución en la
entrada del sistema Los secaderos neumáticos constan de una cámara vertical cilíndrica,
en cuya parte superior se rocía, mediante atomizadores, la disolución o suspensión. Las
gotas se ponen en contacto con una corriente de aire caliente procedente de un horno. El
producto seco se acumula en el fondo; las partículas más finas pueden ser arrastradas
por la corriente de aire, siendo posteriormente recuperadas con el empleo de un ciclón.
Fig. 5.6. Secadero por pulverización. Utiliza boquillas atomizadoras a presión
5.7. Secadoras en tandas con recirculación
Estas secadoras, ya sea de columnas o de caballetes, poseen una cámara de secado
convencional, pero el grano es reciclado varias voces en la secadora, con el auxilio de
un elevador de cangilones o de una rosca vertical, de manera que existen períodos de
descanso, que favorecen un templado parcial del grano. Una vez que el grano está seco,
se lo enfría apagando el quemador, y se lo descarga, quedando luego la máquina libre
para un nuevo ciclo.
Estas máquinas pueden presentarse en modelo fijo o en modelo transportable, y en
versiones más chicas pueden ser accionadas por la toma de fuerza de un tractor.
A.2 y B. 1: ventilador; A.3: cámara de aire caliente; A.3.1: conducto de aire caliente;
A.3.2: entrada de aire; A.4.3: cámara de secado; B.2.2: compuerta reguladora de aire;
B.4.1: salida de aire usado; C.1: entrada de granos; C.1.1: encausador de grano; C.2:
depósito de granos en reposo; C.3. 1: accionamiento del regulador; C.5: distribuidor;
C.6: salida del grano; C.8: descarga del grano seco; C.9: conducto alimentador del
elevador; C. 10: carga de granos húmedos; C. 11: elevador de carga, recirculación y
descarga de granos.
5.8. Secadero de Pinzas
Se pinzan las pieles sobre placas perforadas. Si se desean pieles blandas deben secarse
previamente al aire, acondicionar a una humedad del orden del 20-22% y ablandarse. Si
tienen demasiada humedad al pinzar quedarán acartonadas. Una vez pinzadas se ponen
en una cámara de secado con calefacción y recirculación de aire.
Bibliografía
Mc Cabe W, Smith J, Operaciones Unitarias en Ingeniería Química, sexta
edición, Mc Graw-Hill, México, 2002, pp. 845-846.
Vian A, Ocón J, Elementos de Ingeniería Química, quinta edición, Aguilar s.a.,
Madrid, 1979, pp. 484-493.
Perry, Manual del Ingeniero Químico, pp. 1242.
Mc Cabe / Smith, “Operaciones Unitarias en Ingeniería Química”, 6ta Ed,
Editorial Mc Graw Hill, México DF, México, 2002, pp: 836-85.
A Vian/ Ocón, “Elementos de Ingeniería Química”, Editorial Aguilar, S.A.,
1991, pp: 480-491.
http://www.monografias.com/trabajos12/Aspectos Teóricos del Secado.htm.
http://www.fcq.unc.edu.ar/site/alumnos/Farmacotecnia2/Transparencias%20
%20PROCESOS.pdf.
http://www.montes.upm.es/Dptos/DptoIngForestal/OperacionesBasicas/Doce
ncia/PDF/OpBas%20pdf/Tema%209.pdf.
