UNIVERSIDAD DE GUADALAJARACentro Universitario De Ciencias Exactas E Ingenierías

Departamento de Ingeniería Química.

PRÁCTICA #4: SECADO.PRÁCTICAS DE OPERACIONES UNITARIAS II

Prof.: Gutiérrez Rocha Víctor

Integrantes de Equipo # 1:Alejo Sánchez Zaira Berenice

Ávila Silva OliviaEsquivel Tabares Carlos Eloy

Figueroa Reyes Inocencia BetzabeGonzález Rodríguez Gilberto Rajiv

Páez Zepeda ImeldaSánchez Agredano Rufino

Ramírez Casillas Jorge ArmandoVargas Gama Miquelle Eli

Guadalajara, JAL C.Verano.-2014

INDICEPRÁCTICA # 4: SECADO (Charolas)....................................................................................................3

OBJETIVOS:....................................................................................................................................3

MARCO TEORICO...........................................................................................................................3

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL:................................................................................................9

DESCRIPCION Y ESQUEMA DE EQUIPO:........................................................................................9

TABLA DE CONCENTRACION DE DATOS Y RESULTADOS:............................................................10

GRAFICOS:....................................................................................................................................12

CÁLCULOS:...................................................................................................................................14

ANALISIS DE RESULTADOS Y CONCLUSIONES:............................................................................15

PRÁCTICA # 4: SECADO (Charolas). OBJETIVOS:● Obtener la curva de velocidad de secado.● Balances de masa y energía.● Cálculo de Eficiencia de secado.● Cálculo del Calor necesario para el secado.● Determinar el tiempo de secado constante y tiempo de secado variable, teórico y

práctico.

MARCO TEORICO

El término secado se refiere a la eliminación de agua del material de procesos y otras sustancias y se usa también en referencia a la eliminación de otros líquidos orgánicos, como benceno o disolventes orgánicos, de los materiales sólidos. En general, el secado significa la remoción de cantidades de agua relativamente pequeñas de cierto material.La evaporación se refiere a la eliminación de cantidades de agua bastante grandes; además, ahí el agua se elimina en forma de vapor a su punto de ebullición. En el secado, el agua casi siempre se elimina en forma de vapor con aire. En algunos casos, el agua se puede eliminar de los materiales sólidos por medios mecánicos, utilizando prensas, centrífugas y otros métodos. Algunos materiales biológicos y productos farmacéuticos que no pueden calentarse para secarse de la manera ordinaria, pueden secarse en frío.

Secado:● Gas (Enfriamiento Deshumidificación)

✓ Absorción (Líquido - Gas)✓ Adsorción (Sólido - Gas)

● Líquidos Enfriamiento✓ Absorción✓ Adsorción✓ Calentamiento

❖ Evaporación❖ Destilación

✓ Extracción

● Sólidos✓ Calentamiento

❖ Directo❖ Indirecto

✓ Enfriamiento

❖ Directo❖ Indirecto

● Otros✓ Radiación solar✓ Sustancias higroscópicas (sólidas, líquidas o gaseosas)✓ Campos electrostáticos✓ Campos sónicos✓ Campos radioactivos✓ Por bombardeo atómico

Secado de sólidos:

Es aquella operación unitaria que hace posible la separación de la humedad que como volátiles se encuentra retenida o absorbida en una especie sólida esta humedad puede ser o no solvente para el sólido; en el primer caso se comporta con las mismas propiedades de la fase líquida mientras que en el segundo caso la humedad adquirirá las propiedades de solución saturada

Humedad de equilibrio:

Cuando un sólido tiene un contenido de humedad definido a este valor se conoce como contenido de humedad de equilibrio del material en las condiciones especificadas de humedad y temperatura del aire. En general, el contenido de humedad se expresa en base seca como kilogramo de agua por kilogramo de sólido sin humedad (completamente seco). Para algunos sólidos, el valor del contenido de humedad de equilibrio depende de la dirección en la que se alcance el equilibrio. Los valores de contenido de humedad de equilibrio varían de acuerdo con que una muestra húmeda se seque por desorción o bien una muestra seca adsorba humedad por adsorción. En los cálculos de secado, se usa el valor de equilibrio por desorción, puesto que tiene el mayor valor y tiene un interés particular.

Agua combinada y no combinada en solidos

El agua combinada en el sólido desarrolla una presión inferior a la del agua líquida a la misma temperatura. Si dicho material contiene más agua que la que indica la humedad de 100%, sólo podrá desarrollar una presión de vapor tan alta como la del agua común a la misma temperatura. Este exceso de humedad se llama agua no combinada, y dicha agua existe principalmente en los espacios vacíos en el sólido. Las sustancias que contienen agua combinada se llaman materiales higroscópicos.

El agua combinada de una sustancia puede existir bajo diversas y diferentes condiciones. La humedad en un poro o en las paredes de fibras puede tener sólidos disueltos y desarrollar, por tanto, presión de vapor más baja. El agua líquida en los capilares de diámetro muy pequeño puede desarrollar una presión de vapor más baja debido a la curvatura cóncava de la superficie. El agua en los materiales orgánicos naturales generalmente está en combinación química y fisicoquímica.

Humedad libre:El contenido de humedad libre de una muestra es la humedad por encima del contenido

de humedad de equilibrio. Esta humedad libre se puede eliminar por secado con las condiciones dadas de porcentajes de humedad relativa.

El contenido de humedad se expresa como porcentaje de humedad en baseseca, es exactamente igual al valor de kg H2O / kg de material seco multiplicado por 100.

Velocidad de secado:Es la relación de la masa de los volátiles evaporados por unidad de tiempo por

unidad de superficie.

Curvas de velocidad de secadoPara determinar experimentalmente la velocidad de secado de un material, se procede a

colocar una muestra en una bandeja. Si se trata de material sólido se debe llenar por completo la base de la bandeja, de manera que sólo quede expuesta a la corriente de aire de secado la superficie de dicho sólido. La pérdida en peso de humedad durante el secado puede determinarse a diferentes intervalos sin interrumpir la operación, colocando la bandeja de una balanza adaptada a un gabinete o a un ducto a través del cual fluye el aire de secado.

Al realizar experimentos de secado por lotes, deben tomarse ciertas precauciones para obtener datos útiles en condiciones que se asemejen lo más posible a las que imperarán en operaciones a gran escala. La muestra no debe ser demasiado pequeña y se debe introducir en una bandeja similar a la que se usará en producción. La relación entre superficie de secado y superficie de no secado (superficie aislada) así como la profundidad del lecho del sólido debe ser similar. La velocidad, la humedad, la temperatura y la dirección del aire deben ser las mismas y constantes para simular un secado en condiciones constantes.

Curvas de secado para condiciones de secado constantePara la conversión de los datos a Curva de velocidad de secado, los datos que se obtienen

de un experimento de secado por lotes, generalmente se expresan como peso total W del sólido

húmedo (sólido seco más humedad) a diferentes tiempos de t horas en el periodo de secado. Estos valores se pueden convertir a datos de velocidad de secado por los siguientes procedimientos. Primero se recalculan los datos. Si W es el peso del sólido húmedo en kilogramos totales de agua más sólido seco y Ws es el peso del sólido seco en kilogramos

Después de haber establecido las condiciones de secado constante, se determina el contenido de humedad de equilibrio X* kg de humedad de equilibrio/kg de sólido seco. Con él se procede a calcular el valor del contenido de humedad libre X en kg de agua libre/kg de sólido seco para cada valor de Xt:

Al sustituir los datos calculados en la ecuación anterior, se traza una gráfica del contenido de humedad libre X en función del tiempo en h. Para obtener una curva de velocidad de secado a partir de esta gráfica, se miden las pendientes de las tangentes a la curva en la figura, lo cual proporciona valores de dX/dt para ciertos valores de t. Se calcula entonces la velocidad R para cada punto con la expresión:

Donde R es la velocidad de secado en kg H20/h . m-, Ls es kg de sólido seco usado y A es el área superficial expuesta al secado en m2 .En unidades del sistema inglés, R es lbm H20/h . pie2, Ls es lbm de sólido seco y A se da en pie2.

Secado durante el periodo de velocidad constanteEl secado de diversos sólidos bajo diferentes condiciones constantes de secado casi

siempre produce curvas de forma variable en el periodo de velocidad decreciente, pero en general siempre están presentes las dos zonas principales de la curva de velocidad de secado: el periodo de velocidad constante y el periodo de velocidad decreciente.

Durante el primer periodo, la superficie del sólido está muy mojada al principio y sobre ella hay una película de agua continua. Esta capa de agua es agua no combinada y actúa como si el sólido no estuviera presente. La velocidad de evaporación con las condiciones establecidas para el proceso, es independiente del sólido y esencialmente igual a la velocidad que tendría una superficie líquida libre. Sin embargo, las ondulaciones y hendiduras en la superficie del sólido ayudan a obtener una velocidad más alta de la que tendría una superficie completamente plana.

Si el sólido es poroso, la mayor parte del agua que se evapora durante el periodo de velocidad constante proviene de su interior. Este periodo continúa mientras el agua siga llegando a la superficie con la misma rapidez con la que se evapora. La evaporación durante este periodo es similar a la que existe cuando se determina la temperatura de bulbo húmedo, y en ausencia de transferencia de calor por radiación o conducción, la temperatura de la superficie equivale en forma aproximada a la temperatura de bulbo húmedo.

Secado durante el periodo de velocidad decrecienteEn el contenido crítico de humedad libre Xc no hay suficiente agua en la superficie para

mantener una película continua. La superficie ya no está totalmente mojada, y la porción mojada comienza a disminuir durante el periodo de velocidad decreciente hasta que la superficie queda seca en su totalidad.

El segundo periodo de velocidad decreciente empieza cuando la superficie está seca en su totalidad. El plano de evaporación comienza a desplazarse con lentitud por debajo de la superficie. El calor de evaporación se transfiere a través del sólido hasta la zona de vaporización. El agua evaporada atraviesa el sólido para llegar hasta la corriente de aire.

En algunos casos no hay discontinuidad definida, y el cambio de condiciones de secado de una superficie con humedad parcial a una superficie completamente seca, es tan gradual que no se detecta un punto de inflexión.

Es posible que la cantidad de humedad que se elimina durante el periodo de velocidad decreciente sea bastante pequeña; no obstante, el tiempo requerido puede ser largo.

Métodos para calcular el periodo de secado de velocidad constantePara estimar el tiempo de secado de determinado lote de material, el mejor método

consiste en obtener datos experimentales reales bajo condiciones de alimentación, área superficial relativa expuesta, velocidad del gas, temperatura y humedad, que sean, en esencia, las mismas que tendrá el secador que se usará en la práctica. De esta manera, el tiempo requerido para el periodo de velocidad constante se determina directamente con la curva de secado de contenido de humedad libre en función del tiempo.

Método de curva de velocidad de secado para el periodo de velocidad constante.En lugar de la curva de secado, es posible emplear la curva de velocidad de secado. Dicha

expresión se reordena e integra respecto al intervalo de tiempo para secar desde X1 a t1 = O hasta X2 a t2 = t:

Si el secado se verifica dentro del periodo de velocidad constante, de manera que tanto X1 como X2 sean mayores que el contenido de humedad crítica Xc, entonces R = constante = Rc Al integrar la ecuación anterior para el periodo de velocidad constante:

Métodos para calcular el periodo de secado de velocidad decrecienteEn el periodo de secado de velocidad decreciente, la velocidad de secado R no es

constante, sino que disminuye cuando el secado pasa por la zona de contenido crítico de humedad libre Xc. Cuando el contenido de humedad libre X es cero, la velocidad también lo es. El tiempo de secado para cualquier región entre X1 y X2 se obtiene mediante la ecuación :

Cuando la velocidad es constante, la ecuación anterior se puede integrar para obtener la ecuación.

Sin embargo, durante el periodo de velocidad decreciente, R varía. La ecuación (9.6-1) se puede integrar gráficamente para cualquier forma de la curva de secado de velocidad decreciente, trazando 1/R en función de X y determinando el área bajo la curva utilizando integración gráfica o numérica con una hoja de cálculo.

Para el cálculo de esta zona se puede sustituir en la ecuación (9.6-1) dX/R por (dX)(1/Rprom).

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL:

1. Prenda el ventilador.2. Pese 4 kg de calcita. Después agregue agua suficiente de manera que se humedezca

todo el material y no escurra.3. Ponga la calcita en la charola del secador y haga una cama uniforme.4. Mida el espesor promedio de la cama y ponga un termómetro en la misma para

monitorear la temperatura del sólido.5. Pese la charola que contiene el material húmedo y el termómetro.6. Introduzca la charola en un nivel previamente seleccionado del secador.7. Mida la carga térmica del ventilador.8. Conecte el termopar en diferentes niveles del secador, para medir T1, T2 y T3.9. Mida cada 3 minutos las temperaturas de entrada y salida del aire, T1, T2, T3, así como

la del sólido y el peso de la charola.10. Repita el paso anterior hasta que el peso de la charola se mantenga constante.11. Realice los respectivos cálculos.

DESCRIPCION Y ESQUEMA DE EQUIPO:

Psicrómetro: Instrumento utilizado para determinar la humedad a través de la toma de temperatura de bulbo seco y bulbo húmedo.

Resistencia eléctrica: Para esta práctica se utiliza una resistencia eléctrica contenida en un tubo de acero y la cual se utiliza como medio calentante.

Termómetro: Se utiliza para la toma de temperatura inicial así como la de las charolas.

Bomba: Se utiliza una bomba para hacer pasar la solución a través de la resistencia eléctrica así como para poder recircularla.

Charola: Son los recipientes en los cuales quedara depositado el material con el que se está trabajando.

Ventilador: Se utiliza para hacer circular corrientes de aire a través de la cámara del equipo.

TABLA DE CONCENTRACION DE DATOS Y RESULTADOS:

Sistema: Aire – Calcita – AguaDatos:I = 6.3AV = 220vACH= 0.2025m2 λ = 2429000 J/Kg (de tablas)P°= 36.3335 mmHgP = 11.6267 mmHg

Tiempo (min)

Condiciones de aire Condiciones de torre CharolaEntrada Salida

Tbs (°C)

Tbh (°C)

Tbs (°C)

Tbh (°C)

T1 (°C)

T2 (°C)

T3 (°C)

Tcharola (°C)

W (Kg)

ΔW Altura, X (cm)

0 23 21 29 23 38 32 33 34 4.9245

0 1.7*10-2

3 24 21.8 29 24 40 32 33 34 4.8692

0.0553

1.6*10-2

6 25 22 29 23 40 32 34 38 4.8596

0.0096

1.6*10-2

9 25 22 29.5 24 40 32 35 38 4.8574

0.0022

1.4*10-2

12 25 22 30 24 41 33 35 39 4.8672

0.0098

1.4*10-2

15 25.7 22 30 24 44 33 36 38 4.8654

0.0018

1.3*10-2

18 26 22 30 24.5 44 32 36 37 4.8631

0.0023

1.3*10-2

21 26 22 30 24.5 42 33 37 37 4.8560

0.0071

1.3*10-2

24 26 22 30 24.5 42 34 36 39 4.8549

0.0011

1.3*10-2

27 25.8 22 30 25 43 34 36 40 4.8541

0.0008

1.3*10-2

30 25.8 22 31 25 44 35 36 41 4.8536

0.0005

1.3*10-2

33 26 22 30 24 43 34 36 40 4.8545

0.0009

1.3*10-2

36 26 22 30 25 44 33 37 40 4.8478

0.0067

1.3*10-2

R 1/R Kg agua Kg agua/Kg material seco0.0000 0.0000 0.0000 0.0000

15.9393 0.0627 0.0553 0.0114

15.9829 0.0626 0.0649 0.013415.9878 0.0625 0.0671 0.013816.0398 0.0623 0.0573 0.011816.0148 0.0624 0.0591 0.012116.0064 0.0625 0.0614 0.012615.9751 0.0626 0.0685 0.014115.9814 0.0626 0.0696 0.014315.9793 0.0626 0.0704 0.014515.9781 0.0626 0.0709 0.014615.9834 0.0626 0.0700 0.014415.9488 0.0627 0.0767 0.0158

H g=q

A (T−Ti)= I∗AA (T−Ti)

= 6.3∗2200.2025(37.8−24)

=495.97 Wm2 °C

K g=q

Aλ(P−Pi)= I∗A

Aλ(P−Pi)= 6.3∗2200.2025(2429000)(36.3335 – 11.6267)

=0.000114 Kgsm2mmHg

GRAFICOS:

0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 33 360.0000

0.0020

0.0040

0.0060

0.0080

0.0100

0.0120

0.0140

0.0160

0.0180

tiempo

Kg

agua

/Kg

de m

ater

ial s

eco

CÁLCULOS:Tiempo de secado teórico

θ=mb

A ∫x f

xo dXRprom

Xo = 0.0171

xf = 0.0137

mb= 4 kg calcita

A= 0.2025 m^2

Rprom = 15.9847

θ= 50.2025 ∫

0.0137

0.0171

❑−8∗10−7 x3+3∗10−6 x2−37882 x+250.6

θteorico=27.93min

La práctica fue realizada en 36 minutos por lo que:

EFICIENCIA

E= Tiempo teóricoTiempo práctica

=27.9336

∗100=77.58%

Balance de Masa

moH2O + G Ye= mfH2O + GYs

Tiempo = 66 minutos Agua al inicio= 121gYe = 0.0166 Agua final = 7gYs = 0.0172 (no sale saturado)Temperatura de entrada = 42.4 °C Temperatura de salida = 40.4 ºC

G = 212ft3/min (0.9434 Kg/m3) ((.3048m)3/(ft3)) = 5.6635 kg aire /min

0.121 Kg H2O + (5.6635 kg aire /min)*(36 min)*(0.0166KgH2O /Kg aire)

= 0.007 + (5.6635 kg aire /min)*(36 min)*(0.0172 KgH2O /Kg aire)

3.505 ≈ 3.513

BALANCE DE ENTALPIAS (ENERGÍA)

Q aire = Q eléctrico

Q Eléctrico = I*V= 6.3A * 220V= (1386 J/s)*(60s/min)(36min)= 2’993,760J

M aire = (212ft3/min) (0.9434 Kg/m3) (.3048 m/ft)3 (36 min) = 203.88 Kg aire

Q aire = m*ΔH = (203.88 kg) * (9304 J/kg) = 1'896,919.16 J

EFICIENCIA

E=1' 896,919.162 ’993,760

∗100=63.36%

ANALISIS DE RESULTADOS Y CONCLUSIONES:De acuerdo con lo esperado; se obtuvo una curva de secado con las características

similares de este tipo de curvas. Obtuvimos los datos necesarios para realizar los cálculos del balance de energía y de masa así como para la obtención de nuestros tiempos de secado en periodo constante y decreciente. Al hacer la comparación de los resultados experimentales con los reales, observamos una aproximación. Los resultados arrojados para la eficiencia de secado dan esa aproximación debido a que las integraciones no son perfectas, para algunas mediciones hubo factores que provocaron que no fueran precisas para dar curvas de secado más coincidentes con las de la literatura, entre otras que desconocemos.

En cuanto a la eficiencia energética vemos que es un poco “baja”, pero dentro del cálculo no se incluye el hecho de un probable intercambio de calor con las superficies de las charolas, la bandeja con la calcita y el calor se escapó a través de las ventilas del equipo (por mínimo que sea) arrojándonos una lectura menor en las temperaturas y afectando el valor obtenido. Se alcanzaron

los objetivos propuestos, ya que logramos observar el comportamiento del secado de la calcita en sus diversas etapas, al igual que la variación de algunos de los parámetros a través del tiempo. Podemos darnos cuenta que en la práctica no se presenta tal cual lo vemos en la parte teórica. En la primera gráfica podemos observar claramente el momento en el que la velocidad de secado cambia de constante a decreciente (o viceversa) con lo cual observamos que los conceptos aprendidos son palpables de acuerdo a los resultados obtenidos en la práctica.