Operaciones De Secado Operaciones Unitarias 21 de diciembre de 2016 Celia maría alfonso pérez 4º GIQI  Operación de Secado INTRODUCIÓN El secado consiste en eliminar la humedad de materiales naturales o industriales con el fin de obtener un solido seco, así como garantizar al mismo tiempo una gran calidad para el producto, alto rendimiento y bajo coste de mantenimiento. Puede ser aplicado para el procesamiento de alimentos, textiles, papel, madera, cerámica, minerales, lodos de aguas residuales, productos farmacéuticos o productos biotecnológicos. El secado se puede aplicar a sólidos, líquidos, y gases; aunque nos centraremos en el secado de sólidos. Consume entre un 10% y15% de la energía total de la industria. Para algunos productos simples, el secado se considera relativamente fácil, aún así, las principales preocupaciones que se nos presentan en el diseño son los balances de materia y energía y la creación de suficientes áreas de contacto entre el producto y el medio de calentamiento, con el fin de mantener la viabilidad en cuanto al tamaño de los secadores. Además, la separación del producto a partir del gas de secado y prevención de emisiones son aspectos que deben tenerse en cuenta. El contenido de líquido en un sólido 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 contenga algo de líquido. Los sólidos que se secan presentan diferentes formas: escamas, gránulos, cristales, polvos, hojas o láminas continuas; 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 la 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. En el mercado existen un gran número de secadores ya que el producto que se seca, se podrá utilizar a una temperatura u otra, según la manera de moverse de los sólidos en la zona de secado y según la forma en la que transfieren el calor. El secado es por lo común la etapa final de una serie de operaciones y, con frecuencia, el producto que se extrae de un secador está listo para ser empaquetado. CLASIFICACIÓN DE SECADORES. Dependiendo del solido a obtener o del material con el que trabajemos, podremos aplicar un método u otro y por tanto, con un secador u otro. Dichos secadores pueden ser: Continuos: la operación se realiza sin interrupciones Discontinuos: operan por lotes. Los secadores que exponen los sólidos a un gas caliente se llaman secadores directos o adiabáticos ( Método más frecuente); aquellos en los que el calor es transferido desde un medio externo reciben el nombre de secadores indirectos ( de conducción o contacto) o no adiabáticos. Algunas unidades combinan el secado adiabático y no adiabático, y se denominan secadores directos-indirectos. TRATAMIENTO DE SÓLIDOS EN LOS SECADORES. La mayor parte de los secadores industriales operan con partículas de sólidos durante todo el ciclo de secado, o una parte de él, aunque otros secan grandes piezas individuales, como vasijas de cerámica o láminas de un polímero. En los secadores adiabáticos los sólidos están expuestos al gas en algunas de las siguientes formas: Secado con circulación transversal: El gas circula sobre la superficie de un lecho o una lámina de sólidos, o bien sobre una o ambas caras de una lámina o película continua. Secado con circulación a través del sólido: El gas circula a través de un lecho de sólidos granulares gruesos que están soportados cobre un tamiz. La velocidad del gas se mantiene baja para evitar el arrastre de partículas sólidas. Los sólidos descienden en forma de lluvia a través de una corriente gaseosa que se mueve lentamente, con frecuencia dando lugar a un arrastre no deseado de las partículas finas en el gas. El gas pasa a través de los sólidos con una velocidad suficiente para fluidizar el lecho. Inevitablemente se produce arrastre de partículas finas. Los sólidos son totalmente arrastrados por una corriente gaseosa de alta velocidad y transportados de manera neumática desde un dispositivo de mezcla hasta un separador mecánico. En los separadores no adiabáticos el único gas a separar es el agua o disolvente que se vaporiza, aunque en ocasiones se hace circular a través de la unidad una pequeña cantidad de “gas de barrido” (con frecuencia aire o nitrógeno). Los secadores no adiabáticos difieren principalmente en la forma en la que los sólidos se exponen a la superficie caliente u otra fuente de calor. Las modalidades son: Los sólidos se esparcen sobre una superficie horizontal estacionaria o que se desplaza lentamente y se “cuecen” hasta que se secan. La superficie se calienta eléctricamente o mediante un fluido de transferencia de calor, como vapor de agua o agua caliente. De manera alterna, el calor puede aplicarse por medio de un calentador radiante situado encima del sólido. Los sólidos se mueven sobre una superficie caliente, por lo general cilíndrica, por medio de un agitador o un transportador de tornillo o de palas. Los sólidos se deslizan por gravedad sobre una superficie inclinada caliente o bien son transportados en sentido ascendente por la superficie durante un tiempo y deslizándose posteriormente hasta una nueva localización. FUNDAMENTOS DE SECADO: No existe una sola teoría de secado que comprenda todos los materiales y tipos de secadores debido a la gran variedad de materiales y los muchos tipos de secadores industriales que se utilizan. Las variaciones posibles en forma y tamaño de los materiales, de los equilibrios de humedad, de los mecanismos del flujo de humedad a través del sólido, así como en el método de transferencia de calor que se requiere para la vaporización, impiden que exista un tratamiento unificado. MODELOS DE TEMPERATURA EN SECADORES. La forma en que la temperatura varía en los secadores depende de la naturaleza y contenido del líquido del material de alimentación, de la temperatura del medio de calentamiento, del tiempo de secado y de la temperatura final que toleran los sólidos secos. En un secador discontinuo con un medio de calentamiento a temperatura constante la temperatura de los sólidos húmedos aumenta muy rápido desde su valor inicial Tsa hasta la temperatura de vaporización Tv. En un secador no adiabático sin gas de barrido, Tv es prácticamente la temperatura de ebullición del líquido a la presión existente en el secador. Si se utiliza un gas de barrido, o el secador es adiabático, Tv es la temperatura de bulbo húmedo del gas, o un valor muy próximo a ella. El secado transcurre a Tv durante un periodo considerable, pero después de un corto tiempo, la temperatura de los sólidos húmedos aumenta de manera gradual como una zona de sólidos secos que se forma cerca de la superficie. La temperatura de vaporización depende de las resistencias de la transferencia de masa y calor en la zona seca, así como también de éstas en la capa límite. En las etapas finales del secado, la temperatura de los sólidos aumenta muy rápido hasta algún valor mayor de Tsb. En un secador continuo ideal, cada partícula o elemento del sólido pasa a través de un ciclo. La entrada de los sólidos y la salida del gas se encuentran a la izquierda; mientras que la entrada del gas y la salida de los sólidos están a la derecha. Los sólidos se calientan rápidamente desde Tsa hasta Tv. La temperatura de vaporización puede variar durante la secuencia del secado, aun cuando la temperatura de bulbo húmedo permanezca constante. Cerca de la entrada de gas, los sólidos pueden calentarse a temperaturas superiores a Tv en una longitud relativamente corta del secador, puesto que la energía necesaria para calentar los sólidos secos es pequeña comparada con la que se requiere para la vaporización. Para materiales sensibles al calor, el secador se diseña para mantener la Tsb cerca de la Tv. El gas caliente entra en el calentador a Thb ,por lo general con poca humedad.El perfil de temperaturadel gas puedee tener una forma compleja. TRANSFERENCIA DE CALOR EN SECADORES. El secado de sólidos húmedos es un proceso térmico. Aunque con frecuencia se complica por la difusión en el sólido a través del gas, es posible secar muchos materiales calentándolos muy por encima de la temperatura de ebullición del líquido, para liberar las últimas trazas de material adsorbido.En la mayoría del secado adiabatico la difusión ocurre en la fase gaseosa o solida, pero con frecuencia las velocidades de secado son más dependientes de los coeficientes de transferencia de calor que en los de transferencia de materia. Muchos de los secadores se diseñan sobre la base exclusiva de transferencia de calor. Para calcular el consumo de calor, lo que se hace es aplicar calor a un secador con los siguientes objetivos: Calentar la alimentación (sólidos y líquidos) hasta la temperatura de vaporización. Vaporizar el líquido; siendo ésta la más importante. Calentar los sólidos hasta su temperatura final. Calentar el vapor hasta su temperatura final. La velocidad total de transferencia de calor se calcula como: Siendo: Tsa= temperatura de la alimentación. Tv= temperatura de vaporización. Tsb= temperatura final de los sólidos. Tva= temperatura final de vaporización. λ=Calor latente de vaporización. Cps, CpL, Cpv = calores específicos del sólido, líquido y vapor. = masa de sólidos totalmente secos que se van a secar por unidad de tiempo. Xa y Xb = contenidos inicial y final de líquido. En un secador adiabático, el calor transferido a los sólidos, al líquido y al vapor, proviene del enfriamiento del gas; para un secador adiabático continuo el balance de calor conduce a: qt= mg Csb (Thb – Tha) donde mg= velocidad másica del gas seco y Csb= calor húmedo del gas para la humedad de entrada. Coeficientes de transferencia de calor: qt= UA ∆T Donde U= coeficiente global. A= área de transferencia de calor y ∆T= diferencia de temperatura. Para los secadores de placas perforadas y de bandas en movimiento, A es el área de la superficie horizontal que transporta los sólidos húmedos. Para los secadores de tambor, A es el área de superficie activa del tambor y para los secadores de circulación a través del sólido se considera como el área de la superficie total de las partículas. En algunos secadores tales como los de transportadores de tornillos sinfín o rotatorios, es difícil determinar el área efectiva para la transferencia de materia y calor. Tales secadores se diseñan sobre la base de un coeficiente volumétrico de transferencia de calor Ua. La ecuación aplicable es: qt= Ua V ∆T. EQUILIBRIO ENTRE FASES: Los datos de equilibrio para sólidos húmedos se suelen expresar mediante relaciones entre la humedad relativa del gas y el contenido de líquido de sólido, en masa de líquido por unidad de masa de sólido completamente 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. 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. El agua libre es la diferencia entre el contenido total de agua del sólido y el contenido de agua en el equilibrio. Por tanto, si Xt es el contenido total de humedad y X* es el contenido de humedad en el equilibrio, la humedad libre X será: AGUA LIGADA Y NO LIGADA: Si una curva de equilibrio 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 con la línea de 100% de humedad recibe el nombre de agua ligada, debido a que ejerce una presión vapor menor que la del agua líquida a la misma temperatura. El agua correspondiente a concentraciones mayores que las indicadas por las intersecciones recibe el nombre de agua no ligada. Las sustancias que contienen agua ligada se llaman con frecuencia sustancias higroscópicas. 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 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. La distinción entre agua ligada y agua no ligada depende del material, mientras que la distinción entre la humedad libre y la de equilibrio depende de las condiciones de secado. SECADO CON CIRCULACIÓN TRANSVERSAL: Cuando intervienen transferencias de materia y de calor, el mecanismo del secado depende de la naturaleza de los sólidos y del método de contacto entre los sólidos y el gas. Existen tres tipos de sólidos: cristalinos, porosos y no porosos. Las partículas cristalinas no contienen líquido interior y el secado tiene lugar sólo en la superficie del sólido. Un lecho de tales partículas se considera, como un sólido altamente poroso. Los sólidos en verdad porosos, tales como gránulos de catalizadores, contienen líquido en el interior de los poros. Los sólidos no porosos comprenden geles coloidales tales como jabón, pegamento y arcilla plástica; sólidos celulares densos, como madera y cuero; y muchos otros materiales poliméricos. La velocidad de secado de sólidos que contienen líquido interno depende de la forma en la que se mueve el líquido y la distancia que tiene que recorrer hasta alcanzar la superficie. Esto es en especial importante en el secado de circulación transversal de láminas o lechos de sólidos. El secado por este método es lento y en general se realiza por cargas, y ha sido desplazado por otros métodos más rápidos en la mayor parte de las operaciones de secado a gran escala; sin embargo, sigue siendo importante en la fabricación de productos farmacéuticos y de química fina, especialmente cuando las condiciones de secado deben controlarse con cuidado. VELOCIDAD DE SECADO: A medida que transcurre el tiempo, el contenido de humedad Xt disminuye. Después de un corto periodo durante el cual se calienta el material alimentado hasta la temperatura de vaporización, la representación gráfica se hace lineal, después se curva hacia el eje de las abscisas y al final se hace horizontal. La velocidad de secado, que es derivada de la curva A, se representa por la gráfica B; para un periodo considerable, la velocidad es constante o disminuye ligeramente. Este tiempo a menudo se conoce como periodo de velocidad constante, aun cuando la velocidad de secado disminuya algo. Después viene el periodo de velocidad decreciente, en el que la velocidad de secado tal vez disminuya de modo lineal con el tiempo o genere gráficas que son cóncavas hacia arriba o hacia abajo, dependiendo de la naturaleza del sólido y el mecanismo del flujo de la humedad interna. En ocasiones, para el secado de platos de cerámica porosos, existen dos periodos de velocidad decreciente. Se espera un periodo de velocidad constante real si el sólido es tan húmedo que existe una película continua de líquido sobre toda la superficie externa. La velocidad de evaporación es entonces la misma que la de un pozo de líquido, y la superficie de contacto gas-líquido y la superficie sólida se encuentran a la temperatura de bulbo húmedo. A medida que el secado procede, un periodo de velocidad constante sólo se mantiene si algún mecanismo lleva agua desde el interior tan rápido como para mantener húmeda toda la superficie. 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 periodo de velocidad constante. Un secado rápido también vuelve dura y quizá impermeable la superficie del material encogido, reduciendo la masa del sólido, reduciendo la masa del sólido de tal forma que no se pueda separar fácilmente la humedad interior. Esto se conoce como 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 aire-agua retrae hacia abajo a la superficie sólida. Si el sólido presenta poros pequeños, puede mantener algunos de ellos llenos de líquido, mientras que si presenta poros grandes llegan a secarse. En un periodo de velocidad 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. En la práctica, el material en un secador de platos perforados es similar al que recibe una radiación significativa desde el plato superior y la conducción desde el plato inferior, haciendo que la temperatura inicial de vaporización sea más elevada que Twb y aumenta la velocidad de secado mediante el aumento de la fuerza impulsora para la difusión de vapor. Sin embargo, como es difícil determinar Tv, los coeficientes de transferencia de calor para los secadores casi siempre se calculan utilizando Th-Twb como la fuerza impulsora. Durante el periodo de velocidad real, donde la temperatura de la superficie de contacto Ti se considera igual a la temperatura de bulbo húmedo Twb, la velocidad de secado por unidad de área Rc se estima con bastante precisión a partir de las correlaciones desarrolladas para evaporización desde la superficie libre de un líquido. Los cálculos se basan en la transferencia de masa o en la transferencia de calor. Donde: = velocidad de evaporación. A= área de secado. hy= coeficiente de transferencia de calor. Ky= coeficiente de transferencia de masa. Mv= peso molecular de vapor. T= temperatura del gas. Ti= temperatura de la superficie de contacto. y= fracción molar del vapor en el gas. yi= fracción molar del vapor en la superficie de contacto. λi= calor latente de vaporización a la temperatura Ti. La velocidad de secado constante Rc es simplemente: CONTENIDO CRÍTICO DE HUMEDAD; El punto en el cual termina el periodo de velocidad constante ( sea esta de verdad constante o no) se llama contenido de humedad crítico. A veces es claramente identificable, tal como se ve en el punto B. En este ejemplo de gráfica vemos que hay aproximadamente un 25% del volumen (vacío) del poro en los sólidos para agua y n-butanol. Esto representa el contenido de humedad debajo del cual el líquido insuficiente puede ser transferido desde el interior del sólido para mantener una película continua o muy cerca a continua de la superficie. Si el contenido inicial de humedad del sólido es inferior al punto crítico, no existe el periodo de velocidad constante. El contenido de humedad crítica no es sólo una propiedad del material que va a ser secado. Éste también varía con el espesor del material, la velocidad de secado y las resistencias a la transferencia de masa y calor dentro del sólido. El hecho de disminuir el espesor del material da un contenido de humedad crítico menor, a causa de que las resistencias internas se vuelven relativamente pequeñas y las resistencias externas controlan la velocidad de secador por un largo periodo. SECADO EN EL PERÍODO DE VELOCIDAD DECRECIENTE: 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. 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. En muchos de estos materiales, se dice que el secado se realiza por difusión. 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. 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. En el gráfico 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. Así que, aunque la velocidad de evaporación por unidad de área mojada no se modifica, la velocidad basada sobre la superficie total, es menor en el periodo de velocidad constante. La velocidad continua disminuyendo a medida que aumenta la fracción de superficie seca. BC representa el periodo de velocidad decreciente 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. 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 cierto 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. Aquí tenemos el segundo punto crítico y se inicia el segundo periodo de velocidad decreciente. CD indica la disminución repentina de la velocidad de secado. 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. SECADO CON CIRCULACIÓN A TRAVÉS DEL SÓLIDO Si las partículas del sólido húmedo tienen suficiente tamaño, el gas puede pasar a través del lecho en vez de sobre él, dando lugar, a un importante aumento de la velocidad de secado. Aun cuando las partículas individuales sean demasiado pequeñas para permitir esta situación, en muchos casos el material se puede “acondicionar” en una forma adecuada para efectuar el secado con circulación a través del sólido. El material acondicionado por lo general mantiene la forma durante el secado y forma un lecho permeable de porosidad bastante elevada. SECADO DE PARTÍCULAS SUSPENDIDAS: Con frecuencia, como ocurre en una torre de secado o un secador rotatorio, sólo una parte del secado se realiza mientras que las partículas descienden a través del gas y, por tanto, tales secadores se diseñan utilizando ecuaciones empíricas. El tiempo que se requiere para secar partículas individuales es en general muy corto, de manera que, de hecho, carecen de sentido los términos de velocidad constante y velocidad decreciente. En los secadores flash (de secado súbito), y en algunos tipos de secadores de pulverización, el secado se completa en tiempos cortos de 0,5 a 5 segundos. SECADO POR CONGELACIÓN Liofilización, o secado por congelación, es un proceso para secado de alimentos, vitaminas y otros productos sensibles al calor a temperaturas por debajo de 0ºC. El material que va a ser secado se congela rápidamente y se coloca en capas delgadas sobre platos perforados en cámaras especiales de vacío, o se congela en lugares por refrigeración circulante dentro de platos perforados. El vacío completo es aplicado y el fluido pasa a través de los platos para suplir el calor de sublimación. A medida que procede el secado, el frente de hielo se retira desde la superficie, dejando atrás una zona de sólido poroso casi seco. En la mayoría de los periodos de secado, la temperatura en el frente de hielo es prácticamente constante a valores por debajo de 0ºC. Esta temperatura se determina por un balance entre la velocidad de transferencia de calor a través de la zona de secado y la película gaseosa externa y la velocidad de transferencia de masa del vapor de agua a través de las mismas regiones. Esto es similar al balance alcanzado en la medición de la temperatura de bulbo húmedo de un gas. Pero en el secado por congelación, la resistencia a la transferencia de calor y de masa aumenta con el tiempo. Los tamices o varillas entre el material y la superficie de calentamiento permiten el escape del vapor de agua, pero adhieren una resistencia a la transferencia de calor. La mayor resistencia a la transferencia de masa y de calor está en la zona de secado del material, y el tiempo de secado es casi proporcional al cuadrado del espesor de las muestras. Los tiempos de secado son por lo general de varias horas, porque el calor requerido para la sublimación es mucho mayor que el cambio en entalpía del sólido seco, y las diferencias de temperatura son más pequeñas que en otros tipos de secado. [FOTO] EQUIPOS DE SECADO: Una manera de agrupar los distintos tipos de equipos de secados podría ser mediante un grupo que comprende secadores para sólidos granulares o rígidos y pastas semisólidas y otro grupo que se refiere a secadores que aceptan alimentaciones líquidas o suspensiones. SECADORES PARA SÓLIDOS Y PASTAS: Están formados por secadores de platos perforados y de tamices transportadores, para materiales que no se pueden agitar, así como torres de secado, rotatorias, transportadoras de tornillo sinfín, de lecho fluidizado y flash para materiales que se pueden agitar. Estos tipos de secadores se han ordenado, hasta donde es posible, atendiendo el grado de agitación y el método de exposición del sólido al gas o del contacto con una superficie caliente. Algunos secadores presentan dificultad a la hora de ordenarlos ya que pueden ser adiabáticos o no o una mezcla de ambos. Secadores de platos perforados: Consiste en una cámara rectangular de chapa metálica que contiene dos carretones para soportar los bastidores (H). Cada bastidor lleva numerosos platos perforados poco profundos, que se cargan con el material a secar. Entre los platos se hace circular aire caliente con una velocidad que le proporciona un ventilador (C) y un motor (D), pasando sobre los calentadores (E). Las placas deflectoras (G) distribuyen el aire de manera uniforme sobre el conjunto de platos. Parte del aire húmedo se expulsa de forma continua a través del conducto de descarga (B); mientras que por (A) entra la reposición del aire fresco. Los bastidores van montados sobre las ruedas (I), de forma que al final del ciclo de secado es posible retirarlos de la cámara y descargar el contenido de los platos. Los secadores de platos resultan convenientes cuando la velocidad de producción es pequeña. Prácticamente pueden secar cualquier producto, pero la mano de obra necesaria para la carga y descarga da lugar a costos de operación elevados. Se suelen usar en el secado de colorantes y productos farmacéuticos. Los ciclos de secados son largos ya que el secado por circulación de aire sobre capas estacionarias de sólidos es un proceso lento. Los secadores de platos pueden operar al vacío, casi siempre con calentamiento indirecto. Los platos se sitúan sobre placas metálicas huecas que se calientan con vapor de agua o con agua caliente. El vapor que sale del sólido se retira mediante un eyector o una bomba de vacío. Secadores de tamices transportadores: Una capa de espesor del material que se va a secar se transporta lentamente sobre un tamiz metálico que se mueve a través de una larga cámara o túnel de secado. La cámara consiste de una serie de secciones separadas, cada una con su propio ventilador y calentador de aire. En el extremo de la entrada del secador, el aire por lo general pasa hacia arriba a través del tamiz y de los sólidos, mientras que cerca del extremo se descarga, donde el material está seco y puede desprender polvo, el aire circula hacia abajo a través del tamiz. La temperatura y la humedad del aire son diferentes en distintas secciones con el fin de alcanzar las condiciones óptimas de secado en cada punto. Materiales gruesos, escamosos o fibrosos se pueden secar con circulación a través del tamiz. Sin embargo, las pastas y las tortas de filtración de partículas finas deben acondicionarse antes de que puedan tratarse en un secador de tamiz transportador. Los agregados por lo general conservan su forma durante el secado y sólo cae una pequeña cantidad de polvo a través del tamiz. A veces se instala un dispositivo para recuperar los finos que son arrastrados desde el tamiz. Los secadores de tamiz transportador operan de forma continua y suave con una gran variedad de sólidos; su costo es razonable, y el consumo de vapor de agua es bajo. El aire recircula a través y es expulsado de cada sección de forma independiente o bien circula desde una sección a otra en contracorriente con el sólido. Estos secadores son en especial aplicables cuando las condiciones de secado se modifican notablemente a medida que disminuye el contenido de humedad del sólido. Torres de secado: Una torre de secado contiene una serie de bandejas circulares dispuestas unas sobre otras sobre un eje central rotatorio. La alimentación de sólidos se introduce sobre la bandeja superior y está expuesta a una corriente de aire o gas caliente que pasa sobre la bandeja. Después, el sólido se descarga por medio de una rasqueta y pasa a la bandeja inferior. De esta forma va circulando a través del secador, descargando el producto seco por el fondo de la torre. Los flujos de gas y del sólido pueden ser en corrientes paralelas o en contracorriente. Un turbosecador es una torre de secado con recirculación interna del gas caliente. Los ventiladores de turbina hacen circular el aire o el gas hacia fuera entre algunas bandejas, pasando sobre los elementos de calentamiento y hacia dentro en otras bandejas. Un turbosecador funciona parcialmente con secado de circulación transversal, como en un secador de platos perforados, y parcialmente en forma de lluvia de partículas a través de gas caliente cuando éstas caen de una bandeja a otra. Secadores rotatorios: Un secador rotatorio consiste en una carcasa cilíndrica giratoria, dispuesta en forma horizontal o ligeramente inclinada hacia la salida. La alimentación húmeda entra por un extremo del cilindro; el producto seco descarga por el otro. Al girar la carcasa, unas pestañas internas levantan los sólidos para caer después en forma de lluvia a través del interior de la carcasa. Los secadores rotatorios se calientan por un contacto directo del gas con los sólidos, por gas caliente que pasa a través de un encamisado extremo, o por medio de vapor de agua que condensa en un conjunto de tubos instalados sobre la superficie interior de la carcasa. El último de estos tipos recibe el nombre de secador rotatorio con tubos de vapor de agua. En un secador rotatorio directo-indirecto el gas caliente pasa primeramente a través del encamisado y luego a través de la carcasa, donde se pone en contacto con los sólidos. Éste tipo de secador, es un secador rotatorio adiabático que opera con aire caliente en contracorriente. Una carcasa rotatoria A, construida con chapa de acero, está soportada sobre dos conjuntos de rodillos B y accionada por medio de un engranaje y un piñón C. En el extremo superior hay una campana D, que a través del ventilador E conecta con una chimenea, y una conducción F que introduce el material húmedo desde la tolva de alimentación. Las pestañas G, que elevan el material que se seca y lo dejan caer después a través de la corriente de aire caliente, están soldadas sobre la superficie interior de la carcasa. Por el extremo inferior del secador se descarga el producto seco en un transportador de tornillo H. Justamente detrás del transportador de tornillo hay un conjunto de tubos con aletas calentados con vapor para precalentar el aire. El aire circula a través del secador mediante un ventilador que, si se desea, descarga en el calentador de aire, de forma que todo el sistema se encuentra a sobrepresión. A veces, el ventilador podemos colocarlo en la descarga, para que aspire el aire a través del secador y mantenga el sistema con un ligero vacío. Esto es útil cuando el material tiende a formar polvos. Se suelen usar para sal, azúcar y todo tipo de materiales granulares y cristalinos que deben mantenerse limpios y que no se pueden exponer directamente a gases de combustión muy calientes. Secadores de tornillo transportador: Un secador de tornillo transportador es un secador continuo de calentamiento directo, que consiste esencialmente en un transportador horizontal de tornillo (o un transportador de palas) confinado dentro de una carcasa cilíndrica encamisada. La alimentación de sólidos entra por un extremo, circula muy lento a través de la zona calentada y descarga por el otro extremo. El vapor que se desprende se retira a través de una serie de tuberías situadas en la parte superior de la carcasa. Cuando se requiere una longitud mayor a la que presenta la carcasa, se instalan varios transportadores unos encima de otros formando una bancada. Con frecuencia en una bancada de este tipo la unidad inferior está a una temperatura más baja, debido a que el sólido seco, antes de su descarga, se enfría con agua a otro refrigerante que circula por el encamisado. Los secadores de tornillo transportador tratan sólidos que son demasiado finos y demasiado espesos para operar con un secador rotatorio. Están completamente cerrados y permiten recuperar los vapores del solvente con poca o ninguna dilución de aire. Cuando se les acopla un alimentador adecuado, son capaces de operar a un vacío moderado. Es posible adaptarlos a la separación y recuperación continua de solventes volátiles a partir de sólidos húmedos con solventes, procedentes de operaciones de lixiviación. Por esta razón a veces se les llama recuperadores de disolvente. Un tipo de secadores relacionados con este equipo son los “secadores de partícula delgada”. Secadores de lecho fluidizado: Las partículas se fluidizan con aire o gas en una unidad de lecho hirviente. La mezcla y la transferencia de calor son muy rápidas. La alimentación húmeda se introduce por la parte superior del lecho; el producto seco se retira lateralmente cerca del fondo. Las partículas pequeñas se calientan hasta la temperatura de bulbo seco del gas fluidizante a la salida; por ello, los materiales sensibles a calor han de secarse en un medio suspendido relativamente frío. Aun así, el gas a la entrada puede estar caliente, ya que la mezcla es tan rápida que la temperatura es casi uniforme a la temperatura de salida del gas, por todo el lecho. Si hay partículas finas presentes, procedentes de la alimentación o de la ruptura de partículas del lecho fluidizado, existirá un considerable transporte de sólidos con el gas que sale y será necesario instalar ciclones y filtros de bolsa para la recuperación de finos. Algunos secadores rectangulares de lecho fluidizado poseen compartimientos fluidizados separados, a través de los cuales pasan secuencialmente los sólidos desde la entrada hacia la salida. Reciben el nombre de flujo pistón; en ellos el tiempo de residencia es casi el mismo para todas las partículas. Las condiciones de secado varían de un compartimento a otro, y con frecuencia el último compartimento está fluidizado con gas frío con el fin de enfriar los sólidos antes de la descarga. Secadores flash: En un secador flash se transporta un sólido húmedo pulverizado durante pocos segundos en una corriente de gas caliente. El secado tiene lugar durante la trasportación. La velocidad de transferencia de calor desde el gas hacia las partículas de sólido suspendido es elevada y el secado es rápido, de forma que no se requiere más de 3 o 4 segundos para evaporar toda la humedad del sólido. La temperatura del gas es elevada, pero el tiempo de contacto es tan corto que la temperatura del sólido rara vez supera 50ºC durante el secado. Se puede aplicar a materiales sensibles que en otro tipo de secadores tendrían que secarse indirectamente con un medio de calefacción mucho más frío. A veces, se incorpora un pulverizador en el sistema de secado flash para proceder de manera simultánea al secado y a la reducción de tamaño. SECADORES PARA DISOLUCIONES Y SUSPENSIONES: Hay muy pocos tipos de secadores que sean capaces de evaporar soluciones y suspensiones enteramente por métodos térmicos. Secadores de pulverización: En un secador de pulverización se dispersa una solución o suspensión en una corriente de gas caliente formando una niebla de gotas muy finas. La humedad se evapora muy rápido de las gotitas para formar partículas residuales de sólido seco, que después se separan de la corriente gaseosa. Los flujos de gas y líquido pueden ser en corrientes paralelas, en contracorriente o una combinación de ambos en una misma unidad. Las gotitas se forman en una cámara cilíndrica de secado por la acción de boquillas de presión, boquillas de dos fluidos o, en secadores de gran tamaño, por medio de los discos de pulverización que giran a gran velocidad. En todos los casos es esencial conseguir que las gotitas o partículas húmedas de sólido choquen con superficies sólidas antes de que el secado tenga lugar, por lo cual la cámara de secado ha de ser necesariamente grande. En éste ejemplo, la cámara es un cilindro con fondo cónico. La alimentación de líquido se realiza por bombeo hasta un atomizador de disco situado en el piso de la cámara. Los discos de pulverización toman una velocidad que hace que se atomice el líquido en finas gotas que se proyectan radialmente en una corriente de gas caliente que entra cerca de la parte superior de la cámara. El gas frío se extrae por medio de un ventilador a través de una línea horizontal de descarga situada de manera lateral en el fondo de la sección cilíndrica de la cámara. El gas pasa a través de un separador de ciclón donde se separan las partículas sólidas arrastradas. La mayor parte del sólido seco sedimenta del gas en el fondo de la cámara del secado, de donde se retira por medio de una válvula rotatoria y un transportador de tornillo y se mezcla con el sólido recogido en el ciclón. Las principales ventajas de los secadores de pulverización son el corto tiempo de secado, que permite el secado de materiales altamente sensibles al calor, y la producción de partículas esféricas huecas. La consistencia, densidad global, apariencia y propiedades de flujo deseadas para algunos productos, tales como alimentos o detergentes sintéticos, resultan difíciles o imposibles de obtener mediante cualquier otro tipo de secador. Los secadores de pulverización también tienen la ventaja de producir, a partir de una solución, suspensión o pasta delgada, en una sola etapa, un producto que se puede envasar muy fácil. Un secador de pulverización combina las funciones de un evaporador, un cristalizador, un secador, una unidad de reducción de tamaño y un clasificador. Considerando exclusivamente la acción de secado, los secadores de pulverización no son muy eficientes, ya que se pierde mucho calor con los gases que salen. En el secado por pulverización de soluciones, la evaporación desde la superficie de las gotas conduce a la deposición inicial de soluto en la superficie antes que el interior de la gota alcance la saturación. La velocidad de difusión del soluto hacia el interior de la gota es menor que el flujo de agua desde el interior de la gota es menor que el flujo de agua desde el interior hacia la superficie, de tal forma que todo el soluto se acumula en la superficie. Las partículas secas finales por lo general están huecas y el producto que se obtiene en un secador de pulverización es muy poroso. Secadores de película delgada: A veces, los secadores de pulverización resultan competitivos con los secadores de película delgada, los que pueden aceptar una alimentación líquida o una suspensión para dar lugar a un producto sólido seco que fluye libremente. Se suele producir en dos secciones diferentes, la primera sección es un secador-evaporador con agitado vertical donde la mayor parte del líquido se separa de la alimentación, y el sólido parcialmente húmedo se descarga en la segunda sección, donde el contenido residual de líquido del material procedente de la primera sección se reduce hasta el valor deseado. La eficiencia térmica de los secadores de película delgada es elevada y se produce una escasa pérdida de sólidos, ya que de la unidad no se suele retirar gas, y si se consigue retirar se hace en cantidades muy pequeñas. Son útiles para separar y recuperar solventes de productos sólidos. Son realmente caros y están limitados en cuanto al área de transferencia de calor. Secadores de tambor: Un secador de tambor consiste en uno o más rodillos metálicos calentados, en cuya superficie exterior una delgada capa de líquido se evapora hasta secar. El sólido seco es retirado de los rodillos a medida que éstos giran muy lento. En un secador de tambor típico, el líquido es alimentado desde un canal o tubo perforado dentro de un estanque en el espacio inmediato superior y entre los dos rodillos. El estanque es confinado ahí por platos extremos estacionarios. El calor se transfiere por conducción hacia el líquido que es parcialmente concentrado en el espacio comprendido entre los rodillos. El líquido concentrado se distribuye desde el fondo del estanque como una capa viscosa que recubre el resto de la superficie de los tambores. Prácticamente se vaporiza todo el líquido al girar los tambores, dejando una delgada capa de material seco que se retira mediante cuchillas rascadoras y cae en los transportadores situados debajo. La humedad evaporada se recoge y retira a través de la campana situada encima de los tambores. Los secadores de doble tambor son efectivos con soluciones diluidas, soluciones concentradas de materiales altamente solubles, así como con suspensiones de partículas poco pesadas. Son inadecuados para soluciones de sales de solubilidad baja o para suspensiones de sólidos abrasivos que sedimentan y crean una presión excesiva entre los tambores. SECADO Al AIRE LIBRE: Desde tiempos ancestrales el hombre a utilizado esta tecnica para la conservación de alimentos perecederos evitando la putrefacción de los mismos. Consiste en colocar el producto que se desea secar se pone al aire libre para que les dé el sol y se sequen naturalmente retirando así el agua de los tegidos y células de manera paulatina con ayuda del viento Se conoce como deshidratación y se usa como técnica para la preservación de materiales pues los microorganismos que provocan la descomposición de la materia orgánica no pueden crecer y desarrollarse en ausencia de agua. Además, es una operación energética elemental y representa una de las acciones térmicas básicas en la industria de procesos y agro‐alimentaria. El proceso de secado puede ser aplicado a todo tipo de alimentos, desde vegetales y hortalizas hasta carnes y pescados, pasando por frutas, especias, hierbas aromáticas, setas... Este procedimiento es de muy bajo coste pero puede producir fuertes mermas ocasionadas por las lluvias durante el proceso de secado y el ataque de insectos y animales si el material se expande en el suelo directamente.   En las regiones industrializadas el bajo costo del combustible permitió hace varias décadas el desarrollo de procesos de secado artificial en gran escala basados en el uso de combustibles. En los últimos años, la escasez y mayores precios de los combustibles ha despertado un nuevo interés en el secado basado en el uso de la energía solar, tratando de desarrollar diversas técnicas que permiten solucionar los problemas mencionados en relación al secado al aire libre.   Generalmente se da el nombre genérico de secado solar a los procedimientos que posibilitan extraer el agua contenida en los alimentos auxiliándose de utensilios o equipos como bandejas, gabinetes o túneles de secado solar; y se conoce como secado al sol, al método más sencillo que se limita a exponer los productos al sol. El secado solar presenta ventajas sobre el simple secado al sol, ya que se logran temperaturas más altas con menor grado de humedad, por lo que se facilita y acelera el secado; además se protegen los productos contra la lluvia, el polvo, así como de insectos o animales indeseables. En el caso del secado al sol, cuando se exponen los productos directamente al sol, la operación se realiza, por lo general, de manera directa y a la intemperie, haciendo el secado más lento, la producción es baja y el producto se deshidrata con menor calidad. PROCESO PRODUCTIVO    El secado es un proceso en el que se intercambian calor y masa. Implica la transferencia de un líquido procedente de un sólido húmedo a una fase gaseosa no saturada, para ello el material húmedo se expone a una corriente de aire con determinadas condiciones de temperatura, humedad y velocidad. Cuanto más seco y más caliente esté el aire, mayor será la velocidad de secado. Aspectos a tener en cuenta para determinar las condiciones de secado:    - Características del producto: Contenido inicial de agua del material y el contenido final de humedad que deseamos obtener. También considerar el estado físico como es la forma, el tamaño, su superficie, etc.    - Características del secador: Tipo de secador y el volumen que se va a secar.    - Características meteorológicas: Humedad relativa, la temperatura, la radiación solar, velocidad del viento, precipitación, etc.    - Uso posterior: Para algunos productos la acción de la radiación solar puede destruir algún compuesto orgánico que lo compone y que tiene interés comercial.  Tipos de circulación   El aire circula dentro del secador con el fin de eliminar la humedad evaporada del producto. Esta circulación se logra por dos métodos: circulación forzada y por convección natural.   Circulación forzada: El aire es movido por un ventilador que consume energía mecánica o eléctrica. Este tipo de circulación facilita el diseño en el caso de los equipos de tamaño grande, además de facilitar el control del proceso de secado. Usando este tipo de circulación se pueden obtener velocidades de circulación de aire entre 0.5 y 1.0 m/s. La principal desventaja de la circulación forzada es el hecho de que se debe disponer de una fuente de energía eléctrica para el ventilador, pero esto se puede solventar utilizando un módulo solar que proporcione el flujo de aire requerido, con lo que es sistema es independiente de la red eléctrica.    b) Circulación por convección natural: El aire es movido por las diferencias de temperatura entre las distintas partes del equipo, que promueven la convección térmica del aire. Este tipo de circulación se hace más difícil de incorporar con equipos grandes. Para equipos pequeños o medianos se pueden lograr velocidades de 0.4 a 1.0 m/s al interior de la cámara, pero en equipos grandes esta velocidad no sobrepasa los 0.1 a 0.3 m/s.  Forma de calentamiento solar ‐ Secado solar directo (al aire libre)   La radiación solar incide directamente por el producto a ser secado, adquiriendo así la energía de evaporación necesaria. Después, la humedad formada en los alrededores del producto es recuperada por el aire tomado del exterior. El material es removido mediante maquinaría específica para favorecer el secado de toda la masa.   ‐ Secado solar indirecto   La radiación solar es captada por un colector por donde circula cierta cantidad de aire (realiza efecto invernadero: deja entrar energía, pero no que salga), este flujo de aire se calienta e ingresa a la cámara secado en donde se encuentra el producto a ser secado. El aire caliente pasa el producto eliminando el contenido de humedad de la cámara. El sistema colector‐cámara secado puede diseñarse de diferentes formas para integrarse a diferentes equipos de secado solar:    Indirecto: Los dos elementos están separados. El aire es calentado en el colector y la radiación no incide sobre el producto colocado en la cámara de secado. La cámara de secado no permite la entrada de la radiación solar (Figura a continuación).   -Mixto: Finalmente puede darse el caso en que la colección de radiación se realice tanto en un colector solar previo a la cámara como en la misma cámara. Es fácil de integrar una fuente auxiliar de energía para construir un sistema híbrido. El tener una cámara de secado como tal facilita la manipulación del producto y las labores de carga y descarga.   Referencias -Operaciones Unitarias en Ingeniería Química (Warren L.McCabe - Julian C.Smith –Peter Harriott) -Artículos de Renewable and Sustainable Energy Reviews. - http://catarina.udlap.mx/u_dl_a/tales/documentos/lim/cabrera_v_a/capitulo5.pdf - http://www.agrowaste.eu/wp-content/uploads/2013/02/SECADO-SOLAR.pdf Operaciones De Secado