TESIS REALIZADA PARA OPTAR EL TITULO DE INGENIERO ...

UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO

FACULTAD DE INGENIERIA

ESCUELA ACADÉMICO PROFESIONAL DE INGENIERÍA MECÁNICA

TESIS REALIZADA PARA OPTAR EL TITULO DE

INGENIERO MECANICO

“MODELAMIENTO DE DISEÑO DE SECADOR ATOMIZADOR A PARTIR DEL FLUJO DE ALIMENTACION

Y CONTENIDO DE HUMEDAD INICIAL”

AUTOR:

Br. WILINTHON JAVIER RUIZ SÁNCHEZ

ASESOR:

Ms. LUIS GUILLERMO QUEVEDO NOVOA

TRUJILLO - PERU

2018

BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN

Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/

ii

PRESENTACIÓN

Señores miembros del jurado:

De conformidad con lo estipulado por el Reglamento de Grados y Títulos de

la Escuela Profesional de Ingeniería Mecánica de la Universidad Nacional de

Trujillo, presentamos a su consideración la presente tesis titulada:

“MODELAMIENTO DE DISEÑO DE SECADOR ATOMIZADOR A

PARTIR DEL FLUJO DE ALIMENTACION Y CONTENIDO DE

HUMEDAD INICIAL” con la finalidad de obtener el título de “Ingeniero

Mecánico”.

El presente trabajo tiene como propósito establecer el modelamiento de

diseño de secadores de tipo atomizador de tal manera que permita el diseño

de este tipo de equipos para diferentes productos donde se requiere alta

calidad tales como productos termolábiles o en estado de emulsión.

Por lo tanto, señores miembros del jurado, es mi deseo que este trabajo,

producto del esfuerzo y dedicación con el cual fue realizado, alcance sus

expectativas y sea relevante para la Escuela de Ingeniería Mecánica de

nuestra prestigiosa universidad.

Trujillo, Octubre de 2018




iii

AGRADECIMIENTOS

Deseo expresar mi sincero agradecimiento a la Universidad Nacional de

Trujillo y a todos los docentes de nuestra Escuela Académico Profesional de

Ingeniería Mecánica por haber contribuido en nuestra formación profesional.

A mi asesor de tesis Ms. Ing. Luis Guillermo Quevedo Novoa, quien en todo

momento me brindó su tiempo en el desarrollo de la presente tesis con los

asesoramientos respectivos.

.

El Autor



iv

DEDICATORIAS

A Dios:

Por guiar cada paso de mi vida y

darme la fortaleza de superar los

obstáculos que se me presentaron.

A mis Padres: Concepción y Juana, por haberme dado la

vida, por su dedicación y apoyo incondicional,

confianza y por enseñarme que en la vida

hay que ser perseverantes para lograr

alcanzar las metas trazadas. .

A mis Hermanos: Que siempre estuvieron presentes en los momentos

en los que necesite su apoyo y más aún siempre lo

estarán.

A mis queridos abuelos:

Por sus sabios consejos y encaminarme en la

vida con excelentes valores. Me faltaran

palabras para describir mi agradecimiento

hacia ustedes




v

RESUMEN

El presente estudio tuvo como propósito el modelamiento de diseño de un

secador tipo atomizador a partir del flujo de alimentación y su contenido de

humedad inicial; para ello se empleó un equipo de secador tipo atomizador

del laboratorio de la facultad de Ingeniería Química de la Universidad Nacional

de Trujillo. Se emplearon como materiales de experimentación; productos

agroindustriales preparados de jarabes de yacón (Smallanthus sonchifolius)

y de arándano rojo (Vaccinium oxycoccus u Oxycoccus palustris). Como

método aplicado fue el diseño descriptivo transeccional de una sola casilla,

el cual permitió confeccionar un programa a partir de la variable de entrada :

fluJo y contenido de humedad del producto a secar y determina como

variables de salida: Flujo másico del producto a secar determinado en función

del producto seco y el contenido de humedad porcentual ; flujo de aire

requerido para el secado determinado directamente del secador

experimental de tipo atomización el cual emplea una relación de 18,64kg de

aire ⁄ kg de producto a secar.

Los resultados son concordantes a los modelos matemáticos empíricos la

relación empírica de Rossin, Rammler e Intelmann que consideran los datos

de viscosidad y densidad del gas para posteriormente determinar el diámetro

del ciclón experimental (DC)

DC = 13,96 v (rs-r).D’2 ⁄ µ

v: Velocidad de entrada del gas al ciclón ( recomienda usar 10 / s )

Palabras claves: Modelamiento, diseño, secador de atomización.



https://es.wikipedia.org/wiki/Vaccinium_oxycoccus

https://es.wikipedia.org/wiki/Oxycoccus_palustris

http://www.monografias.com/trabajos13/visco/visco.shtml

http://www.monografias.com/trabajos5/estat/estat.shtml

vi

ABSTRACT

The present study aimed to model the design of an atomizer drier from the

feed stream and its initial moisture content; For this purpose, an atomizer dryer

was used in the laboratory of the Faculty of Chemical Engineering of the

National University of Trujillo. They were used as experimental materials;

Agroindustrial products prepared from yacon (Smallanthus sonchifolius) and

blueberry syrup (Vaccinium oxycoccus or Oxycoccus palustris).

As a method applied was the descriptive transectional design of a single box,

which allowed to make a program from the input variable: folw and moisture

content of the product to be dried and determined as output variables:

Mass flow rate of the product to be dried as a function of dry product and

percentage moisture content; Air flow rate required for drying determined

directly from the atomization type experimental drier which employs a ratio of

18,64 kg of air / kg of product to be dried.

The results are consistent with the empirical mathematical models of the

empirical relationship of Rossin, Rammler and Intelmann who consider the

data of Viscosity and density of the gas to later determine the diameter of the

experimental cyclone (DC):

DC = 13.96 v (rs-r) .D 2 / μ

V: Velocity of entry of the gas into the cyclone (recommends using 10 / s)

Keywords: Modeling, design, atomization dryer.



vii

ÍNDICE

PRESENTACIÓN…………………………………………………………………. II

AGRADECIMIENTOS……………………………………………………………. III

DEDICATORIA……………………………………………………………………. IV

RESUMEN………………………………………………………………………… V

ABSTRACT………………………………………………………………………….. VI

ÍNDICE………………………………………………………………………………. VII

ÍNDICE DE TABLAS……………………………………………………………….. VIII

ÍNDICE DE FIGURAS……………………………………………………………… IX

CAPITULO I................................................................................................... 1

1 INTRODUCCIÓN ................................................................................. 2

1.1 Realidad problemática ................................................................ 4

1.2 Enunciado del Problema ............................................................. 5

1.3 Hipótesis. ..................................................................................... 5

1.4 Justificación. ................................................................................ 5

1.5 Objetivos del Estudio .................................................................. 5

1.5.1 Objetivo general .......................................................................... 5

1.5.2 Objetivos específicos .................................................................. 5

CAPITULO II .................................................................................................. 7

2 FUNDAMENTOS TEORICOS: ............................................................ 8

2.1 Antecedentes ............................................................................... 8

2.2 Teorías que sustentan el trabajo: ............................................ 13

2.2.1 Secado por pulverización del producto a secar ..................... 13

2.2.2 Aplicaciones de secadores por atomización .......................... 13

2.2.3 Operaciones de los secadores por atomización. ................... 14

2.2.4 Elementos de un secador por atomización o spray. .............. 16

2.2.5 Cálculo de secadores por atomización. .................................. 19

CAPITULO III ............................................................................................... 22



viii

3 MATERIALES Y METODOS ............................................................. 23

3.1 Materiales ................................................................................... 23

3.2 Métodos ...................................................................................... 23

3.2.1 Metodología de la investigación. ............................................. 23

3.2.2 Variables del problema. …………………………………….…...24

3.2.3. Procesamiento de datos ……………….……………………. . 25

3.3 Técnicas ..................................................................................... 26

CAPITULO IV .............................................................................................. 27

4 RESULTADOS Y DISCUSION .......................................................... 28

4.1 Resultados del secado de suplemento de arándano y polen. 28

4.2 Resultados del secado del jarabe de yacón. .......................... 29

4.3 Descripción del algoritmo. ....................................................... 33

4.4 Dimensionamiento de complementos del secador

atomizador.. ..................................................................................... 35

4.4.1 Determinación del ventilador estándar.................................... 35

4.4.2 Determinación del motor. ......................................................... 35

4.4.3 Cálculo del diámetro del ciclón experimental. ........................ 41

CAPITULO V ............................................................................................... 44

5 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ..................................... 45

5.1 CONCLUSIONES ........................................................................ 45

5.2 RECOMENDACIONES ............................................................... 45

REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS ........................................................... 46

ÍNDICE DE TABLAS

Tabla 1. Matriz de consistencia. .............................................................. 25

Tabla 2. Prueba experimental en secador de atomización piloto en la

muestra. ..................................................................................................... 28

Tabla 3. Dimensiones de secador de atomización piloto. ..................... 29



ix

Tabla 4. Prueba de muestra de jarabe de yacón al secador de

atomización. ............................................................................................... 29

Tabla 5. Prueba de muestra de jarabe de yacón al secador de

atomización piloto ..................................................................................... 30

Tabla 6. Resultados promedio de prueba de secado de muestra de

jarabe de yacón al secador de atomización piloto .................................. 30

ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1. Mecanismo de secado ............................................................... 15

Figura 2.Flujo de corrientes de aire y producto a secar ......................... 16

Figura 3. Elementos de un secador por atomización ............................. 16

Figura 4. Componentes del Secador por atomización o spray .............. 17

Figura 5. Boquilla del atomizador rotatoria ............................................. 18

Figura 6. Pesado de 100g de jugo de arándano en balanza analítica ... 31

Figura 7. Mezclado de goma arábica, agua y el jugo de arándano ........ 31

Figura 8. Agregado del polen a la solución de arándanos ..................... 31

Figura 9. Atomización del jugo de arándano más polen ........................ 32

Figura 10. Temperaturas de entrada y salida en el secador

atomizador .................................................................................................. 32

Figura 11. Algoritmo de programa computarizado para dimensionar

secador de atomización ............................................................................ 34

Figura 12. Curva del ventilador centrifugo ............................................. 36

Figura 13. Ventilador centrífugo para extracción de producto seco ..... 38

Figura 14. Algoritmo para el dimensionamiento de los complementos

del secador ................................................................................................. 39

Figura 15. Diseño del ciclón para recuperación de producto seco ....... 41



x



1

CAPITULO I



2

1 INTRODUCCIÓN

El secado es una de las operaciones unitarias más antiguas y muy

utilizadas en la industria de procesos, consiste en la reducción del

contenido de solvente del producto por medio de una evaporación o una

sublimación.

Tiene como propósito estabilizar el producto, preservar su actividad,

reducir su volumen o recuperar el solvente. En el caso del secado de

productos biológicos una limitante en la selección del método de secado,

es la temperatura que puede soportar el material de interés sin perder

actividad.

Debido a que en el secado el solvente generalmente es agua y el medio

hacia donde se elimina es aire, el análisis se basa fundamentalmente en

los sistemas aire-agua

El método de secado depende del tipo de producto, sus propiedades

físicas, su tolerancia a la temperatura y los requerimientos de proceso en

cuanto a la forma de operación ya sea intermitente o continua.

La Región La libertad es una de las regiones que más aporta al erario

nacional principalmente en el rubro de la agroindustria la cual muchos de

sus productos son exportados frescos y otros procesados para su

conservación dado a que son productos perecibles y por lo general se

trata de productos termolábiles (productos que se alteran con facilidad por

la acción del calor) por lo que el secado debe realizarse en condiciones

estrictamente controladas tanto en el tiempo de permanencia de contacto

con el calor o a una temperatura inferior a su desnaturalización.

Es importante tener en cuenta que el secado puede traer efectos

colaterales principalmente si el secado es de un material biológico tales

como soluciones de productos termolábiles como extractos de plantas

medicinales, preparaciones enzimáticas, soluciones de azúcares,

sustitutos hidrolizados de proteínas y algunas drogas sintéticas que si no



3

se realiza apropiadamente, se presentan daños que afectan la calidad del

producto, tales como: Endurecimiento que se debe a la muy alta velocidad

de secado ; el sólido forma una capa interior húmeda y una capa exterior

seca e impermeable, que impide la evaporación y el secado.

La deshidratación química que consiste en la eliminación de agua de la

estructura molecular del producto y también se origina por una velocidad

de secado alta y la desnaturalización que significa el daño que sufren las

proteínas en el secado. Este proceso generalmente sigue una cinética de

primer orden.

En la industria química y farmacéutica el secador de tipo por atomización

es el más conveniente, teniendo en cuenta que el producto debe tener un

breve contacto con el calor.

El empleo de secadores de tipo spray por atomización o pulverización

son los equipos ideales principalmente para evitar la desnaturalización de

materiales con contenidos de proteínas o vitaminas, o en el secado de

soluciones de deshidratación de algunos antibióticos. El secado por este

método, aplica dispositivos especiales (disco centrífugo o boquillas) que

permite pulverizar la solución en gran número de gotitas poli dispersas

en la cámara de secado y en contacto con la superficie caliente elimina al

instante la humedad.

Este tipo de secadores son de alta eficiencia debido a la gran superficie

desarrollada de las partículas dispersas (Si 1 m3 de pulverización de

líquido en gotas de tamaño medio de 50 micras; la superficie de partículas

es del orden de los 120 000 m2) lo cual nos indica una alta transferencia

de masa y energía de secado, en el que las partículas se dispersan

rápidamente desprendiendo el contenido de humedad. Todo el proceso

de secado toma sólo unos segundos, y la temperatura máxima de las

partículas en el proceso de evaporación del agua en la zona de alta

temperatura prácticamente no exceda temperatura de bulbo húmedo. El

secado por pulverización se puede cambiar ciertos límites algunos de los



4

polvos indicadores obtenidos: valor de densidad aparente de partículas de

humedad. Cuando se utiliza el método de secado por pulverización se

tiene prácticamente un producto listo para usar y que no requiere de una

molienda posterior.

Este tipo de secadores son de alto rendimiento reduciendo el empleo de

personal y elimina su contacto con el producto.

El presente estudio contribuye en la importancia y necesidad que nuestro

país inicie el proceso de endogenización mediante la implementación de

nuestra propia tecnología.

1.1 Realidad problemática

Ante la problemática de la falta de secadores de tipo atomizador

fabricados en el Perú, nos condujo a investigar y establecer el

modelamiento de diseño de secadores de tipo atomizador de tal

manera que permita el diseño de este tipo de equipos para diferentes

productos donde se requiere alta calidad en el proceso de secado tales

como productos termolábiles o en estado de emulsión, de tal manera

que no se dependa de la importación de estos secadores los cuales

tienen un alto costo en el mercado internacional además que la

adquisición de sus repuestos y accesorios no son adquiridos en nuestro

país y que a parte de su costo se demora en su adquisición.

Con el modelado de este diseño será indispensable para la zona

industrial que aporta con la exportación, de productos secos de la

región liberteña, a la economía peruana.

1.2 Enunciado del Problema



5

¿Cómo determinar los parámetros de diseño de un secador tipo

atomizador teniendo en cuenta el flujo de alimentación y su contenido

de humedad inicial del producto?

1.3 Hipótesis.

El diseño de un secador atomizador se obtendrá mediante

modelamiento, a partir del flujo de alimentación y su contenido de

humedad inicial.

1.4 Justificación.

El presente estudio constituye un pequeño aporte de la Ingeniería

Mecánica a la industria de procesos (Industria Química, alimentaria,

industrial Farmacéutica etc.), teniendo en cuenta que el proceso de

secado requiere de máquinas eficientes para su realización. Estas

máquinas serán modeladas mediante conocimientos adquiridos a lo

largo de la carrera universitaria, de tal manera que se pueda brindar un

buen servicio tanto a la sociedad como al mercado laboral.

1.5 Objetivos del Estudio

1.5.1 Objetivo general

Obtener los parámetros de diseño de un secador de tipo

atomizador mediante modelamiento efectuado a partir del flujo de

alimentación y su contenido inicial de humedad.

1.5.2 Objetivos específicos

Efectuar balance de materiales y energía empleando un

producto agroindustrial con contenido de humedad inicial

definido, determinando el requerimiento de energía por peso de

producto a secar hasta un contenido de humedad conveniente.



6

Confeccionar algoritmo y programa fuente para obtener el

modelado de secador de atomización; estableciendo los

parámetros de ingreso: Flujo de material a secar diámetro y

velocidad de rotación del disco atomizador (comercial). Los

parámetros de salida: Flujo de agua, flujo de aire caliente, flujo

másico y volumétrico del aire y obtener parámetros de diseño

tales como: diámetro, altura del cono, altura de la parte

cilíndrica.



7

CAPITULO II

2 FUNDAMENTOS TEORICOS:

2.1 Antecedentes



8

(IRAIZOZ BARRIO, 2012). Público en la revista Cubana de farmacia,

el artículo: Incremento de disolución de un derivado del furano

mediante la técnica de secado por atomización.

El objetivo del trabajo fue el de incrementar la solubilidad en agua del

2-bromo-5-(2-bromo-2-nitrovinyl) – furano (G1) un ingrediente

farmacéuticamente activo sintetizado por el Centro de Bioactivos

Químicos de la Universidad Central de Las Villas, el cual constituye un

potente bactericida y fungicida, mediante la elaboración de

macropartículas de dispersiones sólidas utilizando un proceso de

secado por atomización.

Para la realización del estudio el autor ejecuto un ensayo preliminar de

secado por atomización de la suspensión de G1, compuesta por: 10 g

de G1, 1 g de Aerosil, Degusa, Bélgica), 1 g de laurilsulfato de sodio y

100 mL de agua. La atomización se efectuó en un equipo de laboratorio

(Buchi Mini Dryer spray) a 90 ºC. La dispersión sólida obtenida fue

caracterizada físico-químicamente mediante difracción de rayos X,

granulometría láser por el método de difracción angular, calorimetría

diferencial de barrido, microscopia electrónica de barrido y

espectrofotometría de absorción infrarroja.

Los resultados obtenidas fue que las partículas obtenidas presentaron

un pequeño tamaño, forma esférica y un incremento de la cristalinidad

del G-1; no se encontraron interacciones entre los componentes de la

dispersión ni presencia de productos de degradación, y la solubilidad

del G-1 en agua resultó notablemente incrementada [1].

(LOPEZ HERNÁNDEZ Y MARTINEZ ALVAREZ, 2013) con el tema:

“Design tools for vegetable extract spray drying processes for

pharmaceutical use.” El autor obtuvo en forma de polvo extractos y

jugos de origen vegetal empleando como equipo de secado el secado



9

por aspersión, porque es un método que preserva los componentes

naturales presentes en estos productos. La presencia de compuestos

como los azúcares impiden que estos puedan ser secados por

aspersión sin que se adhieran a las superficies internas del equipo, lo

que trae como consecuencia el bajo rendimiento en la recuperación del

producto. El uso de aditivos inertes como el almidón soluble, celulosa

o malto dextrina, favorece la recuperación del producto, elevando la

temperatura de transición vítrea.

Como objetivo se planteó aplicar herramientas para el diseño del

proceso de secado por aspersión de extractos de plantas. Para ello

determino las temperaturas de transición vítrea de diferentes extractos

por calorimetría de barrido diferencial. Se calcularon las temperaturas

de apelmazamiento y los índices individuales de secado.

Como resultados determinó, que el uso de aditivos en el proceso de

secado por aspersión de extractos de plantas permite obtener extractos

en polvo en aquellos casos que no es posible secarlos solos. La

metodología empleada, puede ser aplicada a distintos extractos y que

solamente se logra con el empleo de secadores por atomización.

Las conclusiones demostraron la factibilidad de la metodología

propuesta como herramienta para definir la concentración de

coadyuvante del secado y las temperaturas de secado [2].

(CAPOTE Y RODRÍGUEZ, 2010): “Diseño de secadores tipo spray

utilizando Microsoft Excel”. En el presente estudio el autor utilizó uno

de los equipos más costosos del proceso para la elaboración de

levadura producida a partir de mieles finales del proceso de producción

del azúcar crudo, producto que es muy utilizado como suplemento

proteico en las dietas de cerdos. Las plantas de este producto tienen

altos costos de inversión. El equipo más costoso del proceso es el

secador spray. En este equipo existen componentes muy complejos



10

que, necesariamente, deben ser comprados, pero la cámara de secado

puede construirse en nuestro país.

El autor efectuó el diseño de un secador spray utilizando hojas de

cálculo de Microsoft Excel, a partir de balances de materia y calor, así

como las condiciones del aire en cada etapa del secado, de forma tal

que, conocida la alimentación, sus características y las temperaturas

del aire, se puedan determinar las dimensiones de la cámara de secado

y del ciclón de separación. Se compararon los resultados con las

dimensiones reales de un secador existente en el país y se hicieron

corridas con valores de catálogos, concluyéndose que la metodología

es válida. [3]

(COOK Y DUMONT, 1991): “Process Draying Practice”. Esta se

desarrolló utilizando hojas de cálculo de Microsoft Excel, de forma tal

que, conocida la capacidad de secado, las características de la

alimentación y el agente calefactor, entre otras, se determina las

dimensiones de la cámara, las cuales cambian, automáticamente, al

cambiar algunos de los parámetros anteriores.

La metodología empleada se basó en la realización de balances de

masa y energía en la cámara de secado, y en la determinación de las

propiedades termodinámicas del aire en cada zona del secador.

Se definió como zonas del secador:

1. Entrada de aire al horno, usualmente a temperatura ambiente.

2. Entrada de aire caliente.

3. Interior de la cámara.

4. Entrada de aire auxiliar.

5. Salida de aire al ciclón (si no existe entrada de aire auxiliar, las

estaciones 4 y 5 son iguales).

El autor incluyó en sus cálculos un ajuste de la presión de operación,

teniendo en cuenta la altitud sobre el nivel del mar, la determinación de

la humedad que aportan los gases de combustión al aire, en

dependencia del tipo de combustible, su peso molecular, el número de



11

átomos de hidrógeno en su fórmula química y su valor calórico,

estimación de la temperatura del producto, a partir de las temperaturas

de bulbo húmedo y seco en la salida del secador, determinación de la

capacidad calórica del aire seco en cada zona, a partir de una correla-

ción de datos de la carta psicométrica. [4]

Se consideró como ecuaciones: Calor entrando al secador = calor

saliendo del secador + pérdidas (alimentación + aire) (producto + aire).

Una vez conocidos estos valores, se calcularon los flujos, las pérdidas

de calor y las condiciones de saturación del aire a la salida. Las

ecuaciones para el cálculo de la entalpía del vapor de agua, coeficiente

de transferencia de calor, presión de operación y los estimados de la

temperatura de bulbo húmedo del aire y del producto, son empíricas.

(Keenan y Kaye, 1978). [5]

(ORNA CHÁVEZ, 2012): “Estandarización del diseño de secaderos por

aspersión de materiales pastosos:” El objetivo del presente estudio fue

el de proporcionar a la industria un software que permita el óptimo

diseño de éste tipo de secaderos porque tienen gran importancia en la

manufactura de cerámicas, productos farmacéuticos, alimenticios, etc.

puesto que puede ser aplicado a materiales termolábiles, además

permite obtener productos con características específicas de humedad,

densidad, tamaño, entre otras.

El software establece una secuencia de cálculo para el

dimensionamiento de la cámara de secado y la selección de los

equipos necesarios tales como el ventilador principal, de extracción,

calefactor y bomba de alimentación, además del diseño de un ciclón de

alta eficiencia tipo Stairmand para la separación de polvos.

El autor evaluó los parámetros de diseño: similitud con secaderos

reales, optimizando el diseño para evitar pérdidas energéticas

garantizando la eficiencia del sistema.

Como resultados se obtuvo un software para la estandarización del

diseño de secaderos por aspersión de materiales pastosos, los valores



12

fueron comparados con un secador comercial marca SACMI modelo

ATM 12 obteniendo un error menor al 10%. Se puede concluir que el

software proporciona las dimensiones correctas para el diseño de la

cámara de secado y los parámetros para la selección de todos los

equipos requeridos teniendo un ahorro tanto económico como

energético.

El software desarrollado se denomina Spray Dryer y se puede ejecutar

en cualquier computador con plataforma Windows XP en adelante, ya

que en el paquete de instalación se han incluido todos los requisitos

para la correcta ejecución del mismo.

En el software además se puede introducir los costos de equipos,

materiales y mano de obra para poder realizar un análisis de costos del

proyecto de instalación de un secadero por aspersión. [6]

(ANZA HURTADO, 2003) “Diseño de un secador por atomización a

nivel piloto para jugo concentrado de tomate de árbol”.

El autor determino, cuantifico y optimizo experimentalmente las

variables de mayor incidencia para el diseño del equipo: flujo de

alimento y su contenido de sólidos, teniendo en cuenta la temperatura

del fluido de servicio (aire), temperatura en el interior de la cámara de

secado, humedad y tamaño de partícula en el producto final.

Asimismo determino las características de la cámara de secado y sus

diferentes componentes elaborando un programa o código de

computadora que contenga todas las ecuaciones de diseño, para

obtener las dimensiones de los equipos que intervienen en el proceso;

aplicadas a otras situaciones pero de las mismas características

señaladas calculando teóricamente la eficiencia térmica global y la de

evaporación. [7]

2.2 Teorías que sustentan el trabajo:



13

2.2.1 Secado por pulverización del producto a secar

Los secadores de tipo pulverizador se caracterizan por su gran

variedad de diseños, lo que refleja su empleo en los diferentes

productos de secado y los diversos requisitos del producto final.

Los secadores por pulverización pueden deshidratar una serie de

productos alimenticios, deshidratación de leche, diferentes

productos agroindustriales incluyendo antibióticos tal como la

estreptomicina, usando sus soluciones directamente en la forma

de eluatos (soluciones o sustancias obtenidas por un proceso de

elución). La aplicación del secador por pulverización, en el caso

del producto farmacéutico evita la necesidad de la deposición de

estreptomicina antes de secar, lo cual se asocia con una pérdida

de su salida.

Los secadores de pulverización son de alta eficiencia en el secado

continuo cuyo rendimiento varían de 5 - 5000 kg/h a través de la

evaporación.

Los secadores tienen diferentes diseño del atomizador pudiendo

ser neumático o rotativo, la dirección del movimiento y solución de

refrigerante (co-corriente, contra corriente, corriente mixta) que

permite cada caso, una más eficaz y económica opción.

2.2.2 Aplicaciones de secadores por atomización.

Existe una amplia gama de productos que requieren el uso del

sistema de secado por atomización (Spray Dryer), que mantiene

las propiedades físico - químicas de los productos y que en

algunos casos llega a mejorar esas propiedades. A través de una

solución, emulsión, suspensión o pasta, es enorme la diversidad

de productos que se pueden secar por medio de este sistema en



14

las industrias Química y Alimenticia. Leche en polvo, jugos,

sopas instantáneas, detergentes, etc., son algunos de los

ejemplos de conocimiento general.

El Secado por Atomización o Secado Spray es también usado

para la preservación de los alimentos. Mediante este proceso

simple y ultrarrápido, se consigue secar los sólidos y sólidos

solubles, con alta calidad, preservando las características

esenciales de los mismos. Este proceso también ofrece ventajas

en la reducción de los pesos y volúmenes.

2.2.3 Operación de los secadores por atomización.

La operación de secado por atomización se caracteriza en

pulverizar el fluido dentro de una cámara sometida a una

corriente controlada de aire caliente. Este fluido es atomizado en

millones de micro gotas individuales mediante un disco rotativo

o boquilla de pulverización. A través de este proceso el área de

la superficie de contacto del producto pulverizado se incrementa

mil veces y cuando se encuentra dentro de la cámara con la

corriente de aire caliente de secado produce la vaporización

rápida del solvente del producto, generalmente agua,

provocando frigorías en el centro de cada micro gota donde se

encuentra el sólido, que seca suavemente sin producir un gran

choque térmico, transformándose el producto de alto contenido

de humedad ( solución o suspensión) en polvo y el proceso

termina con la deshidratación y la colecta del mismo (Spray

Process . 2009).



15

Figura 1. Mecanismo de secado. Fuente: Secado por aspersión,

Universidad del Tolima, Colombia, pág. 12

El tamaño óptimo de la cámara y su forma dependen del tamaño

de la gota y la forma del spray producido por el atomizador.

Cámaras de secado de flujo en paralelo son aquellas donde

tanto el atomizador como el flujo de aire están localizados en la

cima o aun lado de la cámara. Los tipos (a) y (b) son los más

comunes. El de tipo (a) tiene flujo de aire rotatorio e inclinado. El

tipo (b) tiene línea de corriente inclinado. En el tipo (c) el aire

debe prevenir que las partículas secas se asienten cuando el

flujo está dirigido hacia arriba. El tipo (d) requiere flujo de aire

opuesto que permite que las partículas caigan en la base de la

cámara. [8]



16

Figura 2: Flujo de corrientes de aire, y producto a secar

2.2.4 Elementos de un secador por atomización o spray

Básicamente un sistema de atomización tiene cinco elementos

esenciales: un calentador de aire, una cámara de secado, un

dispositivo para dispersar el material a secar (boquilla), una

bomba para impulsar el líquido hacia la cámara de secado y un

sistema de recolección de las partículas secas. [6]

Figura 3: Elementos de un secador por atomización.



17

Estos elementos esenciales cuentan con sus respectivos

componentes los cuales se puede observar en la siguiente

figura.

Figura 4: Componentes del Secador por atomización o spray

Los principales componentes de un secador por atomización o

secador spray son:

1) Tanque de alimentación.: Se ingresa el producto a secar

en estado líquido aproximadamente 40 a 60 % de humedad.

2) Filtro de producto: Teniendo en cuenta que el producto a

secar puede tener partículas que obstruyan la bomba, esta

es filtrada antes de ingresar a la misma.

3) Bomba dosificadora: Es una bomba tipo peristáltica que

succiona el producto a secar hacia el atomizador que se

encuentra dentro del secador.

4) Conjuntos de cañerías, válvulas y accesorios: Que llevan

el producto a secar proveniente de la bomba.



18

5) Quemador completo: Quemador de GLP, para producir

gases de combustión que calientan las paredes internas del

secador.

6) Generador de gases: Constituye la cámara de combustión

del GLP caliente directo.

7) Atomizador completo: Tiene como objetivo crear la

máxima superficie posible de la cual tendrá lugar la

evaporación. Este dispositivo gira de 20 000 a 50000 rpm

produciendo la atomización de las partículas del producto a

secar.

Figura 5: Boquilla del atomizador rotatoria. Fuente

NIRO 2003

8) Dispersor de aire caliente. Proporciona el aire

precalentado por los gases de combustión sin mezclarse

ambos fluidos.

9) Cámara de secado: Espacio del secador donde se produce

el secado del producto al chocar con las paredes calientes

del secador. Debe tener el tamaño requerido para que el

tiempo de residencia de las gotas sea requerido para el

secado.



19

10) Conductos de interconexión: Conduce el aire y el polvo

del producto seco hacia el ciclón succionado por otro

ventilador centrífugo.

11) Ciclón de salida de producto: Su función es separar el

producto seco del aire que se expulsa a la atmosfera, por lo

que permite al producto seco en polvo salir por la parte

inferior para su envasado y por la parte superior aire con

algunas partículas de polvo.

12) Válvula rotativa: Produce la descarga del producto seco.

13) Ventilador de aspiración: Aspira el polvo seco del

producto.

14) Chimenea: Salida de gases de combustión del GLP.

15) Tablero de control y comando: Contiene el sistema

automático para control del secado, sistema de combustión,

termómetros de entrada del aire inicialmente y de salida del

aire caliente.

16) Lavador de gases efluentes: Es opcional pues algunos

equipos como el empleado en la UNT no tiene .Este

dispositivo permite lavar los gases para evitar contaminación

ambiental.

2.2.5 Calculo de secadores por atomización

La concepción de una instalación de secado pasa inicialmente

por la determinación de la velocidad o el tiempo de secado. de

estos parámetros dependen el volumen del secador y, para el

funcionamiento en discontinuo, el número de ciclos y su

frecuencia. El volumen V de un secador funcionando en

continuo, está ligado al tiempo de residencia del sólido

(correspondiente a su vez, al tiempo de secado) por:



20

. .(1- )V fs

ms

…… (1)

Dónde:

θ: Es el tiempo de secado

ρs: Es la densidad del sólido seco

ms: Flujo másico de sólidos

V: Es el volumen del secador

f : Fracción del volumen del secador utilizado

Además como:

.CV A Z …… (2)

Donde:

Z: Longitud del secador

Ac: Área transversal del secador,

Reemplazando (2) en (1) tenemos:

. . .(1- )CA Z f

s

ms

…….. (3)

La eficiencia termica de un secador atomizador va a depender

de las temperaturas de operación y se define como:

min

calor usado en la evaporaciónEficiencia

calor su istrado …..(4)

Este valor puede evaluarse por medio de un balance de materia

y energia.



21

Balance de energía en el secador de atomización

2. . . .( ).( )

g a w

a w

K d T Tdw h AT T

dt

2 / Re 20h Kf d para …….. (5)

Dónde:

w : Humedad (kg agua /kg de sólido seco)

t : Tiempo (s),

Km: Coeficiente de transferencia de masa (kg/m-s )

pw : Presión parcial del agua (kPa),

pa:: Presión parcial del aire (kPa),

Deff : Difusividad efectiva,

ρl : Densidad del líquido (kg/m3)

ρg: Densidad del gas (kg/ m3)

d : Diámetro d la gota (m).

Mw: Peso molecular del agua.

Rg : Constante universal de los gases.

h: Coeficiente de transferencia de calor. kJ ⁄ h.m2 oC

λ : Calor latente de vaporización. kJ ⁄ kg

Kg : Conductividad térmica del aire. J/(m·s·K)

Tw : Temperatura de bulbo húmedo: o C

Kf : Conductividad térmica en la película. J/(m·s·K)



https://es.wikipedia.org/wiki/Julio_%28unidad%29

https://es.wikipedia.org/wiki/Metro

https://es.wikipedia.org/wiki/Segundo_%28unidad_de_tiempo%29

https://es.wikipedia.org/wiki/Kelvin

https://es.wikipedia.org/wiki/Julio_%28unidad%29

https://es.wikipedia.org/wiki/Metro

https://es.wikipedia.org/wiki/Segundo_%28unidad_de_tiempo%29

https://es.wikipedia.org/wiki/Kelvin

22

CAPITULO III



23

3 MATERIALES Y METODOS

3.1 Materiales: Productos agroindustriales

Jarabe de Yacon (Smallanthus Sonchifolius)

Jarabe de arándano rojo (Vaccinium oxycoccus u Oxycoccus

palustris)

3.2 Métodos

3.2.1 Metodología de la investigación.

Se redactó el presente informe respetando los conocimientos

básicos de la metodología de la investigación y siguiendo la

estructura brindada por la Escuela Académico Profesional de

Ingeniería Mecánica.

Método a aplicar: Diseño descriptivo transeccional de una sola

casilla.

B1: Muestra experimental

X,Y,Z : Estimulo

En los estudios correlacionales / causales se mide las relaciones

entre 2 o más variables. Entonces el diseño de una sola casilla

tal como se observa en la figura.

Grupo o muestra

experimental



https://es.wikipedia.org/wiki/Vaccinium_oxycoccus



24

Los diseños de investigación transeccional o transversal

recolectan datos en un solo momento, en un tiempo único. Su

propósito es describir variables, y analizar su incidencia e

interrelación en un momento dado; es decir los datos obtenidos

del diseño del secador spray es para un determinado valor actual

de flujo de alimentación de material a secar con un contenido

único empleado en el momento de aplicar el software para el

modelamiento. La variable independiente flujo de alimentación y

contenido de humedad inciden directamente en el

modelamiento (diseño) del secador en un tiempo único (al

momento de ingresar al secador).

3.2.2 Variables del problema

Variables independientes

Flujo de alimentación

Contenido inicial de humedad

Variables dependientes

Parámetros de salida:

Flujo final de agua

Flujo másico de aire caliente

Flujo másico de producto a secar

Parámetros de dimensión

Diámetro del secador

Altura de la parte cilíndrica del secador

Altura total



25

Parámetros de energía

Suministro de energía

Dimensiones de complementos del secador de atomización

Altura del ciclón parte cilíndrica

Altura del ciclón parte cónica

Diámetro del ciclón

Diámetro de descarga del ciclón

Dimensiones de ventilador centrifugo

Dimensiones de bomba peristáltica

3.2.3 Procesamiento de datos

Se realizará el diseño de base de datos y codificación de las

variables para luego ser ingresada la información para su

procesamiento y análisis; se tendrá en cuenta la matriz de

consistencia para su mejor orientación.

Tabla 1: Matriz de consistencia

MODELAMIENTO DE DISEÑO DE SECADOR ATOMIZADOR A PARTIR DEL FLUJO DE ALIMENTACION Y CONTENIDODE HUMEDAD INICIAL.

“

ANÁLISIS CAUSAL

Cuando un proceso es modelado, con ayuda de un software pueden apreciarse con facilidad las interrelaciones existentes entre las condiciones de operación y las dimensiones del equipo Al mismo tiempo, los problemas existentes pueden ponerse de manifiesto claramente dando la oportunidad al inicio de acciones de mejora en el diseño.

.

VARIABLES

V. Independiente:

Flujo de alimentación

Contenido inicial de humedad

V. Dependiente:

Modelamiento de diseño:

Diámetro de secador y altura

Consumo de energía

Potencia de bomba



26

3.3 Técnicas:

La técnica que consiste en observar atentamente el fenómeno, hecho

o caso, tomar información y registrarla para su posterior análisis. La

observación es un elemento fundamental de todo proceso

investigativo; en ella se apoya el investigador para obtener el mayor

número de datos.

Para la ingeniería Mecánica, química, física, ing. Metalúrgica etc. por

lo general emplean técnicas experimentales para obtener los datos

que se requiere a diferencia de las otras ciencias.

Los datos obtenidos mediante la técnica experimental son: tiempo de

secado, consumo de combustible, dimensiones del secador, flujo de

aire etc. tuvo necesidad de emplear la técnica experimental

empleando un secador spray piloto y también empleando soluciones

concentradas de arándanos y jarabe de yacón.

PROBLEMA TEMATIZACIÓN CONTEXTUALIZACIÓN

Determinar las dimensiones de un equipo de secado de alto rendimiento, mediante atomización de la sustancia a secar sin ocasionar deterioro de la calidad al tratar un producto termolábil.

El modelamiento de las ecuaciones que involucran el balance de materia y energía y las condiciones psicrometricas del aire permiten dimensionar al secador a partir de su flujo de alimentación y su contenido de humedad inicial.

Todo tipo de productos con alto contenido de humedad en estado de solución.

PROBLEMA PRINCIPAL

¿Cómo se puede determinar los parámetros de diseño de un secador tipo atomizador teniendo en cuenta el flujo de alimentación y su contenido de humedad inicial del producto?

OBJETIVO GENERAL

Obtener los parámetros de diseño de un secador de tipo atomizador mediante modelamiento efectuado a partir del flujo de alimentación y su contenido inicial de humedad.

HIPÓTESIS CENTRAL

El diseño de un secador atomizador se puede obtener mediante modelamiento, a partir del flujo de alimentación y su contenido de humedad inicial.



27

CAPITULO IV



28

4 RESULTADOS Y DISCUSION

4.1 Resultados del secado de suplemento de arándano y polen

La tabla 2 muestra resultados del secado de suplemento de arándano

y polen para determinar el tiempo y temperatura de secado.

Tabla 2: Prueba experimental en secador de atomización piloto en la

muestra: Suplemento de arándano y polen. Cortesía de la Facultad de

Ingeniería Química UNT

Elaboración-suplemento de arándano y polen

Insumo Peso Unidad Observaciones

Líquido 0,752 kg

0,750 L

Polen 0,006 kg kg

Líquido + Polen 0,756 kg kg Después de licuado

Goma Arábica 0,8 kg kg

Agua para dilución de goma arábiga

70,0 ml mL

100°C °C

Producto a secar:

Líquido + Polen + agua + goma arábica

1,148 kg Después de batido

0,890 L

Proceso de secado en atomizador

Tiempo de secado 5 min.

Temperatura de salida 90°C

Temperatura de entrada 145°C



29

Tabla 3: Dimensiones de secador de atomización piloto. Cortesía de la

Facultad de Ingeniería Química UNT.

4.2 Resultados del secado del jarabe de yacón

Tabla 4: Prueba de muestra de jarabe de yacón al secador de

atomización

Equipo de secado por atomización

Dimensiones :(mm)

Altura de parte cilíndrica: 965 mm

Altura de parte cónica:762 mm

Diámetro de parte cilíndrica: 660 mm

N°

MUESTRA DE YACON Agua para dilución de goma

Peso de goma

arábiga (g) Entrada de producto a secar (kg)

Densidad ( °Bx )

Temperatura (°C)

Salida de producto seco (g)

Cantidad de agua

(ml)

Temperatura de calentamiento de la solución de goma (°C)

1 1,074 15,5 15,0 150 80 78 100

2 1,044 17,5 17,5 172 80 75 100

3 1,048 14,8 14,5 126 80 79 100



30

Tabla 5: Prueba de muestra de jarabe de yacón al secador de atomización

piloto

Tabla 6: Resultados promedio de prueba de secado de muestra de jarabe

de yacón al secador de atomización piloto

Entrada de producto a secar (kg)

Densidad de entrada

°Bx

Temperatura de entrada del

jarabe de yacón (°C)

Producto seco de

salida (kg)

T° de entrada en el secador

(°C)

T° de salida del

secador(°C)

Tiempo de secado

(min.)

1,055 16,0 15,7 0,1493 150 80 7,3

N°

Muestra de yacón Secador

Tiempo de secado (min)

Entrada de producto a secar (kg)

Densidad de

entrada °Bx

Temperatura de entrada del jarabe

de yacón (°C)

Producto seco de

salida (kg)

T° de entrada en el secador

(°C)

T° de salida del

secador(°C)

1 1,074 15,5 15,0 0,150 150 80 7,00

2 1,044 17,5 17,5 0,172 150 80 8,42

3 1,048 14,8 14,5 0,126 150 80 6,47



31

Figura 6: Pesado de 100 g de jugo de arándano en balanza analítica.

Figura 7: Mezclado de goma arábica, agua y el jugo de arándano.

Figura 8: Agregado del polen a la solución de arándanos



32

Figura 9: Atomizado del jugo de arándano más polen.

Figura 10: Temperaturas de entrada y salida en el secador atomizador.

.



33

4.3 Descripción del algoritmo

Se ingresa como variables:

Flujo másico de producto seco (mps) en kg ⁄ h : el contenido de humedad

inicial en el producto a secar (%) , ademas de la velocidad del

atomizador (N) en rpm. el cual sera de adquisicion comercial.

El programa determina como variables de salida:

Flujo másico del producto a secar (mpi) en kg ⁄ h el cual se determinó

en función del producto seco y el contenido de humedad porcentual

(tanto por uno) con que ingreso el producto (debe evaluarse el

contenido inicial de humedad en el producto a secar).

El flujo de aire requerido para el secado se determinó directamente del

secador experimental de tipo atomización el cual emplea una relación

de 18,64kg de aire ⁄ kg de producto a secar.



34

INICIO

INGRESAR: mps ,Hi; ;

N

Flujo másico del producto a secar

mpi = mps ⁄ (1- Hi ) (kg ⁄ h)

Flujo de aire caliente: mac = 89,48 mps (kg ⁄ h)

Flujo volumétrico de aire: θac = 1,80 mps (m3 ⁄

min)

Altura del cilindro: HCS = (0,1283 mps ) 0,333 (m)

Flujo de agua evaporada: (kg ⁄ h)

mae = [ mps - ( mps - Hi mps ) ] ⁄ (1 - 0,01 Hi )

Flujo de calor requerido: Qs = 11856 mps (kJ ⁄ h)

Combustible (GPL): mcomb = 0,26 mps (kg ⁄ h)

Diámetro del secador: DS = (0,0384 mps) 0,333 (m)

Altura del Secador: HS = (0,6912 mps ) 0,333 (m)

TERMINAR

IMPRIMIR.

mpi ; mac; θac; mae; Qs;

mcomb; DS; HCS; HS

Figura 11: Algoritmo de programa computarizado para dimensionar

secador de atomización



35

4.4 Dimensionamiento de complementos del secador atomizador

4.4.1 Determinación del ventilador estándar

Selección del ventilador centrifugo

Para la elección del ventilador centrifugo para el secador de

atomización se tuvo en cuenta que los ventiladores centrífugos son

los equipos que permiten una mayor presión estática comparado con

los tipos axiales y helicoidales; por lo tanto se indica a continuación

la forma de seleccionar el ventilador centrifugo apropiado para el

sistema.

El caudal y la presión requerida dependerán del tamaño del secador

y son los parámetros necesarios para la correcta selección del

ventilador y la determinación del montaje de la transmisión y

potencia del motor.

4.4.2 Determinación del motor

Elección del motor:

Las curvas de potencias indicadas en la Figura 4.7 son potencias

absorbidas al eje del ventilador en kw.



36

Figura 12: Curva del ventilador centrífugo. Referencia: Nicontra Gebhard

Para el empleo de la gráfica de la figura se requiere conocer el flujo

de aire contaminado a evacuar: Vg = 30,0m³/min (1800 m³/h) y el

valor de presión estática requerida: SP 250 mm de columna de

agua.

En la gráfica se ubica en las abscisas el valor de 1848 m³/h

En las ordenadas se ubica la presión estática de 2500 Pa (250 mm.

de columna de agua); según la gráfica del fabricante se puede

distinguir una eficiencia de 60% y una potencia de 2,1 kW. De

potencia del motor.



37

Potencia del motor ventilador (hp)

Presión estática: SP. 25 cm de columna de agua

Eficiencia mecánica: 0,7 (para ventiladores centrífugos)

Empleando la ecuación para ventiladores (Perry J. Tomo II pag.

2241):

hp = 0,00222* Vg *SP/η (4.1)

Dónde:

Vg : Flujo de gases :m ³/min.

SP. Presión estática: SP: cm. de columna de agua:

η: Eficiencia mecánica del ventilador: 0,70

Potencia según catalogo (Ventilador estándar Seat 25) Seat

Ventilator

Teniendo en cuenta que el requerimiento de aire para el secador;

teniendo en cuenta la presión constante de 25 cm de columna de

agua; la cual puede ser regulable según el tamaño de secador de

atomización y se expresa según la ecuación:

θac = 1,80 mps (4.2)

Reemplazando la ecuación 3.2 en 3.1 se tiene:

hp = 0,00222 (1,80 mps ) 25 /0,7 (4.3)

Se tiene: hp = 0,1427 mps en hp

PV = 0,1065 mps en kw (4.4)



38

Figura 13: Ventilador centrífugo para extracción de producto seco



39

INICIO

INGRESAR

mps

POTENCIA DE LA BOMBA DE DOSIFICACION

PB = 0,92 mps ⁄ (1- Hi) (w)

POTENCIA DEL VENTILADOR CENTRÍFUGO

PV = 0,1065 mps (kw)

DIAMETRO DEL CICLON

DC = 0,1037 mps0,333 (m)

DIMENSIONES DEL CICLON (m)

H = = 0,4148 mps0,333

h = = 0,1556 mps0,333

B = 0,04 mps0,333

De = 0,052 mps0,333

a = 0,052 mps0,333

b = 0,0187 mps0,333

TERMINAR

IMPRIMIR

PB, PV, DC

H h B De a b

Figura14: Algoritmo para el dimensionamiento de los complementos del

secador de atomización



40



41

Figura 15: Diseño del ciclón para recuperación de producto seco

Empleando la relación empírica de Rossin, Rammler e Intelmann :

µ = viscosidad del gas;

r = Densidad del gas;

r S = Densidad del sólido

4.4.3 Calculo del diámetro del ciclón experimental (DC)

DC = 13,96 v (rs-r).D’2 ⁄ µ

v: Velocidad de entrada del gas al ciclón ( recomienda usar 10 / s );



http://www.monografias.com/trabajos13/visco/visco.shtml


42

r : Densidad del gas (aire): 0,001094 g ⁄ cm3 (para temperatura de

salida de los gases calientes hacia el ciclón: 50-70oC determinado

a partir de ecuación de gases ideales).

r s = Densidad promedio del sólido seco : 1,2 g ⁄ cm3

D’= Diámetro de corte de para el tamaño de partícula: 16,67x10-4 cm

µ = Viscosidad del aire caliente: 1,96 x10-4 g ⁄ cm. s

DC = 13,96 v (rs-r).D’2 ⁄ µ

Reemplazando valores:

DC = 1,396. 1000. (1,1990). (16,67x10-4) 2 ⁄ 1,96 x10-4

DC=23,73 cm

Por escalamiento teniendo en cuenta el diámetro del secador de

atomización piloto cuyo diámetro es de 77,3cm se tiene una relación

R = 23,73 ⁄ 77,3

DC ⁄ DS = 0,307

Teniendo en cuenta el algoritmo de programa para determinar el

diámetro del secador y relacionándolo al ciclón se tiene:

DS = (0,0384 mps) 0.333

DC = 0,307 (0,0384 mps) 0,333

DC = 0,1037 mps0,333 en (m)




43

Se determina las dimensiones del ciclón en función del diámetro del

ciclón:

Tamaño de partícula > 100 m.

S = 0,65 DC

H = 4 DC

h = 1,5 DC

B = 0,375 DC

De = 0,5 DC

a = 0,5 DC

b = 0,180 DC

Reemplazando el diámetro del ciclo en las relaciones para el

dimensionamiento se tiene:

S = 0,65 x 0,1037 mps0,333 = 0,06741 mps

0,333

H = 4 x 0,1037 mps0,333 = 0,4148 mps

0,333

h = 1,5 x 0,1037 mps0,333 = 0,1556 mps

0,333

B = 0,375 x 0,1037 mps0,333 = 0,04 mps

0,333

De = 0,5 x 0,1037 mps0,333 = 0,052 mps

0,333

a = 0,5 x 0,1037 mps0,333 = 0,052 mps

0,333

b = 0,180 x 0,1037 mps0,333 = 0,0187 mps

0,333



44

CAPITULO V



45

5 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

5.1 CONCLUSIONES

Para el modelamiento del secador de atomización se realizó un

balance de materiales y energía empleando productos

agroindustriales con contenido de humedad inicial definidos,

determinando el requerimiento de energía por peso de producto a

secar hasta un contenido de humedad conveniente.

Para el modelamiento se efectuó primeramente un algoritmo y el

respectivo programa fuente para obtener el modelado de secador de

atomización; estableciendo las variables de entrada: Flujo de material

a secar diámetro y velocidad de rotación del disco atomizador

(comercial). Como resultados de aplicación del programa

computarizado se determinaron los parámetros de salida: Flujo de

agua, flujo de aire caliente, flujo másico y volumétrico del aire y

obtener parámetros de diseño tales como: diámetro, altura del cono,

altura de la parte cilíndrica. Efectuar balance de materiales y energía

empleando un producto agroindustrial con contenido de humedad

inicial definido, determinando el requerimiento de energía por peso de

producto a secar hasta un contenido de humedad conveniente.

5.2 RECOMENDACIONES

Se recomienda una adecuada dosificación del producto a secar el

cual debe ser uniforme (no pulsante) y constantemente controlada. La

correcta variación gradual de la dosificación, hace con que el equipo

tenga un período de trabajo continuo, sin eventuales interrupciones.

El líquido a secar debe ser bombeado mediante una bomba

peristáltica de velocidad variable hasta la parte superior de la cámara

de secado para proporcionar un flujo muy homogéneo y un caudal



46

constante. Es atomizado por una boquilla de dos fluidos, y entra en la

cámara de secado como dispersión de finas gotitas.

Un ventilador centrífugo de velocidad variable proporciona control

sobre el flujo de aire de entrada, y se obtiene una temperatura de

entrada constante usando un controlador de tres términos en

combinación con un calentador eléctrico.

El equipo debe tener un ventilador de velocidad variable para la

aspiración del aire de la cámara a través de un separador ciclónico.

Este sistema de ventiladores deberá proporcionar flexibilidad para

operar la cámara con presiones variables y tiempos de permanencia

también variables.

REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS



47

[1] Iraizoz Barrio (2012):”Incremento de disolución de un derivado del furano

mediante la técnica de secado por atomización.” Revista Cubana de Farmacia

Versión impresa ISSN 0034-7515. Rev Cubana Farm vol.46 no.2 Ciudad de

la Habana abr.-jun. 2012

[2] Lopez Hernández y Martinez Alvarez (2013):”Design tools for vegetable

extract spray drying processes for pharmaceutical use.” Centro de

Investigación y Desarrollo de Medicamentos (CIDEM). Ciudad de La Habana,

Cuba.

IILicenciado en Química. Máster en Ciencias. CIDEM. Ciudad de La Habana,

Cuba.

[3] Capote y Rodríguez (2010):”Diseño de secadores tipo spray utilizando

Microsoft Excel. Departamento de Diseño e Ingeniería, Instituto Cubano de

Investigaciones de los Derivados de la Caña de Azúcar (ICIDCA), Vía Blanca

no. 804 y Carretera Central, San Miguel del Padrón. E-mail:

[email protected]

[4] Cook, E. M., and H. D. Dumont: Process Draying Practice, 1991.

[5] ICIDCA: Manual de los derivados de la caña de azúcar, tercera edición,

2000. Keenan, J. H., and J. Kaye: Steam Tables, Wiley, New York, 1948.

[6] Orna Chávez (2012): “Estandarización del diseño de secaderos por

aspersión de materiales pastosos:”

[7] Anza Hurtado (2003) “Diseño de un secador por atomización a nivel piloto

para jugo concentrado de tomate de árbol”.

[8] Spray drying Handbook. Quinta edición. London: longman Scientific &

Technical, 1991.

Orestes D. et al.(2013) .” Herramientas para el diseño de las condiciones del

proceso de secado por aspersión de extractos vegetales para uso

farmacéutico”.



http://scielo.sld.cu/scielo.php?script=sci_serial&pid=0034-7515&lng=es&nrm=iso

48

Cairo, G., A. Ferrari Costa y M. Gutiérrez: “Secado Spray. Hoja de Cálculo

Excel”. Disponible en: http://www.angelfire.com/in4/ing-alimentos/ SECADO

SPRAY.xls

Catálogo de Ofertas de Secadores. Disponible en: http://

www.sprayprocess.com



49

ANEXOS



50

Figura A-1 Esquema de secador por atomizacion

Figura A-2 Instalacion tipica de secado por atomizacion



51



52

Prueba experimental

El Secador de Spray (SSPB) permite el estudio de procesos que involucran

emulsiones acuosas, disoluciones, suspensiones y disoluciones coloidales.

Una bomba peristáltica distribuye la muestra líquida desde un depósito hacia

la cámara de secado a través de un pulverizador de pequeño diámetro. Al

mismo tiempo entra aire comprimido por el tubo exterior del pulverizador, lo

que provoca que el líquido salga del pulverizador en forma de aerosol

atomizado finamente para entrar en la cámara de secado. Se suministra aire

caliente a la cámara de secado, evaporando el líquido contenido en el aerosol

atomizado.

Las partículas sólidas del material se separan del flujo de aire de salida

mediante un ciclón y se recogen en un recipiente colector. El flujo de aire de

salida se dirige a la atmósfera o a un sistema de extracción existente en el

laboratorio.



53

El Secador de tipo atomización permite procesar emulsiones acuosas,

disoluciones, suspensiones y disoluciones coloidales. Estos equipos son

Adecuados solamente para muestras acuosas.

La transferencia de masa y energía se efectúa en corriente paralela

descendente (se ponen en contacto una corriente fina de producto con una

corriente de aire caliente proveniente del ventilador).

El equipo dispone de un panel, de control en su estructura, que contiene

medidores de temperatura, interruptor de encendido/apagado y una bomba de

alimentación, interruptor de encendido/apagado del ventilador y la cámara

de combustión de gas licuado de petróleo (GLP).

Capacidad de secado máxima: 1000 ml/h. aprox.

Intervalo de temperaturas: 40 – 200ºC (temperatura a la entrada).

3 Intervalo de volúmenes de aire seco: 0,2 – 0,65 m3 /min.

2 Intervalo de presiones del aire atomizado: 0,5 – 2,5 kg/cm.

Intervalo de volúmenes de la bomba de alimentación: 102 - 1800 ml/h. aprox.

Presión del aire máxima: 70 mbar.

El ventilador y la resistencia se encuentran dentro de una carcasa recubierta

de polvo químicamente resistente.

Todas las abrazaderas y accesorios están diseñados para permitir fijar y retirar

los elementos de vidrio de forma rápida y sencilla.

Intervalo de temperaturas: 40 – 200ºC (temperatura a la entrada).

3 Intervalo de volúmenes de aire seco: 0,2 – 0,65 m3 /min.

2 Intervalo de presiones del aire atomizado: 0,5 – 2,5 kg/cm2.

Intervalo de volúmenes de la bomba de alimentación: 102 - 1800 ml/h. aprox.

Presión del aire máxima: 70 mbar.

El ventilador y la resistencia se encuentran dentro de una carcasa recubierta

de polvo químicamente resistente.

Todas las abrazaderas y accesorios están diseñados para permitir fijar y retirar

los elementos de vidrio de forma rápida y sencilla.

Ventilador:



54

Potencia: 0,4 kW.

Velocidad: 3000 rpm.

3 Flujo de aire de secado: 70 m3 /h (fijo).

Resistencia de calentamiento de 3kW.

Cámara de secado:

Material: vidrio de borosilicato.

Incluye un inyector de spray de 0,5 mm. de diámetro.

El pulverizador incluye un dispositivo manual para evitar obstrucciones que

previene que la tobera se bloquee.

Bomba de alimentación: bomba peristáltica.

Ciclón:

Dimensiones: 500 x 500 x 1200 mm. aprox.

Discusion

El secado es un proceso mediante el cual el agua contenida en una sustancia

se elimina total o parcialmente. Esta definición se puede aplicar a sólidos,

líquidos o gases. El secado o la deshidratación es un proceso de conservación

de alimentos que permite eliminar una gran cantidad de agua del producto,

inhibiendo toda actividad microbiana o enzimática que podría deteriorarla.

El secado por spray o atomización es un proceso de secado en el que una

sustancia líquida se dispersa en gotas muy finas en medio de una corriente

de gases calientes. De esta forma la humedad de cada gota se evapora

rápidamente, dejando partículas de desecho de polvo seco que deben

separarse de la corriente de aire.

Esta técnica se puede emplear en un amplio rango de aplicaciones donde se

requiere la producción de una muestra de polvo que no se apelmace. Esta

técnica se ha utilizado con éxito para procesar materiales en las siguientes

áreas: bebidas, derivados lácteos y del huevo, extractos de plantas y



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vegetales, materiales susceptibles al calor, extractos de pescado, cereales,

etc.

El menor rendimiento (34,7 %) se obtuvo para una temperatura de 110 ºC, 20

mL/min de alimentación y 100% de aspiración. Esta situación podría

explicarse por el aumento de la velocidad de alimentación, ya que las gotas

formadas no se secaron completamente, formando un film húmedo en la

cámara de secado y en el ciclón

Contrastando con la temperatura de entrada que solamente es controlada a

través del quemador, la temperatura de salida tiene varios controles, resultado

de los siguientes parámetros:

- Temperatura de entrada.

- Caudal del aire.

- Caudal de la bomba dosadora.

- Concentración del producto a secar.

-La diferencia existente entre la temperatura de entrada y la temperatura de

salida es llamada "At" y es uno de los puntos más importantes a tener en

cuenta cuando estamos secando por atomización (spray drying).

-Aumentando la diferencia de la temperatura "At" con mayor ingreso del

producto en la cámara y manteniendo la temperatura de entrada constante,

aumentará la humedad residual del producto.

-Un punto importante que debemos destacar para poder obtener un producto

específico es el tipo de horno a ser utilizado. Son denominados horno

DIRECTO E INDIRECTO.

-El secador con horno directo utiliza los mismos gases de combustión de

combustibles líquidos o gaseosos para calentar el aire de secado. Esta

mezcla entra en contacto con el producto.

-El secador con horno indirecto utiliza cualquier fuente térmica para calentar

el aire de secado que a través de un intercambiador de calor calienta el

mismo.

-En el secador con horno indirecto solamente entra aire caliente atmosférico



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y/o previamente filtrado.

-Para un correcto funcionamiento del secado por spray (spray dryer) la

dosificación del producto debe ser uniforme (no pulsante) y constantemente

controlada por microprocesador. La correcta variación gradual de la

dosificación, hace con que el equipo tenga un período de trabajo continuo,

sin eventuales interrupciones.

El líquido a secar es bombeado hasta la parte superior de la cámara de secado

por una bomba de cavidad progresiva de velocidad variable que proporciona

un flujo muy homogéneo y un caudal constante.

Es atomizado por una boquilla de dos fluidos, y entra en la cámara de secado

como dispersión de finas gotitas.

Se introduce una corriente de aire caliente en la cámara y sobre las gotitas,

causando una evaporación súbita de la humedad superficial.

La humedad absorbida de las partículas es evaporada en el tiempo que éstas

tardan en caer al punto de descarga en la base del cono (el tiempo de

permanencia).

En esta configuración, la temperatura de la partícula nunca superará la

temperatura de bulbo húmedo del aire de salida.

Un ventilador centrífugo de velocidad variable proporciona control sobre el

flujo de aire de entrada, y se obtiene una temperatura de entrada constante

usando un controlador de tres términos en combinación con un calentador

eléctrico.

Otro ventilador de velocidad variable aspira aire de la cámara a través de un

separador ciclónico.



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Este sistema de ventiladores ‘Push-Pull’ proporciona flexibilidad para operar

la cámara con presiones variables y tiempos de permanencia también

variables.

Se proporcionan dos puntos de recogida de polvo, uno en la base de la

cámara principal, y uno en el separador ciclónico.

Esto permite recoger simultáneamente y por separado partículas de diferentes

tamaños.

La humedad relativa del aire de salida puede ser medida y controlada a fin de

que el sistema funcione al nivel requerido de HR.

La boquilla es una boquilla atomizadora de dos fluidos, de mezclado exterior.

El aire comprimido es dirigido al flujo de líquido al salir éste del cuerpo de la

boquilla, atomizándose el líquido inmediatamente.

Con este tipo de boquilla, el orificio es más grande que el de una boquilla de

un solo fluido, y por tanto es posible atomizar productos más viscosos e

incluso productos que contienen sólidos en suspensión



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Figura A-1 Empaquetado del producto seco de Oligofructano de Yacon



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Figura A-2 Producto seco ,Oligofructano de Yacón



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Figura A-3. Pesado de Oligofructano de Yacón



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TESIS REALIZADA PARA OPTAR EL TITULO DE INGENIERO ...

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