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
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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
Br. WILINTHON JAVIER RUIZ SÁNCHEZ
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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
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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
Br. WILINTHON JAVIER RUIZ SÁNCHEZ
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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.
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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.
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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
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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
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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
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1
CAPITULO I
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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
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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
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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
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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.
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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.
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7
CAPITULO II
2 FUNDAMENTOS TEORICOS:
2.1 Antecedentes
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(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
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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
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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
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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
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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:
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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
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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).
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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]
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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.
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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.
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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.
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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:
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. .(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.
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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)
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CAPITULO III
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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
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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
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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
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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.
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CAPITULO IV
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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
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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
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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
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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
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Figura 9: Atomizado del jugo de arándano más polen.
Figura 10: Temperaturas de entrada y salida en el secador atomizador.
.
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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.
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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
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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.
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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.
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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)
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Figura 13: Ventilador centrífugo para extracción de producto seco
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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
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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 );
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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)
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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
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CAPITULO V
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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
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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
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[6] Orna Chávez (2012): “Estandarización del diseño de secaderos por
aspersión de materiales pastosos:”
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Technical, 1991.
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proceso de secado por aspersión de extractos vegetales para uso
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Excel”. Disponible en: http://www.angelfire.com/in4/ing-alimentos/ SECADO
SPRAY.xls
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www.sprayprocess.com
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ANEXOS
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Figura A-1 Esquema de secador por atomizacion
Figura A-2 Instalacion tipica de secado por atomizacion
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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.
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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:
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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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