SECADO Y ACONDICIONAMIENTO DE AIRE Definición: Se define secado, como la separación total o parcial de un líquido desde un material sólido por aplicación de calor y su ejecución por medio de la transferencia de líquido desde la superficie del sólido hacia una fase vapor insaturada. Es decir, en cualquier proceso de secado se verifican: a) Mecanismos de transferencia de masa b) Mecanismos de transferencia de calor Existen otros métodos de separación sólido-líquido como la filtración, centrifugación, adsorción, absorción, que son medios mecánicos de separación sólido-líquido, es decir, sin aplicación de calor. Generalmente es más barato eliminar agua mecánicamente (filtración, centrifugación), que por medios térmicos, por lo que es aconsejable reducir a humedad al máximo posible por éstos medios antes de llevar el sólido a un secador. Otra operación en la cual el líquido se elimina por aplicación de calor, es la evaporación, que a diferencia del secado, el líquido se elimina por ebullición (en el secado el líquido es arrastrado por el aire en forma de vapor, a temperatura generalmente inferior a la de ebullición). Además las mezclas tratadas en la evaporación suelen tener más líquido que sólido y en secado sucede lo contrario, son pequeñas cantidades de líquido en comparación con los sólidos. En la mayor parte de los problemas prácticos de secado, el líquido a separar suele ser vapor de agua y el agente secante o gas empleado para el secado suele ser el aire. Este estudio se limitará a este caso, aunque las relaciones empleados son aplicables a cualquier sistema gas-líquido. Objetivo del Secado Prácticamente todos los procesos químicos requieren de la operación de secado. Sus aplicaciones tiene por objeto: 1.Permitir el empleo satisfactorio del producto en otros procesos o tratamientos (cuando la presencia de humedad no es deseable en la etapa siguiente del proceso). 2.Facilitar el manejo posterior del producto. 3.Reducir su peso y por lo tanto su costo de embalaje y darle mayor valor y utilidad al producto final. Aún cuando el producto pueda ser utilizado al estado húmedo, resulta más barato eliminar el agua por medios térmicos que transportarlo húmedo. 4.Aumentar la capacidad de los aparatos. 5.Proteger los productos durante su almacenamiento y transporte (se elimina agua para preservar el producto). 6.Recuperar reactivos o subproductos valiosos (casos en que la humedad que acompaña a un producto es un solvente caro). Psicrometría y carta psicrométrica La concentración de vapor de agua en un gas se denomina humedad del gas. La humedad puede ser expresada de varias maneras dependiendo de la información requerida. Cuando un sólido húmedo se pone en contacto con aire de menor humedad que la correspondiente al contenido de humedad del sólido, el sólido tiende a perder humedad y secarse hasta alcanzar equilibrio con el aire. Al revés, cuando el aire es más húmedo que el sólido con el que está en contacto, el sólido absorbe humedad del aire hasta que se alcanza el equilibrio. Un factor crítico en las operaciones de secado es la capacidad de arrastrar vapor del aire, nitrógeno u otra corriente de gas que pasa sobre el material a secar. Esta capacidad de arrastre determina no solo la velocidad de secado, sino también el fin del secado, es decir el menor contenido de humedad al cual un material dado puede ser secado. La determinación de la concentración del vapor y la capacidad de arrastre del gas se denomina psicrometría. Carta psicrométrica Las características de humedad del aire se describen mejor gráficamente en la llamada carta psicrométrica o carta de humedad. Una típica carta psicrométrica se muestra en la Fig. 1. Esta carta presenta una formidable visión debido a la gran información presentada en una pequeña área. Las curvas básicas de la carta psicrométrica se muestran en forma simplificada en la Fig. 1. Figura 1: Humedad Absoluta vs Temperatura Estas curvas son representaciones gráficas de relaciones entre la temperatura y humedad del sistema aire-vapor de agua a presión constante. La temperatura se muestra sobre el eje horizontal. El eje vertical representa la humedad absoluta (masa de vapor de agua por unidad de masa de aire seco). La curva más importante que se muestra es la curva se saturación o de humedad de saturación, curva CDE. Humedad de Saturación Es la humedad absoluta a la cual la presión parcial del vapor de agua en el aire es igual a la presión de vapor del agua pura a la misma temperatura. La curva de humedad de saturación es realmente el límite de un diagrama de fases. Cualquier punto por sobre esta curva, como el punto F por ejemplo representará 2 fases, una líquida y una gaseosa. Cualquier punto bajo esta curva, como el punto A por ejemplo, representará una sola fase gaseosa. En el punto C el aire está saturado con vapor de agua, y su temperatura, tr, corresponde al llamado punto de rocío. El punto de rocío se define como la temperatura a la cual una mezcla dada de aire y vapor de agua debe ser enfriada para saturarse (es decir, contiene la máxima humedad sin que condensación se produzca). Cuando la mezcla es enfriada a temperaturas por debajo del punto de rocío, tales como t1 (punto F), el vapor de agua condensa para producir un sistema de dos fases, aire saturado (de condiciones C) y gotas de agua pura. Para hacer el aire utilizable para propósitos de secado (sin cambiar la humedad absoluta), su temperatura debe ser aumentada. Si la temperatura se eleva a t2 (punto A), el aire no está completamente saturado y puede aceptar más vapor de agua. La saturación relativa es comúnmente medida en términos de por ciento de humedad relativa, que es la razón entre la presión parcial del vapor de agua en el aire y la presión de vapor del agua pura a la misma temperatura, es decir es la relación entre la cantidad de vapor que contiene el aire y la que contendría si estuviese saturado a la misma temperatura. La curva de humedad de saturación, CDE, es por lo tanto la curva de 100% de humedad relativa (100% H.R.). Curvas de humedad relativa constante se dibujan sobre los mismos ejes a intervalos específicos de humedad relativa. Una de estas curvas se muestra en la Fig. 1, como la curva GK con un valor arbitrario de A% de humedad relativa. Si aire, bajo condiciones representadas en el punto A, se usa para secar un material húmedo, como el aire no está saturado, se evapora agua. El calor latente es suministrado por el enfriamiento del agua. A medida que la temperatura del agua desciende por debajo de la del aire, se transfiere calor desde el aire al agua. El calor transferido llega a ser igual al calor de vaporización y la temperatura se estabiliza. La temperatura que se alcanza es la temperatura de bulbo húmedo (también llamada para las mezclas vapor de agua/aire como temperatura de saturación adiabática, tsa) del aire y se define como la temperatura límite de enfriamiento de una pequeña masa de líquido puesta en contacto con una cantidad mucho mayor de aire húmedo en forma adiabática (sin pérdida ni ganancia de calor desde los alrededores). Recibe el nombre de temperatura de bulbo húmedo porque puede medirse en la práctica por medio de un termómetro cuyo bulbo se cubre con una tela (tejido poroso inerte), empapada de agua. La temperatura de bulbo húmedo es función de la temperatura y humedad del aire usado para la evaporación y por lo tanto puede ser utilizado para medir la humedad del aire. Para este efecto, en la carta psicrométrica se dibujan las líneas de temperatura de bulbo húmedo constante. Para una aire de condiciones A, la línea de temperatura de bulbo húmedo constante que le corresponde es AD y la temperatura correspondiente a la saturación en el punto D es la temperatura de bulbo húmedo tbh La humedad del aire se determina midiendo sus dos temperaturas, la de bulbo húmedo y la de bulbo seco. Se entra a la carta psicrométrica con la temperatura de bulbo húmedo y la coordenada se sigue verticalmente hasta que corta la curva de saturación (100% H.R.). Entonces se sigue la línea de temperatura de bulbo húmedo constante hasta que corta la coordenada de la temperatura de bulbo seco. La humedad absoluta puede ser leída directamente y la humedad relativa se encuentra por interpolación entre as curvas de humedad relativa constante. Medición de la Humedad Los métodos de medición de humedad más importantes son: 1) Métodos Químicos (hidrómetros químicos). Un volumen conocido de gas (aire) se hace pasar sobre un absorbente adecuado cuyo aumento de peso se mide. La eficiencia del proceso se puede controlar disponiendo una serie de recipientes con absorbentes en serie y asegurándose que el aumento de peso del último de ellos es despreciable. El método es muy seguro pero muy engorroso. Absorbentes satisfactorio para el vapor de agua son, el P2O5 disperso en piedra pómez, el H2SO4 conc., CaCl2, etc. 2) Mediante la temperatura de bulbo húmedo La temperatura bulbo húmedo se determina normalmente como la temperatura alcanzada por el bulbo de un termómetro cubierto con un trozo de tejido saturado con el líquido. El aire debe pasar por o menos a 15 pies/seg (4,5-5 m/seg) mediante ventilador u otro otros medios similares (psicrómetro de honda). De esta lectura y la temperatura de bulbo seco se encuentra la humedad en el gráfico de humedad. 3) Determinación mediante el punto de rocío El punto de rocío se determina enfriando una superficie altamente pulida en el aire y observando la temperatura más alta o la cual tiene lugar la condensación. La humedad del gas es igual a la humedad del gas saturado a la temperatura de rocío. Existen varios aparatos; el más simple: termómetro Otros se basan en evaporar éter o CS2 para producir el frío. 4) Empleo de higrómetros Estos instrumentos utilizan ciertos materiales cuyas propiedades cambian en contacto con aire de diferentes humedades relativas. El higrómetro mecánico usa materiales tales como el cabello, madera, fibras o plásticos los cuales se expanden o contraen con los cambios de humedad. El elemento sensible a la humedad se conecta a un indicador de tal manera que un cambio en su longitud hace que indicador se mueva a través de un dial calibrado en unidades de humedad. El higrómetro eléctrico mide los cambios de resistencia eléctrica que experimentan materiales absorbentes de humedad al variar ésta. (la resistencia varía con la humedad). Método para aumentar la humedad (HUMIDIFICACIÓN) La práctica industrial de la humidificación del aire se realiza casi exclusivamente en las columnas o torres o cámaras de humidificación (saturación) adiabática. Sin embargo, existen otros métodos de humidificación que, siendo de importancia práctica mucho menor, da lugar a una serie de problemas de gran interés. a) Mezcla de dos Masas de Gases Húmedos Si se mezclan dos masas de gases húmedos con distintas humedades, el cálculo de las condiciones en que queda la masa de gas resultante puede efectuarse rápidamente en función de las condiciones iniciales de las dos corrientes gaseosas. Balance de materia global: G G2 G 1 Balance componente A (agua): G1 H 1 G 2 H 2 GH De ambas ecuaciones se deduce: H G H G H G G 1 1 2 1 2 2 Este es un método que si bien no es el más importante es bastante utilizado industrialmente. Se usa mucho en recirculación de aire y en secado. b) Poniendo en contacto el aire con un líquido que se mantenga a la temperatura de rocío del aire correspondiente de humedad que nos interesa: En este caso si tenemos aire en condiciones A (tA, HA) y queremos llevarlo hasta las condiciones B (tB, HB), ha de ponerse en contacto con agua que se mantenga a la temperatura C (temperatura de rocío del aire B). Para mantener el agua a esa temperatura ha de suministrársele igual cantidad de calor que la que absorberá el aire en forma de calor latente al humidificarse. El aire pasará directamente de las condiciones A a la C, y fuera del contacto con agua hay que suministrarle después el calor necesario para llevarlo de C a B. c) Poniendo el aire en contacto directo con agua en una columna de humidificación (saturación) adiabática. Este es el método de humidificación de aire más utilizado en la práctica industrial. En este proceso el contacto aire-agua es tal, que el aire alcanza las condiciones de saturación adiabática en contacto con agua que entra al humidificador a la temperatura de saturación adiabática del aire (ya dijimos que la temperatura de saturación adiabática es la misma que la temperatura de bulbo húmedo del aire, para el sistema aire-agua). Humedad Absoluta D D` B A C tA C´ tB Temperatura En el proceso se verifican tres etapa i) Precalefacción. Se calienta el aire fuera del contacto del agua (tramo AC) hasta la temperatura tc que tiene una temperatura bulbo húmedo tbhc y que es igual a la temperatura de rocío del aire B, trB ii) Humidificación adiabática. Se introduce al aire caliente en el humidificador adiabático, en donde se satura en contacto con agua que se encuentra a una temperatura igual a la de saturación del aire. (tramo CD). El humidificador consiste, generalmente, en una cámara en la que se riega agua en forma de múltiples chorros finos. Los distintos diseños tienden a lograr la máxima eficiencia de intercambio de vapor de agua con un mínimo de volumen de instalación. iii) Calefacción Final. (tramo DB) El aire sale del humidificador con la humedad deseada (la de B) y se calienta fuera del contacto con agua hasta tº final tB. La humidificación adiabática es una etapa ideal y para lograr realmente las condiciones de saturación hay que tener un tiempo de contacto bastante grande lo que es poco económico. Por eso es preferible hacer un precalentamiento un poco mayor C y entonces introducir el aire al humidificador (hasta C`). Trayectoria total: AC`D`B Las calefacciones se hacen en forma eléctrica o introduciendo serpentines de vapor recalentado. Existen además otros métodos de humidificación de aire que son menos comunes. d) Adición directa de vapor vivo. No hay alza considerable de temperatura, pero tiene la desventaja de agregar impurezas al aire. e) Poniendo el gas (aire) en contacto con un sólido húmedo. En realidad este método, aunque puede conducir a la humidificación del aire, se emplea más con el objeto de secar el sólido que de humidificar el aire. Métodos para disminuir la humedad (DESHUMIDIFICACION) Este problema es menos frecuente que la humidificación y sólo se presenta cuando se trata de acondicionar el aire en países cálidos y húmedos o bien cuando se requiere de aire muy seco para algún proceso industrial. a) Poniendo en contacto el aire con un líquido (o sólido) frío La temperatura del líquido debe ser menor que el punto de rocío del aire, con lo que parte de la humedad del aire se condensa. Se puede utilizar una lluvia directa de gotas del líquido en el aire; una lluvia de líquido sobre serpentines refrigerados (con agua fría, salmuera o Freón), o bien producir la condensación pasando el gas por una superficie fría sin intervención de líquido. b) Comprimiendo el aire y dejándolo enfriar hasta su temperatura original y eliminando el agua condensada. El sistema se calienta porque el agua cede su calor de vaporización condensándose. Luego no vuelve a evaporarse porque el calor cedido se ha disipado. c) Usando deshidratantes. Cuando se requiere bajar mucho la humedad los puntos de rocío que se necesitan pueden aproximarse al punto de congelación o menos y en estos casos es preferible usar deshidratantes. Ejemplo: Fabricación de vidrio inastillable: El empaquetado de lámina interna de plástico requiere atmósfera de 10% de humedad. Si disponemos de aire de 27ºC y 80% Hr por ej. habría que calentar el aire hasta 68ºC para tener 10% Hr. Es necesario quitar el agua por enfriamiento, pero el punto de rocío a 27ºC y 10%Hr es muy bajo (-6,4ºC) que no se puede obtener en forma natural y hay que usar refrigerantes (como salmuera, Freón) siendo muy caro. Además es menos que el punto de congelación. Por lo tanto en este caso se debe recurrir a deshidratantes o absorbentes líquidos o sólidos. Salmuera de cloruro de Litio Absorbentes Líquidos Trietilenglicol (es menos corrosivo) Gel de sílice Adsorbentes Sólidos Alúmina Activada Al hacer pasar el aire por estos deshidratantes, este se calienta, pues como la deshidratación es adiabática el calor latente de condensación queda en gran parte en el aire (el aire sale a temperatura de bulbo seco mayor que el aire que entra). Por lo tanto debe enfriarse. Secado de Sólidos Definiciones Humedad. El contenido de humedad de un sólido puede expresarse sobre base seca o base húmeda. Humedad en base húmeda: Xbh Es la relación entre la masa del líquido existente en el producto húmedo y la unidad de masa del producto húmedo. masa de agua X bh X 100 (exp resado en porcentaje) masa de sólido húmedo Humedad en base seca: X Es la relación entre la masa de líquido existente en el producto húmedo y la unidad de masa del producto seco. masa de agua X X 100 masa de sólido sec o Relación entre Xbh y X Sólido húmedo = Sólido seco + agua X bh agua 1 1 X sólido sec o agua s. sec o 1 1 1 1 X agua X X bh X 1 X De esta ecuación se obtiene: X bh XX bh X X bh X 1 X bh La humedad en base seca y la humedad en base húmeda son aproximadamente iguales, si el contenido de agua del sólido es aproximadamente un 10% o menos, pero estos valores divergen considerablemente si el contenido de agua en la muestra es mayor. Estas diferencias se ilustran en la Tabla 1. Tabla 1 % Xbh 5 10 40 60 80 %X 5.3 11.1 66.7 150 400 En los cálculos de diseño de secadores es más conveniente siempre referir la humedad a base seca, pues ésta es una constante durante todo el proceso de secado. La base húmeda va variando a medida que transcurre el secado. Humedad de equilibrio o contenido de humedad de equilibrio Xeq Cuando un sólido se pone en contacto, durante un tiempo suficiente, con aire de temperatura y humedad determinadas y constantes (suponiendo que la cantidad de aire es lo suficientemente grande para que sus condiciones no varíen durante el tiempo de contacto), se alcanzarán las condiciones de equilibrio entre el aire y el sólido húmedo. El vapor de agua que acompaña al aire ejerce una presión parcial determinada. Se alcanzan las condiciones de equilibrio cuando la presión parcial del vapor de agua en el aire (agente secante) es igual a la presión de vapor del líquido contenido en el sólido húmedo. Es la humedad hasta la que podemos secar un sólido por contacto con aire de humedad y temperatura determinadas. La humedad de equilibrio dependerá por lo tanto, de las condiciones del agente secante, es decir de su humedad, temperatura, incluso de su velocidad. G1 (velocidad másica) Aire 1 H1 (humedad absoluta) Xeq1 T1 (temperatura) G2 Aire 2 H2 Xeq2 T2 Si la humedad de sólido es mayor que la humedad de equilibrio (X > Xeq) el sólido se deshidratará hasta alcanzar la humedad de equilibrio. Si la humedad del sólido es menor que la humedad de equilibrio (X < Xeq) el sólido absorberá agua del aire hasta alcanzar la humedad de equilibrio (sólidos deshidratantes o higroscópicos o deliquecentes). Para condiciones dadas o constantes del aire, la humedad de equilibrio dependerá de la naturaleza del sólido, del estado de la superficie de la temperatura y humedad del aire. Por ejemplo dos materiales distintos que tienen una misma humedad inicial, al secarlos en las mismas condiciones van a llegar a humedades de equilibrio distintas. En general para las sustancias inorgánicas las humedades de equilibrio son más bajas (caolín, talco CaCO3) y los materiales fibrosos o coloidales de origen vegetal o animal sólo se pueden secar hasta humedades de equilibrio bastante altas (celulosa, tabaco, alimentos). Humedad libre : XF Se denomina humedad libre de un sólido o producto, a la humedad que es posible eliminar, para unas condiciones dadas y constantes de secado, y es igual a la diferencia entre la humedad del sólido y la humedad de equilibrio. XF = X - Xeq Por tanto es la humedad que puede perder el sólido después de un contacto suficientemente prolongado con aire en condiciones dadas y constantes. Conducta de los sólidos durante el secado ¿Cómo podemos saber el tiempo necesario requerido para secar una cantidad de material en cierto secador?. ¿Cómo se puede determinar el tamaño de un tipo particular de secador que se requiere para secar una sustancia desde un nivel de humedad a otro deseado?. Para poder obtener el diseño apropiado de los distintos equipos de secado dependiendo del producto a secar hay que realizar estudios experimentales y obtener datos experimentales del secado del producto. La velocidad de secado de una muestra puede ser determinada suspendiendo el material húmedo, en el interior de la cámara de secado, en una balanza, y midiendo el peso a intervalos regulares obteniendo así una curva de humedad versus tiempo. A partir de los datos humedad-tiempo (X vs θ) se deduce la curva de velocidad de secado (N vs X) N es la velocidad de secado y es la pérdida de humedad del sólido húmedo por unidad de tiempo y unidad de área de secado. Ejemplo: 2 (kg agua eliminadas) / (h)(m2) Para calcular la velocidad de secado se hace la diferencia de humedades entre dos mediciones y se divide por el período de tiempo entre las dos mediciones y se grafica contra el promedio de humedad de las dos mediciones y se obtiene la Fig. B. Cuando el sólido se pone en contacto con el aire caliente (agente secante) absorbe calor y aumenta su temperatura. Al mismo tiempo la humedad comienza a evaporarse, lo que hace que el sólido tienda a enfriarse. Después de un período de ajuste inicial, las velocidades de calentamiento y enfriamiento se igualan y la temperatura del material que se está secando se estabiliza. En la medida que la transferencia de calor por radiación sea mínima (o sea haya sólo convección), la temperatura alcanzada por el sólido será igual a la temperatura de bulbo húmedo del aire secante. Este período de ajuste inicial se muestra en los segmentos AB de las figuras A y B. Si el sólido húmedo está inicialmente a alta temperatura mayor que la temperatura de bulbo húmedo del aire, se enfriará siguiendo el segmento A´B. En el punto B la temperatura se estabiliza y permanecerá constante mientras la superficie del sólido permanezca con un film de líquido. Entre los puntos B y C la humedad que se está evaporando desde la superficie está siendo reemplazada por la difusión del agua desde el interior del sólido a una velocidad igual a la velocidad de evaporación. La velocidad de secado es constante y el período BC se llama período de velocidad constante de secado. En el punto C, el agua superficial no es suficiente como para reemplazar la evaporación y no es posible mantener un film continuo de líquido en la superficie. Empiezan a aparecer zonas secas y la velocidad de secado comienza a decrecer. El contenido de humedad al cual esto ocurre se denomina humedad crítica. Entre los puntos C y D el número y área de las zonas secas continúan aumentando y la velocidad de secado decrece. El tiempo CD se denomina primer período de velocidad decreciente. En el punto D, el film de agua superficial está completamente evaporado y la velocidad de secado depende de la velocidad de difusión del agua a la superficie del sólido. Entre los puntos D y E la velocidad de secado cae aún más rápidamente que en el primer período de velocidad decreciente y el tiempo DE recibe el nombre de segundo período de velocidad decreciente. Cuando la velocidad de secado es igual a cero (se llega a peso constante), se alcanza la humedad de equilibrio que es la correspondiente al punto E`(el sólido está en equilibrio con los alrededores). Continuar secando después de este punto es tiempo y energía perdidos. Fórmulas para estimar tiempos de secado Tiempo de secado para el período de velocidad constante (período antecrítico) L C S xi xC AN C Θc = tiempo crítico LS = sólidos secos A = área expuesta al secado Nc = velocidad de secado en el períodos de velocidad constante xi = humedad inicial xc = humedad crítica Tiempo para período de velocidad decreciente (período postcrítico) d x x xeq Ls xc xeq Ln AN C x f x eq Θd = tiempo período decreciente xf = humedad final xeq = humedad equilibrio Tiempo total T Ls x i x AN C C x C x eq Ln xC x eq x f xeq Equipos de secado Debido a la gran variedad de tipos de aparatos de secado, resulta difícil la clasificación de los diferentes equipos de desecación. Dos clasificaciones bastante útiles se basan en: a) Métodos de calentamiento b) Métodos de manejo de material En el primer caso los secadores se dividen en 3 grandes grupos. 1) Calefacción directa Se hace pasar gases calientes directamente sobre la superficie del material (el aire se puede calentar por resistencias eléctricas, mediante vapor, gases productos de combustión, etc.) En ellos el calor es transferido al sólido que se seca por convección. 2) Calefacción indirecta. El calentamiento es por contacto con superficie de calefacción, empleándose corriente de gas para sacar el vapor de agua formado. El calor es transmitido por conducción a través de la pared, la que es calefaccionada por vapor o agua caliente, gases de combustión, aceite, Dow Therm o electricidad. 3) Calefacción por infrarrojo o calor radiante La transferencia de calor se hace principalmente por radiación desde una fuente de alta temperatura. Los secadores de estos tres grupos a su vez pueden ser de alimentación continua o discontinua. En los aparatos continuos las condiciones en cualquier punto se mantienen constantes en el tiempo. En los discontinuos, varían con el tiempo. El costo de operación de un aparato continuo generalmente es más bajo que en los discontinuos (mantención, mano de obra, combustible, etc.), pero la inversión inicial es mucho más elevada. Según el segundo criterio de clasificación, es decir, de acuerdo al método de manejo de los sólidos, tenemos: 1) 2) 3) 4) Secadores de lecho estático Secadores de lecho móvil Secadores de lecho fluidizado Secadores neumáticos Describiremos aquellos sectores más utilizados en la práctica industrial. 1) Secadores de lecho estático. Sistemas en los que no hay movimiento relativo entre las partículas sólidas que se están secando, aún cuando puede haber movimiento de la masa completa de material. En ellos sólo una fracción de las partículas está expuesta directamente a la fuente de calor. La superficie expuesta puede aumentarse, disminuyendo el espesor del lecho y permitiendo que el aire seco fluya a través de él. Algunos ejemplos de este tipo de secadores: Armarios y cámaras de secado. Se emplean para materiales muy diversos. Consiste en una cámara rectangular en la que el secado se realiza por contacto directo con el aire caliente. El aire se puede calentar en el exterior del aparato o en el interior. La circulación del aire se activa mediante ventiladores y a veces se dirige mediante tabiques deflectores. Las piezas grandes (pieles, cueros) se cuelgan mediante ganchos. Los materiales más pequeños se colocan sobre bandejas. Secadores de bandejas. Son los secadores más comúnmente utilizados en la industria farmacéutica. Se emplean para materiales muy diversos: cualquier tipo de material susceptible de manejarse en bandejas (materiales cristalizados, sustancias granulares, precipitados, sustancias plásticas, frutas, productos textiles y otros materiales similares). El número de bandejas varía de acuerdo al tamaño del secador. Los secadores de laboratorio pueden tener 3 o 4 bandejas. Secadores industriales tienen 20 o más bandejas. En algunos secadores se emplean vagonetas en las que se disponen las bandejas con el material. Se introduce al secador la vagoneta cargada lista. Así se consigue una operación casi continua en lo se refiere a la capacidad del aparato. El trabajo requerido para la carga y descarga de cada batch implica una operación costosa, por lo tanto los secadores de bandejas son útiles cuando la velocidad de producción que se necesita es baja (caso de la industria farmacéutica en que los batchs son de 500 lb o menos a diferencia de la industria química en que los batchs son de 2000 lb/h o más). Las bandejas pueden ser metálicas o plásticas, dependiendo del material a secar. El fondo puede ser perforado o enrejado, para permitir una buena circulación del aire y el escape del vapor. Esto permite hacer pasar el aire en forma transversal a través del producto; lo que hace que el secado sea mucho más rápido. La operación satisfactoria de estos secadores de bandeja depende principalmente de la uniformidad del flujo de aire a temperatura constante sobre todo el material y en cualquier punto del secador. Esto se consigue con la ubicación adecuada de ventiladores y placas deflectoras en el interior del secador. Las fuentes de energía preferidas para el calentamiento del aire en estos secadores son el vapor y la electricidad. Los demás (gas, humos, etc.) no se emplean porque es posible contaminar el producto (el vapor es más barato que la electricidad). La mayoría de los secadores de bandeja son del tipo calefacción directa con circulación forzada de grandes volúmenes de aire caliente. Pero también existen secadores de bandeja con calentamiento indirecto que utilizan bandejas calentadas o fuentes de calor radiante dentro de la cámara de secado y vacío o una pequeña cantidad de circulación de aire o gas para arrastrar la humedad evaporada desde el secador. Secadores de bandejas al vacío Pueden ser calentamiento directo o indirecto y trabajan a presión reducida. Este método de secado se emplea para materiales cuyas características esenciales podrían ser alternadas, dañadas o destruidas por exposición a condiciones atmosféricas o elevadas temperaturas, materiales que se inflaman, exploten o que son tóxicos o peligrosos, requieren vacío. Se emplean extensamente en las industrias químicas, farmacéuticas, de alimentos. El secador de bandejas de vacío consiste en una cámara de acero con una puerta al frente cerrada herméticamente, una fuente de vacío y un condensador. Secadores de Túnel Son adaptaciones de las cámaras de secado para obtener un secado continuo. En estos secadores el producto atraviesa una cámara alargada (túnel), en su camino desde la entrada a la salida del aparato. Según el estado de agregación del producto, éste es transportado mediante correas transportadoras, transportadores de cadenas, vagonetas, etc. El calor en general es suministrado por convección directa (corriente de aire caliente) pero también puede emplearse energía radiante. El flujo de aire puede ser en paralelo o en contracorriente. Se emplean estos secadores cuando hay que secar grandes cantidades de material, el que se debe secar lentamente por ej. maderas, tortas de rayón, tabaco, ladrillos (materiales que sufren resquebrajamiento por secado rápido). A lo largo del túnel se sitúan ventiladores para darle mayor velocidad al flujo de aire. Un tipo de secador de túnel utiliza una rejilla transportadora, que tiene la ventaja de que la circulación de aire es bastante buena. Se emplea por ej. en plantas químicas de acetato de celulosa, silica gel, aserrín, pigmentos, CaCO3 , almidón, insecticidas. Secadores de rodillo o tambor Son secadores con calefacción indirecta. Los más sencillo son los empleados en el secado de artículos que se presentan en forma de hoja continua o lámina, papel, tejidos, neopreno, plástico en láminas, etc. cuchillas Rodillos con vapor Constan de uno o más rodillos huecos, de superficie completamente lisa, calentado interiormente por vapor que giran arrastrando la hoja continua del material. El grado de desecación se gradúa mediante la temperatura del vapor, la amplitud de la zona de contacto y la velocidad del paso del material. También se usan para secar soluciones o suspensiones. El calor se transmite al líquido por conducción y este se concentra parcialmente dentro del espacio comprendido entre los rodillos. El líquido sale del fondo en forma de capa viscosa y va cubriendo el resto de la superficie de los tambores. Prácticamente se evapora todo el líquido a medida que giran los tambores. El producto seco se extrae con unos cuchillos y se deja caer en unos transportadores. El rodillo es de Fe galvanizado, va recubierto de bakelita o madera, loma, metal, etc. Aún cuando el film está en contacto directo con la superficie caliente, generalmente este es tan delgado que el tiempo que está en contacto es tan corto, que el efecto perjudicial sobre el producto es pequeño. Por supuesto hay que tomar en consideración la sensibilidad al calor del producto en la selección de este tipo de secador. Generalmente se usan para secar carbonatos, hidratos, arseniatos, acetatos, fosfatos, arcillas y productos alimenticios. 2) Secadores de lecho móvil Son sistemas en los que las partículas a secar están parcialmente separadas de modo que fluyen deslizándose unas sobre otras. La movilidad puede inducirse ya sea por gravedad o agitación mecánica. La separación resultante de las partículas y la exposición continua de nuevas superficies permite mayor transferencia de calor y de masa que los de lecho estático. Secadores rotatorios Son usados para sustancias granulares o pulvurulentas. Constan de un cilindro horizontal rotatorio, con ligera pendiente hacia la descarga. En su interior el producto gira en contracorriente (puede ser también en paralelo) con aire o gases combinados calientes, o sea son de calefacción directa. Su diámetro varía de 0,6 a 2 m y su longitud de 2 a 20 m. El desplazamiento de la alimentación es ayudada mediante cuchillas o placas raspadoras localizadas en el interior del cilindro (ver corte AA´), para reforzar el material sólido hacia la salida y también para evitar la formación de depósitos gruesos en las paredes del cilindro. El flujo de gases puede ser un paralelo o contracorriente con el producto. El flujo en contracorriente produce un producto final con bajo contenido de humedad, pero no puede ser utilizado para productos termosensibles, pues los gases más calientes están en contacto con el producto seco en el punto de descarga. Los parámetros importantes a estudiar en el diseño de cualquier secador rotatorio son; la temperatura y humedad del aire y el ángulo de inclinación del secador que es el que determina el tiempo de residencia del producto en el secador. 3.- Secadores de lecho fluidizado Son sistemas en los que las partículas sólidas están suspendidas parcialmente en una corriente de gas ascendente. Las partículas son levantadas y luego caen al azar de modo que la mezcla resultante de sólido y gas actúa como un liquido en ebullición. El contacto sólido-gas es excelente y resulta una mejor transferencia de masa y calor que en los sistemas ya descritos. La velocidad es mayor que la velocidad de sedimentación de las partículas por lo que éstas quedan parcialmente suspendidas en la corriente de gas (la mezcla resultante de sólidos-gas se comporta como un líquido, por eso se dice que los sólidos están fluidizados). Esta técnica es muy eficiente para secado de sólidos granulares, porque cada partícula está completamente rodeada de gas. Ofrece muchas ventajas para el secado de granulaciones para tabletas (las granulaciones para tabletas tienen el tamaño apropiado para una buena fluidización). Un secador de lecho fluidizado muestra 2-6 veces mayor eficiencia térmica que los secadores de bandejas. Para evitar carga de acumulación electrostática con los peligros de explosión resultante, van equipados con dispositivos a tierra. Pueden trabajar en forma continua o discontinua. El secador continuo es más apropiado para el secado de grandes volúmenes de material siendo un ejemplo de este tipo el secador horizontal de transporte vibratorio (capacidad de 1-2 ton/h). Son empleados en las grandes plantas farmacéuticas para preparar y secar a la vez granulaciones para tabletas. La humedad del producto es función de la temperatura de os gases de salida, por eso se usa un controlador de temperatura de los gases de salida, para ajustar la temperatura de entrada a medida que varía la carga a secar, para mantener siempre la temperatura de salida de los gases constante. 4.- Secadores spray o por pulverización (neumáticos). Estos secadores difieren de los otros en que sólo pueden manejar materiales fluidos, tales como soluciones, suspensiones y pastas livianas susceptibles de ser atomizadas (leche, café soluble, productos medicinales, químicos orgánicos e inorgánicos, plasma sanguíneo, sueros en general, soluciones con alto contenido en sólidos). Materiales termosensibles se seca con éxito en los secadores spray, pues el tiempo de residencia del producto en la cámara de secado es muy corto. Se pulveriza el líquido que se va a secar, y se pone en contacto con aire caliente de manera de obtener una gran área de contacto sólido-gas y se produce una mejor transferencia térmica. Hay muchos tipos de secadores spray, cada uno diseñado como para acomodar el material a secar y las características deseadas del producto. En todos ellos podemos distinguir los siguientes componentes: 1) 2) 3) 4) 5) 6) Sistemas de alimentación Atomizador Suministro de aire caliente Cámara de secado Separador sólido-gases (separador ciclónico) Sistema colector del producto En la alimentación del secador spray hay que controlar mucho la densidad y viscosidad del producto para lograr un buen trabajo del atomizador. El aire se puede calentar mediante diversos sistemas: i) Resistencias eléctricas ii) Por mechero a gas iii) Mediante vapor de agua en un intercambiador de calor. Además el aire debe ser filtrado para evitar suciedades. El atomizador es por lo general un disco rotatorio centrífugo que se hace funcionar con aire comprimido. Trabaja desde 3.000 a 50.000 rpm. La velocidad de rotación del disco es un parámetro importante ya que va a depender de ella, el tamaño de gotas que se obtienen: a mayor velocidad de rotación las gotas atomizadas son más pequeñas y la transferencia de calor es mejor. Existen otros dispositivos atomizadores que son de tipo tobera.
