| Metodología
En la figura 1 se muestra la metodología utilizada para
llevar a cabo el dimensionamiento de la cámara de secado
y a partir de esta, la secuencia para dimensionar un secador por
aspersión de nivel laboratorio.
En la figura 2, se muestra un esquema de los principales componentes
del secador por aspersión a diseñar. Cabe señalar
que el supuesto intercambiador de calor (I) que aparece en la figura
2, es ficticio, no existe físicamente, es un concepto empleado
para estimar la temperatura teórica del aire a la entrada
de la cámara de secado (Ta11) en la que ya se ha tomado en
cuenta las pérdidas de calor debido al precalentamiento del
aire usado en la boquilla de aspersión (que es diferente
del aire empleado para el secado) y las pérdidas de calor
en la cámara de secado (?q1); ya que la cámara de
secado es adiabática. Esta temperatura teórica es
la que estrictamente debe utilizarse en los balances de calor, suponiendo
un proceso adiabático en la cámara de secado.
En primera instancia (figura 1), se realiza la propuesta de las
variables de operación que son: temperaturas del aire a la
entrada del supuesto intercambiador (Ta1), temperaturas del aire
a la salida de la cámara de secado (Ta2) y flujos masa de
aire seco a la entrada de la cámara de secado (Gm). Se establecen
las variables requeridas tanto de alimentación como del sistema
aire-agua y se realizan los correspondientes balances del sistema.
Posteriormente se realiza el cálculo de la humedad relativa
a la descarga del ciclón (HR) y se aplica un primer criterio,
el cual indica que esta humedad debe ser menor o igual al correspondiente
valor de humedad relativa del aire que está en equilibrio
con la humedad de la monocapa del producto a secar según
su isoterma de adsorción; en este trabajo se utilizó
como modelo a la maltodextrina por ser uno de los aditivos más
usados para el secado de productos alimenticios, la cual tiene una
humedad en la monocapa de 7.1 % y que está en equilibrio
con una humedad relativa del aire de 20 % (Iglesias y Chirife, 1982).
Se evalúa el flujo de alimentación total y con ello
se determinan los diámetros sauter de las gotas asperjadas
por medio de la ecuación de Nukiyama – Tanasawa (Masters,1972).
Figura 1. Diagrama de flujo para el dimensionamiento de la cámara
de secado y sus componentes
Figura 2. Diagrama de disposición del secador por aspersión
El secado de las gotas asperjadas se lleva a cabo en dos etapas:
el secado a velocidad constante hasta el contenido crítico
de humedad y el secado a velocidad decreciente desde el contenido
crítico de humedad hasta el final del secado, según
la ecuación reportada por Masters (1972).
El tiempo de viaje de las gotas a la pared del secador se calcula
utilizando la ecuación desarrollada por Gluckert (1962),
la cual se obtiene integrando la ecuación para velocidad
de caída libre de un jet generado por una boquilla.
Para realizar el cálculo del volumen de la cámara
se toma en cuenta un segundo criterio, el cual indica que el tiempo
total de secado (?T) debe ser menor o igual al tiempo de viaje de
las gotas asperjadas (?v) para asegurar que las gotas estén
secas al llegar a las paredes de la cámara de secado. Para
ello se iguala el tiempo total de secado con el tiempo de viaje
de las gotas considerando un factor de sobrediseño del 20%
y se obtiene el volumen de la cámara para finalmente calcular
con éste el diámetro y la altura de la misma.
Respecto al separador ciclónico, Foyed (1984) menciona que
existen dos tipos de ciclón: los de alta eficiencia como
Stairmand y Swift y los de uso general Lapple y Swift. El dimensionamiento
del ciclón separador se lleva a cabo de acuerdo a los flujos
de aire y velocidad de aire de secado trabajando simultáneamente
con los cuatro tipos de ciclón. En primer lugar se estiman
las dimensiones de cada ciclón y se lleva a cabo el cálculo
de las eficiencias de cada tipo de separador ciclónico para
dos tamaños de partícula, 5 y 10 micrómetros,
estimando para ello la velocidad de entrada del aire y la velocidad
de salto de las partículas. Con base en los resultados se
elige el separador ciclónico más adecuado al proceso.
La selección del sistema de aspersión y equipo auxiliar
se lleva a cabo con base en los resultados obtenidos para la cámara
de secado y ciclón separador, así como datos de referencia
de un secador similar al diseñado. Una vez dimensionados
y seleccionados todos los componentes del secador se diseña
la estructura de soporte y distribución espacial del equipo,
se evalúa el costo del equipo para llevar a cabo la construcción
y montaje del mismo y, finalmente se realiza la instrumentación
correspondiente.
Resultados
Cámara de secado.
De acuerdo a la metodología descrita en la figura 1, se establecieron
y delimitaron las condiciones de operación (temperatura del
aire a la entrada del supuesto intercambiador (Ta1), temperatura
del aire a la salida de la cámara de secado (Ta2) y flujos
de aire de secado (Gm) como se muestra en los siguientes cuadros.
En el cuadro 1 y 2, se presentan los resultados de la humedad relativa
(HR) del aire a la salida del ciclón. Para dos temperaturas
de entrada del aire de secado se puede observar que la HR aumenta
ligeramente aunque se incremente considerablemente el flujo de aire
(Gm) para una misma temperatura del aire a la salida de la cámara
de secado (Ta2), lo que era de esperarse puesto que una mayor carga
de aire elimina una mayor humedad del producto. Para un mismo flujo
de aire y disminución de Ta2 aumenta la HR, el incremento
es de prácticamente el doble cada vez que disminuya la temperatura
10 oC; un mayor gradiente calórico del aire de secado elimina
una mayor humedad del producto.
Cuadro 1. Resultados de humedad
relativa del aire a la descarga del ciclón (HR) a una
temperatura de entrada al supuesto intercambiador de 190ºC.
Temperatura a la entrada del supuesto intercambiador:
190°C
Flujo masa (kgas/h)
Temperatura a la salida de la cámara (°C)
120
110
100
90
Ta11
Humedad relativa (HR) (%)
40
1.539
2.842
5.126
9.152
127.936
35
1.527
2.811
5.103
9.1
127.562
30
1.51
2.784
5.063
9.041
127.131
25
1.487
2.752
5.016
8.97
126.621
20
1.46
2.717
4.959
8.884
125.997
15
1.425
2.667
4.885
8.773
125.192
10
1.377
2.596
4.79
8.616
124.058
|
Cuadro 2. Resultados
de humedad elativa del aire a la descarga del ciclón
(HR) a una temperatura de entrada al supuesto intercambiador
de 200ºC.
Temperatura a la entrada del supuesto intercambiador: 200°C
Flujo masa (kgas/h)
Temperatura a la salida de la cámara (°C)
130
120
110
100
Ta11
Humedad relativa (HR) (%)
40
0.998
1.854
3.322
5.869
133.933
35
0.985
1.837
3.297
5.832
133.54
30
0.971
1.817
3.268
5.789
133.086
25
0.955
1.794
3.233
5.738
132.549
20
0.934
1.765
3.196
5.676
131.892
15
0.908
1.727
3.141
5.608
131.045
10
0.871
1.676
3.065
5.495
129.851
|
En el cuadro 3 y 4 , se muestran los resultados del diámetro
de la gota asperjada para la mismas temperaturas de entrada mencionadas
anteriormente, se observa que a una misma Ta2 el aumento de Gm proporciona
mayores diámetros de la gota, es decir a mayor carga de aire
de secado el equipo es capaz de secar gotas de mayor tamaño
si la cámara de secado tiene las dimensiones adecuadas, por
lo que esta interpretación debe ser leída conjuntamente
con los resultados del cuadro 5 y 6. A mayor tamaño de gota,
mayor tiempo para secarla y por ende se necesita una cámara
de secado de mayores dimensiones. La misma interpretación
resulta cuando a un mismo flujo de aire el equipo es capaz de secar
gotas de mayor tamaño a medida que se reduce la temperatura
del aire a la salida de la cámara Ta2 (cuadro 3) y como se
mencionó anteriormente gotas asperjadas de mayor tamaño
requieren un mayor diámetro de la cámara de secado
(cuadro 5). Igual explicación es válida para los cuadros
4 y 6.
Cuadro 3. Resultados de los
diámetros medios de las gotas a una temperatura de
entrada al supuesto intercambiador de 190ºC.
Temperatura a la entrada del supuesto intercambiador:
190°C
Flujo masa (kgas/h)
Temperatura a la salida de la cámara (°C)
120
110
100
90
Ta11
Diámetros de las gotas (Dvs) (?m)
40
31.268
101.336
197.644
316.435
127.936
35
24.456
80.928
159.074
255.709
127.562
30
18.514
62.511
123.896
200.035
127.131
25
13.469
46.188
92.314
149.74
126.621
20
9.350
32.088
|
Cuadro 4. Resultados
de los diámetros medios de las gotas a una temperatura
de entrada al supuesto intercambiador de 200ºC.
Temperatura a la entrada del supuesto intercambiador:
200°C
Flujo masa (kgas/h)
Temperatura a la salida de la cámara (°C)
130
120
110
100
Ta11
Diámetros de las gotas (Dvs) (?m)
40
12.52
69.137
154.732
263.676
133.933
35
9.569
54.797
124.086
212.607
133.54
30
7.144
41.985
96.259
165.909
133.086
25
5.246
30.771
71.41
123.852
132.549
20
3.876
21.236
49.738
86.784
131.892
15
3.028
13.484
31.504
55.16
131.045
10
***
7.655
17.073
29.634
129.851
|
Flujo masa (Gm ) (kgas/h)
Temperatura a la salida de la cámara (°C)
120
110
100
90
Ta11
Diámetros de cámara (m)
40
0.161
0.465
0.831
1.242
127.936
35
0.128
0.379
0.685
1.030
127.562
30
0.099
0.300
0.548
0.830
127.131
25
0.073
0.227
0.421
0.642
126.621
20
0.052
0.162
0.304
0.468
125.997
15
0.035
0.106
0.201
0.311
125.192
10
0.023
0.061
0.113
0.176
124.058
|
Flujo masa (Gm ) (kgas/h)
Temperatura a la salida de la cámara (°C)
120
110
100
90
Ta11
Diámetros de cámara (m)
40
0.068
0.326
0.662
1.046
133.933
35
0.052
0.264
0.543
0.865
133.540
30
0.04
0.206
0.433
0.695
133.086
25
0.029
0.155
0.330
0.535
132.549
20
0.022
0.109
0.237
0.389
131.892
15
0.017
0.071
0.155
0.257
131.045
10
0.001
0.042
0.088
0.145
129.851
|
Tomando en cuenta lo anterior se seleccionó un diámetro
de cámara de 0.20 m (que si está disponible comercialmente)
que como se observa en los cuadros 5 y 6 (área sombreada)
es posible manejar un amplio intervalo de condiciones de temperaturas
y flujos de aire para lograr un secado exitoso. Por lo tanto las
dimensiones finales de la cámara de secado son: diámetro
de 0.20 m y altura de 0.80 m.
Separador ciclónico
La eficiencia calculada para los diferentes tipos de ciclones fue
muy similar y aproximadamente de 85 % ? 1 de recuperación
para tamaños de partículas de 5 ?m y de 96 % ? 1 de
recuperación para tamaños de partículas de
10 ?m. Por lo tanto cualquiera de los cuatro tipos de separador
ciclónico podría seleccionarse para el secador por
aspersión, sin embargo, se seleccionó el tipo Lapple
ya que es uno de los más utilizados en equipos a nivel laboratorio.
En la figura 3 se muestran las dimensiones finales del ciclón
diseñado.
A
-
0.051
B
-
0.026
De
-
0.051
D
-
0.102
S
-
0.064
H
-
0.205
H
-
0.409
B
-
0.026
|
|
Figura 3. Dimensiones del separador ciclónico
Material de construcción
El material de construcción seleccionado para la cámara
de secado y separador de polvos fue vidrio borosilicato ya que éste
material permite observar parte del proceso de secado dada su transparencia,
además presenta resistencia a todos los ácidos excepto
al ácido fluorhídrico, puede someterse a procesos
de esterilización cuando así se requiera para secar
materiales biológicos, presenta impermeabilidad al gas y
al agua, siendo esta propiedad importante para el proceso de secado,
ya que garantiza que el intercambio de humedad se realizará
únicamente en el interior de la cámara (Perry, 1973).
elección de la boquilla y equipo auxiliar
Boquilla de atomización
El sistema de aspersión seleccionado está constituido
por una boquilla neumática de doble fluido y mezclado externo
que requiere de aire a presión para asperjar el fluido a
secar y proporciona las siguientes ventajas: es eficaz para líquidos
viscosos; todos los componentes de la boquilla se desarman y limpian
fácilmente; es de fácil mantenimiento y proporciona
un grado fino de aspersión; el modelo de la boquilla elegida
es 1/8JJ–SS+SUJ–1A–SS; esta boquilla está
compuesta por un anillo de retención, boquilla de aire, boquilla
de líquido, anillo en O, cuerpo de la boquilla y extensión
de 0.30 m de longitud (figura 4).
Camisa de la extensión de la boquilla
Debido a que el flujo de aire de secado a la entrada del secador
tiene contacto directo con la extensión de la boquilla, éste
provoca la ebullición del líquido asperjado y por
consiguiente una aspersión intermitente, por tal motivo fue
necesario disponer de una camisa de material aislante que evitara
esta situación (figura 4). El material seleccionado fue teflón
virgen que presenta las siguientes características: es capaz
de resistir temperaturas de 300º C durante largos periodos
sin apenas sufrir modificaciones, es resistente a la mayoría
de los ácidos y las bases e insoluble a muchos disolventes
orgánicos (Perry, 1979).
Figura 4. Componentes de la boquilla de doble fluido
y camisa de teflón de la extensión de la boquilla
Soplador y válvula de mariposa
El soplador debe tener una presión de descarga suficiente
capaz de soportar las caídas de presión que le provocan
las resistencias, la tubería, la cámara de secado
y ciclón. Para su selección fue necesario medir el
flujo volumétrico y caídas de presión de un
soplador con características similares al que tiene el secador
“Lab – Plant” (Navarro, 1982) para así
poder obtener sus condiciones de trabajo. De tal forma se determinó
que los siguientes datos son necesarios para elegir el soplador:
presión máxima de descarga de 150 kgf/m2 (150 mm de
columna de agua) y un flujo de 0,014 m3/s (50 m3/h). Se consultaron
gráficas de equipos comerciales y aquella que mejor se ajustó
fue la del soplador Soler & Palau, modelo CST–800 (figura
5).
Para regular el flujo de aire de secado fue necesario colocar una
válvula de mariposa a la salida del soplador, la cual permite
manejar 6 diferentes flujos que fueron determinados a partir de
la velocidad de aire proporcionado por el soplador, dicha velocidad
fue medida con el anemómetro LED Vame, modelo P-05951-75
LED (Cole Parmer) con un intervalo de 0 a 44 m/s. La válvula
de mariposa se muestra en la figura 6 y ofrece los siguientes flujos
de aire (cuadro 7).
Cuadro 7. Flujos de aire ofrecidos por el soplador a las
diferentes posiciones de la válvula de mariposa.
Posición de la válvula
Flujo (m3/h)
1
No detectable
2
No detectable
3
5,09
4
21,80
5
37,07
6
56,69
|
Sistema de calentamiento de aire.
Para llevar a cabo el calentamiento del aire de secado se utilizaron
resistencias en espiral que están soportadas en una base
de cerámica. Para el diseño fue necesario calcular
la cantidad de calor que requiere el sistema bajo condiciones máximas
del aire de secado (T=200°C, Q=0.014m3/s), obteniendo un resultado
de 2.23Kw, se consideraron las pérdidas de calor en el dispositivo
donde están colocadas las resistencias, la eficiencia de
la resistencia para convertir la energía calórica,
las posibles variaciones del voltaje en la corriente y las variaciones
de temperatura ambiente en las diferentes estaciones del año;
por lo cual se incrementó el flujo de calor hasta 4Kw con
el fin de garantizar que a flujos altos el aire también alcanzará
temperaturas elevadas para el proceso de secado.
Bomba peristáltica
Los flujos requeridos para el secador diseñado se encuentran
en un orden de 2.16x10-4 hasta 22.5x10-3 m3/h. Por lo tanto la bomba
peristáltica seleccionada es de la marca Master Flex modelo
L/S 17, que maneja flujos del orden de 68x10-4 hasta 1.68x10-2 m3/h,
está constituida por un cabezal de modelo 7014 con manguera
de silicón del número 14 y un controlador de velocidad
de bombeo.
Compresor
Para este equipo en específico debido a que se utiliza una
boquilla neumática, se requiere de un compresor que proporcione
el aire necesario para llevar a cabo la aspersión. El compresor
seleccionado fue un compresor de diafragma marca EVANS que tiene
las siguientes características técnicas: flujo de
aire 2.5 cfm, 3/4 de HP y proporciona una presión máxima
de 125 psi.
Distribución espacial del equipo
La disposición del equipo está diseñada para
facilitar el manejo y limpieza del mismo, la recuperación
del producto y el proceso de secado, ya que se ha observado en equipos
similares la dificultad que se tiene en el manejo de estos aspectos.
Cámara y ciclón
La cámara de secado está dispuesta en dos partes:
el cuerpo y la tapa; el cuerpo cuenta con una base cónica
y una tubería en la parte baja del cuerpo que conecta con
el separador ciclónico. La tapa de la cámara tiene
un codo de conexión que se une al sistema de calentamiento
de aire, además cuenta con una conexión roscada de
0.022 m de diámetro para la entrada de la boquilla de aspersión,
y extensión de la misma. Tanto la tubería de conexión
de la tapa como del cuerpo de la cámara de secado en su parte
inferior cuentan con entradas de tubo roscado de 0.005 m de diámetro
para la entrada de termopares con el fin de tener un registro de
la temperatura del aire a la entrada y salida de la cámara
de secado (figura 7).
En la base de la cámara de secado y en la del ciclón
se encuentran frascos colectores de polvos gruesos y finos, respectivamente.
La corta tubería de conexión entre la cámara
de secado y el ciclón evita la acumulación de un gran
porcentaje de polvo en esta sección además de agilizar
y facilitar la recuperación de los polvos finos. El tipo
de unión de la tubería entre la cámara de secado
y el ciclón es de junta esférica facilitando así
el acoplamiento de estos equipos.
Debido a la disposición descrita de la cámara de secado
y el separador ciclónico, este equipo puede trabajarse tanto
en flujo paralelo como en flujo mixto cambiando la posición
de la boquilla de aspersión de la tapa de la cámara
de secado hacia la base del cuerpo de la cámara, específicamente
en la parte de conexión del frasco colector de polvos gruesos.
Figura 7. Distribución espacial de la cámara de secado
y ciclón.
Estructura de soporte y distribución del equipo
auxiliar
La cámara de secado, el ciclón, los controladores
y el equipo auxiliar están soportados en una estructura de
tubo cuadrado de 1.10 m de largo, 0.50 m de ancho y 1.70 m de altura.
Esta estructura cuenta con puertas de acrílico con el fin
de proteger al equipo, tiene anillos y cinturones de soporte para
la cámara de secado y ciclón separador, cuenta con
placas y repisas para la colocación de la bomba y vaso de
alimentación, y tiene ruedas giratorias para facilitar el
traslado del mismo. En la base del soporte del lado derecho de la
estructura se encuentra el soplador, que está conectado por
medio de tubería con el calentador el cual está colocado
en la parte superior derecha de la estructura del soporte (figura
8).
Figura 8. Secador por aspersión construido
Instrumentación del Equipo
El último de los objetivos de este trabajo fue la instrumentación
del secador por aspersión; ésta corrió a cargo
de la empresa: SEEM quienes con base a los requerimientos indicados,
diseñaron una caja de control de fácil manejo que
tiene focos piloto e interruptores para controlar el encendido y
apagado de los componentes del secador (bomba peristáltica,
soplador, y compresor), así como la iluminación del
sistema de aspersión y equipo en general. Este tablero también
cuenta con dos displays, para monitorear y controlar la temperatura
del aire a la entrada y salida del secador, por medio de termopares
que se colocan en la tapa de la cámara y en la tubería
de conexión de la cámara y ciclón colector
(figura 9).
Figura 9. Caja de control del secador por aspersión
Costo del secador por aspersión diseñado
Una vez diseñadas y seleccionadas las partes del secador
por aspersión se llevó a cabo la cotización
de las mismas con diversos proveedores e importadores de los cuales
se eligieron a “Spraying Sistem”, importador y distribuidor
de boquillas de aspersión; “Al Motor, S.A. de C.V.”
distribuidor de extractores de aire, “Control de Bombas y
Motores S.A. de C.V.” distribuidor de bombas, motores y compresores,
“UNITAF“ dicha empresa llevó a cabo el maquinado
de la camisa de teflón para la extensión de la boquilla,
"SEMM" Servicios Electromecánicos Especializados
de Mantenimiento, para llevar a cabo la instrumentación del
equipo e “IMPARLAB”, Impulsora de equipos para laboratorio,
esta empresa se encargó de la construcción de la cámara
de secado, ciclón, válvula de mariposa y estructura
de soporte del secador por aspersión. A continuación
en el cuadro 8 se presentan las características y cotizaciones
de las partes que componen al sistema de secado por aspersión
Cuadro 8. Costos del equipo
Equipo
Cámara y ciclón
Estructura de soporte
Puertas de protección para el equipo
Domo y protección del equipo auxiliar
Boquilla de atomización con extensión
Sistema de calentamiento
Compresor
Soplador
Válvula de mariposa y reducción en pirámide
Colocación del domo y protección de acrílico
Funda de la boquilla
Instrumentación
Subtotal
Iva
Total |
Precio U M.N.
$16,080.00
$ 4,600.00
$ 1,865.00
$ 1,391.31
$ 4,235.00
$ 3,000.00
$ 1,500.00
$ 4,242.00
$ 670.00
$ 550.00
$ 582.25
$10,234.00
$48,949.31
$ 7,342.40
$56,291.71 |
Como se puede observar la bomba peristáltica no se cotizó
ya que la U.P.I.BI. cuenta con ella y cumple con los requerimientos
del equipo diseñado.
Conclusiones.
El equipo de secado diseñado y construido en este trabajo,
y con base en la secuencia de cálculo desarrollada basada
en ecuaciones clásicas de secado, permite el secado de productos
alimenticios, farmacéuticos, biotecnológicos y químicos
que se encuentren en solución acuosa o emulsión, sean
termolábiles o no. Trabaja flujos de aire de secado de 0
a 0.16 m3/s (con presiones de descarga de 160 a 80 Kgf/m2, respectivamente);
el aire de secado puede calentarse desde 100 hasta 300 °C (con
flujos de aire de 0.06 a 0.016 m3/s, respectivamente); la boquilla
neumática trabaja con flujos de alimentación del producto
de 0 a 0.2 l/h y viscosidad de 0 a 2 Pa.s (0 a 2000 cp).
El equipo diseñado y construido tiene un costo de $56.300.00
M.N. el cual representa una quinta parte del precio de un equipo
comercial de características similares; al ser construido
e instrumentado con partes y equipos fácilmente adquiribles
en México, el costo de su mantenimiento también es
más bajo que el de los equipos comerciales importados.
Importancia de los nuevos hallazgos y sus aplicaciones.
Se planteó de forma sencilla la integración de los
elementos básicos de secado dando como resultado una guía
útil para diseñar secadores de diferentes capacidades,
dos tipos de contacto aire - gota (corriente paralela y flujo mixto)
y dimensiones adecuadas, dependiendo del tipo o los tipos de productos
que se deseen secar (alimentos, fármacos y productos biotecnológicos
en general) debido a la amplia gama de condiciones de operación.
La significativa reducción del costo del secador diseñado
con respecto a los existentes en el mercado permite a pequeñas
industrias y escuelas diseñar y construir un secador por
aspersión de acuerdo a sus necesidades.
Bibliografía.
1. Foyed, M.E.and Otten, L. (1984) “Handbook of Powder Science
and Technology”, Editorial Van Nostrand Reinhold Company,
New York.
2. Gluckert, F.A. (1962), “A Teorical Correlation of Spray
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