aspectos basicos del secado
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From liquid - to powder - to perfection
Temas básicos en el secado
por aspersión
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Temas principales en el secado por aspersiónIntroducción
Principios del secado
Formación de la partícula
Calentamiento del aire
Diseño de la cámara
Separación del producto seco y aspectosambientales
Detalles en el diseño
Control del sistema de secadoSeguridad en el secado
Economía en la operación
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Introducción
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Secado por aspersión - Introducción
Definición.- Es la transformación de un líquido en
un polvo al convertir el líquido en una nube de
particulas y ponerlas en contacto con un gas
caliente.
Antecedentes.- Se conocen aplicaciones
industr iales en leche y detergentes desde 1920,
sin embargo mucho antes de esta fecha seconocen los principios del secado por
aspersión, en la literatura y los patentes se
tienen algunos referentes al huevo desde 1865,
el pionero es el Sr. Samuel Percy y sus
patentes de 1872.
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Selección del tipo de secado de acuerdo a las
características físicas de la alimentación
El secado de acuerdo a las características
de Alimentación
Liquido (solución)
Liquido (concentrado)
Lechada (Slurry)
Suspensión
Pasta, bombeable
Pasta, no- bombeable
Torta de filtración (Filter cake), cohesiva
Torta de filtración (Filter cake), no-cohesiva
Partículas
Granulados, aglomerados
Polvo
S p r a y d
r y e r
F l u i d b
e d
S p i n f l a s
h d r y e r
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Usos en el área de lácteos
Fórmulas Lácteas
Leche en polvo descremada
Leche en polvo enteraPolvo de alta grasa
Polvo de Yoghurt
Bases para productos lácteos
Lactosa
Suero de Leche
035
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Usos en el área de alimentos
Huevo
Gelatina
Sabores Naturales
Extractos de hierbas
Café y Té
Jugos de frutas
Crema de cocoLevadura
Ingredientes:
Maltodextrina, etc.
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Usos en el área Química
Químicos a granel
Químicos finosColorantes
Petroquímicos
Agroquímicos
Fertilizantes
Productos
Biotecnológicos
Detergentes
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Principios de secado
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Balance de energía y materia
1
2
3
4
1. Entrada de aire (Ga), (Ta)1, (Qa)1,( H1)
2. Entrada de producto (MS), (Ts)1, (Qs)1,( Ws)1.
3. Salida de aire (Ga), (Ta)2, (Qa)2,( H2)
4. Entrada de producto (MS), (Ts)2, (Qs)2,
( Ws)2.
Premisas= lo que entra es igual a lo que sale
El calor que entra es igual al que sale mas lo que se pierdeMs: Kg/hr sólidos B.S.
Ws: humedad de los
sólidos por kg B.S.Ts: Temperatura del
producto
Ta: temperatura del aire
H: humedad absoluta del
aire
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Carta Psicométrica
Vapor de agua en
el aire a 1.0133
bar
0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.20
100
50
400
350
300
250
200
150
8000
6000
5000
4000
3000
X kJ/kg
Δ H / Δ X
k J / k g
H k J / k g
6 0 0 5 0 0
4 0 0 3 0 0
2 0 0 1 0 0
1.2
1.1
1.0
0 .9
0 .8
0 .7
0 .6
p r o p a n e
toC
rkg/m3
o i l
n a
t .
g a s
4 0
, 0 0
0
2 0
, 0 0
0
Secado por Aspersión – Principios de secado
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Etapas del secado por aspersión
• Atomización de la alimentación al Secador
Rotatorio
Boquillas
• Contacto de la nube de aspersión con el aire:
Co- corriente
Contra-corriente
Mixto
• Evaporación de la nube
• Separación del producto seco del aire de secado
Separación parcial en la cámara
Separación del polvo en la unidad de separación
Secado por Aspersión – Principios de secado
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El secado de gotas en aire caliente
Relación entre la
temperatura del
aire y la del
producto y el
tiempo del
secado
100
500
200
300
400
Temperatura del aire
Temperatura del producto
Principio del secado
1
23 4
5
1 Transferencia de calor al sólido por convección
2 Transferencia de calor interna
3 Evaporación
4 Difusión interna del vapor de agua
5 Transferencia de masa externa por convección del agua al
aire
Fin del secado
Temperaturao
C
Secado por Aspersión – Principios de secado
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Perfil Típico de Temperatura
dentro de un Secador 200 -110 oC
110 -105 oC
105 -100 oC
100 - 95 oC
95 - 80 oC
80 - 60o
C60 - oC
T entrada : 200 oC
T salida : 100 oC
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Secado por Aspersión – Principios de secado
Efecto de la temperatura de entrada
3000
3500
4000
4500
5000
5500
6000
6500
7000
7500
8000
100 130 160 190 220 250 280 310 340 370 400
Temperatura de entrada de aire,oC
C o n s u m o d e e n e r g í a ,
K J / k g
Temperatura de salida
40 0C arriba del punto de roció
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Formación de la partícula
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Atomizadores Centrífugos
Atomizadores
centrífugos de
0,5 - 1200 kW.
Atomizadores
acoplados directa e
indirectamente
Capacidades hasta
100 t/h
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Secado por Aspersión – Formación de la partícula
El distribuidor de aire y un atomizador rotatorio
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H19P nozzle atomizer
Las lanzas individuales se pueden cambiar durante la
operación
Secado por Aspersión – Formación de la partícula
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Secado por Aspersión – formación de la partícula
HP nozzle atomizer “ Atomizador de alta
presión”El Atomizador HP es flexible y permite regresar los
finos para su aglomeración.
Central
nozzle
Product
Product
Fines
Air
distributor
Peripheral
nozzle
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Secado por Aspersión – formación de la partícula
Micro photos
Típicas Fotos de partículas formadas por atomización
Pressure nozzle atomization
Centrifugal atomization
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Secado por Aspersión – formación de la partícula
La operación de aspersión es afectada por: La presión, densidad del
líquido y la viscosidad del líquido.
• El ángulo de Aspersión: se requiere un mínimo de presión para generarun ángulo de espreado 1.4 atm. (20 psi), al aumentar la presión
disminuye el ángulo.
• Efectos de las variables en el tamaño de partícula:
Efecto de la capacidad en el tamaño de la partícula, Normalmente si se trabajapor debajo de la capacidad de la boquilla, el tamaño de la partícula ira
disminuyendo hasta llegar a la capacidad. El flujo está ligado a la presión.
Partículas más pequeñas se formaran con boquillas de mayor ángulo.
A mayor presión menor tamaño de partícula.
A mayor viscosidad mayor tamaño de partícula. La viscosidad está relacionada
con la densidad (mayor o menor materia) y la temperatura.
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Secado por Aspersión – Calentamiento de Aire
Clasificaciones de tipo de Calentadores
• Directo: GN, GLP, Combustoleo
• Indirecto: GN, GLP, Vapor, Electr icidad, Líquido térmico
Calentamiento de Aire
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Secado por Aspersión – Calentamiento de Aire
Requerimiento específico de aire para secado
10
100
1000
0 50 100 150 200 250
Temperatura de Aire de entrada C
k g A i r e p
o r k g a g u a e v a p
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Secado por Aspersión – Calentamiento de Aire
Clasificaciones de tipo de secadores
Directo e indirecto
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Secado por Aspersión – Calentamiento de Aire
Calentador indirecto de gas
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Secado por Aspersión – Diseño de la Cámara
Diseño de la cámara
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Secado por Aspersión – Diseño de la Cámara
Distribución del tamaño de la partícula
1
10
100
1 10 100 1000
Diámetro de la partícula en mm.
P o r c e n t a j e e n p e s o
en una etapa Dos etapas Tres etapas
Multi etapas SBD agglomerador.
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Secado por Aspersión – Diseño de la Cámara
Flujo de Aire y producto
A = Aire
F = Producto (Feed) A
F
Co-Current
Counter-Current Mixed Flow
A
AF
AF
A
A AF
A
F F A F A
A
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Sistema de Secado por aspersión en
la Industria Láctea y de Alimentos
Secado en una etapa (1CSD)
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Sistema de Secado por aspersión en
la Industria Láctea y de Alimentos
Secado en dos etapas (2CSD)
Salida de producto
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Sistema de Secado por aspersión en
la Industria Láctea y de Alimentos
Secado en 3 etapas con retorno de finos
(3CSD)
1 Calentador de aire
2 Distribuidor de
aire
3 Atomizador
4 Sist. alimentación
5 Cámara desecado
6 L.F. integrado
7 L.F. externo
8 Manejo de aire del
L.F.
9 Ciclón recolector 10 Filtro de bolsas
12
3
5
4
6
8 7
9
10
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Secado por Aspersión – Diseño de la Cámara
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Secado por Aspersión – Aspectos técnicos
•Ciclones
•Filtros de bolsas•Lavador húmedo
•Precipitador electrostático
•Oxidador térmico (VOC)
Separación del producto seco y
aspectos ambientales
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Separación del producto seco y aspectos
ambientales
Recuperación de Producto
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Separación del producto seco y aspectos ambientales
Filtro de Bolsas CIP-able
Aire limpio Aire de limpieza por pulsos
Finos en limpiezaSeparación de producto
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Separación del producto seco y aspectos
ambientales
Environmental concerns - scrubber
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Separación del producto seco y aspectos
ambientales
Filtro de bolsas.
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Secado por Aspersión – Detalles de diseño
Detalles de Diseño del secado por aspersión
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Secado por Aspersión – Detalles de diseño
Tiempo de residencia
Corto.- De 10 a 15 segundos, recomendado pata polvos
finos no sensitivos al tratamiento térmico,conteniendo altas cantidades de humedad no l igada,no higroscópicos.
Medio.- de 25 a 35 segundos, recomendado para polvossemi-gruesos con tamaño medio de partícula por
debajo de 180 micras, para productos sensitivos yresistentes al tratamiento térmico, humedad residualrequerida baja (3 al 1%), higroscópicos.
Largo. - 40 segundos o mas, recomendado para polvosmuy gruesos con tamaño medio de partícula de 200
a 275 micras, no sensibles al tratamiento térmico yhumedad residual muy baja (menor a 0.5%)
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Secado por Aspersión – Detalles de diseño
Temperatura de entrada
Se usa el mayor valor posible basado en la sensibil idad al
tratamiento térmico, efecto del calor en la estructura química del
producto (degradación o descomposición), riesgo de explosión o
incendio del producto, ,máxima temperatura recomendable para la
operación del equipo.
Temperatura de salida
La determina la humedad residual requerida.
S d A ió D t ll d di ñ
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Generalidades para selección de sistema de atomización
Condición Atomización
Rotatoria Boquillas
Cámara de secado
Co — corriente si si
Contra corriente no si
Flujo cruzado no si
Rotatoria Boquillas
Propiedades de la alimentación
Soluciones y emulsiones
Baja viscosidad si si
Al ta viscosidad si no
Emulsiones
No abrasiva si si
Medio abrasiva si si
Muy abrasiva si no
Flujo de alimentación
Menor a 3 m3/hr si si
Mayor a 3 m3/hr si no
Gota/Tamaño de partícula (mean)
De 30 a 120 micras si no
De 120 o 250 micras no si
Secado por Aspersión – Detalles de diseño
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Sistema de separación y limpieza del aire
De bajo costo y mantenimiento con facil idad de
limpieza, la mejor opción son los ciclones. Decosto medio, muy eficiente y específicamentepara plantas de descarga en un solo punto yproductos de alto valor, con temperaturas deaire exhausto por debajo de los 110ºC, lorecomendable son los fil tros de bolsas.
Cuando la recuperación de producto esimportante, pero es más los requerimientosambientales. la combinación de ciclones ylavador húmedo es lo mas adecuado.
En caso de presentar alto volúmenes de VOC’s serequerirá de un oxidador térmico o un lavadorHúmedo químico
Secado por Aspersión – Detalles de diseño
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La combinación de Venti lador de suministro y Exhausto
El ventilador de suministro es colocado en el lado de entrada de aire a lacámara. Este venti lador fuerza el aire a través del calentador y el dispersorde aire hasta que entra en la cámara y el ventilador de exhausto evacua elaire introducido a la cámara, más el agua evaporada y los aires auxil iares delsistema.
Usando esta combinación, el sistema obtiene gran flexibil idad en lo querespecta a la presión de operación de la cámara. El venti lador de suministroesta dimensionado para balancear el venti lador de exhausto y la cámarapuede operar a presiones cerca de la atmosférica si se requiere- Lo normales operar la cámara a una presión que osci la de cero a —10 mm c.a.
La presión de operación de la cámara con frecuencia controla la carga de polvoque el aire exhausto acarrea hacia el sistema de separación y l impieza de
gases. De esta manera, la presión de operación de la cámara puede serajustada para obtener la carga de polvo óptima para eficientar la operacióndel sistema de separación y l impieza de gases.
Secado por Aspersión – Detalles de diseño
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Presión de operación de la cámara.El correcto balance entre los ventiladores de suministro y exhausto, determina la
presión de operación de la cámara. De esta manera, por medio de la apertura
de las compuertas de regulación de flujo incorporadas a la succión de losventiladores o en la actualidad la uti lización de variadores de frecuencia, sepuede variar el flujo de aire que desplaza cada venti lador Por ejemplo, si laapertura de la compuerta del venti lador de suministro excede la capacidad deevacuación (incluyendo aires auxiliares y la evaporación) del ventilador deexhausto, entonces el sistema se presiona y se presentan anomalías en ladistribución del aire, depósi tos en las paredes de la cámara, alto acarreo de
polvo al sistema de limpieza, alta temperatura de producto, etcEn el caso contrario, la cámara trabaja en una condic ión de alto vacío, causando
primero una reducción en la capacidad de la planta (por la falta de aire secopara transportar el agua evaporada), disminución de la temperatura deexhausto y aumento en la humedad residual del producto.
En la condición de vacío existe por lo regular un sistema de protección
(interruptor de baja presión), que inhabilita el ventilador de exhausto paraprevenir una situación de colapsamiento de la cámara
Secado por Aspersión – Detalles de diseño
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Criterios importantes en el diseño de una
planta de secado por aspersión
Capacidad
Propiedad del producto
Seguridad
Habilidad de la planta (tiempos muertos,cambios de producto)
Consideraciones ambientales
Costos de operación
Secado por Aspersión – Detalles de diseño
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Secado por Aspersión – Control del sistema
Control del Sistema de Secado por Aspersión
Secado por Aspersión – Control del sistema
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Secado por Aspersión – Control del sistema
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Ajuste de la presión de Operación
El ajuste de la presión de operación de la cámara se efectúa através del control de la apertura de la compuerta de regulaciónde flujo del venti lador de exhausto. Esta apertura esta regidapor un controlador de presión localizado en el cuerpo delsecador y transmite una señal de apertura o cierre que esdirectamente proporcional al vacío de la cámara, esto es, altovacío, entonces cierra la compuerta y viceversa.
La presión dentro del secador, de esta manera, solo varia por lamanipulación de la apertura/cierre de la compuerta deregulación de flujo de aire del ventilador de suministro,haciéndose la compensación al punto de ajuste (set point) delcontrolador, por medio de la apertura/cierre de la compuertadel ventilador de exhausto.
Secado por Aspersión – Control del sistema
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Control de la temperaturas de Operación
Temperatura de entrada.-
Es normalmente constante, manteniendo de esta manera unaentrada fija de energía al sistema, por medio del control de flujode combustible (en el caso de calentadores directos o indirectos)o el de vapor (en el caso de calentadores de aire indirectos)
Temperatura de salida o del aire exhaustoDado que la temperatura de entrada es preferible mantenerla
constante, la temperatura de salida del sistema es controlada pormedio de un loop que ajusta la cantidad de alimentación enviadaal sistema. El control de este flujo puede ser por medio de unaválvula de control o por medio de la variación de la velocidad dela bomba de alimentación.
Secado por Aspersión – Control del sistema
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Seguridad en la Operación de Secado
Secado por Aspersión – Seguridad
S d A ió S id d
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Métodos para protegerse de una explosión de polvo
Métodos:
• Venteo
• Supresión
• Contención
• Gas inerte como medio de secado
Secado por Aspersión – Seguridad
S d A ió S id d
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Venteo
Ventajas:
• Tecnología ampliamente conocida e
información para su dimensionamiento
• Relativamente baja inversión
Desventajas:
• El producto se lanza a la atmósfera
• Mayor efecto psicológico cuando se activa
• Menor flexibil idad en el arreglo de planta ( Plantlayout).
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Venteo de una explosión de polvo
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Supresión
Ventajas:
• Contiene la explosión dentro del secador
Desventajas:
• Muy alto costo de inversión• Requiere servicio de mantenimiento constante
de especialistas
• Requiere de mucha instrumentación
• Contamina la planta y el producto si se activapor error
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Contención
Ventajas:• Contiene la explosión
• No requiere instrumentación especial
• No se util iza ningún medio de extinción
Desventajas:
• Se requiere equipo diseñado a muy altas
presiones
• El mantenimiento y l impieza de la planta se
dificulta• Costo de inversión muy alto
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Gas inerte como medio de secado
Ventajas:• Elimina la posibilidad de que ocurra una
explosión
• Virtualmente ninguna cantidad de gas escapara
de la planta
Desventaja:
• Mayor complicación del diseño de la planta y del
control
• Consume gas inerte• Consume agua de enfriamiento
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Explosión
Factores que se requieren:• Producto flamable
• Oxigeno
• Fuente de ignición
Medidas para contrarrestar la explosión:
• Remover el oxigeno
• Eliminar las fuentes de ignición
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Diagrama de una planta de circuito cerrado
A
13
2
B
6 G
F
4
D
5
E
C
A alimentaciónB vapor
C agua de enfriamiento
D polvo
E solvente
F nitrógeno
G venteo de gas
1 Tanque de
alimentación
2 atomizador
3 Cámara de secado
4 ciclón
5 condensador
6 Calentador de gas
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Secador por aspersión de circuito cerrado
Secado por Aspersión – Seguridad
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Sistema de bajo oxigeno (Lo-Ox)
Air heater
Combustion
air inlet
Air outlet
Powder
outletCondensate
Scrubber/
condenser
Air inlet
Secado por Aspersión Seguridad
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Secador por aspersión de bajo oxigeno
(Low-Ox)
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Secado por Aspersión – Economía en la operación
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Economía en la operación.
• Mayor temperatura posible sin degradar el producto.
• Mayor tiempo de uti lización de la planta en continuo.
• Utilización de los sistemas automáticos de control en
especial los variadores de frecuencia.
• Utilización de sistemas de recuperación de calor.
• Evitar perdidas de calor (fugas).
Secado po spe s ó co o a e a ope ac ó
Secado por Aspersión – Economía en la operación
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Sistemas ecológicos de recuperación de calor
p p p
Conclusión
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IntroducciónPrincipios del secado
Formación de la partícula
Calentamiento del aire
Diseño de la cámara
Separación del producto seco y aspectos
ambientales
Detalles en el diseño
Control del sistema de secado
Seguridad en el secado
Economía en la operación
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