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UNIVERSIDAD TECNOLOGICAMETROPOLITANA
FACULTAD DE CIENCIAS NATURALES, MATEMÁTICA Y DEL MEDIO AMBIENTE
DEPARTAMENTO DE QUÍMICA
SECADO
Trabajo realizado por: Jorge Acuña
Jonquera
Paz Alarcón
Portales
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José ArredondoBravo
Fabián ArayaHernández
Profesor: Juan Voss
Santiago de 9 diciembre, 2008
INTRODUCCION
Para la Ingeniería Química, el estudio de secado se refiere a la eliminación
de agua de los materiales de procesos y otras sustancias. El término secado
se usa también con referencia a la eliminación de otros líquidos orgánicos,
tales como bencenos o disolventes orgánicos, de los materiales sólidos.
El secado significa la remoción de cantidades de agua relativamente
pequeñas de cierto material, y en el secado el agua casi siempre se elimina
en forma de vapor con aire.
Los métodos y procesos de secado se clasifican de diferentes maneras; se
dividen en procesos de lotes, cuando el material se introduce en el equipo
de secado y el proceso se verifica por un periodo; o continuos, si el material
se añade sin interrupción al equipo de secado y se obtiene material seco
con régimen continuo. Los procesos de secado se clasifican también de
acuerdo con las condiciones físicas usadas para adicionar calor y extraer
vapor de agua, cabe destacar que existen otras condiciones, pero no las
mencionaremos, para destacar solo la condición que ocupamos en nuestra
experiencia, y es la cual el calor se añade por contacto directo con aire
caliente a presión atmosférica, y el vapor de agua formado se elimina por
medio del mismo aire.
.
OBJETIVOS
• Determinar y analizar las curvas de secado para un trozo de madera,
manteniendo las condiciones de secado constantes (velocidad,
temperatura y humedad del aire).
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• Determinar los coeficientes de transferencia de calor y masa
correspondientes a esta experiencia.
• Estudiar los mecanismos por los cuales la humedad interna del sólido
dirige hacia la superficie de este.
MARCO TEORICO
Al representar la humedad del sólido X ( kg de agua / kg SS) versus el
tiempo de secado, operando en condiciones constantes de secado, en tantocircula aire sobre el objeto a secar, se obtienen curvas características para
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cada materia o sustancia a secar, en la que puede observarse que al
principio la humedad del sólido disminuye linealmente con el tiempo de
secado- porción recta de la gráfica-, o lo que es lo mismo durante este
período la velocidad de secado (-dX/dt ) permanece constante. Se efectúa el
secado a esta velocidad constante hasta que la humedad del sólido alcanzaun valor crítico Xc, a partir del cual la velocidad de secado disminuye,
anulándose cuando la humedad del sólido alcanza el valor de equilibrio X*,
con el aire en las condiciones constantes de operación, es decir cuando la
humedad libre es cero.
El período de velocidad constante va desde la humedad inicial X0 hasta la
humedad crítica Xc. El valor de la humedad crítica depende de las
condiciones del aire de secado y del espesor del material a secar.
El período de velocidad decreciente se extiende desde la humedad crítica
Xc hasta la humedad final del sólido Xf cuyo valor límite es X*.
Se denomina tiempo crítico de secado al tiempo de secado necesario para
que la humedad del sólido descienda desde su valor inicial al crítico- la
curva de velocidad de secado se separa del comportamiento
INSTRUMENTOS Y EQUIPOS
• Termómetro de bulbo seco
• Termómetro de bulbo húmedo
• Balanza digital
• Rejilla sostenedora – Madera
• Equipo de secado
• Cronómetros
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Figura del equipo utilizado
PROCEDIMIENTOS EXPERIMENTAL
• El equipo estando en marcha y con la configuración de operación quefue dispuesta por el profesor:
• Se procedió a colocar la madera en la superficie de la rejilla ocupando
toda el área de ella .
• Posteriormente estando estables las temperaturas del bulbo seco y
húmedo en : introducimos la rejilla con el sólido en el
equipo, enganchándola en la balanza empezando así el proceso desecado, y a la vez el tiempo cero para nuestra experiencia.
• Procedemos a registrar las variaciones de masa, en intervalos de tiemporegulares de la siguiente forma: cada x minutos durante un tiempo de xminutos, para luego medir cada x minutos, hasta que no registramosuna variación de masa considerable, siendo la última lectura de nuestraexperiencia a los x minutos, donde asumimos que la madera seencontraba completamente seca.
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DATOS Y RESULTADOS:
Gráfico #1: Humedad
o sólido
agua
Kg
Kg
sec
v/s tiempo [ ]min
Tiempo [ ]min Humedad
o sólido
agua
Kg
Kg
sec
0.00000 0.286333333
1.00000 0.268222222
2.00000 0.256000000
3.00000 0.243333333
4.00000 0.233777778
5.00000 0.221333333
6.00000 0.211888889
7.00000 0.204444444
8.00000 0.196777778
9.00000 0.188000000
10.00000 0.182888889
15.00000 0.154777778
20.00000 0.133333333
25.00000 0.114444444
30.00000 0.0966666667
40.00000 0.0722222222
50.00000 0.0555555556
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Gráfico #2: Humedad media
o sólido
agua
Kg
Kg
sec
v/s Velocidad media
2
*mhr
Kg agua
Vel. media transferencia de masa
2
*mhr
Kg agua
Humedad media
o sólido
agua
Kg
Kg
sec
2.01000 0.208166667
2.07000 0.200611111
2.37000 0.192388889
1.38000 0.185444444
1.15800 0.144055556
1.02000 0.123888889
0.96000 0.105555556
0.66000 0.084444444
0.45000 0.063888889
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Tiempo[hr] Peso Total [gr] Humedad Media ∆X ∆t Velocidad [Kg de H20/hr*m2]
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0 115,77000
0,277277778 -0,01811111 0,01666667 4,89
0,01666667 114,14000
0,262111111 -0,01222222 0,01666667 3,3
0,03333333 113,04000
0,249666667 -0,01266667 0,01666667 3,42
0,05 111,90000
0,238555556 -0,00955556 0,01666667 2,58
0,06666667 111,04000
0,227555556 -0,01244444 0,01666667 3,36
0,08333333 109,92000
0,216611111 -0,00944444 0,01666667 2,55
0,1 109,07000
0,208166667 -0,00744444 0,01666667 2,01
0,11666667 108,40000
0,200611111 -0,00766667 0,01666667 2,07
0,13333333 107,71000
0,192388889 -0,00877778 0,01666667 2,37
0,15 106,92000
0,185444444 -0,00511111 0,01666667 1,38
0,16666667 106,46000
0,168833333 -0,02811111 0,08333333 1,518
0,25 103,93000
0,144055556 -0,02144444 0,08333333 1,158
0,33333333 102,00000
0,123888889 -0,01888889 0,08333333 1,02
0,41666667 100,30000
0,105555556 -0,01777778 0,08333333 0,96
0,5 98,70000
0,084444444 -0,02444444 0,16666667 0,66
0,66666667 96,50000
0,063888889 -0,01666667 0,16666667 0,45
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0,83333333 95,00000
Del primer gráfico se puede apreciar que el tramo en donde la velocidad de secadoes constante corresponde desde el punto (6, 0.211888889) hasta (8,0.196777778), por lo tanto es ahí donde se calcula Rc
Rc = - ∆ X * S = 0.211888889 – 0.196777778 * 0.09 = 2.04[Kg / m2 hr]
∆ t A 0.133333333 – 0.1 0.02
Masa de sólido seco = 90 [gr] = 0.009[Kg]
Área de contacto = 0.02 [m2]
Tº BS = 76.68 ºC = 175 [ºF]
Tº BH = 49.78 ºC = 122 [ºF]
λ = 569.3152 [Kcal/Kg]
Xsaturación = 0.086
Xaire = 0.0714
P sat (psi). T (ºF) T(ºC) △H = hfg (BTU/lb) △H = hfg ( Kcal/Kg)
1,6924 120 48,89 1025,8 569,8319
1,7774 121,604 49,78 1024,8699 569,3152
2,2225 130 54,44 1020,0 566,61
Para efectos de cálculo, la velocidad de transferencia de masa promedio será de:
2.04
2
*mhr
Kg agua
=
=
=
2
2
403.1161
04.2*3152.569
*
mhr
Kcal
mhr
Kg
Kg
Kcal
A
q
R
Acλ
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[ ]
=
=
hr
Kcal q
mmhr
Kcal q
22806.23
02.0*403.11612
2
( ) [ ]
=
−
=
−=
C mhr
Kcal h
C
mhr
Kcal
h
T T
A
q
h BH BS
º17483.43
º78.4968.76
403.1161
2
2
( )
( )
[ ]
=
=
=
=
−=
=
−==
hr
Kg K
mmhr
Kg K
mhr
Kg
A
K
Kg
Kg K
mhr
Kg
Kg
Kg K
Kg
Kcal
mhr
Kcal
R
X X K A
q R
oaire
v
oaire
v
oairev
oaire
agua
v
agua
oaire
agua
v
agua
c
aire saturaciónc
sec
2
2
sec
2
sec
sec
2
sec
2
79452.2
02.0*72603.139
72603.139
0146.0*04.2
0714.0086.0*
3152.569
403.1161
**λ
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DISCUSION:
El calculo de la tabla de resultados no presento mayores problemas, el realproblema es el calculo de los coeficientes de calor tanto como el de masa, porsobre todo el de masa, el cual en un principio nos daba dimensionalmenteincorrecto. Esto fue por la intoduccion de unidades a los valores de presionesparciales, que son adimensionales. Finalmente se opto por calcular el coeficientede transferencia de masa en factor de las humedades relativas, que al tener masclaro que eran adimensionales no nos dio error en las dimensiones.
La construcción de los gráficos también es un reto, no por el hecho de
construirlos en si, sino por la cantidad de criterios que hay que tener para dibujarlas curvas, como por ejemplo tomar por tramos la velocidad media de transferenciade masa en donde se mantenga semi constante para la construcción del gráficohumedad media v/s velocidad media. La eliminación de algunos puntos en laconstruccion de los graficos fue necesaria para ajustar la curva y ver mejor elcomportamiento constante de la velocidad.
Los problemas no estuvieron ausentes en el practico de este laboratorio,aproximadamente despues de una hora del funcionamiento del secador, la balanzaencargada de pesar el solido humedo fallo por razones desconocidas dando uncambio positivo en la diferencia de masa, lo que causo que el tiempo de recepcion
de datos fuera muy corto lo que a su vez causo la suposicion de la masa de solidoseco y una pobre cantidad de datos para la construcción de tablas.
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CONCLUSION:
El secado constituye uno de los métodos que permite separar un líquido de
un sólido. Consiste en la separación de la humedad de los sólidos (o de los
líquidos) por evaporación en una corriente gaseosa.
La operación de secado es una operación de transferencia de masa de
contacto gas- sólido, donde la humedad contenida en el sólido se transfiere
por evaporación hacia la fase gaseosa, en base a la diferencia entre la
presión de vapor ejercida por el sólido húmedo y la presión parcial de vapor
de la corriente gaseosa. Cuando estas dos presiones se igualan, se dice que
el sólido y el gas están en equilibrio y el proceso de secado cesa. La Humedad de un sólido es el peso de agua que acompaña a la unidad de
peso de sólido seco.
La Humedad de equilibrio: x*, es la humedad del sólido cuando su presión de vaporse iguala a la presión de vapor del gas. Es decir, humedad del sólido cuando estáen equilibrio con el gas
NOMENCLATURA
Fracción Humedad Base Húmeda (XH TH)
Fracción Humedad Base Seca (XH TS)
Velocidad de secado
Peso del sólido seco
Área de la superficie expuesta
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Coeficiente diferencial, velocidad de secado
Intensidad de paso de calor
Velocidad de secado constante
Calor latente de vaporización
Coeficiente de transferencia de calor
Temperatura bulbo seco
Temperatura bulbo húmedo
Coeficiente de masa
Humedad de saturación a la temperatura del sólido –
Temperatura de bulbo húmedo TBH (Xs)
Humedad del fluido gaseoso-aire de secado (X)
APENDICE
El peso total en la grafica corresponde a la medicion hecha de lamadera en el secador.
La humedad total corresponde al peso en gramos del agua en lamadera, se obtiene restando el peso de la madera seca al peso total. Elpeso de la madera seca es 90 gramos.
Como ejemplo ocupare el primer dato en la tabla.
A tiempo = 0 , el peso de la madera humeda fue de 115,77 gramos, como elpeso de la madera es constante e igual a 90 gramos, la humedad total seobtiene:
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Humedad total (gr) = 115,77 – 90 = 25,77 gramos de agua
El valor de la Humedad (Quinta columna), esta expresada enKilogramos de agua por Kilogramos de solido seco (Kg agua / Kg solidoseco). Este valor se obtiene dividiendo el valor de humedad total por el pesode la madera seca.
Como ejemplo el primer dato de la tabla.
A tiempo = 0 , la humedad total es de 25,77 gramos, el peso de la maderaseca es de 90 gramos,
La humedad se obtiene;
Humedad = 25,77 (gr de agua) / 90 (gr de madera seca) = 0,28633 (gr deagua / gr de madera seca)
Humedad = 0,28633 (Kg de agua / Kg de madera seca)
La humedad media corresponde a la humedad encontrada promedioencontrada en un intervalo de tiempo, tambien esta expresada enKilogramos de agua por Kilogramos de solido seco. Como se presenta en unintervalo de tiempo, los datos se presentan intercalados contra los demas.
Se calcula como la media aritmetica entre dos valores de humedad y solotiene validez entre los valores de tiempo a los cuales corresponden losvalores iniciales de humedad.
Como ejemplo el primer dato de la columna de humedad media.
A tiempo = 0 (min) la humedad tiene un valor de 0,28633 (Kg agua / Kgsolido)
A tiempo = 1 (min) la humedad tiene un valor de 0,26822 (Kg agua / Kgsolido)
Humedad media = (0,28633+0,26822) / 2 = 0,277275 (Kg agua / Kgsolido)
Y este valor solo tiene validez entre 0 y 1 minuto.
∆X corresponde al diferencial de humedad, se entiende como cuanta aguafue eliminada del solido en un determinado intervalo de tiempo. Se obtienede dos valores de humedad y solo tiene validez en el intervalo de tiempocorrespondiente.
Como ejemplo el primer dato de la columna ∆X.
A tiempo = 0 (Hr), la humedad tiene un valor de 0,28633 (Kg agua / Kgsolido)
A tiempo = 0,01666 (Hr), la humedad tiene un valor de 0,26822
∆X = 0,26822 – 0,28633 = -0,01811 (Kg agua / Kg solido)
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El valor resultante es negativo, lo cual tiene sentido ya que esta ocurriendouna perdida de agua por parte de la madera
∆t corresponde al diferencial de tiempo al cual corresponde el valorobtenido anteriormente de ∆X.
Como ejemplo el primer dato de ∆t.
∆t1 = 0,01666 – 0 = 0,01666 (Hr)
La velocidad media de trransferencia de masa se presenta en el graficocomo Kg de agua por metro cuadrado por hora y se obtiene mediante lasiguiente formula:
W = Velocidad media = -(S / A) * (∆X / ∆t)
Donde:
S = Masa del solido seco = 90 gr = 0,09 Kg
A = Area del solido expuesta a la corriente de aire.
El solido tenia 10 cm de largo y 10 cm de ancho, por lo tanto el area de lamadera es de 100 centimetros cuadrados o 0,01 metros cuadrados, perocomo dos caras de la madera estaban expuestas, el Area Expuesta es iguala 0,02 metros cuadrados.
Como ejemplo el primer dato de la tabla de velocidad.
W = Velocidad media = -(S / A) * (∆X / ∆t)
S = 0,09 Kg
A= 0,02 metros cuadrados
∆X = -0,01811 (Kg agua / Kg solido seco)
∆t = 0,01666 (Hr)
W = - (0,09 / 0,02) * ( - 0,01811 / 0,01666) (Kg agua / Hr*m2)
W = 4,8916 (Kg agua / Hr*m2)
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BIBLIOGRAFIA
• Título: Problemas de Ingeniería en Química volumen 1 y 2
Autor: Ocón y Tojo
• Titulo: Operaciones de transferencia de masa
Autor: R. Treybal
• Titulo: Procesos de Transporte y Operaciones Unitarias
Autor: C.J Geankoplis