laboratorio nº 16 secado atomización (1)

Laboratorio de Operaciones UnitariasGuías de práctica de laboratorio

PRACTICA 16:SECADO POR ATOMIZACION

I. INTRODUCCION

El secado se define como la eliminación de la humedad de un producto, y en la

mayoría de las situaciones prácticas la etapa principal durante el secado es la

transferencia simultánea de calor y masa. En los procesos de secado, los

mecanismos de transferencia de agua en el producto que se está secando se

pueden resumir en los siguientes (Van Arsdel y Copley, 1963): movimiento de agua

bajo fuerzas capilares, difusión del líquido por gradientes de concentración, difusión

superficial, difusión del vapor de agua en los poros llenos de aire, flujo debido a

gradientes de presión, y flujo debido a la vaporización-condensación del vapor de

agua. Las fuerzas capilares son responsables de la retención del agua en los poros

de los sólidos de construcción rígida, mientras que en sólidos formados por

agregados de polvos finos, es la presión osmótica la responsable de esta retención,

así como en la superficie del sólido.

El tipo de material que se desea secar es un factor muy importante en todos

los procesos de secado, ya que sus propiedades físicas y químicas juegan un papel

importante durante el secado, debido a los posibles cambios que puedan ocurrir y al

efecto de estos cambios en la eliminación del agua del producto. Un material

higroscópico, es aquél que contiene agua ligada que ejerce una presión de vapor

menor que el agua líquida a la misma temperatura. Productos en los que la base

principal son carbohidratos, es de suponer se comporten de forma higroscópica,

pues los grupos hidroxilos alrededor de las moléculas de azúcar permiten que se

creen puentes de hidrógeno con el agua, lo que explica la solubilidad de este tipo de

proteínas. Para toda esta gran diversidad de comporatamientos en los productos a

secar es que se han diseñado distintos sistemas de secado que van a depender del

tipo y de las características de producto que finalmente se querra obtener, uno de

estos tipos de secado es el Secado por Atomización.

Las condiciones de un proceso de atomización lo combierten en un tipo de secado

ideal para productos que resultan ser muy sensibles a altas temperaturas y cuyas

SECADO POR ATOMIZACION Ing. Damián Manayay Sánchez – Ing. Williams Castillo Martínez – Ing. Lourdes Esquivel Paredes


propiedades son muy importantes a ser mantenidas despues de un proceso de

secado.Este proceso consiste en producir una lluvia fina y homogenea tanto como

sea posible la cual entra en contacto con aire caliente, todo este proceso se lleva a

cabo dentro de una cámara que tiene muchas configuraciones posibles.Crear el

espray o la nebulización del líquido a secar dentro de la cámara es una de las fases

escenciales del proceso ya que aquello determinará el área de superficie de cada

gotita de producto formado a la cual se le transferira una cantidad de energía dada.

1.1 Proceso de SecadoEn los procesos de secado, los datos suelen expresarse como la variación que experimenta el peso del producto que se está secando con el tiempo (Figura 1). Aunque a veces los datos de secado pueden expresarse en términos de velocidad de secado.

FIGURA 1: VARIACIÓN DEL PESO DEL PRODUCTO EN UN PROCESO DE SECADO

El contenido en humedad del producto se define como la relación entre la cantidad

de agua en el alimento y la cantidad de sólidos secos, y se expresa como:

(1)

en la que wT es el peso total de material en un tiempo determinado, siendo el

peso de los sólidos secos, e Yt la humedad expresada como peso de agua/peso de



sólido seco. En los procesos de secado, una variable muy importante es la

denominada contenido de humedad libre, Y, que se define como:

(2)

en la que es el contenido de humedad cuando se alcanza el equilibrio. Una típica

curva de secado se obtiene al representar el contenido de humedad libre frente al

tiempo de secado (Figura 2).

FIGURA 2: CONTENIDO DE HUMEDAD EN FUNCIÓN DEL TIEMPO DE SECADO

La velocidad de secado, R, es proporcional al cambio del contenido de humedad con

el tiempo:

(3)

A partir de la Figura 2 se puede obtener el valor de dY/dt para cada punto de

la curva, mediante el valor que adquiere la tangente a la misma en cada uno de los

puntos.

La velocidad de secado se puede expresar como (Geankoplis, 1983):

(4)

en la que es el caudal de sólido seco y A el área de la superficie que se está

secando. Al representar la velocidad de secado frente al tiempo se obtiene una curva

similar a la Figura



FIGURA 3: CURVA DE VELOCIDAD DE SECADO (ADAPTADO DE BARBOSA-CÁNOVAS Y VEGA- MERCADO, 1996)

El proceso de secado de un material, puede describirse por una serie de etapas en

las que la velocidad de secado juega un papel determinante. La Figura 3 muestra

una típica curva de velocidad de secado en la que los puntos A y A’ representan el

inicio de secado para un material frío y caliente, respectivamente. El punto B

representa la condición de temperatura de equilibrio de la superficie del producto. El

tiempo transcurrido para pasar de A o A’ a B suele ser bajo, y a menudo se desprecia

en los cálculos del tiempo de secado. El tramo de la curva B-C es conocido como

período de velocidad constante de secado, y está asociado a la eliminación del agua

no ligada al producto, en el que el agua se comporta como si el sólido no estuviera

presente. Al inicio, la superficie del producto se encuentra muy húmeda, presentando

una actividad de agua cercana a la unidad. En los sólidos porosos el agua eliminada

en la superficie es compensada por el flujo de agua desde el interior del sólido. El

período de velocidad constante continúa mientras el agua evaporada en la superficie

pueda ser compensada por la que se encuentra en el interior. La temperatura en la

superficie se corresponde aproximadamente a la de bulbo húmedo (Geankoplis,

1983).



El período de velocidad decreciente se da cuando la velocidad de secado no

se mantiene constante y empieza a disminuir, además, la actividad de agua en la

superficie se hace menor que la unidad. En este caso, la velocidad de secado está

gobernada por el flujo interno del agua y vapor. El punto C representa el inicio del

período de velocidad decreciente, pudiéndose dividir este período en dos etapas. La

primera de ellas se da cuando los puntos húmedos en la superficie disminuyen

continuamente hasta que la superficie está seca completamente (punto D), mientras

que la segunda etapa del período de velocidad de secado decreciente se inicia en el

punto D, cuando la superficie está completamente seca, y el plano de evaporación se

traslada al interior del sólido. El calor requerido para eliminar la humedad es

transferido a través del sólido hasta la superficie de evaporación, y el vapor de agua

producido se mueve a través del sólido en la corriente de aire que va hacia la

superficie. A veces no existen diferencias remarcables entre el primer y segundo

período de velocidad decreciente. La cantidad de agua eliminada en este período

puede ser baja, mientras que el tiempo requerido puede ser elevado, ya que la

velocidad de secado es baja.

1.2 Secado por AtomizacionAtomización, por definicón es la transformación de un producto en estado líquido a estado sólido en forma de polvo, a través de la dispersión de gotitas de un material dado dentro de un cámara. La materia a ser deshidratado puede estar en forma de solución, suspención o granulos aglomerados, dejando claro que estas formas dependerán de las propiedades fisicas y quimicas del material.El secado por atomización es un proceso a través del cual muchas industrias consiguen las características técnicas más apropiadas para las distintas aplicaciones de sus productos. El secado por atomización es una operación unitaria muy usada en la industria de alimentos. Básicamente, un sistema de secado por atomización consta de:

- calentador de aire

- cámara de secado

- sistema de pulverización de material en la cámara de secado

- sistema para separar las partículas secas del aire



- uno o varios aparatos impulsores de aire para hacerlo circular a través del

sistema

El aire es calentado indirectamente mediante un intercambiador de calor. El

calentamiento directo con gas o fuel puede contaminar el alimento con residuos de

combustión, dando sabores y aromas extraños.

La principal función de la cámara de secado es el provocar una mezcla íntima entre

el aire caliente y el alimento finamente disperso, de manera que se obtenga un

producto con unas características deseadas. La cámara de secado puede tener una

forma de caja horizontal o torre alta vertical, y puede ser relativamente simple o

extremadamente compleja, según los modelos de flujo para el aire y el alimento.

La pulverización genera pequeñas gotas que crean una gran superficie para la

evaporación del agua. Además, el pulverizador sirve para controlar la velocidad de

flujo de entrada del producto en el secador. Los tres tipos de aspersores más

utilizados son los discos centrífugos, las boquillas de presión y las boquillas de dos

fluidos.

Café, huevos, leche, sopas y alimentos para niños son productos en los que se utiliza

este tipo de secado. Pueden ser soluciones, suspensiones o pastas, obteniéndose


Aire ambient

e calentador de aire

cámara secado

Separador aire-sólido

impulsor de aire

Producto seco

sistema de pulverizació

n

Producto húmedo

FIGURA 4: DIAGRAMA DE BLOQUES PARA EL POCESO DE SECADO POR ATOMIZACION


un producto sólido final en forma de polvo con unas propiedades físicas que son

función del diseño y forma de operar del secador.

Las principales ventajas son que el proceso se realiza de forma continua, y se puede

automatizar completamente. Presenta la desventaja de la poca versatilidad del

equipo. Sin embargo, su estrecho rango de aplicación de productos hace mejorar su

eficiencia y la calidad del producto final.

Este tipo de secado se utiliza para alimentos disueltos en agua, e incluye la

formación de gotas que por secado posterior darán lugar a las partículas de alimento

seco. Inicialmente, el alimento fluido es transformado en gotas, que se secan por

atomización en un medio continuo de aire caliente. El modo más común utilizado en

este tipo de secado es un ciclo abierto, tal como se muestra en la Figura 5. El aire de

secado es calentado utilizando un medio seco, además, es limpiado con ciclones

antes de ser lanzado a la atmósfera. En este tipo de operación el aire que abandona

el sistema todavía puede contener calor. Un segundo tipo es la utilización de un

circuito cerrado con un medio de calefacción (aire, CO2, etc.). El aire se utiliza en el

proceso de secado, después se limpia, se seca y se reutiliza de nuevo en un proceso

continuo. La eficiencia de este tipo de secado es superior a la de los sistemas

abiertos. En los sistemas de circuito cerrado únicamente sale del sistema el producto

seco, mientras que en los de circuito abierto también se lanza al exterior aire

caliente, que en algunas ocasiones puede contener micropartículas.



Este tipo de secado incluye la atomización del alimento en un medio de secado en el

que se elimina la humedad por evaporación. El secado se realiza hasta que se llega

al nivel de humedad fijado para el producto. Este secado se controla por las

condiciones de flujo y temperatura, tanto del producto como del aire de entrada. El

secado por atomización se utilizó por primera vez en el secado de leche hacia 1900,

y más tarde se aplicó en huevos y café.

La característica más importante del secado por atomización es la formación de

gotas y el contacto de éstas con el aire. La atomización del alimento se produce por

la rotura de la corriente del alimento en pequeñas gotas, existiendo diferentes tipos

de atomizadores (Barbosa-Cánovas y Vega-Mercado, 1996).

La calidad de los productos obtenidos por atomización dependerá de las

carácteristicas del atomizador y de la transferencia de calor y masa que se produsca

dentro de la cámara de secado. El tamaño de las partículas o del liquido a ser

atomizado varian entre los 10 a 200 um con un tiempo de sexado de 5 a 30

segundos. Autores citan tamaños de 1 a 300 um. Futura (1994) afirma que el área

superficial del material a ser atomizado aunmenta, como producto del aumento de la

velocidad de secado o del díametro delas paticulas, esto tambien afectado por las

condiciones de secado. Las ventajas de un secado por atomización son tantas, pero


FIGURA 5: CICLO ABIERTO, SECADO POR ATOMIZACION EN EQUICORRIENTE


una de las principales que la energía que se pueda emplear en esta operación

afecta de manera muy rápida al alimento, empleando temperaturas por debajo de los

100ºC (Para las comidas a menudo estamos hablando de temperaturas entre los

50ºC -75ºC)

1.3 Parámetros que influyen en el proceso de AtomizaciónLa atomización es el resultado de la apliación de energía sobre un líquido el cual se

desintegra formando una nube dentro de la cámara de secado, el mismo que entra

en contacto con aire a altas tenperaturas, produciendo asi el secado del producto

que presentará las características de un polvo.

Propiedades a tener encuanta en el secado por atomización:

Variación de la concentración de la alimentación

Variación de la temperatura de alimentación

Variación de la temperatura del aire

Variación del método o condiciones de atomización

Diferencias en las propiedades fisicas y quimicas del material alimenticio

Como propiedades de los productos a se evaluados tenemos:

Densidad aparente

Volumen aparente

Tamaño de la particula o distribución

Resistencia a la ruptura

Contenido de humedad

Dispersabilidad o tendencia a aglomerar

Retención de las calidades deseadas en el producto final (aroma, valor

alimenticio, color, entre otras.)

1.4 Inyectores de Presión

Para la formación de las gotas se utilizan inyectores de presión, en los que variando

la presión es posible controlar el flujo del alimento y las características de la



atomización. El tamaño medio de las gotas formadas es proporcional al flujo del

alimento y a su viscosidad. En la Figura 5 se muestra un tipo de inyector de presión.

El principio fundamental de este tipo de inyectores es la conversión de la

energía de presión en energía cinética. Las capas del líquido se rompen bajo la

influencia de las propiedades físicas del líquido y por los efectos de fricción con el

aire. La potencia requerida para un inyector de presión es proporcional a la velocidad

de alimentación y la presión del inyector (Barbosa-Cánovas y Vega-Mercado, 1996):

FIGURA 5: Inyector de presión estriado (Adaptado de Masters, 1991)

(5)

en la que P es la caída total de presión y es la densidad del alimento. La

conversión de la energía de presión en cinética en un inyector de presión centrífugo,

resulta en un movimiento rotatorio del líquido y puede ser expresado (Marshall,

1954):

(6)

en la que w es el caudal másico y es la energía o potencia. El flujo de líquido del

orificio de un inyector de presión centrífugo se puede expresar como:

(7)

(8)



o

(9)

en la que b es el espesor de la película de líquido en el orificio, r1 es el radio del canal

de entrada, es el radio del orificio, Ventrada es la velocidad del líquido a la entrada,

es la componente vertical de la velocidad de atomización, y w1 es el caudal másico

del líquido.

La velocidad del líquido que sale del inyector se expresa como:

(10)

que expresado en términos de la caída de presión a través del inyector es:

(11)

en la que y son las componentes horizontal y vertical de la velocidad, n = 0,5

para flujo turbulento, Cv es un coeficiente de velocidad, g es la fuerza gravitacional, n

es una constante, y h es la presión de cabeza. El funcionamiento de un inyector de

presión es afectado por la presión, densidad del líquido y viscosidad. Masters (1991)

propuso una correlación entre los cambios de flujo a través del inyector con los

cambios de presión y densidad, según la expresión:

(12)

El efecto de la viscosidad en el flujo no está definido de modo claro, aunque podría

determinarse de forma experimental. El efecto de las variables de proceso, tales

como la capacidad del inyector, ángulo de atomización, presión, viscosidad, tensión

superficial, y diámetro del orificio en el tamaño de la gota se dan en la Tabla 1.

Los secaderos industriales que contienen multiinyectores se instalan para

permitir el manejo de altas velocidades de alimentación, y que provean iguales

condiciones en cada inyector para una mejor uniformidad del atomizado. Las



configuraciones de los inyectores deben presentar las siguientes condiciones: fácil

acceso para sacar los inyectores, uniformidad de distribución, posibilidad de

aislamiento, y visibilidad de cada inyector. Algunas de las posibles configuraciones

se muestran en la Figura 6.

TABLA 1.- EFECTO DE ALGUNAS VARIABLES DE PROCESO EN EL TAMAÑO DE LAS GOTAS

Variable EfectoCapacidad del inyectorVelocidad de alimentación por debajo de la diseñada Atomización incompletaVelocidad de alimentación bajo mínimos Decrece el tamaño de

las gotasVelocidad alimentación especificada Aumenta el tamaño de

las gotas Ángulo de rociado grande Gotas pequeñasAumento de presión Decrece el tamaño de

las gotasViscosidad Aumento Atomización grosera Muy alta Operación imposibleTensión superficial alta Dificulta atomizaciónTamaño orificio Tamaño gota = k D2

D diámetro orificiok es una constante

Fuente: Barbosa-Cánovas y Vega-Mercado (1996)

FIGURA 6: CONFIGURACIÓN DE INYECTORES DE PRESIÓN EN SECADEROS INDUSTRIALES (ADAPTADO DE BARBOSA-CÁNOVAS Y VEGA-MERCADO, 1996)

1.5 Interaccion entre las gotas y el aire de secado



La distancia que recorre una gota hasta que se ve afectada por completo por el aire

depende del tamaño de la misma, forma y densidad. Los atomizadores ordinarios

son más independientes del flujo de aire, mientras que en los atomizadores finos

debe considerarse el flujo del aire (Barbosa-Cánovas y Vega-Mercado, 1996). El

movimiento de la atomización se puede clasificar de acuerdo al diseño del secadero

como equicorriente, contracorriente o flujo mezclado (Figura 7).

Dependiendo del tipo de atomizador que se emplee en el secado, podremos obtener

una amplia variedad de tamaños en las partículas y así determinar cual será aquella

que nos permita obtener mejores propiedades conductuales.

FIGURA 7: CLASIFICACIÓN DE SECADEROS SEGÚN EL MOVIMIENTO DE ATOMIZACIÓN (ADAPTADO DE BARBOSA-CÁNOVAS Y VEGA-MERCADO, 1996)

El movimiento de atomización se puede explicar para una simple gota. Las fuerzas

que actúan sobre una gota son:

(13)

en la que D es el diámetro de la gota, es el coeficiente de arrastre, Vr es la

velocidad relativa de la gota con respecto al aire, A es el área de la gota, W es la

densidad de la gota, y es la densidad del aire. El movimiento de la atomización

bajo diferentes condiciones de flujo ha sido discutido por Masters (1991).



Los perfiles de temperatura en el interior de los secaderos es un aspecto

importante, y son función del tipo de flujo (Masters, 1991; Barbosa-Cánovas y Vega-

Mercado, 1996).

1.6 Balance de Calor y MateriaEn el secado de alimentos por atomización, el líquido que debe ser eliminado casi

siempre es agua, aunque la eliminación de disolventes orgánicos en operaciones de

ciclo cerrado es también usual. Si se tiene un sistema como el mostrado en la Figura

8, los balances de calor y materia que se realizan conducirán a las siguientes

ecuaciones.

FIGURA 8: DATOS DEL SECADERO PARA BALANCES DE CALOR Y MATERIAS ( , velocidad sólidos secos; , temperatura de sólidos; , entalpía de sólidos; , contenido de

humedad de sólidos; , velocidad del aire seco; , temperatura del aire; , humedad del aire; , entalpía).

Un balance másico aplicado a todo el sistema conduce a la ecuación:

(14)

en la que wS es el flujo de sólido seco, YS1 el contenido de humedad del sólido que

entra al secadero, YS2 la humedad del sólido que abandona el secadero, el flujo de



aire seco, la humedad del aire que entra al secadero, y el contenido de

humedad del aire que sale del secadero.

Un balance entálpico conduce a la ecuación:

(15)

en la que y son las entalpías del sólido a la entrada y salida del secadero,

respectivamente, mientras que y son las entalpías del aire a la entrada y

salida del secadero, y las pérdidas de calor.

El rendimiento de un secado por atomización se mide en términos de

eficiencia térmica, la cual está relacionada con la entrada de calor requerida para

producir una unidad en peso del producto seco con las especificaciones deseadas.

La eficiencia térmica global (global) se define como la fracción del calor total

suministrado a la usada en el secadero en el proceso de evaporación:

(16)

siendo T1 la temperatura del aire caliente a la entrada, T2 la correspondiente a la

salida y T0 la temperatura del aire atmosférico. La eficiencia de evaporación

(evaporación) se define como la razón de la capacidad actual de evaporación a la

capacidad obtenida en un caso ideal de agotamiento de aire a la temperatura de

saturación:

(17)

1.7 Teoria y CalculosBalance de materia:. Para un sistema en régimen estacionario, este balance nos

indica que toda la cantidad de agua que entra es igual a la que sale.

Si:

Ms: sólido seco en el alimento (kg sólido seco/h)

(Ws)1: contenido de agua del alimento (kg agua/kg sólido seco)



(Ws)2: contenido de agua del producto (kg agua/kg sólido seco)

Ga: caudal de aire seco en la cámara de secado (kg aire seco/h)

H1: humedad absoluta del aire a la entrada de la cámara de secado (kg

agua/kg aire seco)

H2: humedad absoluta del aire a la salida de la cámara de secado (kg

agua/kg aire seco)

La expresión del balance queda de la forma:

(18)

El balance también lo podemos expresar de la siguiente manera: el agua que pierde

el producto es igual al agua que gana el aire:

(19)

Balance de energía:. Como el proceso se realiza en régimen estacionario, el balance

nos indica que toda la energía que entra es igual a la que sale.

Si:

(Qa)1: entalpía del aire a la entrada (kJ/kg aire seco)

(Qa)2: entalpía del aire a la salida (kJ/kg aire seco)

(Qs)1: entalpía del alimento a la entrada del secador(kJ/kg sólido seco)

(Qs)2: entalpía del producto seco (kJ/kg sólido seco)

QL: pérdidas de energía del secadero (kJ/h)

La expresión del balance queda de la forma:

(20)

Las pérdidas de calor pueden ser muy pequeñas si la cámara está bien aislada, sin

embargo en algunos casos no hay aislamiento, o el diseño de la cámara es tal que el

aire es enfriado por las paredes, permitiendo la manipulación de productos

especiales.

La entalpía del alimento (Qs)1 es la suma de la entalpía del sólido seco y del agua

líquida que lo acompaña:

(21)

donde:



Cs: calor específico del sólido seco (kJ/(kg sólido seco) (grado))

Cw: calor específico del agua (kJ/(kg agua) (grado))T: diferencia entre la temperatura del alimento y el punto de referencia (normalmente 0ºC)

La entalpía del aire puede calcularse (tanto para el aire de entrada como el de salida)

de la siguiente forma:

(22)

donde:

Ca: calor húmedo del aire = 1.005 + 1.88 H (kJ/(kg aire seco) (grado))

Cv: calor latente de vaporización (kJ/kg agua)

H: humedad del aire (kg agua/kg aire seco)

La eficiencia global térmica (global) se define como la parte del calor suministrado al

secador que se utiliza exclusivamente en la evaporación del agua. En un proceso

adiabático, se calcula mediante la fórmula:

(23)

donde:

T1: temperatura del aire a la entrada

T2: temperatura del aire a la salida

T0: temperatura del aire ambiente

La eficiencia de evaporación (evap) se define como la relación entre la capacidad real

de evaporación y la que tendría si el aire saliera completamente saturado:

(24)

donde Tsat es la temperatura de saturación adiabática.

Un parámetro muy importante en el diseño del aparato y en la selección de las

condiciones de operación es el tiempo de residencia del producto, ya que de su valor



depende la humedad con la que el producto abandonará el secador. El tiempo de

residencia mínimo puede ser calculado dividiendo el volumen de la cámara por el

caudal volumétrico del aire (calculado a la temperatura media de la cámara). En el

caso de una cámara de secado cilíndrica con una base cónica, con un ángulo de 60º,

el volumen puede ser calculado utilizando la siguiente fórmula:

(25)

donde:

h’: altura del cilindro

Dch: diámetro de la cámara de secado

El tiempo de residencia calculado de esta forma es un tiempo mínimo, muchas

partículas permanecen en la cámara más tiempo debido a las corrientes de

recirculación que se forman dentro de la cámara, a la adherencia con las paredes, y

a un flujo de aire más pequeño que el promedio.

1.7.1 Calculo del tiempo de secadoEl secado por atomización difiere de los otros métodos de secado, en que si el

contenido en humedad es elevado, un gran porcentaje de agua es eliminada durante

el período de velocidad de secado constante. Durante este período, la evaporación

del agua de las gotas del alimento tiene lugar de la misma forma que si fuera una

gota de agua pura. En este proceso se produce una transferencia simultánea de

materia y de energía. El calor es transferido por conducción y convección desde el

aire caliente a la superficie de la gota y el vapor producido por la evaporación del

agua es transferido por difusión y convección desde la superficie de la gota al aire

caliente. La velocidad a la que ocurre el proceso es función de las condiciones del

aire (temperatura, humedad,...), velocidad relativa aire-gota, temperatura y diámetro

de la gota, y de las propiedades del alimento.

La representación matemática de estos procesos de transferencia se realiza

mediante ecuaciones con derivadas parciales. La solución analítica de estas

ecuaciones es difícil, pero nos puede dar un valor aproximado del tiempo de secado

en los dos período de secado:



Período de velocidad de secado constante

(26)

Donde:

L: densidad del alimento

d0: diámetro de la gota

kg: conductividad

Ta: temperatura del aire a la entrada

Tw: temperatura húmeda del aire a la entrada

Período de velocidad de secado decreciente:

(27)

Donde:

p: densidad

dc: diámetro de la gota para un contenido en humedad igual al crítico

Wc: humedad crítica (en base seca)

We: humedad de equilibrio (en base seca)

Por lo tanto el tiempo total de secado:

(28)

II. OBJETIVOS 2.1 Obtener leche en polvo a partir de lehe vaporada o leche entera utilizando la

operacion unitaria de secado por atomizacion.

2.2 Conocer la operacion de secado por atomizacion y algunas de las variables

que influyen en las caracteristicas del producto final.



2.3 Realizar balances de materia y energia para encontrar las eficiencias termica

y de evaporacion del sistema.

III. MATERIALES Y METODOS 3.1 Materiales y Equipo auxiliares

1 lt de leche entera o 2 tarros de leche evaporada

Agua destilada

Probetas graduadas de 50 y 100 ml; vasos de precipitados de 100 y 250 ml

Placas de vidrio para determinar humedad de la muestra y porcentaje de

solidos totales.

Estufa y campana de desecacion

Balanza analitica digital

Viscosimetro

Termómetro de mercurio

3.2 Equipo: Atomizador IC40D – Spray Dryer a. Composicion y Descripcion

El IC40D transforma un líquido de alimentación en un polvo seco de forma

continua.

El proceso de desecación se desarrolla en tres estadios:

1. Atomización del líquido de alimentación en un pulverizador;

2. Contacto del spray con aire caliente para promover la evaporación;

3. Separación del producto desecado por el aire en un ciclón.

El principio de base concierne la atomización líquida en una niebla de

gotitas pequeñísimas.



1. Alimentación gas inerte o aire comprimido2. Reductor de presión3. Boquilla atomizador intercambiable4. Bomba de alimentación peristáltica5. Tanque de alimentación6. Entrada aire de desecación7. Ventilador de velocidad variable8. Resistencias de calentamiento9. Cámara de desecación10. Tanque de recogida residuos de desecación11. Separador de polvo de ciclón12. Tanque de recogida producto desecado13. Expulsión aire14. Cuadro eléctrico

b. Caracteristicas Tecnicas


FIGURA 9: SINOPTICO DEL EQUIPO IC40D SPRAY DRYER


Flujo de aire: de 10 a 40 l/s

Producción: 400 ml/h

Tiempo de elaboración: 1 hora

Regulaciones electrónicas sobre:

velocidad de rotación de la bomba: máx. 45 r.p.m. (caudal

alimentación)

velocidad de rotación del ventilador (caudal aire);

potencia de calentamiento;

Termostato digital para la indicación de la temperatura del aire de

calentamiento

Termómetro digital para la indicación de la temperatura en la cámara de

evaporación

Termostato máx temperatura

Regulación del grado de atomización

Regulación de la presión del aire comprimido

Boquillas disponibles en diversas medidas (Opcionales)

c. Funcionamiento del Spray Dryer

En el Mini Spray, el producto a desecar es introducido mediante la boquilla

"3", a través de la bomba "4".

En la boquilla "3" el producto es atomizado, por el aire comprimido o por el

gas inerte, e introducido en el flujo laminar del aire de desecación en la

cámara "9".

Aquí se produce una inmediata evaporación de la fase líquida y el aire

agotado arrastra el producto seco al grupo separador de ciclón "11".

Las partículas que por alguna razón no terminan el proceso de desecación,

porque son demasiado grandes, estan aglomeradas, o bien por un error

del operador, son separadas en la cámara de desecación misma y

recogidas en el tanque "10", al fin de no interferir en el proceso dañando el

producto desecado.



d. Conexiones Eléctricas

14. Cuadro de control15. Termostato digital para control temperatura aire caliente16. Termómetro digital para control temperatura en la cámara de evaporación17. Termostato digital máx. temperatura18. Interruptor compresor (opcional)19. Interruptor para inserción ventilador20. Interruptor para inserción calentador21. Interruptor para inserción bomba22. Regulador de velocidad ventilador23. Regulador de velocidad bomba24. Interruptor general25. Llave


FIGURA 10: CUADRO DE CONTROL DEL EQUIPO IC40D


3.3 MetodologiaSe emplea una metodologia explicativa, descriptiva y aplicativa, en donde el alumno primero se debe familiarizar con el equipo, leyendo el manual de instruciones.


Leer el manual de instrucciones del Equipo IC40D Spray Dryer

Conocer in situ el equipo en su totalidad para tener un mayor

panorama

Conocimiento correcto?

NO

SI

Estar atento a la demostracion de funcionamiento del equipo por parte

del profesor (con agua destilada)

Dudas?SI

NO

Empezar el proceso de obtencion de leche en polvo

STOP

FIGURA 11 : METODOLOGIA A UTILIZAR PARA LA PRACTICA DE SECADO POR ATOMIZACION


IV. PROCEDIMIENTO

1. Antes de comenzar:

• Conecte el equipo a las alimentaciones de aire y corriente eléctrica.

• Prepare la mezcla o solución de alimentación (leche entera o evaporada).

Determine la Humedad y el % Solidos de la solucion.

• Efectúe un primer ciclo de lavado/desecación utilizando agua destilada como

alimentación (véase el procedimiento de lavado del equipo).

2. Introduzca la mezcla de alimentación en el tanque 5.

3. Conecte la alimentación eléctrica (interruptor 24).

4. Ponga los controladores de temperatura: 15 sobre 180 °C y 17 sobre 200 °C.

5. Inserte el ventilador del aire (interruptor 19) trabajando con un caudal entre la

media y la máxima (regulador de velocidad ventilador (22)).

6. Regule la presión (2) del aire entre valores convenientes (aproximadamente 1

bar).

7. Encienda las resistencias eléctricas (8) (interruptor 20).

8. Espere que la cámara de evaporación haya alcanzado la temperatura

deseada (16).

9. Encienda la bomba peristáltica de alimentación 21 regulando el caudal (23).

10.Abra la boquilla de alimentación (3), eligiendo una apertura para que, dadas

las características de la alimentación (naturaleza de la sustancia disuelta y

concentración de la misma), se obtenga un chorro y no un goteo. En este

último caso significa que la boquilla se debe cerrar.

11.Espere que todo el producto alimentado en (5 ) se agote.

12.Determinar la humedad del producto final.

13.Rehidratar el producto obtenido en el experimento (en general para el consumo humano, la proporción de sólidos es de 10.5% para le leche desnatada y 12.5% para la leche entera). Preparar la dilución usando agua destilada a 25º, y tomar nota del aroma, gusto y apariencia de la suspensión obtenida.



V. RESULTADOS Expresar todos los resultados obtenidos en la experiencia indicada

anteriormente.

Aplicar los balances de materia y de energía al experimento.

Calcular las eficiencias térmica y de evaporación, así como el tiempo de

residencia para el experimento.

VI. DISCUSION

Discutir las ventajas y desventajas de las diferentes formas de incrementar la

capacidad del secador por atomización (aumentando la temperatura de

entrada frente a la disminución de la temperatura de salida).

Discutir los resultados del balance de materia y energia y los resultados del

analisis fisico-quimico del producto final obtenido.

VII. CONCLUSIONESDeberán ser puntuales y que correspondan a un sustento teórico sólido

VIII. RECOMENDACIONES

IX. CUESTIONARIO1. Que nos indica que los tiempos de residencia de las gotas en el Spray Dryer

sean muy pequeños?

2. Que criterios tomaria para estudiar la cinética del proceso spray dryer, de

modo que se pueda establecer un modelo que nos permita una simulación?

3. Experimentalmente, porque seria muy dificil determinar el diametro de la gota

a lo largo del secadero? Simule una grafica que muestre el diametro de las

gotas en funcion de la humedad.



X. BIBLIOGRAFIA Ibarz R., A.; Barbosa C. Operaciones Unitarias en la Ingeniería de Alimentos.

Technomic Publishing Company, Inc U.S.A. España. 1999. Ibarz A.; Barbosa G.; Garza S; Gimeno V.; Ma L.; Barletta B. Métodos

Experimentales en la Ingeniería Alimentaría. Washington State University, Universidad de Lleida. España. 1999.

McCabe W., Smith J.; Harriott P. Operaciones Unitarias en Ingeniería Química. Cuarta edición. McGraw-Hill. ESPAÑA. 1991.

Geankoplis C. Procesos de Transporte y Operaciones Unitarias. Tercera Edición Compañía Editorial Continental, S.A. MÉXICO, 1998

Vian, A. y Ocón, J. Elementos de Ingeniería Química. Ed. Aguilar, Madrid, España. 1967

Foust, A et al. Principios de Operaciones Unitarias. Editorial John Wiley & Sons. 2da. Edicion. New York. USA. 1980.

Treybal, R.E. Opearciones de Transferencia de Masa. Editorial McGraw-Hill. 3ra Edicion. New York.USA. 1980.


laboratorio nº 16 secado atomización (1)

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