secado transporte neumático

Secado por Transporte Neumtico aLaboratorio de Procesos de Separacin o Equipo 4 Verano 2008Mxico D.F., 11 de junio de 2008 e

Alumnos:

Francisco Jos Guerra Milln e a [email protected] Cecilia Malln Wiechers e ceci [email protected] Adelwart Struck Garza [email protected] Tamara Varela Vega tammy [email protected]

Asesor:

M.C. Ivn Mart a nez Cienfuegos [email protected]

Resumen El secado por transporte neumtico es una operacin muy utilizada en a o la industria caracterizada por la transferencia simultnea de masa y calor. a Esta prctica consisti en estudiar el secado por transporte neumtico a o a mediante el anlisis de la humedad de los slidos de salida. Es importante a o mencionar que este tipo de secadores tambin presentan una gran utilidad e como transportadores de masa, sin que necesariamente se lleve a cabo un secado del slido, como sucede en la primera corrida. A lo largo de este o reporte se muestran de forma detallada los resultados obtenidos.

Universidad Iberoamericana

Laboratorio de Procesos de Separacin, Verano 2008 o

Indice1. Objetivos 2. Introduccin o 3. Marco Terico o 4. Descripcin del Equipo o 5. Procedimiento Experimental 6. Resultados 7. Anlisis a 8. Conclusiones A. Resultados parciales para las Corridas 1 y 2. B. Carta Psicromtrica a 550mmHg e 3 3 4 9 10 10 12 14 15 17

F. J. Guerra, C. Malln, A. Struck, T. Varela e

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1.

ObjetivosAnalizar los principios que rigen el fenmeno del secado, en una transfeo rencia simultnea de masa y de calor. a Elaborar el balance de materia y energ de la operacin de secado. a, o Familiarizarse con las caracter sticas del equipo de secado utilizado en este tipo de operaciones. Conocer como inuye la variacin de slidos de alimentacin en la ecieno o o cia del secador.

2.

Introduccin o

El secado por transporte neumtico (ash), es una operacin en donde se a o lleva a cabo una transferencia simultnea de masa y calor, sta ultima es princia e palmente por conveccin forzada. La operacin se realiza exponiendo un material o o slido hmedo a cualquier gas o mezcla de gases calientes, no saturados con el o u l quido que va a evaporarse del slido. Con base en lo anterior es importante o seleccionar una mezcla de gases calientes, lo ms compatibles posible con el a l quido que va a evaporarse del slido. o El mecanismo de secado se realiza por la transferencia de calor sensible por parte del gas caliente al slido hmedo; el agua del slido, es evaporada y arraso u o trada en conjunto con el gas o mezcla de gases calientes por medio de un proceso de transferencia de masa. La velocidad de los gases calientes que salen del quemador y que circulan a travs del ducto del transporte neumtico llevan una e a velocidad tal que uidizan e incrementan el rea supercial de las part a culas slidas, para nalmente transportarlas. La velocidad m o nima en la cual inicia el transporte de las part culas slidas se conoce como velocidad terminal, pero o la velocidad a utilizar debe ser mucho mayor. Estas mezclas de part culas slio das ya uidizadas se dispersan libremente en el gas de transporte y secado, a alta velocidad. Los gases calientes salen del secador a una temperatura menor, debido al calor sensible cedido: primero al slido hmedo alimentado, con el o u n de incrementar su temperatura, al l quido para evaporarlo del slido y por o ultimo al medio ambiente o exterior del equipo como prdida de calor. e Es importante hacer notar que los gases de salida ven incrementada su humedad relativa al salir del equipo, debido esto a la evaporacin de agua del slido. o o Lo anterior representa una limitante, en la recuperacin total de la energ diso a ponible en estos gases en el mismo proceso, a travs de la recirculacin de los e o mismos que estando muy hmedos ya no secar ms. u an a El tiempo de contacto o residencia del gas caliente con las part culas slidas o hmedas es de unos cuantos segundos, lo cual limita la tcnica a los casos en u e


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los que se tiene exclusivamente humedad supercial, y en donde no se presentan procesos difusionales hacia el interior de las part culas slidas. o

3.

Marco Terico o

El recorrido que efecta el aire por el secador por transporte neumtico es el u a siguiente: el aire entra a la cmara de secado donde es calentado, posteriormena te entra en contacto con los slidos y los arrastrara hasta el colector ciclnico. o o Debido a la evaporacin del agua en el slido, la temperatura del aire se ve o o disminuida a lo largo del recorrido. Si la tuber se encuentra bien aislada, las a prdidas de calor con los alrededores puede ser despreciable y por lo tanto la e temperatura ir disminuyendo siguiendo la recta de enfriamiento adiabtica en a a la carta de humedad. La evaporacin mxima posible para un ujo dado de o a aire se obtiene cuando el aire a la salida logra alcanzar su estado de saturacin. o Esto no ocurre en la prctica, sin embargo hay casos, en los cuales los slidos a o se encuentran muy hmedos alcanzando el aire de salida casi la saturacin. La u o humedad relativa es baja a la salida del secador. Existen diferentes variables que pueden afectar el consumo de calor dentro de un secador como son: Temperatura de Alimentacin del Aire. El incremento de esta variable o produce una disminucin en los requerimientos de calor por parte del secador o para un ujo dado. Flujo de Slidos. Para lograr una ptima utilizacin del calor se requiere o o o alimentar el mximo ujo posible de slidos. Esto se debe a que el calor requerido a o para evaporar una cantidad dada de agua es virtualmente la misma sin importar la cantidad de producto que se obtiene a la salida (calor necesario para calentar el producto es muy pequeo comparado con el requerido para la evaporacin). Por n o lo tanto, un incremento en el ujo de salida para una capacidad evaporativa dada nos producir un incremento en la alimentacin de slidos. Esto nos muestra a o o que se va a requerir menor cantidad de calor para producir una unidad de slido o seco ya que el aprovechamiento del calor suministrado ser mucho ms eciente a a que si el ujo de slidos es menor. o Diferencial de Temperatura en el Aire. A mayor diferencia de temperatura entre la entrada y la salida del aire, menor ser el requerimiento de calor a para producir una unidad de producto con una humedad constante. (suponiendo que el ujo de slidos permanece constante). Se puede obtener un mayor T o incrementando la temperatura de entrada (por medio de un mayor calentamiento al aire). No obstante, tambin puede obtenerse disminuyendo la temperatura e de salida pero esto ocasionar que el slido saliera con mayor contenido de a o humedad, requirindose dos etapas de calentamiento. eF. J. Guerra, C. Malln, A. Struck, T. Varela e 4



Temperatura de Slidos de Alimentacin. Un aumento en esta variable o o reduce el calor requerido para producir una unidad de slidos secos. El precao lentamiento de los slidos normalmente es utilizado para reducir su viscosidad o y por lo tanto la atomizacin dentro del secador sea mejor, o bien para prevenir o la cristalizacin que pudiera ocasionar el manejo de part o culas muy dif ciles de atomizar que bloquearan el secador. Pocas veces se emplea el incremento de la temperatura de slidos como un mtodo para mejorar la eciencia de los secao e dores por su alto costo y posibilidad de descomposicin de los slidos. Para el o o clculo de la temperatura de bulbo hmedo a la entrada de los gases puedes a u emplear la siguiente correlacin basndote en la humedad ambiental: Por cada o a lbagua variacin de 10 C se incrementa la humedad 0.0004 lbaire seco . o La humedad del material base seca tanto a la entrada como a la salida puede ser determinada por medio de la relacin: o Ws = Wh 1 Wh (3.1)

donde: Wh = humedad de los slidos en base hmeda. o u Por otro lado el volumen h medo (en unidades inglesas) se calcula por u medio de la relacin: o Vh = 359 1 P T + 460 492 1 Maire + Y Magua (3.2)

donde: 3 Vh = volumen hmedo del aire ( ft ). u lb T = temperatura promedio de gases ( F). P = presin del sistema (atm). o Y = humedad absoluta (suponiendo una humedad promedio entre la entrada y salida). Maire , Magua = pesos moleculares de aire y agua. Tambin se puede obtener el volumen hmedo en la carta psicomtrica a las e u e condiciones del laboratorio de Ingenier Qu a mica UIA (550 mmHg). La densidad media de los gases es igual al inverso del volumen hmedo. u = 1 Vh (3.3)

Para el clculo de la cantidad de gases manejados se utiliza: a w = Vm A donde: Vm = velocidad media de los gases enF. J. Guerra, C. Malln, A. Struck, T. Varela eft min

(3.4)

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A = rea de la seccin transversal en ft2 (utilizando un dimetro de 75 mm) a o a lb = densidad del gas en ft3 Una vez obtenida la masa utilizada de los gases, es posible determinar la masa velocidad de los gases, necesaria para determinar la longitud de transferencia y el coeciente volumtrico de transferencia. e La masa velocidad se denir entonces como: a G= donde: lb w = gasto msico de aire en hr . a A = rea transversal del ducto en ft2 . a La capacidad de secado como cantidad de agua evaporada es: W = (Ws1 Ws2 ) Fs (3.6) w A (3.5)

Las letras F representan el ujo de slidos; entonces Fs es igual a la capacidad o de alimentacin, base slidos secos, y se determina por medio de la ecuacin: o o o Fs = F2 (F2 Wh2 ) (3.7)

Para calcular nalmente el ujo de slidos reales alimentados al secador se o emplea la siguiente ecuacin: o F1 = Fs + (Fs Ws1 ) El calor suministrado dentro del sistema se puede denir como: qs = w cP (T1 Tamb ) (3.9) (3.8)

Consumo de Calor Unitario y Eciencias Trmicas eLos consumos unitarios de calor y los valores de eciencias trmicas de la e operacin de secado son expresiones del comportamiento de un secador. o En trminos prcticos expresan la cantidad de calor necesario para producir e a una unidad de producto seco hasta una cierta humedad (segn las especicau ciones deseadas) o bien la cantidad de calor por unidad de agua evaporada. Las ecuaciones siguientes presentan estas relaciones: qs BTU [=] (3.10) F2 lb producto qs BTU Ja = consumo unitario de calor por agua evaporada = [=] (3.11) W lb agua Jp = consumo unitario de calor por producto =F. J. Guerra, C. Malln, A. Struck, T. Varela e 6



La eciencia trmica es directamente dependiente de las temperaturas de e operacin y en trminos generales se dene como la relacin de: o e o calor usado en la evaporacin o calor suministrado De acuerdo a lo anterior la eciencia se incrementa cuando la temperatura del aire de entrada se eleva (si la naturaleza del producto y el diseo del secador n lo permite) y el secador se opera a una temperatura de salida tan baja como lo permite el proceso (calidad y especicaciones del producto). La eciencia trmica de la operacin de secado puede expresarse de las sie o guientes maneras: 1. Eciencia Trmica Global: Se dene como la fraccin total del calor e o suministrado al secador en relacin al calor usado en el proceso. La relacin o o siguiente proporciona un valor aproximado: hglobal = T1 T2a 100 T1 Tamb (3.12)

donde: Tamb = temperatura ambiente bulbo seco. T2a = temperatura de salida de los gases como si la operacin fuese verdaderao mente adiabtica, es decir que puede considerarse como la temperatura terica a o de salida del gas esperada si no hubiese prdidas de calor. e

Figura 3.1: Eciencia global.

2. Eciencia evaporativa: Se dene como la relacin entre la capacidad de o evaporacin real con la capacidad que se obtendr en el caso ideal de que el aire o a de salida hubiese llegado hasta la saturacin dicha eciencia se puede calcular o aproximadamente mediante la ecuacin siguiente: o hevaporativa = T1 T2a 100 T1 Ts (3.13)


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donde: Ts = temperatura de saturacin. o

Figura 3.2: Eciencia evaporativa.

3. Finalmente basndose en las temperaturas es posible estimar el porcena taje de calor perdido por concepto de conveccin, radiacin del Venturi de o o alimentacin, ductos de secado, aislamiento y colector ciclnico, as como por el o o calentamiento que lleva el producto ya seco. T2a T2 100 T1 T2a

calor perdido =

(3.14)

Por ultimo, en cualquier secador de tipo directo el n mero de unidades u de transferencia N U T , se dene como: NUT = T1 T2 Tlog (3.15)

En donde Tlog es la diferencia media logar tmica de temperatura entre gas y el slido en todo el secador. o Tlog = (T1 Ts1 ) (T2 Ts2 ) lnT1 Ts1 T2 Ts2

(3.16)

Por otro lado, la longitud de una unidad de transferencia se dene: LU T = o bien: Imagen 22.png LU T = G cP Ua (3.18) L NUT (3.17)

donde: L = longitud total del secador . G = masa velocidad del gas


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El coeciente volumtrico de transferencia se dene: e Ua = qs V (Tlog ) (3.19)

donde: V = volumen del secador, tomando los siguientes datos: Dimetro de a 75mm y Longitud de 15.2m. De acuerdo con Fisher ([2] pg. 20-52), la masa velocidad de clculo para un a a sistema de secado por transporte neumtico para nes de clculo es la diferencia a a de la velocidad del aire y la del slido. Fisher estim que esta diferencia es del o o 20 % por ello para el clculo la G es igual a la del aire por 0.2. a

4.

Descripcin del Equipo o

Los equipos de transporte neumtico ms comunes se componen de lo sia a guiente: Un sistema generador de energ (cmara de combustin o resistencias a a o elctricas) e Un sistema de transporte neumtico (ventilador o extractor) a Un sistema de alimentacin para dosicar el slido a transportar. o o Un cicln o colector ciclnico para separar las corrientes del slido y del o o o gas y una vlvula rotatoria retentora del polvo colectado. a Tuber y accesorios para el transporte. as El equipo del laboratorio cuenta con: Una canal vibradora en la alimentacin para uniformar sta. o e Una vlvula de estrella para evitar el regreso de slidos a la entrada. a o Un ventilador. Una tuber integrada por las siguientes secciones: a 3 metros de longitud con 100 mm de dimetro a 10 metros de longitud con 75 mm de dimetro. a 3 codos de 90 con un Rm = 6D (2.2m de longitud de ducto)


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5.

Procedimiento Experimental

El producto a secar usado fue aserr Primeramente se tom una muestra de n. o aserr hmedo y se pes. Posteriormente, utilizando una bscula de humedad n u o a con la cual es posible secar la muestra totalmente, se volvi a pesar la muestra o ahora seca. Una vez tomados los datos iniciales para ambos experimentos se prosigui a alistar todo el equipo para llevar a cabo las dos corridas propuestas. o Al inicio de cada corrida se comenz la alimentacin del aserr hmedo o o n u por medio de la vlvula rotatoria y se j una velocidad de alimentacin. Una a o o vez que se homogeniz la muestra en el canal vibratorio se comenzaron a hacer o mediciones cada tres minutos, tomando lecturas de las temperaturas de entrada antes del molino y al inicio del ducto y las temperaturas de salida antes del cicln y despus del cicln. De igual forma se tom una muestra del producto o e o o seco (midiendo su temperatura de salida) y se pes directamente en la balanza. o Con ayuda de la balanza de humedad se acab de secar la muestra y se volo vi a pesar el aserr ahora seco. Una vez transcurridos 15 minutos se detuvo la o n experimentacin y se midieron las presiones del cicln del Venturi, as como la o o velocidad del gas.

6.

Resultados

La Tabla 6.1 muestra los parmetros utilizados. Las mediciones iniciales para a ambas corridas se muestran en la Tabla 6.2. Los datos experimentales para las Corridas 1 y 2 se muestran en las Figuras 6.1 y 6.2 respectivamente. Tabla 6.1: Parmetros experimentales. a Presin de operacin o o Maire Magua Dimetro a Area Longitud Volumen secador 0.7237 28.8400 18.0000 0.0750 0.0044 15.2000 0.0672 atmg gmol g gmol

m m2 m m3

Tabla 6.2: Medicin inicial para ambos experimentos o Peso de la charola Peso de la muestra hmeda u Peso de la muestra seca 3.4 6.75 5.58 g g g


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Figura 6.1: Tabla de datos experimentales para la Corrida 1.

Figura 6.2: Tabla de datos experimentales para la Corrida 2.


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Utilizando las Ecuaciones (3.1) - (3.19) se obtienen los resultados que se muestran en la Tabla de la Figura 6.3. El algoritmo de solucin y los clculos o a intermedios se muestran en el Apndice A, en las Tablas de las Figuras A.1 y e A.2. La Carta Psicromtrica utilizada se muestra en el Apndice B. e e

Figura 6.3: Tabla de Resultados.

Los valores de Y y HR fueron obtenidos con ayuda de [1]. El valor de la cP del aire se obtuvo de [2]. Para el Experimento 2 no fue posible calcular las eciencias hg y he , as como el calor perdido, pues las temperaturas obtenidas exceden el rango de la grca a que se encuentra en el Apndice B. e

7.

Anlisis a

Cabe mencionar que durante la prctica, la primera experimentacin se a o llev a cabo con los quemadores apagados. La segunda se realiz con slo uno o o o prendido dado a que hubo uno que no se logr poner a funcionar durante la o experimentacin. o


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Como se puede apreciar en la Tabla de la Figura 6.3, bajo los rubros correspondientes a humedad de salida del material, la humedad del slido en el Exo perimento 2 es alrededor de 30 % menor que la del Experimento 1. Comparando la T1 en ambos experimentos se puede concluir que se debe a que involuntariamente, durante el Experimento 1, las resistencias permanecieron apagadas. Es decir, el equipo estuvo operando sin que se suministrara calor. No obstante, de acuerdo al gradiente de temperatura entre la temperatura ambiente y la temperatura de entrada, se obtiene un valor para qs mayor a cero, es decir, aparentemente s fue suministrado calor al equipo. Esto puede explicarse, bajo el supuesto de que la resistencia estuvo operando de forma muy sutil durante la primera fase de la prctica. a Analizando las humedade srelativas HR de la Tabla de la Figura 6.3 es posible observar que la humedad de salida HR2 es mayor a HR1 para ambos experimentos. Esto se debe a que el proceso de secado involucra una transferencia de masa. Es decir, la humedad que pierde el slido, la gana el aire y de esta o forma es mayor la humedad a la salida. El valore negativo indica imprecisiones en la lectura de las temperaturas. No obstante, la humedad aumenta a la salida, lo que puede ser un indicio de errores sistemticos; ya sea en la lectura visual a de los termmetros de mercurio o debido a una calibracin incorrecta de los o o termmetros digitales. o En el Experimento 1 la humedad relativa es mucho mayor que en el 2. Esto se explica tomando en cuenta que durante el Experimento 1 permanecieron apagadas (o con mi nima intensidad) ambas resistencias. A mayor temperatura se evapora ms agua. a Si bien no se tienen datos para comparar las eciencias hg y he , es posible analizar estos valores de forma aislada. Cabe recordar que durante el Experimento 1 estuvieron apagadas ambas resistencias, con lo que se se esperar una a eciencia evaporativa baja. Un valor del 20 % puede satisfacer esta armacin. o Si se observa la eciencia trmica global, sta es casi del 50 %. Como se mene e cion no hay un punto de comparacin, no obstante este valor superior a 0 indica o o que incluso sin un suministro importante de calor al sistema, el simple contacto con aire a temperatura ambiente propicia un secado. Si se analizan los valores de N U T para ambos experimentos es posible observar que el nmero para el Experimento 1 es menor al del Experimento 2. En u el caso del LU T , el comportamiento es a la inversa. Dado que en el Experimento 2 se lleva a cabo un mayor secado, gracias al funcionamiento de una de las resistencias, el N U T ser ms grande en este caso. Por ende, como se utiliza el a a mismo equipo para ambos Experimentos, al ser menor el nmero de unidades u de transferencia, el tamao de cada unidad ser mayor. n a Las variaciones, imprecisiones o incongruencias obtenidas pueden atribuirse a varios factores. En primer lugar, cabe recordar que no se sabe de formaF. J. Guerra, C. Malln, A. Struck, T. Varela e 13



precisa la forma en que las resistencias estuvieron (o no) operando durante los Experimentos. Asimismo, los errores de medicin de las temperaturas, pueden o acarrear graves imprecisiones. El uso de la carta psicromtrica es tambis un e e factor de error, pues est sujeta a la apreciacin y la precison del trazado a o o de las l neas. Por tal motivo, siempre que fue posible se utiliz la Calculadora o Psicromtrica del Ing. Jos A. Milln [1]. Durante el periodo de mediciones de e e a cada Experimento no se garantiz un estado estacionario del sistema, con base o en la variacin de temperatura, como lo indicaba el manual. Si bien se esper un o o lapso de tiempo, antes de cada Experimento, el punto de partida fue cuando la alimentacin parec constante y homognea. Esto es nuevamente una fuenste o a e de error, pues el alimentador vibratorio no result tan preciso como se esperaba. o Durante la experimentacin, y despus de un periodo considerable de suminiso e trar muestra de forma homognea, perd la misma y la cantidad alimentada e a sufr modicaciones. Esto puede afectar directamente en el clculo del calor a a perdido y en la humedad nal de los slidos. o

8.

Conclusiones

Si bien algunos de los resultados resultan un tanto inesperados, es posible decir que son satisfactorios, pues la tendencia general esperada prevalece. Los objetivos de la prctica se cumplieron, no slo porque se obtuvieron resultados a o aceptables con base en una rigurosidad experimental sino tambin, porque los e conceptos referentes al secado y el uso de la carta psicromtrica fueron come prendidos. El calor perdido que se obtuvo para el Experimento 1 resulta un poco paradgico, pues se dijo que dado que no se encendi la resistencia no se sumio o nistr calor. No obstante es evidente que hay un gradiente de temperatura entre o el ambiente y la temperatura de entrada del secador. Comparando las temperaturas con las del Experimento 2 es evidente que algo ocurri con las resistencias, o sin embargo, la unica razn para explicar el mencionado gradiente ser suponer o a que stas operaron de forma muy sutil. Esto se corrobora con el valor obtenido e para qp , que estando alrededor de 20 % resulta bajo comparado conotras experiencias. Para obtener datos ms conables se recomienda en primera instancia rectia car los valores para el Experimento 2. Asimismo se sugiere realizar un experimento ms, con las resistencias encendidas de forma constante, pero variando el a ujo de alimentacin. Este terdcer dato deber indicar si las tendencias obtenio a das en esta prctica son las correctas. En todos los casos se recomienda esperar a a que el sistema se encuentre en estado estacionario. El manual est incompleto pues carece de algunas Figuras a las cuales hace a referencia. Fuera de ello resulta bastante claro. Para el caso de algunos parmea tros podr ser ms expl a a cito en la explicacin de cmo obtener los resultados. o o


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El manual parte del supuesto que el alumno domina el manejo de la Carta Psicromtrica, lo cual puede no ser el caso. Quiz una breve introcuccin a la e a o misma ser de gran ayuda. a El secado por transporte neumtico es una operacin muy utilizada en la a o industria. Si bien los resultados presentan algunas irregularidades la prctica a se comprendi de forma adecuada. Y ms all de la obtencin de resultados, o a a o los conceptos detrs del secado. As nuevamente se ampl nuestro cat a a logo de herramientas, las cuales en un futuro debern ayudarnos a atacar los grandes a problemas de la industria. Logic will get you from A to B. Imagination will take you everywhere. - A. Einstein

Referencias[1] Jos A. Milln. Psicrometr http://www.sc.ehu.es/nmwmigaj/CartaPsy.htm, e a a. June 2008. [2] Robert H. Perry, Don W. Green, and James O. Maloney. Perrys Chemical Engineers Handbook. McGraw-Hill, 7th edition, 1999.

A.

Resultados parciales para las Corridas 1 y 2.

Figura A.1: Tabla de resultados para la Corrida 1.


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Figura A.2: Tabla de resultados para la Corrida 2.


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B.

Carta Psicromtrica a 550mmHg e


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secado transporte neumático

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