Universidad Técnica Nacional
Ingeniería en producción Industrial
Operaciones Industriales
Tema:
Secado y Evaporación
Profesor:
Luis Alberto Rojas
Estudiantes:
Karina Badilla
Jazmín Mata
Eduardo Cordero
Tabla de contenido
Introducción...1
Objetivo General...2
Objetivos Específicos...2
Desarrollo...3
TIPOS DE EVAPORADORES...4
Evaporador de tubos largos verticales, película ascendente...5
FUNCIONAMIENTO DE LOS EVAPORADORES TUBULARES...7
Métodos de alimentación...9
RECOMPRESION DEL VAPOR...10
SECADO...11
Tipos de secadores...16
Secaderos para sólidos y pastas...16
Secaderos de bandejas...16
Secaderos de tamices transportadores:...17
Secaderos de torre...18
Secaderos rotatorios...18
Secaderos de tornillo transportador...19
Secaderos de lecho fluidizado...20
Secaderos flash...21
Secaderos para disoluciones y suspensiones...22
Secaderos de pulverización...22
Secaderos de película delgada...23
Secaderos de tambor...24
Conclusiones...26
Introducción
La utilización de estas beneficiosas herramientas, las grandes industrias en la actualidad se han visto beneficiadas por los maravillosos aportes que estos equipos brindan en la actualidad. Es importante resaltar que los secaderos y evaporadores presentan diferentes tipos de usos y funciones, los cuales las diferentes organizaciones optan por el equipo que más se adecue a sus necesidades de producción, permitiendo que la empresa manufacturera realice sus funciones eficientemente.
La evaporación consiste en concentrar una disolución consistente en un soluto no volátil y un disolvente volátil. En la mayor parte de las evaporaciones el disolvente es agua. Mientras que en los secaderos consiste en separar pequeñas cantidades de agua u otro líquido de un material sólido con el fin de reducir el contenido de líquido residual hasta un valor aceptablemente bajo. La diferenciación de estos equipos nos permite comprender un poco más del uso y funciones que ejercen los mismos en las industrias modernas.
Mediante el uso de estos equipos, las industrias farmacéuticas y alimenticias han podido llevar sus actividades productivas de la mejor manera, cumpliendo estrictamente con las medidas estandarizadas que la organización estipula. Estas y muchas industrias hablan de lo eficientes que son en las operaciones industriales.
El uso de estos equipos permite reducir el volumen, por separación del agua condensada, recuperar nutrientes en la fase sólida, ya sea en el concentrado o el producto seco y permite aprovechar la energía térmica producida excedente de un proceso de cogeneración. Sin embargo, es un proceso complejo y caro para la planta que opte por estos equipos, tanto por la inversión como el mantenimiento que se le debe aplicar. No obstante, son equipos importantes y eficaces que te brindan productos de la mejor calidad.
Objetivo General
Comprender la clasificación y el funcionamiento de la evaporación y el secado, mediante la indagación de libros y páginas web logrando un reconocimiento más amplio y claro del tema.
Objetivos Específicos
- Reconocer los tipos de evaporadores y secadores utilizados en la industria permitiendo un entendimiento más amplio de estas herramientas.
- Entender la importancia que presentan estas herramientas para un reconocimiento de estos equipos en la industria.
Desarrollo
El objetivo de la evaporación es concentrar una disolución consistente en un soluto no volátil y un disolvente volátil. En la mayor parte de las evaporaciones el disolvente es agua. La evaporación se realiza vaporizando una parte del disolvente para producir una disolución concentrada. La evaporación difiere del secado en que el residuo es un líquido -a veces altamente viscoso- en vez de un sólido; difiere de la destilación en que el vapor es generalmente un solo componente y, aun cuando el vapor sea una mezcla, en la evaporación no se intenta separar el vapor en fracciones; difiere de la cristalización en que su interés reside en concentrar una disolución y no en formar y obtener cristales.
A continuación, se comentan algunas de las propiedades más importantes de los líquidos que se evaporan.
Concentración. Aunque la disolución que entra como alimentación de un evaporador puede ser suficientemente diluida teniendo muchas de las propiedades físicas del agua, a medida que aumenta la concentración la disolución adquiere cada vez un carácter más individualista.
Formación de espuma. Algunos materiales, especialmente sustancias orgánicas, forman espuma durante la vaporización. Una espuma estable acompaña al vapor que sale del evaporador dando lugar a un importante arrastre. En casos extremos toda la masa de líquido puede salir con el vapor y perderse.
Sensibilidad a la temperatura. Muchos productos químicos finos, productos farmacéuticos y alimentos se dañan cuando se calientan a temperaturas moderadas durante tiempos relativamente cortos.
Formación de costras. Algunas disoluciones depositan costras sobre las superficies de calefacción.
Materiales de construcción. Siempre que es posible, los evaporadores se construyen con algún tipo de acero. Sin embargo, muchas disoluciones atacan a los metales férreos y se produce contaminación. En estos casos se utilizan materiales especiales tales como cobre, níquel, acero inoxidable, grafito y plomo.
Operación de simple y múltiple efecto. La mayoría de los evaporadores se calientan con vapor de agua que condensa sobre tubos metálicos.
TIPOS DE EVAPORADORES
1. Evaporadores de tubos largos verticales.
(a) Flujo ascendente (película ascendente).
Evaporador de tubos largos verticales, película ascendente. (b) Flujo descendente (película descentente).
En los evaporadores de flujo descendente el líquido entra por la parte superior, desciende por el interior de los tubos calentados con vapor de agua, y sale por el fondo. Los tubos son grandes, de 2 a 10 pulg de diámetro. El vapor procedente del líquido generalmente es arrastrado hacia abajo con el líquido y sale por el fondo de la unidad.
(c) Circulación forzada.
2. Evaporadores de película agitada.
La principal ventaja de un evaporador de película agitada es su capacidad para conseguir elevadas velocidades de transmisión de calor con líquidos viscosos. El producto puede tener una viscosidad tan elevada como 1000 P a la temperatura de evaporación. El evaporador de película agitada es particularmente eficaz con materiales viscosos sensibles al calor tales como gelatina, látex de caucho, antibióticos y zumos de frutas. Sus desventajas son el elevado coste, las partes internas móviles que pueden requerir un importante mantenimiento, así como la baja capacidad de cada unidad que es muy inferior a la de los evaporadores multitubulares.
FUNCIONAMIENTO DE LOS EVAPORADORES
TUBULARES
Las principales características de funcionamiento de un evaporador tubular calentado con vapor de agua son la capacidad y la economía. La capacidad se define como el número de libras de agua evaporada por hora. La economía es el número de libras vaporizadas por libra de vapor vivo que entra en la unidad.
Capacidad de un evaporador
q = UAAT
Economía de un evaporador
El principal factor que influye sobre la economía de un evaporador es el número de efectos. Mediante un diseño adecuado, la entalpía de vaporización del vapor de agua que entra en el primer efecto puede utilizarse una o más veces dependiendo del número de efectos. La economía también está influenciada por la temperatura de la alimentación.
Desde el punto de vista cuantitativo la economía de un evaporador es totalmente una cuestión de balances de entalpía.
Balances de entalpía en un evaporador de simple efecto: En un evaporador de simple efecto el calor latente de condensación del vapor de agua es transmitido a través de una superficie de calefacción para vaporizar agua de una disolución a ebullición.
Balance de entalpía con calor de dilución despreciable: Para disoluciones cuyos calores de dilución son despreciables, los balances de entalpía para un evaporador de simple efecto pueden calcularse a partir de los calores específicos y las temperaturas de las disoluciones.
Balance de entalpía con calor de dilución apreciable; diagrama entalpía-concentración. Si el calor de dilución de la disolución que se concentra es demasiado grande para ser despreciado, la entalpía no es una función lineal de la concentración a temperatura constante.
Evaporadores de simple efecto
Evaporadores de múltiple efecto
Es un equipo que consta de un conjunto de evaporadores unidos convenientemente, entre el suministro de vapor vivo y el condensador, para evaporar agua de forma eficiente. El primer efecto es el primer evaporador y así sucesivamente. El primer efecto es el que recibe el vapor vivo procedente de un generador de vapor.
Métodos de alimentación.
Directo:El método habitual de alimentar un evaporador de múltiple efecto consiste en introducir mediante una bomba la disolución diluida en el primer efecto y hacerla circular después a través de los demás efectos.
alimentaci0n inversa
en el que la alimentación diluida se introduce en el último efecto y se bombea después a través de los sucesivos efectos hasta el primero
la disolución diluida entra en un efecto intermedio, circula con alimentación directa hasta el extremo de la serie, y después se bombea hacia atrás a los primeros efectos para conseguir la concentración final.
RECOMPRESION DEL VAPOR
La energía del vapor formado en la ebullición de una disolución puede utilizarse para vaporizar más agua siempre que exista una caída de temperatura en la dirección deseada para la transmisión de calor.
SECADO
Secado de sólidos:consiste en separar pequeñas cantidades de agua u otro líquido de un material sólido con el fin de reducir el contenido de líquido residual hasta un valor aceptablemente bajo. El secado es habitualmente la etapa final de una serie de operaciones y, con frecuencia, el producto que se extrae de un secadero pasa a empaquetado.
Clasificación de secaderos. No existe una forma sencilla de clasificar el equipo de secado. Algunos secaderos son continuos mientras que otros operan por cargas; unos mantienen agitado el sólido y otros no.
Los equipos de secado pueden clasificarse en:
(1) secaderos en los que el sólido se encuentra directamente expuesto a un gas caliente (generalmente aire).
(2) secaderos en los que el calor es transmitido al sólido desde un medio externo tal como vapor de agua condensante
Los secaderos que exponen los sólidos a un gas caliente se llaman adiabáticos o secaderos directos; aquellos en los que el calor es transmitido desde un medio externo reciben el nombre de no adiabáticos o secaderos indirectos. Los secaderos calentados por energía radiante, dieléctrica o de microondas, también son no adiabáticos. Algunas unidades combinan el secado adiabático y no adiabático, y se denominan secaderos directos-indirectos.
Tratamiento de sólidos en secaderos.
En los secaderos adiabáticos los sólidos están expuestos al gas de alguna de estas formas:
A-El gas circula sobre la superficie de un lecho o una lámina del sólido, o bien sobre una o ambas caras de una lámina o película continua. Este proceso se llama secado con circulación superficial
C-Los sólidos descienden en forma de lluvia a través de una corriente gaseosa que se mueve lentamente.
D-El gas pasa a través de los sólidos con una velocidad suliciente para fluidizar el lecho.
E-Los sólidos son totalmente arrastrados por una corriente gaseosa de alta velocidad y neumáticamente transportados desde un dispositivo de mezcla hasta un separador mecánico.
Los secaderos no adiabáticos difieren básicamente en la forma en la que los sólidos se exponen a la superficie caliente o a otra fuente de calor, pudiendo ser alguna de las siguientes:
1. Los sólidos se esparcen sobre una superficie horizontal estacionaria o que se desplaza lentamente y se «cuecen» hasta que se secan.
2. Los sólidos se mueven sobre una superficie caliente, generalmente cilíndrica, por medio de un agitador o un transportador de tornillo o de palas.
FUNDAMENTOS DEL SECADO
Debido a la gran variedad de materiales que se secan y a los muchos tipos de equipo que se utilizan, no existe una sola teoría de secado que comprenda todos los materiales y tipos de secadores. Los secaderos rara vez se diseñan por los usuarios, sino que se adquieren a compañías especializadas en la ingeniería y fabricación de este tipo de equipos.
Modelos de temperatura en secaderos. La forma en la que la temperatura varía en los secaderos depende de la naturaleza y contenido de líquido del material, de la temperatura del medio de calefacción, del tiempo de secado y de la temperatura final que toleran los sólidos secos.
Transmisión de calor en secaderos. El secado de sólidos húmedos es, por definición, un proceso térmico. Aunque con frecuencia se complica por la difusión en el sólido o a través del gas, es posible secar muchos materiales simplemente calentándolos por encima de la temperatura de ebullición del líquido.
Unidades de transferencia de calor. una unidad de transferencia de calor es la sección o zona del equipo en el que la variación de temperatura es igual a la fuerza impulsora (diferencia de temperatura) media en dicha sección. Las unidades de transferencia pueden basarse en la variación de temperatura en una cualquiera de las fases, pero en los secaderos siempre se basan en la fase gaseosa.
Transferencia de materia en secaderos. En todos los secaderos en los que un gas circula sobre o a través de los sólidos, la materia tiene que transferirse desde la superficie del sólido hasta el gas, y a veces a través de los poros interiores del sólido.
Equilibrio entre fases
Humedad de equilibrio y humedad libre. La porción de agua del sólido húmedo que no puede ser separada por el aire que entra, debido a la humedad de éste, recibe el nombre de humedad de equilibrio. El agua libre es la diferencia entre el contenido total de agua del sólido y el contenido de agua en el equilibrio.
menor que la del agua líquida a la misma temperatura. el agua no ligada ejerce toda su presión de vapor y se encuentra fundamentalmente en los huecos del sólido.
Mecanismos del secado; secado con circulación superficial
El secado por este método es lento y generalmente se realiza por cargas; ha sido desplazado por otros métodos más rápidos en la mayor parte de las operaciones de secado a gran escala, si bien sigue siendo importante en la fabricación de productos farmacéuticos y de química tina, especialmente cuando las condiciones de secado han de controlarse cuidadosamente.
Velocidades de secado. A medida que transcurre el tiempo, el contenido de humedad disminuye generalmente.
Período de velocidad constante. Este período, que puede no existir si el contenido inicial de humedad del sólido es inferior a un cierto valor mínimo.
Contenido crítico de humedad y periodo de velocidad decreciente. A medida que
disminuye el contenido de humedad, termina el período de secado a velocidad constante y la velocidad de secado disminuye. El punto donde termina el período de velocidad constante recibe el nombre de punto crítico.
En sólidos no porosos corresponde al momento en el que se evapora la humedad superficial. En sólidos porosos el punto crítico ocurre cuando la velocidad de flujo de humedad hacia la superficie ya no es igual a la velocidad de evaporación generada por el proceso del termómetro húmedo. El período siguiente al del punto crítico recibe el nombre de periodo de velocidad decreciente.
Los métodos de estimación de las velocidades de secado durante el período de velocidad decreciente dependen si el sólido es poroso o no.
Sólidos no porosos y teoría de difusión. Su forma corresponde a la suposición de que la humedad fluye por difusión a través del sólido.
La difusión es característica de los materiales que secan lentamente. La resistencia a la transferencia de vapor de agua desde la superficie del sólido hasta el aire es generalmente despreciable y la difusión en el sólido controla la velocidad global de secado.
Contracción y endurecimiento. Cuando se seca un sólido coloidal no poroso, el material se contrae. cuando se trata de unidades grandes un secado inadecuado puede conducir a serias dificultades debidas fundamentalmente a la contracción. Puesto que las capas exteriores pierden humedad necesariamente antes que las anteriores, la concentración de humedad en estas capas es menor que en el interior y las capas superficiales se contraen frente a un núcleo central de volumen constante. Esta contracción de la superficie produce agrietamientos, roturas y alabeos que pueden minimizarse reduciendo la velocidad de secado y disminuyendo así los gradientes de concentración en el sólido.
Sólidos porosos y flujo por capilaridad. La humedad fluye a través de los poros del sólido por capilaridad. Un material material poroso contiene una red complicada de poros y canales interconectados, cuyas secciones transversales varían enormemente. En la superficie hay bocas de poros de varios tamaños. A medida que el agua es retirada por vaporización, se forma un menisco en cada poro que genera una fuerza capilar debido a la tensión superficial entre el agua y el sólido. Las fuerzas capilares poseen fuerzas en dirección perpendicular a la superficie del sólido. Estas fuerzas proporcionan la fuerza impulsora para el movimiento del agua a través de los poros hacia la superficie.
Secado con circulación a través del sólido
Si las partículas del sólido húmedo tienen suficiente tamaño, el gas puede pasar a través del lecho en vez de sobre él, dando generalmente lugar a un importante aumento de la velocidad de secado. Aun cuando las partículas individuales sean demasiado pequeñas para permitir esta situación, en muchos casos el material se puede acondicionar en una forma adecuada para realizar el secado con circulación transversal.
Tipos de secadores
Secaderos para sólidos y pastas
tamices transportadores, para materiales que no se pueden agitar, así como secaderos de torre, rotatorios, de tornillo sin fin, de lecho fluidizado y flash, para materiales que se pueden agitar. Estos tipos de secaderos se han ordenado, hasta donde es posible, atendiendo al grado de agitación y al método de exposición del sólido al gas o del contacto con una superficie.
Secaderos de bandejas.
Secaderos de tamices transportadores: Los secaderos de tamiz transportador
operan de forma continua y suave con una gran variedad de sólidos; su coste es razonable,
y el consumo de vapor de agua es bajo, estos secaderos son especialmente aplicables
cuando las condiciones de secado han de modificarse notablemente a medida que
disminuye el contenido de humedad del sólido. La temperatura y la humedad del aire
pueden ser diferentes en distintas secciones con el fin de alcanzar las condiciones óptimas
de secado en cada punto.
Secaderos de torre: Un secadero de torre contiene una serie de bandejas dispuestas unas encima de otras sobre un eje central rotatorio. La alimentación de sólidos se introduce
sobre la bandeja superior y está expuesta a una corriente de aire o gas caliente que pasa
sobre la bandeja. El sólido es después descargado por medio de una rasqueta y pasa a la
Secaderos rotatorios: Un secadero rotatorio consiste en una carcasa cilíndrica giratoria, dispuesta horizontal o ligeramente inclinada hacia la salida. Al girar la carcasa,
unas pestañas levantan los sólidos para caer después en forma de lluvia a través del interior
de la carcasa. La alimentación entra por un extremo del cilindro y el producto seco descarga
por el otro. En un secadero rotatorio directo-indirecto el gas caliente pasa primeramente a
través del encamisado y luego a través de la carcasa, donde se pone en contacto con los
Secaderos de tornillo transportador: Un secadero de tornillo transportador es un secadero continuo de calentamiento indirecto, que consiste esencialmente en un
transportador horizontal de tornillo (o un transportador de palas) confinado dentro de una
carcasa cilíndrica encamisada. La alimentación de sólido entra por un extremo, circula
lentamente a través de la zona calentada y descarga por el otro extremo. El vapor que se
desprende se retira a través de una serie de tuberías situadas en la parte superior de la
carcasa.
Secaderos de lecho fluidizado: Los secaderos en los que los sólidos están fluidizados por el gas de secado se utilizan en diversos problemas de secado. Las partículas
se fluidizan con aire o gas en una unidad de lecho hirviente, una carga de sólidos húmedos
se fluidiza en un contenedor perforado adosado al fondo de la cámara de fluidización, se
calienta hasta que se seca y después se descarga. Estas unidades han desplazado a los
Secaderos flash: En un secadero flash se transporta un sólido húmedo pulverizado durante pocos segundos en una corriente de gas caliente. El secado tiene lugar durante el
transporte. La velocidad de transmisión de calor desde el gas hacia las partículas de sólido
suspendido es elevada y el secado es rápido, de forma que no se requieren más de 3 o 4
segundos para evaporar toda la humedad del sólido. A veces se incorpora un pulverizador
en el sistema de secado flash para proceder simultáneamente al secado y a la reducción de
Secaderos para disoluciones y suspensiones: Algunos secaderos evaporan completamente disoluciones y suspensiones hasta sequedad por medios térmicos. Ejemplos
típicos son los secaderos de pulverización, los secaderos de película delgada y secaderos de
tambor.
Secaderos de pulverización: En un secadero de pulverización se dispersa una disolución o suspensión en una corriente de gas caliente formando una niebla de gotas muy
tinas. La humedad es rápidamente evaporada de las gotitas para formar partículas residuales
de sólido seco que después se separan de la corriente gaseosa. Las principales ventajas de
los secaderos de pulverización son el corto tiempo de secado, que permite el secado de
materiales altamente sensibles al calor, y la producción de partículas esféricas huecas. La
consistencia, densidad global, apariencia y propiedades de flujo deseadas para algunos
productos, tales como alimentos o detergentes sólidos, pueden ser difíciles o imposibles de
obtener mediante cualquier otro tipo de secadero. Los secaderos de pulverización también
una sola etapa un producto que se puede envasar fácilmente. Un secadero de pulverización
puede combinar las funciones de un evaporador, un cristalizador, un secadero, una unidad
de reducción de tamaños y un clasificador.
Secaderos de película delgada: En algunos casos pueden resultar competitivos con los secaderos de pulverización los secaderos de película delgada. Generalmente se
construyen en dos secciones; la primera de ellas es un secadero-agitador vertical, en la
segunda sección, el contenido residual de líquido del material procedente de la primera
sección se reduce hasta el valor deseado. La eficacia térmica de los secaderos de película
delgada es elevada y se produce una escasa pérdida de sólidos ya que poco o nada de gas se
Secaderos de tambor: Un secadero de tambor consiste en uno o más rodillos metálicos calentados, en cuya superficie exterior se evapora hasta sequedad una delgada
capa de líquido. El sólido seco es retirado de los rodillos a medida que estos giran
lentamente. La humedad evaporada se recoge y retira a través de la campana situada
encima de los tambores. Los secaderos de doble tambor son eficaces con disoluciones
diluidas, disoluciones concentradas de materiales muy solubles, así como con suspensiones
de partículas relativamente tinas. No son adecuados para disoluciones de sales de
solubilidad baja o para suspensiones de sólidos abrasivos que sedimentan y crean una
Selección del equipo de secado: La primera consideración en la selección de un secadero es su facilidad de operación; por encima de cualquier otra consideración, el equipo ha de
ser capaz de obtener el producto deseado en la forma y velocidad especificadas. La elección
final se decide sobre la base de los costes de inversión y operación.
Consideraciones generales: Existen algunas directrices generales para la selección de un secadero, pero las reglas distan mucho de ser rígidas y las excepciones son frecuentes.
-Es preciso que el secadero opere con seguridad y economía.
-Los costes de operación y mantenimiento no han de ser excesivos
-La contaminación ha de poder controlarse y el consumo de energía ha de minimizarse.
-Lo mismo que ocurre con otro tipo de equipo, estas consideraciones pueden ser
contradictorias y es preciso alcanzar una solución de compromiso con el fin de seleccionar
Conclusiones
- Mediante investigaciones realizadas, se han identificado muchos tipos de evaporadores y secadores, los cuales brindan métodos de simplificación eficaces a las grandes industrias que utilizan estas herramientas. Además, presentan una amplia gama de funciones que aportan distintos mecanismos de evaporación y secado a las organizaciones.
- Para las organizaciones que requieren el uso de estos mecanismos de evaporación y secado resulta de mucha importancia optar por algunos de ellos, ya que le simplifica el trabajo y le brinda productos de excelencia. Diseñados para optimizar productos en industrias como la farmacéutica y la alimentaria.
Bibliografía
Anónimo (s.f) Evaporadores de múltiple efecto. Recuperado de https://www.ecured.cu/Evaporador_de_m%C3%BAltiple_efecto
Arias, V. (s.f). Evaporador de simple efecto. Recuperado de https://www.academia.edu/11365200/EVAPORADOR_DE_SIMPLE_EFECTO
MC Clave, W. Smith, J. Harriot, P. Operaciones Unitarias en Ingeniería química. Recuperado de file:///C:/Users/usuaRIO/Desktop/libros%20operaciones%20yprocesos%20ind/Operaciones %20unitarias%20en%20ingenieria%20quimica%20(McCabe).pdf
