Secadores rotatorios

Mecánica. Maquinaria. Secador rotatorio de cascada. Secador de persianas. Secador indirecto. Calentadores

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INDICE

1.-Introducción 2

2.-Tipos de secadores rotatorios 3

2.1.-Secador rotatorio de cascada con calentamiento directo. 3

2.1.1.-Dirección de los flujos aire/sólido. 4

2.1.2.-Elevadores para secadores de cascadas. 5

2.2.-Secador de persianas. 5

2.3.-Secador indirecto. 7

3.-Equipos auxiliares. 8

3.1 Calentadores de aire para secadores directos. 8

3.1.1.- Calentadores de aire Directos. 9

3.1.1.1.-Quemadores de gas. 9

3.1.1.2.-Quemadores de petróleo. 9

3.1.1.3.-Combustibles sólidos. 9

3.1.2.- Calentadores de aire Indirectos. 10

4.-Diseño de secadores rotatorios. 10

4.1-Tiempo de retención. 10

4.2.-Procedimiento de diseño. 13

4.2.1.- Cálculo del diámetro del secador. 13

4.2.2.- Balance de Energía. 13

4.2.3.- Cálculo de la temperatura del gas de salida. 13

4.2.4.- Cálculo de la velocidad másica del gas. 14

4.2.5.- Cálculo de la humedad del gas de salida. 14

4.2.6.- Cálculo de la longitud del secador. 14

4.2.7.- Cálculo del tiempo de retención. 15

4.2.8.- Calculo alternativo del volumen del secador. 15

4.2.9.- Operación Contracorriente v/s Paralelo. 15

5.-Comportamiento característico de un secador de tipo directo. 16

5.1.- Efecto de la velocidad del gas. 16

5.2.- Efecto de la velocidad de rotación. 16

5.3.- Efecto de la Inclinación de la carcasa. 16

5.4.- Efecto de la carga del secador. 16

5.5.- Requerimientos de Potencia. 17

6.- Ejemplo: Problema típico de diseño. 17

7.-Conclusiones. 20

8.-Bibliografía. 21

1.-INTRODUCCIÓN

El secador rotatorio constituye una de las formas más ampliamente utilizadas para el secado, de una amplia gama de materiales, a nivel industrial, en forma rápida y con bajo costo unitario cuando se trata de grandes cantidades. En este tipo de secador, el material húmedo es continuamente elevado por la rotación del secador, dejándolo caer a través de una corriente de aire caliente que circula a lo largo de la carcasa del secador. El flujo de aire puede ser tanto en paralelo como en contracorriente. Los secadores de gran tamaño poseen, a continuación, un enfriador del producto, que opera en base al mismo principio y con aire en contracorriente o un enfriador en lecho fluidizado. Estos secadores se pueden diseñar para tiempos de secado comprendidos entre 5 y 60 minutos y capacidad de secado desde unos pocos cientos de kilogramos por hora hasta alcanzar las 200 t/h.

En la industria química su mayor uso es el secado de sales fertilizantes, como el sulfato nitrato y fosfato de amonio, sales potásicas y fertilizantes.

Son muy adecuados para el secado de productos granulares, con buenas características de flujo que requieren tiempos de secado moderados. Pueden ser adaptados para manipular materiales algo pegajosos mediante dispositivos especiales que disgreguen las costras sólidas formadas. De hecho, la acción de volcado es beneficiosa dentro de ciertos límites para todos los productos, pues se rompe la corteza semipermeable que se forma en la superficie de las partículas que se secan, con lo cual se facilita la salida de la humedad desde el interior de las partículas. Además se adecuan bastante bien para materiales termosensibles, en los casos en que una restricción en la temperatura de secado no implique que el tiempo de secado tenga que ser muy prolongado. Sin embargo, no son adecuados para las siguientes aplicaciones: secado de barros, suspensiones, materiales muy pegajosos y materiales que requieran más de una hora para el secado. Además, presentan limitaciones en el secado de materiales polvorientos o livianos, los cuales son arrastrados fácilmente por la corriente gaseosa. En estos casos deben tomarse en consideración los secadores rotatorios indirectos, como los más adecuados.

2.-TIPOS DE SECADORES ROTATORIOS

Los secadores rotatorios pueden ser clasificados en tres tipos:

  • Secador rotatorio de cascada con calentamiento directo.

  • Secador directo con persianas periféricas para el aire caliente.

  • Secador por calentamiento indirecto.

El secador con persianas periféricas es, en realidad un equipo continuo de secador agitado con circulación transversal.

2.1.-Secador rotatorio de cascada con calentamiento directo.

En la figura 1 está esquematizada la disposición más ampliamente usada de secador rotatorio. En ella se muestra un calentador directo que quema petróleo, pero puede usarse cualquier combustible y si es necesario, un sistema de calefacción indirecto. El aire fluye a lo largo de la carcasa en contracorriente o en paralelo, tal como se muestra en la figura.

La carcasa rotatoria puede alcanzar los 3 m de diámetro; según la producción requerida, la longitud está habitualmente comprendida entre cuatro y quince diámetros. Para provocar el desplazamiento longitudinal del sólido que se está secando, la carcasa está montada con una pendiente comprendida entre el 2.5 y el 5% (aunque algunas ocasiones los secadores en paralelo pueden estar prácticamente horizontales). Unidas a la pared interna del cilindro del secador hay una serie continua de elevadores, como puede verse en la figura 2. a medida que gira el secador, estos elevadores toman material y lo arrojan en cascada dentro de la corriente gaseosa. El secador gira a una velocidad de 4 a 5 rpm. La velocidad del aire varía de 1.5 s 2.5 m/s, dependiendo del tamaño de las partícula a secar y de la cantidad de polvo fino formado dentro del secador.

Figura 1. Secador rotatorio directo en cascada

Figura 2. Tipos de elevadores.

2.1.1.-Dirección de los flujos aire/sólido.

Es fundamental usar los flujos de aire y sólido en paralelo cuando se debe evaporar una gran proporción de humedad en las primeras etapas del secado; además esto permite utilizar altas temperaturas en el aire de entrada sin alcanzar altas temperaturas en el producto a secar. Por ello es indicado para el secado de materiales termosensibles, incluyendo aquellos que contienen componentes volátiles, como son las sales de amonio.

Puesto que las temperaturas del aire y de los sólidos convergen a medida que se acercan a la salida, la temperatura del sólido seco que abandona la planta es fácilmente controlada hasta que alcance su valor máximo, mientras se mantiene la ventaja de tener una gran diferencia de temperaturas en las primeras etapas del secado. En el secador con flujos en contracorriente, la temperatura del sólido seco tiende a alcanzar la temperatura del aire de entrada; en consecuencia, la operación en contracorriente se indica cuando es necesario calentar el sólido a una temperatura relativamente alta para completar el proceso de secado.

La temperatura del aire que sale en un secador en paralelo, es unos 10 a 20ºC mayor que la temperatura de los sólidos que abandonan al equipo. Por ello el aire que sale puede estar próximo a su punto de rocío y puede formar fácilmente depósitos de polvo húmedo de los colectores de polvo que tengan poco arrastre. Se puede prevenir este problema adicionándole a esta corriente, el aire polvoriento que sale del enfriador o utilizando un lavador húmedo.

2.1.2.-Elevadores para secadores de cascadas.

Se obtiene el máximo de transferencia de calor y materia, cuando todo el material en el proceso cae en cascada. Bajo esas condiciones los coeficientes de transferencia por unidad de longitud del secador son proporcionales a su “retención”.Sin embargo, se tiene en cuenta, que el material no tomado por los elevadores, permanece en el fondo de la carcasa dando vueltas sobre sí mismo y provocando cortocircuito en la operación de secado. También es importante que las cascadas o cortinas de material que cae, deben ser llevadas a través de todo el cilindro con el objeto de alcanzar el mejor contacto posible con la corriente gaseosa. Por esta razón se deben seleccionar los elevadores que den un patrón de flujo correspondiente al diagrama d de la figura 2 . Con este diseño particular de elevador, la máxima retención de sólidos alcanza al 14% del volumen de la carcasa. Los materiales pegajosos, presentan la desventaja de acumularse en la zona curva del elevador. Esto puede ser superado en cierta medida, aunque con alguna pérdida en el rendimiento haciendo la curvatura menos pronunciada. No obstante, si el diseño se aproxima a un sencillo elevador radial, la pérdida de efectividad es lo suficientemente grande como para justificar, con alternativa, el desarrollo de mejoras en la alimentación, mediante modificaciones en el proceso, o con alguna forma de tratamiento previo, como puede ser un cierto grado de retromezclado del producto seco. Además, debe tomarse en consideración la posibilidad de usar un tipo distinto de secador.

Se debe tomar en cuenta que un sistema complicado de elevadores será más dificultoso para limpiar y más costoso para mantener, en particular cuando es inevitable una cierta abrasión en los secadores rotatorios de gran producción. Por ello, deben preferirse los sistemas más sencillos a pesar de las atracciones teóricas que presentan los dispositivos más complejos..

2.2.-Secador de persianas.

En la figura 3 se muestra un secador rotatorio de persianas, donde el aire fluye por canales formados por tablillas conformadas de persiana y escapa a través del lecho de sólido. Una válvula asegura que el aire fluye sólo por aquella persiana que en ese momento se encuentra bajo el lecho de material a secar, mientras que la superposición de las tablillas que forman las persianas asegura que no entre material sólido en los conductos del aire. Las persianas forman un tambor interno levemente cónico, con lo cual se logra el movimiento axial del sólido aunque el eje del secador este horizontal. En el extremo de salida hay un anillo de retención formado por un sistema de hojas articuladas superpuestas.

En una operación normal se usa un lecho relativamente espeso, que ocupa alrededor del 40% del volumen del secador, pero es posible modificar el espesor del lecho cambiando el ángulo de las hojas que forman el anillo de retención; además esto permite vaciar rápidamente el secador. El aire que abandona el secador es habitualmente canalizado hasta un conjunto de ciclones de alta eficiencia.

El suave rodar del lecho impide la formación de costras y minimiza la rotura de los materiales que producen polvos. El espesor relativamente grande del lecho de material, permite lograr un tiempo de retención satisfactorio en un equipo pequeño, comparado con el secador de cascada, y su consumo de potencia es menor, puesto que es baja su velocidad de rotación. Además como se puede alcanzar un alto coeficiente de transferencia de calor, resulta ser un equipo compacto al usarlo con materiales que sequen principalmente en el período de secado a velocidad decreciente.

Este secador no es apropiado para materiales pegajosos, los cuales tienden a taponear las rendijas de las persianas y a formar grandes apelotonamientos debido al movimiento rotatorio. Puesto que este equipo se comporta como un intercambiador de calor de corrientes cruzadas, la temperatura de los sólidos a la salida se aproxima a la del aire de la entrada, lo cual puede limitar el valor máximo de esta última. Además, la caída de la temperatura del aire en la región de secado a velocidad decreciente es pequeña, por lo cual el rendimiento térmico tiende a ser pequeño; éste será alto en la zona de secado a velocidad constante donde es máxima la diferencia de temperatura entre el aire de entrada y de salida.

Puesto que el aire entra a la misma temperatura en toda la extensión del lecho, una porción de alimentación tendrá el mismo proceso de secado recorriendo este equipo, que si es secado en condiciones similares, en un secador discontinuo. Por lo tanto, es posible llevar a cabo pruebas de laboratorio en un pequeño secador discontinuo para determinar un caudal de aire y el correspondiente tiempo de secado. El secador de tamaño industrial es entonces dimensionado para obtener las mismas condiciones.

'Secadores rotatorios'

Figura 3. Secador de Persianas.

2.3.-Secador indirecto.

Un tipo de secador indirecto posee una carcasa rotatoria inclinada, como los secadores directos, pero en lugar de elevadores está provisto de tubos que contienen vapor o agua caliente. Los equipos pequeños poseen una sola fila de tubos, pero los equipos de mayor tamaño emplean dos filas de tubos, de las cuales la interna está formada por tubos de menor diámetro que los tubos de la fila externa (ver la figura 4 ).

La alimentación se calienta por contacto directo con los tubos sobre los cuales fluye formando una delgada capa. Se inyecta aire a través del secador en cantidad suficiente para eliminar el vapor de agua. El aire abandona el secador prácticamente saturado, por lo cual la cantidad requerida, suele ser mucho menor que en un secador rotatorio directo. El problema de la eliminación de polvo en el aire de salida está simplificado y en muchos casos es adecuada la circulación natural del aire sin ayuda de ventiladores. La velocidad del aire se encuentra por lo común alrededor de los 0,3 m/s.

El vapor de calefacción es introducido dentro de los tubos, y el condensado eliminado mediante un distribuidor dispuesto en el extremo de descarga de los sólidos. Los sólidos secos se descargan a través de aberturas practicadas en la carcasa, las cuales poseen una pestaña que permite mantener un espesor de lecho suficiente.

Este secador es especialmente adecuado para materiales que presentan un período de secado a velocidad decreciente prolongado y por ello deben mantenerse durante un largo tiempo a una temperatura prácticamente constante. Por otra parte, la rotación evita la formación de terrones de material y facilita la salida del vapor de agua. Puesto que hay poca pérdida de calor en la corriente gaseosa que sale, su rendimiento térmico es elevado. Este equipo es adecuado para el secado de materiales termosensibles, pues la temperatura máxima alcanzable puede ser controlada con precisión al controlar la temperatura del fluido calefactor. No es adecuado para el secado de materiales que formen costras adherentes sobre los tubos de calefacción.

Por razones de índole mecánica los secadores indirectos no pueden ser tan grandes como las mayores secadores directos utilizados para producciones muy grandes, pero afortunadamente las producciones de materiales para los que es particularmente adecuado este secador, son relativamente pequeñas. Las dimensiones de las carcasas varían 1.5 a 3.0 m de diámetro y 10 a 20 m de longitud, y los tubos de calefacción tienen como dimensiones típicas las siguientes: fila externa, 110 mm, y fila interna, 75 mm; obteniéndose coeficientes de transferencia de calor del orden de los 2 KW/mºC.

Figura 4. Principio de funcionamiento de un secador indirecto, flujo en contracorriente.

3.-EQUIPOS AUXILIARES.

Salvo en el caso de los secadores pequeños, es esencial enfriar prácticamente todos los productos que salen del secador mediante una corriente de aire en un enfriador rotatorio o enfriador de lecho fluidizado, puesto que puede ser excesivo el contenido calórico de una descarga continua de 20 a 200 t/h que abandona el secador a unos 100 ºC, especialmente si el material es empaquetado en bolsas de plástico o de fibra sin pasar previamente por el almacenamiento en un silo; además, muchos productos tienden a aglutinarse si se les almacena calientes en un silo. En general, es conveniente alcanzar una temperatura que supere a la ambiente en 20 ó 30ºC.

Entre otros equipos auxiliares se incluyen a los calefactores de aire, tanto directos como indirectos, cámaras de templado del aire, colectores de polvo eficientes y ventiladores; además de un sistema de transportadores (mediante cintas) para la alimentación y salida del producto.

En algunas plantas es necesario aplicar un sistema de raspadores operados automáticamente para despegar el material aglomerado sobre los elevadores. Estos son ruidosos y a veces es problemático mantenerlos en condiciones efectivas de operación.

3.1 Calentadores de aire para secadores directos.

Este tipo de calentadores es alimentado con gas o petróleo, su cámara de combustión es cilíndrica y tiene una longitud aproximada de dos diámetros. Los productos calientes de la combustión descargan dentro de una cámara de mezclado donde se mezclan con el resto del total del aire (aire de enfriamiento o de dilución). Para obtener una combustión completa, de manera que no se produzca una corriente gaseosa humeante, es necesario utilizar un quemador con tiro forzado, ya que el de tiro inducido es insuficiente para hacer funcionar los quemadores de baja presión.

Prácticamente todo el calor liberado en la llama aparece como el calor sensible de los gases y como las pérdidas de calor por las paredes son comparativamente pequeñas, la temperatura de la pared esta entre unos 100 a 200ºC por debajo de la temperatura de la llama. Cuando el quemador trabaja con una baja relación de exceso de aire, las paredes de éste alcanzarían una temperatura de pared de aproximadamente 1700ºC y sería necesario usar un material súper refractario, el cual es muy costoso. Para superar esto se debe operar con un exceso de aire de un 100%, del cual se admite un 30% en el quemador y el 70% restante por un anillo de tomas dispuesto alrededor de la cámara de combustión, lo cual mantendrá la temperatura del material refractario alrededor de los 1400ºC, teniéndose una temperatura en la llama de aproximadamente entre 1500 y 1600ºC. El uso de un ventilador es suficiente para obtener el exceso deseado.

La cámara de mezclado del aire de dilución debe tener idealmente una longitud aproximada de 10 a 12 diámetros para asegurar un mezclado satisfactorio. En la práctica esto no resulta cómodo, pero la introducción de3 una o más curvas de en ángulo recto o un cortacorrientes anular mejora el mezclado y resulta sencillo de disponer. Además, la curva actúa como blindaje a la radiación, lo cual es importante cuando el combustible usado es petróleo, pues la cámara se comporta como un cuerpo negro a 1500ºC.

Los calentadores de aire se dividen en dos grupos:

  • Calentadores de aire Directos.

  • Calentadores de aire Indirectos.

3.1.1.- Calentadores de aire Directos.

Dentro de esta categoría, existe una subdivisión en base al tipo de combustible que se utilice, y por ende el tipo de quemador.

3.1.1.1.-Quemadores de gas.

Este tipo de quemadores, la llama es muy estable, pudiéndose regular la relación aire/gas en un margen de 3:1, manteniendo el máximo caudal de aire y pudiéndose alcanzar una variación de 10:1 en el caudal de gas, si se regula en la misma proporción al caudal de aire. Estos quemadores se pueden clasificar como de baja y alta presión.

Quemadores de baja presión. La energía para el mezclado es suministrada por el aire que ingresa con 15 a 25 mbar para la combustión.

Quemadores de alta presión. La corriente de gas en este tipo de quemadores ingresa con una presión de hasta 1.5 bar.

3.1.1.2.-Quemadores de petróleo.

Cuando se secan materiales claros, es fundamental que la combustión sea completa y no presente trazas de hollín, de tal manera que no coloreen el material. Por lo cual estos quemadores deben cumplir las siguientes tres condiciones:

  • La atomización del combustible debe ser muy buena, de manera que sea pequeño el residuo no volátil en las gotitas.

  • Es necesario obtener una llama turbulenta con un rápido mezclado para quemar todas las partículas secundarias de carbón que se forman en la llama por reacción térmica, antes que éstas alcancen un gran tamaño. Para cumplir este requerimiento se debe disponer de tiro forzado.

  • Los gases de la llama no deben enfriarse por dilución hasta que no se haya completado la combustión.

  • 3.1.1.3.-Combustibles sólidos.

    Se utilizan combustibles sólidos en los secadores con fuego directo cuando no existe objeción a la contaminación del producto por las partículas de ceniza. Se utilizan alimentadores neumáticos para mantener una operación continua y un buen control de la temperatura. En los secadores de gran tamaño generalmente se utiliza carbón pulverizado. Al igual que los quemadores de petróleo debe usarse una cámara de combustión completa antes de reunir los gases calientes con el aire de dilución.

    3.1.2.- Calentadores de aire Indirectos.

    Este tipo de calentadores son más costoso que los calentadores directos, pero son necesarios cuando se deben cumplir normas estrictas de limpieza.

    Para operaciones a bajas temperaturas se pueden utilizar vapor como fuente de calor y el diseño del calentador se efectúa según la práctica convencional de los intercambiadores de calor. Los valores relativos entre los coeficientes de transferencia de calor interno externo indican la conveniencia de usar tubos de aletas.

    Para alcanzar altas temperaturas, se pueden utilizar calefactores con quemadores de combustible. El diseño de estos calentadores se acerca al de los calentadores tubulares. Los tubos rodean la zona radiante de la cámara de combustión, la cual es seguida de una sección convectiva. Existen calentadores que sólo poseen la zona radiante, pero presentan una menor eficiencia y sólo se justifica su uso cuando el combustible sea bastante económico. Estos calefactores brindan una alternativa económica respecto al uso de costosos combustibles limpios en un calentador directo, cuando se requiere que los gases estén limpios . sin embargo, si es necesario utilizar aleaciones con alto contenido de cromo y níquel, el calentador se torna muy costoso y se tiene el peligro de que los tubos sean atacados por los compuestos de vanadio contenidos en los residuos de los aceites pesados. Los quemadores de gas y petróleo son similares a los que son adecuados para un calentamiento directo y la tecnología del calor es similar a la requerida por una caldera. Además puede usarse combustible sólido, en este caso es fundamental utilizar un alimentador mecánico para poder obtener un funcionamiento continuo y conseguir un buen control de la temperatura del aire.

    4.-DISEÑO DE SECADORES ROTATORIOS.

    A continuación se presentan las ecuaciones de diseño para los secaderos rotatorios.

    4.1-Tiempo de retención.

    Una estimación del tiempo de residencia es dificultoso de obtener debido a la compleja interacción de los siguientes factores:

    • Porcentaje de carga.

    • Número de elevadores.

    • Diseño de elevadores.

    • Inclinación de el secador desde la base horizontal.

    • Velocidad de rotación de la carcasa del secador.

    • Longitud (efectiva) del secador.

    • Diámetro del secador.

    • Propiedades físicas del material a secar.

    • Velocidad del aire dentro del secador.

    Una expresión empírica encontrado por Williams-Gardner, basado en trabajos experimentales, para el tiempo de residencia es:

    (1)

    Donde

    t: Tiempo de retención, min.

    L: Longitud efectiva del secador, pie.

    n: Velocidad angular, rpm.

    D: Diámetro de la carcasa, pie.

    S: Inclinación de la carcasa, pulg/pie.

    v: Velocidad del aire, pie/min.

    K,Y: Constantes.

    Las constantes K y Y dependen de ciertos características de diseño tales como número y diseño de los elevadores, tamaño y densidad de partícula, y método de operación del secador.

    Para secadores directos de carcasa sencilla,

    (2)

    donde se asume de 10 a 15%, en volumen, de elevadores. K tiene un valor de 0.52 a 2.0 cuando se trabaja con flujos en contracorrientes y de 0.2 a 0.17 para flujos en paralelos.

    Friedman y Marshall sugieren la siguiente relación para el tiempo de residencia t en

    minutos:

    (3)

    Donde:es una constante cuyo valor depende del material a secar.

    DP : Promedio ponderado del tamaño de partícula del material, m.

    F: Velocidad de alimentación, lb material/h*pie2(área transversal al flujo).

    S: Inclinación, pie/pie.

    N: Velocidad angular, rpm.

    L: Longitud del secador, pie.

    D: Diámetro del secador, pie.

    G: Velocidad másica de aire, lb/h*pie2.

    Para flujos en contracorrientes, el signo en la expresión (3) es positivo, y para flujo en paralelo éste es negativo. Alternativamente, Seaman y Mitchell recomiendan:

    (4)

    donde a y b son constantes, y vm es negativo para flujo en contracorriente. El producto bvm es el equivalente a la inclinación hecha por el desplazamiento de la caída de material por la corriente de aire.

    Peck y Wasan, derivaron teóricamente una expresión para el tiempo de residencia. Su expresión es:

    (5)

    donde la constante C depende del diseño del elevador, K es un coeficiente de arrastre (partícula a aire) y  es el ángulo de inclinación de el secador.

    Las caracterización de los secadores rotatorios, se determina en función de:

    • Transporte de material a traves de la zona de secado.

    • Intercambio de calor y masa entre el aire y el producto.

    Debido a la compleja relación entre el producto y el flujo de aire, la predicción de los coeficientes de transferencia de calor y masa debe, necesariamente, conocerse empíricamente. Conocido el coeficiente de transferencia de calor volumétrico Ua, uno puede calcular el volumen del secador V de la expresión:

    (6)

    donde q: Calor total transferido, Btu/h.

    Tm: Diferencia de temperatura media entre el gas caliente y el producto.

    La relación empírica para el coeficiente es:

    (7)

    donde, K, n: Constante.

    G: Velocidad másica de aire, lb/h*pie2.

    D: Diámetro de la carcasa, pie.

    El valor de n = 0.67 es probablemente el más representativo de los equipos comerciales. El Chemical Engineer's Handbook (5ª edición) recomienda la siguiente expresión:

    (8)

    donde, L: Longitud del secador, pie.

    D: Diámetro del secador, pie.

    Tm: Diferencia de temperatura media logarítmica del gas caliente a la entrada y salida del secador.

    4.2.-Procedimiento de diseño.

    4.2.1.-Cálculo del diámetro del secador.

    La máxima velocidad másica de gas permisible es usualmente el valor en cual ocurre el arrastre de partículas. En base a las temperaturas del gas de entrada y salida, el flujo volumétrico de gas puede ser obtenido a través de los balances de masa y de calor. Entonces, si asumimos que área transversal de flujo disponible para el gas es el 85% del área total, el diámetro del secador puede ser calculado.

    4.2.2.-Balance de Energía.

    En el secador el balance de energía queda (9):

    donde, E : velocidad de vaporización, lb/h.

     : calor latente del agua a Tent, ºF.

    Tsal : Temperatura del gas de salida, ºF.

    Tent : Temperatura de entrada del gas, ºF.

    tent : Temperatura de entrada del producto, ºF.

    tsal : Temperatura de salida del producto, ºF.

    S : Flujo másico de producto, lb/h.

    Xent : contenido de humedad del producto húmedo, lbagua/lbsólidos secos.

    Xsal : contenido de humedad del producto seco, lb agua/ lb sólidos secos.

    CP : Calor específico de producto seco, Btu/(lb)(ºF).

    qrad : pérdida de calor por radiación desde el secador hacia los alrededores, Btu/h.

    4.2.3.- Cálculo de la temperatura del gas de salida.

    Experiencias prácticas indican que, para secadores directos el número unitario de transferencia de calor, NT, debe ser entre 1.5 y 2.0 para una operación eficiente. El número de transferencia de calor esta dado por:

    (10)

    donde, Tent = Temperatura del gas de entrada.

    Tsal : Temperatura del gas de salida..

    Tm : Diferencia de temperatura global entre el gas y el material.

    En el caso de un material con un alto contenido de humedad, Tm puede ser definido como la media logarítmica de la temperatura del gas a la salida y la entrada con la temperatura de bulbo húmedo, Tw. Así,

    (11)

    por lo tanto,

    (12)

    donde NT esta entre 1.5 y 2.0.

    4.2.4.- Cálculo de la velocidad másica del gas.

    Si se asume que las pérdidas de calor por radiación y convección son alrededor 7.5% del de evaporación, entonces qT se puede evaluar de la ecuación ( 9). Entonces, la velocidad másica de gas esta dad por:

    (13)

    donde, G: Velocidad másica de aire, lb/h.

    CP : Calor específico del gas, Btu/(lb)(ºF).

    4.2.5.- Cálculo de la humedad del gas de salida.

    Asumiendo el hecho de que la humedad de salida es tal que no excederá la de saturación, entonces la humedad de salida, Xsal, estará dada por:

    (14)

    donde, E/G : Humedad recogida por el gas, lbagua/lbaire seco.

    E : rapidez de evaporación, lbagua/h.

    Así, teniendo calculado la humedad y la temperatura del gas de salida, tendremos completamente determinado el estado termodinámico.

    4.2.6.- Cálculo de la longitud del secador.

    La longitud puede ser calculada teóricamente de la siguiente ecuación:

    (15)

    La razón L/D, basado sobre el calculo anterior, debe estar dentro del rango 4 a 10. Si esto no ocurre, otro valor de NT se debe escoger en orden a obtener un valor dentro del rango deseado.

    4.2.7.- Cálculo del tiempo de retención.

    El tiempo de retención  esta definido como H/S donde H es el material en el secador y S es la velocidad de producción (lbsólidoseco/h). Para un buen diseño, la cantidad de material debe ser alrededor del 7 a 8% del volumen del secador. Así,

    (16)

    donde s: Densidad volumétrica del producto seco.

    4.2.8.- Calculo alternativo del volumen del secador.

    En general, es deseable encontrar el tiempo de retención por experimentación antes que por la estimación teórica descrita anteriormente. Así, si se tienen datos de planta piloto para el tiempo de retención experimental requerido por el diseñador, el volumen del secador esta dado por:

    (17)

    El tiempo de retención estimado a partir de una prueba experimental fidedigna, debe primar en casos extremos, bajo contenido de humedad final y alta temperatura del producto final. Los datos a escala proporcionado por una planta piloto proveen información aplicable para una secador a tamaño industrial, sin embargo, se requiere de experiencia y un buen juicio por parte del diseñador.

    4.2.9.- Operación Contracorriente v/s Paralelo.

    La decisión de diseñar para un flujo en paralelo depende de los siguientes factores:

    • Sensibilidad al calor por parte del producto.

    • Contribución al efecto de arrastre de la velocidad de flujo.

    • Bajo contenido de humedad de los polvos de sólido.

    Desde el gas y producto de alimentación hasta el mismo fin del secador, la diferencia de temperatura (gas s sólido) en estos puntos es mínimo. Así, el comportamiento del secador es ineficiente en términos de potencial de secado. Por el contrario, la operación en contracorriente asegura una distribución más uniforme de la diferencia de temperatura. Consecuentemente, la eficiencia en el secador es maximizada. Otros factores que están controlando en el flujo en contracorriente son:

    • Compatibilidad del producto con altas temperaturas.

    • Inhibición del efecto de arrastre producto de la velocidad de flujo.

    • Mal control de la temperatura del producto final.

    • Arrastres de partículas húmedas.

    5.-COMPORTAMIENTO CARACTERÍSTICO DE UN SECADOR DE TIPO DIRECTO.

    A continuación se describen algunos parámetros característicos de este tipo de secador:

    La eficiencia térmica varía de 30 a 55% para secadores calentados con vapor, y de 50 a 75% para secadores que utilizan combustible. La velocidad de operación en un secador calentado con vapor va desde 0.2 a 2.0 lbagua/pie3. Para secadores directos de combustible la evaporación va de 2.0 a 7.0 lbagua/pie3.

    5.1.- Efecto de la velocidad del gas.

    La velocidad del gas afecta el comportamiento del secador de varias maneras, directa e indirectamente. Con respecto a lo primero, la velocidad del gas tiene un efecto significativo sobre el coeficiente de transferencia de calor. Con respecto a lo segundo, la velocidad del gas influye en el tiempo de retención del producto y en el grado de arrastre del producto.

    5.2.- Efecto de la velocidad de rotación.

    El tiempo de retención es inversamente proporcional a la de rotación. La velocidad rotacional del secador usualmente esta entre 25 y 35 rpm .

    5.3.- Efecto de la Inclinación de la carcasa.

    Para una velocidad de rotación dada, la inclinación del secador se incrementa y el tiempo de retención decrece. Para el rango de inclinaciones y velocidades de rotaciones comúnmente usadas ( ¼ a ¾ pulg/pie y 2 a 7 rpm) el tiempo de retención es inversamente proporcional a la inclinación.

    5.4.- Efecto de la carga del secador.

    El porcentaje de carga en el secador, es decir, la razón de material en el secador al volumen del secador, influyen en el tiempo de retención. La carga optima de un secador yace entre 8 a 12% de el volumen del secador. El tiempo de retención esta relacionada con la carga del secador por:

    (18)

    donde, H : Material por unidad de longitud, lb/pie.

    L : Longitud del secador, pie.

    S : Velocidad másica del producto, lb/h.

     : Tiempo de retención, h.

    5.5.- Requerimientos de Potencia.

    La potencia requerida para hacer rotar la carcasa del secador esta dada por

    (20)

    donde, P : Potencia, kW.

    WT : Peso total de las partes de rotación del secador., kg.

    Vr : Velocidad periférica de los polines, m/s.

    B : masa de material, kg.

    D : Diámetro de la carcasa, m.

    f : número promedio de elevadores por revolución da la carcasa del secador.

    N : Velocidad de rotación, rpm.

    6.- EJEMPLO: PROBLEMA TÍPICO DE DISEÑO.

    Un secador rotatorio directo va a ser diseñado para secar pellets catalíticos a una velocidad de 1000 lb/h de material seco desde un contenido de humedad inicial de 0.60 lbagua/lbsólido seco a una humedad final de 0.05 lb/lb. De un estudio de comportamiento en un secador rotatorio, tamaño planta piloto, los siguientes datos fueron recogidos:

    Temperatura del aire de entrada 320ºF

    Temperatura bulbo húmedo del aire de entrada 110 ºF

    Temperatura final del aire 160 ºF

    Velocidad másica promedio del aire 36.0 lb/pie2min

    Tiempo de retención del producto 20 min

    Contenido de humedad inicial 0.60 lb/lb

    Contenido de humedad final 0.05 lb/lb

    Temperatura del producto final 110 ºF

    Temperatura bulbo húmedo del producto final 108 ºF

    Dirección del flujo de aire Paralelo

    Propiedades físicas del producto

    Densidad volumétrica 34 lb/pie3

    Calor específico 0.24 Btu/lbºF

    Producto no pegajoso

    Se desea un diseño preliminar de el secador.

    Solución:

    La operación a corriente en paralelo va a ser usada debido a la sensibilidad a la temperatura del producto seco.

    Carga de calor al secador:

    Se tiene:

    Calor por evaporación: 523.8*1030 = 540000 Btu/h

    Calor para el vapor: 523.8(160-110)*0.45 = 12000

    Calor para el líquido: 523.8(110-70)*1.0 = 21000

    Calor para el producto

    Sólido: 953*0.24(110-70) = 9000

    Agua: 45*1.0(110-70) = 2000 .

    584000 Btu/h

    Estimando la pérdida de calor por radiación alrededor del 10% obtenemos el calor total qr = 58400 Btu/h.

    Cálculo de la velocidad másica de aire:

    Sobre la base de los datos de la planta piloto la temperatura del aire de salida se asume será de 160ºF. La velocidad de aire requerida, es entonces:

    Cálculo del diámetro del secador.

    Las pruebas indican que el mínimo arrastre de producto ocurre cuando es usado un flujo de 36 lb/pie2min. Asumiendo que un 85% de la sección transversal del secador esta libre de material, obtenemos el diámetro de la carcasa requerida. Así,

    Cálculo de la humedad del aire de salida.

    Cálculo del número unitario de transferencia.

    Cálculo de la longitud del secador.

    Asumiendo material en el secador de 7.5%, obtenemos el volumen V:

    entonces,

    y

    Consumo de vapor.

    La carga de energía para el intercambiador esta dado por la cantidad de calor necesario para elevar la temperatura del aire de 60 a 320ºF. Por lo tanto,

    Asumiendo la presión de vapor de 175 lb/pulg2, encontramos que el consumo de vapor es 1040000/845 = 1230 lb/h. La eficiencia térmica del secador es:

    7.-CONCLUSIONES.

    Como se ha visto en el presente informe, el diseño y la utilización de los secadores presentan un sinnúmero de singularidades, partiendo desde la naturaleza del material hasta las revoluciones por minuto a las que debe girar, todo para obtener en las mejores condiciones el producto deseado. En particular, los secadores rotatorios son los más usados a nivel industrial debido a su gran capacidad y moderado costo de operación, así lo podemos apreciar en las plantas industriales de nuestra región, por ejemplo: en la minería no metálica como lo es la planta de nitrato de SQM en María Elena , como también en la minería metálica, en Chuquicamata donde se utilizan este tipo de secadores con el propósito de bajarle la humedad al material que se alimentará a los hornos de fundición .

    No obstante, no hay que dejarse engañar ya que los secadores rotatorios, presentan la desventaja de aglomerar material, en las zonas en que la carcasa está en contacto con los elevadores o pestañas, provocando una baja en la eficiencia de estos ya que los elevadores no tendrán superficie para levantar el material, lo que desembocará en un producto de mala calidad.

    Cuando se este pensando en un secador sólo se debe pensar en un rotatorio cuando el producto a secar no sea tan pastoso ni pegajoso, y cuando se desee trabajar con grandes capacidades, ya que es en esto donde muestra su mejor desempeño.

    8.-BIBLIOGRAFÍA.

    • Operaciones básicas de Ingeniería Química, McCabe Warren L., Smith Julian C. y Harriot Peter. Ed McGraw-Hill. 4ª edición.1991.

    • El Secado de sólidos en la Industria Química, Nonhebel G., Moss A.A.H., Ed Reverté S.A., 1ª edición ,1979.

    • Handbook of separation techniques for Chemicals Engineers, Schweitzer Philip A. Ed. McGraw-Hill, 1979.

    • Operaciones de Transferencia de Masa, Treybal Robert E., Ed. McGraw-Hill, 2ª edición, 1980.